ĐỒ án tốt NGHIÊP̣ TÍNH TOÁN THIẾT kế BẢO vê CHỐNG SÉT CHO ̣ TRẠM BIẾN áp VÀ ĐƯỜNG dây 220110kv

DANH MỤC CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢNh0 Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột r0x Bán kính bảo vệ của 2 cột thu sét có cùng độ x Bán kính bảo vệ của 2 cột thu sét khác độ cao Mét m

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

- -ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 220/110kV

LỜI CAM ĐOAN

Tôi, , cam đoan những nội dung trong đồ án này là do tôi thực hiện dưới sựhướng dẫn của Các số liệu và kết quả trong đồ án là trung thực và chưa được công bốtrong các công trình khác Các tham khảo trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng têntác giả, tên công trình, thời gian và nơi công bố Nếu không đúng như đã nêu trên, tôihoàn toàn chịu trách nhiệm về đồ án của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 20

NGƯỜI CAM ĐOAN

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến - Khoa Kỹ thuật điện - trường Đại họcĐiện Lực, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học ĐiệnLực nói chung, các thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Điện nói riêng đã dạy dỗ cho emkiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được

cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điềukiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thànhkhoá luận tốt nghiệp

Hà Nội, ngày tháng năm 20

SINH VIÊN

.

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

T

1 Hình thức trình bày

2 Đồ án thực hiện đầy đủ các nội

dung của đề tài

3 Các kết quả tính toán

4 Thái độ làm việc

5 Tổng thể

Các ý kiến khác:

Hà Nội, ngày tháng năm 20

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐÁNH GIÁ CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM

T

1 Hình thức trình bày

2 Đồ án thực hiện đầy đủ các nội

dung của đề tài

3 Các kết quả tính toán

4 Kỹ năng thuyết trình

5 Trả lời câu hỏi

6 Tổng thể

Các ý kiến khác:

Hà Nội, ngày tháng năm 20

MỤC LỤC

PHẦN I: TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀ NỐI

ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 1

CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 1

1.1 Hiê ̣n tượng dông sét 1

1.1.1 Nguyên nhân hình thành dông sét 1

1.1.2 Tình hình, diễn biến dông sét tại Viê ̣t Nam 4

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến hê ̣ thống điê ̣n Viê ̣t Nam 5

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM BIẾN ÁP 7

2.1 Tổng quan về trạm 7

2.2 Các yêu cầu kỹ thuâ ̣t chung 8

2.3 Các yêu cầu kỹ thuâ ̣t 8

2.3.1 Phạm vi bảo vê ̣ của cô ̣t thu sét 8

2.3.2 Phạm vi bảo vê ̣ của dây thu sét 13

2.4 Đề xuất phương án 14

2.4.1 Phương án I 14

2.4.2 Phương án II 15

2.5 Tính toán chi tiết từng phương án 16

2.5.1 Phương án I 16

2.5.1.1 Tính toán chiều cao cô ̣t 16

2.5.1.2 Tính toán phạm vi bảo vê ̣ của cô ̣t thu sét 19

2.5.2 Phương án II 22

2.5.2.1 Tính đô ̣ võng của dây chống sét và chọn chiều cao cô ̣t đỡ dây 22

2.5.2.2 Tính phạm vi bảo vê ̣ 24

2.6 Kết luâ ̣n 29

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 30

3.1 Mở đầu 30

3.2 Yêu cầu kỹ thuật 30

3.3 Lý thuyết tính toán nối đất 32

3.3.1 Nối đất an toàn 32

3.3.2 Nối đất tự nhiên 33

3.3.3 Nối đất nhân tạo 33

3.3.4 Nối đất chống sét 34

3.4 Tính toán nối đất 36

3.4.1 Nối đất tự nhiên 36

3.4.2 Nối đất nhân tạo 37

3.4.3 Nối đất chống sét 39

3.6 Kết luận 51

CHƯƠNG 4: BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 52

4.1 Mở đầu 52

4.2 Chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây 52

4.2.1 Cường độ hoạt động của sét 52

4.2.2 Số lần sét đánh vào đường dây 52

4.2.3 Số lần phóng điện do sét đánh vào đường dây 53

4.2.4 Số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây 54

4.2.5 Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng 55

4.3 Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây 55

4.3.1 Mô tả đường dây cần bảo vệ 55

4.3.2 Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây 56

4.3.3 Tính số lần sét đánh vào đường dây 60

4.3.4 Suất cắt do sét đánh vào đường dây 60

4.3.5 Chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện 80

4.4 Kết luận 80

PHẦN II: CHUYÊN ĐỀ TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI

ĐIỆN VÀO TRẠM BIẾN ÁP 81

A KHÁI NIỆM CHUNG 81

B CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP TRÊN CÁCH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ KHI CÓ SÓNG TRUYỀN VÀO TRẠM 81

