Đồ án ngành hệ thống điện chu việt tiến

Nhằm hoàn thiện kiến thức đã được học và bước đầu làm quen với thực tế em được nhà trường và khoa Hệ Thống Điện giao cho đề tài tốt nghiệp: “Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét trạm cắt

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : Chu Việt Tiến

Lớp : Đ7H4 Hệ : Đại học

Tên đề tài:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110KV VÀ ĐƯỜNG DÂY 220KV

I SỐ LIỆU BAN ĐẦU:

 Trạm biến áp: Bản vẽ sơ đồ mặt bằng và kích thước của trạm

 Điện trở suất của đất: đ = 90 m

 Khi tính chống sét cho đường dây 220 kV, tính khi: Rc = 10 Ω

II NỘI DUNG TÍNH TOÁN:

Phần I:

Chương I: Hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện Việt Nam Chương II: Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp 220/110kV

Chương III: Tính toán nối đất cho trạm biến áp 220/110kV

Chương IV: Bảo vệ chống sét cho đường dây 220kV

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

áp biết dạng sóng xiên góc, U = 1140 kV, a = 380 kV/s, chống sét van có đặc tính

U = 485.I0.025, thời điểm ban đầu các tụ điện có U0 = 1kV

III CÁC BẢN VẼ: 5 bản vẽ A0

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

2 Các kết quả tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét cho trạm biến áp

3 Phương pháp và kết quả tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện

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

Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:

Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

Ngày tháng năm TRƯỞNG KHOA

TS Trần Thanh Sơn

Người hướng dẫn

Phạm Thị Thanh Đam

LỜI MỞ 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 là đặc biệt quan trọng

Nhằm hoàn thiện kiến thức đã được học và bước đầu làm quen với thực tế em được nhà trường và khoa Hệ Thống Điện giao cho đề tài tốt nghiệp: “Tính toán thiết

kế bảo vệ chống sét trạm cắt 220kV ” Đồ án tốt nghiệp gồm có 2 phần:

Phần I: Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV/110kV

và đường dây 220kV

Phần II: Chuyên đề tính toán bảo vệ chống sóng truyền từ đường dây

tải điện vào trạm

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong trường Đại học Điện Lực nói chung và các thầy cô giáo trong khoa Hệ Thống Điện nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua Đặc

biệt em xin gửi lời cảm ơn đến cô Ths Phạm Thị Thanh Đam, cô đã tận tình giúp đỡ

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

Do còn thiếu kinh nghiệm thức tế nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót,

em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn

để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội,tháng 12 năm 2016

Sinh viên

Chu Việt Tiến

NHẬN XÉT

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

PHẦN I: THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV/110kV VÀ ĐƯỜNG DÂY 220KV……… …… …12

