Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp - Chương 3: Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

CH BẢO VỆ CHỐNG SÉT 3.1. Mở đầu 3.2. Nguyên tắc bảo vệ chống sét 3.3. Bảo vệ chống sét bằng thu lôi BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP 3/31/2014 Page 1 3.4. Phạm vi bảo vệ của cột chống sét theo mô hình cổ 3.5. Bảo vệ chống sét bằng dây chống sét và l 3.6. Điều kiện an toàn khi có dòng 3.7. Nối đất và kết cấu của hệ thống thu sét ƯƠNG 3 : ĐÁNH TRỰC TIẾP đánh trực tiếp điển ưới thu sét điện sét qua hệ thống thu sét 3/31/2014 Page 2 Nguyên tắc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp tia tiên đạo là một kênh dẫn bị ion hoá, đ tích dương (lượng điện tích rất lớn cùng dấu Bảo vệ chống sét dựa trên những hiểu biết bảo vệ và từ đó đưa ra các hành động bảo vệ khi tia tiên đạo phát triển đến gần mặt đất, 3.1. MỞ ĐẦU 3/31/2014 Page 3 tiên đạo với mặt đất gia tăng rất đáng kể làm hướng về phía tia tiên đạo.  cần phân tích các điều kiện phát triển của mây và từ đó xác định các giá trị của phóng có khả năng xảy ra càng dễ dàng nếu điện trở iện dẫn rất lớn gồm các điện tích âm hoặc gồm các điện tập trung tại đầu tia tiên đạo). về tương tác giữ phóng điện sét với công trình cần thích hợp. cường độ điện trường trong vùng phía trước tia xuất hiện phóng điện phát triển từ mặt đất phóng điện hướng từ dưới mặt đất lên trên phía các đám điện sét để hoàn thiện mô hình dự báo toán lý : phóng điện của vật dưới mặt đất càng bé Phóng điện sét có tính chất chọn lọc : sét đánh có xác suất cao hơn so với các công trình thấp ý tưởng bảo vệ chống sét đánh trực tiếp là định hướng chính xác tia tiên đạo sét ngoài ra cần rất chú ý tránh sự phá 3.2. NGUYÊN TẮC BẢO VỆ CHỐNG SÉT Đ 3/31/2014 Page 4 Hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp (hệ một bộ phận thu đón sét (kim thu sét, dây dẫn đưa xuống (dây dẫn dòng mạng lưới điện cực nằm trong đất vào công trình có độ cao và các vật nối đất tốt hơn ở xung quanh đến những điểm định trước trên mặt đất huỷ thiết bị do nhiệt khi có dòng điện sét đi qua ÁNH TRỰC TIẾP thống thu sét) cơ bản gồm dây thu sét) điện sét) để tản dòng điện sét (hệ thống nối đất). Cột thu sét được Benjamin Franklin (1706-1790 những điểm thu hút phóng điện sét : sử dụng các sau đó dẫn dòng điện sét xuống đất để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp người ta (DCS). 3.3. BẢO VỆ CHỐNG SÉT BẰNG THU LÔI 3/31/2014 Page 5 Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược Sử dụng các CTS với mục đích là để sét đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào Việc láp đặt các CTS làm tăng xác suất đó cần chọn vị trí láp đặt các CTS một ) phát minh vào năm 1752 sau khi ghi nhận được mũi nhọn nhân tạo có thể thu hút phóng điện sét và sử dụng các cột chống sét (CCS) và dây chống sét lại dùng để thu hút phóng điện sét về phía nó đánh chính xác vào một điểm định sẵn trên mặt trên công trình sét đánh vào diện tích công trình cần bảo vệ, do cách hợp lý Tác dụng thu hút phóng điện sét về phía các hiệu ứng mũi nhọn của bộ phân thu sét : sự độ điện trường cục bộ, gây ra hiệu ứng vầng quanh nó CTS có độ cao lớn, điện trở bé tạo nên cư phóng điện sét về phía mình, do đó tạo nên 3/31/2014 Page 6 điện áp U giữa kim thu sét và đất u Ví dụ : Rt=10, (bỏ qua Rfil so với di/dt=10.109 A/s U 2 10.200 10 3  Cần phải giảm thấp trị số hệ thống thu sét dựa trên tích tụ điện tích ở đỉnh mũi nhọn làm khuyếch đại cường quang quanh kim thu sét, làm ion hoá chất khí xung ờng độ điện trường trên đỉnh cột khá lớn sẽ thu hút các khu vực an toàn quanh nó gọi là phạm vi bảo vệ i i/2 L fil i/2i/2 R t R fil u U Rt          22 i dt d L i RR filfilt Rt). L=10 -5 H, dây dẫn dài 10m, dòng điện I=200 kA,    MVV 17,110.17,110.1010 695   điện trở nối đất để tránh phóng điện CTS có độ cao lớn, điện trở bé tạo nên cường độ điện tr điện sét về phía mình, do đó tạo nên khu vực an toàn quanh nó CTS tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong phạm vi bảo vệ Phạm vi bảo vệ của CTS đã có nhiều thay đổi từ khi xuất hiện JBCK Trụ - Gay Lussac 1823; Hiệu quả bảo vệ của CTS đặc trưng bởi xác suất sét công trình được bảo vệ với số lần sét đánh vào cột thu sét). 