Đồ án hệ thống điện nguyễn đức anh

Để đảm bảo cho việc cung cấp điện thường xuyên và liên tục cho các phụ tải điện ta phải tìm ra các biện pháp, các phương pháp hữu hiệu để bảo vệ cho các đường dây tải điện và các thiết b

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa, ngành điện giữ một vai trò rất quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế đất nước Trong cuộc sống hiện đại, điện năng rất cần cho cuộc sống sinh hoạt và phục vụ sản xuất

Nền kinh tế càng phát triển thì nhu cầu điện năng càng tăng lên Nhiệm vụ đặt ra cho ngành điện là phải đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đó Vì vậy việc xây dựng và

mở rộng thêm các nhà máy thủy điện, các trạm biến áp và các đường dây tải điện là không thể thiếu với mỗi quốc gia Để đảm bảo cho việc cung cấp điện thường xuyên

và liên tục cho các phụ tải điện ta phải tìm ra các biện pháp, các phương pháp hữu hiệu để bảo vệ cho các đường dây tải điện và các thiết bị trong trạm…Trong đó, việc tính toán bảo vệ chống sét cho các nhà máy điện, trạm điện và đường dây tải điện là một việc làm hết sức cần thiết vì sét là một hiện tượng đặc biệt của thiên nhiên có thể gây ra nguy hiểm với tính mạng của con người và thiệt hại do sét gây

Phần I: Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV Bỉm Sơn

Phần II: Nghiên cứu ảnh hưởng vị trí đặt chống sét van trong đoạn tới TBA khi bảo vệ chống sét đánh lan truyền cho TBA

Trong thời gian thực hiện đồ án, với sự lỗ lực của bản thân và được sự giúp đỡ

tận tình của các thầy cô giáo, đặc biệt là cô giáo TS Đặng Thu Huyền đến nay em

đã hoàn thành bản đồ án này Em mong nhận được sự đánh giá, nhận xét của các thầy cô giáo trong khoa Kỹ thuật điện

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2016

Sinh viên

Nguyễn Đức Anh

NHẬN XÉT

HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG

BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TBA 220KV BỈM SƠN 8

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 82.3 Lý thuyết để tính phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét 9

2.3.4

2.4 Các phương án bố trí cột thu lôi và dây thu sét 15

2.4.1

Phương án 2: vừa sử dụng cột thu lôi, vừa sử dụng dây chống sét 212.4.2

2.4.2.1 Bố trí các cột thu lôi và dây chống sét 21

2.4.3

CHƯƠNG III

BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 53

4.1 Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây 534.2 Lý thuyết tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây 53

4.3.1

4.3.1.2 Độ treo cao trung bình của dây dẫn và dây chống sét 574.3.1.3 Tổng trở sóng của dây dẫn và dây chống sét 614.3.1.4 Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn các pha với dây chống sét 62

2 Giới thiệu về chương trình EMTP và xây dựng mô hình các phần tử 90

2.2.2 Mô hình đường dây 92

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.2 Số ngày dông sét trong các tháng ở một số vùng 4

Bảng 2.1 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1 17

Bảng 2.2 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 1 18

Bảng 2.3 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột Phương án 1 20

Bảng 2.4 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phía 220kV phương án 2 22

1ek

T 2

1ek



 khi nối đất mạch vòng thanh cọc 47

Bảng 3.6 Hệ số sử dụng của thanh khi nối cọc theo dãy 50

Bảng 4.1 Bảng xác suất hình thành hồ quang η = f (Elv) 55

Bảng 4.3 Giá trị Ucd (a, t) tác dụng lên chuỗi sứ khi sét đánh vào khoảng vượt 71

Bảng 4.4 Giá trị Ii = ai.ti khi sét đánh vào khoảng vượt 72

Bảng 4.5 Giá trị υpd khi sét đánh vào khoảng vượt 73

Bảng 4.6 Kết quả tính giá trị Ucd khi sét đánh vào đỉnh cột 85

Bảng 4.7 Giá trị Ii = ai.ti khi sét đánh vào đỉnh cột 86

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét 3

Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi (đường sinh gấp khúc) 10

Hình 2.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau 11

Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau 12

Hình 2.5 Phạm vi bảo vệ của nhóm 3 cột (a) và 4 cột (b) thu lôi có độ cao bằng

Hình 2.8 Mặt bằng trạm và sơ đồ bố trí các thiết bị trạm 220kV Bỉm Sơn 15

Hình 2.10 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét Phương án 1 21

Hình 2.11 Sơ đồ bố trí cột thu sét và dây thu sét phương án 2 22

Hình 2.12 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây thu sét phương án 2 26