CHƯƠNG I : TÌNH HÌNH DÔNG SÉT Ở VIỆT NAM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA DÔNG SÉT TỚI LƯỚI ĐIỆN 13

1.1 Hiện tượng dông sét 13

1.1.1 Khái niệm chung 13

1.1.2 Cường độ hoạt động của sét 15

1.1.3 Tình hình dông sét ở Việt Nam 16

1.2 Ảnh hưởng của dông sét 17

1.3 Vấn đề chống sét 17

CHƯƠNG II: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 18

2.1 Khái niệm chung 18

2.2 Các yêu cầu kĩ thuật đối với hệ thống chống sét đánh thẳng 18

2.3 Các công thức sử dụng để tính toán 19

2.3.1 Độ cao cột thu lôi 19

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập 19

2.3.3 Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột thu lôi 20

2.4 Mô tả đối tượng bảo vệ 24

2.5 Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 25

2.5.1 Phương án 1 26

2.5.1.1 Bố trí các cột thu lôi 26

2.5.1.2 Tính toán cho phương án 1 27

2.5.2 Phương án 2 33

2.5.2.1 Bố trí các cột thu lôi 33

2.5.2.2 Tính toán cho phương án 2 34

2.6 Chọn phương án tối ưu 40

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 42

3.1 Yêu cầu nối đất cho trạm biến áp 42

3.2 Tính toán nối đất 43

3.2.1 Nối đất an toàn 44

3.2.1.1 Điện trở nối đất tự nhiên 44

3.2.1.2 Điện trở nối đất nhân tạo 45

3.2.2 Nối đất chống sét 48

CHƯƠNG IV : BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY 220KV 58

4.1 Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây 58

4.2 Các chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây 58

4.2.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét 58

4.2.2 Cường độ hoạt động của sét 59

4.2.3 Số lần sét đánh vào đường dây 59

4.2.4 Số lần phóng điện do sét đánh vào đường dây 60

4.2.5 Số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây 61

4.2.6 Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng 62

4.3 Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây 62

4.3.1 Thông số đường dây cần bảo vệ 62

4.3.2 Xác định độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở của dây chống sét và đường dây 64

4.3.3 Tính số lần sét đánh vào đường dây 67

4.3.4 Suất cắt do sét đánh vào đường dây 68

4.3.4.1 Suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 68

4.3.4.2 Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt 68

4.3.4.3 Tính suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 74

PHẦN II: CHUYÊN ĐỀ TÍNH TOÁN VÀ BẢO VỆ SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN VÀO TRẠM BIẾN ÁP 96

CHƯƠNG V: BẢO VỆ SÓNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY VÀO TRẠM 97

I KHÁI NIỆM CHUNG 97

II CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP TRÊN CÁCH ĐIỆN CỦATHIẾT BỊ KHI CÓ SÓNG TRUYỀN VÀO TRẠM 98

2.1 Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp lập bảng 98

2.2 Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp đồ thị 102

2.3 Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm

bằng phương pháp tiếp tuyến 105

III TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRUYỀN VÀO TRẠM 106

3.1 Lập sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất của trạm 106

3.2 Thiết lập phương pháp tính điện áp nút trên sơ đồ rút gọn 110

3.3 Đặc tính cách điện tại các nút cần bảo vệ 114

3.3.1 Đặc tính điện áp chịu đựng của máy biến áp 220 kV 114

3.3.2 Đặc tính V-S của thanh góp 220 kV 115

3.3.3 Kiểm tra dòng điện qua chống sét van 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

BIỂU BẢNG

Bảng 1.1: Số liệu về sét trong năm 2012 tại các địa phương 16

Bảng 1.2 : Mật độ phóng điện xuống các khu vực 17

Bảng 1.3:Tình hình sự cố lưới điện ở miền bắc 17

Bảng 2.1 : Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1 28

Bảng 2.2: Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 1 29

Bảng 2.3: Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên phương án 1 32

Bảng 2.4 : Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 2 35

Bảng 2.5: Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 2 36

Bảng 2.6: Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên phương án 2 39

Báng 2.7 : So sánh 2 phương án 40

Bảng 3.1 : Hệ số mùa của thanh và cọc 43

Bảng 3.2 : Bảng ( ) 2 1 l l f K  47

Bảng 3.3: Bảng tính toán chuỗi số ds K T 2 k 1 1 e k      52

Bảng 3.4 : Kết quả tính toán các giá trị B k 56

Bảng 4.1: Bảng xác suất hình thành hồ quang   f(E lv). 61

Bảng 4.2 giá trị U cd (t) tác dụng lên chuỗi sứ 71

Bảng 4.3: Đặc tính phóng điện của chuỗi sứ 71

Bảng 4.4: Đặc tính xác suất phóng điện với R c =10  73

Bảng 4.5: Tính ucu d (a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột 86

Bảng 4.6: Tính ucu t (a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột 87

