Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp - Chương 6: Thiết bị bảo vệ chống sét

CHƯƠ THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG SÉT 6.1. Mở đầu 6.2. Phương tiện bảo vệ chống quá 6.3. Khe hở phóng điện BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP 3/31/2014 Page 1 6.4. Chống sét ống 6.5. Chống sét van 6.5. Lắp đặt chống sét van NG 6 : điện áp PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CHỐNG SÉT Mức bảo vệ này chủ yếu áp dụng đối với các công trình dễ bị sét các công trình điện bằng cách hướng sét vào những động có điều khiển vào những điểm chính xác trên mặt cột chống sét dựa trên nguyên tắc khoảng cách phóng công trình cần bảo vệ và được nối đất theo các đư la tốt nếu vật cần bảo vệ nằm trong một hình côn góc nghiêng 45o. lưới hoặc lồng Faraday. Đó là một mạng kín các thanh dẫn ngang và thanh dẫn dọc Mức thứ nhất : bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và 3/31/2014 Page 2 vào hệ thống nối đất. Kích thước lưới cần nhỏ hơ lưới ở phần phía trên. Phần phủ phía trên tương đươ kiến tạo màn chắn. Dây chống sét thuộc loại này. Chúng hình thành bảo vệ an toàn chông sét cho các đường dây tải điện. Nhiệm vụ của nó là thu hút các phóng học có dòng điện lớn hơn dòng điện tới hạn. Bảo vệ chống sét cho tối ưu opt. Khi opt, "sự cố màn chắn" có thể xảy ra. Các cú sét có dòng hạn có thể gây phóng điện vào dây dẫn. đánh, tránh sét đánh trực tiếp vào điểm định trước. Định hướng sét một cách chủ đất được thực hiện bằng các phương tiện sau : điện : các kim thu sét đặt trên độ cao của ờng ngắn nhất. Có thể thấy rằng bảo vệ được xem được nối đất tản dòng điện vào đất tại điểm sét đánh n 15 m, các tanh dẫn đứng được đặt tại vị trí các nút ng với vô số cột thu sét. đánh điện sét, mà theo mô hình điện hình đường dây xác định bởi góc bảo vệ điện lớn hơn giá trị tới Có nhiệm bảo vệ thiết bị của trạm biến áp hoặc các công trình Một số thiết bị bảo vệ được dùng để phân tán n kích - BIL Basic Impulse Level) của các thiết bị khác nhau trong trạm biến áp (phối hợp cách điện). Nguyên lý của bảo vệ này là tạo ra một mạch gây ra phóng điện hoặ dẫn dòng điện xuống điện áp là khe hở phóng điện và chống sét van. Mức thứ hai : Hạn chế điện áp dư bằng biện 3/31/2014 Page 3 Để hạn chế quá điện áp (biên độ và thời gian) Suy yếu tự nhiên do tổn hao và hiệu ứng vầng quang Suy yếu do khe hở phóng điện hoặc chống sét van tác Hạn chế quá điện áp (ví dụ xây dựng đường dây trú Chuyển hướng hậu quả quá điện áp (sử dụng dây chống sét dẫn). Loại bĐ QđA (bảo vệ trạm biến áp bằng hệ thống cột chống sét) điện chống quá điện áp. ăng lượng (đảm bảo mức cách điện xung điện cho phép tản dòng điện sét bằng cách đất. Hai loại thiết bị được sử dụng để hạn chế pháp san phẳng người ta tác động các biện pháp sau động được sét ví dụ trong các thung lũng). để tránh sét đánh trực tiếp vào dây Để bảo vệ một thiết bị cần thiết bị bảo vệ luôn luôn được láp đặt song song với thiết bị cần bảo vệ. Khi QDA xuất hiện, thiết bị bảo vệ phải phải tác dụng lên thiết bị cần bảo vệ khi QĐA kết thúc, phải có khả năng cắt đư trạng thái làm việc ban đầu. 3/31/2014 Page 4 các yêu cầu trên, các thiết bị bảo vệ cần thoả đường đặc tính điện áp - thời gian chậm trễ phóng phải nằm thấp