Đồ án tốt nghiệp ngành hệ thống điện NGUYEN QUANG TIEN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁPDANH SÁCH HÌNH Hình 1-1: Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét.. TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆ

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

LỜI NÓI ĐẦU

Với bất kỳ một quốc gia nào sự phát triển và phát triển bền vững là hết sức quan trọng Đặc biệt trong bối cảnh nước ta hiện nay vấn đề này càng cần được quan tâm nhiều hơn nữa Để đảm bảo được điều này thì ngoài hàng loạt chính sách xã hội đồng bộ vấn đề an ninh năng lượng là một trong những ưu tiên hàng đầu trong đó có điện năng

Đường dây, trạm biến áp là phần tử chính trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng Công suất phụ tải tăng mạnh, kèm theo sự đòi hỏi ngày một càng cao chất lượng điện năng thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của hệ thống điện Đặc trưng của hệ thống điện là dàn trải trong một không gian rộng lớn nên thường xuyên có sự

cố xảy ra đối với chúng Khi thiết kế đường dây truyền tải điện, trạm biến áp thì để đảm bảo sự an toàn của hệ thống, độ tin cậy cung cấp điện phải đảm bảo sao cho xác suất xảy ra sự cố là thấp nhất đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật Sự cố hay xảy ra nhất đối với đường dây truyền tải điện ngoài trời là do sét đánh Khi bị sét đánh thường dẫn đến việc cung cấp và truyền tải điện năng cùng với thiệt hại lớn về kinh tế,

xã hội và tính mạng con người…

Để đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định thì vấn đề bảo vệ cho hệ thống điện có một vị trí vô cùng quan trọng trong đó có bảo vệ trạm biến áp

Trong phạm vi khuôn khổ đồ án này em tiến hành làm một số nhiệm vụ sau:

Phần I: Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm cắt 220kV

Phần II: Chuyên đề tính toán sóng truyền từ đường dây tải điện 220kV vào trạm

Tuy đã có cố gắng nhưng do thời gian và hiểu biết của em có hạn nên trong đồ

án không tránh khỏi những sai sót, em mong được sự góp ý và sự chỉ bảo thêm của các thầy, các cô

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong khoa Hệ Thống Điện trường Đại Học Điện Lực và đặc biệt là cô Ths Phạm Thị Thanh Đam, đã tận tình

giúp đỡ trực tiếp chỉ bảo hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 1 tháng 1 năm 2014

Sinh viên Nguyễn Quang Tiến

Trang 2

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM CẮT 220kV 7

CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 8

1.1 Hiện tượng dông sét 8

1.1.1 Khái niệm chung 8

1.1.2 Tình hình dông sét ở Việt Nam 10

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến kỹ thuật 12

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM CẮT 220kV 14 2.1 Lý thuyết 14

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh thẳng 14

2.3 Các công thức sử dụng để tính toán 15

2.3.1 Độ cao cột thu lôi 15

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập 15

2.3.3 Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột thu lôi 16

2.4 Mô tả đối tượng bảo vệ 20

2.5 Các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng vào trạm 20

2.5.1 Phương án 1 20

2.5.2 Phương án 2 29

2.6 So sánh và tổng kết các phương án 34

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM CẮT 220kV 35

3.1 Yêu cầu nối đất cho trạm biến áp 35

3.2 Tính toán nối đất 37

3.2.1 Nối đất an toàn 37

3.2.2 Nối đất chống sét 41

CHƯƠNG IV: BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 220kV 48

4.1 Mở đầu 48

4.2 Các chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây 48

4.2.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét 48

4.2.2 Cường độ hoạt động của sét 49

Trang 3

4.2.3 Số lần sét đánh vào đường dây 50

4.2.4 Số lần phóng điện do sét đánh vào đường dây………51

4.2.5 Số lần phóng điện do sét đánh vào đường dây 51

4.2.6 Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng 52

4.3 Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây 53

4.3.1 Thông số đường dây cần bảo vệ 53

4.3.2 Xác định độ treo cao trung bình, tổng trở của dây chống sét và đường dây 54

4.3.3 Tính số lần sét đánh vào đường dây 58

4.3.4 Suất cắt do sét đánh vào đường dây 58

PHẦN II: CHUYÊN ĐỀ TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 220kV VÀO TRẠM 90

I Mở đầu 91

II Các phương pháp tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm……… 92

1 Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp lập bảng 92

2 Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp đồ thị 96

3 Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp tiếp tuyến 98

III Tính toán bảo vệ chống sét truyền vào trạm 100

1 Lập sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất của trạm 100

2 Thiết lập phương pháp tính điện áp với tất cả các nút trên sơ đồ rút gọn 103

3 Dạng sóng quá điện áp truyền vào trạm 107

4 Kiểm tra an toàn các thiết bị trong trạm 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

Trang 4

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1-1: Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét. 9

