Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 100 cách từ điểm c kéo đường thẳng ngang cho cặp đường thẳng đứng vẽ từ điểm a chúng giao nhau ở điểm d, đó là một điểm của đường cong U R (t). Độ chênh lệch giữa hai đường cong U t (t) và U R (t) cho ta sóng phản xạ từ phía điện trở không đường thẳng trở về đường dây. b. Sóng bất kỳ tác dụng lên chống sét van đặt ở cuối đường dây. - Chống sét van gồm hai loại có khe hở và không có khe hở. Nó tương ứng với một điện trở không đường thẳng nhưng phân làm 2 miền : miền làm việc và miền không làm việc. Điện áp trên nó được xác định như hình vẽ : Trước khi chống sét van làm việ c điện áp trên chống sét van lấy giá trị bằng 2U đt . Khi chống sét van làm việc điện trở không đường thẳng được ghép thẳng vào mạch và cách xác định điện trở trên chống sét van cũng là cách xác định điện áp trên điện trở không đường thẳng. c. Sóng bất kỳ tác dụng lên điện dung đặt ở cuối đường dây ( phương pháp tiếp tuyến ) Thực chất phương pháp này là giải đồ thị bằng phương trình vi phân dạng : Xét với điện dung ở cuối đường dây và giả thiết điện dung được nạp sẵn với điện áp U c0 . Ta có sơ đồ Peterson như hình vẽ : Từ sơ đồ Peterson ta có : 2U t (t) = i C . Z + U C → 2U t (t) = Z . C Đặt T = Z . C ta có → → U C = [ 2U t (t) – U C ] U C (t + t ) = U C (t) = U C Thường chọn các khoảng t đều nhau nhưng có độ chính xác cần thiết sao cho các khoảng phân chia t trùng với các điểm đặc biệt. III) Tính toán bảo vệ sóng qúa điện áp truyền vào trạm : 1) Mô tả trạm cần bảo vệ : - Các thiết bị chính cần được bảo vệ : + Máy biến áp Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 101 + Thanh góp + Chống sét van 2) Lập sơ đồ thay thế tính toán trạng thái sóng của trạm : - Sơ đồ thay thế trạm 220 kV : Sơ đồ thay thế trạm 220 kV • Xác định sơ đồ trạng thái sóng nguy hiểm. - Sơ đồ xuất phát thường phức tạp do đó để quá trình tính toán không phức tạp ta cần có sự dơn giản hoá hợp lý. Dựa vào sơ đồ đầy đủ phân tích sơ bộ tìm ra tr ạng thái bất lợi nhất. Thường là trạng thái vận hành mà thiết bị cần bảo vệ ( máy biến áp , máy cắt . . ) ở xa chống sét van quá trình lan truyền sóng trên đường dây ít qua các nút có điện dung tập chung và nhiều đường dây rẽ nhánh. - Sơ đồ thay thế được lập như sau : Dựa vào trạng thái sóng nguy hiểm lập sơ đồ thay thế ở trạng thái này. Trong sơ đồ thì đường dây, thanh góp được thay thế bằng mạch gồm nhiều chu ỗi phần tử hình , điện cảm và điện dung lấy theo tổng trở sóng và tốc độ truyền sóng của chúng. Trong tính toán thường lấy gần đúng tổng trở sóng Z = 400 Ω cho cả đường dây và thanh góp. Tốc độ truyền sóng lấy V = 300 m / s . Các thiết bị khác được thay thế bằng các điện dung tập chung tương đương. Các giá trị điện dung này có thể tra trong các bảng. Ta có sơ đồ thay thế như hình vẽ : Sơ đồ thay thế trong trạng thái nguy hiểm Trong sơ đồ điện dung có giá trị như sau : + Máy biến áp : C MBA = 1500 pF + Dao cách ly : C DCL = 60 pF + Máy biến áp đo lường : C BU = 300 pF + Máy cắt : C MC = 500 pF + Thanh góp : C TG = C TG0 . l C TG0 = l = 200 m : chiều dài thanh góp C TG = 8,33 . 