Chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện cao thế và các yếu tố ảnh hưởng

Nội dung text: Chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện cao thế và các yếu tố ảnh hưởng

1. CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN CAO THẾ VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG Ho Van Nhat Chuong1,a, Vien Hai Minhb 1 Đại Học Bách Khoa Tp.HCM adr_hvnchuong@yahoo.com; bvienhaiminh@hotmail.com ABSTRACT Lightning in line as one of the main factors causing the problem and stop power supply line. Lightning is a random phenomenon depends on many different factors, so the implementation of lightning protection for buildings in general, in particular electric lines can only restrict the problem to a reasonable level but can not completely eliminate the problem. However, when calculating indicators of line surge protection during design, testing and maintenance of the line in the operation has a lot of input parameters and a series of complex formulas must be done . That process really needs a lot of time, effort and of meticulous calculations. Hence, the need to optimize time and reduce workload in the design process as well as the inspection and maintenance of the line. Keyword: Lightning, Indicators of line surge protection. 1. GIỚI THIỆU giúp của máy tính có thể tối ưu thời gian và Ngày nay đã hình thành nhiều hệ thống giảm được khối lượng công việc trong quá điện lớn trong phạm vi quốc gia hoặc liên trình này. quốc gia, xuất hiện nhiều đường dây truyền 2. PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN tải điện áp cao và siêu cao làm nhiệm vụ liên - Đường dây có độ cao trung bình của dây lạc và truyền tải công suất. Độ tin cậy làm chống sét là h푡 thì số lần sét đánh trên việc của các đường dây truyền tải là một chỉ 푠 đường dây có chiều dài là L được tính như tiêu quan trọng trong bài toán kinh tế - kỹ sau: thuật khi thiết kế và vận hành hệ thống điện, 푡 −3 bởi vì mọi sự cố trên đường dây đều gây ảnh 푠đ = 푠. 6. h 푠 + 푙 . 퐿. 푛푛𝑔푠 . 10 hưởng đến khả năng cung cấp điện của hệ thống có thể dẫn đến ngừng cung cấp điện Nsđ: số lần sét đánh vào đường dây trong một cho một số phụ tải hoặc cả một khu vực rộng năm (lần/năm) 2 lớn, tác động xấu đến sự phát triển của nền ms: mật độ sét đánh trung bình(lần/km ngày kinh tế và đời sống xã hội. sét) 푡 Sét đánh vào đường dây là một trong h 푠 : độ cao trung bình của dây chống sét (m) những yếu tố chủ yếu gây sự cố và ngừng l : khoảng cách giữa 2 dây chống sét (m) (nếu cung cấp điện của đường dây. Khi tính toán x đường dây có 1 dây chống sét thì l =0) chỉ tiêu chống sét của đường dây trong quá x trình thiết kế, kiểm tra và bảo dưỡng đường L: chiều dài đường dây (km) (L=100km) dây trong quá trình vận hành có rất nhiều nngs: số ngày sét trong một năm (ngày thông số đầu vào và hàng loạt các công thức sét/năm) phức tạp cần phải được thực hiện. Bằng sự trợ 1