Hình 1-2: Dạng tổng quát của sóng sét. 9

Hình 1-3: Dạng xiên góc của sóng sét. 10

Hình 1-4: Dạng hàm số mũ của sóng sét. 10

Hình 2-1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét. 16

Hình 2-2: Phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau. 17

Hình 2-3: phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau. 18

Hình 2-4: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu lôi. 19

Hình 2-5: Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu lôi. 19

Hình 2-6: Mặt bằng trạm cắt 220kV. 20

Hình 2-7: Bố trí cột thu lôi của phương án 1. 21

Hình 2-8: Phạm vi bảo vệ của phương án 1. 28

Hình 2-9: Bố trí cột thu lôi của phương án 2. 29

Hình 2-10: Phạm vi bảo vệ của phương án 2. 33

Hình 3-1: Hệ số hình dạng 1 2 ( )l K f l  40

Hình 3-2: Sơ đồ thay thế của một tia. 44

Hình 4-1: Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét. 48

Hình 4-2: Góc bảo vệ của một dây chống sét. 49

Hình 4-3: Đồ thị   f E( lv). 52

Hình 4-4: Kết cấu của cột. 53

Hình 4-5: Phép chiếu gương qua mặt đất. 55

Hình 4-6 Sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét. 60

Hình 4-7: Đồ thị Ucd(a,t) ứng với Rc = 10. 64

Hình 4-8: Đường cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vào khoảng vượt. 65

Hình 4-9: Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét. 66

Hình 4-10: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện sét khi chưa có sóng phản xạ. 68

Hình 4-11: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện sét khi có sóng phản xạ. 69

Hình 4-12: Đồ thị Ucd(a,t) ứng với Rc = 10Ω. 86

Hình 4-13: Đường cong nguy hiểm khi sét đánh vào đỉnh cột. 87

Hình 5-1: Sóng truyền trên đường dây. 93

Hình 5-2: Sơ đồ tương đương với thông số tập trung. 93

Trang 5

Hình 5-3: Quy tắc sóng đẳng trị. 94

Hình 5-4: Đặc tính V – A của chống sét van ZnO. 96

Hình 5-5: Sóng tác dụng lên điện trở phi tuyến đặt cuối đường dây. 96

Hình 5-6: Đồ thị xác định U(t), I(t) của chống sét van từ đặc tính V-A 97

Hình 5-7: Đồ thị điện áp trên tụ điện theo phương pháp tiếp tuyến. 99

Hình 5-8: Sơ đồ nguyên lý khi vận hành ở trạng thái nguy hiểm nhất. 101

Hình 5-9: Sơ đồ thay thế trạng thái nguy hiểm nhất. 101

Hình 5-10: Sơ đồ rút gọn. 102

Hình 5-11: Nguyên tắc momen lực. 103

Hình 5-12: Sơ đồ Peterson tại nút 1. 104

Hình 5-15: Kiểm tra tác dụng lên cách điện máy biến áp. 108

Hình 5-16: Dòng điện qua chống sét van. 109

Hình 5-17: Kiểm tra an toàn cách điện thanh góp 220kV. 110

Trang 6

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên 26

Bảng 2.2: Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột tạo thành hình chữ nhật. 30

Bảng 2.3: Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột tạo thành hình tam giác. 30