200 = 1666 ( pF ) Các giá trị này được tra trong bảng 4 –1 (Tài liệu hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp của tác giả Nguyễn Minh Chước) - Sơ đồ trạng thái sóng rút gọn: Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 102 Từ sơ đồ thay thế trạng thái sóng nguy hiểm ta rút gọn sơ đồ về 4 điểm. + Điểm 1: Điểm đặt tại máy cắt đường dây đang có sóng sét truyền qua. + Điểm 2: điểm đặt tại thanh góp 220 KV của trạm biến áp. + Điểm 3: Điểm tại máy biến áp đang có sóng sét truyền từ đường dây đến + Điểm 4 : điểm đặt t ại chống sét van. Từ sơ đồ ta có khoảng cách giữa các điểm như sau : + Khoảng cánh giữa điểm 1 và 2 : L 12 = 30 m + Khoảng cách giữa điểm 2 và 3 : L 23 = 90 m + Khoảng cách giữa điểm 3 và 4 : L 34 = 60 m Ta có sơ đồ thay thế trạng thái sóng nguy hiểm khi rút gọn như hình vẽ : Sơ đồ thay thế rút gọn của trạng thái sóng nguy hiểm - Ta qui điện dung về các điểm cần xét theo qui tắc phân bố lực : Giả sử điện dung C ở vị trí 0 qui đổi về điểm 2 điểm nút A và B theo công thức : C A = C C B = C Nguyên tắc mômen lựce Trong sơ đồ sau khi qui đổi ta có điện dung tập chung tại các nút nhận các giá trị như sau : + C 1 = C CL + C MC + C CL = 60 + 500 + 60 = 413,33 (pF) + C 2 = C TG + C CL + C MC + C CL + C MC + C CL + C BU + C CL = 1666 + 60 + 500 + 60 + 500 + 60 + 300 + 60 = 2201 ( pF) + C 3 = C CL + C MC + C CL + C MBA = 60 + 500 + 60 + 1500 = 1611,67 ( pF ) + C 4 = C CL + C BU = 60 + 300 = 290 ( pF ) 3) Thiết lập phương pháp tính điện áp với các nút trên sơ đồ rút gọn a. Thời gian truyền sóng giữa các nút : - Thời gian truyền sóng giữa nút 1 và 2 : Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 103 t 12 = - Thời gian truyền sóng giữa nút 2 và 3 : t 23 = - Thời gian truyền sóng giữa nút 3 và 4 : t 34 = Ta chọn t = 0,1 s và chọn gốc thời gian tại nút 1 là t = 0 * Nút 1. Là nút có hai đường dây đi với tổng trở sóng Z = 400 (). Tổng trở tập trung là điện dung C 1 . Từ đây ta có sơ đồ Peterson như hình vẽ. Ta có sóng phản xạ từ nút 1 về nút 2 là U 12 : U 12 = U 1 + U 21 Là sóng tới nút 1; U 21 là sóng phản xạ từ nút 2 về nút 1 ; U’ 21 là sóng tới nút 1 do sóng phản xạ U 21 đi từ nút 2. Xét với gốc thời gian của nút 1(qui ước như vậy đôi với sóng tới nút 1). Ta có U’ 21 chậm sau U 21 một khoảng thời gian t = 2.t 12 = 0,2 (s). Còn U 21 theo quy ước lấy gốc thời gian. ở đây không cần tính sóng phản xạ U 10 Theo các công thức 4 -2, 4 – 3, 4 – 4 ta có Zdt = = = 200 () Hệ số khúc xạ tai điểm 1 : = = = 1 2.U dt = = U’’ 01 + U’ 21 U’’ 01 – Sóng từ đường dây tới nút 1. U’ 21 - Sóng tới từ nút 2 truyền về nút 1. Do tổng trở tập trung tai nút 1 là điện dung C 1 = 413,33 (pF). Nên theo phương pháp tiếp tuyến ta có: T = Z đt .C 1 = 200.413,33.10 -6 = 0,08267 (s). Theo công thức 4 – 8: U 1 = (2.Udt – U 1 (t)) U 1 = 1,21.(2.Udt – U 1 (t)) U 1 (t+t) = U 1 (t) + U 1 Với U 1 (0) = 0 (gốc thời gian đối với nút 1). Biểu thức trên cho ta tính liên tiếp các giá trị của U 1 (t). Khi t < 2.t 12 = 0,2 (s) thì U’ 21 = 0 vì chưa có sóng phản xạ từ nút 2 về tới nút 1 nên : 2.U td = U’’ 01 . Khi t > 2.t 12 thì để tính 2.U’’ 01 cần phải tính được U’ 21 , tức phải xét qua trình sóng tại nút 2(tạm dưng tính toán với nút 1, sau khi ghi bảng các giá trị U 1 và U 12 ta tính được trong khoảng thời gian t < 2.t 12 ở trên. Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 104 Ta nhận thấy để xét nút 2 cần có số liệu về sóng tới, vì vậy bước đầu cũng chỉ tính được điện áp tại nút 2 trong khoảng thời gian t = 2.t 12 , khi đó các giá trị U 21 đã tính toán được từ nút 1. Đông thời quá trình tính toán nút 2 lai phải chú ý đến sóng phản xạ từ nút 3 và nút 4 trở về. Trong khoảng thời gian tương đối với nút 2: t < 2.t 23 thì U’ 32 = 0 t < 2.t 24 thì U’ 42 = 0 Trong khoảng thời gian lớn hơn thì tương ứng phải tính toán được các sóng phản xạ từ nút 3 và cút 4 trở về, tức là phải xét các nút này trước. Sau khi tính toán nút 2 trong khoảng kể trên, lại cho phép tính thêm quá trình sóng tại nút 1 một khoảng t = 2.t 12 , nghĩa là xác định giá trị của U 1 và U 12 trong khoang thời gian(tương đối với nút 1) là t < 4.t 12 . Sau khoảng thời gian này phải trở lai tính đối với nút 2 và xét đến sóng phản xạ từ nút 3 và nút 4 về nút 2 thì lại phải xét đến nút này. Qua trình tính toán lặp đi lăp lại nhơ vậy và cang về sau cang phải xét đến nhiều nút hơn. * Nút 2. Là nút có ba đường dây đi tới với tông trở sóng Z = 400 (). Tổng trở tập trung la điện dung C 1 = 2201,0 (pF) ta có sơ đồ Peterson như hình. Sau khi tính đôi với nút 1 trong khoảng t < 2.t 12 thì phải bắt đầu xét nút 2. Tại nút 2 có ba đường dây nối với điện dung do đó ta cung áp dụng phương pháp tiếp tuyến. ở đây sơ đồ Peterson có: Z dt = = = 133,33 (). = = 0,667 2.U dt = = 0,667.(U’ 12 + U’ 32 ) Trong công thức trên U’ m2 là các sóng tới 2 do các sóng phản xạ từ 1,3 và 4 truyền về. Khi thời gian(tương đối với nút 2): T < 2.t 24 = 0,4 s < 2.t 23 = 0,6 s thì U’ 32 = 0 và U’ 42 = 0 Do đó : 2,U dt = 0,667.U’ 12 với U’ 12 = U 12 (t – 2.t 12 ) Bước đầu đã có U’ 12 trong khoảng thời gian (tương đối đối với nút 2) t < 2.t 12 . Biết 2.U dt , Z dt và C 1 tính được điện áp nút 2 theo phương pháp tiếp tuyến. Ta có : T = Z dt .C 1 = 133,33.2201,0.10 -6 = 0,2935 (s) Theo công thức 4 – 8 : U 2 = (2,U dt – U 2 (t)) U 2 = 0,34.(2,U dt – U 2 (t)) U 2 (t + t) = U 2 (t) + U 2 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 105 Biểu thức trên cho ta tính liên tiếp các giá trị của U 2 (t) Điện áp phản xạ tại nút 2: U 21 = U 2 + U’ 12 U 23 = U 2 + U’ 32 U 24 = U 2 + U’ 42 Trong khoảng thời gian(tương đối với nút 2): t < 2.t 42 = 0,4 s < 2.t 23 thì U’ 32 = U’ 42 và U 23 = U 42 + U 2 Sau khi tính được U 2 trong khoảng thời gian t = 2.t 12 cần trở về nút 1, tiếp theo lại xem nút 2. * Nút 3. Là nút có một đường dây đi tới với tổng trở sóng Z = 400 (). Tổng trở tập trung là điện trở phi tuyến của chống sét van, do đó cần tính bằng phương pháp đồ thị. Từ đây ta có sơ đồ Peterson như hình. Trong sơ đồ trên Z dt nối với chống sét van không khe hở Zno lắp song song với điện dung tập trung tại nút 4 là C = 1611,67 (pF). Theo các công thức 4 – 3, 4 – 4 ta có: Z dt = Z = 400 () = = = 2 Từ sơ đồ thay thế Peterson ta có: 2.U dt = .Z dt + U csv (t) Mặt khác U csv = K.I I csv = Trong đó: K = 498,5 và = 0,025 Vậy ta có: 2.U dt – U csv (t) = Hay : 2.U dt – U csv (t) = Vậy suy ra : U csv (t+) = Trong đó : U csv + I csv .Z dt = 2.U’ 23 = 2.U dt Ta có U’ 24 là sóng phản xạ từ nút 2 truyền tới : U’ 23 = U 2 – U’ 32 U 32 = U 3 – U’ 23 U’ 32 = U 32 (t – 2.t 23 ) Khi t < 2.t 23 = 0,6 s thì U’ 32 = 0 do đó U’ 23 = U 2 Ta tính ngay được U 3 trong khoảng này bằng phương pháp đồ thị(dựa vào U dt , Z dt và đặc tính V – S, V – A của chống sét van. Khi t > 2.t 23 = 0,6 s thì U’ 23 0 nhưng vẫn có thể tính được tiếp vì đã có U 3 ở bước trước đó. Quá trình tính toán được lặp đi lặp lại giữa các nút 3 và 2. Ta có : T = Z dt .C 1 = 133,33.2059,78.10 -6 = 0,2746 (s) Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 106 * Nút 4. Là nút có một đường dây đi tới với tổng trở sóng Z = 400. Tổng trở tập trung là điện trở phi tuyến của chống sét van, do đó cần tính bằng phương pháp đồ thị. Từ đây ta có sơ đồ Peterson như hình vẽ Trong sơ đồ trên Z đt nối với chống sét van không khe hở ZnO lắp song song với điện dung tập trung tại nút 4 là C = 290 (pF) Theo các công thức 4 – 3, 4 – 4 ta có: Zdt = Z = 400 () = = = 2 Từ sơ đồ thay thế Peterson ta có: 2.U dt = .Z dt + U csv (t) Mặt khác U csv = K.I csv I csv = . Trong đó : K = 498,5 và 0,025 Vậy ta có : 2.U dt – U csv (t) = Hay : 2.U dt – U csv (t) = Vậy suy ra : U csv (t+) = Trong đó : U csv + I csv .Z dt = 2.U’ 2 = 2.U dt Ta có U’ 24 là sóng phản xạ từ nút 2 truyền tới : U’ 24 = U 2 – U’ 42 U 42 = U 4 – U’ 24 U’ 42 = U 42 (t – 2.t 42 ) Khi t < 2.t 24 = 0,4 s thì U’ 42 = 0 do đó U’ 24 = U 2 Ta tính ngay được U 4 trong khoảng này bằng phương pháp đồ thị(dựa vào U dt , Z dt và đặc tính V – S, V – A của chống sét van. Khi t > 2.t 42 = 0,4s thì U’ 42 0 nhưng vẫn có thể tính được tiếp vì đã có U 3 ở bước trước đó. Quá trình tính toán được lặp đi lặp lại giữa các nút 4và 2. 4) Dạng sóng quá điện áp truyền vào trạm. Với trạm cần bảo vệ ta tiến hành tính toán với dạng sóng xiên góc có biên độ bằng điện áp U 50% cách điện trường dây. Ta có phương trình dạng sóng như sau : U = a : độ dốc đầu sóng (KV/s) U 50% : điện áp phóng điện U 50% của đường dây. Với đường dây 220 kV ta có U 50% = 1140 KV. 5) Kiểm tra an toàn các thiết bị trong trạm : Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 107 a . Kiểm tra điện áp tác dụng lên cách điện của máy biến áp : Đồ thị hình vẽ đường cong chịu đựng điện áp cách điện máy biến áp là đường (1) và điên áp tác dụng lên cách điện của máy biến áp khi có sóng truyền vào trạm từ đường dây 220 kV là đường (2). Đặc tính chịu đựng của máy biến áp 220 kV. Tra trong giáo trình kỹ thuật điện cao áp ta có đặc tính cách điện của máy biến áp theo điện áp ch ịu đựng cực đại như hình vẽ : - U đm = 220 kV - U max = 1000 kV Giá trị chịu đựng điện áp của cách điện điện áp trong máy biến áp được xác định từ đồ thị đã cho trong sách giáo trình Kỹ thuật điện cao áp chương 22 trang 230. Ta có bảng sau : Bảng giá trị chịu đựng điện áp cách điện của máy biến áp : Từ đồ thị hình vẽ trên ta thấy rằng điện áp tác dụng lên cách điện của máy biến áp khi có sóng truyền vào trạm từ đường dây 220 kV đều nằm dưới khả năng cách điện của máy biến áp do đó máy biến áp làm việc an toàn. b. Kiểm tra dòng điện qua chống sét van : Để đảm bảo điều kiện làm việc binh thường của chống sét van cần phải hạn chế dòng điện qua nó không được vượt quá 5 dến 10 kA. Dòng điện sét lớn làm cho điện áp dư tăng cao ả nh hưởng tới sự phối hợp cách điện trong nội bộ trạm biến áp và có thể gây ra hư hỏng cho chống sét van. Từ kết quả tính toán trong bảng ta thấy dòng điện qua chống sét van lớn nhất là i csvanmax = 2,35 kA < 10 kA vậy đảm bảo cho chống sét van làm việc bình thường. c. Kiểm tra an toàn cho cách điện của thanh góp 220 kV : Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 108 Đồ thị biểu diễn đường đặc tính phóng điện của chuỗi cách điện đường (1) và điện áp xuất hiện trên thanh góp của trạm khi có sóng truyền vào trạm đường (2) Điện áp phóng điện xung kích của chuỗi sứ 13 bát sứ loại Π = 4,5 Từ đồ thị ta thấy điện áp xuất hiện trên thanh góp của trạm khi có sóng truyền vào trạm luôn nằm dưới đường đặc tính phóng điện của chuỗi sứ cách điện vì vậy thanh góp của trạm được bảo vệ an toàn. 5) Kết luận : Sóng khúc xạ sẽ giảm đi khi số đường dây tăng lên và ngược lại. Khi sóng lan truyền từ bất kỳ một đường dây nào đó vào trạm thì theo sơ đồ Peterson điện áp của thanh góp của trạm sẽ giảm di ( n – 1) lần nếu như có n lộ dây nố i vào thanh góp. Trong các phần tính toán ở trên ta đã tính cho trường hợp nguy hiểm nhất là trường hợp vận hành chỉ với một đường dây và một máy biến áp, kết quả cho thấy các thiết bị trong trạm được bảo vệ an toàn. Với trường hợp cụ thể là vận hành với 5 lộ đường dây nối vào trạm và cùng với 2 máy biến áp cũng vận hành thì càng đảm bảo an toàn cho trạm khi có sóng lan truyền từ đường dây vào trạm. Vậy với chống sét van đã chọn và cách bố trí thiết bị trong trạm như đã thiết kế là hợp lý đảm bảo cho trạm biến áp vận hành an toàn. Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 109 . giữa các nút : - Thời gian truyền sóng giữa nút 1 và 2 : Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 103 t 12 = - Thời gian truyền sóng giữa nút 2 và 3 : t 23 = - Thời gian truyền. thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp của tác giả Nguyễn Minh Chước) - Sơ đồ trạng thái sóng rút gọn: Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 102 Từ sơ đồ thay thế trạng thái. các nút 3 và 2. Ta có : T = Z dt .C 1 = 133,33.2059,78 .10 -6 = 0,2746 (s) Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp ĐHBK - Hà Nội 106 * Nút 4. Là nút có một đường dây đi tới với tổng trở