hơn đặc tính V-S của thiết bị cần bảo vệ. phải có khả năng cắt nhanh hồ quang do dòng nó tạo ra ngắn mạch xuống đất để tản dòng máy cắt nhảy. cần có điện áp dư bé hơn mức cách điện của thiết bị cần bảo vệ không được tác động khi có quá điện áp nội bộ động trước tiên, phải hạn chế điện áp tác ợc hồ quang do dòng điện kế tục sinh ra, phục hồi mãn các điều kiện sau điện (gọi là đường đặc tính volt-giây V-S) điện kế tục gây nên. Khi thiết bị bảo vệ tác động, điện sét : hồ quang cần phải được dập tắt trước khi Khe hở phóng điện Thiết bị bảo vệ chống sét đầu tiên và cổ điển nhất gồm hai nối với dây dẫn và điện cực kia được nối đất § iÖn ¸ p 3/31/2014 Page 5 Khe hở phóng điện được dùng chủ yếu ở các mạng các mạng rất thường xuyên xuất hiện quá điện áp và ở nó là tạo ra một điểm yếu về cách điện nhưng trong mạng xảy ra trước hết tại đây điện cực mũi nhọn trong đó một được điện áp thấp và trung áp, được láp đặt trong đoạn gần trạm biến áp trung áp. Vai trò của điện được kiểm soát để phóng điện có thể Thêi gi an Để cải tiến hoạt động của các khe hở khi có quá tinhs V-S bằng phẳng, người ta sửa đổi hình dáng thường được sử dụng là loại chống sét sừng cho phép kéo dài hồ quang hồ quang Điện áp phóng điện và thới gian trễ phóng điện của khe hở phóng khoảng cách giữa hai điện cực, cực tính và độ dốc, bị ảnh h điện cực cũng như khoảng cách giữâ các điện cực vớí các vật thể xung quanh nối với với đất. 3/31/2014 Page 6 điện áp với độ dốc rất lớn và tạo ra đường đặc điện cực mũi nhon - mũi nhọn. Mô hình hiện nay điện tạo điều kiện để dập tắt điện phụ thuộc chủ yếu vào ưởng của hình dạng và cách bố trí các điện áp hoặc để giảm số lần tác động và số lần cắt điện, thì cần phải chọn khoảng cách khe hở không khí lớn nhất theo đièu kiện bảo vệ cách điện Tham sè Kho¶ng c¸ch b¶o vÖ, mm Kho¶ng c¸ch phô, mm 3/31/2014 Page 7 §iÖn ¸p phãng ®iÖn tÇn sè 50 Hz, kV §iÖn ¸p phãng ®iÖn xung kÝch, kV Cùc tÝnh d-¬ng Cùc tÝnh ©m §iÖn ¸p ®Þnh møc 6 10 20 35 110 220 500 40 60 140 250 650 135 0 150 0 10 15 20 30 - - - 34 45 70 105 252 495 750 51 53 66 68 121 134 195 220 466 510 735 817 106 5 119 0 đường cong đặc tính điện áp - thời gian phóng dạng uốn cong rất nhiều so với đặc tính của thiết bị cần bảo vệ nh Do hình dạng rất uốn cong của đường đặc tính V điện áp thường rất bé, một vài milimét 3/31/2014 Page 8 điện xung kích của khe hở phóng điện thường có ư máy biến áp và cáp. -S, khoảng cách bảo vệ đối với tất cả các quá Khe hở phóng điện không thể chấp nhận đư mặt của chúng làm tăng số lần sự cố. Khi xảy ra phóng điện khe hở, quá trình ion hoá vẫn tiếp tục, hồ quang áp làm việc và tạo ra dòng điện kế tục tần số công nghiệp, dòng thành hồ quang ổn định dẫn đến cắt điện thiết bị 3/31/2014 Page 9 Ngoài ra còn cần chú ý việc bố trí các khe hở phóng hạn chế các nguy cơ lan rộng hồ quang sang các pha bên cạnh, biến sự cố một pha thành sự cố ba pha. Khoảng cách phóng điện cũng có thể thay ợc theo quan điểm cung cấp điện liên tục vì sự có được duy trì bởi điện điện xung kích có thể chuyển điện hoặc một phần lưới điện. điện ở mỗi pha được chọn sao cho có thể đổi theo mức bảo vệ Người ta chế tạo khe hở phóng điện dưới dạng chiêc sừng, do dạng khe hở này d lực điện động và dòng chuyển động nhiệt của không