Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 110 / 35 kV.

Trạm biến áp 110/35 kV có: Kích thước trạm là 100x64m Bốn lộ 110 kV đi vào Hai máy biến áp Điện trở suất của đất là đ = 0,8.102 .m Điện trở của cột đường dây RC = 10  Cùng sơ đồ mặt bằng đi kèm

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 110 / 35 kV.

(Sơ đồ trạm cho như hình vẽ)

II Các số liệu ban đầu:

Trạm biến áp 110/35 kV có:

Kích thước trạm là 100x64m

Bốn lộ 110 kV đi vào

Hai máy biến áp

Điện trở suất của đất là ρđ = 0,8.102 Ω.m

Điện trở của cột đường dây RC = 10 Ω

Cùng sơ đồ mặt bằng đi kèm

III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

1 Tính toán phạm vi bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp

2 Tính toán nối đất cho trạm

3 Tính toán chỉ tiêu chống sét cho đường dây 110 kV

4 Tính toán bảo vệ chống sóng truyền vào trạm 35 kV

IV Các bản vẽ và đồ thị minh hoạ

Bảy bản vẽ A0 kèm theo

Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:

Ngày hoàn thành đồ án:

Cán bộ hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp:

TS NGUYỄN MINH CHƯỚC

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC Chương mở đầu: Quá điện áp khí quyển và tình hình chống sét ở V iệt

Nam

1 Hiện tượng phóng điện của sét - nguồn, phát sinh quá điện áp khí quyển

1.1 Quá trình phóng điện của sét

1.2 Tham số của phóng điện sét

1.3 Cường độ hoạt động của sét

2 Tình hình giông sét ở Việt Nam.

3 KẾT LUẬN :

Chương 1: Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm biến áp

I Khái niệm chung

II Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp

III Tính toán thiết kế các phương án bố trí cột chống sét

1.Các công thức sử dụng để tính toán

2 Các số liệu dùng để tính toán thiết kế cột chống sét bảo vệ trạm biến áp

3 Vạch các phương án bảo vệ

3.1- Phương án 1

3.2 Phương án 2

3.3 Kết luận chung

Chương 2 : Tính toán nối đất trạm biến áp

I.Giới thiệu chung

II- Các số liệu dùng để tính toán nối đất

III- tính toán hệ thống nối đất

1 Tính toán nối đất an toàn

3.4 Tổng trở vào của hệ thống nối đất khi có nối đất bổ xung

Chư ơng 3: Bảo vệ chống sét đường dây tải điện

I.Các yêu cầu chung

1 Đặt vấn đề

2 Tính toán số lần cắt điện do sét

II Các tham số của đường dây 110kV lộ kép và các số liệu tính toán

1 Các tham số của đường dây 110kV lộ đơn

2 Các số liệu tính toán

III Tính toán các tham số sét đánh vào đường dây

1 Số lần sét đánh vào đường dây

2 Suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn

3.Tính toán suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt

4 Tính toán suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột

5 Điện áp đặt lên cách điện pha A trong trường hợp sét đánh vào đỉnh cột

Chương 4: Bảo vệ chống sóng truyền vào trạm từ đường dây 110kV

I - Khái niệm chung

1 Khái quát chung

1-Tính thời gian truyền sóng giữa các nút.

2-Tính điện áp tại các nút

3 Kiểm tra an toàn của các thiết bị trong trạm

CHƯƠNG MỞ ĐẦU QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN

VÀ TÌNH HÌNH CHỐNG SÉT Ở VIỆT NAM

Nghiên cứu giông sét và các biện pháp bảo vệ chống sét đã có mộtlịch sử lâu dài, những hệ thống thiết bị áp dụng những thành tựu tiên tiến,đảm bảo phòng chống sét một cách hữu hiệu, an toàn, đáp ứng được nhucầu thực tiễn đòi hỏi Tuy nhiên giông sét là hiện tượng tự nhiên : mật độ,thời gian và cường độ hoạt động mang tính ngẫu nhiên Vì vậy trongnghiên cứu chống sét vẫn còn tồn tại một số vấn đề cần giải quyết

1 HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỦA SÉT - NGUỒN, PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN

ÁP KHÍ QUYỂN.

