Đề cương bài giảng Kĩ thuật cao áp

Tài liệu Đề cương bài giảng Kĩ thuật cao áp: Page 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NGUYỄN THỊ THÙY DƯƠNG ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KĨ THUẬT CAO ÁP (CAO ĐẲNG CHÍNH QUY) HƯNG YÊN 2017 Page 2 MỤC LỤC MỤC LỤC ....................................................................................................................................... 1 DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................ Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 1. PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ ....................................................................... 5 1.1. Đặc tính chung của các chất khí cách điện ........................................................................... 5 1.2 Các quá trình ion hóa trong chất khí ..................................................................................... 6 1.2.1 Ion hóa va chạm: ............................................................................................................ 6 1.2.2 Ion hóa quang: ..................

pdf102 trang | Chia sẻ: putihuynh11 | Ngày: 26/10/2020 | Lượt xem: 257 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang mẫu tài liệu Đề cương bài giảng Kĩ thuật cao áp, để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Page 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NGUYỄN THỊ THÙY DƯƠNG ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KĨ THUẬT CAO ÁP (CAO ĐẲNG CHÍNH QUY) HƯNG YÊN 2017 Page 2 MỤC LỤC MỤC LỤC ....................................................................................................................................... 1 DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................ Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 1. PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ ....................................................................... 5 1.1. Đặc tính chung của các chất khí cách điện ........................................................................... 5 1.2 Các quá trình ion hóa trong chất khí ..................................................................................... 6 1.2.1 Ion hóa va chạm: ............................................................................................................ 6 1.2.2 Ion hóa quang: ................................................................................................................ 6 1.2.3 Ion hóa nhiệt: .................................................................................................................. 7 1.2.4 Ion hóa bề mặt: ............................................................................................................... 7 1.3 Các quá trình chủ yếu của phóng điện trong chất khí ........................................................... 7 1.4 Đặc tính Von-ampe và các dạng phóng điện của chất khí .................................................... 8 CHƯƠNG 2. HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN SÉT VÀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ............................................................................................................ 10 2.1 Khái niệm chung về hiện tượng phóng điện sét .................................................................. 10 2.1.1 Quá trình phóng điện sét .............................................................................................. 10 2.1.2 Tham số của dòng điện sét ........................................................................................... 10 2.1.3 Cường độ hoạt động của sét ......................................................................................... 12 2.2 Phóng điện xung kích .......................................................................................................... 12 2.2.1 Điện áp xung kích ........................................................................................................ 12 2.2.2 Máy phát điện áp xung ................................................................................................. 12 2.2.3 Đặc tính von-giây ......................................................................................................... 15 2.3.4 Ý nghĩa của đặc tính Vôn-giây ..................................................................................... 17 2.3. Phóng điện vầng quang ...................................................................................................... 18 2.3.1 Phóng điện vầng quang trên đường dây dẫn điện một chiều ....................................... 19 2.3.2 Phóng điện vầng quang trên đường dây dẫn điện xoay chiều ...................................... 21 2.3.3 Các phương pháp giảm tổn hao vầng quang ................................................................ 26 2.4 Truyền sóng trên đường dây tải điện ................................................................................... 27 2.4.1 Phương trình truyền sóng trên đường dây tải điện ....................................................... 27 2.4.2 Truyền sóng trên hệ thống nhiều đường dây ................................................................ 29 2.4.3 Phản xạ và khúc xạ của sóng ........................................................................................ 34 2.4.4 Quy tắc Petecxen .......................................................................................................... 35 2.4.5 Quy tắc sóng đẳng trị ................................................................................................... 39 CHƯƠNG 3. BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP ........................................................................ 40 3.1 Khái niệm chung ................................................................................................................. 40 3.2 Mô hình phạm vi bảo vệ ...................................................................................................... 41 3.2.1 Phương pháp xác định phạm vi bảo vệ của cột thu lôi bằng thực nghiệm ................... 41 3.3 Bảo vệ bằng cột thu sét ....................................................................................................... 42 Page 3 3.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét .............................................................................. 42 3.3.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét ............................................................................... 43 3.3.3 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét ........................................................................... 45 3.4 Bảo vệ bằng dây thu sét ....................................................................................................... 45 3.5 Khoảng cách an toàn trong không khí và trong đất trong lưới điện phân phối ................... 46 3.5.1 Để không xảy ra phóng điện trong không khí thì: ........................................................ 47 3.5.2 Để không xảy ra phóng điện giữa hai hệ thống nối đất thì: ........................................ 47 CHƯƠNG 4. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT ......................................................................................... 48 4.1 Yêu cầu đối với thiết bị chống sét ....................................................................................... 48 4.2 Thiết bị chống sét ống ......................................................................................................... 49 4.2.1 Cấu tạo .......................................................................................................................... 49 4.2.2 Nguyên lý làm việc ...................................................................................................... 49 4.2.3 Ứng dụng ...................................................................................................................... 50 4.3 Thiết bị chống sét van ......................................................................................................... 51 4.3.1 Cấu tạo .......................................................................................................................... 51 4.3.2 Nguyên lý làm việc ...................................................................................................... 53 4.3.3 Các loại chống sét van 1 Loại bình thường .................................................................. 54 CHƯƠNG 5. NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .................................................................. 56 5.1 Khái niệm chung ................................................................................................................. 56 5.2 Điện trở nối đất xoay chiều ................................................................................................ 57 5.2.1 Hệ thống nối đất đơn giản ............................................................................................ 57 5.2.2 Hệ thống nối đất tổ hợp ................................................................................................ 58 5.3 Tính toán nối đất chống sét ................................................................................................. 59 5.3.1 Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung ................................................................ 60 5.3.2 Nối đất phân bố dài ...................................................................................................... 60 5.4 Lựa chọn các phương án nối đất hợp lý .............................................................................. 62 5.4.1 Nối đất an toàn ............................................................................................................. 62 5.4.2 Nối đất chống sét .......................................................................................................... 63 CHƯƠNG 6. BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ....... 65 6.1 Đường dây tải điện .............................................................................................................. 65 6.1.1 Yêu cầu chung .............................................................................................................. 65 6.1.2 Quá điện áp do sét đánh gây cảm ứng .......................................................................... 66 6.1.3 Quá điện áp do sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không treo dây chống sét ........ 67 6.1.4 Quá điện áp do sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không có treo dây chống sét ... 70 6.2 Trạm biến áp ........................................................................................................................ 73 6.2.1 Yêu cầu chung .............................................................................................................. 73 6.2.2 Những dạng sóng truyền vào trạm ............................................................................... 74 6.2.3 Các sơ đồ bảo vệ trạm .................................................................................................. 76 Page 4 6.3 Máy phát điện ...................................................................................................................... 78 6.3.1 Đặc điểm chung ............................................................................................................ 78 6.3.2 Máy phát nối với đường dây trên không qua máy biến áp ........................................... 79 6.3.3 Máy phát nối trực tiếp với đường dây trên không ........................................................ 81 CHƯƠNG 7. CÁCH ĐIỆN DÙNG TRONG CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN........... 84 7.1 Đặc tính cách điện dùng trong hệ thống điện ...................................................................... 84 7.1.1 Đặc tính điện ................................................................................................................ 