3/31/2014 Page 7 J B 100 D F L BAC côn – Defonville 1874; DAE côn – Uỷ ban Paris 1875, FAG côn – Adam 1881; ường trên đỉnh cột khá lớn sẽ thu hút các phóng đó có vật cần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là OHIP trụ – 1881 LFGM trụ – Chapman 1875; đánh vào khu vực nào đó (tỉ lệ giữa số lần sét đánh vào A 100 75 50 25 50 H I C E G P K M O Xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét Việc xác định chính xác khu vực hướng đánh của sét là rất khó, nhiệm vụ xác thống tháo sét được quy về việc xác định quy luật phân bố phóng điện sét với mặt đất trên đó có đặt các CTS và các công trình cần bảo vệ Những nghiên cứu về sét trên thực tế cũng như trên mô hình cho thấy chiều cao của CTS và hệ thống nối đ quan trọng : xác suất sét đánh vào các công trình giảm khi khoảng cách đến CTS giảm 3/31/2014 Page 8 Phạm vi bảo vệ của CTS được xác định trên cơ nghiên cứu các mô hình phóng điện sét trong các phòng thí nghiệm, bằng các phóng điện tia lửa xung kích ở khoảng cách lớn, (độ tin cậy được khẳng định bằng kinh nghiệm vận hành hệ thống điện trong thời gian dài). định tác dụng bảo vệ của hệ điện trong hệ nhiều điện cực giữa kênh phóng ất là rất sở Từ các kết quả nghiên cứu phạm vi bảo vệ hình nón cong tròn xoay có tiết diện ngang  x x x hh h h r    1 6,1 3/31/2014 Page 9 để thuận tiện trong tính toán trong thiết kế, dùng phạm vi bảo vệ dạng chóp có dạng đường gẫy khúc, đoạn ab nối đỉnh CTS có chiều cao h tới độ cao 2/3 h).          h h 3 2 3 2 x x h Khi h Khi với h30m, p = 1 ; h>30 m, của một CTS là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của là các hình tròn hx rx h đơn giản hoá : đường sinh của hình điểm cách xa chân cột 1,5h (điểm b có               p h h h p h h h x x 175,0 8,0 15,1 x x r r h p 5,5  Theo ABB, CTS đơn tạo nên vùng bảo vệ hình ba lần chiều cao của cột kể từ mặt đất và đ cột 3/31/2014 Page 10 h M nón có mặt cắt được bao bởi một cung có tâm bằng ỉnh cột, cung này tiếp đất ở khoảng cách h tính từ chân hx rx h5 Theo V. V. Bazukin (Liên xô) phạm vi bảo hình chóp có đỉnh ở độ cao ho<h và bán kính               85,0 85,01,1 85,0 xhhh h x 0 r h (xác suất sét đánh vòng qua biên giới bảo vệ không lớn hơn 0,005): 3/31/2014 Page 11 Tăng xác suất sét đánh vòng lên 0,05, phạm vi bảo vệ sẽ rộng lớn h           5,1 92,0 hx 0 r h Với xác suất 0,05 công trình cần bảo vệ bị sét vệ của CTS đơn có độ cao h dưới 150m có dạng bảo vệ rx ơn.     92,0 xh h đánh sẽ nhỏ hơn 1 lần trong 200 năm vận hành Phạm vi bảo vệ của hai CTS Phạm vi bảo vệ của hai CTS có kích thước lớn h Vùng xác suất sét đánh 100% rx=3,5ha 3/31/2014 Page 12 Thực nghiệm cho thấy khu vực có xác xuất 100 % phóng cách nhau a = 2R = 7 h thì bất kỳ điểm nào trên mặt đ 1 H ơn nhiều so với tổng số phạm vi bảo vệ của hai cột đơn rx=3,5ha Vùng xác suất sét đánh 100% điện vào CTS có R=3,5h. Như vậy khi hai CTS đặt ất trong khoảng giữa hai cột sẽ không bị sét đánh 2 s=7ha Hai CTS đánh đặt cách nhau khoảng cách a < 7h, sẽ bảo vệ 0,2h h Rx 7 a hh o  3/31/2014 Page 13 rox h x a 1, 5h 0,75h h rx phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống nh cột phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung độ cao h0 -a /7 0,2ho 7 a hho  h o = h - 0,75ho 1, 5ho ư của một đi qua 3 điểm: 2 đỉnh cột và điểm có độ cao h0 Phạm vi bảo vệ của hai CTS có chiều cao khác Vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao (cột 1) và cột thấp (cột 2) riêng rẽ Qua đỉnh cột thấp (cột 2) vẽ đường