Bảng 2.4: kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên. 32

Bảng 3.1: Trị số trung bình của hệ số mùa K ứng với các loại cực. 37

Bảng 3.2: Bảng 1 2 ( )l K f l  40

Bảng 3.3: Bảng tính toán chuỗi số 2 1 1 ds K T k e k      46

Bảng 4.1: Bảng xác suất hình thành hồ quang   f E( lv). 51

Bảng 4.2: Giá trị Ucd(a,t)kV tác dụng lên chuỗi sứ. 63

Bảng 4.3: Đặc tính phóng điện của chuỗi sứ. 63

Bảng 4.4: Đặc tính xác suất phóng điện với Rc=10Ω. 65

Bảng 4.5: Tổng hợp kết quả tính toán. 66

Bảng 4.6: Bảng giá trị U cu dien dd. (kV) 75

Bảng 4.7: Bảng giá trị U cu tu dd. (kV) 77

Bảng 4.8:Bảng giá trị hỗ cảm Mcs(t). 80

Bảng 4.9: Bảng giá trị ic(a,t) 80

Bảng 4.10: Bảng giá trị di a t c( , ) dt 81

Bảng 4.11: Bảng giá trị điện áp giáng trên cột Uc(a,t)kV. 82

Bảng 4.12: Bảng giá trị Udcs(a,t)kV. 84

Bảng 4.13: Bảng giá trị Ucd(a,t)kV. 85

Bảng 4.14: Đặc tính xác suất phóng điện Vpd. 87

Bảng 4.15: Bảng tổng hợp kết quả tính toán. 88

Bảng 5.1: Bảng điện dung tương đương của các thiết bị trong trạm. 100

Bảng 5.2: Điện áp chịu đựng của máy biến áp theo thời gian. 108

Trang 7

PHẦN I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT

CHO TRẠM CẮT 220kV

Trang 8

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

THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

Việc nghiên cứu dông sét và các biện pháp chống sét đã có từ lịch sử lâu dài cùng với sự phát triển của ngành điện.Ngày nay người ta đã tìm ra được các phương pháp cũng như hệ thống thiết bị hiện đại để phòng chống sét đánh Sét là một hiện tượng tự nhiên, mật độ, biên độ, thời gian phóng điện, biên độ dốc của sét không thể

dự đoán trước nên việc nghiên cứu chống sét là rất quan trọng đặc biệt là trong ngành

điện

1.1 Hiện tượng dông sét

1.1.1 Khái niệm chung

Dông là hiện tượng thời tiết kèm theo sấm, chớp xảy ra Cơn dông được hình thành khi có khối không khí nóng ẩm chuyển động thẳng Cơn dông có thể kéo dài 30 phút đến 12 giờ, trải rộng từ vài chục đến hàng trăm kilomet

Sét là một hiện tượng phóng điện tia lửa khi khoảng cách giữa các điện cực rất lớn (trung bình khoảng 5km) Quá trình phóng điện của sét giống như quá trình xảy ra trong trường không đồng nhất

a) Quá trình hình thành sét

Các quá trình khí quyển sẽ tạo nên các đám mây mang điện tích:

Các điện tích âm (-) tập trung thành từng nhóm, các điện tích dương (+) rải đều trong đám mây Quá trình phóng điện từ điện tích (+) sang điện tích (-) tạo nên hiện tượng trung hòa về điện Các điện tích (-) còn lại phát triển về phía mặt đất và hình thành tia tiên đạo (dòng plasma có điện dẫn lớn)

Càng phát triển về phía mặt đất trường đầu dòng càng tăng làm ion hóa mãnh liệt môi trường xung quanh nó tạo nên thác điện tử chứa nhiều điện tích Càng gần mặt đất

số điện tích càng lớn tạo nên dòng ngược phát triển về phía đám mây, ngược phát triển đến đám mây sẽ hoàn thành một phóng điện sét

Tốc độ dòng sét xuôi từ đám mây đến mặt đất:

Vx = 1,5.107 ÷ 2.108 cm/s Tốc độ dòng sét ngược từ mặt đất đến đám mây:

Vng = 1,5 109 ÷ 2.1010 cm/s

Trang 9

Hình 1-1: Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét

Tia tiên đạo

Địa điểm phụ thuộc điện trở suất của đất

Hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt

Dòng của phóng điện ngược

Hoàn thành phóng điện sét

Trang 10

1.1.2 Tình hình dông sét ở Việt Nam

Nước ta nằm trong khu vực có khí hậu nóng ẩm, rất thuận lợi cho việc hình thành mây dông và sét, mỗi năm ở Việt Nam có tới trên 100 ngày có sét Vì thế mà chống sét là vấn đề quan trọng, rất đáng quan tâm và phải được giải quyết một cách thích đáng đối với các công trình điện, cũng như trong cuộc sống hàng ngày Để giải quyết vấn đề nêu trên, cũng cần phải đánh giá đúng đắn tình hình dông sét và ảnh hưởng của dông sét tới hệ thống điện

- Diễn biến dông ở miền bắc nước ta:

Xét trên toàn năm, số ngày dông trên miền Bắc nước ta thường dao động trong khoảng 70÷100 ngày và có số lần dông từ 150÷300 lần Như vậy có thể xảy ra từ 2÷3 cơn dông

Trang 11

Vùng nhiều dông nhất trên miền Bắc là vùng Tiên Yên – Móng Cái Tại đây hàng năm có từ 250÷300 lần dông tập trung trong khoảng từ 100 đến 110 ngày Tháng nhiều dông nhất là tháng 7 và tháng 8 có tới 25 ngày

Nơi ít dông nhất trên miền Bắc là vùng Quàng Bình, hàng năm chỉ có khoảng

80 ngày dông

Xét về diễn biến của dông trong một năm ta có thể nhận thấy mùa đông không hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nhìn chung ở Bắc bộ mùa dông tập trung trong khoảng tháng 5 đến tháng 9, ở phần phía tây của Bắc bộ và Trung bộ mùa dông tương đối sớm vào đầu tháng 4 Quá trình diễn biến của dông thường có một cực đại xê dịch trong khoảng từ tháng 6 ở Tây Bắc, sau tháng 7, 8 ở các nơi khác thuộc Bắc Bộ và tách thành hai cực đại, tháng 5 và 9 ở Hà Tĩnh, Quảng Bình