khí, hồ quang sinh ra bị kéo dài ra và có thể bị dập tắt. Hồ quang tự dập tắt đối với loại chống sét này nếu nh 300A Thiết bị bảo vệ khe hở phóng điện này rất nhiều nhược điểm : thời gian phóng điện chậm trễ theo 3/31/2014 Page 10 phóng điện nhạy cảm với các yếu tố bên ngoài, khi nó tạo ra sóng cắt có độ dốc dây máy điện. dòng điện kế tục tần số 50Hz. khe hở phóng điện được dùng khá phổ biến cho l dây cao áp và siêu cao áp, một số biện pháp bộ, khe hở cũng có thể sử dụng để phối hợp bảo vệ cùng với chống sét van, có tác dụng hạn chế biên độ sóng điện áp truyền vào trạm và giảm dòng ưới tác động của ư dòng điện hồ quang không vượt quá đơn giản, khá hiệu quả và rất kinh tế nhưng cũng có điện áp tới. điều kiện khí hậu xung quang. đầu sóng lớn có thể gây nguy hiểm cho các cuộn ưới điện cấp điện áp thấp. Đối với các đường đặc biệt được áp dụng nhằm hạn chế quá điện áp nội điện qua chống sét van CHỐNG SÉT ỐNG chống sét ống là một ống làm bằng vật liệu sinh khí 1, một đầu có náp kim loại giữ điện cực thanh 2, đầu kia hở và cực hình xuyến 3. Khoảng cách khe hở l1 giữa điện cực thanh và điện cực hình xuyến gọi là khe hở trong (khe hở dập hồ quang). Thân ống cách ly với đường dây bằng khe hở l2 không bị hư hỏng do dòng điện rò (vật liệu sinh khí sẽ phát nóng, sản sinh khí dưới tác dụng của dòng điện rò). 3/31/2014 Page 11 Tác dụng bảo vệ của chống sét ống đặc trưng bởi đất. Đặc tính vôn giây phụ thuộc vào khe hở trong và ngoài của chống sét ống và xác động, còn điện trở nối đất xác định điện áp giáng trên bộ phận nối ống cần phải nối đất thật tốt. đặc tính vôn giây của chống sét có dạng nh không đồng nhất. Khe hở ngoài được chọ theo điều kiện phối hợp cáh một phạm vi nhất định. Khe hở bên trong được chỉnh chỉnh được điện để nó đường đặc tính vôn ­ giây của nó và điện trở nối định điện áp khởi đất. Do đó ở các nơi đặt chống sét ư của khe hở bảo vệ trường rất điện và có thể điều chỉnh trong định theo khả năng dập hồ quang và không điều Khi có quá điện áp cả hai khe hở sẽ phóng đ xảy ra vì điện áp phóng điện theo bề mặt lớn h đi vào bộ phân nối đất. Sau khi hết dòng điện xung kích,có dòng nghiêp (gọi là dòng điện kế tục) đi qua. Dưới tác dụng của hồ quang dòng sinh khí sẽ bị phát nóng và sản sinh rất nhiều khí, áp suất khí ở trong ống t hàng chục ata. Chất khí thoát ra phía đầu hở tạo thành luồng khí thổi hồ quang về phía ống làm cho hồ quang bị dập tắt khi dòng điện qua trị số không lần làm việc sẽ kèm theo tiếng xả khí và âm thanh giống nh 3/31/2014 Page 12 Để có thể dập được hồ quang, trong ống cần có điện đi qua. Vì thế phải có quy định về giới hạn d náỹe không đủ khả năng dập tắt hồ quang. Ng tạo nên áp suất quá cao gây phá huỷ ống. Giới hạn trên và giới hạn d thuộc vào khe hở phóng điện trong. Giảm khoảng cách khe hở phóng kính làm cho cả hai giới hạn trên và dưới bị dịch về phía dòng iện (phóng điện mặt ngoài của thân ống không thể ơn nhiều khoảng cách khe hở trong), dòng điện sét điện chạm đất tần số công điện ngắn mạch, chất ăng và có thể lớn đến đầu hở của đầu tiên. Khi chống sét ống ư phát đạn bắn đi. đủ khí, điều này phụ thuộc vào trị số của dòng ưới của dòng điện, nếu dòng điện bé hơn trị số ược lại dòng điện cũng không được quá lớn vì có thể ưới của dòng điện cắt phụ điện trong và tăng đường điện lớn Các loại chống sét ống của Liên xô là PT dùng chất sinh khí là phibro bakelit, còn loại PTB và PTBY dùng chất sinh khí là viniplast (thuỷ tinh hữu c phần ngoài của ống được bọc thêm giấy bakelit có quýet s được tính chất cách điện khi làm việc ngoài trời và do có loại chống sét ống PTB có giới hạn trên cắt dòng Khi đặt chống sét ống tại bầt kỳ một điểm nào trong l mạch chạm đất tại điểm đó để đảm bảo chống sét ông có thể tự dập tắt hồ quang mà không bị h Khi hống sét ống tác động nhiều lần, chất sinh khí sẽ bị hao mòn, thân ống sẽ rỗng h kính trong của thân ống tăng quá 20­30% so với trị số ban 3/31/2014 Page 13 Khi làm việc chống sét ống thổi ra một luồng khí bị ion hoá, do đó khi láp đặt chống sét ống trên cột phải l cho khí thoát ra không gây nên phóng điện giữa các pha. Muốn vậy thì trong phạm vi thoát khí của chống sét ống không được có dây dẫn của pha khác hoặc phạm vi thoát khí của ống khác Do đặc tính vôn giây rất dốc và vùng thoát khí lớn nên các chống sét ông không chống sét thiết bị trạm biến áp. Nhiệm vụ chủ yếu của nó là của các trạm công suất nhỏ điện áp 3-10 kV và các đ ơ hay PMMA). Để tăng độ bền cơ giới cần thiết, ơn chống ẩm. Viniplast không hút ẩm và giữ độ bền cơ khí cao hơn với các tải đột ngột, điện lớn hơn ưới điện, cần phải kiểm tra dòng điện ngắn ư hỏng. ơn, và khi đường đầu thì chống sét xem như mất tác dụng. ưu ý sao được sử dụng để bảo vệ để bảo vệ đoạn đường dây tới trạm, thiết bị điện oạn đường dây giao nhau Chñng lo¹i Kho¶ng c¸ch khe hë ngoµi, mm §iÖn ¸p phãng ®iÖn xung kÝch 1,2/50 PT 3/0,2-1,5 PT 3/1,5-7 5-10 PTB 6-10/0,5-4 PT 6-10/2-12 10 15 PT 35/0,4-3 80 100 150 200 PT 35/2-10 80 100 150 3/31/2014 Page 14 200 PT 110/0,4-2,2 350 400 450 500 PTB 110/2-10 350 400 450 500 PTBY 110/7-30 400 450 500 PT 220/2-10 500 600 700 800 Chó thÝch : Trªn tö sè ®iÖn ¸p phãng ®iÖn xung kÝch cùc tÝnh d-¬ng, mÉu ssè ®iÖn ¸p phãng ®iÖn cùc tÝnh ©m. Trong nh·n hiÖu cña chèng sÐt èng biÓu thÞ lo¹i chèng sÐt èng, cÊp ®iÖn ¸p vµ giíi h¹n dßng ®iÖn c¾t b»ng kA. ms, kV §iÖn ¸p phãng ®iÖn tÇn sè 50 Hz, kV 50% 2ms kh« -ít 45/40 40/45 10 7 60/60 65/65 65/65 68/68 33 42 32 40 160/170 180/190 225/255 270/320 200/200 205/220 250/265 300/310 95 105 130 155 95 83 110 135 135/140 165/165 210/225 145/145 180/180 220/225 100 115 150 100 110 145 260/285 275/288 180 170 410/455 432/495 455/530 475/570 495/560 525/600 550/640 580/680 213 230 240 255 200 225 250 270 380/400 405/440 435/460 460/490 415/435 450/480 485/510 520/575 165 217 310 395 100 145 170 212 405/400 -/460 -/490 450/480 -/505 -/538 217 265 282 212 234 255 -/1050 -/1100 -/1150 -/1200 -/1100 -/1150 -/1200 -/1250 600 700 750 864 550 600 700 838 CHỐNG SÉT VAN 3/31/2014 Page 15 The application considerations for transmission line surge arresters differ from those normally used for arresters applied to protect non­self restoring insulation systems, such as transform­ers. Conventional surge arresters are applied to have the lowest possible protective characteristics in order to minimize voltage stress on non­self restoring systems ­ maximizing their economic life. ĐƯỜNG DÂY Figure shows the unique solid dielectric features of this arrester. It can be seen that there is no place for air, only zinc­ oxide or solid dielectric materials. There are no internal springs or washers. This feature insures that moisture ingress is prevented and that there is no internal corona due to air voids. This insures a long life arrester 3/31/2014 Page 16 System Voltage Nominal Line-to-Line Voltage kV rms Maximum Line-to-Line Voltage kV rms 3/31/2014 Page 17 34.5 36.5 46 48.3 69 72.5 115 121 138 145 Recommended Arrester Rating/MCOV per IEEETM C62.22 Effectively Grounded Neutral Circuits (kV rms) Temporarily Ungrounded, Impedance Grounded or Ungrounded (kV rms) Rating MCOV Rating MCOV 27 22 27-45 22-36 36 29 36-60 29-46 54 42 54-90 42-70 90 70 90-108 70-84 108 84 108-132 84-108 3/31/2014 Page 18 Arrester on a tangent line post insulator Arrester mounted on a vertical line post insulator 3/31/2014 Page 19 TRANSMISSION SYSTEM APPLICATIONS 3/31/2014 Page 20 Arrester on a dead-end insulator 3/31/2014 Page 21 CHỐNG SÉT VAN Chống sét van là thiết bị sử dụng để bảo vệ cách độ và thời gian tồn tại dòng điện kế tục gây nên bởi phóng điện trở phi tuyến Hiệu ứng van là tính chất của tất cả các vật liệu mà điện trở thay đổi một cách không tuyến tính với điện áp đặt Van chống sét  3/31/2014 Page 22 Tính chất van cho phép thông qua nó một dòng dòng điện rất bé ở điện áp thấp gọi là hiệu ứng van Trong một khoảng dòng điện xác định quan hệ thức : U=A.I, với A là một hằng số phụ thuộc vào kích th là hệ số phi tuyến Hiệu ứng van càng thể hiện rõ khi hệ số phi tuyến càng bé. Tr vật liệu tuyến tính có quan hệ I=f(U) thoả mãn Trường hợp vật liệu phi tuyến thực tế nằm giữa các tr điện của các thiết bị điện quá điện áp, hạn chế biên điện. Phần chính của chống sét van là các I U Vï ng I Vï ng II Vï ng III I U =0 =0 =1 điện rất lớn ở điện áp cao nhưng lại chỉ có một điện áp - dòng điện có thể biểu diễn bởi công ước hình học, công nghệ chế tạo, còn  ường hợp lý tưởng với =0, còn một định luật với =1 ường hợp trên. Để bảo vệ cho thiết bị điện của trạm biến áp ng Gapped (silicon-carbide) and metal-oxide surge There are two types of surge arresters: • those made of non-linear resistors in series with gaps • the gapless metal-oxide type comprising a simple stack of metal strongly non-linear characteristic. The metal oxide is usually zinc oxide. 3/31/2014 Page 23 SiC hoặc loại không có khe hở từ ZnO. ười ta sử dụng chống sét van loại có khe hở trên cơ sở arresters - these are the gapped types ưoxide disk resistors with a 3/31/2014 Page 24 Tương ứng với các đặc tính bảo vệ của chống sét van có thể và các thiết bị. đưa ra mức cách điện của máy biến áp Chống sét van loại có khe hở gồm các điện trở phi tuyến ghép nối tiếp với các khe hở phóng khả năng hạn chế dòng điện khi có sóng xung kích CHỐNG SÉT VAN CÓ KHE HỞ Khe hë phãng ®iÖn ®iÖn trë phi tuyÕn 3/31/2014 Page 25 Các điện trở phi tuyến của loại chống sét van có khe hở từ bột cacbôrun và chất kết dính. Loại điện trở không phải nung nóng ở nhiệt độ rất cao (đến 1200 oC), ở nhiết đặc tính không ổn định. Loại điện trở phi tuyến dùng chất kết dính bằng thuỷ tinh lỏng chỉ cần nung nóng đến 300 oC Vá sø ®Õ kim lo¹ i điện có . được chế tạo dưới dạng các tấm điện trở hình trụ đường thẳng dùng chất kết dính là bằng đất sét nên độ này lớp màng SiO2 thường bị phá huỷ nên Điện trở phi tuyến trên cơ sở SiC Điện trở phi tuyến trên cơ sở cacbua silic (SiC) sản xuất từ bột SiC. Bề mặt bên ngoài của các hạt SiC được bao phủ bởi một lớp SiO2 (chiều dày khoảng 10 SiC rất bé. Nhưng điện trở của SiO2 lại thay đ điện trường bên ngoài rất thấp (điện áp tác dụng bé), 106m và hầu như toàn bộ điện áp đặt lên lớp này vì 2m. Khi điện trường bên ngoài tăng cao, điện trở cuae lớp màng SiO2 giảm rất nhanh, của van chống sét bắt đầu xác định bởi điện trở của SiC. 3/31/2014 Page 26 Tuy nhiên nếu dòng điện lớn qua điện trở phi tuyến kéo dài có thể dẫn vậy cần thiết phải hạn chế giá trị dòng điện lớn nhất qua chống sét van và thời gian tồn tại của dòng điện này Hệ số phi tuyến của SiC nằm trong khoảng từ 0,13 và từ 0,28 khoảng 0,32 khi có dòng điện kế tục (vùng I). mm). Điện trở suất của bản thân ổi và là hàm phi tuyến của điện áp tác dụng. Khi điện trở suất của lớp này khoảng 104- điện trở suất của SiC chỉ vào khoảng 10- điện trở đến phá hỏng lớp SiC. Do đến 0,20 với dòng điện sét nằm trong vùng II Điện áp định mức của chống sét van (Maximum Rated Voltage dụng tần số công nghiệp cho phép đặt lên chống sét van mà không gây ra phóng x MCOV). Các đặc tính cơ bản của chống sét van loại có Rated voltage Rated voltage is the maximum powerfrequency voltage across a surge arrester at which the follow current can still be safely interrupted. It can be applied across the arrester continuousIy without it having any adverse effect on its operating characteristics. It is quoted as a root mean square value ln kV at 48 to 62 Hz or as a DC voltage. The magnitude of the operating voltage is the governing factor for the stressing of the series gaps: 3/31/2014 Page 27 Điện áp làm việc lớn nhất (MCOV - Maximum Continuous Operating Voltage) : sét van có thể chịu đựng (phải lớn hơn điện áp lớn nhất của l •as the recovery voltage after the zero crossing •especially because it determines the follow current to be quenched Ikt Therefore, the power-frequency voltage across the surge arrester must never exceed the rated voltage, even temporarily in the event of a fault in the system, otherwise there is a danger of the arrester breaking down. ) : trị số điện áp lớn nhất giá trị hiệu điện nguy hiểm (1,25 khe hở dùng SiC là điện áp lớn nhất mà chống ưới ít nhất là 5 %). - Un). Điện áp dư (Residual Voltage) là điện áp xuất hiện trên các phần tử phi tuyến chống sét van trong thời gian dòng điện phóng điện đi qua (thường có trị số từ 5 Điện áp dư của chống sét van và gần với nó là phải nhỏ hơn 20 - 25% trị số điện áp phóng đ cách điện). 3/31/2014 Page 28 Sparkover voltages Sparkover voltages are voltages which cause a surge arrester to discharge, Le. causing sparkover to occur in each of its series gaps. The magnitude of the sparkover voltages depends on the time relationship, Le. the waveform. The relationship for the lightning impulse sparkover voltage is illustrated in the impulse sparkover voltage characteristic. Điện áp phóng điện tần số công nghiêp (Breakdown Voltage) : giá tri hiệu dụng thấp nhất đặt lên vào chống sét van sẽ gây phóng điện ). - 10 kA) và được gọi là dòng phối hợp. điện áp phóng điện xung kích của khe hở ph