84 7.1.2 Đặc tính cơ ................................................................................................................... 85 7.1.3 Các điều kiện lựa chọn cách điện của hệ thống điện.................................................... 85 7.2 Cách điện của đường dây trên không .................................................................................. 86 7.2.1 Yêu cầu đối với cách điện đường dây .......................................................................... 86 7.2.2 Vật liệu và kết cấu cách điện ........................................................................................ 87 7.2.3 Chuỗi cách điện ............................................................................................................ 89 7.3 Cách điện trong máy biến áp ............................................................................................... 93 7.3.1 Quá trình quá độ trong cuộn dây máy biến áp ............................................................. 93 7.3.2 Đặc điểm của quá trình quá độ trong máy biến áp ba pha ........................................... 95 7.3.3 Quá trình quá độ trong cuộn dây của máy biến áp tự ngẫu .......................................... 96 7.3.4 Kết cấu cách điện trong máy biến áp ........................................................................... 97 7.3.5 Những biện pháp cải thiện cách điện trong máy biến áp ............................................. 97 7.3.6 Đặc tính điện và thí nghiệm cách điện của máy biến áp .............................................. 98 7.4 Cách điện của máy điện ...................................................................................................... 99 7.4.1 Yêu cầu chung .............................................................................................................. 99 7.4.2 Kết cấu cách điện của máy điện ................................................................................... 99 7.4.3 Quá trình quá độ trong cuộn dây máy điện ................................................................ 101 7.4.4 Thí nghiệm cách điện của máy điện ........................................................................... 101 Page 5 CHƯƠNG 1.PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 1.1. Đặc tính chung của các chất khí cách điện Các chất khí chủ yếu là không khí thường được dùng làm chất cách điện của các thiết điện làm việc trong không khí và của đường dây tải điện trên không. Không khí hoặc phối hợp với các điện môi khác hoặc đơn độc làm nhiệm vụ cách điện giữa các pha hoặc giữa pha với đấy (vỏ máy). Bởi vậy đặc tính cách điện của chất khí có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật điện cao áp.Error! Reference source not found. Khi chúng mất khả năng cách điện sẽ gây nên hiện tượng ngắn mạch và dẫn đến các sự cố trong các thiết bị và hệ thống điện. Trong nội bộ các điện môi rắn và lỏng cũng thường tồn tại các bọt khí, đó là các điểm cách điện suy yếu vì cách điện của các điện môi này bị hư hỏng thường bắt nguồn từ các quá trình phóng điện của bọt khí. * Yêu cầu chung đối với các chất khí cách điện Các chất khí chọn dùng làm chất cách điện phải đạt được các yêu cầu sau đây: 1. Phải là loại khí trơ nghĩa là không gây các phản ứng hóa học với các chất cách điện khác trong cùng kết cấu cách điện hoặc với các kim loại của thiết bị điện. 2. Có cường độ cách điện cao. Sử dụng các chất khí có cường độ cách điện cao sẽ giảm được kích thước của kết cấu cách điện và của thiết bị. 3. Nhiệt độ hóa lỏng thấp để có thể sử dụng chúng ở trạng thái có áp suất cao. Như sau này sẽ thấy các chất khí có cường độ cách điện cao ở cả hai trạng thái hoặc áp suất nhỏ (chân không) hoặc áp suất cao. Trạng thái dầu ít được dùng trong công nghiệp điện vì các chất cách điện khác khi tiếp xúc với chân không có thể sinh hơi làm tăng áp suất và do đó làm giảm cường độ cách điện, vì vậy để tăng cường độ cách điện của khí thường dùng nó ở áp suất cao. 4. Phải rẻ tiền và dễ tìm kiếm 5. Tản nhiệt tốt. Trong trường hợp chất khí ngoài nhiệm vụ cách điện còn có nhiệm vụ làm mát (như trong máy điện) thì còn yêu cầu phải dẫn nhiệt tốt. Không khí, loại khí thường gặp nhất, thỏa mãn được yêu cầu (4) nhưng lại không đạt yêu cầu (1) và (2), nhất là yêu cầu (1). Quá trình ion hóa trong không khí thường phát sinh các chất ozon, oxit nito, bioxit nito, chúng ăn mòn các bộ phận cách điện bằng vật liệu hữu cơ và ăn mòn kim loại. Cường độ cách điện trung bình của không khí khoảng 30kV/cm trong khí đó cường độ cách điện của dầu biến áp rất sạch là 280kV/cm (cường độ cách điện là đặc tính quan trọng của mọi chất cách điện, biểu thị bằng số kV trên đơn vị chiều dày mà chất cách điện có thể chịu đựng được). Như vậy cường độ cách điện của không khí chỉ bằng khoảng 1/10 so với dầu biến áp, cho nên để tăng cường độ cách điện của nó lên ngang mức với các chất cách điện rắn và lỏng cần phải tăng áp suất không khí tới 10÷15 atm điều đó sẽ làm cho kết cấu và vận hành của thiết bị càng phức tạp Page 6 1.2. Các quá trình ion hóa trong chất khí Các chất khí không phải là các chất cách điện lý tưởng chỉ chứa những phân tử trung hòa mà chúng còn có một số ion và điện tử tự do. Ví dụ, dưới tác dụng của các yếu tố bên ngoài (tia cực ngắn của mặt trời, tia vũ trụ,), trong 1cm3 không khí thường xảy ra mấy chục lần ion hóa trong 1 giây. Quá trình ion hóa là quá trình biến một phân tử trung hòa thành ion dương và điện tử, có nghĩa là tách điện tử ra khỏi phân tử. Muốn vậy phải mất một công để thắng được lực hạt nhất, năng lượng đó gọi là năng lượng ion hóa và ký hiệu là Wi. Do năng lượng tỷ lệ với hiệu số điện áp của trường mà điện tử bay qua nên năng lượng ion hóa còn có thể biểu thị bằng hiệu thế ion hóa Ui, điện tử khí bay qua trường của hiệu thế này sẽ tích lũy được năng lượng bằng năng lượng ion hóa Wi. Đơn vị đo lường của năng lượng ion hóa là eV. Nếu cung cấp cho điện tử một năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa thì chưa thể tách nó ra khỏi phân tử mà chỉ có thể đưa nó ra quỹ đạo bên ngoài có mức năng lượng cao hơn và phân tử lúc này ở trạng thái bị kích thích. Nói chung các phân tử ở trạng thái bị kích thích không lâu, khoảng 10-8 giây. Quá trình ion hóa và kích thích còn có thể xảy ra với các điện tử khác trong cùng phân tử. Tất nhiên đối với các điện tử này cần phải có năng lượng lớn vì chúng ở gần hạt nhân và có lực hạt nhân lớn hơn. Các ion dương gặp các điện tử hoặc ion âm có thể kết hợp lại để trở thành các phân tử trung hòa. Năng lượng dùng để ion hóa ban đầu sẽ được trả lại dưới dạng bức xạ với độ dài sóng xác định theo công thức: hυ = Wi + ΔWk Với: υ là tần số bức xạ, h là hằng số Planck (h = 6,5.10-29 erg.s), ΔWk là sự chênh lệch tổng năng lượng của phân tử trước và sau khi va chạm. Các phân tử bị kích thích khi trở lại trạng thái bình thường cũng trả lại năng lượng dưới dạng bức xạ tương tự như trên. 1.2.1. Ion hóa va chạm: khi các phân tử đang chuyển động va chạm nhau, động năng của chúng sẽ truyền cho nhau và do đó có thể xảy ra ion hóa nếu: 2 i mv W 2  m là khối lượng phân tử và v là tốc độ chuyển động của phân tử. 1.2.2. Ion hóa quang: năng lượng cần thiết để ion hóa có thể lấy từ bức xạ của sóng ngắn với điều kiện: i i c.h h W hay W     Trong đó: Page 7 λ là độ dài sóng của sóng ngắn; υ là tần số bức xạ của sóng ngắn; c là tốc độ ánh sáng. c    1.2.3. Ion hóa nhiệt: Ở nhiệt độ cao có thể phát sinh các quá trình như sau: - Ion hóa va chạm giữa các phân tử do các phân tử chuyển động với tốc độ lớn. - Ion hóa do bức xạ nhiệt của khí bị nung nóng. - Ion hóa va chạm giữa những phân tử và điện tử hình thành do hai quá trình trên. Theo lý thuyết của khí động học thì ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng có các phân tử chuyển động với nhiều tốc độ khác nhau (định luật phân bố phân tử theo tốc độ của Maxwell – Boltzmann) cho nên ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng đều có khả năng ion hóa, khác nhau chỉ là ở xác suất nhiều hay ít. i 3 W kT W 2   1.2.4. Ion hóa bề mặt: ba dạng ion hóa trên xảy ra trong thể tích chất khí còn dạng ion hóa bề mặt thì xảy ra ngay trên bề mặt của các cực kim loại. Muốn thoát điện tử ra khỏi bề mặt cực cũng cần một năng lượng nhất định, năng lượng này được gọi là công thoát. Trị số công thoát phụ thuộc vào loại vật liệu làm điện cực và trạng thái bề mặt của điện cực. Có thể dùng các biện pháp sau đây: + Nung nóng âm cực: do cực được nung nóng, điện tử chuyển đọng nhanh hơn và có năng lượng lớn hơn. Nếu năng lượng này đạt được trị số nhất định đủ để vượt qua hàng rào thế năng thì nó sẽ thoát ra khỏi bề mặt điện cực. + Bắn phá bề mặt âm cực bằng những phần tử có động năng lớn (bằng các ion dương có tốc độ cao) + Tác dụng bằng trường cực mạnh (hiện tượng này gọi là bức xạ nguội vì âm cực vẫn ở nhiệt độ bình thường). Biện pháp này ít được dùng vì yêu cầu trường phải lớn tới khoảng 1000kV/cm. 1.3. Các quá trình chủ yếu của phóng điện trong chất khí Ở nhiệt độ bình thường năng lượng của chuyện động nhiệt của các phần tử không đủ để ion hóa, nhưng nếu có điện trường tác dụng thì các điện tích tự do có sẵn trong nội bộ chất khí sẽ chuyển động (điện tích dương chuyển động theo phương của trường, điện tích âm theo chiều ngược lại), tích lũy năng lượng và tăng tốc độ, khi va chạm với các phân tử khí có thể khiến cho các phân tử này bị ion hóa. Ion hóa va chạm là yếu tố cơ bản của quá trình phóng điện của chất khí. Hệ số ion hóa va chạm của điện tử gọi là hệ số ion hóa thứ nhất (the first Townsend ionization coefficient, α) Page 8 và hệ số ion hóa va chạm của ion gọi là hệ số ion hóa thứ hai (β). Thực tế β<<α nên có thể bở qua quá trình ion hóa va chạm của ion. Để đơn giản trong tính toán trị số α, ta giả thiết: + không xét khả năng ion hóa từng cấp, nghĩa là ion hóa va chạm do điện tử chỉ xảy ra khi năng lượng mà nó tích lũy được bằng hoặc lớn hơn năng lượng ion hóa của phân tử Wi. + điện tử sau mỗi lần va chạm (dù có hay không gây ion hóa) đều mất toàn bộ năng lượng, có nghĩa là năng lượng của nó trong lần va chạm sau chỉ được tích lũy trong quá trình chuyển động ở đoạn đường tự do trước đó. + quỹ đạo của điện tử trùng với phương đường sức của điện trường. Khi chuyển động trong điện trường có cường độ E và nếu qua được đoạn đường x mà không bị va chạm, điện tử sẽ tích lũy được năng lượng (E.q.x) với q là điện tích của điện tử. Như vậy điều kiện để điện tử có thể gây ion hóa phân tử khí là: iE.q.x W Vậy độ dài đoạn đường tự do cần thiết để có ion hóa: i i W x E.q  Khi điện tử đi qua đoạn đường 1cm điện tử sẽ có lần va chạm với phân tử khí, trong đó e 2 2 1 k.T .r .N .r .p      là đoạn đường tự do trung bình của điện tử nếu điện tử chuyển động trong môi trường của các phần tử có bán kính r và mật độ phân tử là N/cm3, p là áp suất khí. Số lần va chạm với đoạn tự do lớn hơn hoặc bằng x thì: 2.r A k.T   ;  iS.P x    ; B.p EA.p.e    iA.WB q  i i e e x W q.E. i e e 1 1 S.x .e .e          e 1 A.p  1.4. Đặc tính Von-ampe và các dạng phóng điện của chất khí Hình 1.1 Đặc tính Vôn-Ampe của chất khí - Giai đoạn Oa: khi U tăng thì I tăng, phù hợp định luật Ohm Trong khe hở luôn tồn tại các điện tích tự do do quá trình ion hóa bên ngoài, dưới tác dụng của điện trường các điện eS 1/  Page 9 tích tự do di chuyển hình thành dòng điện. Khi u tăng thì E tăng, lúc đó vận tốc dịch chuyển tăng lên làm số điện tích đi về các cực đối diện trong 1 đơn vị thời gian tăng lên dẫn đến dòng tăng. -Giai đoạn ab: u tăng, I=const, gọi là giai đoạn bão hòa vì số điện tích tự do trong khe hở không khí có giới hạn - Giai đoạn bc: Tại b điện áp đạt giá tri U0 U tăng thì E tăng dẫn đến số lượng điện tích tăng lên làm I tăng. Khối khí bị phóng điện Nếu duy trì nguồn thì điện áp tự động tụt đến giá trị đủ để dập tắt hồ quang Page 10 CHƯƠNG 2.HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN SÉT VÀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 2.1 Khái niệm chung về hiện tượng phóng điện sét 2.1.1 Quá trình phóng điện sét - Trên đám mây có các điện tích dương và điện tích âm phân bố rải đều. + điện tích dương phân bố rải đều trên các đám mây, + điện tích âm phân bố thành đám. - Khi phóng điện thì điện tích âm trung hòa với điện tích dương