- Diễn biến dông ở miền Nam nước ta:

Ở miền Nam cũng có khá nhiều dông, hàng năm trung bình quan sát được 40÷50 và có khi lên tới trên 100 ngày tùy từng nơi, khu vực nhiều dông nhất là ở đồng bằng Nam Bộ, số ngày dông trung bình hàng năm lên tới 120÷140 ngày (Sài Gòn 138 ngày, Hà Tiên 129 ngày) Những giá trị này chả những cao hơn các khu vực khác ở miền Nam mà cũng còn lớn hơn rõ rệt so với các vùng trên miền Bắc, ở Bắc Bộ chỉ khoảng trên dưới 100 ngày

Vùng Duyên Hải Trung Bộ ít dông vào khoảng 60÷70 ngày, ở phần phía Bắc

từ Quảng Trị đến Quảng Ngãi (Đà Nẵng: 70 ngày, Quảng Ngãi: 59 ngày) giảm xuống

từ 50 đến 40 ngày ở phần phía Nam từ Bình Định trở vào Nam Trung Bộ (Quy Nhơn:

46 ngày, Nha Trang: 49 ngày, Phan Thiết: 59 ngày) Sự giảm số ngày dông ở Duyên Hải Trung Bộ cũng dễ giải thích bằng tính chất khô nóng của gió mùa hạ sau khi vượt qua dãy Trường Sơn

Tây Nguyên cũng ít dông hơn nhiều so với Nam Bộ: tùy nơi số ngày dông vào khoảng 50÷60 ngày (Playcu: 91 ngày, Blao: 70 ngày)

Mùa dông nói chung là trùng với mùa hạ, là thời kỳ thịnh hành những khối không khí nhiệt đới xích đạo có nhiệt độ cao và nhiệt độ lớn, lại có những nguyên nhân nhiệt động lực thuận lợi cho việc phát triển dông (có sự hoạt động thường xuyên của dải hội tụ nội chí tuyến, mặt đất bị hun nóng mạnh) Trong mùa đông ở Nam Bộ

và Tây Nguyên thỉnh thoảng cũng xuất hiện dông nhưng số ngày dông ít hơn hẳn không so sánh được với tháng mùa hạ

Trang 12

Ở Nam Bộ mùa dông bắt đầu vào tháng 4 và kết thúc vào tháng 11, riêng khu vực cực tây (Hà Tiên Rạch Giá), mùa dông bắt đầu sớm hơn từ tháng 3 Trên tây nguyên mùa dông bắt đầu sớm hơn Nam Bộ 1 tháng từ tháng 3 và kết thúc sớm hơn 1 tháng (tháng 10) Đáng chú ý nhất là tất cả các vùng trong quá trình mùa dông đều phân biệt được hai cực đại Cực đại chính xảy ra vào tháng 5 và cực đại phụ xảy ra vào cuối tháng 9 trên phần lớn các vùng và vào tháng 8 ở phần phía bắc Duyên Hải Trung

Bộ Đó là thời kỳ mà dải hội tụ nội chí tuyến đi ngang qua các vĩ độ miền Nam trong quá trình tiến lên phía bắc và rút lui về xích đạo Trong các tháng giữa mùa số ngày dông giảm đi rõ rệt Nam Bộ là khu vực nhiều dông, chỉ trừ tháng đầu mùa (tháng 4)

và tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày dông bình thường là 10 ngày mỗi tháng, còn suốt trong sáu tháng từ tháng 5 đến tháng 10 mỗi tháng đều quan sát được trung bình

từ 15 đến 20 ngày dông, tháng cực đại (tháng 5) trung bình gặp 20 ngày dông

Khu vực Tây Nguyên, trong mùa dông thường chỉ có 2, 3 tháng số ngày dông đạt tới 10 đến 15 ngày, đó là tháng 4, tháng 5 và tháng 9 Tháng cực đại (tháng 5) trung bình quan sát được 15 ngày dông ở Bắc Tây Nguyên và 10 đến 12 ngày ở nam Tây Nguyên Còn các tháng khác trong mùa dông mỗi tháng chỉ gặp trung bình từ 5 đến 7 ngày dông mà thôi

Như vậy ta thấy Việt Nam là nước chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét, đây là điều bất lợi cho phát triển kinh tế của đất nước nói chung và bất lợi cho công tác quản

lý, vận hành hệ thống điện ở Việt Nam nói riêng, điều đó đòi hỏi ngành điện cần đầu

tư nhiều cho hệ thống chống sét các công trình điện, cũng như các nhà thiết kế công trình điện cần tính toán sao cho hệ thống vận hành an toàn, vừa đảm bảo về mặt kinh

tế kỹ thuật

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến kỹ thuật

Quá trình phóng điện sét có thể là phóng điện giữa các đám mây với nhau hoặc giữa đám mây với đất Hiện tượng phóng điện từ đám mây mang điện âm sang đám mây mang điện tích dương Quá trình phóng điện sét mây – mây sẽ dừng khi hai đám mây trung hòa hết điện tích Khoảng 80% số trường hợp phóng điện sét mây – đất thì các đám mây đều tích điện âm Khi các đám mây được tích điện tới mức độ có thể tạo lên cường độ điện trường lớn thì sẽ hình thành dòng phát triển về mặt đất và dòng này gọi là dòng tiên đạo Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo ở lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5.107 cm/s Ở các lần phóng điện nhanh hơn có thể đạt tới 2.108 cm/s, trung bình mỗi đợt sét có khoảng 3 lần phóng điện liên tiếp bởi trong đám mây có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích Dưới mặt đất do hiệu ứng bề mặt mà tập trung

Trang 13

các điện tích dương Nếu điện tích ở mặt đất đồng đều (điện trở suất tại mọi điểm là như nhau) thì dòng tiên đạo sẽ phát triển theo hướng vuông góc với mặt đất Nếu điện trở suất ở các vị trí khác nhau thì điện tích dương tập trung ở những nơi có điện trở suất nhỏ và đây cũng là mục tiêu của dòng tiên đạo, đó cũng là tính chọn lọc của phóng điện sét Dòng tiên đạo càng gần mặt đất thì cường độ điện trường càng lớn, quá trình ion hóa càng mãnh liệt tạo ra nhiều thác điện tử và có thể có dòng phóng điện ngược từ mặt đất lên với tốc độ (1,5.109÷1,5.1010)cm/s Trong giai đoạn này điện tích của mây sẽ theo dòng Plasma xuống đất tạo nên dòng ở nơi sét đánh Như vậy quá trình phóng điện chuyển từ phóng điện tiên đạo sang phóng điện ngược và dòng điện tích dương sẽ giảm dần điện thế đám mây với trị số không và lúc này quá trình phóng điện kết thúc Kết quả đo lường cho thấy biên độ dòng điện sét có thể lên tới hàng trăm

kA, đây là nguồn sinh nhiệt vô cùng lớn khi có dòng điện sét đi qua vật nào đó Thực

tế đã có rất nhiều dây tiếp địa do phần nối đất không tốt, khi bị dòng điện sét tác dụng

đã bị nóng chảy Phóng điện sét có kèm theo việc di chuyển trong không gian lượng điện tích lớn đã tạo ra điện trường rất mạnh làm nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử, ảnh hưởng của nó rất lớn ngay cả những nơi cách xa hàng trăm km

Khi sét đánh thẳng vào đường dây hay xuống mặt đất gần đường dây sẽ gây ra sóng điện từ truyền dọc theo đường dây, gây lên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây Khi cách điện bị phá hủy sẽ gây ra ngắn mạch pha – đất hoặc ngắn mạch pha– pha buộc các thiết bị bảo vệ Rơ – le ở hai đầu đường dây phải làm việc Với những đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định cho hệ thống, nếu các hệ thống tự động ở các nhà máy điện làm việc không kịp thời sẽ tạo ra tình trạng tan rã lưới Sóng sét có thể truyền từ đường dây vào trạm biến

áp, điều này rất nguy hiểm như khi ngắn mạch trên thanh góp và rất dễ dẫn đến sự cố trầm trọng Mặt khác, khi có sóng sét vào tram biến áp, nếu chống sét van đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp sẽ bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn

 Nhận xét:

Từ những hậu quả do việc sét đánh gây ra ta thấy rõ tác dụng của việc tính toán thiết kế lắp đặt các thiết bị chống sét, nếu tính toán chính xác lắp đặt đủ các thiết bị chống sét sẽ tạo ra hệ thống vận hành an toàn và hiệu quả, tránh được những hậu quả xấu do sét gây ra, từ đó đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các hộ tiêu thụ

Trang 14

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM

CẮT 220kV 2.1 Lý thuyết

Trạm biến áp và đường dây truyền t ải là một bộ phận quan tr ọng trong hê ̣ thống truyền tải và phân phối điê ̣n năng

Đối với trạm biến áp thì các thiết bị phân ph ối của tra ̣m thư ờng được đă ̣t ngoài trời, nên khi bị sét đánh trực tiếp có thể sẽ gây ra nh ững hâ ̣u quả nă ̣ng nề (phóng điện, phá hủy cách điện, gây cắt điện…) nếu không được bảo vệ Sự cố mất điện ở trạm còn ảnh hưởng đến các ngành công nghiệp khác do hậu qu ả của việc mất điện Do vâ ̣y trạm biến áp có yêu cầu bảo vệ cao

Để bảo vê ̣ chống sét đánh trực tiếp cho tra ̣m biến áp người ta dùng cô ̣t thu lôi

và dây chống sét bởi vì dùng như vậy sẽ đảm bảo về mặt kỹ thuật, kinh tế và mỹ thuật Tác dụng của hệ thống này là tập trung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét

tâ ̣p trung vào đó ta ̣o ra khu vực an toàn bên dưới hê ̣ thống này

Ngoài ra khi thiết kế h ệ thống bảo vê ̣ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải đảm bảo về mặt kỹ thuật và quan tâm tới các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh thẳng

Yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đánh trực tiếp của trạm là tất cả các thiết bị cần bảo vê ̣ ph ải nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ Đối với trạm ta dùng cột thu lôi, còn đối với đường dây 220kV ta dùng dây chống sét

Đối với trạm cắt 220kV có mức cách điện cao , do đó có thể đă ̣t các thiết bị thu lôi trên các kết cấu của tra ̣m gắn vào h ệ thống nối đất của tra ̣m theo đường ngắn nhất sao cho dòng điê ̣n sét khuyếch tán vào h ệ thống nối đất theo 3 đến 4 thanh nối đất với

hê ̣ thống, mă ̣t khác phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số của điện trở nối đất

Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời là cuộn dây máy biến áp, vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa điểm nối vào cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp phải lớn hơn 15m

Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng sét chạy qua

Đối với các dây chống sét ta treo dọc theo chiều dài của đường dây c ần bảo vê ̣

và đặt cao hơn các đường dây đươ ̣c bảo vê ̣

Trang 15

2.3 Các công thức sử dụng để tính toán

2.3.1 Độ cao cột thu lôi

h = hx + haTrong đó:

h: độ cao cột thu lôi

hx: độ cao của vật cần được bảo vệ

ha: độ cao tác dụng của cột thu lôi xác định theo nhóm cột

ha≥ 8

D

(Với D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột)

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập

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

Trang 16

Hình 2-1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

2.3.3 Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột thu lôi

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệ của hai cột đơn Nhưng để hai cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa

2 cột thì phải thỏa mãn điều kiện a<7h (h là chiều cao của cột)

a) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có cùng độ cao

Khi 2 cột thu lôi có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cánh a (a < 7h) thì độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi h0 được tính như sau:

hx

2

3h

0,75h 1,5h

rx

ab

c

Trang 17

 Nếu hx>2

3h0 thì 0,75 (10 0)

x ox

Hình 2-2: Phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau

b) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau

Phạm vi bảo vệ vủa hai cột thu lôi có độ cao khác nhau được xác định như sau: Giả sử có hai cột thu sét: cột 1 có chiều cao h1, cột 2 có chiều cao h2 và h1< h2, hai cột cách nhau một khoảng là a

Trước tiên, vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h1, sau đó qua đỉnh cột thấp h2 vẽ đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao tại điểm 3 Điểm này được xem là đỉnh của cột thu lôi giả định, nó sẽ cùng với cột thấp h2, hình thành đôi cột ở độ cao bằng nhau

và bằng h2 với khoảng cách là a’

Trang 18

Hình 2-3: phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau

Xác định được khoảng cách x và a’ như sau :

- Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa cột 1 và cột giả tưởng (cột 3)

'7

h

c) Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét (số cột > 2)

Phạm vi bảo vệ của ba cột thu lôi:

2 1

h h



Trang 19

Hình 2-4: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu lôi

Phạm vi bảo vệ của bốn cột thu lôi:

Hình 2-5: Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu lôi

Điều kiện cần để công trình nằm trong miền giới hạn của các cột thu sét được bảo vệ

an toàn:D8.hh x

Trong đó:

D: là đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác, tứ giác

h: là chiều cao cột

hx: là chiều cao cần bảo vệ

Cách xác định đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác:

   

2

.

2

.

c b a p

c p b p a p p

c b a D

Với a, b,c là ba cạnh của tam giác

Sau đó xác định phạm vi bảo vệ của từng cặp cột biên tương tự như xác định phạm vi bảo vệ của hai cột

Trang 20

2.4 Mô tả đối tượng bảo vệ

+ Tính phạm vi bảo vệ của từng cột và của các cặp cột biên

+ Vẽ phạm vi bảo vệ của các phương án

+ So sánh hai phương án về mặt kĩ thuật và kinh tế

2.5 Các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng vào trạm

10x15,4=154 m 179,5 m

Trang 21

Phương án được bố trí các cột thu sét được thể hiện như trên hình vẽ (Hình 2-7)

Trạm được bố trí 13 cột trong đó:

- Cột 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 13 được đặt trên xà cao 11(m)

- Cột 10; 11; 12 được đặt trên xà cao 17(m)

Hình 2-7: Bố trí cột thu lôi của phương án 1

2.5.1.2 Tính toán cho phương án 1

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

Để tính được đô ̣ cao tác du ̣ng của các cô ̣t thu sét ta phải xác đi ̣nh được đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đi qua các chân cô ̣t (D)

Độ cao tác dụng thỏa mãn điều kiện:

11 10

9 A

Trang 22

Trang 23

Trang 24

Ở đây dùng xà để làm giá đỡ cho cột thu lôi

 Cần kiểm tra lại khả năng bảo vệ đối với xà A Vì xà này nằm ngoài tam giác của nhóm cột (5; 9; 10) Muốn vậy cần kiểm tra xem xà A có nằm trong phạm

vi bảo vệ của cột 9 và 10 không, xà A và hai cột 9, 10 được biểu diễn như hình

H

Trang 25

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁPM: là đầu còn lại của xà A không có cắm cột thu lôi

- Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi 9 và 10 là:

9 10 0

22,1

x x

Nhận thấy

9 10 01,78( ) x 3,8( )



   →điểm M thuộc phạm vi bảo vệ của cột

h 0→điểm M thuộc phạm vi bảo vệ của hai cột 9 và 10 → xà A thỏa mãn nằm trong phạm vi bảo vệ của hai cột 9 và 10

Trang 26

Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

0

6126,5 , 6 17, 7(

x x

17,7

x x

h

- Tính toán tương tự cho các cặp cột biên còn lại ta có kết quả như bảng sau:

Bảng 2.1: Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên

Cặp

cột

Chiều cao cặp cột h (m) a (m) h0(m)

Trang 27

Trang 28

Hình 2-8:Phạm vi bảo vệ của phương án 1.

Trang 29

2.5.2 Phương án 2

2.5.2.1 Bố trí các cột thu lôi

Phương án 2 được bố trí các cột thu sét được thể hiện như trên hình vẽ (Hình 2-9)

Hình 2-9: Bố trí cột thu lôi của phương án 2

Trạm được bố trí 18 cột như Hình 2-9 trong đó:

- Cột 1; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 9; 10; 11; 12; 13;15;18 được đặt trên xà cao 11(m)

- Cột 14; 16; 17 được đặt trên xà cao 17(m)

2.5.2.2 Tính toán cho phương án 2

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

- Để tính được đô ̣ cao tác du ̣ng của các cô ̣t thu sét ta phả i xác đi ̣nh được đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đi qua các chân cô ̣t Độ cao tác dụng thoả mãn điều kiện:

16 14

Trang 30

Bảng 2.2: Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột tạo thành hình chữ nhật

Nhóm cột a (m) b (m) D (m) ha (m) 1-2-8-7 30,8 43 52,89 6,61 2-3-9-8 30,8 43 52,89 6,61 3-4-10-9 30,8 43 52,89 6,61 4-5-11-10 30,8 43 52,89 6,61 5-6-12-11 30,8 43 52,89 6,61

Bảng 2.3: Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột tạo thành hình tam giác

Ở đây dùng xà để làm giá đỡ cho cột thu lôi

 Cần kiểm tra lại khả năng bảo vệ đối với xà A và xà B Vì hai xà này nằm ngoài tam giác của nhóm cột (8; 13; 14) và (10; 15; 16) Muốn vậy cần kiểm tra xem

xà A và B có nằm trong phạm vi bảo vệ của cột 13-14và 15-16 không

 Xà A và hai cột 13, 14 được biểu diễn như hình vẽ sau:

H: là điểm có độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột 13 và 14 (cột h 0)

M: là đầu còn lại của xà A không có cắm cột thu lôi

14

13

A M

H

Trang 31

- Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi 13 và 14 là:

13 14 0

19,57

x ox

Nhận thấy

13 14 01,78( ) x 1,93( )

MH  m r   m →điểm M thuộc phạm vi bảo vệ của cột

h 0→điểm M thuộc phạm vi bảo vệ của hai cột 13 và 14 → xà A thỏa mãn nằm trong phạm vi bảo vệ của hai cột 13 và 14

 Xà B và cặp cột 15, 16 cũng được bố trí giống với xà A và cặp cột 13, 14 do đó tính toán tương tự ta cũng được xà B thỏa mãn nằm trong phạm vi bảo vệ của hai cột 15 và 16

Trang 32

c) Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên

Tính toán tương tự phương án 1 ta có bảng kết quả sau (Bảng 2.4)

Bảng 2.4: kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên

Cặp

cột

Chiều cao cặp cột h (m) a (m) h0(m) 2

Trang 33

Hình 2-10: Phạm vi bảo vệ của phương án 2.