2. - Khi sét đánh vào đường dây có treo dây Điện trường làm việc Elv1 và Elv2 được tính: chống sét thì có thể sét sẽ đánh vào đỉnh cột, 푈đ hoặc sét đánh vào đỉnh cột trong khoảng vượt, 푙푣1 = hoặc có khả năng sét đánh vòng qua dây 3. 푙 đ chống sét vào dây dẫn và phóng điện trên 푈đ cách điện đường dây chỉ xảy ra khi dòng điện 푙푣2 = 3. 푠 sét có biên độ và độ dốc nhất định, do đó xác suất phóng điện xảy ra trên cách điện đường Trong đó: dây cũng chính là xác suất xuất hiện dòng Uđm: điện áp định mức của đường dây (kV) điện sét có thông số lớn nhất định đó. lpđ: chiều dài phóng điện của chuỗi sứ (m) Như vậy suất cắt điện của đường dây trong một năm được tính như sau: s: khoảng cách không khí giữa dây chống sét và dây dẫn (m) đ = 0,06 ÷ 0,09 . ℎ 푠 . 푛푛𝑔푠 đ3. 훼 . ɳ1 Có Elv1 và Elv2 tra đường cong Elv=f(ɳ) sẽ tìm 4ℎ được trị số ɳ1 và ɳ2 + 1 + 훼 . đ1. ɳ1 푙 푣 4ℎ + 1 − đ2 đ. ɳ1 푙 푣 + đ2 . ɳ2 Ncđ: suất cắt điện đường dây (lần/năm) Nsđ: số lần sét đánh trên đường dây (lần/năm) Vpđ1:xác suất phóng điện trên chuỗi sứ khi sét đánh vào đỉnh cột Hình 1: Elv=f(ɳ) ɳ1: xác suất chuyển từ phóng điện sét thành hồ quang ổn định trên chuỗi sứ - Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn V được tính theo công thức kinh V : xác suất phòng điện trên chuỗi sứ khi α pđ2cđ nghiệm như sau: sét đánh vào dây chống sét trong khoảng vượt 훼. ℎ V : xác suất phóng điện trong khoảng 푙𝑔 = 푠 − 4 pđ2kk 훼 90 không khí giữa dây chống sét và dây dẫn khi sét đánh vào dây chống sét trong khoảng vượt Trong đó: α: góc bảo vệ của dây chống sét đối dây dẫn ɳ2: xác suất chuyển từ phóng điện sét thành hồ quang ổn định trong khoảng không khí (độ) giữa dây chống sét và dây dẫn hdcs: độ cao dây chống sét (m) Vα: xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét Đồ thị biểu diễn quan hệ của Vα theo góc α vào dây dẫn và độ cao dây chống sét: Vpđ3: xác suất phóng điện trên chuỗi sứ khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn - Xác suất chuyển từ phóng điện sét thành hồ quang ổn định trên chuỗi sứ ɳ1 và trong khoảng không khí giữa dây chống sét và dây dẫn ɳ2 phụ thuộc vào điện trường làm việc trên chuỗi sứ Elv1 và điện trường làm việc ở khoảng không khí giữa dây chống sét và dây dẫn E . lv2 2
3. Hình 2: Vα=f(α) - Bán kính tương đương của cột điện tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của cột, cách tính 푡đ của vài loại cột: . = 3.21 푡đ . = . = 푡đ 푡đ Hình 3: Cột hình π Hình 5: Cột hình tháp 3 1 − 2 2 3 1 푡đ = . 1 3 1 − 2 1 1 + 2 푡đ = 2 Hình 4: Cột hình π với chân rộng Hình 6: Cột hình trụ 3
4. - Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn đối với dây chống sét được quyết định bởi kích thước hình học của đường dây và khoảng cách giữa các dây với nhau. Đối với đường dây có treo hai dây chống sét: Đối với đường dây có treo một dây chống sét: Hình 7 Hình 8 1: dây chống sét 1, 2: dây chống sét 2: dây dẫn 3: dây dẫn Hệ số ngẫu hợp giữa dây 2 đối với dây 1 là: Hệ số ngẫu hợp giữa dây 3 đối với hai dây 2,1 là: 12 푙푛 푡đ 12 푙푛 표 = 2ℎ1 = 푡đ 푙푛 표 2ℎ푡đ 1 푙푛 푡đ Trong đó: r1: bán kính dây 1 푡đ = 13. 23 푡đ = 13. 23 2ℎ푡đ = 2ℎ1. 12 = . 푡đ 1 12 r : bán kính dây 1 1 3. TÍNH TOÁN MATLAB 4
5. - Tính toán chỉ tiêu chống sét cho đường dây 25 2,614 0,3825 220kV Cai Lậy – Cao Lãnh khi Rc (điện trở nối đất) thay đổi 30 3,1819 0,3142 35 3,7432 0,2671 40 4,3043 0,2323 45 4,856 0,2059 50 5,3933 0,1854 Hình 9: Suất cắt điện đường dây Hình 11: Suất cắt điện đường dây Hình 10: Chỉ tiêu chống sét đường dây + Kết quả tính toán cho thấy đường dây 220kV Cai Lậy – Cao Lãnh có suất cắt điện đường dây thấp 1 lần/năm/100km (lớn nhất là 0,955 lần/năm/100km tại Rc =10Ω). + Nhìn trên đồ thị thấy rằng suất cắt điện đường dây tỉ lệ với điện trở nối đất cột điện Rc , do đó biện pháp giảm điện trở nối đất cũng là biện pháp có hiệu quả để giảm số lần cắt điện do sét đánh vào đường Hình 12: Chỉ tiêu chống sét đường dây dây. + Ứng với: Rc = (3÷10)Ω thì Ncđ là - Khảo sát trường hợp đường dây trên khi đường phi tuyến. điện trở nối đất tăng + Nếu Rc tăng lên (10÷50)Ω thì Ncđ là đường tuyến tính. Ncđ M Rc(Ω) (lần/năm/100km (năm/100km/lần + Tức Ncđ tăng nhanh khi Rc lớn hơn ) ) 10Ω. 5 0,5415 1,8465 + Từ kết quả nhận thấy việc đảm bảo Rc 10Ω thì 20 2,04 0,4901 pđ1 c 5
6. Vpđ2cd và Vpđ2kk tăng rất nhanh và tác động rằng nguyên nhân chủ yếu ảnh hưởng đến lớn đến Ncđ của đường dây. suất cắt điện là phóng điện trên chuỗi sứ - Kết quả các xác suất phóng điện theo điện khi sét đánh vào đỉnh cột. trở nối đất cột điện + Kết quả này thấy rằng xác suất phóng điện trên chuỗi sứ khi sét đánh vào đỉnh cột chiếm vai trò quyết định trong công thức tính suất cắt đường dây. + Xác suất phóng điện trên chuỗi sứ tăng theo điện trở nối đất cột điện rất nhanh trong trường hợp sét đánh vào dây chống sét giữa khoảng vượt. Nếu R lớn thì c Hình 15: V xác suất phóng điện này có thể ảnh hưởng pđ2kk nhiều đến suất cắt điện Ncđ . Hình 16: Các thành phần điện áp tác dụng Hình 13: Vpđ1 trên chuỗi sứ khi sét đánh vào đỉnh cột (Rc = 10Ω) Hình 14: Vpđ2cđ + Xác suất phóng điện giữa khoảng Hình 17: Các thành phần điện áp tác dụng không khí dây chống sét và dây dẫn rất trên chuỗi sứ khi sét đánh vào đỉnh cột (Rc = nhỏ. 30Ω) Rc = 5Ω thì Vpđ2kk = 0 -13 Rc = 20Ω thì Vpđ2kk = 1,15x10 -7 Rc = 50Ω thì Vpđ2kk = 8,39x10 + Như vậy trong khi tính toán chỉ tiêu chống sét, phóng điện trong khoảng không khí giữa dây chống sét và dây dẫn có thể bỏ qua, hơn nữa xác suất chuyển từ phóng điện tia lửa thành hồ quang ổn định tương đối bé. Do đó qua kết quả tính toán thấy 6
7. Hình 18: Các thành phần điện áp tác dụng lên - Bảng kết quả tính toán chỉ tiêu chống sét khi khoảng không khí giữa dây chống sét và dây Rc (điện trở nối đất) và hcột (chiều cao cột) dẫn khi sét đánh vào dây chống sét ở giữa thay đổi khoảng vượt. Khi sét đánh vào đỉnh cột thì điện áp tác dụng lên chuỗi sứ chủ yếu là thành phần điện áp giáng lên điện trở nối dất cột điện uRc , còn hai thành phần điện áp cảm ứng điện và từ chiếm một lượng nhỏ so với uRc (khoảng 20%). Khi Rc lớn thành phần uRc có thể lớn hơn điện áp tác