và các điện tích còn lại thì phát triển xuống mặt đấy gọi là dòng tiên đạo (có vận tốc từ 1,5.107 – 2.108 cm/s). Mặt đất đồng đều cảm ứng điện tích và dòng tiên đạo phát triển thẳng góc xuống mặt đất (do điện trở suất của mặt đất xấp xỉ nhau). - Càng gần mặt đất thì điện trường càng tăng nên gây ra ion hóa mãnh liệt (cường độ điện trường lớn làm phát sinh điện tích dương và điện tích âm và tập trung gọi là thác điện tử). Dòng ngược có vận tốc lớn 1,5.109 – 1,5.1010 cm/s = (0,05 – 0,5)vánh sáng gây ra sét. Khoảng cách phóng điện có thể kéo dài 5 km. Dòng điện sét: Trong đó: σ – mật độ điện tích của tia tiên đạo V – vận tốc phóng điện ngược Z0 – tổng trở sóng của khe sét (cỡ 200 Ω) R – điện trở của đất tại chỗ sét đánh Nếu sét đánh vào chỗ đánh tốt thì R << Z0 và: is = σ.v 2.1.2 Tham số của dòng điện sét 2.1.2.1 Dạng sóng sét a, Dạng tổng quát τđs là dòng điện sóng đi từ 0 đến Imax. τs là dòng điện sóng đi từ 0 đến Imax đến 0,5.Imax. Ký hiệu: , dấu ấm (-) chiếm 50%. ds S s s         Page 11 Hình 2.1. Dạng sóng sét tổng quát b, Dạng xiên góc - Khi tính toán thường sử dụng loại dạng xiên góc (độ dốc, phần đầu sóng). Với a là độ dốc đầu sóng - Dùng để tính quá trình truyền sóng trên đường dây. Hình 2.2. Dạng sóng sét xiên góc c, Dạng hàm mũ Ta chú ý phần đuôi sóng: iS = Imax.e -t/T với T = τS/0,7. Hình 2.3. Dạng sóng sét hãm mũ 2.1.2.2 Trị số của dòng điện sét (kA) - Xác suất xuất hiện dòng điện sét: I ≥ Is là: vI = P{I ≥ Is} = e -Is/26,1 = 10-Is/60 ds S ds ds at khi t i a khi t        Page 12 lg(vI) = -IS/60 ln(vI) = -IS/26,1 - Độ dốc dòng điện sét: - Xác suất xuất hiện dòng điện sét có độ dốc a ≥ aS là: lg(va) = -aS/25 ln(va) = -aS/10,9 2.1.3 Cường độ hoạt động của sét - Mật độ sét đánh trên diện tích 1 km2 đất: ms = 0,1 ÷ 0,15 - Số lần sét đánh trong 1 năm trên diện tích 1 km2 đất: Nj = ms.nngs = (0,1 ÷ 0,15)nngs - Số ngày sét trong 1 năm (nngs) + Xích đạo: 100 ÷ 150 ngày + Nhiệt đới: 60 ÷ 100 ngày + Ôn đới: 30 ÷ 50 ngày + Hàn đới: < 5 ngày 2.2 Phóng điện xung kích 2.2.1 Điện áp xung kích - Loại điện áp này có dạng sóng xung kích: điện áp tăng nhanh từ 0 đến trị số cực đại (đầu sóng) và sau đó giảm chậm đến trị số 0 (đuôi sóng). - Độ dài sóng τS tính tới khi điện áp giảm xuống chỉ còn một nửa trị số biên độ. Vì: khi điện áp đã giảm tới mức 50% trị số biên độ thì sẽ không còn khả năng gây nên phóng điện do đó có thể không cần chú ý đến tình hình ở phần sau của sóng - Trị số điện áp phóng điện xung kích phụ thuộc vào dạng sóng (được đặc trưng bởi độ dài đầu sóng và độ dài sóng) nên có qui ước dạng sóng xung chuẩn: τđs = 1,2μs ± 30% τs = 50μs ± 20% Ký hiệu: ±1,2/40 [μs/μs] 2.2.2 Máy phát điện áp xung 2.2.2.1 Sơ đồ phóng điện áp thấp S S ds I kA a s          S Sa /10,9 a /25a Sv P a a e 10      Page 13 Hình 2.4 Sơ đồ phóng điện áp thấp - Giả thiết không có điện dung C2 và điện áp ban đầu đặt lên C1 là U0, khi đóng khoá K thì C1 sẽ phóng điện qua R1 và R2 (đường 1). - Nếu có điện dung C2 thì điện áp trên R2 (cũng là điện áp trên điện dung C2) không thể tăng nhảy vọt được (đường 2). - Thay đổi R và C thì có thể đạt được dạng sóng cần thiết a. Coi R2 = ∞ thì C1 phóng điện qua R1 và C2: Trạng thái ổn định: q1=q2 Hay: C1U0 = (C1 + C2).U2 Hay Với U0 là điện áp ban đầu lên C1. Suy ra: Với T2 - hằng số thời gian phóng điện của C1 qua R1 sang C2. Hình 2.5 Dạng sóng điện áp U1 và U2 khi Coi R2 = ∞ b. Coi R2 ≠ 0 thì điện áp trên C2 sẽ phóng điện qua R2 và do đó nó giảm dần: - U2(t) luôn luôn nhỏ hơn trị số B một lượng ΔU, nó bằng phần điện áp giáng trên R1 (do có dòng điện qua R2) Và ta có: K R1 R2 U2U1 C1 C2 U0 t U2 -U0 1 2 1 2 d 0 1 2 C U U B C C     U t U1(t) U2(t) B  1 2t /T t /T2U (t) A e e   2 1 2 R A B R R    2t /T2U (t) B 1 e  1 2 2 1 1 2 C C T R C C   Page 14 với + T1 = C1.(R1 + R2) + C2R2 - Gọi hệ số sử dụng của sơ đồ là η (với η < 1) thì phần điện áp cuối cùng tồn tại trên C2 là: + khi T2 giảm thì đầu sóng của sóng chuẩn càng dốc, + khi T1 giảm thì độ dài đầu sóng của sóng chuẩn càng lớn Nhận xét: khi biết U2(t) thì có thể xác định được các trị số cần thiết kế tạo sơ đồ. t = τđs thì U2 = Umax t = τs thì U2 = 1/2Umax Suy ra: T1 = τs và T2 = τđs/3,25 Sơ đồ này không tạo nên điện áp xung kích vì nó bị giới hạn bằng điện áp của tụ C1 (điện áp nhỏ hơn 100, 150 kV). Hình 2.6 Dạng sóng điện áp U1 và U2 khi Coi R2 ≠0 2.2.2.2 Sơ đồ phóng điện điện áp cao Hình 2.7 Sơ đồ phóng điện điện áp cao Trong đó: K là chỉnh lưu; Rbv là điện trở bảo vệ; Rn là điện trở nạp;  1 2t /T t /T2 0U (t) U . e e    1 2 1 2 2 1 2 1 2 C C R R T . C C R R    1 2 1 2 1 2 C R . C C R R     Page 15 CA, CB và Cn là các tụ điện nạp; KH1, KH2, KH0 là các khe hở phóng điện có trị số tăng dần (KH1< KH2< < KH0); Rôđ là điện trở ổn định; Rp và Cp là các điện trở và tụ điện phóng để thực hiện dạng sóng cần thiết. - Nguyên lý làm việc của sơ đồ cao áp có thể nói là “nạp song song – phóng nối tiếp”. a. Giai đoạn nạp - Máy tăng áp T làm tăng điện áp lên tới trị số định mức của tụ điện C, điện áp xoay chiều được chỉnh lưu K nắn thành điện áp một chiều đặt lên giữa các điểm A1 và A2, do đó tụ điện CA nạp. - Qua các điện trở Rn điện áp 1 chiều này cũng được đặt vào các điểm B2, C2,, N2 và cuối cùng sau một thời gian nhất định, tất cả các tụ điện C sẽ được nạp. - Khi quá trình nạp kết thúc thì các điểm A2, B2,, N2 có điện thế U0, còn các điểm A1, B1,, N1 có điện thế bằng 0 (điện thế của đất). b. Giai đoạn phóng - Chọn khe hở phóng điện KH1 sao cho nó phóng điện khi điện áp bằng U0 thì khi quá trình nạp vừa kết thúc KH1 sẽ phóng điện. Khi KH1 phóng điện thì điện thế của B1 sẽ tiến tới bằng điện thế của A2, nghĩa là bằng U0. UB1 = UA2 = U0 - Điện thế trên điểm B2 là: UB2 = UB1 + UCB = U0 + U0 = 2.U0 = (UC1 + UCB) - Nếu đặt cự ly của khe hở phóng điện KH2 sao cho nó phóng điện khi điện áp bằng 2U0 thì KH2 sẽ phóng điện và làm tăng thế của C1 lên bằng 2U0 và tương tự ta có thế của C2 lên bằng 3U0. - Giả sử dung n cấp để các tụ điện trong giai đoạn phóng được ghép nối tiếp nhau qua các khe hở KH1, KH2,, KHn thì điện áp xung kích ở đầu máy phát có thể đạt tới nU0. (cấp điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 8 MV) UN2 = nU0 Khi đó KH0 phóng và ta có: 2.2.3. Đặc tính von-giây 2.2.3.1 Thời gian phóng điện - Điện áp xung kích có trị số điện áp phóng điện phụ thuộc rất nhiều vào thời gian tác dụng của điện áp, thời gian này ngày càng bé thì điện áp phóng điện càng tăng. - Nguyên nhân:  1 2t /T t /T2 0U (t) n.U . . e e    Page 16 + Bản thân quá trình phóng điện đòi hỏi phải có khoảng thời gian cần thiết gọi là thời gian phóng điện (rất bé nhỏ so với chu kỳ của dòng điện xoay chiều) nên thời gian tác dụng của điện áp (một chiều và xoay chiều) không ảnh hưởng tới trị số điện áp phóng điện. + Đối với điện áp xung kích, thời gian tồn tại của nó rất ngắn nên thời gian tồn tại của điện áp ảnh hưởng lớn đến trị số điện áp phóng điện. - Ví dụ: xét khe hở mà tại mức điện áp U0 điều kiện phóng điện tự duy trì được thực hiện. Trước và ngay cả ở thời điểm t1 thì cũng chưa thể có phóng điện vì trước hết phải có xuất hiện ít nhất là một điện tử tác dụng ở khu vực âm cực, từ đó tạo lên thác điện tử thứ nhất. Điện tử này có thể được tạo lên do sự bắn phá âm cực của các ion đương luôn có sẵn trong không khí hoặc do các nhân tố ion hoá bên ngoài. Vậy quá trình phóng điện không thể bắt đầu từ thời điểm t1 mà phải từ thời điểm t2 = t1 + ttk. Quá trình phóng điện được hoàn thành ở thời điểm t3 = t2 + tht, trong khoảng thời gian hình thành phóng điện thì thác điện tử sẽ phát triển thành dòng để nối liền khoảng cực và hoàn thành quá trình phóng điện. Hình 2.8 Thời gian phóng điện Vậy thời gian phóng điện: tp = t1 + ttk + tht + Thời gian chậm trễ thống kê (ttk) phụ thuộc vào các yếu tố: / Nhân tố ion hoá bên ngoài: nếu tác dụng với cường độ mạnh thì ttk giảm vì điện tử tác dụng được xuất hiện sớm (tia sóng ngắn). / Công thoát của vật liệu làm điện cực: điện cực được chế tạo bằng vật liệu có công thoát bé sẽ làm giảm thời gian chậm trễ thống kê vì với cường độ ion hoá bên ngoài không đổi số điện tử được giải thoát từ mặt cực âm cực tăng nhiều hơn. / Điện áp: tăng điện áp thì trường mạnh, khả năng khuếch tán cũng như kết hợp của điện tử với các phân tử để trở thành ion âm giảm, đồng thời khả năng ion hoá của nó tăng lên. + Thời gian hình thành phóng điện: >Giai đoạn thác điện tử đầu tiên phát triển tới độ dài xk chuẩn bị tạo điều kiện cho việc hình thành dòng. >Giai đoạn phát triển của dòng tới suốt chiều dài khoảng cực. Page 17 >Giai đoạn của phóng điện ngược (có thể bỏ qua do việc phát triển với tốc độ càng cao). Tốc độ của thác thực chất là tốc độ của điện tử. Tốc độ phát triển của dòng nhanh hơn nhiều so với tốc độ của điện từ (2 – 10 lần) do có xuất hiện nhiều thác mới ở khu vực đầu dòng. 2.2.3.2 Định nghĩa đặc tính Vôn-giây Đặc tính Vôn-giây là sự phụ thuộc của thời gian phóng điện vào biên độ điện áp tác dụng. 2.2.3.3 Sơ đồ tạo đặc tính Vôn-giây Hình 2.9 Sơ đồ tạo đặc tính V-S - Máy phát xung (MFX) phát ra dòng xung kích tác dụng lên cách điện cần thử (CĐCT) rồi lên phân áp, ở đây lấy một phần điện áp qua thiết bị đo (TBĐ) vì không thể lấy điện áp cao. - Điện áp phóng điện lấy trị số cao nhất cho đến khi có phóng điện. - Đặc tính Von-giây tạo ra từ tâm tản mạn của thời gian phóng điện (đặc tính Von-giây là một miền). - Biên độ điện áp tác dụng càng lớn thì xác suất phóng điện càng cao. - Trị số điện áp phóng điện xung kích 50% còn gội là điện áp phóng điện bé nhất (U50%) là biên độ sóng xung kích khi cho tác dụng nhiều lần sẽ có 50% số lần xảy ra phóng điện. - Cường độ xung kích đảm bảo giới hạn an toàn của cách điện với xác suất phóng điện bằng 0. - Đường đặc tính có dạng khác nhau khi trường là đồng nhất hoặc không đồng nhất. + Không đồng nhất: thời gian phóng điện tăng khi điện áp giảm vì tốc độ hình thành phóng điện giảm thấp và đặc tính có độ dốc lớn và ngược lại trong trường đồng nhất: sự tăng thời gian phóng điện khi điện áp giảm chủ yếu do thời gian chậm trể thống kê tăng lên nếu khe hở đặt ngoài không khí thì ttk rút ngắn và đặc tính có dạng phẳng ngang. 2.3.4. Ý nghĩa của đặc tính Vôn-giây - Là đặc tính quan trọng của cách điện, trong việc phối hợp cách điện giữa thiết bị điện và thiết bị bảo vệ cho nó. Page 18 - Để đảm bảo an toàn cho cách điện thiết bị bảo vệ cần phải có đường đặc tính Vôn-giây hoàn toàn nằm dưới đường đặc tính Vôn-giây của cách điện và có dạng phẳng ngang để không xảy ra giao chéo ở khoảng thời gian bé. - Ứng với điện áp U(t) thì thời gian phóng điện của thiết bị bảo vệ (chống sét van) phải nhỏ hơn của biến áp thì mới phóng điện trước tạo an toàn cho thiết bị. - Những thiết bị có đặc tính Vôn-giây bằng phẳng, để trường của nó đồng nhất thì phải dùng các thiết bị bảo vệ cũng có đặc tính Von-giây phẳng (MBA, MĐ). Chống sét ống có đặc tính Vôn-giây dốc nên không thể bảo vệ trong máy biến áp, máy điện mà chỉ bảo vệ cho đường dây. Hình 2.10 Ý nghĩa đặc tính VS 2.3. Phóng điện vầng quang - Phóng điện vầng quang là một dạng phóng điện tự duy trì đặc trưng cho sự phóng điện trong trường không đồng nhất tại nơi có cường độ trường lớn. - Phóng điện tuy đạt được điều kiện tự duy trì nhưng dòng không thể kéo dài trên toàn bộ khoảng cực mà chỉ giới hạn trong phạm vi nhỏ ở gần điện cực có bán kính cong bé. Phạm vi này gọi là quầng của vầng quang (các quá trình ion hoá, kết hợp hoặc trở về trạng thái bình thường của các phân tử bị kích thích phát sinh rất nhiều photon khiến cho vùng hẹp này toả sang gội là vầng quang). - Các ion được tạo lên trong quầng của vầng quang dưới tác dụng của điện trường sẽ dịch chuyển ra phía ngoài và hình thành dòng điện vầng quang gọi là dòng plasma. - Vầng quang xảy ra khi cường độ trường trên bề mặt dây dẫn lớn hơn cường độ trường xảy ra vầng quang trong không khí. - Ưu và khuyết điểm của phóng điện vầng quang: + dùng vầng quang âm để lọc bụi trong khói ở 1 số cơ sở luyện kim và nhà máy nhiệt điện. + vầng quang có tác dụng tích cực trong bảo vệ hệ thống điện chống quá điện áp khí quyển (khi có sét đánh trên đường dây, vầng quang sẽ tiêu hao năng lượng của các sóng quá điện áp, làm giảm biên độ và độ dốc sóng do đó tăng an toàn cho cách điện của trạm biến áp và nhà máy điện  tốt cho truyền sóng). U BA CSV Page 19 / vầng quang gây nên 1 loại dòng điện rò gây tổn hao năng lượng do sự chuyển dịch của các ion dưới tác dụng của trường / vầng quang gây nhiễu loạn thông tin hữu tuyến và vô tuyến, ăn mòn vật liệu - Cường độ trường xảy ra vầng quang giữa: + 2 hình trụ: Hình 2.11 Vầng quang giữa 2 trụ + 2 dây dẫn hoặc dây dẫn và mặt đất: Với + σ là mật độ tương đối của không khí + S là khoảng cách giữa hai dây dẫn (S>>r0). Chú ý: khi tính toán thì đưa về 2 hình trụ để dễ tính toán. Hình 2.12 Vầng quang giữa dây dẫn và mặ đất 2.3.1. Phóng điện vầng quang trên đường dây dẫn điện một chiều - Sự dịch chuyển của điện tích từ dây dẫn có vầng quang đến điện cực đối diện tạo nên dòng điện vầng quang. Dòng điện này có tính chất như một dòng điện rò và gây tổn hao năng lượng gọi là tổn hao vầng quang. {-Khi dây dẫn dài thì vầng quang có thể phát triển đồng thời tại nhiều điểm vì vậy các xung dòng điện hợp lại thành dòng điện liên tục. Nếu tăng điện áp thì vầng quang sẽ phát triển trên toàn bộ bề mặt dây dẫn và dòng điện mất hẳn tính chất không liên tục của nó.