thẳng ngang gặp 3 Cột 2 và cột 3 hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau (h2) với khoảng cách a. điểm này được xem là đỉnh của một CTS giả 3/31/2014 Page 14 a’ nhau đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm định a Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét Khi công trình cần được bảo vệ chiếm khu vực rộng lớn, nếu chỉ dùng một vài cột thì phải rất cao gây nhiều khó khăn cho thi công láp ráp Phần ngoài của phạm vi bảo vệ xác định như Trong trường hợp này sẽ dùng nhiều cột phối hợp bảo vệ 1 2 a12 rx r0x12 3/31/2014 Page 15 3 a31 a23 D8ha r0x23 r0x31 Không cần vẽ PVBV bên trong đa giác hình thành bởi các CTS mà chỉ kiểm tra Vật có độ cao hx nằm trong đa giác sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn của từng đôi cột (yêu cầu khoảng cách aÊ7h). 1 2 điều kiện bảo vệ an toàn điều kiện D  8 (h - hx) = 8 ha 4 3 D8ha Ví dụ 1 : Xác định phạm vi bảo vệ của cột Trên ống khói có độ cao 80 m người ta lắp trời có độ cao cần bảo vệ hx=10 m. Xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét H=80m 3/31/2014 Page 16 độ cao tác dụng của cột thu sét ha  Bán kính bảo vệ ở độ cao hx hr ax 1  Rx =60m thu sét đặt một cột thu sét để bảo vệ một trạm phân phối ngoài  mhh x 70  m h h hx 60 80 5,5 80 10 1 6,1 70 5,56,1     Ví dụ 2 : Xác định phạm vi bảo vệ của cột thu Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp đoạn đường dây 6 kV. Các cột thu sét bố trí theo kiểu bàn cờ cách cột 3m. Mỗi khoảng vượt dài 60 m được bảo vệ bởi 2 CTS, hx=6m 3/31/2014 Page 17 Vì dây dẫn có tiết diện vô cùng bé nên có thể coi độ cao của cột thu sét hhh a 86 độ cao thấp nhất được bảo vệ giữa 2 cột thu sét Bán kính bảo vệ  h h hr x ax 1015 1 6,1    sét điện Dây thoát sét cột Đường dây  mshb ax 5,8 7 60 7 ;0    mhm 155,145,   mshho 5,6 7 60 15 7    m8,4 15 10 1 6,1   Ví dụ 3 : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm độ cao tác dụng của cột thu sét  mh 86,655  Các CTS lắp đặt trên kết cấu của trạm Các nhóm cột I : D =55 m Nhóm cột I-IV Các nhóm cột II : D =50 m 3/31/2014 Page 18 a 8 độ cao của cột thu sét h hr ax 1 6,1    mha 25,6 8 50  Nhóm cột II Chọn chung độ cao tác dụng của các CTS Bán kính bảo vệ ở độ cao hx hhh ax 711  ha = 7 m biến áp ngoài trời.    m h x 7,10 18 2,8 1 6,1 2,817     m18 3/31/2014 Page 19 Dây chống sét Tăng xác suất sét đánh vòng lên 0,05, phạm vi bảo vệ sẽ rộng lớn h DCS gồm một hoặc một số dây dẫn đư dẫn pha và được nối đất ở từng cột đối với các cột điện thông thường giảm góc bảo vệ , giảm xác suất sét đ dây dẫn sẽ được bảo vệ chắc chắn nếu góc bảo vệ 3.5. BẢO VỆ CHỐNG SÉT BẰNG DÂY CHỐNG SÉT VÀ L 3/31/2014 Page 20 Phạm vi bảo vệ của DCS Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét của phạm vi bảo vệ tương tự như với CTS với các hoành độ 0,6h và 1,2h Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét của phạm vi bảo vệ tương tự như với CTS với các hoành độ 0,6h và 1,2h tăng độ cao của cột ơn. ờng kính thường nhỏ hơn dây dẫn pha treo ở phía trên các dây ánh vào dây dẫn nhưng phải tăng giá thành vì phải  không quá 25 °C ƯỚI THU SÉT được xác định được xác định 0 ,2 h h h a 2b 1,2h h hx 2bahh  3/31/2014 Page 21 1,2h 0,6h 4 0 Do nửa chiều rộng của khu vực có xác suất 100% phóng dây đặt cách nhau khoảng s=4h thì mọi điểm trên mặt toìan nếu khoảng cách s<4h Phần bên ngoài của phạm vi bảo vệ được xác được giới hạn bởi vòng cung qua ba điểm : hai 0 ,2 h x 0,6h Chiều rộng của phạm vi bảo vệ ở độ cao hx                   h h,b hh Khi h, h h,b hh Khi x xx x xx 160 2 80 121 3 2 x   h3 điện vào dây thu sét b=2h nên dùng hai đất nằm cách hai DCS sẽ được bảo vệ an định như trường hợp một dây, còn phần bên trong điểm treo DCS và điểm giữa có độ cao ho=h-a/4. phạm vi bảo vệ của DCS phụ thuộc vào lựa chọn sác suất sét phạm vi bảo vệ của một CTS Phạm vi bảo vệ của DCS theo Bazukin Với xác suất đánh vòng bằng 0,005 3/31/2014 Page 22 Với xác suất đánh vòng bằng 0,05 Hai DCS nằm cách nhau khoảng l sẽ tạo ra vùng bảo vệ có vệ giữa hai DCS bằng nÕu h0       h h o min 14,0 đánh vòng           85,0 0025,035,1 xâ o h hhr h 0,85h oh 0,95h độ cao thấp nhât của phạm vi bảo        92,0 7,1 xâ h hr    hl nÕu h-l hl    hl 410.5. 