dụng lên chuỗi sứ. - Bảng kết quả tính toán chỉ tiêu chống sét khi Hình 21: Suất cắt điện đường dây khi Rc Rc (điện trở nối đất) và rdcs (bán kính dây (điện trở nối đất) và hcột (chiều cao cột) chống sét) thay đổi thay đổi Hình 19: Suất cắt điện đường dây khi Rc (điện Hình 22: Chỉ tiêu chống sét đường dây khi trở nối đất) và rdcs (bán kính dây chống sét) Rc (điện trở nối đất) và hcột (chiều cao cột) thay đổi thay đổi + Khi chiều cao cột điện tăng thêm 3m (tăng 9,6%) thì Ncđ tăng thêm 52,8% tại Rc=50Ω. Từ đó cho thấy khi tăng chiều cao cột điện sẽ tạo ra khoảng cách an toàn lớn hơn cho công trình phía dưới đường dây (nếu có) nhưng lại làm tăng chi phí và xác suất sét đánh vào đường dây tăng rất nhanh. 4. KẾT LUẬN Hình 20: Chỉ tiêu chống sét đường dây khi Rc Sau khi nghiên cứu bài báo rút ra các kết luận (điện trở nối đất) và rdcs (bán kính dây chống sau: sét) thay đổi Suất cắt điện của đường dây cao áp + Khi bán kính dây chống sét rdcs tăng thì phụ thuộc gần như tuyến tính với điện suất cắt điện đường dây Ncđ giảm lớn nhất trở nối đất của cột điện. là 16,3% tại điện trở nối đất R =50Ω. Nhìn c Xác suất phóng điện trên chuỗi sứ khi chung thì việc tăng tiết diện dây chống sét sét đánh vào đỉnh cột chiếm phần lớn không làm cho chỉ tiêu chống sét được cải trong công thức tính toán suất cắt thiện rõ rệt nhưng lại làm tăng đáng kể chi đường dây. phí đầu tư. 7
8. Chiều cao cột càng thấp thì suất cắt điện đường dây càng giảm. Mật độ sét đánh trong vùng đường dây đi qua càng lớn thì suất phóng điện càng cao. Xác suất phóng điện trên chuỗi sứ và trong khoảng không khí giữa dây chống sét và dây dẫn khi sét đánh vào dây chống sét ở giữa khoảng vượt rất nhỏ so với xác suất phóng điện trên chuỗi sứ khi sét đánh vào đỉnh cột điện.Trong tính toán có thể bỏ qua mà sai số không quá 2%. Khi sét đánh vào đỉnh cột, thành phần điện áp giáng trên điện trở nối đất cột điện chiếm phần lớn trong điện áp tác dụng lên chuỗi sứ. Thành phần điện áp cảm ứng điện và từ gần tương đương nhau và chiếm một lượng nhỏ trong điện áp tác dụng lên chuỗi sứ. Cách điện đường dây càng cao thì xác suất phóng điện càng giảm thấp. 8
9. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vài nét về hoạt động giông sét và nghiên cứu định vị sét ở Việt Nam. [Viện Vật lý Địa cầu] [2]. Giáo trình Khí tượng Nông Nghiệp. [Đại học Nông Nghiệp 1] [3]. Kỹ thuật điện cao áp –Trần Văn Tốp [4]. Kỹ thuật điện áp cao tập 2 - Hoàng Việt [5]. Bài tập Kỹ thuật điện cao áp – Hồ Văn Nhật Chương [6]. Electrical Transmission and Distribution Reference Book By Central Station Engineers of the Westinghouse Electric Corporation. [7]. Electric Power Transmission and Distribution London Great Britian Freeman P.J [8]. Tóm tắt luận án phó tiến sĩ khoa học kỹ thuật – Võ Viết Đạn [9]. Giáo trình Matlab – Bách Khoa Đà Nẵng [10]. www.mathworks.com Giảng viên hướng dẫn Học viên thực hiện PGS-TS. Hồ Văn Nhật Chƣơng Viên Hải Minh 9
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.