Bài giảng Kỹ thuật cao áp - Chương 6: Bảo vệ chống sét cho hệ thống điện

Ch ươ ng 6: Bảo vệ chống sét cho Hệ thống đ iện 
I) Bảo vệ chống sét cho đư ờng dây: 
1. Công thức tính suất cắt đ iện (n): 
Suất cắt đ iện là số lần cắt diện do sét gây nên trên chiều dài 100 km đư ờng dây trong 1 n ă m 
N_ số lần sét đ ánh lên chiều dài của 100Km đư ờng dây trong 1 n ă m 
Trong đó: m s = 0,1 – 0,15 là mật đ ộ sét, hoặc đó là số lần sét đ ánh trên 1 km 2 mặt đ ất trong 1 ngày sét. 
(lần/n ă m) 
v p đ _ xác suất phóng đ iện qua chuỗi sứ của đư ờng dây. Nh ư vậy, v p đ là xác suất xảy ra hiện t ư ợng đ iện áp phóng đ iện sét đ ặt lên chuỗi sứ lớn h ơ n đ iện áp phóng đ iện xung kích của chuỗi sứ. 
η - xác suất chuyển từ dạng phóng đ iện tia lửa xung kích do sét sang dạng hồ quang ngắn mạch xoay chiều (U f ). Giá trị η đư ợc xác đ ịnh bằng thực nghiệm. Đối với đ z tải đ iện 220kV thì η = 0,7, còn đ ối với đ z 330kV trở lên thì có thể lấy η =1. 
E lv là c ư ờng đ ộ đ iện tr ư ờng phân bố dọc theo chiều dài của chuỗi sứ. 
Do đ ộ treo cao của dây dẫn t ă ng lên rất khó và cần vốn đ ầu t ư lớn, vì thế đ ể giảm suất cắt đ iện n của đư ờng dây ta chỉ có thể giảm v p đ và η : 
E lv (KV/m) 
50 
30 
20 
10 
η 
0,6 
0,45 
0,25 
0,1 
Bảng tra các giá trị η : 
2) Biện pháp giảm suất cắt đư ờng dây: 
Từ công thức tính suất cắt đ z, ta có: 
-giảm v p đ bằng cách treo dcs ( đ /v đ z đ ã treo dcs thì giảm đ iện trở nối đ ất Rxk và giảm góc bảo vệ của α dcs 
- giảm η : t ă ng chiều dài chuỗi sứ, dùng cột, xà gỗ. 
3) Bảo vệ chống sét cho đư ờng dây có U đ m ≥ 110 KV: 
Đối với các đ z có U đ m ≥ 110KV thì th ư ờng có TTTTNĐ. Khi sét đ ánh lên đ z thì có thể gây ra dạng N (1) và dẫn đ ến cắt đ iện . 
Khi treo dây chống sét trên đ z tải đ iện phải luôn luôn kết hợp với nối đ ất tốt bởi vì nếu đ iện trở nối đ ất ở các cột đ iện có giá trị lớn thì việc treo dây chống sét là vô nghĩa. (R c = 10,15,20,30 Ω ). 
Biện pháp hiệu quả nhất đ ể bảo vệ chống sét cho đư ờng dây là treo dây chống sét trên toàn tuyến đư ờng dây. Bởi vì khi treo dây chống sét trên đư ờng dây thì chúng ta sẽ giảm đ iện áp tác dụng lên cách đ iện của hệ thống đ iện và từ đ ó giảm đư ợc suất cắt đ iện. 
I s /2 
I s /4 
I s /4 
1. Xét đ z 110kV không treo dây chống sét, vậy thì khi sét đ ánh, sét sẽ đ ánh trực tiếp vào dây dẫn. Dòng đ iện sét đư ợc xác đ ịnh nh ư sau: 
Vì ta có công thức: 
Th ư ờng coi Z dd = 400 Ω , do đ ó Z dd /2 = 200 Ω . 