} - Các điện tích chuyển dịch theo 1 chiều từ cực này sang cực kia. - Ứng với đơn vị dài của đường dây, tổn hao này được tính: P = U.I = U.f(U) r0 R h'=S/2 vq 0 0,308 E 31. . 1 r .          vq vq 0 0 R U E .r .ln r        vq 0 0,301 E 298. . 1 r .          vq vq 0 0 S U E .r .ln r        Page 20 Với I là dòng điện vầng quang và I = f(U) là đặc tính vôn-ampe của vầng quang điện - Công thức tính tổn hao vầng quang của đường dây dẫn điện 1 chiều: P = A.U2.(U – Uvq) [kW/km] với A là hệ số phụ thuộc vào kích thước của khe hở Hình 2.13 Vầng quang trên đường dây dẫn điện một chiều 2.3.2.1. Vầng quang đơn Hai dây dẫn có điện thế (+U/2) và (–U/2) đặt cách nhau bởi bản kim loại được nối đất. Quá trình ion hoá phát triển độc lập trên mỗi nửa khe hở và các điện tích khối do các quá trình ấy tạo lên không ảnh hưởng lẫn nhau. Đây là vầng quang đơn vì trong phần khe hở hình thành bởi “dây dẫn-bản cực” chỉ có một cực phát sinh vầng quang. Tổn hao vầng quang trong trường hợp này bằng tổng tổn hao trên mỗi dây dẫn: P = P+ + P-. 2.3.2.2 Vầng quang kép - Khe hở không có bản kim loại ngăn ở giữa (bản kim loại-mặt phẳng trung hoà). - Các ion khác dấu khi gặp nhau trên mặt phẳng trung tính chỉ kết hợp với nhau một phần, số còn lại sẽ đi vào khoảng không gian của các điện tích khối khác dấu. Các ion đó phá huỷ trạng thái cân bằng đã có sẵn và làm tăng cường độ điện trường ở xung quanh dây dẫn. - Để khôi phục lại trạng thái cân bằng thì cần phải tiếp tục ion hoá ở gần dây dẫn, do đó dòng điện vầng quang tăng và tổn hao vầng quang tăng. - Cả hai điện cực đều có vầng quang nên gọi là vầng quang kép, chúng phát sinh ảnh hưởng lẫn nhau làm cho tổn hao vầng quang P > P+ + P-. 2.3.2.3 Kết luận - Trên đường dây dẫn điện 1 chiều, vầng quang đơn xảy ra khi dây dẫn chỉ có 1 cực tính (giữa dây dẫn và mặt đất) - Vầng quang kép là khi các dây dẫn đặt trên cột có cực tính khác nhau. +U/2-U/2 Page 21 2.3.2 Phóng điện vầng quang trên đường dây dẫn điện xoay chiều - Vì cực tính của các dây dẫn biến đổi trong từng chu kỳ nên điện tích khối của mỗi pha chỉ bị đẩy xa khỏi dây dẫn một đoạn đường nào đó còn trong nửa chu kỳ sau lại bị kéo về phía dây dẫn. - Ở đường dây dẫn điện xoay chiều thì điện áp thay đổi theo tần số f điện tích chuyển động 2f lần trên 1 giây. - Giả thiết cường độ trường trên mặt dây dẫn trong toàn bộ thời gian của nửa chu kỳ là không đổi và bằng trị số tới hạn của vầng quang (Evq) còn ở không gian ngoài (điểm các xa trục dây dẫn 1 đoạn r) thì cường độ trường E là: E.r = const = Evq.r0 E = (Evq.r0)/r với r0 là bán kính dây dẫn. Tốc độ chuyển dịch của 1 điện tích tỷ lệ với điện trường: Suy ra: với k là độ linh hoạt của phần tử chuyển động (với ion âm, ion dương thì k tương tự nhau) Đoạn đường chuyển dịch của điện tích khối: Ví dụ: r0 = 1,25cm Evq = 36kV/cm T = 0,02 giây (s) k = 1,8 [(cm/s)/(V/cm)] Khi đó: rmax = 40cm<<S Như vậy, có thể xem điện tích khối của mỗi pha là độc lập với nhau hay nói cách khác, quá trình phóng điện vầng quang trên 1 pha nào đó không chịu ảnh hưởng của các pha bên cạnh. 2.3.3.1 Quá trình phóng điện trên một dây dẫn điện xoay chiều - Điện áp nguồn biến thiên theo hình sin: u(t) = Umax.sinωt - Giả thiết dây dẫn được nối với nguồn đúng vào lúc điện áp bằng không. 0 vq rdr v k.E k.E . dt r    max 0 rT/2 vq 00 r rdr dt k.E .r   2 2 max 0 vq 0 r rT 2 2.k.E .r   max vq 0r k.T.E .r Page 22 Hình 2.14 Quá trình phóng điện trên một dây dẫn điện xoay chiều + thời điểm t = t0 ÷ t1. Thời gian này chưa xuất hiện vầng quang nên điện tích của dây dẫn được tính:Qdd = U.Chh Với Chh là điện dung của dây dẫn đối với đất khi chưa có vầng quang (là một hằng số chỉ phụ thuộc vào kích thước hình học). + thời điểm t = t1 ÷ t2. Điện áp và cường độ điện trường trên mặt dây dẫn đạt trị số tới hạn Uvq, Evq để phát sinh vầng quang. Lúc này có xuất hiện các dòng plasma, một số ion (điện tích dương) theo dòng đi từ dây dẫn ra khoảng không gian xung quanh tạo lên điện tích khối dương (còn những điện tử thì bị hút ngay vào dây dẫn) (hình 1). Khi điện áp tăng từ trị số Uvq tới trị số U m a x U m a x U v q E v q Q ( t) U E d d , U 'd d , Q d d U n g u ? n( t ) U 0t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 7t 5t 2t 1t 0 +Q -Q +U-U 5 4 1 0 0 1 2 5 -U +U -Q +Q 7 8 Page 23 biên độ Umax thì dòng càng kéo dài và số điện tích chuyển dịch ra ngoài cũng nhiều khiến cho dòng có điện dẫn cao và trường trong nội bộ dòng bé hơn nhiều so với trị số Evq. Trong khi đó cường độ trường trên mặt dây dẫn giữ không đổi và bằng Evq vì nó chỉ cần đảm bảo có quá trình ion hoá chung quanh dây dẫn, điện áp tăng sẽ làm cho dòng dài thêm ra nhưng trường thì không tăng lên. Do đó, điện tích trên mặt dây dẫn cũng giữ không đổi và có trị số: Qdd = 2πε.Evq Điện tích này tạo lên phần điện áp trên dây dẫn: Do các dòng plasma dẫn các ion dương ra ngoài không gian nên ngoài Qdd ra sẽ còn một ΔQ nào đó, ΔQ này tăng khi điện áp tăng. Sự chênh lệch giữa điện áp của nguồn và điện áp U’dd là do điện tích không gian ΔQ gây lên, hay:ΔU = Ung – U’dd Khi điện áp đạt tới trị số Umax thì đạt được các trị số ΔUmax, ΔQmax, Qmax, Edd = Evq và Qdd bằng điện tích lúc mới phát sinh vầng quang. + Thời điểm t > t2. Điện áp nguồn bắt đầu giảm và kéo theo sự giảm của điện tích tổng Q. Những điện tích trên mặt dây dẫn sẽ chạy về nguồn trước nghĩa là Qdd bị giảm do đó làm giảm cường độ điện trường trên mặt dây dẫn và quá trình ion hoá bị chấm dứt. Các dòng plasma bị mất dần và tiến tới mất hẳn tính chất dẫn điện, để lại trong không gian số lượng điện tích khối ΔQmax quanh dây dẫn, điện tích này không thay đổi được nữa. Tóm lại sau thời điểm t2, điện áp cứ giảm theo hình sin, điện tích trên dây dẫn Qdd, cường độ điện trường trên mặt dây dẫn Edd sẽ giảm. Nhưng điện áp do Qdd gây nên luôn luôn có: U’ = U – ΔUmax Vì suốt trong quá trình t > t2 thì ΔU = ΔUmax không đổi (do ΔQ = ΔQmax). + Thời điểm t = t3. Toàn bộ phần điện tích trên dây dẫn trở về nguồn, cường độ trường trên mặt dây dẫn cũng như thành phần điện áp U’dd giảm tới số 0. Điện áp u(t) còn có trị số dương là do ảnh hưởng của điện khối (đường biểu diễn của Edd, Qdd và U’dd trong khoảng thời gian này được xác định bằng cách cộng thêm vào tung độ đường Qdd đại lượng ΔQmax. {điện tích không gian có ảnh hưởng lớn hơn} + Thời điểm t = t4. Trên dây dẫn xuất hiện điện tích âm đủ để tạo lên phần điện áp có trị số bằng ΔUmax triệt tiêu phần điện áp do điện tích khối gây lên và làm cho điện áp tổng giảm tới số 0. + Thời điểm t =t5. Trường trên dây dẫn đã đạt được trị số tới hạn để phát sinh vầng quang âm. Chung quanh dây dẫn bắt đầu hình thành điện tích khối âm. Chúng sẽ bù điện tích khối dương còn lại từ nửa chu kỳ trước và đến khi t = t6 thì điện tích khối dương được bù hoàn toàn và điện ' dd dd hh Q U C  Page 24 tích tổng Q lúc này có trị số bằng 0. Các thành phần Qdd, Edd và Udd sẽ giữ không đổi trong suốt giai đoạn có xảy ra quá trình ion hoá (t5 ÷ t7). Chú ý: khi t = t5 thì điện áp nguồn chỉ cần đạt tới mức U0 < Uvq đã có thể bắt đầu có vầng quang âm. U0 = Uvq – ΔUmax mặt khác: ΔUmax = Umax – Uvq nên: U0 = 2.Uvq – Umax Do đó, nếu biên độ điện áp nguồn càng lớn thì vầng quang âm xuất hiện càng sớm thậm chí có thể phát sinh ngay trong nửa chu kỳ dương của điện áp (khi Umax> 2.Uvq thì U0< 0). >Phóng điện vầng quang: các dòng plasma phát triển dài dần và những điện tích đương bị hút vào dây dẫn (vì trên mặt dây dẫn lúc này là điện tích âm) còn các điện tích âm bị đẩy ra xa gặp các điện tích không gian dương có sẵn, chúng bắt đầu trung hoà. Vì vậy ta thấy trên hình, đường chấm chấm bắt đầu hướng đến gần đường Qdd. + Thời điểm t = t6 ÷ t7. Vầng quang vẫn tiếp tục tồn tại nhưng điện tích khôgn gian lúc này là chuyển thành dấu âm và ở điểm t = t7 thì điện tích này đạt trị số cực đại. Khi t = t7, điện áp giảm, vầng quang tắt dần, để lơ lửng lại trong không gian điện tích âm Qmax. Cuối cùng chúng ta xét dòng điện vầng quang. Dòng điện tổng gồm có 2 thành phần: + Dòng điện chung iC: + Dòng điện vầng quang ivq: chỉ tồn tại trong lúc có vầng quang. - Đặc tuyến Vôn-Culông của đường dây có vầng quang, đó là quan hệ giữa điện tích tổng do nguồn cung cấp với điện áp nguồn. Đoạn 0-1 ứng với thời gian khi chưa xuất hiện vầng quang, độ nghiêng của nó xác định bởi điện dung hình học của đường dây. 2.3.3.2 Tổn hao vầng quang trên đường dây dẫn điện xoay chiều - Điện tích khối về cơ bản không đi đến điện cực đối diện. - Khi đường dây không tải và khôgn có vầng quang thì sẽ không có tổn hao (bỏ qua tổn hao gây lên bởi điện trở tác dụng của dây dẫn và dòng điện rò trên bề mặt cách điện) và năng lượng mà nguồn phải cung cấp để tạo điện trường sẽ được hoàn lại trong thời gian của nửa chu kỳ sau. - Khi có vầng quang và khi điện áp nguồn bắt đầu giảm (t > t2) thì chỉ có số năng lượng của số điện tích trên dây dẫn là được trả về nguồn còn năng lương có liên quan đến số điện tích khối vẫn được giữ lại dưới dạng trường dư, tới nửa chu kỳ sau số điện tích khối này tuy được bù hoàn toàn nhưng không phải là trở về dây dẫn mà phần năng lượng của chúng cũng không được trả về nguồn mà trở thành một dạng tổn hao năng lượng. C hh dU i C . dt  Page 25 - Nguyên nhân làm cho số điện tích khối không trở về dây dẫn là so sự cản trở của các phần tử không khí, do đó tổn hao vầng quang thể hiện chủ yếu ở chỗ làm nóng môi trường không khí quanh dây dẫn. {+ Đối với xoay chiều: điện tích không gian không đến được các dây khác. + Đối với một chiều: các điện tích tự do chuyển dần về các dây trái dấu nhau và tạo lên một dòng điện tương tự như dòng điện rò. + Khi có vầng quang sự biến thiên của điện tích khôgn theo hình sin, không trùng pha với điện áp nên làm xuất hiện những songs dòng cao tần trên dây. + Không khí không dẫn điện} - Dựa vào đặc tính Culông, tổn hao vầng quang trong 1 chu kỳ của đường dây dẫn điện xoay chiều: Nó tỷ lệ với điện trường của đặc tính Vôn-Culông. - Công thức kinh nghiệm Pich: Trong đó: + δ là mật độ tương đối của không khí + r0 là bán kính dây dẫn (m) + S là khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn (cm) + f là tần số + U là trị số hiệu dụng của điện áp pha (kV) + U0 là trị số điện áp tính toán, gần bằng điện áp vầng quang. + m1 là hệ số nhẵn đặc trưng cho trạngt hái bề mặt của dây dẫn. >m1 = 0,8 ÷ 0,9 đối với dây dẫn xoắn >m1 = 1 đối với dân dẫn đơn Chú ý: sau một thời gian vận hành, tổn hao vầng quang giảm dần, điều này được giải thích bởi tác dụng của các khí hạot tính sản sinh từ quá trình ion hoá (như khí oxy ở dạng nguyên tử) làm cho các nơi ghồ ghề của bề mặt dây dẫn bị oxy hoá mãnh liệt và bị phá huỷ dần mặt ngoài trở lên nhẵn bong hơn. + m2 là hệ số khí hậu, biểu thị mối liên quan giữa tổn hao vầng quang với điều kiện khí hậu. T o P U.I.dt U.dQ (VA)     2 50 0 r241 kW P (f 25) . U U .10 S km.pha           0 0 1 2 0 S U 21, 2. .r .m .m .ln r         Page 26 Chú ý: tổn hao vầng quang tăng nhiều khi trời bắt đầu mưa hoặc có sương, lúc này trên bề mặt dây dẫn có đọng các giọt nước, trường ở đó được tăng cường và dưới tác dụng của trường thì giọt nước bị kéo dài theo dạng hình nón càng làm cho trường tăng cao, vầng quang dễ xuất hiện và gây lên tổn hao rất lớn. Khi toàn bộ bề mặt dây dẫn đều bị ướt thì chỉ có mặt phía dưới mới bị ghồ ghề do các giọt nước tụ ở đó để rơi xuống đất còn mặt phía trên nhẵn hơn nên tổn hao vầng quang có giảm đôi chút. 2.3.3 Các phương pháp giảm tổn hao vầng quang - Bán kính dây dẫn có ảnh hưởng rất nhiều đến tổn hao vầng quang. - Tăng bán kính dây dẫn sẽ làm tăng trị số điện âp U0 và làm giảm tổn hao vầng quang. - Khi thiết kế đường dây, đường kính dây dẫn được chọn theo điều kiện sao cho trong trường hợp khí hậu tốt (m2 ≈ 1), trên đường dây không được xuất hiện vầng quang và không có tổn hao vầng quang. 