I Phương pháp lặp bảng 81

I.1 Nội dung phương pháp 81

I.1.1 Quy tắc Petersen 82

I.1.2 Quy tắc sóng đẳng trị 83

I.1.3 Xác định điện áp trên điện dung 84

I.1.4 Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van 86

I.2 Sơ đồ tính toán 89

II Trình tự tính toán 89

II.1 Thiết lập phương pháp tính điện áp các nút trên sơ đồ rút gọn 92

II.2 Các đặc tính cách điện tại các nút cần bảo vệ 97

C KẾT LUẬN 99

KẾT LUẬN CHUNG 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC 103

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Biến thiên của dòng điê ̣n sét 3

Hình 1-2 Xác suất đô ̣ dốc trung bình của dòng điê ̣n sét 3

Hình 1-3 Dạng đầu sóng của dòng điê ̣n sét 4

Hình 1-4 Dạng sóng theo hàm số mũ 4

Hình 2-1 Sơ đồ tổng quan mă ̣t bằng trạm biến áp 7

Hình 2-2 Phạm vi bảo vê ̣ của mô ̣t cô ̣t thu sét 9

Hình 2-3 Phạm vi bảo vê ̣ của hai cô ̣t thu sét có đô ̣ cao giống nhau 10

Hình 2-4 Phạm vi bảo vê ̣ của hai cô ̣t thu sét có đô ̣ cao khác nhau 11

Hình 2-5 Phạm vi bảo vê ̣ của nhiều cô ̣t thu sét 12

Hình 2-6 Phạm vi bảo vê ̣ của mô ̣t dây thu sét 13

Hình 2-7 Phạm vi bảo vê ̣ của hai dây thu sét 14

Hình 2-8 Sơ đồ bố trí cô ̣t thu sét phương án I 14

Hình 2-9 Sơ đồ bố trí cô ̣t đỡ và dây thu sét phương án II 15

Hình 2-10 Sơ đồ mô tả phạm vi bảo vê ̣ phương án I 21

Hình 2-11 Sơ đồ mô tả phạm vi bảo vê ̣ phương án II 28

Hình 3-1 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất 35

Hình 3-2 Sơ đồ đẳng trị thu gọn 35

Hình 3-3 Đồ thị hệ số hình dáng K 38

Hình 3-4 Đồ thị dạng sóng của dòng điện sét 40

Hình 3-5 Hình thức nối đất bổ sung 47

Hình 3-6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ ηt = f(n) 49

Hình 4-1 Đồ thị η = f(Elv) 54

Hình 4-2 Kết cấu của cột điện 55

Hình 4-3 Sơ đồ xác định hệ số ngẫu hợp 58

Hình 4-4 Sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét 61

Hình 4-5 Đồ thị Ucđ(a,t) 64

v

Hình 4-6 Đồ thị miền nguy hiểm khi sét đánh vào khoảng vượt 65

Hình 4-7 Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét 66

Hình 4-8 Sơ đồ thay thế mạch dẫn dòng điện khi chưa có sóng phản xạ 68

Hình 4-9 Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện sét khi có sóng phản xạ 69

Hình 4-10 Đồ thị biểu diễn Ucđ(a,t) và f(a,t) trường hợp sét đánh vào đỉnh cột 77

Hình II-1 Sơ đồ truyền sóng giữa hai nút 82

Hình II-2 Sơ đồ thay thế Petersen 82

Hình II-3 Sơ đồ nút có nhiều đường dây nối vào 83

Hình II-4 Sơ đồ thay thế Petersen xác định điện áp trên điện dung 84

Hình II-5 Đồ thị điện áp trên tụ điện theo phương pháp tiếp tuyến 85

Hình II-6 Đặc tính V-A của chống sét van 87

Hình II-7 Sơ đồ thay thế Petersen cho chống sét van 87

Hình II-8 Đồ thị xác định U(t), I(t) của chống sét van từ đặc tính V-A 88

Hình II-9 Sơ đồ nguyên lý của trạm biến áp 89

Hình II-10 Sơ đồ thay thế trạng thái đầy đủ 90

Hình II-11 Sơ đồ thay thế trạng thái nguy hiểm nhất 90

Hình II-12 Sơ đồ rút gọn 91

Hình II-13 Quy tắc momen lực 91

Hình II-14 Sơ đồ tính điện áp nút 1 93

Hình II-15 Sơ đồ tính điện áp nút 2 94

Hình II-16 Sơ đồ tính điện áp nút 3 95

Hình II-17 Sơ đồ tính điện áp nút 4 96

Hình II-18 Đồ thị điện áp tại nút máy biến áp 97

Hình II-19 Đồ thị dòng điện qua chống sét van 98

Hình II-20 Đồ thị điện áp tại nút thanh góp 98

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Bảng chiều cao cô ̣t tính toán phương án I 18

