Bảo vệ chống sét trạm biến áp và đường dây

Xuất phát từ thực tế đó việc đảm bảo cho các trạm biến áp và đường dây truyền tải làm việc an toàn, không gặp sự cố, không gây gián đoạn cung cấp điện đặc biệt quan trọng.Nhằm hoàn thiện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên:

Khoa : ĐIỆN Ngành : HỆ THỐNG ĐIỆN

Lớp : Hệ Thống Điện K1 Hải Dương

+ Máy biến áp 2AT 110/220kV

220kV 5+ Điện trở suất của đất 80.m

Độ treo cao dây dẫn pha A………20,8m

Độ treo cao dây dẫn pha B………16,8m

Độ treo cao dây dẫn pha C………16,8m

- Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp

- Tính toán nối đất cho trạm biến áp

- Tính toán chỉ tiếu chống sét của đường dây 220kV

- Bảo vệ chống sóng truyền vào trạm biến áp từ phía đường dây

- Các kết quả tính toán bảo vệ trạm biến áp chống sóng truyền.

Nộp quyển Bảo vệ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ họ tên và ký tên) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Ngành: Hệ Thống Điện Khoá: 1 Hải Dương Giáo viên hướng dẫn: Giáo viên duyệt :

Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

1 Nhận xét của giáo viên :

Ngày tháng năm

Giáo viên duyệt

( Ký, ghi rõ họ và tên )

Lời nói đầu

Đất nước đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá, ngành điện giữ một vai trũ quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế quốc dân Trong cuộc sống điện năng rất cần cho phục vụ sản xuất và sinh hoạt Cùng với sự phát triển của xó hội đũi hỏi việc cung cấp điện phải đảm bảo liên tục và có chất luợng cao Xuất phát từ thực tế đó việc đảm bảo cho các trạm biến áp và đường dây truyền tải làm việc an toàn, không gặp sự cố, không gây gián đoạn cung cấp điện đặc biệt quan trọng.

Nhằm hoàn thiện kiến thức đó được học và bước đầu làm quen với thực tế em đó được khoa Điện và bộ môn Hệ Thống Điện

trường đại học Bách Khoa Hà Nội giao nhiệm vụ thiết kế tốt

nghiệp với đề tài: ”Bảo vệ chống sét cho đường dây và trạm biến

áp 110/220kV”

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tỡnh của các thầy, cô giáo trong bộ môn đặc biệt là trong suốt quỏ trỡnh hoàn thành đồ án.

Hµ néi th¸ng 6-2007

Sinh viªn

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 7

CHƯƠNG I 8

BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 8

1.1 Các yêu cầu: 8

1.2 Phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét: 9

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét 9

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét 14

1.3 Phương án bảo vệ của hệ thống thu sét: 15

1.3.1 Phương án 1 15

1.3.2 Phương án 2 19

1.3.3 Phương án 3 22

CHƯƠNG II 27

TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM 27

2.1 Yêu cầu kỹ thuật khi nối đất trạm biến áp 27

2.2- Các số liệu dùng để tính toán nối đất 29

2.2.1 Nối đất an toàn 30

2.2.2 Nối đất chống sét 34

2.2.3 Nối đất bổ sung 40

CHƯƠNG III 44

BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY 44

3.1 Mở đầu 44

3.2 Các chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây 45

3.2.1.Cường độ hoạt động của sét 45

3.2.4 Số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây 47

3.2.5 Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng 48

3.3 Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây 48

3.3.1 Mô tả đường dây cần bảo vệ 48

3.3.2 Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây 50

3.3.3 Tính số lần sét đánh vào đường dây 53

3.3.4 Suất cắt do sét đánh vào đường dây 54

CHƯƠNG IV 78

BẢO VỆ CHỐNG SÓNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY VÀO TRẠM 78

4.1 Mở đầu 78

4.2 Phương pháp tính toán quá điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm 79

4.2.1 Tác dụng của sóng bất kỳ lên điện trở phi tuyến đặt ở cuối đường dây 82

4.2.2 Sóng bất kỳ tác dụng lên chống sét van đặt cuối đường dây 84

4.2.3 Sóng bất kỳ tác dụng lên điện dung đặt cuối đường dây (phương pháp tiếp tuyến) 84

4.3.Tính toán bảo vệ khi có sóng quá điện áp truyền 86

4.3.1.Mô tả trạm cần bảo vệ 86

4.3.2 Lập sơ đồ thay thế tính toán trạng thái sóng của trạm 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

PHỤ LỤC 99

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong hệ thống điện trạm biến áp được dùng rất rộng rãi, làmnhiệm vụ truyền tải điện năng từ lưới điện có điện áp U1 sang lướiđiện có điện áp U2 phục vụ cho việc truyền tải và phân phối nănglượng điện Do vậy quá trình vận hành của trạm biến áp ảnh hưởnglớn tới việc cung cấp và chất lượng điện năng Bảo vệ chống sét trạmbiến áp bao gồm các phần:

+ Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp: các trạm biến áp được bảo vệbằng dây chống sét (treo trên các thiết bị và các xà đỡ dây, thanh cái)hoặc các cột chống sét kiểu Franklin

+ Mạng lưới nối đất: để tản dòng điện sét trong đất hạn chế cácphóng điện ngược trên các công trình cần bảo vệ

+ Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm.Yêu cầu đề ra là thiết kế chống sét cho trạm 110/220kV với sốliệu sau :

Sơ đồ: 110kV Sơ đồ hai thanh góp có thanh góp vòng

220kV Sơ đồ hai thanh góp có thanh góp vòng

Độ cao cần bảo vệ: 220kV là 16,5 m

110kV là 11 m

Đường dây vào trạm: 110kV 2

220kV 5

Điện trở suất của đất: 80 Ù.m

Sơ đồ mặt bằng, mặt cắt đi kèm

CHƯƠNG I BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 1.1 CÁC YÊU CẦU:

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

Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các yêu cầu cụ thể, hệthống các cột thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn như xà,cột đèn chiếu sáng hoặc được đặt độc lập

Khi đặt hệ thống cột thu sét trên kết cấu của trạm sẽ tận dụngđược độ cao vốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của cộtthu sét Tuy nhiên đặt hệ thống thu sét trên các thanh xà của trạm thìkhi có sét đánh sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất vàtrên một phần điện cảm của cột Phần điện áp này khá lớn và có thểgây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang các phần tử mang điện

khi cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu sét trên hệthống các thanh xà trạm là mức cách điện cao và điện trở tản của bộphận nối đất nhỏ.

Đối với trạm ngoài trời từ 110kV trở lên do có cách điện cao nên

có thể đặt cột thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối Các trụ củakết cấu trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đấtcủa trạm phân phối theo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện IS

khuyếch tán vào đất theo 3 - 4 cọc nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của kếtcấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất

Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngài trời điện áp 110kV trở lên

là cuộn dây của máy biến áp Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệmáy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối đất trong hệthống nối đất của cột thu sét và vỏ máy biến áp theo đường điện phảilớn hơn 15m

Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm ngoài trời 110kV trở lêncần chú ý nối đất bổ sung ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu sétvào hệ thống nối đất nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không đượcquá 4Ù

Khi dùng cột thu sét độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữacột thu sét đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từcột thu sét đến vật được bảo vệ

Việc lắp đặt các cột thu sét làm tăng xác suất sét đánh vào diệntích công trình cần bảo vệ, do đó cần chọn vị trí lắp đặt các cột thu sétmột cách hợp lý

Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính

ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu sét thì cácdây dẫn điện đến đèn phải được cho vào ống chì và chèn vào

1.2 PHẠM VI BẢO VỆ CỦA HỆ THỐNG THU SÉT:

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét.

Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng

để thu hút phóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọnnhân tạo sau đó dẫn dòng điện sét xuống đất

Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xácvào một điểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳnào trên công trình Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cộtthu sét (trong đó có vật cần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi làphạm vi bảo vệ

a Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập.

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạnbởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởiphương trình

) (

1

6 , 1

X X

h h





(1-1)Trong đó : h: độ cao cột thu sét

hX: độ cao cần bảo vệ

ha=h-hX: độ cao hiệu dụng cột thu sét

rX: bán kính của phạm vi bảo vệ

Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùngphạm vi bảo vệ dạng dạng đơn giản hoá đường sinh của hình chóp códạng đường gẫy khúc như hình sau:

Rx

0,2h a

b

c

0,8h h

Hình 1.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.

Bán kính được tính toán theo công thức sau:

h

h h

X   (1.2)

X   (1.3)

Các công thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dưới 30m Hiệu quảcủa cột thu sét cao trên 30m giảm đi do độ cao định hướng của sét giữhằng số Có thể dùng các công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệnhưng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh p5,h5 và trên hoành độ lấycác giá trị 0 , 75hpvà 1 , 5hp

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổngphạm vi bảo vệ các cột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thểphối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a 7h

(trong đó h là độ cao của cột thu sét) Phần bên ngoài khoảng cáchgiữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột Phần bên trongđược giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai đỉnh cột và điểm có

độ cao h0 - phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột được xácđịnh theo công thức:

7

0

a h

5 , 1

0 0

0

h

h h

x   (1.5)

0

h

h h

x   (1.6)

Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì có các hiệu chỉnh hệ

số p5,h5; trên hoành độ lấy các giá trị 0 , 75hpvà 1 , 5hp; khi đó h0 tính

7

0  

(1.7)

c Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.

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

Vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao (cột 1) và cột thấp (cột 2) riêng

rẽ Qua đỉnh cột thấp (cột 2) vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinhcủa phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh củamột cột thu sét giả định Cột 2 và cột 3 hình thành đôi cột có độ caobằng nhau và bằng h2 với khoảng cách a’ Bằng cách giả sử vị trí x cóđặt cột thu lôi 3 có độ cao h2 Điểm này được xem như đỉnh của một

cột thu sét giả định Ta xác định được các khoảng cách giữa hai cột cócùng độ cao h2 là a' và x như sau:

0,2h1

0,8h1 h1ho

1

2

h h

(1.8)

x a

a'  

(1.9)

Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ cột 1

d Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột thu sét (số cột >2).