1.1 Quá trình phóng điện của sét

Sét là một trường hợp phóng điện tia lửa khi khoảng cách giữa cácđiện cực rất lớn (trung bình khoảng 5km) Quá trình phóng điện của sétgiống như quá trình xảy ra trong trường không đồng nhất Khi các lớp mâyđược tích điện (khoảng 80% số trường hợp phóng điện sét xuống đất diệntích của mây có cực âm tính) Tới mức độ có thể tạo nên cường độ lớn sẽhình thành dòng phát triển về phía mặt đất Giai đoạn này gọi là giai đoạnphóng điện tiên đạo và dòng gọi là tia tiên đạo

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

Tia tiên đạo là môi trường plama có điện dẫn rất lớn Đầu tia nối vớimột trong các trung tâm điện tích của lớp mây điện nên một phần điện tíchcủa trung tâm này đi vào trong tia tiên đạo và phân bố có thể xem như gầnđều dọc theo chiều dài tia Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo,

sẽ có sự tập trung điện tích khác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tuỳthuộc vào tình hình dẫn điện của đất Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhấtthì địa điểm này nằm ngay ở phía dưới đầu tia tiên đạo Trường hợp mặt đất

có nhiều nơi điện dẫn khác nhau thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi cóđiện dẫn cao.

Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữađầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất vì ở đây cường độtrường có trị số lớn nhất và như vậy là địa điểm sét đánh trên mặt đất đãđược định sẵn Tính chất chọn lọc của phóng điện đã được vận dụng trongviệc bảo vệ trống sét đánh thẳng cho công trình

1.2 Tham số của phóng điện sét.

Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét Hiện nay đãtích luỹ được khá nhiều số liệu thực nghiệm về tham số này (đo bằng thỏisắt từ hoặc bằng máy hiện sóng cao áp)

Kết quả đo lường cho thấy biên độ dòng điện sét (Is) biến thiên trongphạm vi rộng từ vài kA tới hàng trăm kA và được phân bố theo quy luậtthực nghiệm sau :

Vi = 26 , 1

Is 60

i

e10

−

=

Vi : xác suất xuất hiện sét có biên độ dòng điện ≥ is

Quy luật này cũng được biểu thị trên đường cong (hình 1)

Xác suất của độ dốc trung bình của dòng điện sét (Hình 2)

Dạng sóng có đầu sóng xiên góc ở (hỉnh 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 có ý nghĩa nên khi t > Tds có thể xem dòng điệnkhông thay đổi và bằng trị số biên độ Ngược lại khi quá trình xảy ra trong thời gian dài

(t >>Tds) như khi tính toán về hiệu ứng dòng điện sét có thể không sét đến giai đoạn đầu sóng và dạng sóng tính toán được chọn theo dạng hàm số mũ (hình 4)

0,6

10 20 30 40 50

is

is

Hình 4

Ts

1.3 Cường độ hoạt động của sét.

Cường độ hoạt động của sét được biểu thị bằng số ngày có giông séthàng năm (Nng.s) hoặc tổng số thời gian kéo dài của giông sét trong nămtính theo thời gian (Ng.s) Theo số liệu thống kê của nhiều nước, số ngày séthàng năm ở vùng xích đạo khoảng 100 ÷ 150 ngày, vùng nhiệt đới từ 75 ÷