Chọn Z 0 = 200 Ω 
Thay vào công thức ta tính đư ợc dòng đ iện sét đ ánh vào dây dẫn là: I s /2 
Điện áp đ ặt vào dây dẫn là: 
Chọn Z dd = 400 Ω thì U td = 100.I s 
Để thấy rõ hiệu quả của việc treo dcs cho đz 110kv, ta xét 2 trường hợp: 
2. Xét đ z 110kV có treo dây chống sét. Xét tr ư ờng hợp nguy hiểm nhất là sét đ ánh vào ngay đ ỉnh cột. Dòng đ iện sét chảy xuống đ iện trở nối đ ất là I s : 
R cột 
I s 
R cột 
U dd 
U cs 
Điện áp đ ặt lên xà cột hoặc dcs là: 
U cs = I s .R c = 10.I s 
(Với giả sử R c = 10 Ω ) 
Điện áp cảm ứng từ dây chống sét sang dây dẫn: 
U dd = k.U cs với k=Z 12 /Z 22 
Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ: U td = U cs -U dd = U cs (1-k) ~ U cs 
Kết luận: Tr ư ờng hợp có treo dcs thì đ iện áp tác dụng đ ặt lên chuỗi sứ nhỏ h ơ n, do đ ó ít gây phóng đ iện h ơ n. 
Mặc dù các đư ờng dây có treo dây chống sét thì vẫn còn có khả n ă ng sét đ ánh vòng qua dcs vào dây dẫn. Đặc biệt đ ối với các đư ờng dây siêu cao áp có U đ m > 220KV, do đ ộ treo cao của đ z lớn nên xác suất đ ánh vòng rất lớn. 
Bằng thực nghiệm ng ư ời ta xác đ ịnh đư ợc xác suất sét đ ánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn : 
 _ xác suất sét đ ánh vòng 
 _ góc bảo vệ dây chống sét và dây dẫn 
 _ đ ộ cao của cột đ iện 
Để giảm suất cắt đ iện: 
-giảm R c 
-giảm 
4) Bảo vệ chống sét cho d ư ờng dây có U đ m ≤ 35 kV: 
 Biện pháp hiệu quả nhất đ ể bảo vệ chống sét cho đư ờng dây này là không treo dây chống sét trên toàn tuyến đư ờng dây mà chủ yếu là phải giảm đ iện trở R c ở các cột đ iện. 
Khi giảm R c thì chúng ta sẽ giảm U tác dụng lên cách đ iện của các pha không sự cố và từ đ ó giảm đ ự ơ c suất cắt đ iện. 
 Đối với các đ z có cấp đ iện áp U đ m ≤ 35 kV thì th ư ờng có TTCĐ hoặc nối đ ất qua cuộn dập hồ quang. Khi sét đ ánh trên đ z sẽ gây ra hiện t ư ợng chạm đ ất 1 pha và tình trạng sự cố này vẫn cho phép làm việc trong một khoảng thời gian nhất đ ịnh nào đ ó. 
Xét đ z 35KV không treo dcs. Giả sử sét đ ánh vào pha A, sẽ gây phóng đ iện qua chuỗi sứ pha A. Do đ ó xuất hiện một đ iện áp r ơ i tác dụng lên chuỗi sứ pha B (hoặc C) là: 
U cs = I s .R c _ đ ây cũng chính là đ iện áp pha A vào lúc này. 
Điện áp cảm ứng từ pha A sang dây dẫn pha B là: 
U ddB = k.U A =k. I s .R c với k=Z AB /Z BB 
Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ pha B là: U td = U A -U ddB = U cs (1-k) 
I s 
R cột 
A 
B 
C 
Nếu U td ≥ U 50% của cách đ iện pha B thì sẽ gây phóng đ iện qua pha B. Khi đ ó đ z sẽ bị cắt đ iện. 
Giá trị dòng đ iện sét mà ứng với giá trị đ ó sẽ gây phóng đ iện qua pha B là: 
Nh ư vậy, ứng với một giá trị đ iện trở R c cho tr ư ớc, xác suất cắt đ iện của đ z 35KV chính là xác suất xuất hiện dòng đ iện sét có biên đ ộ: 
Để giảm V p đ ta giảm R c 
 Xem ví dụ trang 161/ SGK của TS. Hoàng Việt-Tập 2. 
 Xác suất phóng đ iện sẽ đư ợc xác đ ịnh theo công thức: 
Bởi vì khi R c giảm, dòng I s gây cắt đ iện đ z 35KV t ă ng. Xác suất xuất hiện dòng I s lớn sẽ giảm. Do đ ó giảm đươ c xác suất phóng đ iện v p đ , giảm suất cắt đ z. 
