Chương 6: Bảo vệ chống sét cho Hệ thống điện

Chương 6: Bảo vệ chống sét cho Hệ thống điện I) Bảo vệ chống sét cho đường dây: 1.Công thức tính suất cắt điện (n): Suất cắt điện là số lần cắt diện do sét gây nên trên chiều dài 100 km đường dây trong 1 năm N_ số lần sét đánh lên chiều dài của 100Km đường dây trong 1 năm Trong đó: ms = 0,1 – 0,15 là mật độ sét, hoặc đó là số lần sét đánh trên 1 km2 mặt đất trong 1 ngày sét. vpđ _ xác suất phóng điện qua chuỗi sứ của đường dây. Như vậy, vpđ là xác suất xảy ra hiện tượng điện áp phóng điện sét đặt lên chuỗi sứ lớn hơn điện áp phóng điện xung kích của chuỗi sứ. η - xác suất chuyển từ dạng phóng điện tia lửa xung kích do sét sang dạng hồ quang ngắn mạch xoay chiều (Uf). Giá trị η được xác định bằng thực nghiệm. Đối với đz tải điện 220kV thì η = 0,7, còn đối với đz 330kV trở lên thì có thể lấy η =1. Elv là cường độ điện trường phân bố dọc theo chiều dài của chuỗi sứ. Do độ treo cao của dây dẫn tăng lên rất khó và cần vốn đầu tư lớn, vì thế để giảm suất cắt điện n của đường dây ta chỉ có thể giảm vpđ và η: Bảng tra các giá trị η: 2) Biện pháp giảm suất cắt đường dây: Từ công thức tính suất cắt đz, ta có: -giảm vpđ bằng cách treo dcs (đ/v đz đã treo dcs thì giảm điện trở nối đất Rxk và giảm góc bảo vệ của α dcs - giảm η: tăng chiều dài chuỗi sứ, dùng cột, xà gỗ. 3) Bảo vệ chống sét cho đường dây có Uđm≥110 KV: Đối với các đz có Uđm≥110KV thì thường có TTTTNĐ. Khi sét đánh lên đz thì có thể gây ra dạng N(1) và dẫn đến cắt điện . Khi treo dây chống sét trên đz tải điện phải luôn luôn kết hợp với nối đất tốt bởi vì nếu điện trở nối đất ở các cột điện có giá trị lớn thì việc treo dây chống sét là vô nghĩa. (Rc= 10,15,20,30 Ω). Biện pháp hiệu quả nhất để bảo vệ chống sét cho đường dây là treo dây chống sét trên toàn tuyến đường dây. Bởi vì khi treo dây chống sét trên đường dây thì chúng ta sẽ giảm điện áp tác dụng lên cách điện của hệ thống điện và từ đó giảm được suất cắt điện. Is/2 1. Xét đz 110kV không treo dây chống sét, vậy thì khi sét đánh, sét sẽ đánh trực tiếp vào dây dẫn. Dòng điện sét được xác định như sau: Vì ta có công thức: Thường coi Zdd = 400Ω, do đó Zdd/2 = 200Ω. Chọn Z0 = 200Ω Thay vào công thức ta tính được dòng điện sét đánh vào dây dẫn là: Is/2 Điện áp đặt vào dây dẫn là: Chọn Zdd = 400Ω thì Utd = 100.Is Để thấy rõ hiệu quả của việc treo dcs cho đz 110kv, ta xét 2 trường hợp: 2. Xét đz 110kV có treo dây chống sét. Xét trường hợp nguy hiểm nhất là sét đánh vào ngay đỉnh cột. Dòng điện sét chảy xuống điện trở nối đất là Is: Điện áp đặt lên xà cột hoặc dcs là: Ucs = Is.Rc = 10.Is (Với giả sử Rc = 10Ω) Điện áp cảm ứng từ dây chống sét sang dây dẫn: Udd = k.Ucs với k=Z12/Z22 Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ: Utd = Ucs-Udd = Ucs(1-k) ~ Ucs Kết luận: Trường hợp có treo dcs thì điện áp tác dụng đặt lên chuỗi sứ nhỏ hơn, do đó ít gây phóng điện hơn. Mặc dù các đường dây có treo dây chống sét thì vẫn còn có khả năng sét đánh vòng qua dcs vào dây dẫn. Đặc biệt đối với các đường dây siêu cao áp có Uđm > 220KV, do độ treo cao của đz lớn nên xác suất đánh