Phân bố dòng sét trong hệ thống nối đất trạm dây chống sét cột điện khi có sét đánh

Tài liệu nghiên cứu Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường phân bố dòng sét trong hệ thống nối đất trạm dây chống sét, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Hồ Văn Nhật Chương
• Trường học: Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hệ thống điện
• Đề tài: Phân bố dòng sét trong hệ thống nối đất trạm - dây chống sét - cột điện khi có sét đánh tại một điểm bất kỳ trên dây chống sét
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp trường
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. PHẦN I: CÔNG THỨC TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ VÀ PHÂN BỐ DÒNG TRONG HỆ THỐNG “NỐI ĐẤT TRẠM-DÂY CHỐNG SÉT-CỘT ĐIỆN”
• 1.1. Tổng quan
• 1.2. Phương Pháp Tính
• 1.2.1. Cơ sở tính toán
• 1.2.2. Tính tổng trở Thevenin nhìn từ đầu đường dây không tải với mô hình n mạch pi có các thông số và giống nhau
• 1.2.3. Tính tổng trở Thevenin khi cuối đường dây có mắc thêm một phần tử Z1
• 1.3. Phương pháp tính dòng sét đi qua nối đất của trạm
• 1.3.1. Tính toán trở kháng
• 1.3.1.1. Khi cuối đường dây hở mạch Z2 = ∞
• 1.3.1.2. Khi cuối đường dây được kết nối với tổng trở Z1
• 1.3.2. Tính toán dòng điện
• 1.3.2.1. Trường hợp sét đánh tại cột cổng trạm biến áp
• 1.3.2.2. Khi sét đánh tại cột thứ k trên đường dây chống sét
• 1.3.2.3. Xác định dòng điện tản vào hệ thống nối đất TBA
• 1.3.3. Tóm tắt
• 2. PHẦN II: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN PHÂN BỐ DÒNG TRONG HỆ THỐNG “NỐI ĐẤT TRẠM-DÂY CHỐNG SÉT-CỘT ĐIỆN”
• 2.1. Khảo sát dòng điện chạy qua nối đất tram biến áp
• 2.1.1. Khảo sát dòng điện đi vào nối đất trạm biến áp 1 khi xét tới ảnh hưởng Rp
• 2.2. Tổng kết
• 3. PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• PHẦN IV: TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Phân bố dòng sét trong hệ thống nối đất

Nghiên cứu tập trung vào phân bố dòng sét trong hệ thống nối đất của trạm chống sét và cột điện. Mục tiêu là thiết lập các công thức tính toán dòng điện sét khi sét đánh vào dây chống sét tại một điểm bất kỳ. Phương pháp này giúp xác định ảnh hưởng của các thông số hệ thống lên sự phân bố dòng sét, từ đó đề xuất các biện pháp cải thiện hiệu quả.

1.1. Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính

Dựa trên lý thuyết đường dây truyền tải, hệ thống dây chống sét được mô hình hóa thành mạch điện tương đương. Các thông số như trở kháng nối đất của cột (Zp) và trở kháng dây chống sét (Zs) được sử dụng để tính toán. Phương pháp này đơn giản hóa việc tính toán dòng sét đi qua hệ thống nối đất, giúp xác định nhanh giá trị dòng điện tại các vị trí khác nhau.

1.2. Ảnh hưởng của thông số hệ thống

Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thông số như điện trở nối đất (Rp) và trở kháng dây chống sét (Rs) lên sự phân bố dòng sét. Kết quả cho thấy, khi Rp giảm, dòng điện sét đi vào trạm biến áp cũng giảm, giúp giảm thiểu nguy cơ gây hại cho trạm.

II. Hệ thống chống sét và an toàn điện

Nghiên cứu đề cập đến hệ thống chống sét và an toàn điện trong việc bảo vệ trạm biến áp và cột điện. Việc xác định chính xác dòng sét đi qua hệ thống nối đất giúp đảm bảo an toàn cho thiết bị và người vận hành.

2.1. Thiết kế hệ thống chống sét

Nghiên cứu đề xuất các phương pháp thiết kế chống sét hiệu quả, dựa trên việc phân tích dòng sét và trở kháng nối đất. Các biện pháp này giúp cải thiện sự phân bố dòng sét, giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra.

2.2. Đánh giá an toàn điện

Việc tính toán dòng sét đi qua hệ thống nối đất giúp đánh giá mức độ an toàn của trạm biến áp. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, việc giảm điện trở nối đất (Rp) có thể làm giảm đáng kể nguy cơ gây hại cho trạm.