II) Bảo vệ chống sét cho Trạm biến áp: 
 Phóng đ iện trong trạm gây ra sự cố rất trầm trọng trong HTĐ, nó có thể phá hủy nhiều thiết bị đ ắt tiền, gây ngắn mạch trên thanh góp ngay cả khi có hệ thống BVRL hiện đ ại. Vì vậy, yêu cầu đ ối với việc bảo vệ chống sét cho trạm cao h ơ n nhiều so với đ z. 
 TBA phải đư ợc bảo vệ với đ ộ an toàn rất cao, gồm 2 phần: 
 - BV chống sét đ ánh thẳng trực tiếp vào trạm (dùng cột hoặc dây thu sét). 
 - BVchống sóng quá đ iện áp do sét gây ra trên đ z truyền vào trạm (dùng CSO, CSV, mỏ phóng đ iện,...) 
 Tuy nhiên, chủ yếu vì lý do kinh tế mà ng ư ời ta không thể đ ầu t ư nhằm loại trừ hoàn toàn khả n ă ng xảy ra sự cố ở trạm do sóng truyền theo đ z vào mà chỉ có thể hạn chế tới mức hợp lý về kinh tế và kỹ thuật. 
(trong đ ó: n là suất cắt đ iện, lần/n ă m) 
 Mức đ ộ an toàn chịu sét của trạm đư ợc đ ặc tr ư ng bởi chỉ tiêu chống sét của trạm. Nó đư ợc đ ịnh nghĩa bằng số n ă m trung bình vận hành an toàn. Với ph ươ ng tiện bảo vệ ngày càng hoàn thiện, chỉ tiêu chống sét của trạm đ ạt đ ến hàng tr ă m n ă m . 
Với yêu cầu M = 100 n ă m thì n = 0,01 lần/n ă m. 
 Theo yêu cầu của phối hợp cách đ iện, đ ể đ ảm bảo yêu cầu về kinh tế, mức cách đ iện của trạm đư ợc chọn thấp h ơ n mức cách đ iện của đ z. Vì vậy, trạm là chỗ yếu trong cách đ iện của hệ thống và sóng quá đ iện áp truyền theo đ z vào trạm có thể gây nguy hiểm cho cách đ iện của trạm. 
 Ví dụ: cách đ iện trong của MBA 110KV có đ iện áp thử nghiệm xung U 50% = 460KV, trong khi đ ó chuỗi sứ của đ z 110KV cột thép có U 50% = 650KV, cột gỗ có U 50% =1800KV. 
 Biện pháp chủ yếu đ ể bảo vệ chống sóng quá đ iện áp khí quyển truyền từ đ z vào TBA là dùng các thiết bị CSO, CSV hoặc các thiết bị hạn chế quá đ iện áp đ ấu vào thanh góp của trạm hoặc đ ấu trực tiếp ngay đ ầu vào của MBA. 
 Nguyên lý bảo vệ: Muốn cho CSV bảo vệ đư ợc một thiết bị nào đ ó thì đ ặc tính Volt-giây của nó, kể cả phần tản mạn phải nằm toàn bộ d ư ới đ ặc tính Volt-giây của thiết bị đư ợc bảo vệ và đ iện áp d ư trên CSV phải nhỏ h ơ n đ iện áp thử nghiệm xung U 50% của cách đ iện trong thiết bị đư ợc bảo vệ. 
 Tuy nhiên, đ iện áp d ư trên CSV lại phụ thuộc vào dòng đ iện xung qua nó. Ngoài ra, đ iện áp tác dụng lên cách đ iện của thiết bị đư ợc bảo vệ còn phụ thuộc vào vị trí đ ặt CSV. Do đ ó việc bảo vệ bằng CSV cho thiết bị chỉ an toàn khi thực hiện đư ợc 2 đ iều kiện sau đ ây: 
 - Khoảng cách giữa CSV và thiết bị đư ợc bảo vệ phải nằm trong giới hạn cho phép. 
 - Trị số dòng đ iện xung chạy qua CSV không đư ợc v ư ợt quá trị số dòng đ ịnh mức của nó. Tùy cấp đ iện áp và loại CSV mà dòng đ ịnh mức của nó từ 5 đ ến 14kA. 