Bảng 2-2 Kết quả tính toán phạm vi bảo vê ̣ các că ̣p cô ̣t biên phương án I 21

Bảng 2-3 Bảng thông số tính toán đô ̣ võng cho từng khoảng vượt 23

Bảng 2-4 Phạm vi bảo vê ̣ ở vị trí thấp nhất của các cô ̣t phía 220kV 25

Bảng 2-5 Kết quả tính toán phạm vi bảo vê ̣ giữa các cô ̣t đỡ phương án II 28

Bảng 2-6 Bảng so sánh 2 phương án 29

Bảng 3-1 Bảng hệ số hình dáng của hệ thống nối đất 38

Bảng 3-2 Bảng tính chuỗi nối đất chống sét 41

Bảng 3-3 Bảng thông số tỉ số a l 45

Bảng 3-4 Bảng tính chuỗi nối đất mạch vòng thanh cọc 46

Bảng 3-5 Hệ số sử dụng của thanh khi nối cọc theo dãy 49

Bảng 3-6 Bảng tính toán giá trị B = k 1 k B    .50

Bảng 4-1 Bảng xác suất hình thành hồ quang η = f(Elv). 54

Bảng 4-2 Giá trị Ucđ(a,t) tác dụng lên chuỗi sứ 63

Bảng 4-3 Đặc tính phóng điện của chuỗi sứ 64

Bảng 4-4 Bảng cặp thông số (ti,ai) trường hợp sét đánh vào khoảng vượt 64

Bảng 4-5 Đặc tính xác suất phóng điện trường hợp sét đánh vào khoảng vượt 66

Bảng 4-7 Kết quả tính các giá trị Ucd(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột 78

Bảng 4-8 Các giá trị của I = ai.ti trường hợp sét đánh vào đỉnh cột 79

Bảng 4-9 Đặc tính xác suất phóng điện vpđ 79

Bảng II-1 Điện áp chịu đựng của máy biến áp theo thời gian 97

Bảng II-2 Đặc tính V-S của thanh góp 98

Bảng II-3 Bảng tính toán sóng truyền tại các nút 103

vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN

h0 Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột

r0x Bán kính bảo vệ của 2 cột thu sét có cùng độ

x Bán kính bảo vệ của 2 cột thu sét khác độ cao Mét (m)

D Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giáchình thành bởi các cột thu sét Mét (m)

RCS Điện trở tác dụng của dây chống sét trên một

Rxk Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung Ω

L0 Điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài µH/m

G0 Điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài 1/Ω.m

U50% MBA Điện áp 50% của máy biến áp kV

ix

fcs Độ võng của dây chống sét Mét (m)

, ,

tb

A B C

h Độ treo cao trung bình dây dẫn pha A, B, C Mét (m)

ZA,B,C Tổng trở sóng của dây dẫn pha A, B, C Ω

, ,

vq

A B C

k Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn

pha A, B, C có xét ảnh hưởng của vầng quangđiện

Vα Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào

dây dẫn

Vpd Xác suất xảy ra phóng điện trên cách điện

đường dây

Η Xác suất hình thành hồ quang

( )

dd

cu tu

U t Thành phần điện áp cảm ứng từ xuất hiện do

β Hệ số vận tốc của dòng điện sét

n Suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vòng

kv

n Suất cắt điện do sét đánh vào khoảng vượt Lần/100km/năm

n Suất cắt điện do sét đánh vào đỉnh cột Lần/100km/năm

xi

PHẦN I: TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

VÀ NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY

CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN

HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

Nghiên cứu dông sét và các biện pháp bảo vệ chống sét đã có một lịch sử lâudài, những hệ thống thiết bị áp dụng những thành tựu tiên tiến, đảm bảo phòngchống sét một cách hữu hiệu, an toàn, đáp ứng được nhu cầu thực tiễn đòi hỏi Tuynhiên dông sét là hiện tượng tự nhiên: mật độ, thời gian và cường độ hoạt độngmang tính ngẫu nhiên Vì vậy trong nghiên cứu chống sét vẫn còn tồn tại một sốvấn đề

1.1 Hiê ̣n tượng dông sét

1.1.1 Nguyên nhân hình thành dông sét

* Nguyên nhân hình thành dông sét:

Vào thời điểm giao mùa, thường xuyên hơn có sự gặp nhau và cạnh tranhgiữa 2 luồng không khí (front) nóng ẩm và lạnh Vùng giao thoa giữa 2 luồng khôngkhí này chính là nơi xảy ra giông, đây cũng là địa điểm tập trung sét Vì thế, nhữngnơi xảy ra hiện tượng tập trung giông, sét với mật độ cao trong một thời gian nhấtđịnh thực chất là đang có sự hoạt động mạnh mẽ của 2 luồng không khí nóng ẩm vàlạnh Việt Nam là một nước nằm trong vùng nhiệt đới, đất nước trải dài trên nhiều

vĩ tuyến, có sự phân tách khí hậu rõ rệt giữa các miền

Dông là hiện tượng khí quyển liên quan với sự phát triển mạnh mẽ của đốilưu nhiệt và các nhiễu động khí quyển, nó thường xảy ra vào mùa hè là thời điểm