Hình 2.14 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét phương án 3 32

Hình 3.2 Sơ đồ nối đất nhân tạo mạch vòng tương đương 38

Hình 4.3 Ảnh qua mặt đất của dây dẫn và dây chống sét 62

Hình 4.4 Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 66

Hình 4.8 Đồ thị giá trị Ucd (a, t) khi sét đánh vào khoảng vượt 70

Hình 4.9 Đường cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vào khoảng vượt 72

Hình 4.10 Sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 74

Hình 4.11 Sơ đồ thay thế mạch khi chưa có sóng phản xạ 76

Hình 4.14 Đường cong nguy hiểm khi sét đánh vào đỉnh cột 87

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

EMTP - Chương trình quá độ điện từ (ElectroMagnetic Transients

Programme) CPDL - Đường dây phân bố có tham số cố định (Constant parameter

Distributed Line) IEEE - Viện Kỹ nghệ Điện và Điện tử (Institute of Electrical and

Electronics Engineers) FACTS - Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt(Flexible

Alternating Current Transmission System) SVC - Tụ bù tĩnh (Static VAR Compensator)

STARTCOM - Bù đồng bộ tĩnh (Static Synchronous Compensator )

TCSC - (Thyristor controlled series capacitor)

MOV - Điện trở phi tuyến (Metal Oxyd Varistor)

CIGRE - Hiệp hội quốc tế các hệ thống điện lớn (Conseil International

des Grands Réseaus Electriques)

O YgYgD - Tổ đấu dây Y0 /Y0 /∆ biểu tượng tròn

PHẦN I:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP

220KV BỈM SƠN

CHƯƠNG I HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ

ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng bao gồm nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp và các hộ tiêu thụ điện Trong đó trạm biến áp, đường dây

là các phần tử có số lượng lớn và khá quan trọng Trong quá trình vận hành các phần tử này chịu ảnh hưởng rất nhiều sự tác động của thiên nhiên như: mưa, gió, bão và đặc biệt nguy hiểm khi bị ảnh hưởng của sét Khi có sự cố sét đánh vào trạm biến áp hoặc đường dây sẽ gây hư hỏng cho các thiết bị trong trạm dẫn tới việc gián đoạn cung cấp điện và gây thiệt hại lớn tới nền kinh tế

Để nâng cao mức độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu chi phí thiệt hại và nâng cao độ an toàn khi vận hành chúng ta phải tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho

Trong giai đoạn đầu phát triển của cơn dông, khối không khí nóng ẩm chuyển động thẳng đứng trong đám mây Sự phân bố điện tích trong mây dông khá phức tạp Khảo sát thực nghiệm cho thấy, thông thường mây dông có kết cấu như sau: vùng điện tích âm chính nằm ở khu vực độ cao 6 km, vùng điện tích dương ở phần trên đám mây ở độ cao 8-12km và một khối điện tích dương nhỏ phía dưới chân mây Khi các vùng điện tích đủ mạnh sẽ xảy ra phóng điện sét

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 tích 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 với mật độ điện tích lớn, có thể tạo ra cường

độ điện trường lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất Giai đoạn này là giai đoạn phóng điện tiên đạo Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích lớn Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo ở lần phóng đầu tiên khoảng 1,5.107cm/s Ở các lần phóng điện tiếp theo sẽ thanh hơn có thể đạt tới 20.108 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 nhiều điện tích dương Nếu điện tích ở dưới mặt đất đồng đều (điện trở suất ở mọi thời điểm đều như nhau) thì tia tiên đạo 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 nơi có điện trở suất nhỏ và đây cũng là mục tiêu của tia tiên đạo, đó cũng là tính chọn lọc của phóng điện sét

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét

Tia tiên đạo càng gần mặt đất thì cường độ điện trường càng lớn, quá trình ion hóa càng mãnh liệt tạo nên nhiều thác điện tử và có thể có dòng 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 tới trị số 0 và lúc này quá trình phóng điện kết thúc

Tình hình dông sét ở Việt Nam

1.1.2.

Việt Nam là một trong những nước khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét khá mạnh Theo tài liệu thống kê cho thấy trên mỗi miền đất nước Việt Nam có một đặc điểm và mùa dông sét khác nhau:

Ở miền Bắc mùa dông sét tập trung trong khoảng từ tháng 5 đến tháng 9, số ngày dông dao động từ 70110 ngày trong một năm và số lần dông từ 150300 lần, như vậy trung bình một ngày có thể xảy ra từ 23 cơn dông Vùng dông sét nhiều nhất ở miền Bắc là Móng Cái Tại đây hàng năm có từ 250300 lần dông tập trung trong khoảng 100110 ngày Tháng nhiều dông sét nhất là các tháng 7, tháng 8 Một số vùng có địa hình thuận lợi thường là khu vực chuyển tiếp giữa vùng núi và vùng đồng bằng, số trường hợp dông sét cũng lên tới 200 lần, số ngày dông sét lên đến 100 ngày trong một năm Các vùng còn lại có từ 150200 cơn dông mỗi năm, tập trung trong khoảng 90100 ngày