100 ngày, vùng ôn đới khoảng 30 ÷ 50 ngày

2 TÌNH HÌNH GIÔNG SÉT Ở VIỆT NAM.

Việt Nam là một nước khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, hoạt động củagiông sét có cường 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 giông séttrên miền Bắc nước ta thường dao động trong khoảng từ 70 ÷ 100 ngày và

số lần giông từ 150 ÷ 300 lần, vùng giông sét nhiều nhất trên miền Bắc làvùng Tiên Yên - Móng Cái Tại đây hàng năm có từ 250 ÷ 300 lần Tậptrung trong khoảng từ 100 ÷ 110 ngày Tháng nhiều giông nhất là các tháng

7, 8 có tới 25ngày/tháng Nơi ít giông nhất miền Bắc là vùng Quảng

Bình, hàng năm chỉ có khoảng 80 ngày giông

Nhìn chung ở Bắc bộ mùa giông tập trung trong khoảng từ tháng 5 ÷tháng 6, ở phía Tây của Trung Bộ và Bắc Bộ mùa giông tương đối sớmhơn Bắt đầu vào tháng 4 quá trình diễn biến của mùa giông thường có xê

dịch trong khoảng tháng 5, tháng 6 là nhiều nhất Ở miền Nam cũng khá

nhiều giông, hàng năm trung bình quan sát được từ 40 ÷ 50 ngày (đến 100

ngày tuỳ nơi) khu vực nhiều giông nhất là vùng Đồng bằng Nam Bộ, số

ngày giông 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 4 ÷ tháng 9 trừ tháng 11 có số ngày giông trung bình 10 ngày/1

tháng Còn suốt 6 tháng từ tháng 5 ÷ 11 mỗi tháng đều quan sát được trung

bình từ 15 ÷ 20 ngày giông

Ở Tây Nguyên, trong mùa đông thường chỉ 2 ÷ 3 tháng số ngày

giông đạt tới 1 ÷ 5 ngày Đó là các tháng 4, 5, 9 Tháng cực đại (tháng 5)

trung bình quan sát được chừng 15 ngày giông

Qua khảo sát số liệu ở trên ta thấy rằng tình hình giông sét trên 3

miền khác nhau nhưng có những vùng lân cận nhau, mật độ giông sét

tương đối giống nhau Để tổng kết tình hình giông sét ở Việt Nam một cách

hệ thống qua kết quả nghiên cứu của đề tài KC-03-07 người ta đã lập được

bản đồ phân vùng giông trong đó nêu rõ toàn thể lãnh thổ Việt Nam có thể

phân thành 5 vùng 147 khu vực

trung bình (ngày/năm)

giơ giông trung bình (ngày/năm)

Mật độ sét trung bình (lần/km)

tháng giông cực đại

1 Đồng bằng ven biển Miền

Bắc

Bảng 1 : Thông số về giông sét ở các vùng

Từ các số liệu về ngày giờ giông, số liệu đo lường nghiên cứu thựchiện qua các giai đoạn, có thể tính toán để đưa ra số liệu dự kiến về mật độphóng điện xuống đất cho các khu vực như ở bảng 2.

Qua số liệu nghiên cứu ở trên ta thây rằng Việt Nam là nước có sốngày giông nhiều, mật độ sét lớn Vì vậy giông sét là hiện tượng thiênnhiên gây ra nhiều thiệt hại cho lưới điện và các công trình quan trọng củaViệt Nam

Số ngày

giông

Khu vực ven biển miền Bắc

Khu vực trung du miền Bắc

Khu vực cao nguyên miền Ttrung

Khu vực ven biển miền Trung

Khu vực ven biển miền Nam

và các đường dây trên không là rất cần thiết

Ở những vùng lãnh thổ khác nhau, do điều kiện khí hậu và trang thiết

bị kỹ thuật khác nhau nên đặc điểm về giông sét, tính chất và mức độ táchại do giông sét gây ra cũng khác nhau Vì vậy, việc tiếp thu các kết quảnghiên cứu về các thông số giông sét đặc tính hoạt động giông sét của từngvùng, từng khu vực để có những biện pháp chống sét cho hiệu quả và thíchhợp

Chương 1

Đối với trạm biến áp theo thiết kế trong đồ án này thì các thiết bị điệncủa trạm được đặt ngoài trời (như máy biến áp, máy cắt, máy biến áp đolường…) nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quảnặng nề (làm hỏng đến các thiết bị trong trạm và gây nên những tổn thất vêkinh tế cho những ngành công nghiệp khác do bị ngừng cung cấp điện vàảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt của con người) Do vậy trạm biến ápthường có yêu cầu bảo vệ rất cao.