Bảng 4.7: Tính i c (a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột 88

Bảng 4.8: Tính di (a,t) c dt khi sét đánh vào đỉnh cột 89

Bảng 4.9: Tính U ( , )c a t khi sét đánh vào đỉnh cột 90

Bảng 4.10: Tính U ( , )dcs a t khi sét đánh vào đỉnh cột 91

Bảng 4.11: Tính U cd (a,t)kV khi sét đánh vào đỉnh cột (R c =10) 92

Bảng 4.12: Đặc tính xác suất phóng điện  94 pd Bảng 5.1: Bảng điện dung tương đương của các thiết bị trong trạm 107 Bảng 5.2: Điện áp chịu đựng của máy biến áp theo thời gian 115 Bảng 5.3: Đặc tính V-S của thanh góp 115

BIỂU HÌNH

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét 14

Hình 1.2 Dạng tổng quát của sóng sét 14

Hình 1.3 Dạng xiên góc của sóng sét 15

Hình 1.4 dạng hàm số mũ của sóng sét 15

Hình 2.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét 19

Hình 2.2: Phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau 21

Hình 2.3: phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau 22

Hình 2.4: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu lôi 23

Hình 2.5: Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu lôi 23

Hình 2.6: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 24

Hình 2.7: Mặt bằng trạm biến áp 220kV-110kV 25

Hình 2.8: Bố trí các cột thu lôi của phương án 1 26

Hình 2.9 : Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1 33

Hình 2.10: Bố trí các cột thu lôi của phương án 2 34

Hình 2.11 : Phạm vi bảo vệ của các thu sét phương án 2 40

Hình 3.1 : Sơ đồ trạm và cách nối đất mạch vòng xung quang trạm 46

Hình 3.2: Hệ số hình dạng ( ) 2 1 l l f K  47

Hình 3.3: Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất 49

Hình 3.4: Sơ đồ đẳng trị rút gọn 49

Hình 3.5: Đồ thị xác định nghiệm của phương trình tgX k = -0,08X k 56

Hình 3.6 : Sơ đồ nối đất toàn trạm biến áp 57

CHƯƠNG IV : BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY 220KV 58

Hình 4.1: Góc bảo vệ của dây thu sét 59

Hình 4.2: Đồ thị   f(E lv). 61

Hình 4.3: Kết cấu của cột điện 63

Hình 4.4: Sơ đồ xác đinh hệ số ngẫu hợp 65

Hình 4.5: Sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét 69

Hình 4.6: đồ thị U cd (t) và U pd (t) 72

Hình 4.7: Đường cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vào khoảng vượt 73

Hình 4.8: Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét 74

Hình 4.9: Sơ đồ tương đương mạch đẫn dòng sét khi chưa có sóng phản xạ tới 76

Hình 4.10: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện khi có sóng phản xạ tới 78

Hình 4.11: Điện áp đặt lên cách điện của đường dây khi sét đánh vào đỉnh cột 93

Hình 4.12: Đường cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vào đỉnh cột 95

Hình 5.1: Sóng truyền trên đường dây 99

Hình 5.2: Sơ đồ tương đương với thông số tập trung 100

Hình 5.3: Quy tắc sóng đẳng trị 101

Hình 5.4: Đặc tính V – A của chống sét van ZnO 102

Hình 5.5: Sóng tác dụng lên điện trở phi tuyến đặt cuối đường dây 103

Hình 5.6: Đồ thị xác định U(t), I(t) của chống sét van từ đặc tính V-A 104

Hình 5.7: Sóng tác dụng lên điện dung đặt cuối đường dây 105

Hình 5.8: Xác định điện áp U C (t) bằng phương pháp tiếp tuyến 106

Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý trạng thái sóng nguy hiểm nhất 108