2.3.3.1 Đường dây cao áp - m1 = 0,8 và độ ẩm tương đối của không khí δ = 1 và ln(S/r0) ≈ 6,5. - Đường kính tối thiểu của dây dẫn xác định theo: Do điện áp áp dây dẫn trong vận hành có thể lớn hơn trị số định mức là 10% nên: Suy ra: 2.3.3.2 Đường dây siêu cao áp Hình 2.15 Quan hệ giữa cường độ điện trường và đường kính dây dẫn - Để giảm tổn hao vầng quang và tăng khả năng truyền tải năng lượng cần phải có đường kính lớn, điều đó gây rất nhiều khó khăn trong sản xuất cũng như trong xây lắp. dây dd pha 0 U U U U 3    dm dd 0 0 1,1.U U U 21, 2.1.0,8.1.6,5.r 3    dd 2 min dmd 1,15.10 .U (cm)  D (Emax)min Emax Et?i uu Page 27 - Để thực hiện thì dùng dây dẫn phân nhỏ - dẫy dẫn ở mỗi pha có tiết diện lớn được thay thế bằng một số dây dẫn tiết diện nhỏ hơn đặt cách nhau theo khoảng cách thích hợp hoặc dây nhôm lõi thép. Khi đó cường độ trường trên bề mặt dây dẫn nhỏ, giảm điện cảm nên tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây hoặc dây nhôm lõi thép. - Khi có n dây phân nhỏ thì: 2.4. Truyền sóng trên đường dây tải điện 2.4.1. Phương trình truyền sóng trên đường dây tải điện Hình 2.16Quá trình truyền sóng trên đường dây tải điện - Điện áp và dòng điện được xác định từ các phương trình vi phân: Trong đó: + u và i là hàm số của khoảng cách x và thời gian t. + R, L, C và g là các tham số của đường dây trên một đơn vị chiều dài đường dây. - Giải hệ phương trình dưới dạng toán tử Laplace. - Đối với đường dây cao áp và siêu cao áp. + cách điện tốt nên dòng rò ít và có g bé. + đường kính dây dẫn lớn nên điện trở dây bé và R bé. (2) 0 max tb 2r n 2 : E E 1 D         (4) 0 max tb 3.r n 4 : E E 1 D          pha tb 0 td U E S n.r .ln r        u i i.R L x t i u u.g C x t                Page 28 - Do vậy có thể bỏ qua các tham số này. Biến đổi Laplace, ta có: Hay: Với: + gọi là hệ số lan truyền sóng + + Nghiệm của phương trình là: Với: + gọi là tổng trở sóng của đường dây Đặt gọi là vận tốc truyền sóng (nếu không kể tổn thất thì bằng vận tốc ánh sáng, v = c. Biến đổi ngược Laplace, ta có:   x x 1 2 x x 1 2 U(x, p) F .e F .e 1 I(x, p) F .e F .e Z             L Z C  1 2 th ng 1 2 th ng x x u(x, t) f t f t u u v v 1 x x i(x, t) f t f t i i Z v v                                        2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 u i u u L LC x t x x t i u i i C LC x t t x t                                 u i L x t i u C x t              2 2 2 u p .u t    2 2 2 2 2 2 u .u x i .i x         p LC  2 C 2h ln r         1 v LC  2h L ln 2 r          Page 29 Tổng trở sóng là: 2.4.2 Truyền sóng trên hệ thống nhiều đường dây - Hệ phương trình Macxoen: Với Hình 2.17 Cách xác định hệ số của hệ phương trình Macxoen + αkk là hệ số thế của bản thân dây dẫn thứ k. th 1 ng 2 1 th th 2 ng ng x u f t v x u f t v x f t u v i Z Z x f t u v i Z Z                               dd dd 2h Z 138.lg r        k kk k 2h1 ln 2 r          1 11 1 12 2 1n n 2 21 1 22 2 2n n n n1 1 n2 2 nn n u .q .q ... .q u .q .q ... .q ... u .q .q ... .q                    Page 30 + αkp là hệ số thế của đường dây thứ k đối với đường dây thứ p. Trong đó: + hk là độ treo cao của đường dây thứ k + dkp là khoảng cách giữa hai dây dẫn k và p + bkp là khoảng cách giữa dây thứ k và ảnh của dây thứ p. - Ta có vì sóng điện từ truyền dọc theo đường dây không có tổn hao là sóng phẳng nên có thể xác lập dạng của trường ở trạng thái sóng bằng cách cho điện trường gây ra bởi điện tích không chuyển động di chuyển dọc theo đường dây với tốc độ v. q.v = I và Trong đó: + Zkk là tổng trở sóng dây dẫn thứ k + Zkp là tổng trở sóng tương hỗ giữa hai dây dẫn thứ k và thứ p 2.4.2.1 Trường hợp các dây dẫn đều nối với nguồn - Tương đương với khi đường dây không treo dây chống sét có xuất hiện quá điện áp ở cả bap ha (cảm ứng hoặc do phóng điện ngược qua cách điện). - Điện áp trên các dây dẫn bằng nhau: U1 = U2 = = Un = U0 - Xét trường hợp sét đánh vào cả 3 dây dẫn: - Nếu các dây có bán kính như nhau, bố trí trên cùng mặt phẳng ngang (đường dây dùng cột hình П) thì: Z11 = Z22 = Z33 và Z12 = Z23> Z13 kp kp kp b1 ln 2 d          1 11 1 12 2 1n n 2 21 1 22 2 2n n n n1 1 n2 2 nn n U Z .I Z .I ... Z .I U Z .I Z .I ... Z .I ... U Z .I Z .I ... Z .I                 k kk k 2h Z 138.lg r        kp kp kp kp kp b b Z 138.lg 60.ln d d                 1 11 1 12 2 13 3 2 21 1 22 2 23 3 3 31 1 32 2 33 3 U Z .I Z .I Z .I U Z .I Z .I Z .I U Z .I Z .I Z .I            Z v   Page 31 - Nếu cột hình П đối xứng: đảo các pha cho nhau thì: Z12 = Z23 = Z13 I1 = I2 = I3Nên: Chú ý: khi có nhiều dây thì dòng điện trong từng dây dẫn giảm đi (đây là đặc điểm của quá trình sóng, nếu trong trạng thái tĩnh thì dòng điện sẽ không đổi vì điện áp ở đầu đường dây không đổi) - Nếu không đảo các pha thì: Hình 2.17 Các dây dẫn nối nguồn 2.4.2.2 Một dây nối nguồn, số còn lại nối đất - Trường hợp này dây nối đất là dây chống sét 2, sét đánh vào dây pha. - Điện áp trên các dây dẫn: Hay: - Nhận xét: + I1 và I2 ngược chiều nhau  0 1 11 12 0 1 2 3 11 12 U I Z 2.Z U I I I Z 2.Z          11 12 1 3 0 2 2 11 11 13 12 11 13 12 2 0 12 2 11 11 13 12 Z Z I I U Z Z .Z 2.Z Z Z 2.Z I U I Z Z .Z 2.Z              1 0 11 1 12 2 2 21 1 22 2 U U Z I Z I U 0 Z I Z I        21 2 1 22 0 0 1 2 12 11 11 22 Z I I Z U U I Z Z Z Z           Page 32 + dòng điện trong dây dẫn lớn hơn so với trường hợp một dây đơn (vì hai dòng điện ngược chiều nhau nên từ trường do dây 2 gây ra sẽ làm giảm từ trường trong dây 1 (hay nói cách khác thì điện cảm L giảm và điện dung C tăng)). Giảm L Z C  Hình 2.18 Một dây nối nguồn, dây còn lại nối đất 2.4.2.3 Một dây nối nguồn và dây bên cạnh không nối đất (sét đánh vào dây chống sét cạnh dây pha) - Có điện áp trên cả k dây nhưng dòng điện ở các dây còn lại bằng không. U1 = U2 = = Uk = U0 Ik+1 = Ik+2 = = In = 0 - Phương trình điện áp trên các dây dẫn: Với gọi là hệ số ngẫu hợp của dây 1 đối với dây 2. Tổng quát ta có: - Hệ số ngẫu hợp quyết định bởi kích thước hình học của đường dây và khoảng cách giữa các dây dẫn. - Do tác dụng ngẫu hợp, trên các dây (đặt cách điện) không nối với nguồn cũng có xuất hiện điện áp làm cho điện áp tác dụng tăng lên, cách điện đường dây được giảm thấp. 1 11 1 12 2 2 21 1 22 2 U Z I Z I U Z I Z I      0 11 1 2 21 1 U Z I U Z I    1 0 2 U U I 0    0 1 11 2 1 U I Z U k.U      21 11 Z Z  21 11 Z k Z  n1 1n 11 Z k Z  Page 33 Hình 2.19 Một dây nối nguồn, dây còn lại không nối đất 2.4.2.4 Hai dây nối nguồn, dây bên cạnh không nối đất (hai dây chống sét và sét đánh vào dây chống sét cạnh dây pha) - Phương trình điện áp trên các dây dẫn: Và: Thì: - Khi hai dây chống sét cùng trên mặt phẳng ngang và có cùng kích thước thì: Z12 = Z22 và I1 = I2 - Nhận xét: + Hệ số ngẫu hợp lớn hơn so với khi đường dây chỉ treo một dây chống sét và điều đó càng có lợi cho cách điện đường dây. + k’>k vì Z11>Z12. 1 11 1 12 2 13 3 2 21 1 22 2 23 3 3 31 1 32 2 33 3 U Z .I Z .I Z .I U Z .I Z .I Z .I U Z .I Z .I Z .I            1 2 0 3 U U U I 0     0 11 1 12 2 0 21 1 22 2 3 31 1 32 2 U Z .I Z .I U Z .I Z .I U Z .I Z .I         0 1 2 11 12 31 32 3 0 0 11 12 U I I Z Z Z Z U U k '.U Z Z           Page 34 Hình 2.20 Hai dây nối nguồn, dây bên cạnh không nối đất 2.4.3. Phản xạ và khúc xạ của sóng - Khi thay đổi môi trường truyền sóng thì nó có hiện tượng phản xạ và khúc xạ của sóng tại điểm nút (điểm thay đổi môi trường), sẽ có thành phần khúc xạ sang môi trường mới và thành phần phản xạ trở vệ môi trường cũ. Ta có: Trong đó: + ut và it là sóng tới từ môi trường I (ut = Z1.it) + uk và ik là sóng khúc xạ sang môi trường II (uk = Z2.ik) + uf và if là sóng phản xạ trở về môi trường I (uf = Z1.if) Hình 2.21 Phản xạ và khúc xạ của sóng - Hệ số khúc xạ: - Hệ số phản xạ: - Lấy phương trình (1) chia cho ut có: α = 1+β - Lấy phương trình (2) nhân với Z1 có: ik.Z1 + uk = 2.ut k t u u   f t u u   k t f k t f u u u (1) i i i (2)      Page 35 - Nếu sóng truyền từ môi trường Z1 sang môi trường Z2 dài vô tận (không có phản xạ từ đầu cuối Z2) thì: + ik = i2 Hay: i2.Z1 + i2.Z2 = 2.ut Hay: 2.ut = (Z1+Z2).i2 Hệ số khúc xạ là: 2.4.4. Quy tắc Petecxen Sóng phản xạ và khúc xạ tại một điểm trên đường dây được xác định bằng cách thay thế sơ đồ đường dây bằng sơ đồ tham số tập trung có nguồn bằng hai lần sóng tới. - Đối với sơ đồ phức tạp người ta sử dụng sơ đồ toán tử Laplace, khi đó hệ số phản xạ toán tử là: 2.4.4.1. Truyền sóng trong các trường hợp giới hạn (Z2=∞ và Z2=0) 1 Khi Z2=∞ Ta có thể xem như môi trường Z1 bị hở mạch và có các hệ số: α=2 và β=1 như vậy khi có hở mạch thì điện áp tăng gấp đôi do có phản xạ dương toàn phần. 2 Khi Z2=0 Ta có thể xem như môi trường Z1 bị ngắn mạch và có các hệ số: α=0 và β=-1 như vậy điện áp giảm tới không do phản xạ âm toàn phần và dòng điện trong mạch tăng gấp đôi. 2.4.4.2. Truyền sóng trong trạm có nhiều đường dây - Trạm có n đường dây nối vào thanh góp: Như vậy, số đường dây tăng thì uA giảm nhưng xác suất sét đánh trúng tăng lên và sóng quá điện áp đến trạm nhiều hơn. Khi n đủ lớn thì sóng sẽ giảm tới mức an toàn đối với cách điện của trạm. t k A 2 2 2 t 1 2 2.u u u Z .i Z . .u Z Z       2 1 2 2.Z (p) (p) Z (p) Z (p)    2 1 1 2 Z (p) Z (p) (p) Z (p) Z (p)     k 2 t 1 2 u 2.Z u Z Z     2 1 1 2 Z Z 1 Z Z        Page 36 Hình 2.22 Truyền sóng trong trạm có nhiều đường dây 2.4.4.3. Trường hợp giữa hai môi trường có ghép điện dung C + Điện áp tại điểm A cũng là điện áp trên điện dung C: với giả thiết sóng tới là sóng vuông góc dài vô tận nên ut không đổi. Trong đó: + là hệ số khúc xạ khi không có ghép điện dung C + là hằng số thời gian. C 1 X (p) pC  0 t 0 U u (t) U U(p) p    2 2 2 2 2 2 1 Z . Z1 pC Z (p) Z / / 1pC 1 pC.ZZ pC          C A 2 1 2 2.U(p) U (p) U (p) .Z (p) Z Z (p)    1 2 0 0 C2 1 2 C 1 21 2 C1 2 1Z Z 2U U TZ C.Z .Z U (p) . . . . Z Z 1p Z Z p pp TC.Z .Z       C t T C 0u (t) U 1 e           2 1 2 2Z Z Z    1 2 C 1 2 C.Z Z T Z Z   Page 37 - Nhận xét: + điện dung không ảnh hưởng đến trị số biên độ của sóng khúc xạ nhưng làm giảm độ dốc đầu sóng. + sóng khúc xạ tăng dần tới trị số ổn định và độ dốc cực đại của nó xuất hiện lúc ban đầu (khi t=0) - Ứng dụng: bảo vệ chống sét truyền vào trạm vì cách điện của máy biến áp chịu ảnh hưởng nhiều vào độ dốc đầu sóng. Hình 2.23 Truyền sóng giữa hai môi trường truyền sóng có ghép điện dung C Hình 2.24 Dạng sóng điện áp khúc xạ 2.4.5.4. Trường hợp giữa hai môi trường có mắc nối tiếp điện cảm L - Giả thiết sóng tới là sóng vuông góc dài vô tận và bỏ qua các tính toán chi tiết: + điện áp tại điểm B (sóng khúc xạ sang môi trường Z2) Với: + là hệ số khúc xạ nếu không có L B 2 2 1 2 2.U(p) U (p) I.Z .Z Z Z pL     0 L B L 1 U T U (p) . . 1p p T    2 1 2 2Z Z Z    L 1 2 L T Z Z   Page 38 + là hằng số thời gian. Điện áp tại điểm B là: Điện áp tại điểm A là: - Sóng khúc xạ sang môi trường Z2 có độ dốc cực đại xuất hiện ngay lúc ban đầu (khi t=0) và tăng dần từ 0 đến giá trị ổn định. - Như vậy điện cảm cũng có tác dụng làm giảm biên độ dốc đầu sóng và không ảnh hưởng đến biên độ áp. - Điện áp tại điểm A (trước điện cảm) tăng cao gấp đôi sau đó mới giảm dần tới trị số ổn định vì điện cảm không cho phép dòng điện tăng đột ngột nên lúc đầu có thể xem môi trường Z1 bị hở mạch và xuất hiện phản xạ dương toàn phần nên tăng độ nhạy của bảo vệ. - Khi t = ∞ thì: UA → α.Ut UB → α.Ut - Khi t = 0 thì: UA → 2.Ut UB → 0 ??? Hình 2.25 Truyền sóng giữa hai môi trường có ghép điện cảm L L t T B 0u (t) U 1 e              A 2 2 1 2 2.U(p) U (p) I Z pL . Z pL Z Z pL       L t T1 A 0 1 2 2.Z u (t) U .e Z Z          max t 2B khi t 0 2.U .Zdu dt L       Page 39 Hình 2.26 Dạng sóng điện áp khúc xạ 2.4.5. Quy tắc sóng đẳng trị Quá trình truyền sóng trên đường dây có thể gặp nhiều nút có nhiều đường dây nối tham số tập trung. Các phần tử này có tổng trở sóng Z1, Z2, ,Z và dọc theo chúng có các dạng sóng bất kỳ u1x, u2x, .. truyền về phía điểm nút. Tại điểm nút có ghép phần tử Zx (tham số tập trung). Nếu giữa các phần tử này không phát sinh ngẫu hợp với nhau và qui ước chiều dòng điện đi về phía điểm nút là chiều dương thì có thể viết được: x 1x x1 2x x2 x mx xm u u u u u u u u       Với m=1÷n Gọi là phương trình mạch vòng n x mx xm m 1 i (i i )    n n n n mx xm mx x mx mx x x m 1 m 1 m 1 m 1m m m m m m u u u u u u u i 2 Z Z Z Z Z Z                                     Hay n mx m 1 mx xn n m 1 m 1m m u 2 Zi u 1 1 Z Z                          Hay: Zđt.ix + ux = 2.uđt Với đt n m 1 m 1 Z 1 Z   n đt đt mx m 1 m Z u .u Z         Trong đó: + ux là điện áp tại điểm nút x. + ix là dòng điện đi trong phần tử Zx. Page 40 Chú ý: để tính điện áp và dòng điện tại nút có nhiều đường dây nối vào một tham số tập trung thì có sơ đồ thay thế như sau: Zđt = Z1//Z2////Zm////Zn   n n đt đt mx m mx m 1 m 1m Z 2.u .u .u Z            là tổng các sóng khúc xạ tại điểm nút khi Zx = ∞. Hình 2.27 Mạch điện thay thế theo quy tắc sóng đẳng trị CHƯƠNG 3.BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 3.1. Khái niệm chung - Khi dòng tiên đạo phát triển từ trên mấy xuống thì ở phía đất sẽ tập trung điện tích trái dấu, trong trường hợp có thu lôi, dĩ nhiên điện tích này sẽ tập trung vào mũi thu lôi. Vì vậy trường ở đó tăng rõ rệt và sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của dòng tiên đạo. - Độ cao so với mặt đất mà từ đó phóng điện tiên đạo bắt đầu có xu hướng phát triển về hướng thu sét gọi là độ cao định hướng của sét (H). - Bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trở nối đất bé để việc tập trung điện tích cảm ứng phía mặt đất được dễ dàng và khi có dòng điện sét đi qua, điện áp trên các bộ phận thu sét sẽ không đủ để gây phóng điện ngược từ nó tới các công trình đặt gần. - Ta có: H = k.h Trong đó: Page 41 + H là độ cao định hướng (H = 300m đối với dây thu sét khi h > 30m và H = 600m đối với cột thu sét) + h là chiều cao cột thu lôi (h  30m) + k là hệ số tỷ lệ (k =10 đối với dây thu sét và k = 20 đối với cột thu sét). - Để công trình được bảo vệ an toàn, phải đạt điều kiện sao cho điện áp phóng điện từ điểm định hướng tới nó lớn hơn điện áp phóng điện đến cột thu sét hoặc tới mặt đất. Điều đó có nghĩa, công trình phải có độ cao thấp hơn và đặt gần cột thu sét. - Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi là phần không gian chung quanh thu lôi mà ở đó không bị sét đánh. 3.2. Mô hình phạm vi bảo vệ 3.2.1. Phương pháp xác định phạm vi bảo vệ của cột thu lôi bằng thực nghiệm - khi A=0 thì dĩ nhiên toàn bộ số lần sét đánh sẽ phóng vào cột thu lôi. - khi A tăng dần thì xác suất sét phóng xuống đất chung quanh cột thu lôi tăng lên. - Ở một cự ly A nhất định thì sét bắt đầu phóng cả xuống đất và vào cột thu lôi, gọi là khoảng cách tới hạn (Ath). - Khi A>Ath thì toàn bộ số lần sét đánh đều phóng xuống đất. - Do cột thu lôi làm biến dạng dòng tiên đạo nên ở cự ly Ath thì phóng điện sẽ hướng về vị trí cách cột thu lôi một khoảng r0 và r0<Ath (vì thu lôi có xu hướng lái đường tiên đạo về phía mình). Như vậy, ở ngay tại mặt đất thì cột thu lôi sẽ bảo vệ được một vòng tròn bán kính r0. - Khi A3,5h thì toàn bộ số lần phóng sét đều tập trung vào cột thu sét, khu vực này gọi là khu vực có xác suất 100% sét đánh vào cột. + A=3,5.H đối với cột thu sét. + A=2.h đối với dây thu sét. - Khi A>3,5h, một phần số lần phóng điện sẽ hướng về phía mặt đất, các phóng điện này lệch hẳn so với đường thẳng đứng và cách xa chân cột một khoảng lớn hơn hoặc bằng 1,6h. + B=1,6h đối với cột thu sét + B=1,2h đối với dây thu sét. - Vật có độ cao mặt đất (hx = 0) thì được bảo vệ trong phạm vi B. - Vật có độ cao hx thì có phạm vi bảo vệ là rx. Page 42 Hình 3.1 Mô hình xác định phạm vi bảo vệ của cột thu lôi bằng thực nghiệm Hình 3.2 Phạm vi bảo vệ rx của cột có chiều cao hx 3.3. Bảo vệ bằng cột thu sét 3.3.1. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét - Lấy một vật cao hx đặt cách cột thu lôi một khoảng cách rx, đây là bán kính bảo vệ của vật và có công thức: - Nếu cột thu lôi có độ cao h30m thì vùng bảo vệ giảm đi vì độ cao định hướng lấy không đổi và bằng 600m. rx(h30m) = rx(h<30m).p với: + khi thì + khi thì 5,5 p h  x 2 h h 3  x x h r 0,75h 1 h        x 2 h h 3   x x x 1,6 r h h h 1 h    x x h r 1,5h 1 0,8h        Page 43 Hình 3.3 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét 3.3.2. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét 3.3.1.1. Hai cột cùng chiều cao - Khoảng cách tới hạn của mỗi cột thu sét: Ath = 3,5h. Vì vậy nếu đặt hai cột cách nhau 7h thì mặt đất trên đường nối gốc của chúng sẽ được bảo vệ hoàn toàn. - Nếu hai cột đặt cách nhau a<7h thì ở điểm giữa hai gốc thu sét ta sẽ bảo vệ được độ cao h0 và 0 0 a a h h h h 7 7      - Xét vật có độ cao hx thì: x 0x 0 x 0 h 2 r 1,5.h 1 khi h h 0,8.h 3         x 0x 0 x 0 h 2 r 0,75.h 1 khi h h h 3         Chú ý: + khi h 30m thì 0 a h h 7   + khi h >30m thì 0 a h h 7.p   - Muốn vẽ phạm vi bảo vệ trong những mặt phẳng thẳng góc với trục gốc thì ta xem như có một cột thu sét giả tưởng và tính phạm vi bảo vệ giữa hai cột cho vật có độ cao hx. Page 44 Hình 3.4 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau 3.3.1.2. Hai cột có chiều cao khác nhau - Hai cột có độ cao h1 và h2 và khoảng cách giữa hai cột là a. -Tìm điểm cắt nhau của đường ngang mức h2 với đường bao của cột 1 (điểm D). Khi có điểm D ta vẽ một cung tròn như cho hai cột có độ cao bằng nhau (h2) và cách nhau một đoạn a’. + khi thì + khi thì Ta có: Hình 3.5 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao khác nhau 2 1 2 h h 3  ' 2 1 1 1 1 h O O 0,75h 1 h        ' 2 1 1 1 1 h O O 1,5h 1 h       2 1 2 h h 3  0 2 a ' h h 7   ' 1 1a ' a O O  Page 45 3.3.3. Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét - Khi bốn cột thu sét có đỉnh cùng nằm trên một đường tròn thì diện tích bên trong của các cột sẽ được bảo vệ hoàn toàn khi: D  8(h-hx) Với: D là đường kính vòng tròn đi qua đỉnh các cột h là độ cao cột thu sét hx là độ cao vật cần bảo vệ. Vật cần bảo vệ nằm trong tam giác mà đỉnh là 3 cột thu sét cao bằng nhau thì điều kiện bảo vệ là: D  8(h-hx) Hình 3.6 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét 3.4. Bảo vệ bằng dây thu sét - Nếu cực cao áp đặt cách trục của dây chống sét một khoảng 2h thì toàn bộ sét sẽ phóng vào dây chống sét. Do đó ở ngay trên mặt đất thì phạm vi được bảo vệ giữa hai dây chống sét là: a  4h trong đó: a là khoảng cách giữa hai dây chống sét h là độ cao treo dây chống sét. - Nếu muốn bảo vệ độ cao h0 nằm giữa hai dây chống sét thì điều kiện tối thiểu phải là: 0 a h h 4   - Trong thực tế dây chống sét thường dùng để bảo vệ dây dẫn của các đường dây tải điện, độ cao trung bình của chúng thường lớn hơn (2.h/3) nên ta có khái niệm góc bảo vệ α. - Thực tế để tăng mức an toàn của bảo vệ bằng dây chống sét người ta lấy α = 20÷250. Page 46 Hình 3.7 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét - Vì số lần sét đánh trên toàn bộ đường dây rất lớn, chỉ cần mức bảo vệ giảm xuống khoảng 10% thì trị số tuyệt đối số lần sét đánh liên tiếp vào dây điện cũng đã tăng lên nhiều (được bảo vệ bằng dây chống sét). Đối với đoạn được bảo vệ bằng cột thu sét thì do diện tích nhỏ nên rất ít khi sét đánh vào do đó với phần trăm hoàn toàn không đáng kể. - Góc bảo vệ giới hạn (αgh) hay αgh = 31 0. gh 0,6.h tg 0,6 h    Suy ra khi góc bảo vệ α < αgh thì vật nằm trong phạm vi bảo vệ. - Công thức về xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây điện (vα) như sau: Chlg v 4 90     Trong đó α có đơn vị là độ và hC có đơn vị là mét [m]. 3.5. Khoảng cách an toàn trong không khí và trong đất trong lưới điện phân phối - Vật cần bảo vệ bắt buộc phải nằm trong phạm vi bảo vệ của cột thu sét, song nó không được nằm gần cột quá vì có thể bị phóng điện từ các phần của cột thu sét sang. + nếu điện áp điểm A lớn thì có thể gây phóng điện trong không khí + nếu điện áp điểm B lớn thì có thể gây phóng điện trong đất. Hình 3.8 Khoảng cách an toàn trong không khí và đất Page 47 - Chúng ta cần xác định khoảng cách trên không Sk và trong đất Sđ giữa cột thu sét và vật bảo vệ sao cho không xảy ra phóng điện. - Điện áp tại điểm A: xh S A S đ C di U I .R L dt   Trong đó: + IS là biên độ dòng điện sét (lấy khoảng 150kA) + là điện cảm tính đến độ cao hx của thiết bị được bảo vệ. + L0 là điện cảm đơn vị của cột thu sét (L0 = 1,7μH/m) + S di a dt  là độ dốc dòng sét (a = 30 kA/μs) Ta có: kS kkA pđ pđ kU U E .S  Với 3.5.1 Để không xảy ra phóng điện trong không khí thì: kS A pđU U Hay: S đ 0 x kI .R L .h .a 500.S  Hay: S đ 0 xk I .R L .h .a S 500   3.5.2 Để không xảy ra phóng điện giữa hai hệ thống nối đất thì: Trong đó điện áp phóng điện giữa hai hệ thống nối đất là đS S đ B pđI .R U U  S đ đI .R 300.S Với đ pđE 300kV / m là cường độ điện trường chọc thủng của đất. Hay: Chú ý: + thông thường khoảng cách tối thiểu trong máy biến áp: Sk  5m và Sđ  3m + nếu điện trở nối đất lớn thì ta phải chọn các cách trên + khi mạng có điện áp cấp 110kV thì theo điều kiện không phóng điện qua máy biến áp + khi mạng có điện áp cấp 35kV thì theo khoảng cách an toàn trong không khí và trong đất. S đ đ I .R S 300  xh C 0 xL L .h kk pđE 500kV / m S đ 0 x kI .R L .h .a 500.S  Page 48 CHƯƠNG 4.THIẾT BỊ CHỐNG SÉT 4.1.Yêu cầu đối với thiết bị chống sét - Thiết bị chống sét là thiết bị được ghép song song với thiết bị điện để bảo vệ chống quá điện áp khí quyển. - Khi xuất hiện quá điện áp thì nó sẽ phóng điện trước làm giảm trị số quá điện áp đặt trên cách điện của thiết bị và khi hết quá điện áp thì nó sẽ tự động dập tắt hồ quang của dòng điện xoay chiều, phục hồi trạng thái làm việc bình thường. - Các điều kiện: + có đặc tính Vôn-giây nằm thấp hơn đường đặc tính Vôn-giây của cách điện. Với cùng một điện áp U thì thời gian phóng điện của chống sét nhỏ hơn thời gian phóng điện của thiết bị nên thiết bị chống sét phóng trước. + có mức điện áp dư thấp hơn so với mức cách điện của thiết bị được bảo vệ. Sau khi phóng điện, điện áp trên thiết bị chống sét (điện áp dư) sẽ tác dụng lên cách điện của thiết bị. Hình 4.1 Đặc tính VS của thiết bị chống sét và thiết bị được bảo vệ Nếu điện áp này lớn vẫn có thể gây nguy hiểm cho thiết bị điện. Đối với khe hở bảo vệ và chống sét ống, giảm điện áp dư chủ yếu là giảm điện trở của bộ phận nối đất (điện áp dư có trị số Rxk.IS), còn ở chống sét van – song song với việc giảm trị số điện trở không đường thẳng, phải hạn chế dòng điện qua nó không lớn quá trị số qui định (5kA hoặc 10kA) để điện trở vilit không bị quá nóng và duy trì được mức điện áp tương đối ổn định. Hạn chế dòng điện qua chống sét van chủ yếu là dựa vào các biện pháp bảo vệ ở đoạn đường dây tới trạm. thiêt bi du 50%U U + có khả năng tự dập tắt nhanh chóng hồ quang của dòng điện xoay chiều. Khi có quá điện áp, thiết bị chống sét làm việc (phóng điện) để tản dòng điện sét xuống đất đồng thời cũng tạo nên ngắn mạch chạm đất. Như vậy, khi hết quá điện áp phải nhanh chóng dập hồ quang của ngắn mạch chạm đất trước khi bộ phận bảo vệ rơle làm việc để hệ thống điện được tiếp tục vận hành an toàn. + thiết bị chống sét không được làm việc khi có quá điện áp nội bộ. Yêu cầu này được thực hiện bằng cách điều chỉnh khoảng cách khe hở phóng điện của thiết bị chống sét (vì quá điện áp nội bộ tồn tại lâu dài nên nhiệt lượng lớn và phá hỏng cách điện). Page 49 - Các loại thiết bị chống sét: + khe hở phóng điện (chống sét sừng): không có bộ phận dập hồ quang và đặc tính vôn-giây dốc (chỉ dùng với điện áp thấp) + chống sét ống: có bộ phận dập hồ quang và đặc tính vôn-giây dốc. + chống sét van: có đặc tính vôn-giây bằng phẳng. 4.2. Thiết bị chống sét ống 4.2.1. Cấu tạo - Phần chính của thiết bị chống sét kà ống làm bằng vật liệu sinh khí, chất phibro bakêlit (PTФ) hoặc chất dẻo viliplast (loại PTB), một đầu ống có nắp kim loại giữ điện cực thanh còn đầu kia hở và đặt điện cực hình xuyến. - Khe hở S1 gọi là khe hở trong hoặc khe hở dập hồ quang. Khe hở S2 gọi là khe hở ngoài và có tác dụng cách ly thân ống với đường dây để nó không bị hư hỏng do dòng điện rò. + Phibro-bakelit: vật liệu sinh khí là phibro bọc ngoài là giấy bakelit có quét sơn chống ẩm để đảm bảo độ bền. Do sinh khí không tốt nên có buồng dự trữ khí ở đầu. + Viniplast: khả năng sinh khí tốt nên không cần buồng dự trữ khí, không cần hút ẩm nên không cần quét sơn chống ẩm. Hình 4.2 Cấu tạo chống sét ống 4.2.2. Nguyên lý làm việc - Khi có điện áp thì cả hai khe hở sẽ phóng điện, dòng điện sét đi qua chống sét đi vào bộ phận nối đất. Sau khi hết dòng điện xung kích thì sẽ có dòng điện tần số công nghiệp tức là dòng điện ngắn mạch chạm đất đi qua chống sét. Dưới tác dụng của hồ quang dòng điện ngắn mạch, chất sinh khí sẽ bị phát nóng và sản sinh nhiều khí, áp suất khí có thể lớn tới hàng chục atm và thổi tắt hồ quang (thổi ở phía đầu hở của ống) ngay khi dòng điện xoay chiều qua trị số không đầu tiên. - Đặc tính vôn-giây phụ thuộc vào khoảng cách khe hở trong và ngoài của chống sét và dạng giống như của khe hở bảo vệ. Sau khi phóng điện, điện áp dư trên chống sét là phần điện áp giáng trên bộ phận nối đất, do đó ở các nơi đặt chống sét ống cần được nối đất tốt. Page 50 - Độ dài của khe hở ngoài S2 được chọn theo điều kiện phối hợp cách điện (phối hợp về đặc tính vôn-giây giữa chống sét với cách điện được bảo vệ) và có thể điều chỉnh trong một phạm vi nhất định còn của khe hở trong thì quyết định bởi khả năng dập hồ quang. - Để có thể dập được hồ quang, trong ống cần phải có đủ khí, điều này phụ thuộc vào trị số của dòng điện hồ quang (dòng điện phải đủ lớn). Bởi thế phải có qui định về giới hạn dưới của dòng điện, nếu dòng điện bé quá trị số này sẽ không đủ khả năng dập hồ quang. Ngược lại dòng điện xoay chiều cũng không được quá lớn vì có thể tạo nên áp suất cao phá hoại ống nên cần có thêm giới hạn trên của dòng điện hồ quang. Hình 4.3 Tác dụng bảo vệ của chống sét ống 1. Đặc tính VS 2. Điện áp trên chống sét ống 3. Sóng tới - Thay đổi khoảng cách ống S1 và đường kính trong của ống sinh khí sẽ làm thay đổi các giới hạn của dòng điện. - Khi đặt chống sét ống ở bất kỳ điểm nào trong lưới điện, cần phải kiểm tra dòng điện ngắn mạch chạm đất tại điểm đó để đảm bảo chống sét có thể tự dập tắt được hồ quang mà không hư hỏng. Khi chống sét làm việc nhiều lần thì chất sinh khí sẽ bị hao mòn, thân ống sẽ rỗng hơn, lượng khí sinh ra sẽ không đủ đẻ dập tắt hồ quang, và khi đường kính trong của thân ống tăng quá 20÷25% so với trị số ban đầu thì chống sét xem như mất tác dụng. - Chú ý: khi làm việc chống sét ống có thải khí bị ion hóa do đó khi lắp chống sét trên cột phải sao cho khí thoát ra không gây nên phóng điện giữa các pha hoặc phóng điện xuống đất, muốn thế trong phạm vi thoát khí của nó phải không có dây dẫn của pha khác, không có các kết cấu được nối đất cũng như phạm vi thoát khí của chống sét ống ở các pha khác. 4.2.3. Ứng dụng - Dùng để bảo vệ chống sét cho các đường dây không chống sét vì trường giữa các điện cực phân bố rất không đồng đều, điện áp phóng điện tăng cao khi thời gian phóng điện bé khiến cho đường đặc tính vôn-giây dốc do đó không thể phối hợp được tốt với đường đặc tính vôn- giây của các thiết bị điện trong trạm. Page 51 - Khó khăn là phải đảm bảo trị số dòng điện ngắn mạch chạm đất tại điểm đặt chống sét nằm trong phạm vi giữa hai giới hạn trên và dưới của dòng điện cắt nên đã hạn chế sử dụng rộng rãi. - Ví dụ: Ký hiệu với (P) là chống sét; (T) là ống; (Ф) là phibro; (110) là cấp điện áp 110kV; (5) là giới hạn trên của dòng điện; và (0,8) là giới hạn dưới của dòng điện. Hình 4.4 Sơ đồ cấu tạo và tác dụng bảo vệ của chống sét ống Hình 4.5 Chống sét ống PT-110kV và chống sét ống loại PTB 4.3. Thiết bị chống sét van 4.3.1.Cấu tạo - Phần chính là chuỗi khe hở phóng điện ghéo nối tiếp với các tấm điện trở làm việc (điện trở không đường thẳng). 4.3.1.1 Điện trở không đường thẳng - Chế tạo bằng vật liệu vilit có thể duy trì được mức điện áp dư tương đối ổn định khi dòng điện tăng. 110 PT 5 0,8   Page 52 - Chế tạo từ loại bột cacborun (SiC), mặt ngoài hạt cacborun có màng mòng SiO2 (dày 10-5cm), điện trở suất của bản thân các hạt cacborun không lớn (10-2.cm) và ổn định nhưng điện trở của màng mỏng phụ thuộc vào cường độ điện trường, Khi cường độ trường bé, điện trở suất của màng mỏng khoảng 104÷106.cm nhưng khi trường tăng cao nó sẽ giảm rất nhanh và điện trở tổng của vilit giảm tới mức điện trở của hạt cacborun. - Trong các tấm vilit, hạt bột được dính bằng keo thủy tinh lỏng sau đó được nung nóng ở nhiệt độ vài trăm độ Hình 4.6 Sự thay đổi giá trị điện trở theo điện áp của điện trở không đường thẳng 4.3.1.2. Khe hở phóng điện - Sự làm việc của chống sét van bắt đầu từ việc chọc thủng các khe hở phóng điện và kết thúc bằng việc dập tắt hồ quang của dòng điện kế tục cũng ngay tại các khe hở này. - Dùng chuỗi gồm nhiều khe hở ghép nối tiếp nhau để tăng tính đồng nhất và khả năng dập hồ quang. + về phương diện điện thì có thể coi như một chuỗi điện dung tương tự sơ đồ của chuỗi cách điện. Điện áp xung kích phân bố không đều dọc theo chuỗi sẽ làm cho quá trình phóng điện kế tiếp xảy ra nhanh chóng trên tất cả các khe hở. Do đó trị số điện áp phóng điện có thể giảm tới mức ổn định (điện áp phóng điện một chiều hoặc xoay chiều) hoặc còn thấp hơn và đường đặc tính vôn-giây sẽ có dạng tương đối bằng phẳng. Trong từng khe hở, điện cực dùng các tấm đồng cách ly bởi vòng đệm mica dày 1mm. Điện trường giữa các điện cực đạt được mức gần đồng nhất. - Khi có điện áp, trong khe khí giữa điện cực và lớp mica có trường tăng (do hệ số điện môi của khí bé hơn so với của mica) nên quá trình ion hóa xuất hiện sớm, nó có tác dụng cung cấp điện tử khoảng không gian giữa các điện cực, Các yếu tố này tạo điều kiện cho quá trình phóng điện dễ dàng và làm cho đường đặc tính vôn-giây đạt được dạng phẳng ngang. - Vòng đệm mica dùng để kích thích phóng điện (điện trường E lớn) nên đặc tính vôn- giây phẳng. Page 53 Hình 4.7. Khe hở phóng điện 4.3.2. Nguyên lý làm việc - Khi tản dòng điện sét sẽ có dòng điện ngắn mạch duy trì bởi nguồn điện áp xoay chiều (ngắn mạch qua điện trở làm việc) đi qua chống sét van, dòng điện này gọi là dòng điện kế tục. Khi cho tác dụng điện áp lớn, nhưng khi có quá điện áp, vilit thể hiện điện trở rất bé do đó dòng điện sét được tản trong đất dễ dàng nhanh chóng, ngược lại ở điện áp làm việc thì điện trở tăng cao do đó hạn chế tro=ị số dòng điện kế tục (trị số  80A), tạo điều kiện thuận lợi cho việc dập hồ quang ở chuỗi khe hở. - Tính chất: cho qua dòng điện lớn khi điện áp lớn và ngăn cản dòng điện khi điện áp bé mà loại chống sét này gọi là chống sét van. - Trên điện trở phi tuyến duy trì điện áp dư tương đối thấp khi dòng điện tăng: U = A.Iα Trong đó: A là điện trở của tấm khi dòng điện thông qua nó bằng 1A và α là hệ số van (càng bé thì điện áp dư trên nó sẽ tăng càng chậm khi dòng điện tăng). - Trong giai đoạn dập tắt hồ quang, vì dòng điện cùng pha với điện áp nên khi dòng điện kế tục qua trị số không thì hồ quang tắt, lúc này sẽ kết thúc quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt cực âm, cách điện của khe hở được phục hồi nhanh chóng và nếu nó vượt quá trị số điện áp khôi phục (điện áp xoay chiều tần số công nghiệp) thì hồ quang sẽ không cháy lại. Hình 4.8 Điện áp dư trên chống sét van. Trong đó: A là điện trở của tấm khi dòng điện thông qua nó bằng 1A và α là hệ số van (càng bé thì điện áp dư trên nó sẽ tăng càng chậm khi dòng điện tăng). - Trong giai đoạn Page 54 dập tắt hồ quang, vì dòng điện cùng pha với điện áp nên khi dòng điện kế tục qua trị số không thì hồ quang tắt, lúc này sẽ kết thúc quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt cực âm, cách điện của khe hở được phục hồi nhanh chóng và nếu nó vượt quá trị số điện áp khôi phục (điện áp xoay chiều tần số công nghiệp) thì hồ quang sẽ không cháy lại. 4.3.3. Các loại chống sét van 1 Loại bình thường - Dùng cho các trạm biến áp và được chế tạo theo các cấp điện áp đến 35kV. - Khi dùng ở điện áp cao hơn sẽ ghép nối cấp bằng nhiều phần tử có điện áp định mức 15, 20, 33 và 35kV. - trong cấu tạo, từng cặp bốn khe hở được ghép với nhau và đặt trong ống sứ thành một tổ khe hở tiêu chuẩn. Mỗi tổ được ghép song song với một điện trở (cũng chế tạo bằng cacborun) để cho sự phân bố điện áp xoay chiều giữa các tổ trong chuỗi được đều đặn. - Các tấm vilit được gắn với nhau bằng chất dính loại gốm và để có tiếp xúc tốt, trên bề mặt các tấm được tráng bột kim loại. 2 Loại PBП - Có điện áp định mức từ 3÷10kV dùng để bảo vệ trạm biến áp và trạm phân phối công suất bé. - Không có ghép điện trở song song, năng lực thông qua dòng điện kém do các tấm có đường kính bé. 3 Loại PBBM - Dùng để bảo vệ máy điện quay. - Có thêm điện dung ghéo song song với một phần của chuỗi khe hở. - Điện áp dư của chống sét có trị số thấp hơn so với chống sét PBC do điện trở vilit được chọn loại có đặc tính van tốt nhất. - Có thêm điện dung để tăng phân bố không đều kích thích phóng điện làm đặc tính vôngiây phẳng và có điện áp dư thấp. 4 Chống sét van từ - Dùng từ trường để dập hồ quang. - Khe hở gồm hai cực đồng tâm và được đặc trong từ trường của nam châm vĩnh cửu. - Xuất hiện ion hóa trong kẽ không khí giữa điện cực và lớp đệm để cung cấp điện tử cho quá trình phóng điện. - Dưới tác dụng của từ trường, hồ quang giữa các điện cực sẽ di chuyển với tốc độ lớn dọc theo khe hở vòng xuyến do đó dễ bị thổi tắt và sau khi hồ quang tắt cường độ các điện của khe hở được phục hồi nhanh chóng. 5 Chống sét van không khe hở Page 55 - Cấu tạo của nó chiếm 99,9% ZnO; 0,05% Bi2 O và 0,05% MnO2 - Đặc tính vôn-ămpe là: U = A.Iα Trong đó: + với chống sét van có khe hở thỉ: α = 0,18÷0,24 + với chống sét van không có khe hở thì: α = 0,02÷0,03 + A phụ thuộc vào điện áp của hệ thống điện + Bình thường ở điện áp định mức thì ZnO SiC ro roI I Nên có thể nói thẳng vào hệ thống để gọn, nhẹ, đơn giản trong việc chế tạo. Điều quan trọng là không phải trang bị cho dập tắt hồ quang dòng điện tần số cao nên vận hành đơn giản. Page 56 CHƯƠNG 5.NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 5.1. Khái niệm chung - Tác dụng của nối đất là để tản dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các vật được nối đất. - Có 3 loại nối đất: + Nối đất an toàn (bảo vệ): có nhiệm vụ bảo đảm an toàn cho người khi cách điện bị ư hỏng. Thực hiện nối đát an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thường không mang điện (vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, ). Khi cách điện bị hư hỏng, trên các bộ phận này sẽ có xuất hiện điện thế nhưng do đã được nối đất nên giữ được mức điện thế thấp do đó đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc với chúng. + Nối đất làm việc: đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã được qui định sẵn (nối đất điểm trung tính máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường và của kháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây tải điện đi xa). + Nối đất chống sét: nhằm tản dòng điện sét trong đất (khi có sét đánh vào cột thu sét hoặc trên đường dây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trân thân cột không quá lớn do đó hạn chế được phóng điện ngược tới công trình cần bảo vệ. - Bất kỳ loại nối đất nào cũng đều có các điện cực chôn trong đất và được nối với vật cần nối đất. Điện cực thường dùng là loại cọc chôn thẳng đứng hoặc thanh dài đặt nằm ngang trong đất. - Khi có dòng điện đi vào bộ phận nối đất và nếu tốc độ biến thiên của dòng điện theo thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu điện cảm sẽ ngăn cản khoogn cho dòng điện đi tới các bộ phận cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều trong thời gian về sau ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp sẽ phân bố đều hơn. Thời gian của quá trình quá độ trên: T ≡ Lgl2 - Khi dòng điện tản trong đất là dòng điện sét mà hằng số thời gian T « τđs thì khi dòng điện đạt trị số cực đại quá trình quá độ đã kết thúc và nói đát thể hiện như một điện trở tản (dùng cọc hoặc thanh ngang có chiều dài không lớn lắm ) và được gọi là nối đát tập trung. - Nếu điện cực dài, hằng số thời gian T có thể đạt tới mức τđs và tại thời điểm dòng điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ chưa kết thúc và nối đất thể hiện như một tổng trở Z có trị số rất lớn so với trị số điện áp tản và gọi là nối đất phân bố dài. - Điện trở tản của nối đất phụ thuộc và kích thước hình học, cách bố trí điện cực và phụ thuộc đặc tính dẫn điện của đất biểu thị bởi trị số điện trở suất của nó. + Điện trở xoay chiều (R~ hoặc R): dùng trong các tính toán về nối đất làm việc và nối đất an toàn. + Điện trở tản xung kích (Rxk) có trị số thấp hơn so với điện trở tản xoay chiều (đối với nối đất chống sét, vì mật độ dòng điện sét tản trong đất rất lớn, trường tăng cao và dẫn đến quá Page 57 trình phóng điện trong đất tương đương với việc tăng kích thước điện cực và tăng điện dẫn của đất) 5.2. Điện trở nối đất xoay chiều 5.2.1 Hệ thống nối đất đơn giản đ đ đ U R I  5.2.1.1 Cực bán cầu chôn sát mặt đất Dòng điện chạm đất I đi qua nơi sự cố sẽ tạo lên điện áp giáng trên bộ phận nối đất: U = I.R với R là điện trở tản của nối đất. Ta có: Trên dx ta có: Khi x tăng thì U(x) giảm Hình 5.1 Cực bán cầu chôn sát mặt đất 5.2.1.2 Cực chôn trong đất Độ chôn sâu: h = 0,5÷1m Chiều dài cọc: l = 2÷3m Thép tròn có: d = 60mm Thép góc: 50×50×5mm 60×60×6mm Điện trở của cọc: Trong đó: đ 2 I J(x) 2 x   E(x) J(x).  