vòng rất lớn. Bằng thực nghiệm người ta xác định được xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn : _ xác suất sét đánh vòng _ góc bảo vệ dây chống sét và dây dẫn _độ cao của cột điện Để giảm suất cắt điện: -giảm Rc -giảm 4) Bảo vệ chống sét cho dường dây có Uđm ≤ 35 kV: Biện pháp hiệu quả nhất để bảo vệ chống sét cho đường dây này là không treo dây chống sét trên toàn tuyến đường dây mà chủ yếu là phải giảm điện trở Rc ở các cột điện. Khi giảm Rc thì chúng ta sẽ giảm U tác dụng lên cách điện của các pha không sự cố và từ đó giảm đựơc suất cắt điện. Đối với các đz có cấp điện áp Uđm ≤ 35 kV thì thường có TTCĐ hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang. Khi sét đánh trên đz sẽ gây ra hiện tượng chạm đất 1 pha và tình trạng sự cố này vẫn cho phép làm việc trong một khoảng thời gian nhất định nào đó. Xét đz 35KV không treo dcs. Giả sử sét đánh vào pha A, sẽ gây phóng điện qua chuỗi sứ pha A. Do đó xuất hiện một điện áp rơi tác dụng lên chuỗi sứ pha B (hoặc C) là: Ucs = Is.Rc _ đây cũng chính là điện áp pha A vào lúc này. Điện áp cảm ứng từ pha A sang dây dẫn pha B là: UddB = k.UA =k. Is.Rcvới k=ZAB/ZBB Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ pha B là: Utd = UA-UddB = Ucs(1-k) Nếu Utd ≥U50% của cách điện pha B thì sẽ gây phóng điện qua pha B. Khi đó đz sẽ bị cắt điện. Giá trị dòng điện sét mà ứng với giá trị đó sẽ gây phóng điện qua pha B là: Như vậy, ứng với một giá trị điện trở Rc cho trước, xác suất cắt điện của đz 35KV chính là xác suất xuất hiện dòng điện sét có biên độ: Để giảm Vpđ ta giảm Rc Xem ví dụ trang 161/ SGK của TS. Hoàng Việt-Tập 2. Xác suất phóng điện sẽ được xác định theo công thức: Bởi vì khi Rc giảm, dòng Is gây cắt điện đz 35KV tăng. Xác suất xuất hiện dòng Is lớn sẽ giảm. Do đó giảm đươc xác suất phóng điện vpđ, giảm suất cắt đz. II) Bảo vệ chống sét cho Trạm biến áp: Phóng điện trong trạm gây ra sự cố rất trầm trọng trong HTĐ, nó có thể phá hủy nhiều thiết bị đắt tiền, gây ngắn mạch trên thanh góp ngay cả khi có hệ thống BVRL hiện đại. Vì vậy, yêu cầu đối với việc bảo vệ chống sét cho trạm cao hơn nhiều so với đz. TBA phải được bảo vệ với độ an toàn rất cao, gồm 2 phần: - BV chống sét đánh thẳng trực tiếp vào trạm (dùng cột hoặc dây thu sét). - BVchống sóng quá điện áp do sét gây ra trên đz truyền vào trạm (dùng CSO, CSV, mỏ phóng điện,...) Tuy nhiên, chủ yếu vì lý do kinh tế mà người ta không thể đầu tư nhằm loại trừ hoàn toàn khả năng xảy ra sự cố ở trạm do sóng truyền theo đz vào mà chỉ có thể hạn chế tới mức hợp lý về kinh tế và kỹ thuật. (trong đó: n là suất cắt điện, lần/năm) Mức độ an toàn chịu sét của trạm được đặc trưng bởi chỉ tiêu chống sét của trạm. Nó được định nghĩa bằng số năm trung bình vận hành an toàn. Với phương tiện bảo vệ ngày càng hoàn thiện, chỉ tiêu chống sét của trạm đạt đến hàng trăm năm. Với yêu cầu M = 100 năm thì n = 0,01 lần/năm. Theo yêu cầu của phối hợp cách điện, để đảm bảo yêu cầu về kinh tế, mức cách điện của trạm được chọn thấp hơn mức cách điện của đz. Vì vậy, trạm là chỗ yếu trong cách điện của hệ thống và sóng quá điện áp truyền theo đz vào trạm có thể gây nguy hiểm cho cách điện của trạm. Ví dụ: cách điện trong của MBA 110KV có điện áp thử nghiệm xung U50% = 460KV, trong khi đó chuỗi sứ của đz 110KV cột thép có U50% = 650KV, cột gỗ có U50%=1800KV. Biện pháp chủ yếu để bảo vệ chống sóng quá điện áp khí quyển truyền từ đz vào TBA là dùng các thiết bị CSO, CSV hoặc các thiết bị hạn chế quá điện áp đấu vào thanh góp của trạm hoặc đấu trực tiếp ngay đầu vào của MBA. Nguyên lý bảo vệ: Muốn cho CSV bảo vệ được một thiết bị nào đó thì đặc tính Volt-giây của nó, kể cả phần tản mạn phải nằm toàn bộ dưới đặc tính Volt-giây của thiết bị được bảo vệ và điện áp dư trên CSV phải nhỏ hơn điện áp thử nghiệm xung U50% của cách điện trong thiết bị được bảo vệ. Tuy nhiên, điện áp dư trên CSV lại phụ thuộc vào dòng điện xung qua nó. Ngoài ra, điện áp tác dụng lên cách điện của thiết bị được bảo vệ còn phụ thuộc vào vị trí đặt CSV. Do đó việc bảo vệ bằng CSV cho thiết bị chỉ an toàn khi thực hiện được 2 điều kiện sau đây: - Khoảng cách giữa CSV và thiết bị được bảo vệ phải nằm trong giới hạn cho phép. - Trị số dòng điện xung chạy qua CSV không được vượt quá trị số dòng định mức của nó. Tùy cấp điện áp và loại CSV mà dòng định mức của nó từ 5 đến 14kA. Việc đảm bảo dòng điện xung đi qua CSV không được lớn hơn dòng định mức của nó cũng là điều kiện đảm bảo cho CSV vận hành được bình thường.Vì nếu I > Iđm sẽ có thể gây hỏng CSV , ngoài ra còn làm cho Udư tăng cao ảnh hưởng đến việc phối hợp cách điện trong nội bộ của trạm. Đặc tính Volt-Ampe của CSV Để xét điều kiện làm việc an toàn của CSV khi sét đánh vào đz. Ta xét 2 trường hợp sau đây: 1. Xét trường hợp khi sét đánh lên đz cách xa trạm từ (1-2) km Đối với trường hợp này, ta xét giống như hiện tượng truyền sóng trên đường dây tải điện vào trạm. Tương ứng với trường hợp này ta có sơ đồ thay thế theo qui tắc Petersen như sau: Sơ đồ thay thế sóng truyền theo đz vào trạm Đối với đường dây 110 kV ta có: chuỗi sứ có U50%= 650 kV và CSV 110kV có: Udư = 367 kV, Iđm = 10 kA CSV không hỏng Từ sơ đồ thay thế ta xác định các thông số Sóng tới truyền vào trạm bằng điện áp thử nghiệm xung u50% của đz. Điện trở của CSV là điện trở phi tuyến, điện trở của CSV nhỏ nhất (Rcsv = Rđm) khi dòng điện chạy qua là Iđm. 2. Xét trường hợp khi sét đánh lên đz khu vực đầu trạm (đánh ngay trên cột gần nhất ở đầu trạm) Sơ đồ thay thế CSV hỏng Nếu CSV không hỏng thì Udư tăng cao , ảnh hưởng đến thiết bị nó bảo vệ Khi bảo vệ chống sóng truyền vào trạm bằng thiết bị là CSV thì chúng ta phải loại trừ khả năng sét đánh vào khu vực đầu trạm. Bảo vệ không cho sét đánh vào khu vực đầu trạm được gọi là BẢO VỆ ĐOẠN TỚI TRẠM Sơ đồ nguyên lý bảo vệ trạm biến áp: 1. Đối với đường dây cột thép và cột bê tông cốt thép mà không treo dây chống sét trên toàn tuyến thì chúng ta phải treo dây chống sét trên chiều dài từ 1-2 km để bảo vệ đoạn tới trạm, đồng thời phải giảm trị số điện trở nối đất của cột tới mức cần thiết theo qui phạm. 2. Đối với đường dây cột gỗ, ở đoạn tới trạm phải đặt dcs và nối đất tại các cột điện. Mức cách điện xung của đoạn có treo dcs này giảm đi rất nhiều vì cột gỗ đã được nối tắt bởi dây nối đất của dcs. Ví dụ đối với đz 110KV khi treo dcs, mức điện áp xung của cách điện pha (gồm chuỗi sứ và 2m xà gỗ) là 900KV, trong khi đó ở phần không treo dcs, cách điện pha còn có cả phần thân gỗ của cột điện nên mức cách điện xung khoảng 1800KV. Do đó, đoạn tới trạm là nơi cách điện yếu của đz. Để hạn chế biên độ sóng truyền vào trạm và bảo vệ cho cách điện của đz phải đặt một bộ CSO1 ở đầu đoạn tới trạm (đặt trên cột điện đầu tiên có treo dcs). Bộ CSO2 đặt ở cuối đz có nhiệm vụ bảo vệ máy cắt điện đz MC1 khi máy cắt ở vị trí cắt điện. 3. Đối với đường dây cột thép hoặc bê tông cốt thép có treo dây chống sét trên toàn tuyến. ĐZ 110 kV Người ta bảo vệ bằng cách: - giảm góc bảo vệ α ở đoạn tới trạm (nhỏ hơn 20o). - giảm Rc đến mức cần thiết. III) Bảo vệ chống sét cho máy điện: 1) Bảo vệ chống sét cho máy điện nối trực tiếp đường dây trên không Đối với loại MF này thì bảo vệ chống sét thực hiện tương tự như TBA, nghĩa là trên thanh góp điện áp máy phát có đặt CSV và có bảo vệ đoạn tới trạm. Tuy nhiên có các đặc điểm riêng: Dùng CSV có khe hở, dập hồ quang theo kiểu thổi từ có Udư thấp (loại PBT, điện trở phi tuyến của nó làm bằng tecvit có khả năng cho qua dòng điện lớn). Đặt thêm tụ điện trên thanh góp cấp điện áp máy phát song song với CSV có trị số điện dung C khoảng 0,25 - 0,5.10-6F/pha để giảm độ dốc sóng tới, tăng an toàn cho cách điện dọc. Các sơ đồ bảo vệ : - Sơ đồ 1: Sơ đồ này tốn kém nên ít dùng CSV CSO1 CSO2 R Cột thu sét Dùng cột thu sét đặt 2 bên đz để bảo vệ chống sét đánh thẳng trực tiếp vào dây dẫn gần máy điện. Trường hợp dùng dây thu sét thì không được đặt dây thu sét trực tiếp trên cột điện nhằm tránh hiện tượng phóng điện ngược vào dây dẫn. CSO1 được đặt ở đầu đoạn đz này và có điện trở nối đất càng nhỏ càng tốt (R<5Ω) để hạn chế dòng điện qua CSV. Nếu không thực hiện được nối đất nhỏ thì ở cột điện tiếp theo phải đặt thêm bộ CSO2. - Sơ đồ 2 Trong thực tế, máy điện thường được nối vào đz trên không qua một đoạn cáp dài từ 50 - 100 mét. Đoạn cáp này tạo điều kiện rất thuận lợi cho việc bảo vệ quá điện áp cho máy điện. Tại nơi chuyển tiếp từ đz trên không sang cáp đặt bộ CSO. Vỏ cáp nối liền với nối đất của CSO và đầu kia nối vào nối đất của CSV và của nhà máy. Khi CSO làm việc thì lõi cáp và vỏ cáp có cùng điện thế với đất. Do hiệu ứng mặt ngoài nên dòng điện sét truyền chủ yếu ngoài vỏ cáp, nếu cáp đặt trong đất thì một phần dòng điện tản vào đất. Điện áp truyền vào máy điện là điện áp giáng trên điện trở tác dụng của vỏ cáp. 2) Bảo vệ chống sét cho máy điện nối với đường dây qua MBA: Máy phát công suất lớn thường được nối với đz qua MBA (sơ đồ nối bộ MF-MBA). Về phía cao áp, máy biến áp được bảo vệ như bảo vệ trạm. Khi bên cuộn cao áp có sóng tác dụng thì phía hạ áp cũng sẽ xuất hiện điện áp do giữa 2 cuộn dây có sự liên hệ về điện (qua điện dung) và về từ (qua điện cảm). Tuy nhiên điện áp này ít khi vượt quá k.Udư , do đó cũng không gây nguy hiểm cho cách điện của MF. Vì thế trong trường hợp này không cần đặt bảo vệ riêng cho máy phát điện.