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ caocủa cột thu lôi phải thoả mãn:

) )(

)(

( 4 2 2

c p b p a p p

abc R

Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật:

2

2 b a

D  (1.13)với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật

Độ cao tác dụng của cột thu sét ha phải thoả mãn điều kiện:

Hình1.4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ

nhật.

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét.

a Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng Chiều rộng củaphạm vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như sau :

1,2h

2bx

Hình1.5 : Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

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

2 , 1

h

h h

x   (1.16)

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

b Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữahai dây thu sét phải thoả mãn điều kiện S  4h

Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độcao h0

4

0

S h

h   (1.17)Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của mộtdây, còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm

là hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao h0

0,2h

0,8h hho

bx

Hình 1.6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

1.3 PHƯƠNG ÁN BẢO VỆ CỦA HỆ THỐNG THU SÉT:

1 2 3 4

14 15

20 19

17

13

16 18

1.3.1.2 Tính toán cho phương án 1

a) Tính độ cao tác dụng của cột thu sét:

Để tính được độ cao tác dụng ha của các cột thu sét ta cần xácđịnh đường kính D của đường tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác)qua ba (hoặc bốn) đỉnh cột Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tamgiác (hoặc bốn) đó được bảo vệ thì phải thoả mãn điều kiện : .

b(m)

D(m)

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=16.5 m và

b(m)

D(m)

15-16 35,80 29,30 46,26 5,7815-16-

17-18 35,80 24,70 43,49 5,43Nhóm

cột

a(m)

b(M)

c(m)

p(m)

D(m)

15 29,3 48,24 44,87 61,21 49,31 6,16

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=11m và

hmax=7,13m Ta chọn ha=7.5 m Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 110kV là :

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 23m.

11 1

.(

23 5 , 1

5 ,

23 75 , 0

5

11 1

c) Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên :

Ta ch xét ỉ xét đại diện các cột : đại diện các cột : i di n các c t : ện các cột : ột :

a'(m)

h'o(m)

20 19

17

13

16 18

Hình 1.8: Phạm vi bảo vệ phương án 1

1.3.1.4 Kết luận:

Tổng chiều dài : 12.(23-16.5)+2.(18.5-11)+6.18,5=197.5 m.

1.3.2 Phương án 2.

1.3.2.1 Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét.

Ta bố trí các cột thu sét như sau:

Phía 220kV đặt 9 cột:Sáu cột 1, 3, 4, 6, 7, 9 đặt trên xà ; 3 cột 2, 5,

a) Tính độ cao tác dụng của cột thu sét:

b(m)

D(m)

b(m)

D(m)

cột (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m)Tam

5 16 1 (

26 5 , 1

5

11 1

.(

26 5 , 1

11 1

.(

19 5 , 1

a'(m)

h'o(m)

r0x

(m)

hx=11m

1.3.2.3 Phạm vi bảo vệ của phương án 2:

11

15 2

3 35 5 16

4

h

Do dây thu sét bị võng nên độ cao của cột treo dây phải tínhđến độ võng của dây.

Độ võng của dây chống sét là f=4 m

Vậy độ cao cột treo dây thu sét : h1 h f  25 33  4  29 33 (m)

Chọn độ cao của cột thu sét la h1= 29.5 (m)

Phía 110kV đặt 3 cột:

Khoảng cách giửa các dây thu sét là:S36=35.3 m;S6 10=43.15 m

Để bảo vệ toàn bộ xà trong trạm thì 21 79 ( )

4

15 43 11 4

2 5

5 , 29 8 , 0

5 16 1

.(

5 29 2 ,

11 1

.(

5 , 29 2 ,

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai dây:

68 20 4

3 35 5 , 29 4

2 5

5 , 25 8 , 0

5 16 1

.(

5 , 25 2 ,

11 1

.(

5 , 25 2 ,

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai dây:

) ( 67 , 16 4

3 35 5 , 25 4

11 1

( 26 2 ,

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai dây:

21 , 15 4

15 , 43 26 4

Tại vị trí thấp nhất:

) ( 22 4 26

11 1

.(

22 2 ,

11 1

.(

5 , 29 5 , 1

5 16 1

.(

5 , 29

11 1

.(

26 5 , 1

a(m)

Cặp cột Độ cao

cột(m)

a(m)

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM 2.1 YÊU CẦU KỸ THUẬT KHI NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP.

Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúcvới dòng điện (hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất Nhiệm vụcủa nối đất là tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện thế trênvật nối đất có trị số bé Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trongviệc bảo vệ quá điện áp Tuỳ theo nhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thốngnối đất được chia làm ba loại

Nối đất làm việc.

Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết

bị, hoặc một số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độlàm việc đã được quy định sẵn

+ Nối đất điểm trung tính máy biến áp

+ Hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất

+ Nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dùngtrong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện