BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
5.3 SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO ĐƯỜNG DÂY KHÔNG CÓ DÂY CHỐNG SÉT
5.3.1 Đường dây cột thép hoặc bê tông cốt thép
Trong trường hợp này, cách điện của đường dây tại cột điện chỉ là chuỗi sứ và các khoảng cách không khí giữa dây dẫn và cột. Phong điện sẽ xảy ra nếu: UDD = 100Is ≥U0,5.
Điều kiện này ứng với khi dòng sét vượt quá mức chịu sét (hay mức bảo vệ chống sét) của đường dây:
Is ≥ Ibv = 100
5 ,
U0
(5.14)
(Như vậy điều kiện phóng điện trong phương pháp tính toán gần đúng này chỉ phụ thuộc vào biên độ của dòng sét mà không phụ thuộc vào độ dốc đầu sóng cảu nó). Vì tất cả các trường hợp sét đánh với biên độ Is ≥ Ibv đều dẫn đến phóng điện trên cách điện đường dây, nên xác suất phóng điện vp cũng chính là xác suất xuất hiện dòng sét có biên độ lớn hơn hoặc bằng mức bảo vệ chống sét của đường dây.
Vp = bv/26 10 bv/60
bv
i i
i e
V = − = −
Sét thường chỉ đánh vào một pha:
- Pha trên cùng khi dây dẫn bố tri trên các đỉnh của một hình tam giác.
- Pha ngoài cùng khi dây dẫn nằm trên cùng một mặt phẳng ngang.
Nếu điều kiện chuyển từ phóng điện tia lửa xung thanh phóng điện hồ quang ổn định, duy trì bởi điện áp làm việc, được thực hiện thì sẽ dẫn đến ngắn mạch chạm đất một pha.
Như vậy, xác suất hình thành hồ quang ổn định η và do đó khả năng cắt điện đường dây còn phụ thuộc vào phương thức nối đất điểm trung tính của hệ thống.
a) Đối với đường dây thuộc hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất, tức là (đối với nước ta) đường dây thuộc các cấp điện áp từ 110kV trở lên, khi có ngắn mạch chạm đất một
pha, bộ phận rơle bảo vệ sẽ làm việc và cắt nhanh đường dây sự cố. Suất cắt điện nc được tính theo:
Đối với đường dây có dây dẫn bố trí trên các đỉnh của một hình tam giác:
η . . . 6 ,
0 __ p
c hnmv
n =
__hlà độ treo cao trung bình của dây dẫn trên cùng.
Đối với đường dây có dây dẫn cùng nằm trên mặt phẳng ngang:
__ 1
10 . . . . ) 6
( + −
= pη
c h s nmv
n
với s là khoảng cách giữa hai dây dẫn ngoài cùng.
Ví dụ: Đường dây 110kV có U0,5 = 650kV(chọn theo cực tính âm vì phấn lớn phóng điện sét có cực tính âm). Mức bảo vệ của đường dây bằng: Ibv = 650/100 = 6,5KA. Xác suất phóng điện sẽ bằng
60 / 5 ,
10−6
=
= ibv
p v
v .Xác suất hình thành hồ quang ổn định của đường dây cột thép (hay bê tông cốt thép) lấy bằng η=0,7. Nếu độ cao trung bình của dây dẫn trên cùng __h =10m, đường dây đi qua vùng có cường độ sét hoạt động mạnh với n =100 ngày/năm và m = 0,1 lần/km2/ngày thì nc = 0,6x10x0,1x100x0,8x0,7 =33,6 lần /năm. Suất cắt điện đường dây như vậy quá lớn, do đó đường dây 110kV trở lên có cột thép (hay bê tông cốt thép) đi qua các vùng sét hoạt động trung bình và mạch cần phải được bảo vệ bằng dây chống sét.
b) Đối với đường dây thuộc hệ thống có trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang , thường là các cấp điện áp từ 35kV trở xuống, chạm đất một pha không yêu cầu cắt điện đường dây ngay, mà chỉ khi phóng điện phát triển thêm ở một hoặc hai pha còn lại đưa đến ngắn mạch chạm đất ở hai hoặc ba pha thì
mới cắt điện đường dây. Hình 5.5: Phóng điện trên cách điện của hai pha khi sét đánh vào dây dẫn của đường dây không
có dây chống sét.
Giả thiết sét đánh vào pha A và gây phóng điện ở trên chuỗi cách điện của pha này.
Chọn trường hợp nguy hiểm nhất là sét đánh vào dây dẫn ở gần cột, vì khi cách điện pha A bị phóng điện thì gần như toàn bộ dòng sét đi qua cột để vào điện trở nối đất của cột điện (do Rx<<ZDD/2). Lúc này điện áp của cột, xà bằng điện thế trên dây dẫn pha A và gần bằng điện thế giáng trên Rx, điện trở tản xung của nối đất cột điện:
Ucột = UDD(A) = IsRx
Trên dây dẫn các pha còn lại do hiện tượng cảm ứng tĩnh điện sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng bằng Kđ.Is.Rx với Kđ là hệ số ngẫu hợp động (có tính đến ảnh hưởng của vầng quang xung) của dây dẫn các pha Chống sét hoặc pha B đối với dây dẫn pha A.
Như vậy cách điện của các pha không bị sét đánh này (Chống sét hoặc B) chịu tác dụng của một điện áp băng:
UA – UB = UA – UC = Is.Rx.(1 - Kđ)
Và phóng điện trên cách điện pha B hoặc Chống sét sẽ xảy ra nếu:
Is.Rx(1 - Kđ) ≥ U0,5
Từ đó xác định được mức chịu sét đường dây:
) 1 (
5 , 0
d x
bv R K
I U
= − (5.15)
Và xác suất phóng điện ở cả pha thứ hai bằng:
{
s bv}
Ibv/26 10 Ibv/60p P I I e
v = ≥ = − = −
Ở đây U0,5 của pha C (hoặc pha B) chon theo cực tính dương (điện áp cảm ứng tĩnh điện, bé hơn ít nhiều so với cực tính âm).
Qua (5.15) thấy rõ mức bảo vệ của đường dây phụ thuộc rất nhiều vào điện trở nối đất của cột điện: giảm điện trở nối đất sẽ tăng được mức bảo vệ chống sét của đường dây.
Ví dụ; Đường dây 35kV cột thép có U0,5 = 350kV, giả thiết độ treo cao trung bình của dây dẫn là __h = 10m qua vùng sét hoạt động mạnh với n = 100 ngày/năm, m = 0,1 lần/km2/ngày, hệ số ngẫu hợp động kđ = 0,3. Xác suất hình thành hồ quang ổn định η = 0,7.
nếu điện trở tản xung của nối đất cột điện Rx = 10Ω thì mức bảo vệ đường dây bằng:
kA
Ibv 50
) 3 , 0 1 ( 10
350 =
= −
Do đó xác suất phóng điện vp =e−50/60 =0,15 và suất cắt điện đường dây bằng nc = 0,6x10x0,1x100x0,15x0,7 = 6,3 lần/năm. Nếu giảm điện trở nối đất còn bằng Rx = 5Ω thì với tính tương tự như trên:
kA
Ibv 100
) 3 , 0 1 ( 5
350 =
= − , vp =e−100/60 =0,02 , nc = 0,6x10x0,1x100x0,02x0,7 = 0,84 lần/năm
Nghĩa là giảm khoảng 7,5 lần so với khi Rx =10Ω.
Qua các ví dụ trên có thể rút ra hai kết luận quan trọng đối với đường dây cột thép hoặc bê tông cốt thép:
- Suất cắt đường dây thuộc hệ thống có trung tính cách điện bé hơn nhiều so với đường dây thuộc hệ thống có trung tính trực tiếp nối đất. Đặc biệt nếu nối đất trung tính qua cuộn dập hồ quang thì xác suất hình thành hồ quang ổn định rất bé (η = 0), do đó giảm suất cắt đường dây rất nhiều. Vì vậy, nối đất trung tính qua cuộn dập hồ quang được coi như là một biện pháp nâng cao khả năng chịu sét của đường dây.
- Bằng cách giảm điện trở nối đất của cột điện, có thể giảm suất cắt điện đường dây đáng kể. Hiển nhiên điều này chỉ có thể thực hiện được thuận lợi về kinh tế đường dây đi qua các vùng đất dẫn điện tốt.