 Việc đ ảm bảo dòng đ iện xung đ i qua CSV không đư ợc lớn h ơ n dòng đ ịnh mức của nó cũng là đ iều kiện đ ảm bảo cho CSV vận hành đư ợc bình th ư ờng.Vì nếu I > I đ m sẽ có thể gây hỏng CSV , ngoài ra còn làm cho U d ư t ă ng cao ảnh h ư ởng đ ến việc phối hợp cách đ iện trong nội bộ của trạm. 
U d ư ( đ m) 
U 
I đ m 
I 
U d ư >Ud ư ( đ m) 
 Đặc tính Volt-Ampe của CSV 
 Để xét đ iều kiện làm việc an toàn của CSV khi sét đ ánh vào đ z. Ta xét 2 tr ư ờng hợp sau đ ây: 
(1-2) km 
(2) 
(1) 
CSV 
MBA 
u t 
 1. Xét tr ư ờng hợp khi sét đ ánh lên đ z cách xa trạm từ (1-2) km 
 Đối với tr ư ờng hợp này, ta xét giống nh ư hiện t ư ợng truyền sóng trên đư ờng dây tải đ iện vào trạm. 
T ươ ng ứng với tr ư ờng hợp này ta có s ơ đ ồ thay thế theo qui tắc Petersen nh ư sau: 
S ơ đ ồ thay thế sóng truyền theo đ z vào trạm 
Z dd 
2u t 
R csv 
U d ư 
Đối với đư ờng dây 110 kV ta có: chuỗi sứ có U 50% = 650 kV 
và CSV 110kV có: U d ư = 367 kV, I đ m = 10 kA 
CSV không hỏng 
Z dd 
2u t 
R csv 
U d ư 
Từ s ơ đ ồ thay thế ta xác đ ịnh các thông số 
Sóng tới truyền vào trạm bằng đ iện áp thử nghiệm xung u 50% của đ z. Điện trở của CSV là đ iện trở phi tuyến, đ iện trở của CSV nhỏ nhất (R csv = R đ m ) khi dòng đ iện chạy qua là I đ m . 
2. Xét tr ư ờng hợp khi sét đ ánh lên đ z khu vực đ ầu trạm ( đ ánh ngay trên cột gần nhất ở đ ầu trạm) 
S ơ đ ồ thay thế 
I s 
R csv 
I csv 
I c 
R c 
CSV hỏng 
 Nếu CSV không hỏng thì U d ư t ă ng cao , ảnh h ư ởng đ ến 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 n ă ng sét đ ánh vào khu vực đ ầu trạm. Bảo vệ không cho sét đ ánh vào khu vực đ ầu trạm đư ợc gọi là 
 BẢO VỆ ĐOẠN TỚI TRẠM 
S ơ đ ồ nguyên lý bảo vệ trạm biến áp: 
1. Đối với đư ờng 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 đ ể bảo vệ đ oạn tới trạm, đ ồng thời phải giảm trị số đ iện trở nối đ ất của cột tới mức cần thiết theo qui phạm. 
(1-2) km 
2. Đối với đư ờng dây cột gỗ, ở đ oạn tới trạm phải đ ặt dcs và nối đ ất tại các cột đ iện. 
 Mức cách đ iện xung của đ oạn có treo dcs này giảm đ i rất nhiều vì cột gỗ đ ã đư ợc nối tắt bởi dây nối đ ất của dcs. Ví dụ đ ối với đ z 110KV khi treo dcs, mức đ iện áp xung của cách đ iện pha (gồm chuỗi sứ và 2m xà gỗ) là 900KV, trong khi đ ó ở phần không treo dcs, cách đ iện pha còn có cả phần thân gỗ của cột đ iện nên mức cách đ iện xung khoảng 1800KV. 
CSV 
CSO1 
CSO2 
R 
R 
1- 2km 
Do đ ó, đ oạn tới trạm là n ơ i cách đ iện yếu của đ z. Để hạn chế biên đ ộ sóng truyền vào trạm và bảo vệ cho cách đ iện của đ z phải đ ặt một bộ CSO1 ở đ ầu đ oạn tới trạm ( đ ặt trên cột đ iện đ ầu tiên có treo dcs). 
Bộ CSO2 đ ặt ở cuối đ z có nhiệm vụ bảo vệ máy cắt đ iện đ z MC1 khi máy cắt ở vị trí cắt đ iện. 
3. Đối với đư ờng dây cột thép hoặc bê tông cốt thép có treo dây chống sét trên toàn tuyến. 