5,1 Phạm vi bảo vệ của DCS theo ABB mặt cắt vùng bảo vệ dọc theo DCS được bao trùm bởi cung có tâm. Cả hai cung từ hai lần chiều cao của dây chống sét. Cung này chạm vào h3 M M 3/31/2014 Page 23 h B 2 h h3 đất và DCS bằng đất ở khoảng cách từ chân cột M1 M 2 h B B a h3 Lightning Problem for Transmission Lines The negative charges at the bottom of the cloud induces charges of opposite polarity on the transmission line. These are held in place in the capacitances between the cloud and the line and the line and earth, until the cloud discharges due to a lightning stroke. There are three possible discharge paths that can cause surges on the line. 3/31/2014 Page 24 (a) In the first discharge path (1), which is from the leader core of the lightning stroke to the earth, the capacitance between the leader and earth is discharged promptly, and the capacitances from the leader head to the earth wire and the phase conductor are discharged ultimately by travelling wave action, so that a voltage is developed across the insulator string. This is known as the lightning stroke to nearby ground. It is not a significant factor in the lightning performance of systems above about 66 kV, but causes considerable trouble on lower voltage systems. induced voltage due to a (b) The second discharge path (2) is between the lightning head and the earth conductor. It discharges the capacitance between these two. The resulting travelling wave comes down the tower and, acting through its effective impedance, raises the potential of the tower top to a point where the difference in voltage across the insulation is sufficient to cause flashover from the tower back to the conductor. This is the so flashover mode. (c) The third mode of discharge (3) is between the leader core and the phase conductor. This discharges the capacitance between these two and injects the main discharge current into the phase conductor, so developing a surge impedance voltage across the insulator string. At relatively low current, the insulation 3/31/2014 Page 25 strength is exceeded and the discharge path is completed to earth via the tower. This is the or direct stroke to the phase conductor. The protection of structures and equipment from the last mode of discharge by the application of lightning conductors and/or earth wires is one of the oldest aspects of lightning investigations, and continue to do so. -called back- shielding failure Overhead ground wires are provided on transmission lines to intercept direct strokes of lightning and thus keep it off the phase conductor, and to reduce the surge current and hence the overvoltage on a phase conductor by having currents induced in it. Shielding by overhead ground wires The proportion of lightning flashes capable of causing sparkover of line insulation decreases as the system voltage increases. This is due to the fact that the magnitude of the overvoltage caused by lightning strokes are almost independent of the system voltage. Of course there is a slight dependence as the height of the towers also increase with the increase in voltage and a taller tower is more liable to a lightning strike. For a given magnitude of lightning overvoltage, the per unit value based on system voltage decreases as the system voltage increases. Thus as the system voltage increases, there are lesser number of flashovers caused 3/31/2014 Page 26 by lightning. Not only does the tall tower attract more lightning strokes, but