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người tadùng hệ thống cột chống sét, dây thu sét Tác dụng của hệ thống này là tậptrung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo

ra khu vực an toàn bên dưới hệ thống này Cột chống sét làm bằng sắt, bêtông hay cột gỗ

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sétvào hệ nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nốiđất của bộ phận 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 bộphận thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến các thiết bị khácgần đó Bởi vì khi có sét đánh vào bộ phận chống sét thì trên đó có mộtđiện áp dư, nếu điện áp dư này đủ lớn thì nó có thể phóng điện qua các thiết

bị khác lân cận Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trựctiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý

và đảm bảo về yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật

II Tính toán thiết kế các phương án bố trí cột chống sét

Dựa vào đặc điểm của trạm ta có thể đặt cột chống sét độc lập hay trênkết cấu của trạm biến áp Ta bố trí sơ bộ cột chống sét và số lượng cộtchống sét trên cơ sở tận dụng các độ cao của các thiết bị kết cấu của trạm

1.Các công thức sử dụng để tính toán

a) Cột chống sét

*) Độ cao cột chống sét:

h =hx + ha (1-1) Trong đó: + hx : độ cao của vật được bảo vệ

+ ha : độ cao tác dụng của cột chống sét, được xác định theotừng nhóm cột (ha ≥ D/8 m)

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

*) Phạm vi bảo vệ của cột chống sét

- Phạm vi bảo vệ của một cột chống sét độc lập sẽ là một miền xác địnhbởi mặt ngoài của một hình chóp nón tròn xoay có đường sinh là đườngcong và bán kính bảo vệ đối với vật cao hx được tính như sau:

) ( )

h h ( h h

Trong đó: - h: là độ cao của cột thu sét

- rx: là bán kính của phạm vi bảo vệ ở đô cao hx Tuy nhiên việc sử dụng công thức (1-2) trong thực tế thì mà người tachia ra các trường hợp sau để tính toán dạng công thức đơn giản hoá:

+ Nếu hx≤ 2/3h

) h ,

h (

h ,

x

8 0 1 5

= (1-3) + Nếu hx > 2/3h

) h

h (

h ,

x = 0 75 1 − (1- 4)

Trong thực tế có những công trình rất rộng do đó đòi hỏi độ cao của mộtcột là rất lớn gây khó khăn cho thi công nên người ta thường phối hợpnhiều cột chống sét với nhau.

- Phạm vi bảo vệ của nhiều cột phối hợp với nhau lớn hơn nhiều so vớiphạm vi bảo vệ của nhiều cột độc lập Trước tiên xét trường hợp hai cộtchống sét: phạm vi giữa hai cột được bảo vệ nếu a < 7.h (với a là khoảngcách giữa hai cột chống sét)

Khi có hai cột chống sét đặt gần nhau thì phạm vi bảo vệ ở độ cao lớnnhất giữa hai cột là ho và được xác định theo công thức:

) ( a

) 6 1(

h

h 1

6 ,1 r

o x

- Trường hợp hai cột chống sét có độ cao khác nhau thì việc xác địnhphạm vi bảo vệ được xác định như sau:

- Khi có hai cột chống sét 1 và 2 có độ cao h1 và h2 khác nhau:

0.75h 2 1,5h 2

0.75h 1

1,5h 1 a

Hình 1.2: Phạm vi bảo vệ của hai cột chống sét có độ cao khác độ cao.

- Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột chống sét 2’ có độ cao h2 , khi đó cáckhoảng cách a12 = a; a12’ = a' Khi đó xác định được các khoảng cách x và a'như sau với giả sử h2 > h1

+ Nếu h1 > 2.h2/3:

a’ = a- 0,75(h2 – h1) (1-7) + Nếu h1 ≤ 2.h2/3:

a’ = a – 1,5.h2  − 2 

1

8 0

1

h ,

h

(1-8) Đối với trường hợp khi có hai cột chống sét cao bằng nhau ta có phạm vibảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho :

7

ah

ho = − (1-9)Tương tự ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột 1 và 2 là:

7

a' h

ho = 2 − (1-10)

+ Nếu hx > 2.h0/3 ta có:

r0x = 0,75.h0(1- hx/h0) (1-11) + Nếu hx ≤ 2h0/3 ta có;

r0x =  − 0 

0

8 0 1 5 1

h ,

h h

.

(1-12)

- Xác định đường kính của ba cột chống sét:

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một tam giác hoặc tứ giác thì

độ cao của cột chống sét phải thoả mãn: D ≤ 8ha

Trong đó: + D: Là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác ( hoặc tứgiác), tạo bởi các chân cột đó là phạm vi mà nhóm cột có thể bảo vệ được + ha : Là độ cao tác dụng của cột chống sét.

+Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột chống sét bao giờ cũng lớn hơnphạm vi bảo vệ của cột đơn cộng lại Điều kiện để cho hai cột chống sét cóthể phối hợp được với nhau để bảo vệ được vật có độ cao hx nào đó là: a ≤7h

Để xác định đường kính của đường tròn ngoại tiếp tam giác ta sử dụngcác công thức tính diện tích tam giác sau:

S =

R

c b a

4 ; S = p ( p − a ).( p − b ).( p − c )

) ( ) c p ).(

b p ).(

a p (

p

c b a

+ R: là bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;3)

- Xác định đường kính của đường tròn đi qua bốn đỉnh của tứ giác:

Ta có công thức xác định đường kính của hình chữ nhật sau:

2 2 2

1 l l

D = + (1-14)

b) Dây thu sét

*) Độ cao của dây thu sét

h = hx + ha (1-15) Trong đó: + hx là độ cao trung bình của dây dẫn

+ ha là độ cao tác dụng của dây thu sét

*) Phạm vi bảo vệ của dây thu sét

- Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng dọc theo chiều dài củadây dẫn

*) Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét

- Khi hx ≤2h/3:

h h

,

x

8 0 1 2

x 0 6 1 (1-17)

*) Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét

Khi đặt hai dây thu sét cách nhau một khoảng s = 4h thì mọi điểmtrên mặt đất được bảo vệ nếu khoảng cách s < 4h Phần bên ngoài củaphạm vi bảo vệ được xác định như trường hợp một dây, còn phần bên trongđược giới hạn bởi vòng cung qua ba điểm: hai điểm treo dây chống sét và

điểm giữa có độ cao

4

a h

ho = −

Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

2 Các số liệu dùng để tính toán thiết kế cột chống sét bảo vệ trạm biến áp

- Trạm có diện tích là: 100m x64m và bao gồm:

+ Hai máy biến áp T1 và T2

+ 4 lộ 110kV đi vào

- Độ cao các thanh xà phía 110kV là 10,7m.

Hình 1.4: Sơ đồ bố trí các cột thu sét trong phương án 1

b)Xác định độ cao của các cột chống sét

+Xét nhóm cột 1;2;4;5 ta có:

Nhóm cột này tạo thành hình chữ nhật có đường chéo chính như sau:

) m ( 5 , 37 5 , 25 5 , 27 l

l

14

2 12

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 69 , 4 8

5 , 37 8

l

5 2

2 23

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 69 , 4 8

5 , 37 8

l

5 4

2 7 4

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 69 , 4 8

5 , 37 8

l

6 5

2 8 5

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 69 , 4 8

5 , 37 8

l

8 7

2 10 7

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là: