Bảo vệ chống sét cho đường dây và trạm biến áp 110-220kV

Đất nước đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá, ngành điện giữ một vai trò 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.

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

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

Góc bảo vệ pha B 15,60

+ Điện trở nối đất cột điện 9; 16; 23

+ Vùng ô nhiễm II

2- NỘI DUNG CÁC PHẦN TÍNH TOÁN

- 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 220 kV

3- CÁC BẢN VẼ

- Phạm vi bảo vệ của cột thu sét, các phương án bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

- Các kết quả tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét của trạm

- Phương pháp và kết quả tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây

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

4- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

5- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ :

6- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

Nộp quyểnBảo vệ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ghi rõ họ tên và ký tên)

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 trò 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 xã hội đòi 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 đã được học và bước đầu làm quen với thực tế em đã 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 tình của các thầy, cô giáo trong bộ môn đặc biệt là trong suốt quá trình 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: 16

1.3.1 Phương án 1 16

1.3.2 Phương án 2 20

1.3.3 Phương án 3 23

CHƯƠNG II 28

TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM 28

2.1 Yêu cầu kỹ thuật khi nối đất trạm biến áp 28

2.2- Các số liệu dùng để tính toán nối đất 30

2.2.1 Nối đất an toàn 31

2.2.2 Nối đất chống sét 36

2.2.3 Nối đất bổ sung 41

CHƯƠNG III ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY ERROR! BOOKMARK NOT

DEFINED.

3.1 Mở đầu Error! Bookmark not defined 3.2 Các chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây Error! Bookmark not defined 3.2.1.Cường độ hoạt động của sét Error! Bookmark not defined 3.2.2 Số lần sét đánh vào đường dây Error! Bookmark not defined 3.2.3 Số lần phóng điện do sét đánh vào đường dâyError! Bookmark not

defined.

3.2.4 Số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây Error! Bookmark not

3.3.1 Mô tả đường dây cần bảo vệ Error! Bookmark not defined.

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

dây Error! Bookmark not defined 3.3.3 Tính số lần sét đánh vào đường dây Error! Bookmark not defined 3.3.4 Suất cắt do sét đánh vào đường dây Error! Bookmark not defined CHƯƠNG IV ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

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

TRẠM ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 4.1 Mở đầu Error! Bookmark not defined.

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

truyền vào trạm Error! Bookmark not defined.

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

Error! Bookmark not defined 4.2.2 Sóng bất kỳ tác dụng lên chống sét van đặt cuối đường dây Error!

Bookmark not defined.

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

tiếp tuyến) Error! Bookmark not defined 4.3.Tính toán bảo vệ khi có sóng quá điện áp truyền Error! Bookmark not

PHỤ LỤC ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

+ Mạng lưới nối đất: để tản dòng điện sét trong đất hạn chế các phóngđiện 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 số liệu 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 mMáy biến áp: 2AT 110/220 kV

Đường dây vào trạm: 110kV 2

220kV 5

Điện trở suất của đất: 80 Ω.m

Sơ đồ mặt bằng, mặt cắt đi kèm

CHƯƠNG I BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

Khi đặt hệ thống cột thu sét trên kết cấu của trạm sẽ tận dụng được độ caovốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của cột thu sét Tuy nhiên đặt hệthống thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có sét đánh sẽ gây nên một điện

áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột Phần điện ápnày khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang các phần tửmang 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 bộ phận nốiđất nhỏ

Đối với trạm ngoài trời từ 110kV trở lên do có cách điện cao nên có thể đặtcột thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối Các trụ của kết cấu trên đó có

đường ngắn nhất và sao cho dòng điện IS khuyếch tán vào đất theo 3 - 4 cọc nốiđất Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị sốđiện trở nối đất.

Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngài trời điện áp 110kV trở lên là cuộndây của máy biến áp Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thìyêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối đất trong hệ thống nối đất của cột thu sét

và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m

Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm ngoài trời 110kV trở lên cần chú ýnối đất bổ sung ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu sét vào hệ thống nối đấtnhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4Ω

Khi dùng cột thu sét độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu sétđến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu sét đến vậtđược bảo vệ

Việc lắp đặt các cột thu sét làm tăng xác suất sét đánh vào diện tích côngtrình cần bảo vệ, do đó cần chọn vị trí lắp đặt các cột thu sét một cách hợp lý

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

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu sét thì các dây dẫnđiện 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 thuhút phóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đódẫn dòng điện sét xuống đất

Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào mộtđiểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào trên côngtrình Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vậtcần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ

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 xác định bởi phương trình.

) (

1

6 , 1

X X

h h

Rx

0,2h a

b

c

0,75h 1,5h

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 quả của cột thusét cao trên 30m giảm đi do độ cao định hướng của sét giữ hằng số Có thể dùngcác công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân thêm hệ số hiệu

chỉnh p5,h5 và trên hoành độ lấy các giá trị 0 , 75hpvà 1 , 5hp

b Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau.