also it requires a much better earth coverage for a given degree of protection. -wire The shielding angle of an overhead earth wire is defined as the semi joining the most exposed conductor and the earth wire. Calculation of Shielding angle 3/31/2014 Page 27 -vertical angle between the line Protective zone of lightning conductor: The area over which a lightning stroke will be attracted to and will terminate on a lightning conductor in preference to earth is termed the The calculation of the area is based on a gradient of 3 kV/cm at the tower at which the upward streamer is initiated from the tower. It has been found that for the average stroke the protective ratio is approximately two for a lightning conductor or tower. R = 2 H (approx) at 20 kA 3/31/2014 Page 28 protection range or protective zone. That is, the area of attraction of a lightning conductor may be expected to be equal to an area around the base of the conductor with a radius of twice the conductor height. In the case of transmission lines, the earth wire is positioned to protect the phase conductors against lightning strokes and hence it is a protective conductor. However, the earth wire attracts strokes that would not normally terminate on the line. Similarly, phase-conductors themselves attract lightning strokes and it is hardly correct to talk of the protective zone. A more appropriate term is the area of attraction.. 3/31/2014 Page 29 Since the tower is like a lightning conductor, the area of attraction of the tower can be taken as equal to a circle with radius twice the tower height. An earth wire is more uniform that a transmission tower, in that it does not have a sharp point but a sharp line. It has been estimated that an area either side of the earth wire to a distance of 1.5 or 1.6 times the effective height of the earth wire multiplied by the length of the earth wire is a reasonable value to be taken. Further it must be noted that due to the sag of the earth wire, the effective height of the earth wire is itself only about 80% of the height at the tower. Thus a distance of 64% of the radius of attraction at the tower may be taken for the attraction distance of the earth wire. The phase conductor may be treated similarly, but with the height of the phase conductor being considered instead of that of the earth wire. Thus if the line dimensions are known, it is possible to evaluate the total area of attraction that the line has to lightning strokes. Khi sét đánh vào hệ thống thu sét, dòng điện sét tăng áp trên hệ thống nối đất và điện cảm của dây dẫn dòng 3.6. ĐIỀU KIỆN AN TOÀN KHI CÓ DÒNG 3/31/2014 Page 30 Nếu dòng điện sét có dạng xiên góc biên độ Is và thân cột cách nối đất một khoảng l bằng Ví dụ : Rt=10, (bỏ 10m, dòng điện I=200 kA, di/dt=a=10.10 Cần phải giảm thấp trị số điện trở nối    2 dt d L i RRu filfilxk U 10 2 10.200 10 5 3   i i/2i/2 i/2 L fil R t R fil u U Rt đi qua dây dẫn dòng điện sét để tản vào đất gây điện sét ĐIỆN SÉT QUA HỆ THỐNG THU SÉT độ dốc a, điện áp lớn nhất xuất hiện tại một điểm trên qua Rfil so với Rt). L=10 -5 H, dây dẫn dài 9 A/s đất để tránh phóng điện               222 i dt d hL i RR i ofilxk    MVV 17,110.17,110.10 69  Từ đó suy ra khoảng cách tối thiểu trong không khí và trong sét. E L a R llEU kk oxk kkkkkk 2   Khoảng cách an toàn trong không khí với các giá trị tính toán của dòng cho phép trong không khí (I=60 kA, a=30 kA/ Khoảng cách an toàn trong không khí với các giá trị tính toán của dòng 3/31/2014 Page 31 kk xks d E RI l 60 .  Khoáng cách lkk và ld không được nhỏ h Tại các trạm biến áp ngoài việc đảm bảo khoảng cách an toàn trong không khí và trong xét phối hợp điện áp phóng điện xung kích của chuỗi sứ với dòng điện sét đi qua trường cho phép trong đất (I=60 kA, a=30 kA/ đất đảm bảo an toàn khi tháo dòng đ