đ 2 I dU E(x).dx . .dx 2 x     đ đ 2 x x I I . U(x) (x) ( ) dU . .dx 2 x 2 x               đ đ 0 0 I . U U(r ) 2 r     đ đ 0 0 I . U U(r ) 2 r     đ đ đ 0 U R I 2 r     2 1 4t R ln ln 2 d 2 4t                   l l l l tt .K t h 2      l Page 58 Hình 5.2 Cực chôn trong đất 5.2.1.3. Thanh ngang Độ chôn sâu: h = 0,5÷1m Thép tròn có: d = 20mm Thép dẹt có chiều dài và rộng: a = 0,5÷1cm b = 4÷5cm 2 C K.L R ln 2 h.d        l Điện trở tản (điện trở nối đất của cọc) Trong đó: + + K là hệ số hình dáng, phụ thuộc vào sơ đồ của nối đất + d là đường kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn. Nếu dùng sắt dẹt trị số d thay bằng b/2 (b là chiều rộng của sắt dẹt) + t là độ chôn sâu + L là chiều dài tổng của điện cực (nếu là mạch vòng sẽ lấy bằng chu vi) Hình 5.3 Thanh ngang 5.2.2. Hệ thống nối đất tổ hợp Khi dùng các hình thức nối đất đơn giản trên không đạt được yêu cầu về trị số điện thế tản thì phải dùng hình thức nối đất tổ hợp gồm nhiều cọc chôn dọc theo chiều dài tia hoặc dọc theo chu vi mạch vòng. Hiệu quả nối đất giảm do ảnh hưởng lẫn nhau giữa các điện cực. Xét hệ thống gồm 2 điện cực hình bán cầu: tt mt.K   Page 59 Hình 5.4 Hệ thống nối đất tổ hợp Nếu khoảng cách a đủ lớn thì các điện trường của chúng sẽ không ảnh hường lẫn nhau và dòng điện ở mỗi điện cực được lẫn trong đất đồng đều theo mọi phương hướng. Khi điện cực đặt gần nhau, dòng điện từ điện cực I không thể đi vào phần đất bên phải của mặt phẳng AB. Tình hình dẫn điện ở điện cực II cũng vậy. Điện áp của mỗi điện cực được xác định bằng điện áp của bản thân điện cực khi có dòng điện (I/2) đi qua và điện áp gây lên bởi điện trường của điện cực kia đặt cách xa khoảng cách a. Từ đó có điện trở tản của hệ thống nối đất gồm hai điện cực hình bán cầu: Hệ số sử dụng là tỷ lệ giữa hai trị số điện trở tản của nối đất khi có và không có xét đến ảnh hưởng lẫn nhau giữa các điện cực. Trong hệ thống gồm 2 điện cực hình bán cầu: ' ht nc tR R / /R ' t t t R R   Nếu + Rt<< Rht thì n =0 + Rt> Rht thì cần tính n. 5.3. Tính toán nối đất chống sét Đề câp tới hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất: - Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực - Quá trình phóng điện trong đất ht 0 U 1 1 R I 4 r a          khônganh huong cóanh huong R 1 R    0 0ht ht R 2.2 r 12 rR R 1 a        C 2 1 4t R ln .ln 2 d 2 4t                   l l l l C t ht C t t C R .R R R . n.R .     Page 60 Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung) thì không cần xét quá trình quá độ mà chỉ cần xét đến quá trình phóng điện trong đất. Ngược lại, khi nối đất dùng hình thức phân bố dài (tia dài hoặc mạch vòng) thì đồng thời phải xét đến cả hai quá trình, chúng có các ảnh hưởng khác nhau đối với hiệu quả của nối đất. 5.3.1. Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung Giả thiết gần đúng về sự phát triển đồng đều của khu vực tia lửa điện lý tưởng mà mặt ngoài có điện trường E ≈ E0 (với E0 là cường độ điện trường phóng điện trong đất), điện cực có kích thước lấy bằng của khu vực tia lửa điện và được đặt trong vùng đất có trị số điện trở suất biểu thị: ρxk = ρ(1-K.E) Dạng sóng dòng điện được chọn theo dạng sóng xiên góc có biên độ I. Trị số điện trở tản được tính ở thời điểm t = τđs vì điện áp lúc này trên bộ phận nối đất có trị số lớn nhất. Rxk = Rxc.αxk Trong đó: + αxk là hệ số xung kích; αxk< 1 vì nối đất tập trung + αxk là phụ thuộc vào độ dài cọc, điện trở suất của đất và trị số dòng điện. (αxk có tác dụng và diễn biến như thế nào?) - Ảnh hưởng của l: độ dài càng lớn thì ảnh hưởng của điện cảm càng làm cho ta không sử dụng được phần dưới của cọc nối đất nên αxk tăng. - Ảnh hưởng của dòng điện j: trị số dòng điện càng lớn, điện trường trong đất càng tăng (E = j.ρ) vùng phóng điện càng có kích thước rộng và dẫn điện do đó αxk giảm. - Ảnh hưởng của ρ: điện trở suất của đất càng lớn thì hiện tượng phóng điện càng có ảnh hưởng mạnh tới sự thay đổi điện trở suất, do đó αxk giảm. 5.3.2. Nối đất phân bố dài Khi điện cực dài thì ta bỏ qua quá trình phóng điện trong đất. Hình 5.5 Nối đất phân bố dài Ta chỉ tính đến ảnh hưởng của điện cảm, chưa kể đến ảnh hưởng của hiện tượng phóng điện. Page 61 Trong đó: + l là chiều dài điện cực + r0 alf bán kính của tiết diện thanh điện cực (r0 = d/2) G0 = 1/(R.l) trong đó R là điện trở tản xoay chiều của đất Ta có: Hệ phương trình vi phân: 2 2 0 0 02 2 2 2 0 0 02 2 u i u u L G .L x t x t i u i i G L .G x t x t                            Điện áp tại điểm bất kỳ trên điện cực: k 1 T 1 2 k 1 k x 1 u(x, t) aR t 2T cos 1 e . k                      l Trong đó: 2 0 0 1 k 2 2 2 L G T T k k    l 2 0 0 1 2 L G T   l Suy ra, tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất: k 1 T1 xk 2 k 10 2Tu(0, t) 1 1 Z Z(0, t) = 1 1 e i(0, t) G t k                       l Như vậy, tổng trở của nối đất gồm có hai thành phần: trị số ổn định có trị số bằng trị số điện trở tản (xoay chiều) và thành phần cảm ứng biến thiên theo thời gian. + Tổng trở tiến tới trị số ổn định R càng nhanh khi chiều dài điện cực càng ngắn. + Chiều dài điện cực càng lớn thì điện áp ở đầu cuối càng bé, nên các phần ở xa của điện cực phát huy tác dụng kém. Chú ý: + Khi x = 0 thì i(0,t) = at + Khi x = l thì i(l,t) = 0 Trong đó: 0 0 L 0,2.ln 0,31 ( H / m) r         l xk u(0, t) u(0, t) Z Z(0, t) i(0, t) a.t    Page 62 và chỉ lấy đến Với t = τđs = 5μs thì Tk 1,25 và 1 2 T 1,5 k  thì 1 T k 1, 25  5.4. Lựa chọn các phương án nối đất hợp lý - Bộ phận nối đất có trị số điện trở tản càng bé sẽ càng thực hiện được tốt nhiệm vụ tản dòng điện trong đất và giữ được mức điện thế thấp trên các vật được nối đất. - Cần chọn sao cho hợp lý về kinh tế và kỹ thuật 5.4.1. Nối đất an toàn - Được chọn sao cho các trị số điện áp bước và điện áp tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không vượt quá giới hạn cho phép. - Thời gian tác dụng của điện áp giảm thì điện áp chịu đựng của người sẽ tăng lên, điều này cho phép giảm nhẹ yêu cầu đối với nối đất an toàn trong các thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất lớn (I > 500A) vì thời gian tồn tại của ngắn mạch rất ngắn và quyết định bởi thời gian tác động của rơle. - Quy định: (giải thích tại sao thông qua môn an toàn điện, nghiên cứu lại để có giải thích đúng) + Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất (dòng điện ngắn mạch chạm đất lớn) thì trị số điện trở nối đất cho phép: Rnđ ≤ 0,5Ω với U ≥ 110kV + Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách đất (dòng điện ngắn mạch bé) thì: đ 250 R ( ) I   với U  35kV và IN< 500A đối với các thiết bị nối đất thì chỉ dùng cho thiết bị phía cao áp. + Đối với thiết bị nối đất dùng cho cả phía cao áp và hạ áp thì: + Khi trong lưới điện không đặt cuộn dập hồ quang thì dòng điện I sẽ là dòng điện chung của toàn lưới: Với C là điện dung của pha đối với đất. Tại trạm có đặt cuộn dập hồ quang thì dòng điện tính toán của nối đất sẽ bằng 125%Iđm của cuộn dập hồ quang. k t 4 T  đ đ 125 R ( ) I R 10( )     phaI 3.U . .C  kt /T 2 k 1 e k    2 2 k 1 1 k 6     Page 63 Chú ý: Khi có bù dòng điện điện dung, dòng điện tính toán I sẽ là dòng điện dư (phần chưa được bù với giả thiết trong lưới đã cắt cuộn dập hồ quang CSL và trong mọi trường hợp dòng điện này đều lớn không quá 30A. Tại trạm có đặt cuộn dập hồ quang thì dòng điện tính toán của nối đất sẽ bằng 125%Iđm của cuộn dập hồ quang.Chú ý: Khi có bù dòng điện điện dung, dòng điện tính toán I sẽ là dòng điện dư (phần chưa được bù với giả thiết trong lưới đã cắt cuộn dập hồ quang CSL và trong mọi trường hợp dòng điện này đều lớn không quá 30A 5.4.2 Nối đất chống sét Thường gặp là nối đất của cột thu sét, cột điện và nối đất của hệ thống thu sét ở trạm biến áp và nhà máy điện. Do bộ phận nối đất của cột thu sét và cột điện thường được bố trí độc lập (không có liên hệ với các bộ phận khác) nên cần sử dụng hình thức nối đất tập trung để có hiệu quả tản dòng điện tốt nhất. 5.4.2.1 Nối đất cột điện Khi sét đánh vào đường dây, phần điện áp giáng trên bộ phận nối đất cột điện chiếm tỷ lệ khá lớn trong toàn bộ điện áp tác dụng lên cách điện đường dây, do đó nếu nối đất có trị số điện trở tản bé sẽ hạn chế được khả năng phóng điện ngược tới dây dẫn, đảm bảo vận hành an toàn. Khi đường dây đi qua vùng đất ẩm nên tận dụng phần nối đất có sẵn của móng và chân cột bê tông để bổ sung hoặc thay thế cho phần nối đất nhân tạo (ρ ≤ 3.104 Ωcm). Tiêu chuẩn nối đất cột điện:  104.cm thì RC 10 104< 5.104.cm thì RC 15 5.104< 105.cm thì RC 20 > 105.cm thì RC 30 5.4.2.2 Nối đất cho trạm biến áp Khi bộ phận thu sét đặt ngay trên xà trạm thì phần nối đất chống sét buộc phải nối chung với mạch vòng nối đất can toàn của trạm, như vậy sẽ gặp trường hợp nối đất phân bố dài, tổng trở xung kích Zxk có thể lớn gấp nhiều lần so với trị số điện trở tản xoay chiều làm tăng phần điện áp giáng trên bộ phận nối đất và có thể gây lên phóng điện ngược tới các phần mang điện của trạm. Do đó việc thực hiện nối đất chung (giữa nối đất chống sét và nối đất an toàn) thường chỉ được tiến hành ở các trạm biến áp 110kV và điện áp cao hơn vì có trị số điện trở tản của mạch vòng nối đất an toàn bé (R ≤ 0,5Ω) và có mức cách điện cao. Page 64 Ngoài ra cần bổ sung: ở các chỗ đi vào đất của hệ thống thu sét có đóng thêm cọc, không đặt bộ phận thu sét trên xà máy biến áp, khoảng cách theo mạch dẫn điện trong đất từ chỗ nối đất của máy biến áp tới chỗ nối đất của hệ thống thu sét phải từ 15m trở lên. Để cải thiện nối đất của trạm, thường kép dây chống sét dùng bảo vệ đường dây vào tận xà trạm. 5.4.2.3 Nối đất tự nhiên Khi thực hiện nối đất cần tận dụng các hình thức nối đất có sẵn, các đường ống (ống nước, vỏ cáp) các các kết cấu kim loại của công trình điện trong đất, móng bê tông cốt thép: RHT = RTN//RNT Page 65 CHƯƠNG 6.BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 6.1. Đường dây tải điện 6.1.1. Yêu cầu chung Đường dây là phần tử dài nhất trong lưới nên thường bị sét đánh và chịu tác dụng của quá điện áp khí quyển. Quá điện áp khí không những chỉ gây nên phóng điện trên cách điện đường dây mà còn truyền song vào trạm biến áp gây sự cố phá hoại cách điện trong trạm nên đoạn đường gần trạm (đoạn tới trạm) phải được bảo vệ cẩn thận vì khi sét đánh ở khu vực này sẽ đưa vào trạm các quá điện áp với tham số lớn, rất nguy hiểm cho cách điện của trạm. Quá điện áp khí quyển có thể là do sét đánh thẳng lên đường dây hoặc sét đánh xuống mặt đất gần đó và gây nên quá điện áp cảm ứng trên đường dây. Do trị số của quá điện áp khí quyển rất lớn nên không thể chọn mức cách điện đường dây đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp khí quyển mafchir chọn theo mức độ hợp lý về kinh tế - kỹ thuật. Với độ cao treo dây trên cùng trung bình (dây dẫn hoặc

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdf05200005_3593_1984559.pdf