Trang 34

2.6 So sánh và tổng kết các phương án

- Cả hai phương án đều đảm bảo về mặt kỹ thuật

Phương án 1: ta sử dụng 13 cột thu sét với tổng chiều dài là 183,5(m)

Phương án 2: ta sử dụng 18 cột thu sét với tổng chiều dài là 216(m)

- So sánh hai phương án ta chọn phương án 1 là phương án bố trí cột thu sét chống sét đánh trực tiếp cho trạm

Trang 35

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM CẮT 220kV 3.1 Yêu cầu nối đất cho trạm biến áp

Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện áp trên vật nối đất có trị số bé Hệ thống nối đất là một bộ phận quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp, tuỳ theo nhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia làm 3 loại

- Nối đất chống sét:

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi có sét đánh vào cột thu lôi hay dây chống sét Hạn chế sự hình thành và lan truyền của sóng quá điện áp do phóng điện sét gây nên Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa hai điểm bất kì trên cột điện và đất

Một số yêu cầu về kỹ thuật của điện trở nối đất:

Trị số điện trở nối đất của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số điện áp bước và tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không vượt quá giới hạn cho phép

+) Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mãn: R0,5

+) Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì: R 250

I

+) Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một hệ thống

nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì: R 125

I

Trang 36

+) Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thoả mãn đối với các thiết bị cao áp

có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất nhân tạo và yêu cầu trị

số của điện trở nối đất nhân tạo là: R 1

+) Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn có như các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chôn trong đất Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia

+) Vì đất là môi trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất như các loại muối, axít chứa trong đất, độ ẩm, nhiệt độ và điều kiện khí hậu Ở Việt Nam khí hậu thay đổi theo từng mùa độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất của đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng Do vậy trong tính toán thiết kế về nối đất thì trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn

Công thức hiệu chỉnh như sau:

Trong đó: tt: điện trở suất tính toán của đất

đo: điện trở suất đo được của đất

km: hệ số mùa của đất

Hệ số km phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực

Trang 37

Bảng 3.1: Trị số trung bình của hệ số mùa K ứng với các loại cực

Hệ số mùa K ứngVới các trạng thái Đất khô Đất ẩm

An toàn

Làm việc

Chống sét

Thanh ngang chôn sâu 0,8 m 1,25 1,45

Nối đất chôn sâu với độ sâu 2-3 m 1,0 1,1

3.2 Tính toán nối đất

- Điện trở suất đo được của đất: d  90 m

- Điện trở nối đất cột đường dây ta xét với giá trị:R c  10

- Dây chống sét sử dụng loại C-70, điện trở của 1km đường dây là 2,38Ω/km

- Chiều dài khoảng vượt đường dây 220kV là: l270( )m

Điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt là:

Với RTN: Điện trở nối đất tự nhiên

RNT: Điện trở nối đất nhân tạo R NT  1

a) Điện trở nối đất tự nhiên

Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đường dây và cột điện 220kV tới trạm

Trang 38

Ta có công thức sau:

1

c TN

c cs

R R

Rcs: điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt

Rc: điện trở nối đất của cột điện, với Rc= 10()

Ta thấy RTN=0,37 < 0,5Ω đạt yêu cầu về lý thuyết.Tuy vậy nối đất tự nhiên có nhiều

thay đổi vì vậy để đảm bảo an toàn ta phải nối đất nhân tạo

b) Điện trở nối đất nhân tạo

Nối đất có các hình thức cọc dài 2-3(m) bằng sắt tròn hay sắt chôn thẳng đứng

Thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu 0,5-0,8(m) đặt theo hình tia, mạch vòng hoặc tổ

hợp của hai hình thức trên

- Điện trở tản của thanh dẫn ngang có thể dùng công thức chung sau:

2.ln

K L R

L: chiều dài tổng của điện cực

d: đường kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn Nếu dùng sắt dẹt thì trị số d thay bằng b với b là chiều rộng của sắt dẹt 2

t: độ chôn sâu

K: hệ số hình dạng phụ thuộc sơ đồ nối đất

- Hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu vi

mạch vòng:

Trang 39

Mạch vòng bao quanh trạm có chiều dài là l1=177,5 m, chiều rộng là l2=90,3 m

và có chu vi là Lcv=535,6 (m)

Khi đó điện trở của mạch vòng là:

2.ln

tt MV

K L R

t: độ chôn sâu của thanh lấy t= 0,8m

ρtt: điện trở suất tính toán của đất với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t

Trang 40

Tra Bảng 3.1 với thanh ngang chôn sâu t = 0,8m ta có kmua = 1,6

l



1 2

177,5

1,96690,3

l

l   Tra đồ thị ta có: K 6,393Vậy điện trở mạch vòng là:

K L R



Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	3 MB