mà sự trao đổi nhiệt giữa mặt đất và không khí rất lớn Những luồng không khínóng mang theo hơi nước bay lên đến một độ cao nào đấy và nguội dần, lúc đó hơinước tạo thành những giọt nước nhỏ hay gọi là tinh thể băng chúng tích tụ trongkhông gian dưới dạng những đám mây Trái đất càng bị nóng thì không khí nóngcàng bay lên cao hơn, mây càng dày hơn đến một lúc nào đó thì các tinh thể băngtrong mây sẽ lớn dần và rơi xuống thành mưa Mây càng dày thì màu của nó càngđen hơn Sự va chạm của các luồng khí nóng đi lên và các tinh thể băng đi xuốngtrong đám mây sẽ làm xuất hiện các điện tích mà ta gọi là đám mây bị phân cựcđiện hay đám mây tích điện Các phần tử điện tích âm có khối lượng lớn nên nằmdưới đáy đám mây còn các phần tử điện tích dương nhẹ hơn nên bị đẩy lên phần

Như vậy trong bản thân đám mây đã hình thành một điện trường cục bộ củamột lưỡng cực điện và dưới tác dụng của điện trường cục bộ này các phần tử sẽ dichuyển nhanh hơn, điện tích được tạo ra nhiều hơn và điện trường càng mạnh hơn

Quá trình này tiếp diễn cho đến lúc điện trường đạt giá trị tới hạn và gây raphóng điện nội bộ trong đám mây mà ta gọi là chớp

* Quá trình phóng điê ̣n của sét:

Sét là một trường hợp phóng điện tia lửa khi khoảng cách giữa các điện cựcrất lớn (trung bình khoảng 5km) Quá trình phóng điện của sét giống như quá trìnhxảy ra trong trường không đồng nhất Khi các lớp mây được tích điện (khoảng 80%

số trường hợp phóng điện sét xuống đất diện tích của mây có cực âm tính) Tới mức

độ có thể tạo nên cường độ lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất Giaiđoạn này gọi là giai đoạn phóng điện tiên đạo và dòng gọi là tia tiên đạo

Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng điện đầu tiênkhoảng 1,5.107 cm/s, của các lần sau nhanh hơn và đạt tới 2.108 cm/s (trong một đợtsét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau trung bình là ba lần)

Tia tiên đạo là môi trường plasma có điện dẫn rất lớn Đầu tia nối với mộttrong các trung tâm điện tích của lớp mây điện nên một phần điện tích của trungtâm này đi vào trong tia tiên đạo và phân bố có thể xem như gần đều dọc theo chiềudài tia Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tíchkhác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tuỳ thuộc vào tình hình dẫn điện của đất.Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì địa điểm này nằm ngay ở phía dưới đầu tiatiên đạo Trường hợp mặt đất có nhiều nơi điện dẫn khác nhau thì điện tích trong đất

sẽ tập trung về nơi có điện dẫn cao

Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tiatiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất vì ở đây cường độ trường có trị sốlớn nhất và như vậy là địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn Tính chấtchọn lọc của phóng điện đã được vận dụng trong việc bảo vệ trống sét đánh thẳngcho công trình

* Các thông số chính của sét:

Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét Hiện nay đã tích luỹđược khá nhiều số liệu thực nghiệm về tham số này (đo bằng thỏi sắt từ hoặc bằngmáy hiện sóng cao áp)

Kết quả đo lường cho thấy biên độ dòng điện sét (Is) biến thiên trong phạm virộng từ vài kA tới hàng trăm kA và được phân bố theo quy luật thực nghiệm sau:

trong đó: - Vi : xác suất xuất hiê ̣n sét có biên đô ̣ dòng điê ̣n ≥ is;

Quy luật này cũng được biểu thị trên đường cong ở Hình 1-1

ds : đô ̣ dài đầu sóng)

Hình 1-1 Biến thiên của dòng điê ̣n sét

Xác suất đô ̣ dốc trung bình của dòng điê ̣n sét

Hình 1-2 Xác suất đô ̣ dốc trung bình của dòng điê ̣n sét

Dạng sóng có đầu sóng xiên góc ở (hình 3) dùng khi quá trình cần xét xảy ra

ở đầu sóng hoặc trong các trường hợp mà thời gian diễn biến tương đối ngắn so với

độ dài sóng Trong các trường hợp này sự giảm dòng điện sau trị số cực đại không

độ Ngược lại khi quá trình xảy ra trong thời gian dài (t >>Tds) như khi tính toán vềhiệu ứng dòng điện sét có thể không sét đến giai đoạn đầu sóng và dạng sóng tínhtoán được chọn theo dạng hàm số mũ (hình 4).

Hình 1-3 Dạng đầu sóng của dòng điê ̣n sét

* Cường đô ̣ hoạt đô ̣ng của sét:

Cường độ hoạt động của sét được biểu thị bằng số ngày có dông sét hàngnăm (Nng.s) hoặc tổng số thời gian kéo dài của dông sét trong năm tính theo thời gian(Ng.s) Theo số liệu thống kê của nhiều nước, số ngày sét hàng năm ở vùng xích đạokhoảng 100  150 ngày, vùng nhiệt đới từ 75  100 ngày, vùng ôn đới khoảng 30 

50 ngày

- Mâ ̣t đô ̣ sét:

+ Là số lần có sét đánh trên diện tích 1km2 trên mặt đất ứng với 1 ngày sét

1.1.2 Tình hình, diễn biến dông sét tại Viê ̣t Nam

Việt Nam là một nước khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, hoạt động của dông sét cócường độ mạnh Thực tế sét đã gây nhiều cản trở đến đời sống, xã hội con người

Theo đề tài KC-03-07 của Viện Năng lượng, số ngày dông sét trên miền Bắcnước ta thường dao động trong khoảng từ 70÷100 ngày và số lần dông từ 150÷300lần, vùng dông sét nhiều nhất trên miền Bắc là vùng Tiên Yên - Móng Cái Tại đâyhàng năm có từ 250÷300 lần Tập trung trong khoảng từ 100÷110 ngày Thángnhiều dông nhất là các tháng 7, 8 có tới 25 ngày/tháng Nơi ít dông nhất miền Bắc làvùng Quảng Bình, hàng năm chỉ có khoảng 80 ngày dông

Nhìn chung ở Bắc bộ mùa dông tập trung trong khoảng từ tháng 5 tháng 6, ởphía Tây của Trung Bộ và Bắc Bộ mùa dông tương đối sớm hơn Bắt đầu vào tháng

4 quá trình diễn biến của mùa dông thường có xê dịch trong khoảng tháng 5, tháng

6 là nhiều nhất Ở miền Nam cũng khá nhiều dông, hàng năm trung bình quan sátđược từ 40-50 ngày (đến 100 ngày tuỳ nơi) khu vực nhiều dông nhất là vùng Đồngbằng Nam Bộ, số ngày dông hàng năm trung bình lên tới 120÷140 ngày (Sài Gòn:

138 ngày, Hà Tiên: 129 ngày)

Ở Bắc Bộ chỉ có khoảng trên dưới 100 ngày Mùa đông ở Nam Bộ từ tháng 4tháng 9 trừ tháng 11 có số ngày dông trung bình 10 ngày/1 tháng Còn suốt 6 thángtừ tháng 5÷11 mỗi tháng đều quan sát được trung bình từ 15÷20 ngày dông

Ở Tây Nguyên, trong mùa đông thường chỉ 2-3 tháng số ngày dông đạt tới1÷5 ngày Đó là các tháng 4, 5, 9 Tháng cực đại (tháng 5) trung bình quan sát đượcchừng 15 ngày dông

Qua khảo sát số liệu ở trên ta thấy rằng tình hình dông sét trên 3 miền khácnhau nhưng có những vùng lân cận nhau, mật độ dông sét tương đối giống nhau Đểtổng kết tình hình dông sét ở Việt Nam một cách hệ thống qua kết quả nghiên cứucủa đề tài KC-03-07 người ta đã lập được bản đồ phân vùng dông trong đó nêu rõtoàn thể lãnh thổ Việt Nam có thể phân thành 5 vùng 147 khu vực

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến hê ̣ thống điê ̣n Viê ̣t Nam

Đường dây truyền tải là phần tử chính trong hệ thống truyền tải và phân phốiđiện năng Công suất phụ tải tăng mạnh, kèm theo đòi hỏi ngày một cao về mặt chấtlượng điện năng thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của hệ thống điện Đặc trưngcủa hệ thống điện là dàn trải trong một không gian rộng lớn nên thường có nhiều sự

cung cấp điện phải đảm bảo sao cho xác suất xảy ra sự cố là thấp nhất đảm bảo cáctiêu chí về kinh tế - kỹ thuật Sự cố hay xảy ra nhất đối với những đường dây truyềntải điện ngoài trời là do sét đánh Khi sét đánh thường dẫn đến việc cung cấp vàtruyền tải điện năng không đảm bảo cũng như gây ra thiệt hại về kinh tế - xã hội vàtính mạng con người.

Do đường dây và trạm biến áp nằm ngoài trời có hệ thống nối đất nên cũngnhư những vật thể khác dễ bị sét đánh vào làm hư hại và gián đoạn việc cung cấpđiện năng Khi sét đánh thẳng và đường dây hoặc xuống đất gần với đường dây sẽsinh ra sóng điện từ truyền dọc theo đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lêncách điện của đường dây Do sét là dòng điện có cường độ lớn hơn rất nhiều so vớicác điện thiết kế của đường dây nên khi đó cách điện sẽ bị phá hủy, gây ra ngắnmạch pha-đất hoặc pha-pha, buộc các thiết bị bảo vệ rơle bảo vệ ở hai đầu đườngdây phải làm việc Với các đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy cóthể gây ra mất ổn định hệ thống điện, nếu hệ thống điện tự động ở các nhà máy điệnlàm việc không kịp để ứng phó với sự cố cố thi sẽ tạo ra tình trạng tan rã lưới điện.Sóng sét có thể truyền từ đường dây vào trạm biến áp hoặc đánh thẳng vào trạmbiến áp đều gây ra phóng điện trên cách điện trạm biến áp, điều này rất nguy hiểmnhư khi ngắn mạch trên thanh góp và rất dễ dẫn tới sự cố trầm trọng Ngoài ra khisóng sét lan truyền vào trạm biến áp mà chống sét van đầu cực máy biến áp làmviệc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp sẽ bị chọc thùng gây ra thiệt hại

vô cùng lớn

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng

hệ thống cột chống sét, dây thu sét Tác dụng của hệ thống này là tập trung điện tích

để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bêndưới hệ thống này Cột chống sét làm bằng sắt, bê tông hay cột gỗ

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào

hệ nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của bộphận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi

có dòng điện sét đi qua thì điện áp xuất hiện trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn đểgây phóng điện ngược đến các thiết bị khác gần đó Bởi vì khi có sét đánh vào bộphận chống sét thì trên đó có một điện áp dư, nếu điện áp dư này đủ lớn thì nó cóthể phóng điện qua các thiết bị khác lân cận Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệchống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế saocho hợp lý và đảm bảo về yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM BIẾN ÁP

2.1 Tổng quan về trạm

- Trạm có 2 cấp điê ̣n áp 220kV và 110kV

- Cấp 220kV có đô ̣ cao cần bảo vê ̣ là: 17 m

- Cấp 110kV có đô ̣ cao cần bảo vê ̣ là: 11 m

- Gồm 4 máy biến áp (2 máy 220kV & 2 máy 110kV)

- Trạm có 4 lô ̣ đường dây với tổng diê ̣n tích trạm là: 57630 (m2)

Mă ̣t bằng, sơ đồ bố trí tổng quan thiết bị trạm như hình vẽ sau:

Hình 2-1 Sơ đồ tổng quan mă ̣t bằng trạm biến áp

* Tại đây ta có nhà điều khiển được xây dựng kiên cố, chắc chắn nên không

2.2 Các yêu cầu kỹ thuâ ̣t chung

Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải được nằm trọn trong phạm vi an toàn của

hệ thống bảo vệ Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp mà hệthống các cột thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn của công trình như xà,cột đèn chiếu sáng hoặc được đặt độc lập

Khi đặt hệ thống cột thu sét trên bản thân công trình, sẽ tận dụng được độ caovốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của hệ thống thu sét Tuy nhiên điềukiện đặt hệ thống thu sét trên các công trình mang điện là phải đảm bảo mức cáchđiện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất bé

Đối với TBA ngoài trời từ 110 kV trở lên do có cách điện cao (khoảng cáchcác thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể đặt cột thu sét trên các kết cấucủa trạm Tuy nhiên các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào

hệ thống nối đất của TPP theo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện is khuyếch tánvào đất theo 3- 4 cọc nối đất Ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung đểcải thiện trị số điện trở nối đất nhằm đảm bảo điện trở không quá 4

Nơi yếu nhất của TBA ngoài trời điện áp 110 kV trở lên là cuộn dây MBA.Vậy dùng CSV để bảo vệ MBA thì khoảng cách giữa hai điểm nối đất vào hệ thốngnối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA theo đường điện lớn hơn 15m

Khi đặt cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình phải có khoảng cách nhấtđịnh, nếu khoảng cách này quá bé thì sẽ có phóng điện trong không khí và đất

Phần dẫn điện của hệ thống thu sét có phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảothoả mãn điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua

2.3 Các yêu cầu kỹ thuâ ̣t

2.3.1 Phạm vi bảo vê ̣ của cột thu sét

Cột thu sét là thiết bị dùng để thu sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũinhọn nhân tạo sau đó dẫn dòng điện sét xuống đất

Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào một điểmđịnh sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào đó trên công trình Cộtthu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét ( trong đó có vật cần bảo vệ), ít

có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ

a) Phạm vi bảo vê ̣ của một cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặtngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính được xác định bởi phương trình:

x x

trong đó: + h : đô ̣ cao của cô ̣t thu sét

+ hx : đô ̣ cao của vật cần bảo vê ̣+ h - hx = ha : đô ̣ cao hiê ̣u dụng của cô ̣t thu sét+ rx : bán kính của phạm vi bảo vê ̣

Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệdạng đơn giản hóa đường sinh của hình chóp có dạng đường gẫy khúc như hình vẽsau:

(2/3)h 0,8h

h x

(a) (b)

r x

Hình 2-2 Phạm vi bảo vê ̣ của mô ̣t cô ̣t thu sét

- Bán kính được tính theo công thức sau:

b) Phạm vi bảo vê ̣ của hai cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét kết hợp thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm

vi bảo vệ của 2 cột đơn Để hai cột thu sét có thể phối hợp được thì khoảng cách agiữa 2 cột phải thỏa mãn điều kiện a < 7h (h là chiều cao của cột)

* Hai cô ̣t có cùng đô ̣ cao

Xét Hai cột thu sét có độ cao h1 = h2 đặt cách nhau một khoảng a

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vi bảo

vệ của các cột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thìkhoảng cách a giữa hai cột phải thỏa mãn a ≤ 7h ( trong đó h là độ cao của cột thusét) Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của mộtcột Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm đỉnh cột

và điểm có độ cao h0 - độ cao bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột và được xácđịnh theo công thức sau:

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột

là r0x và được xác định theo công thức sau:

h x

(a) (b)

Hình 2-3 Phạm vi bảo vê ̣ của hai cô ̣t thu sét có đô ̣ cao giống nhau

* Hai cô ̣t có đô ̣ cao khác nhau

Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác địnhphạm vi bảo vệ được xác định như sau:

Vẽ phạm vi bảo vệ của cột thấp (cột 1) và cột cao (cột 2) riêng rẽ Qua đỉnhcột thấp vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3điểm này được xem là đỉnh của cột thu sét giả định Cột 1 và cột 3 hình thành đôicột có độ cao bằng nhau và bằng h1 với khoảng cách a’ Bằng cách giả sử vị trí x cóđặt cột thu lôi 3 có độ cao h1 Điểm này được xen như đỉnh cột thu sét giả định Taxác định được khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h1 là a’ và x như sau:

1

2 3

(Ta coi x là bán kính bảo vê ̣ của cô ̣t cao h2 cho cô ̣t thấp h1)

- Khi đó khoảng cách giữa cột thấp h1 và cột giả tưởng là: a’ = a - x

- Phần còn lại tính toán giống phạm vi bảo vệ cột 1

c) Phạm vi bảo vê ̣ của nhiều cột thu sét

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cột thulôi phải thỏa mãn:

a

(2.9)

trong đó: D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác bởi các chân cô ̣t

* Phạm vi bảo vê ̣ của 3 cô ̣t thu sét:

- Nhóm cô ̣t tam giác có 3 cạnh là a,b,c ta có:

2



* Phạm vi bảo vê ̣ của 4 cô ̣t thu sét: D  a2 b2

- Với a,b là đô ̣ dài hai cạnh hình chữ nhâ ̣t

- Như vâ ̣y đô ̣ cao hiê ̣u dụng của cô ̣t thu sét ha phải thỏa mãn điều kiê ̣n:

a

Dh8

 (2.11)

Hình 2-5 Phạm vi bảo vê ̣ của nhiều cô ̣t thu sét

rx1

r0x12

34

(a)(b)

2.3.2 Phạm vi bảo vê ̣ của dây thu sét

a) Phạm vi bảo vê ̣ của mô ̣t dây thu sét

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng Chiều rộng của phạm vi bảo

vệ phụ thuộc vào mức cao của hx được biểu diễn như sau:

0,6h

0,2h

0,8h h

ab

a'c

1,2h

2bx

Hình 2-6 Phạm vi bảo vê ̣ của mô ̣t dây thu sét

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự cột thusét ta có các hoành độ 0,6h và 1,2h

Khi độ cao lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p

b) Phạm vi bảo vê ̣ của hai dây thu sét

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữa hai dây thu sétphải thỏa mãn điều kiện S ≤ 4h

Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao h0:

1.2h 0.6h

h 0.8h

bx

h0

hx

Hình 2-7 Phạm vi bảo vê ̣ của hai dây thu sét.

2.4 Đề xuất phương án

2.4.1 Phương án I

Ta bố trí 14 vị trí đă ̣t cô ̣t chống sét đều nằm trong phạm vi trạm biến áp

- Các cô ̣t đô ̣c lâ ̣p:

+ Các cô ̣t đô ̣c lâ ̣p được đă ̣t ở vị trí: 1, 5, 11, 12

- Các cô ̣t kết hợp:

+ Các cô ̣t kết hợp 17m phía 220kV đă ̣t ở các vị trí: 2, 3, 4, 7, 8

+ Các cô ̣t kết hợp 11m phía 110kV đă ̣t ở các vị trí: 9, 10, 13, 14

- 5 dây có chiều dài 74 m

- Khoảng cách giữa các dây (từ trái sang phải) lần lượt là: 20m, 28m, 26m,28m

Hình 2-9 Sơ đồ bố trí cô ̣t đỡ và dây thu sét phương án II

2.5 Tính toán chi tiết từng phương án

2.5.1 Phương án I

2.5.1.1 Tính toán chiều cao cột

Để tính được độ cao tác dụng ha của các cột thu sét ta cần xác định đườngkính D của đường tròn ngoại tiếp các đa giác là có đỉnh là vị trí đặt các cột chốngsét kết hợp, cột độc lập Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi ba điểm hoặc bốnđiểm đó được bảo vệ thì phải thỏa mãn điều kiện:

trong đó: + D: Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác hoă ̣c tứ giác

+ ha: Đô ̣ cao tác dụng của cô ̣t thu lôiPhạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo vệ của

1 cột Điều kiện để hai cột thu lôi phối hợp được với nhau là:

a ≤ 7.htrong đó: + a: Khoảng cách giữa 2 cô ̣t thu lôi

+ h: Chiều cao toàn bô ̣ cô ̣t thu sét

* Xét nhóm cô ̣t thuô ̣c khu vực phía 220kV

 Đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác có hai cạnh góc vuông cóđỉnh (5,6,9) là chiều dài cạnh còn lại:

310,37

* Xét nhóm cô ̣t thuô ̣c khu vực phía 110kV

- Nhóm [9,10,13,14]

+ Nhóm cô ̣t tạo thành vuông với đô ̣ dài các cạnh là a = 74 m

 Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình vuông có đỉnh [9,10,13,14] là:

6513,08

Tính toán cho các nhóm cô ̣t còn lại và tổng kết kết quả tính trong bảng sau:

Bảng 2-1 Bảng chiều cao cô ̣t tính toán phương án I Nhóm cô ̣t Đa giác a (m) b (m) c (m) D (m) h a (m)

* Chọn đô ̣ cao tác dụng cho toàn trạm

Từ bảng tính toán độ cao hiệu dụng cho các nhóm cột thu sét, ta chọn độ caotác dụng cho toàn bộ cột của trạm như sau:

- Phía 220kV: ha-max = 11,78 (m) nên ta chọn ha = 12 (m)

 Đô ̣ cao cô ̣t thu sét: h = hx + ha = 17 + 12 = 29 (m)

- Phía 110kV: ha-max = 13,08 (m) nên ta chọn ha = 14 (m)

2.5.1.2 Tính toán phạm vi bảo vê ̣ của cột thu sét

Do các cột ta chọn có chiều cao nhỏ hơn 30m nên tính toán ta bỏ qua hệ sốhiệu chỉnh p

a) Phạm vi bảo vê ̣ của các cô ̣t thu sét

* Phạm vi bảo vê ̣ của các cô ̣t thu sét phía 220kV với h = 29 (m)

b) Phạm vi bảo vê ̣ của că ̣p cô ̣t biên

Do diện tích bên trong các cột đã được bảo vệ nên ta xét phạm vi bảo vệ củacác cặp cột biên dọc theo chu vi trạm

- Do a13-14 = 74 (m) < 7.h13 = 7.25 = 175 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo

vê ̣ giữa 2 cô ̣t là:

x x

* Kết hợp bảo vê ̣ của các cô ̣t từ 2 phía 110kV và 220kV

- Xét că ̣p cô ̣t [5-9] có đô ̣ cao khác nhau h5 = 29 (m) và h9 = 25 (m) được đă ̣tcách nhau a5-9 = 46 (m)

+ Xét bán kính bảo vê ̣ h9 cho cô ̣t h13:

 

5' 9 0[5' 9] 9

Tính tương tự cho các că ̣p cô ̣t còn lại ta có bảng sau:

Bảng 2-2 Kết quả tính toán phạm vi bảo vê ̣ các că ̣p cô ̣t biên phương án I

Hình 2-10 Sơ đồ mô tả phạm vi bảo vê ̣ phương án I

* Nhâ ̣n xét phương án I:

- Tất cả các thiết bị trạm đều nằm trong phạm vi bảo vê ̣, số liê ̣u tính toán thỏamãn yêu cầu kỹ thuâ ̣t

- Tổng chiều dài các cô ̣t thu sét là:

2.5.2.1 Tính độ võng của dây chống sét và chọn chiều cao cột đỡ dây

* Thông số dây chống sét C-70:

- Ứng suất cho phép: σcp = 31 (kG/mm2)

- Mô đun đàn hồi: E = 20.103 (kG/mm2)

- Hê ̣ số giãn nở: α =

6 0

112.10

C

  

- Nhiê ̣t đô ̣ ứng với trạng thái bão: bao  25 C0

- Nhiệt độ ứng với trạng thái nhiệt độ thấp nhất: min  5 C0

- Tải tổng hợp: g = 9,023.10-3 (kG/m.mm2)

- Kiểm tra điều kiê ̣n ta thấy l = 71 (m) < 150 (m) => Khoảng vượt l = 71 (m)

- Phương trình trạng thái ứng với θmin có dạng: σ3 - A.σ2 - B = 0

2 2

min 2

71 (9,023.10 ) 20.10

24.3125,84



Ta có phương trình: σ3 - 25,84.σ2 – 342,01 = 0 có nghiê ̣m σ = 26,34(kG/mm2)

Đô ̣ võng: Với khoảng vượt l = 71 (m)

Đô ̣ cao cô ̣t treo dây thu sét: hl = h + f = 27,5 + 0,22 = 27,72 (m)

Vâ ̣y ta chọn đô ̣ cao treo dây thu sét là h = 28 (m)

Tính toán với các khoảng vượt khác ta có bảng sau:

Bảng 2-3 Bảng thông số tính toán đô ̣ võng cho từng khoảng vượt