Vùng phía Bắc duyên hải Trung Bộ là khu vực tương đối nhiều dông sét trong tháng 4, từ tháng 5 đến tháng 8 số ngày dông khoảng 10 ngày/tháng, tháng nhiều dông sét nhất (tháng 5) quan sát được 1215 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng ), những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) dông sét còn ít, mỗi tháng chỉ gặp từ 25 ngày dông sét

Tia tiên đạo

Địa điểm phụ thuộc điện trở suất

Hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt

Dòng của phóng điện ngược

Hoàn thành phóng điện sét

Phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) là khu vực ít dông sét nhất, thường chỉ có trong tháng 5, số ngày dông sét khoảng 10 ngày/tháng như Tuy Hoà 10 ngày/tháng, Nha Trang 8 ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng

Ở miền Nam, khu vực nhiều dông sét nhất là ở đồng bằng Nam Bộ từ 120140 ngày/năm, như ở thành phố Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/năm Mùa dông sét ở miền Nam dài hơn mùa dông sét ở miền Bắc đó là từ tháng 4 đến tháng 11 trừ tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày dông sét đều quan sát được trung bình có từ 1520 ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dông sét nhất trung bình gặp trên 20 ngày dông/tháng như ở thành phố Hồ Chí Minh

22 ngày, Hà Tiên 23 ngày

Ở khu vực Tây Nguyên, mùa dông sét ngắn hơn và số lần dông sét cũng ít hơn, tháng nhiều dông sét nhất là tháng 5 cũng chỉ quan sát được khoảng 15 ngày dông ở Bắc Tây Nguyên, 1012 ngày ở Nam Tây Nguyên, KonTum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, Plêiku 17 ngày

Bảng 1.1 Thông số dông sét của một số vùng

Vùng

Số ngày dông trung bình

( ngày/năm)

Số giờ dông trung bình ( giờ/năm)

Mật độ sét trung bình

Tháng nhiều dông sét nhất

Cao Bằng 0,2 0,6 4,2 5,9 12 17 20 19 10 11 0,5 0,0 94 Bắc Cạn 0,1 0,3 3,0 7,0 12 18 20 21 10 2,8 0,2 0,1 97 Lạng Sơn 0,2 0,4 2,6 6,9 12 14 18 21 10 2,8 0,1 0,0 90 Móng Cái 0,0 0,4 3,9 6,6 14 19 24 24 13 4,2 0,2 0,0 112 Hồng Gai 0,1 0,0 1,7 1,3 10 15 16 20 15 2,2 0,2 0,0 87

Hà Giang 0,1 0,6 5,1 8,4 15 17 22 20 9,2 2,8 0,9 0,0 102 SaPa 0,6 2,6 6,6 12 13 15 16 18 7,3 3,0 0,9 0,3 97

Lào Cai 0,4 1,8 7,0 10 12 13 17 19 8,1 2,5 0,7 0,0 93 Yên Bái 0,2 0,6 4,1 9,1 15 17 21 20 11 4,2 0,2 0,0 104 Tuyên Quang 0,2 0,0 4,0 9,2 15 17 22 21 11 4,2 0,5 0,0 106 Phú Thọ 0,0 0,6 4,2 9,4 16 17 22 21 11 3,4 0,5 0,0 107 Thái Nguyên 0,0 0,3 3,0 7,7 13 17 17 22 12 3,3 0,1 0,0 97

Hà Nội 0,0 0,3 2,9 7,9 16 16 20 20 11 3,1 0,6 0,9 99 Hải Phòng 0,0 0,1 7,0 7,0 13 19 21 23 17 4,4 1,0 0,0 111 Ninh Bình 0,0 0,4 8,4 8,4 16 21 20 21 14 5,0 0,7 0,0 112 Lai Châu 0,4 1,8 13 12 15 16 14 14 5,8 3,4 1,9 0,3 93 Điện Biên 0,2 2,7 12 12 17 21 17 18 8,3 5,3 1,1 0,0 112 Sơn La 0,0 1,0 14 14 16 18 15 16 6,2 6,2 1,0 0,2 99 Nghĩa Lộ 0,2 0,5 9,2 9,2 14 15 19 18 10 5,2 0,0 0,0 99 Thanh Hoá 0,0 0,2 7,3 7,3 16 16 18 18 13 3,3 0,7 0,0 100 Vinh 0,0 0,5 6,9 6,9 17 13 13 19 15 5,6 0,2 0,0 95 Con Cuông 0,0 0,2 13 13 17 14 13 20 14 5,2 0,2 0,0 103 Đồng Hới 0,0 0,3 6,3 6,3 15 7,7 9,6 9,6 11 5,3 0,3 0,0 70 Cửa Tùng 0,0 0,2 7,8 7,8 18 10 12 12 12 5,3 0,3 0,0 85

PHÍA NAM Huế 0,0 0,2 1,9 4,9 10 6,2 5,3 5,1 4,8 2,3 0,3 0,0 41,8

Đà Nẵng 0,0 0,3 2,5 6,5 14 11 9,3 12 8,9 3,7 0,5 0,0 69,5 Quảng Ngãi 0,0 0,3 1,2 5,7 10 13 9,7 1,0 7,8 0,7 0,0 0,0 59,1 Quy Nhơn 0,0 0,3 0,6 3,6 8,6 5,3 5,1 7,3 9,6 3,3 0,6 0,0 43,3 Nha Trang 0,0 0,1 0,6 3,2 8,2 5,2 4,6 5,8 8,5 2,3 0,6 0,1 39,2 Phan Thiết 0,2 0,0 0,2 4,0 13 7,2 8,8 7,4 9,0 6,8 1,8 0,2 59,0 Kon Tum 0,2 1,2 6,8 10 14 8,0 3,4 0,2 8,0 4,0 1,2 0,0 58,2

Plêiku 0,3 1,7 5,7 12 16 9,7 7,7 8,7 17 9,0 2,0 0,1 90,7

Đà Lạt 0,6 1,6 3,2 6,8 10 8,0 6,3 4,2 6,7 3,8 0,8 0,1 52,1 Blao 1,8 3,4 11 13 10 5,2 3,4 2,8 7,2 7,0 4,0 0,0 70,2 Sài Gòn 1,4 1,0 2,5 10 22 19 17 16 19 15 11 2,4 138 Sóc Trăng 0,2 0,0 0,7 7,0 19 16 14 15 13 1,5 4,7 0,7 104

Hà Tiên 2,7 1,3 10 20 23 9,7 7,4 9,0 9,7 15 15 4,3 128

Từ bảng trên ta thấy Việt Nam là nước phải chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét, đây là điều bất lợi cho hệ thống điện, đòi hỏi ngành điện phải đầu tư tốt vào các thiết bị chống sét, đồng thời phải chú trọng khi tính toán thiết kế các công trình điện để hệ thống điện vận hành kinh tế, hiệu quả, đảm bảo cung cấp điện liên tục và tin cậy

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Việt Nam

Khi có sét, biên độ dòng sét có thể đạt tới hàng trăm kA, đây là nguồn sinh nhiệt

vô cùng lớn khi dòng điện sét đi qua Thực tế đã có dây tiếp địa do phần nối đất không tốt, khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị nóng chảy và đứt, thậm chí có cách điện bằng sứ khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch Phóng điện sét còn kèm theo việc di chuyển trong không gian lượng điện tích lớn, do đó tạo ra điện từ trường rất mạnh, đây là nguồn gây nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử, ảnh hưởng của nó rất rộng, ở cả những nơi cách xa hàng trăm km

Khi sét đánh thẳng vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần khu vực đường dây

có đi qua sẽ sinh ra sóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây nên ngắn mạch pha-đất hoặc ngắn mạch pha-pha buộc các thiết bị bảo vệ đầu đường dây phải làm việc Với những đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy

cắt cắt có thể gây mất ổn định cho hệ thống, nếu hệ thống tự động ở các nhà máy điện làm việc không nhanh có thể dẫn đến rã lưới Sóng sét còn có thể truyền từ đường dây vào trạm biến áp hoặc sét đánh thẳng vào trạm biến áp đều gây nên phóng điện trên cách điện của trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm vì nó tương đương với việc ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng Mặt khác, khi có phóng điện sét vào trạm biến áp, nếu chống sét van ở đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại

vô cùng lớn

Trong tổng số sự cố của đường dây 220kV Phả Lại - Hà Đông nguyên nhân do sét là 8/22 chiếm 36,36% Vì đường dây Phả Lại-Hà Đông là đường dây quan trọng của miền Bắc nên lấy kết quả trên làm kết quả chung cho sự cố lưới điện toàn miền Bắc

Qua đó ta thấy rằng sự cố do sét gây ra rất lớn, nó chiếm chủ yếu trong sự cố lưới điện, vì vậy dông sét là mối nguy hiểm lớn nhất đe doạ hoạt động của hệ thống điện

1.3 Vấn đề chống sét

Ảnh hưởng của sét là rất lớn tới các công trình xây dựng nói chung và các công trình điện nói riêng Do đó vấn đề chống sét cho các công trình là đặc biệt cần thiết

và quan trọng, nhằm hạn chế ảnh hưởng do sét gây ra Để làm được điều đó, người

ta đặt các cột thu sét cho các công trình để thu dòng sét xuống đất Đối với các đường dây tải điện trên không, do khoảng cách đường dây là rất lớn, trải dài trên nhiều vùng địa hình nên ta sử dụng dây chống sét để chống sét cho đường dây tải điện Ngoài ra ta còn sử dụng các thiết bị bảo vệ chống sét như bảo vệ chống sét van, bảo vệ chống sét ống để hạn chế tác động của dòng sét cho các thiết bị, tránh được các hậu quả nghiêm trọng có thể xảy ra

Kết luận: Sau khi nghiên cứu tình hình dông sét ở Việt Nam và ảnh hưởng của

dông sét tới hệ thống điện, ta thấy rằng việc tính toán chống sét cho đường dây tải điện và trạm biến áp là rất cần thiết Vì vậy, việc đầu tư nghiên cứu chống sét đúng mức rất quan trọng nhằm giảm thiểu thiệt hại do dông sét gây ra, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trong vận hành hệ thống điện

CHƯƠNG II BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO

TBA 220KV BỈM SƠN

2.1 Khái niệm chung

Trạm biến áp 220kV có các thiết bị đặt ngoài trời, khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nghiêm trọng, làm hư hỏng các thiết bị điện, có thể phải ngừng cung cấp điện năng trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến sản xuất

và gây ra những chi phí tốn kém cho ngành điện, ảnh hưởng đến nền kinh tế quốc dân Do vậy, trạm biến áp thường có yêu cầu bảo vệ khá cao

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta thường dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi 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 các khu vực an toàn bên dưới hệ thống này

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ thống nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của

bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện sét một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến các thiết bị khác gần đó

Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm gọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ Ở đây, hệ thống bảo vệ trạm 220kV ta dùng hệ thống cột thu lôi hoặc dây thu lôi, hệ thống này có thể đặt ngay trên bản thân công trình hoặc độc lập tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể

Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm

vi bảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi Tuy nhiên cách điện của trạm phải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang thiết

bị, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mức cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ

Đối với trạm biến áp có điện áp từ 110kV trở lên có mức cách điện khá cao (cụ thể khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) do đó có thể đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm, gắn vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuếch tán vào hệ thống nối đất theo 3 đến 4 thanh nối đất với hệ thống, mặt khác phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất bé

Khâu yếu nhất trong trạm biến áp ngoài trời điện áp từ 110kV trở lên 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 hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp là phải lớn hơn 15m theo đường điện

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

Đối với cấp điện áp 110kV trở lên cần phải chú ý:

 Ở nơi các kết cấu đó có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ sung nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4 (ứng với tần số công nghiệp)

 Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột thu lôi

và bộ phận mang điện không được bé hơn độ dài chuỗi sứ

Có thể nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp điện

áp 110kV nếu như các yêu cầu trên được thực hiện Khi dùng cột thu lôi độc lập thì cần phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến các vật cần được bảo vệ

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện phải được cho vào ống chì và chôn trong đất Có thể nối dây chống sét vào hệ thống nối đất của trạm nếu như khoảng cách từ chỗ nối đất của điểm nối đất ấy đến điểm nối đất của máy biến áp lớn hơn 15m

2.3 Lý thuyết để tính phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét Tính toán chiều cao cột thu lôi

 hx : là độ cao công trình cần bảo vệ

 ha : là độ cao tác dụng của cột thu lôi, được xác định theo từng nhóm cột cụ thể

Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi

Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi có độ cao là h tính cho độ cao hx là một hình chóp tròn xoay có đường sinh được xác định như sau:



Trong đó:

 h: chiều cao cột thu lôi

 hx: chiều cao cần được bảo vệ

 (h-hx) = ha: chiều cao hiệu dụng

Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc ABC được xác định như sau:

Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi (đường sinh gấp khúc)

Các công thức trên chỉ sử dụng cho hệ thống thu sét có độ cao h < 30m

Khi h > 30m ta cần hiệu chỉnh các công thức đó theo hệ số p, với 5,5

ph

h 0,8h 2h/3

h x

A B

Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi

2.3.3.

2.3.3.1 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi

a Hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau

Xét 2 cột thu lôi có độ cao bằng nhau h1 = h2 = h, cách nhau 1 khoảng a

Hình 2.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau

 Khi a > 7h thì phạm vi bảo vệ sẽ là của hai cột độc lập

 Khi a = 7h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa 2 cột không bị sét đánh vào

 Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h0được xác định như sau: h0 h a

7

- Xét phạm vi bảo vệ:

 Phần ngoài: giống như phạm vi bảo vệ của từng cột độc lập

 Phần giữa: cung tròn đi qua 3 đỉnh cột 1, 2, 3 (điểm 3 là điểm đặt cột giả tưởng có độ cao h0)

- Tính toán phạm vi bảo vệ:

 Bán kính bảo vệ của từng cột: rx1 = rx2 = rx

 Bán kính bảo vệ giữa hai cột: r0x

 Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa hai cột:h0 h a

b Hai cột thu lôi có độ cao khác nhau

Xét hai cột thu lôi có độ cao là h1 và h2, đặt cách nhau một khoảng a được bố trí như hình vẽ:

O

Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau

- Xác định phạm vi bảo vệ:

 Phần ngoài: giống như phạm vi bảo vệ của từng cột độc lập

 Phần trong: từ đỉnh cột h1 dóng đường thẳng nằm ngang cắt phạm vi bảo vệ của cột h2 tại 3‟, với 3‟ là vị trí đặt cột giả tưởng có độ cao h1

 Phần giữa: giống như của hai cột có cùng độ cao h1

(O O1 '3  a ' O O1 2O O'3 2  a x, x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giả tưởng h‟)

- Tính toán phạm vi bảo vệ:

 Tính bán kính bảo vệ từng cột rx1, rx2

 Tính bán kính bảo vệ giữa hai cột rx0

 Khoảng cách giữa cột thấp và cột giả tưởng 3: a‟ = a – x

 Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1 và 3‟: h01 3' h1 a '

7

  

2.3.3.2 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu lôi

Với những công trình có mặt bằng rộng lớn, nếu chỉ sử dụng một hoặc một vài cặp cột thì sẽ gây khó khăn cho việc thi công lắp đặt vì độ cao của cột sẽ rất lớn Do

đó ta cần sử dụng nhiều cột thu sét để giảm độ cao của cột Phần ngoài của phạm vi bảo vệ được xác định như từng đôi cột (yêu cầu khoảng cách a 7h) Không cần vẽ

Hình 2.5 Phạm vi bảo vệ của nhóm 3 cột (a) và 4 cột (b) thu lôi có độ cao bằng nhau

Vật có độ cao hx nằm trong đa giác được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:

Trong đó:

 D: đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác được tạo bởi các cột thu lôi

 h: độ cao của cột thu sét

 hx: độ cao của vật cần được bảo vệ

2.3.4.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

Xét dây chống sét treo ở độ cao h bảo vệ cho độ cao hx

Chiều rộng của phạm vi bảo vệ cho độ cao hx là 2bx được xác định như sau:

Hình 2.6 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần hiệu chỉnh theo p

2.3.4.2 Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây chống sét thì khoảng cách giữa hai dây chống sét sẽ phải thỏa mãn điều kiện s ≤ 4h

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

Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống của một dây còn phần bên trong được giới

hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm treo dây chống sét và điểm có độ cao

2.4 Các phương án bố trí cột thu lôi và dây thu sét

- Trạm bién áp 220kV/110kV Bỉm Sơn gồm 4 máy biến áp T1, T2, AT1, AT2

- Các xà phía 110kV cao 11m, các xà phía 220kV cao 17 m

 Khảo sát mặt bằng trạm và chọn vị trí đặt cột thu lôi hoặc dây thu sét

 Tính chiều cao hiệu dụng lớn nhất của từng phía: ha max

 Tính chiều cao cột thu lôi các phía: h = hx + ha max

 Tính phạm vi bảo vệ và kiểm tra

Phương án 1: Sử dụng cột thu lôi

2.4.1.

2.4.1.1 Bố trí các cột thu lôi

Phương án bố trí các cột thu lôi được thể hiện như hình vẽ 2.9:

 Phía 110kV bố trí 14 cột, trong đó có 2 cột độc lập (cột 5, cột 6) và còn lại

Hình 2.9 Sơ đồ bố trí các cột thu lôi Phương án 1

2.4.1.2 Tính toán cho phương án 1

a Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét

Để tính được độ cao tác dụng của các cột thu sét ta phải xác định được đường kính đường tròn ngoại tiếp các đa giác đi qua chân các cột là D

Độ cao tác dụng phải thỏa mãn điều kiện:ha D

8

 Phía 110kV

Các cột 5,6,7,8,9 và các cột từ cột 11 đến cột 22 chia phía 110kV thành 6 hình chữ nhật và 7 tam giác

- Xét nhóm cột (5,6,12,11) tạo thành hình chữ nhật có kích thước:

 Chiều dài (cạnh 5-6, 11-12): a = 30m

Bảng 2.1 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1

Đa giác a (m) b (m) c (m) p (m) D (m) ha (m) ha max (m)

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị ta nâng cột lên 17,5m

Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại, ta có bảng sau:

Bảng 2.2 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 1

Đa giác a (m) b (m) D (m) ha (m) ha max (m)

9,06

Nhận xét:

Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là ha max = 9,06 m

Do độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 220kV là hx = 17m nên chiều cao của các cột thu sét là:

h = hx + ha max = 17 + 9,06 = 26,06 (m)

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị, ta hạ cột xuống 26m

b Tính toán phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi

Ta chỉ xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo chu vi của trạm do phần diện tích bên trong đã được bảo vệ Chiều cao các cột thu sét đều nhỏ hơn 30m nên trong công thức tính ta không cần nhân thêm hệ số hiệu chỉnh

 Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 17,5m là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m :

a‟ = a – x = 24,224 – 6,375 = 17,849m

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột h6 và cột giả tưởng có cùng độ cao là:

Tính toán tương tự cho các cặp cột còn lại của cả hai phía ta có bảng sau:

Bảng 2.3 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột Phương án 1

Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được thể hiện trong hình 2.10 sau:

Hình 2.10 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét Phương án 1

Đường màu đỏ: Phạm vi bảo vệ cho độ cao 17m

Đường màu xanh: Phạm vi bảo vệ cho độ cao 11m

Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra

Tổng số cột là 22 cột gồm 14 cột bên phía 110kV cao 17,5 m và 8 cột bên phía 220kV cao 26m

2.4.2.1 Bố trí các cột thu lôi và dây chống sét

Phương án bố trí các cột thu lôi và dây chống sét thể hiện như hình vẽ 2.11:

 Phía 220kV bố trí 8 cột giống như phương án 1 bao gồm cột từ 1 đến 8

 Phía 110kV treo 3 dây chống sét C-70 đặt trên các cột (9,10,11), (12,13,14), (15,16,17) mỗi dây dài 150m chia làm 2 khoảng dài 75m, khoảng cách giữa hai dây S = 30,5m và S = 20,389m

Hình 2.11 Sơ đồ bố trí cột thu sét và dây thu sét phương án 2

2.4.2.2 Tính toán cho phương án 2

a Tính phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV

Do các nhóm cột phía 220kV ở phương án này được bố trí giống với phía 220kV của phương án 1 nên theo tính toán ở phương án 1 ta có:

 Chiều cao các cột thu sét phía 220kV là 26m

 Bán kính bảo vệ của một cột 26m cho đô cao hx = 17m là rx = 7,125m

 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên như bảng sau:

Bảng 2.4 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phía 220kV phương án 2

b Tính phạm vi bảo vệ phía 110kV

 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét

- Tính độ cao treo dây thu sét

 Ta thiết kế hai dây thu sét có độ cao bằng nhau Để cho toàn bộ diện tích nằm trong hai dây được bảo vệ an toàn thì:

 S là khoảng cách giữa hay dây thu sét

 h0 là chiều cao lớn nhất được bảo vệ

 h là độ cao treo dây thu sét

g lf

 lkv: chiều dài khoảng vượt của dây thu sét, lkv = 150 m

 ςmax: ứng suất lớn nhất dây thu sét

Dây thu sét sử dụng ở đây là C-70 nên ta có các thông số để tính max:

 Nhiệt độ ứng với trạng thái bão: bao 25 0C

 Nhiệt độ ứng với trạng thái min: min 5 C0

 Tỷ tải do áp lực gió lên dây: v 2

Trong đó: - F là tiết diện dây chống sét, F = 70 mm2

- d là đường kính dây dẫn, với dây C-70 chọn d = 11mm

- v là tốc độ gió, tính với áp lực gió cấp 3 có v = 30 m/s

- α là hệ số biểu thị sự phân bố không đồng đều của gió lên khoảng cột Với v = 30 m/s thì α = 0,85

- C là hệ số động lực học không khí, phụ thuộc vào bề mặt chịu gió Với dây có đường kính d = 11mm < 20 mm thì C = 1,1

Vậy:

2 3

2 3

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị ta nâng cột đỡ dây lên 20m

- Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét cao 20m:

Chiều rộng của phạm vi bảo vệ ở độ cao hx = 11m :

- Phạm vi bảo vệ giữa hai dây thu sét cao 20m:

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai dây:

 Phạm vi bảo vệ của các cột đỡ dây

Chiều cao của các cột đỡ là 20m

- Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là:

Do a = 20,389m < 7h = 7.20 = 140m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột là:

Do a = 30,5m 7h = 7.20 = 140m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai

Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét và dây thu sét được thể hiện như hình sau:

Hình 2.12 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây thu sét phương án 2

Đường màu đỏ: Phạm vi bảo vệ của phía 220kV

Đường màu xanh da trời: Phạm vi bảo vệ của phía 110kV

Đường màu xanh lá cây: Dây chống sét

Kết luận: Phương án thỏa mãn yêu cầu đặt ra

 Phía 220kV dùng 8 cột cao 26m đặt trên xà cao 17m

 Phía 110kV treo 3 dây chống sét C70 dài 150m chia làm 2 khoảng dài 75m đặt trên 9 cột đỡ cao 19m trong đó 5 cột đặt trên xà cao 11m và 4 cột độc lâp

bx = 7500

bx = 7500

Tổng chiều dài cột là:

L220 = 8.(26 – 17) = 72m

L110 = 5.(20 – 11) + 4.20 = 125m

LpaII = L110 + L220 = 72 + 120 = 192m Tổng chiều dài của dây thu sét là:

Ldcs = 3.150 = 450m

Phương án 3: sử dụng dây thu sét 2.4.3.

2.4.3.1 Bố trí dây thu sét

Phương án bố trí các dây chống sét được thể hiện trên hình vẽ 2.13

 Phía 220kV treo 4 dây thu sét C-70 trong đó 3 dây mỗi dây dài 136m chia làm 2 khoảng 68m, 1 dây dài 190,111m chia làm 3 khoảng gồm 2 khoảng 68m và 1

khoảng 54,111m, khoảng cách giữa hai dây S = 17,5m và S = 17m

 Phía 110kV treo 3 dây thu sét C-70 mỗi dây dài 150m chia làm 2 khoảng, 1 khoảng 70m, 1 khoảng 80m, khoảng cách giữa 2 dây S = 22,5m và S = 18m

Hình 2.13 Sơ đồ bố trí dây thu sét phương án 3

2.4.3.2 Tính toán cho phương án 3

a Tính độ cao treo dây thu sét

b Tính phạm vi bảo vệ của các dây thu sét

Ta xét phần bên ngoài phạm vi bảo vệ của dây thu sét được xác định giống như trường hợp một dây và phạm vị bảo vệ của các cột đỡ hai bên đầu mút dây thu sét, còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung qua ba điểm: hai điểm treo dây thu sét và điểm giữa có độ cao 0 S

4

 Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét

- Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét phía 220kv cao 23m:

- Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét phía 110kV cao 18m:

 Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét

- Phạm vi bảo vệ giữa hai dây có độ cao 23m:

Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa 2 dây:

- Phạm vi bảo vệ giữa hai dây có độ cao 18m:

Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa 2 dây:

- Phạm vi bảo vệ hai dây giữa phía 220kV và phía 110kV:

Để phần diện tích giữa các xà phía 220kV và xà phía 110kV được bảo vệ an toàn đồng thời thuận tiện cho việc thiết kế thi công ta nâng chiều cao treo dây đặt trên cột đỡ 14, 15, 16 của phía 110kV lên 23m

Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa 2 dây:

Chiều cao của các cột đỡ dây phía 220kV là 23m

- Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:

Bán kín bảo vệ cho độ cao hx = 17m:

- Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên:

Xét cặp cột (1-4) có độ cao bằng nhau h1 = h4 = 23m và đặt cách nhau một khoảng là a = 17,5m

Do a = 17,5m < 7h = 7.23 = 161m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột:

Chiều cao các cột đỡ phía 110kV là 18m

- Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét cao 18m phía 110kV:

Bán kín bảo vệ cho độ cao hx = 11m:

- Phạm vi bảo vệ của các cột 14, 15, 16 cao 23m phía 110kV:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m:

- Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên:

Xét cặp cột (16-19) có độ cao khác nhau h16 = 23m, h19 = 18m và đặt cách nhau một khoảng là a = 18m

Bán kính bảo vệ của cột h16 cho phần có độ cao h19:

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét được thể hiện trong hình 2.14

Đường màu đỏ: Phạm vi bảo vệ của phía 220kV

Đường màu xanh da trời: Phạm vi bảo vệ của phía 110kV

Đường màu xanh lá cây: Dây chống sét

Kết luận: Phương án thỏa mãn yêu cầu đặt ra

 Phía 220kV treo 4 dây thu sét C-70 trong đó 3 dây mỗi dây dài 136m chia làm 2 khoảng 68m, 1 dây dài 190,111m chia làm 3 khoảng gồm 2 khoảng 68 và 1 khoảng 54,111m đặt trên 13 cột đỡ cao 23m trong đó 12 cột đặt trên xà cao 17m và

1 cột độc lập

 Phía 110kV treo 3 dây thu sét C-70 mỗi dây dài 150m chia làm 2 khoảng

70 và 80 đặt trên 9 cột đỡ trong đó 3 cột cao 23 có 2 cột đặt trên xà cao 11m, 1 cột độc lập; 6 cột cao 18m đặt trên xà cao 11m