Đồ án ngành hệ thống điện vương xuân mừng

Sau khi kết thúc bốn năm học của ngành hệ thống điện, em được giao nhiệm vụ Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho Trạm biến áp và Đường dây 220/110kV.. Đồ án của em gồm 2 phần: Phần 1:

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

PHẦN I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV/110kV 1

CHƯƠNG I HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 1

1.1 Hiện tượng dông sét 1

1.1.1 Khái niệm chung 1

1.1.2 Tình hình dông sét ở Việt Nam 3

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Việt Nam 6

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM PHÂN PHỐI 220/110kV 8

2.1 Khái niệm chung 8

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 8

2.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét 9

2.3.1 Phạm vi của cột thu sét 9

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 13

2.4 Mô tả trạm phân phối 220kV cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 14

2.4.1 Phương án 1 15

2.4.1.1 Bố trí các cột thu lôi 15

2.4.1.2.Tính toán cho phương án 1 16

2.4.1.3 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1 26

Kết Luận : Phương án thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đặt ra 26

2.4.2 Phương án 2 26

2.4.2.2.Tính toán cho phương án 2 27

2.4.2.3 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 2 36

Kết Luận : Phương án thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đặt ra 36

2.4.3 Phương án 3 36

2.4.3.1 Bố trí dây thu sét 36

2.4.3.2.Tính toán cho phương án 3 37

2.4.3.3 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 3 46

2.5 So sánh các phương án 47

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM PHÂN PHỐI 220/110kV 48

3.1 Yêu cầu kĩ thuật khi nối đất trạm biến áp 48

3.2 Tính toán nối đất an toàn 50

3.2.1 Nối đất tự nhiên 50

3.2.2 Nối đất nhân tạo 51

3.3 Nối đất chống sét 54

3.3.1 Khái niệm 54

3.3.2 Trình tự tính toán 55

3.3.2.1 Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong đất 55

3.3.2.2 Tính toán trị số điện trở nối đất nhân tạo trong mùa sét 56

3.3.2.3.Tính toán cho trạm thiết kế 57

3.3.2.4 Nối đất bổ xung 60

3.3.2.5 Kết luận 64

CHƯƠNG IV:BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 65

4.1 Mở đầu 65

4.2 Lý thuyết tính toán 65

4.3 Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây 67

4.3.1 Thông số đường dây cần bảo vệ 67

4.3.2 Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây 69

4.3.2.1 Độ võng của dây 69

4.3.2.2 Độ treo cao trung bình của dây dẫn và dây chống sét 69

4.3.2.3 Góc bảo vệ của dây thu sét 70

4.3.2.4 Tổng trở sóng của dây dẫn và dây chống sét 70

4.3.2.5 Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn các pha với dây chống sét 71

4.3.2.6 Nhận xét 73

4.3.3 Tính số lần sét đánh vào đường dây 73

4.3.3.1 Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 73

4.3.3.2.Số lần sét đánh vào đỉnh cột và khoảng vượt 74

4.3.4 Suất cắt của đường dây 110 kV do sét đánh vòng qua dây dẫn vào dây pha 74

4.3.5 Tính suất cắt của đường dây 110 kV do sét đánh vào khoảng vượt 76

4.3.6 Tính suất cắt của đường dây 110 kV do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 82

4.3.7 Tính suất cắt tổng và chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện 101

4.4 Kết luận 101

PHẦN HAI CHUYÊN ĐỀ TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN VÀO TRẠM BIẾN ÁP 102

A.KHÁI NIỆM CHUNG 102

B CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP TRÊN CÁCH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ KHI CÓ SÓNG TRUYỀN VÀO TRẠM 103

I Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp lặp bảng 103

I.1 Nội dung phương pháp 103

I.1.1 Quy tắc Petersen 104

I.1.2 Quy tắc sóng đẳng trị 105

I.1.3 Xác định điện áp trên điện dung 106

I.1.4 Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van 109

I.2) Sơ đồ tính toán 111

II Trình tự tính toán 113

II.1 Thiết lập phương pháp tính điện áp các nút trên sơ đồ rút gọn 116

II.2 Các đặc tính cách điện tại các nút cần bảo vệ 121

II.3 Kiểm tra an toàn các thiết bị trong trạm 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

DANH MỤC BẢNG

Bảng I-1:Số ngày dông sét trong tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam 4

Bảng II-1: Kết quả tính bán kính bảo vệ giữa các cột thép liền kề 25

Bảng II-2:Kết quả tính bán kính bảo vệ giữa các cột thép liền kề 35

Bảng II-3: Kết quả tính bán kính bảo vệ giữa các cột thép liền kề 45

Bảng III-1: Hệ số hình dáng K 53

Bảng III-2: Bảng tính toán chuỗi số 59

Bảng III-3: Bảng tính chuỗi số 64

Bảng III-4: Bảng thống kê các thông số chính trong tính toán nối đất 64

Bảng IV-1: Quan hệ phụ thuộc của Elv và η 75

Bảng IV-2: Các giá trị của Ucd (a,t) 79

Bảng IV-3: Đặc tính Vol – giây (V-S) của chuỗi sứ cách điện : 79

Bảng IV-4:Bảng các giá trị của I=ai.ti 80

Bảng IV-5 : Bảng tính toán các giá trị 82

Bảng IV-6 : Các giá trị của Mcs(t) và Mdd(t) ứng với thời gian t 92

Bảng IV-7: Giá trị của ic(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột với Rc=15Ω 94

BảngIV-8: Giá trị của di a t c( , ) dt khi sét đánh vào đỉnh cột ,lân cận đỉnh cột với Rc=15Ω 95

Bảng IV-9 : Các giá trị của u cu d ( , )a t khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột với Rc =15Ω 96

Bảng IV-10 : Các giá trị của ucs(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột với Rc =15Ω 97

Bảng IV-11 : Các giá trị của ucd(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột với Rc =15Ω 98

Bảng IV-12 : Bảng các giá trị của I=ai.ti 99

Bảng IV-13 : Bảng tính toán các giá trị 101

Bảng II-1: Giá trị điện dung tương đương thay thế của 1 số thiết bị 112

Bảng II-2: Điện áp chịu đựng của máy biến áp theo thời gian 121

Bảng II-3: Đặc tính V-S của thanh góp 123

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2-1: Phạm vi bảo vệ của cột thu sét độc lập 10

Hình 2-2: Phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau 11

Hình 2-3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau 12

Hình 2-4: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét Hình II-5: Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét 13

Hình 2-6: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 14

Hình 2-7: Sơ đồ mặt bằng toàn trạm 15

Hình 2-8: Bố trí các cột thu lôi của phương án 1 16

Hình 2-9: Phạm vi bảo vệ phương án 1 ( xem bản vẽ A3) 26

Hình 2-10: Bố trí các cột thu lôi của phương án 2 27

Hình 2-11: Phạm vi bảo vệ phương án 2 ( xem bản vẽ A3) 36

Hình 2-12: Bố trí các cột thu lôi và dây chống sét của phương án 3 37

Hình 2-13: Phạm vi bảo vệ phương án 3 ( xem bản vẽ A3) 36

Hình 3-3: Đồ thị xác định nghiệm của phương trình tgXk = - 0,097.Xk 63

Hình 4-1: Kích thước cột 68

Hình 4-2: Phép chiếu gương qua mặt đất 71

Hình 4-4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Elv và η 76

Hình 4-5: Sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét 77

Hình 4-6: Đồ thị Ucd(a,t)=f(a,t) khi sét đánh vào khoảng vượt 80

Hình 4-7: Đồ thị I=f(a) xác định miền nguy hiểm khi có sét đánh vào khoảng vượt 81

Hình 4-8 : Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét 83

Hình 4-9 : Sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét 84

Hình 4-10: Sơ đồ thay thế 85

Hình 4-11: Đồ thị ucd(a,t) = f(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột 99

Hình 4-12 : Đồ thị I=f(a) xác định miền nguy hiểm khi có sét đánh vào đỉnh cột hoặc lận cận đỉnh cột 100

Hình II-1: Sơ đồ truyền sóng giữa hai nút 104

Hình II-2: Sơ đồ thay thế Petersen 104

Hình II-3: Sơ đồ nút có nhiều đường dây nối vào 105

Hình II-4: Sơ đồ thay thế Petsersen xác định điện áp trên điện dung 107

Hình II-6: Đặc tính V-A của chống sét van 109

Hình II-7: Sơ đồ thay thế Petersen cho chống sét van 110

Hình II-8: Đồ thị xác định U(t), I(t) của chống sét van từ đặc tính V-A 111

Hình II-9: Sơ đồ nguyên lý của trạm biến áp 113

Hình II-10: Sơ đồ thay thế trạng thái đầy đủ 114

Hình II-11: Sơ đồ thay thế ở trạng thái nguy hiểm 114

Hình II-12: Sơ đồ rút gọn 115

Hình II-13: Quy tắc monen lực 115

Hình II-14: Sơ đồ tính điện áp nút 1 117

Hình II-15: Sơ đồ tính điện áp nút 2 118

Hình II-16: Sơ đồ tính điện áp nút 3 120

Hình II-17: Sơ đồ tính điện áp nút 4 121

Hình II-18: Đồ thị điện áp chịu đựng của máy biến áp 122

Hình II-19: Đặc tính V-S và đặc tính V-A của chống sét van 110 kV 122

Hình II-20: Đồ thị đặc tính V-S của thanh góp 123

Hình II-21: Kiểm tra tác dụng lên cách điện máy phát 123

Hình II-22: Dòng điện qua chống sét van 124

Hình II-23: Kiểm tra an toàn cách điện thanh góp 110 kV 124

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước thì ngành năng lượng là một ngành công nghiệp quan trọng, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao do vậy luôn được ưu tiên phát triển hang đầu Năng lượng, theo cách nhìn tổng quát là rất rộng lớn, là vô tận

Tuy nhiên, nguồn năng lượng mà con người có thể khai thác phổ biến hiện nay đang trở nên khan hiếm và trở thành một vấn đề lớn trên thế giới.Hệ thống điện là một phần của hệ thống năng lượng Việc xây dựng các nhà máy điện, mạng lưới điện…hòa vào hệ thống điện sẽ nâng cao tính đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các hộ tiêu thụ điện, vì chúng hỗ trợ cho nhau khi có sự cố nào đó xảy ra, nâng cao chất lượng điện năng, công suất truyền tải, giảm tổn thất điện năng, ổn định cao trong hệ thống điện và đáp ứng các yêu cầu về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đề ra của ngành năng lượng

Sau khi kết thúc bốn năm học của ngành hệ thống điện, em được giao nhiệm vụ Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho Trạm biến áp và Đường dây 220/110kV Đồ

án của em gồm 2 phần:

Phần 1: Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV/110kV

Chương 1: Hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện Việt Nam Chương 2: Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp

Chương 3: Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp

Chương 4: Bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện

Phần 2:Chuyên đề tính toán sóng truyền từ đường dây tải điện vào trạm biến áp

Về sơ lược em cũng hiểu biết được sâu hơn kiến thức về kĩ thuật điện cao áp hiện nay Đó là sự trang bị kiến thức rất hữu ích cho công việc của em sau khi ra trường

Hà Nội ngày 30 tháng 12 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Vương Xuân Mừng

PHẦN I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT

CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV/110kV

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 và đường dây

có số lượng khá lớn và quan trọng.Trong quá trình vận hành các phần tử này chịu nhiều tác động của thiên nhiên như mưa, gió, bão và đặc biệt là của sét đánh Khi có sét đánh vào trạm biến áp hoặc đường dây, nó có thể gây hư hỏng cho các thiết bị điện trong trạm dẫn đến việc ngừng cung cấp điện liên tục gây thiệt hại lớn đến nền kinh tế quốc dân

Để nâng cao mức độ cung cấp điện, giảm 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 hệ thống điện

1.1 Hiện tượng dông sét

1.1.1 Khái niệm chung

Dông sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi khoảng cách giữa các điện cực khá lớn (trung bình khoảng 5km) Hiện tượng phóng điện của giông sét gồm hai loại chính đó là :

+) Phóng điện giữa các đám mây tích điện với nhau

+) Phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất

Trong phạm vi đồ án này chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất Hiện tượng này gây nhiều trở ngại cho con người 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 Tốc

độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5.107cm/s, các lần phóng điện sau thì tốc độ tăng lên khoảng 2.108 cm/s (trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau bởi vì trong cùng một đám mây thì có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lượt phóng điện xuống đất)

Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích rất lớn Đầu tia được nối với một

trong các trung tâm điện tích của đám mây nên một phần điện tích của trung tâm này

đi vào trong tia tiên đạo Phần điện tích này được phân bố khá đều dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất 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 tùy thuộc vào tình hình dẫn điện của đất Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì điểm này nằm ngay ở phía dưới đầu tia tiên đạo Còn nếu vùng đất có điện dẫn không đồng nhất (có nhiều nơi có điện dẫn khác nhau) thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có điện dẫn cao

Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất, vì ở đó cường độ điện trường có trị số lớn nhất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn.Tính chất chọn lọc của phóng điện đã được vận dụng trong việc đảm bảo chống sét đánh thẳng cho các công trình Cột thu sét có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất bé sẽ thu hút các phóng điện về phía mình, do đó tạo nên khu vực an toàn quanh nó

Nếu ở mặt đất, điện tích khác dấu được tập trung dễ dàng và có điều kiện thuận lợi

để tạo nên khu vực trường mạnh (ví dụ như đỉnh cột điện đường dây cao áp) thì có thể đồng thời xuất hiện tia tiên đạo từ phía mặt đất phát triển ngược chiều tia tiên đạo từ phía lớp mây điện

Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất thì trường trong khoảng không gian giữa các điện cực sẽ có trị số lớn và có quá trình ion hóa mãnh liệt dẫn tới sự hình thành dòng plasma với mật độ ion lớn hơn nhiều so với của tia tiên đạo Do có điện dẫn bản thân rất cao, nên đầu dòng sẽ có điện thế mặt đất và như vậy toàn bộ hiệu số điện thế giữa tia tiên đạo với mặt đất được tập trung vào khu vực giữa nó với đầu tia tiên đạo Trường trong khu vực này tăng cao và gây ion hóa mãnh liệt dòng plasma được kéo dài và di chuyển ngược về phía trên Giai đoạn này được gọi là giai đoạn phóng điện ngược Tốc độ phát triển của phóng điện ngược thay đổi trong giới hạn 1,5.109 – 1,5.109 (cm/s) tức là (0,05 – 0,5) tốc độ ánh sáng Nhưng tốc độ phát triển của phóng điện ngược và mật độ điện trường của điện tích trong tia tiên đạo bằng , thì trong một đơn vị thời gian điện tích đi vào trong đất sẽ là . và đó cũng là công thức tính dòng điện sét:

is =   Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số điện trở nhỏ không đáng kể)

Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét, dòng điện này có biên độ và

độ dốc phân bố theo hàng biến thiên trong phạm vi rộng (từ vài kA đến vài trăm kA) dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xung kích, chỗ tăng vọt của sét ứng với giai đoạn phóng điện ngược

Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khí quyển

và gây hậu quả nghiêm trọng như đã trình bày ở trên

1.1.2 Tình hình dông sét ở Việt Nam

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 dông sét khác nhau:

Ở miền Bắc, 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 nhiều nhất trên 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 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 cũng lên tới 200 lần, số ngày dông 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

Nơi ít dông nhất trên miền Bắc là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có dưới 80 ngày dông Xét dạng diễn biến của dông trong năm, ta có thể nhận thấy mùa giông không hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nhìn chung ở Bắc Bộ mùa dông tập chung trong khoảng từ tháng 5 đến tháng 9 Trên vùng Duyên Hải Trung Bộ, ở phần phía Bắc (đến Quảng Ngãi) là khu vực tương đối nhiều dông trong tháng 4, từ tháng 5 đến tháng 8 số ngày giông khoảng 10 ngày/ tháng, tháng nhiều dông 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 còn ít, mỗi tháng chỉ gặp từ 2  5 ngày dông

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

Ở miền Nam khu vực nhiều dông nhất 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 ở miền Nam dài hơn mùa dông 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 đều quan sát được trung bình có từ 15  20 ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dông 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 ngắn hơn và số lần dông cũng ít hơn, tháng nhiều dông nhất là tháng 5 cũng chỉ quan sát được khoảng 15 ngày dông ở Bắc Tây Nguyên, 10  12 ở Nam Tây Nguyên, Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, PLâycu 17 ngày

Số ngày dông trên các tháng một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem bảng I-1

Bảng I-1:Số ngày dông sét trong tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam

Hà Giang 0,1 0,6 5,1 8,4 15 17 22 20 9,2 2,8 0,9 0,0 102

Sa Pa 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 Playcu 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

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 Việt nam đòi hỏi ngành điện phải đầu tư nhiều vào các thiết bị chống sét Đặc biệt hơn nữa nó đòi hỏi các nhà thiết kế phải chú trọng khi tính toán thiết kế các công trình điện sao cho HTĐ 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

Như đã trình bày ở phần trước 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 vật nào đó 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 những 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 đường dây 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 nhảy có thể gây mất ổn

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

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 dọa hoạt động của lưới điện

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

PHỐI 220/110kV 2.1 Khái niệm chung

Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng Đối với trạm biến áp 220kV thì các thiết bị điện của trạm được đặt ngoài trời, nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề, không những chỉ làm hỏng đến các thiết bị trong trạm mà còn có thể dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn bộ trong một thời gian dài, làm ảnh hưởng đến việc sản suất điện năng và các nghành kinh tế quốc dân khác.Vì vây, việc tính toán bảo vệ chông sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp đặt ngoài trời là rất quan trọng

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng cuả hệ thống này là tập trung 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

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ 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 một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi có 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 về yêu cầu về kỹ thuật,

mỹ thuật

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

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

hệ thống bảo vệ Hệ thống bảo vệ trạm 220/110kV ở đây ta dùng hệ thống cột thu lôi,

hệ thống này có thể được đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt 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 Nhưng mức cách điện của trạm phải

đặt kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét, 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 mà 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 phân phối 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 và các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vào đất theo 3 đến 4 cọc nối đất, mặt khác mỗi trụ phải có nối đất bổ xung

để cải thiện trị số điện trở nối đất

Khâu yếu nhất trong trạm phân phối 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 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

2.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét

2.3.1 Phạm vi của cột thu sét

Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thu hút phóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫn dòng điện sét xuống đất Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào một điểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào đó trên công trình Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vật cần 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 mặt ngoài của hình chop tròn xoay có đường kính được xác định bởi phương trình:



r x

h

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

Bán kính được tính theo công thức sau:

5,5

p

h

 và trên các hoành độ lấy các giá trị là 0,75.h.p và 1,5.h.p

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

Hai cột thu sét có độ cao h = h đặt cách nhau một khoảng a

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

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là rox

và được xác định theo công thức sau:

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 định phạm

vi bảo vệ được xác định như sau: Vẽ phạm vi bảo vệ của cột thấp (cột 1) và cột cao (cột 2) riêng rẽ Qua đỉnh cột thấp vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của cột thu sét giả định Cột 1 và cột 3 hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau và bằng h1 với khoảng cách a’ Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h1 Điểm này được xen như đỉnh cột thu sét giả định Ta xác định được khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h1 là a’ và

a’ = a – x

Phần còn lại tính toán giống phạm vi bảo vệ cột 1

Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét

Khi công trình cần được bảo vệ chiếm một khu vực rộng lớn nếu chỉ dùng một vài cột thì cột phải rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công và lắp ráp Trong trường hợp này ta dùng phối hợp nhiều cột với nhau để bảo vệ Phần ngoài của phạm vi bảo

vệ sẽ được xác định cho từng đôi cột một (với yêu cầu khoảng cách là a  7h) Còn phần bên trong đa giác sẽ được kiểm tra theo điều kiện an toàn

Hình 2-4: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét Hình 2-5: Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét

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

D8 hh 8hVới: D:đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu lôi

ha = h – hx: độ cao hiệu dụng của cột thu sét

Nếu độ cao cột vượt quá 30 m thì điều kiện an toàn sẽ được hiệu chỉnh là:

D8 hh p8h p với p 5,5

h



2.3.2 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

+ Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét là một dải rộng.Chiều rộng của phạm vi bảo

(a) (b)

vệ phụ thuộc vào mức cao hx được thể hiện như hình vẽ dưới đây:

hx 1,2h 0,6h

hx

h

0,2h

Dây chống sét

Hình 2-6: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

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

+ Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét

Để phối hợp bảo vệ của hai dây chống sét thì khoảng cách hai dây phải thỏa mãn điều kiện S  4h.Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao

ho:

4

o

S

h  h Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của một dây, còn

phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là 2 điểm treo dây chống sét và điểm có độ cao ho

2.4 Mô tả trạm phân phối 220kV cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

- Trạm phân phối 220kV/110kV gồm 3 máy AT1, AT2 và AT3

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

Hình 2-8: Bố trí các cột thu lôi của 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 đa giác đi qua các chân cột D

Độ cao tác dụng thoả mãn điều kiện: ha

+ Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột (1,2,5,4) là:

ha ≥ D 39, 699 4,962(m)

Ta nhận thấy hình chữ nhật (1,2,5,4) có diện tích bằng hình chữ nhật (2,3,6,5); (4,5,8,7); (5,6,9,8) nên độ cao tác dụng tối thiểu đều bằng nhau và bằng 4,962 m

- Xét nhóm cột (7,8,11,10) Nhóm này tạo thành hình chữ nhật có các cạnh là:

Như vậy ta có thể lấy độ cao tác dụng chung cho các cột là 5 m

Độ cao cột thu lôi phía 220kV là: h=hx+ha=17 + 5= 22 (m)

+) Phía 110kV:

- Xét nhóm cột (23,26,27,24) Nhóm này tạo thành hình chữ nhật có các cạnh là:

- Xét nhóm cột (24,27,25,28) Nhóm này tạo thành hình chữ nhật có các cạnh là:

Ta có công thức để tính đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (20,23,21):

.

a b c r

Bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (20,23,21) là:

19,85 19,85 26

32,952

Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (20,23,21) là: D =12,92.2 = 25,84(m)

Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột (20,23,21) bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là:

Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (13,17,14) là: D =19,6.2 = 39,2(m)

Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột (13,17,14) bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là:

Như vậy phía 110kV ta có thể lấy độ cao tác dụng cho các cột là ha= 5 m

Độ cao cột thu lôi phía 110kV là: h=hx+ha=11 + 5 = 16(m)

b) Phạm vi bảo vệ của từng cột chống sét

+) Tính bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx=17m là:

+) Tính bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu lôi

 Hai cột có chiều cao như nhau:

 Phía 220kV: chiều cao cần bảo vệ hx=17(m)

 Phía 110kV:chiều cao cần bảo vệ hx=11(m)

Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

 Hai cột cột chiều cao khác nhau:

+ Xét hai cột (3-13) với khoảng cách giữa 2 cột a=15m

Chiều cao cột cao h3=22m Chiều cao cột thấp h13 =16m

Ta tính bán kính bảo vệ của từng cột cho độ cao 11 m Cột 13 theo kết quả phần trên ta tính được là rx13 = 3,75 Ta tính cho cột 3

Bán kính bảo vệ của cột cao h3=22 m cho độ cao cần bảo vệ là chiều cao của cột thấp h13 =16 m

03 13

h

h  )=0,75.14,36.(1-

11 14,36)=2,52(m)

Tính toán tương tự cho các cột còn lại ta có kết quả ghi trong bảng sau:

Bảng II-1: Kết quả tính bán kính bảo vệ giữa các cột thép liền kề

2.4.1.3 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1

Hình 2-9: Phạm vi bảo vệ phương án 1 ( xem bản vẽ A3)

Kết Luận : Phương án thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đặt ra

Vậy phương án I đặt 28 cột thu sét trong đó có 12 cột cao 22 (m) (đều đặt trên

xà cao 17 m) và 16 cột cao 16 (m) (đều đặt trên xà cao 11m)

Hình 2-10: Bố trí các cột thu lôi của phương án 2 2.4.2.2.Tính toán cho phương án 2

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 đa giác đi qua các chân cột D Độ cao tác dụng thoả mãn điều

1 2 4 5

a  a  30m;a1 4 a2 5 39m

+ Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này là đường chéo:

Ta nhận thấy hình chữ nhật (1,2,5,4) có diện tích bằng hình chữ nhật (2,3,6,5) nên

độ cao tác dụng tối thiểu đều bằng nhau và bằng 6,15 m

- Xét nhóm cột (4,5,8,7) Nhóm này tạo thành hình chữ nhật có các cạnh là:

Ta nhận thấy hình chữ nhật (4,5,8,7) có diện tích bằng hình chữ nhật (5,6,9,8); nên

độ cao tác dụng tối thiểu đều bằng nhau và bằng 4,97 m

Như vậy ta có thể lấy độ cao tác dụng chung cho các cột là 6,5 m

Độ cao cột thu lôi phía 220kV là: h=hx+ha=17 + 6,5= 23,5 (m)

- Xét nhóm cột (12,14,18,22) Nhóm này tạo thành hình chữ nhật có các cạnh là:

Ta có công thức để tính đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (11,13,14):

.

a b c r

Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (11,13,14) là: D =14,1 2 = 28,2 m

Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột (11,13,14) bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là:

Ta nhận thấy hình tiếp tam giác (11,13,14) có độ cao tác dụng tối bằng 3,525 m

- Xét nhóm cột (14,15,16 ) tạo thành tam giác có:

Ta có công thức để tính đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (14,15,16 ):

.

a b c r

13.30.32, 7 16,35( )

4 37,85.(37,85 13).(37,85 30).(37,85 32, 7)

Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (14,15,16) là: D =16,35.2 = 32,7 m

Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột (14,15,16) bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là:

b) Phạm vi bảo vệ của từng cột chống sét

+ Tính bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx=17m là:

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

+ Tính bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu lôi

 Hai cột có chiều cao như nhau:

 Phía 220kV: chiều cao cần bảo vệ hx=17m

Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

 Hai cột cột chiều cao khác nhau:

+ Xét hai cột (3-10) với khoảng cách giữa 2 cột a=15m

Chiều cao cột cao h3=23,5m

Bán kính bảo vệ của cột cao h3=23,5 m cho độ cao cần bảo vệ là chiều cao của cột thấp h10 =16,5 m