III. Kết quả tính toán và ứng dụng thực tế

Nghiên cứu đưa ra các kết quả tính toán cụ thể về phân bố dòng sét trong hệ thống nối đất trạm chống sét và cột điện. Các kết quả này có giá trị thực tiễn cao, giúp cải thiện hiệu quả của hệ thống chống sét.

3.1. Kết quả tính toán

Kết quả tính toán cho thấy, khi điện trở nối đất (Rp) tăng, dòng sét đi vào trạm biến áp cũng tăng, làm tăng nguy cơ gây hại. Ví dụ, khi Rp = 5Ω, dòng sét đi vào trạm chiếm 25.96% tổng dòng sét, trong khi khi Rp = 40Ω, tỷ lệ này là 22.38%.

3.2. Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo cho các nhà thiết kế hệ thống nối đất và chống sét. Các kết quả tính toán có thể được sử dụng để cải thiện thiết kế hệ thống, đảm bảo an toàn cho trạm biến áp và cột điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Khi cuối đường dây được kết nối với tông trở Z¡. Trở kháng Thevenin được xác định bởi công thức (21) như sau: z? Z - pTD th 192 +Z th0 2. Tính toán dòng điện: 2.

Trường hợp sét đánh tại cột công trạm biến áp: Khi sét đánh vào cột cổng trạm biến áp I ta có mô hình mạch điện như sau: ny Zi Zth; Hình 13: Mô hình mạch điện tương đương khi sét đánh tại cột cổng Dòng điện đi qua cột công được xác định theo hai trường hợp như sau: + Trường hợp 1: Cuối đường dây hở mạch (không kết nối với hệ thống nối dat TBA 2) 1-15 “us (24) 1 tho2 ,=I—“— (25) Z, + Zinor Trong do: Z¡: Tổng trở của hệ thống nối dat tai trạm biến áp 1,. Zino2: Tong tro Thevenin nhìn từ vị trí sét đánh về trạm biến áp thứ 2 (xác định bởi công thức 21), Q. I: Gia tri dong sét, kA + Trường hợp 2: Cuối đường dây có kết nối với hệ thống nối đất của TBA 2 ha; I, =] —“t™ "2a 4 Lens (26) Z L1 “— 2 24 +4› ( 0 Trong do: 14 MSDT-T-DT-2011--18 Chủ trì: Hồ Văn Nhật Chương Z2: Tổng trở Thevenin nhìn từ vị trí sét đánh về trạm biến áp thứ 2 (xác định bởi công thức 29), Q. Đối với trường hợp sét đánh vào cột công TBA 2 thì cách tính cũng tương tự như trường hợp sét đánh vào cột céng TBA 1.

Khi sét vào một điểm bất kỳ trên dây chống sét và cuối đường dây được nối với hệ thống nối đất trạm biến áp 2: Khi sét đánh tại cột thứ k trên đường dây chống sét của đường dây truyền tải thì mô hình mạch điện được xác định như sau: A > > A v Hình 14: Mô hình mạch điện khi có sét đánh tại vị trí k Khi đó tổng trở Thevenin nhìn từ vị trí sét đánh về mỗi phía được xác định như sau: Zin = Zor a_i (28) Z4+Zio z Zys = Zyyp ee (29) h2 th02 Z, + Zon Trong do: =l &-I k a,(b-42.2, +22) (30): Téng tré Thevenin nhin tir vi tri thir k vé phia TBA | khi cuối đường dây hở mạch.2, +Z?) (31): Tổng trở Thevenin nhìn từ vị trí thứ k về phía TBA 2 khi cuối đường dây hở mạch. th0l (30) n-k th02 ~~ Mạch điện (14) được biến đổi tương đương như sau: 15 MSDT-T-DT-2011--18 Chủ trì: Hồ Văn Nhật Chương Hình 15: Mô hình mạch điện tương đương khi sét đánh tại k Như thế dòng điện chạy qua hệ thống nối đất trên hệ thống được tính như sau: ZZ, po th2 ZZ +Z Lu. + 2m22 ZZ I,=1 p1 (32) Z,Z 4+2 2, +22 pm po th2 th” th2 Z2 thị ““th2 Z,Z +22: +2, pm po th2 thi th2 1 3 Trong do: Zin: Tro kháng Thevenin nhìn từ vị trí sét đánh về phía trạm biến áp thứ 1, Q. Zin2: Tro kháng Thevenin nhìn từ vị trí sét đánh về phía trạm biến áp thứ 1, Q.