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vibảo vệ các cột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thìkhoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a  7h (trong đó h là độ cao của cộtthu sét) Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống nhưcủa một cột Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là haiđỉnh cột và điểm có độ cao h0 - phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cộtđược xác định theo công thức:

7

0

a h

h   (1.4) Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai châncột là rx0 và được xác định như sau:

5 , 1

0 0

0

h

h h

x   (1.5)

h h

x   (1.6)

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

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 việc xác địnhphạm 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 Quađỉnh cột thấp (cột 2) vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệcột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của một cột thu sét giả định Cột 2

và cột 3 hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau và bằng h2 với khoảng cách a’.Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h2 Điểm này được xemnhư đỉnh của một cột thu sét giả định Ta xác định được các khoảng cách giữahai cột có cùng độ cao h2 là a' và x như sau:

0,8h1 h1ho

1

2 1

h

h h

x  (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 cao của cộtthu lôi phải thoả mãn:

a

h

D 8 (1.10)Trong đó: D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột

Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b,c có: +

) )(

)(

( 4 2 2

c p b p a p p

abc R

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:

8

D

h a  (1.14)

D a

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

0,2h

0,8h h

ab

a'c

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 sét tương tự cộtthu 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 chỉnh theo p

b Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

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

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

4

0

S h

h   (1.17)Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của một dây, cònphần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm là hai điểm treo dâythu sét và điểm có độ cao h0

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:

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 xác định đườngkính D của đường tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác) qua ba (hoặc bốn) đỉnhcột Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hoặc bốn) đó được bảo vệthì phải thoả mãn điều kiện : .

D (m)

h a (m)

h a.max (m)

Chữ nhật

1-2-6-5 34.00 35.30 49.01 6.13

6.13 5-6-9-10 34.00 34.00 48.08 6.01

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=16.5 m và hmax=6.13m

Ta chọn ha=6.5 m Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 220 kV là :

) ( 23 5 6 5 16

D (m)

h a (m)

h a.max (m)

Chữ nhật

17-18-19-20 35,80 42,30 55,42 6,93

6,93 13-14-15-

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)

h a (m)

h a.max (m)

Tam giác

4-17-19 44,45 42,30 56,33 71,54 57,04 7,13

7,13 8-12-15 50,37 44,87 34,00 64,62 51,49 6,43

12-13-15 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 :

) ( 5 , 18 5 7 11

11 1

.(

23 5 , 1

5 ,

23 75 , 0

5

11 1

.(

5 , 18 5 , 1

h 0 (m)

2/3*h 0 (m)

r 0x (m)

h 0 (m)

2/3*h 0 (m)

r 0x (m)

x (m)

a' (m)

h'o (m)

r 0x (m)

20 19

17

13

16 18

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, 8 đượcxây dựng

Phía 110kV đặt 6 cột: Hai cột 12,14 đặt trên xà cao Con lại bốn cột10,11,13,15 được xây dựng

1.3.2.2 Tính toán cho phương án 2

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

D (m)

h a (m)

h a.max (m) Chữ

nhật

1-2-4-5 51 35.3 62.02 8.86

9.17 2-5-6-3 51 35.3 62.02 8.86

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=16.5 m và hmax=9.17 m.

ta chọn ha=9.5m Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 220kV là :

) ( 26 5 9 5 16

D (m)

h a (m)

h a.max (m)

c (m)

p (m)

D (m)

h a (m)

h a.max (m)

Tam

giác

3-14-12 44.45 48.55 60.45 76.73 61.21 7.65

7.65 9-10-12 46.39 54.77 47.81 74.49 57.89 7.23

6-9-12 38.94 54.77 44.34 69.13 55.31 6.91 3-6-12 35.36 60.44 44.34 70.07 61.04 7.63

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=11m và hmax=7.65m

Ta chọn ha=8m Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 110kV là :

) ( 19 8 11

5 16 1 (

26 5 , 1

5

11 1

.(

26 5 , 1

11 1

.(

19 5 , 1

h 0 (m)

2/3*h 0 (m)

r 0x (m)

h 0 (m)

2/3*h 0 (m)

r 0x (m)

x (m)

a' (m)

h'o (m)

r 0x (m)

1 3

11

15 2

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

Hình 1.11 Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét và dây chống sét

1.3.3.2 Tính toán cho phương án 3

a.)Phạm vi bảo vệ của dây thu sét:

2 5

5 , 29 8 , 0

5 16 1

.(

5 29 2 ,

11 1

.(

5 , 29 2 ,

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 ,

b x   

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 ,

Do 29 , 5 19 , 67

3

2 5

5 16 1

.(

5 , 29 5 , 1

5

11 1

.(

26 5 , 1

h 0 (m)

2/3*h 0 (m)

r 0x (m)

h 0 (m)

2/3*h 0 (m)

r 0x (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 xúc với dòngđiện (hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất Nhiệm vụ của nối đất là tảndòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Hệthống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp Tuỳ theonhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia làm ba loại

Nối đất làm việc.

Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị, hoặcmột số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ làm việc đã được quyđịnh 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 dùng trong bùngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện

Nối đất an toàn.

Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hư hỏng.Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mangđiện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại Khi cách điện bị

hư hỏng do lão hoá thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhưng donối đất nên điện thế này có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho người tiếp xúc

Nối đất chống sét.

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi sét đánh vào cột thu