ĐZ 110 kV 
Ng ư ời ta bảo vệ bằng cách: 
- giảm góc bảo vệ α ở đ oạn tới trạm (nhỏ h ơ n 20 o ). 
- giảm R c đ ến mức cần thiết. 
III) Bảo vệ chống sét cho máy đ iện: 
 1) Bảo vệ chống sét cho máy đ iện nối trực tiếp đư ờng dây trên không 
 Đối với loại MF này thì bảo vệ chống sét thực hiện t ươ ng tự nh ư TBA, nghĩa là trên thanh góp đ iện áp máy phát có đ ặt CSV và có bảo vệ đ oạn tới trạm. 
Tuy nhiên có các đ ặc đ iểm riêng: 
 Dùng CSV có khe hở, dập hồ quang theo kiểu thổi từ có U d ư thấp (loại PBT, đ iện trở phi tuyến của nó làm bằng tecvit có khả n ă ng cho qua dòng đ iện lớn). 
 Đặt thêm tụ đ iện trên thanh góp cấp đ iện áp máy phát song song với CSV có trị số đ iện dung C khoảng 0,25 - 0,5.10 -6 F/pha đ ể giảm đ ộ dốc sóng tới, t ă ng an toàn cho cách đ iện dọc. 
Các s ơ đ ồ bảo vệ : 
- S ơ đ ồ 1: 
S ơ đ ồ này tốn kém nên ít dùng 
CSV 
CSO1 
CSO2 
R 
Cột thu sét 
 Dùng cột thu sét đ ặt 2 bên đ z đ ể bảo vệ chống sét đ ánh thẳng trực tiếp vào dây dẫn gần máy đ iện. Tr ư ờng hợp dùng dây thu sét thì không đư ợc đ ặt dây thu sét trực tiếp trên cột đ iện nhằm tránh hiện t ư ợng phóng đ iện ng ư ợc vào dây dẫn. 
 CSO1 đư ợc đ ặt ở đ ầu đ oạn đ z này và có đ iện trở nối đ ất càng nhỏ càng tốt (R<5 Ω ) đ ể hạn chế dòng đ iện qua CSV. Nếu không thực hiện đư ợc nối đ ất nhỏ thì ở cột đ iện tiếp theo phải đ ặt thêm bộ CSO2. 
- S ơ đ ồ 2 
CSV 
CSO 
R 
 Trong thực tế, máy đ iện th ư ờng đư ợc nối vào đ z trên không qua một đ oạn cáp dài từ 50 - 100 mét. Đoạn cáp này tạo đ iều kiện rất thuận lợi cho việc bảo vệ quá đ iện áp cho máy đ iện. 
 Tại n ơ i chuyển tiếp từ đ z trên không sang cáp đ ặt bộ CSO. Vỏ cáp nối liền với nối đ ất của CSO và đ ầu kia nối vào nối đ ất của CSV và của nhà máy. Khi CSO làm việc thì lõi cáp và vỏ cáp có cùng đ iện thế với đ ất. Do hiệu ứng mặt ngoài nên dòng đ iện sét truyền chủ yếu ngoài vỏ cáp, nếu cáp đ ặt trong đ ất thì một phần dòng đ iện tản vào đ ất. Điện áp truyền vào máy đ iện là đ iện áp giáng trên đ iện trở tác dụng của vỏ cáp. 
2) Bảo vệ chống sét cho máy đ iện nối với đư ờng dây qua MBA: 
 Máy phát công suất lớn th ư ờng đư ợc nối với đ z qua MBA (s ơ đ ồ nối bộ MF-MBA). 
 Về phía cao áp, máy biến áp đư ợc bảo vệ nh ư bảo vệ trạm. 
 Khi bên cuộn cao áp có sóng tác dụng thì phía hạ áp cũng sẽ xuất hiện đ iện áp do giữa 2 cuộn dây có sự liên hệ về đ iện (qua đ iện dung) và về từ (qua đ iện cảm). Tuy nhiên đ iện áp này ít khi v ư ợt quá k.U d ư , do đ ó cũng không gây nguy hiểm cho cách đ iện của MF. Vì thế trong tr ư ờng hợp này không cần đ ặt bảo vệ riêng cho máy phát đ iện. 
CSV 
 MBA 
 MFĐ 
U d ư