Zp: Tro khang song song của cột tại vị trí sét đánh, @ Xác định dòng điện tản vào hệ thống nối đất TBA: Xét mạch điện trở kháng tương đương hình T (quan sát từ vị trí sét đánh đến trạm biến áp thứ 1). Phân tích mạch điện hình 14 nhánh bên trái, ta vẽ lại mạch điện như sau: nh Hình 16: Mạch điện hình T nhìn từ vị trí sét đánh về trạm biến áp l Dòng điện chạy qua hệ thống nói dat tram biến áp I là: Z =I, pTDI =I, z „ (3) 1 th01 Trong do: 16 MSDT-T-DT-2011--18 Chủ trì: Hồ Văn Nhật Chương Z¡: Tổng trở nói đất tại trạm biến áp I, ©. Zgrpi: Trở kháng song song khi biến đổi mạch điện hình T của nhánh 1, ©. Zino1:Tro kháng Thevenin của nhánh thứ 1 (nhìn từ vị trí sét đánh về trạm biến ap thir 1), Q.

Tương tự phân tích nhánh bên phải của mạch điện hình 14 như sau: [Ƒ† TL 1 —> ——> r a | Hình 17: Mạch điện hình T nhìn từ vị trí sét đánh về trạm biến áp 2 Vậy dòng điện chạy qua hệ thống nối đất trạm biến áp 2 là: Z 1,=L_—?5— 34 #52 v2 (34) tho2 Trong do: Zo: Tổng trở nói đất tại trạm biến ap 2, Q. Zgrpz: Trở kháng song song khi biến đổi mạch điện hình T của nhánh 2, ©. Zino2: Tro khang Thevenin cua nhánh thứ 2 (nhìn từ vị trí sét đánh về trạm biến ap thir 1), Q. Thay các I¡,l› của phương trình 32 vào phương trình 33 và 34, được: L,=1 22m đc (35).

Zt Zino “,“m tZZ yy tL Zar L,=1 Z 102 “22m (36). Tóm tắt: Để tính toán nhanh dòng sét phân tán vào các tổng trở nối đất ta phải thực hiện các bước sau: Trường hợp tổng quát: Xác định các trở kháng Thevenin khi cuối đường dây không đấu nối vào hệ thống nối đất TBA: a,(b-[42,2, +27) =a;(b+J4Z.2, +23) -(6- 4Z,Z,+Z: ) Xác định các trở kháng Thevenin từ vị trí sét đánh về mỗi phía (trong trường hợp có đấu nối vào trạm biến áp): Zz =Z,„,-— ep (40) hl thol " 24 t+ Ling Zz Zan = Zim > — (41) th2 tho2 Z4 + Zion Trong do: WZ" {4ZZ +22 Z pID = " — ` " (42) (5 + J4Z,Z, +2 ) -ÍP - 47,2, +22 ) Xác định dòng điện tản vào hệ thống nối đất TBA khi sét đánh vào cột công trạm: + Khi cuối đường dây hở mạch: Z =I (43) 1 tho2 +Khi cuối đường dây được nối với hệ thống nối đất TBA 2: I,=I Z tas 2y tổn (44) Xác định dòng điện chảy về hai hướng khi có sét đánh tại k: _ ZL nn :!=Ì=———=— 2,“m +2,24› +24 (45) = 2,Zn - 2,2m + 2,22› + “m2 Xác định dòng điện chạy tản vào trong tổng trở nối đất của TBA: 18 MSDT-T-DT-2011--18 Chủ trì: Hồ Văn Nhật Chương L,=1 Zr Z4n2 (46) Zi +Z jo ZZ +2 24 + 2m4 L,=1 Z rp? ZZ (47) 22 + 2a 2,2m + 2,2:› + 2242 19 MSDT-T-DT-2011--18 Chủ trì: Hồ Văn Nhật Chương PHAN II KET QUA TINH TOAN PHAN BO DONG TRONG HE THONG “NOI DAT TRAM-DAY CHONG SET-COT DIEN” I. Khảo sát dòng điện chạy qua nối đất tram biến áp Khi sét đánh vào hệ thống dây chống sét đặt trên đường dây tải điện,dòng sét sẽ từ dây chống sét truyền vào trạm có thể gây nguy hiểm cho trạm và người vận hành trạm. Chính vì vậy việc xác định tỉ lệ phần trăm dòng điện sự cố chạy vào trạm có gây nguy hiểm cho trạm hay không là việc đáng quan tâm cho nhà thiết kế.

Dòng điện sét khảo sát được chọn là 150kA. Nghiên cứu lần lượt khảo sát các thông số mạch điện thường có của một đường dây truyền tải cao áp và qua việc khảo sát nầy có thể xem xét dòng sét đi vào trạm, từ đó xác định được những vị trí sét đánh gây nguy hiểm cho trạm. Khảo sát dòng điện đi vào nối đất trạm biến áp 1 khi xét tới ảnh hưởng Rạp: Khảo sát với các thông sô mạch điện và kêt quả nhận được như sau: Điện trở nối đất dọc đường dây thay đổi từ 5+40(O), khoảng thay đổi 5(O). Điện trở nối đất trạm biến áp 1: Ry = 1(Q).

Dây chống sét IC-25: R; = 6. Số khoảng vượt: n=50. no a Dong dien vao tram (%l) B5 10 0 25 a 35 40 45 60 Vi tri set danh (k) Hinh 18: Dé thi dòng dién (tinh bang %) qua nối đất tram bién dp I theo vi tri sét danh k. 20 MSDT-T-DT-2011--18 Chủ trì: Hồ Văn Nhật Chương Bang 1: Dòng điện (tính bằng %) qua trạm biến áp 1 theo vị trí sét đánh.

Vitti | vị %I %I %I %I %I %I %I st | op =5) (R;=10 | (R„=15 | (R;=20 | (R;=25 | (R,=30 | (R;=35 | (R;=40 đánh ° ) ) ) ) ) ) ) 0 78.1814 3 3 0 Nhan xét: Theo hinh 18: Ta thấy khi điện trở dọc đường dây R„ càng nhỏ thì dòng điện khi có sự cỗ vào trạm biến áp 1 càng nhỏ. Theo bang 1: Khi R, = 5(Q), su cố sét đánh tại nút thứ 2, tức sét đánh cách tram 2*0.5(km), dong qua trạm chiếm 25.9589% dòng sét, dòng sự cố này có thể gây nguy hiểm cho trạm. Khi R; = 40(©), sự cố sét đánh tại nút thứ 7, tức sét đánh cách trạm 7*0.75(km), dòng qua trạm chiếm 22.3841% dòng sét, dòng sự có này có thể gây nguy hiểm cho trạm. Vì vậy điện trở nối đất R, tang thi lam ting xac suất sự cố dòng sét vào trạm gây nguy hiểm cho trạm.

Xét ảnh hưởng khi thay đổi Rp đến dòng điện vào trạm khi có sự cố: 21 MSDT-T-DT-2011--18 Chủ trì: Hồ Văn Nhật Chương Lấy đồ thị dòng điện vào trạm khi có sự cố sét đánh ứng với điện trở nối đất dọc đường dây Ry = 40(Q) làm chuan,dua vao đó ta xét sự suy giảm dòng điện vào trạm khi giảm điện trờ nối đất dọc đường đây. dong dien (%l) 35 i 1 i i 1 i 1 i i ũ 5 10 18 20 25 30 35 40 45 50 Vi tri set danh (k) Hình 19: Độ suy giảm dong dién (% I) vao tram theo vi tri sét danh k. Bảng 2: Độ suy giám dòng điện (% I) vào trạm theo vị trí sét đánh k khi điện trớ nối đất dọc đường dây R› giảm. Vị trí Dòng Dòng Dòng Dòng Dòng Dòng Dòng sét giảm giảm giảm giảm giảm giảm giảm đánh 6”) (4D (4D (4D (4D (4D (4D (R5) | (Rạ=10) | (R15) | (R,=20) | (R=25) ; (R;=30) | (Rạ=35) 0 |-11.6425 22 MSDT-T-DT-2011--18 Chủ trì: Hồ Văn Nhật Chương 11 -9.9998 Nhận xét: Theo hình 19: Khi điện trở nối đất đọc đường dây R; giảm, ứng với mỗi vị trí sét đánh, độ suy giảm dòng sét vào trạm theo đó cũng tăng theo.

Theo vị trí sét đánh, dòng điện vào trạm từ vị trí cột cổng giảm mạnh đến một vài khoảng vượt đầu tiên,sau đó giảm nhỏ dần về cuối đường dây. Cực trị đồ thị có xu hướng tiến lại gần cột cổng khi điện trở nói đất dọc đường dây R› giảm. Theo bảng 2: Khi R; = 5(©), sự có sét đánh tại nút thứ 3 dòng giảm mạnh nhất, giảm 34. Khi R, = 35(Q), su cố sét đánh tại nút thứ 4 dòng giảm mạnh nhất, giảm 2.3983% dòng sét Việc giảm điện trở nối đất R; làm giảm mạnh dòng vào trạm, do đó giảm xác suất sự cố sét đánh có thê gây nguy hiểm cho trạm.

Khảo sát dòng điện đi vào nối đất trạm biến áp 1 khi xét tới ảnh hướng giá trị điện trở của dây chống sét R,: Khảo sát với các thông số mạch điện: Thay đối dây chống sét IIC-25: R; = 6. Điện trở nối đất trạm biến áp 1: Rị = 1(Q). Điện trở nói đất dọc đường dây Rạ = 5(O). Số khoảng vượt: n=50.