Hình 5.10: Sơ đồ thay thế trạng thái sóng nguy hiểm 108

Hình 5.11: Sơ đồ thay thế rút gọn của trạng thái sóng nguy hiểm 109

Hình 5.12: Nguyên tắc momen lực 109

Hình 5.13: Sơ đồ Petersen tại nút 1 111

Hình 5.14: Sơ đồ Petersen tại nút 2 113

Hình 5.15: Sơ đồ Petersen tại nút 3 114

Hình 5.16: Kiểm tra điện áp tác dụng lên cách điện máy biến áp 115

Hình 5.17: Kiểm tra an toàn cách điện thanh góp 220 kV 116

Hình 5.18: Dòng điện qua chống sét van 116

PHẦN I: THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG

SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV/110kV VÀ ĐƯỜNG DÂY 220KV

CHƯƠNG I : TÌNH HÌNH DÔNG SÉT Ở VIỆT NAM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA

DÔNG SÉT TỚI LƯỚI ĐIỆN

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

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

1.1 Hiện tượng dông sét

1.1.1 Khái niệm chung

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

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

a)Quá trình hình thành sét

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

Các điện tích âm (-) tập trung thành từng nhóm, các điện tích dương (+) rải đều trong đám mây Quá trình phóng điện từ điện tích (+) sang điện tích (-) tạo nên hiện tượng trung hòa về điện Các điện tích (-) còn lại phát triển về phía mặt đất và hình thành tia tiên đạo (dòng plasma có điện dẫn lớn) Tia tiên đạo càng phát triển về phía mặt đất thì trường đầu dòng càng tăng làm ion hóa mãnh liệt môi trường xung quanh

nó tạo nên thác điện tử chứa nhiều điện tích Càng gần mặt đất số điện tích càng lớn tạo nên dòng phóng điện ngược phát triển về phía đám mây, sẽ hoàn thành một phóng điện sét

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

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

Vng = 1,5 109 ÷ 2.1010 cm/s

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét

Tia tiên đạo

Địa điểm phụ thuộc điện trở suất của đất

Hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt

Dòng của phóng điện ngược

Hoàn thành phóng điện sét

s max

i I e

s

TT

0, 7



Hình 1.4 dạng hàm số mũ của sóng sét

1.1.2 Cường độ hoạt động của sét

a)Số ngày sét trong một năm n ngs

1.1.3 Tình hình dông sét ở Việt Nam

Theo đề tài KC – 03 - 07 của viện năng lượng, trong một năm số ngày sét ở miền bắc khoảng từ 70 đến 100 ngày và số lần có dông là từ 150-300 lần

Vùng có nhiều dông nhất trên miềm bắc là khu vực Móng Cái, Tiên Yên (Quảng Ninh) hằng năm có 100 – 110 ngày dông sét

Nơi ít dông nhất là Quảng Bình , hàng năm chỉ có 80 ngày dông, xét về diễn biến của mùa dông trong năm, mùa dông không hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nói chung ở miền bắc dông tập trung từ tháng 4-9 , ở phía tây bắc dông tập trung từ tháng 5-8 trong năm

Trên vùng duyên hải trung bộ từ phía bắc đến Quảng Ngãi là khu vực tương đối nhiều dông trong tháng Số ngày có dông xấp xỉ 10 ngày / tháng, tháng có nhiều dông nhất là tháng 5, có thể có từ 12 – 15 ngày

Miền nam cũng có khá nhiều dông , hàng năm quan sát được từ 40 đến 50 ngày

và đến trên 100 ngày tùy nơi Khu vực nhiều dông sét nhất là đồng bằng nam bộ, số ngày dông sét có thể lên đến 120 – 140 ngày/năm

Qua số liệu khảo sát ta thấy rằng trung bình dông sét trên 3 miền Bắc – Trung – Nam, những vùng lân cận lại có mật độ sét tương đối giống nhau Theo kết quả nghiên cứu người ta đã lập được bản đồ phân vùng dông sét toàn Việt Nam

Bảng 1.1: Số liệu về sét trong năm 2012 tại các địa phương

Vùng

Ngày dông trung bình (ngày / năm)

Giờ dông trung bình ( giờ / năm)

Mật độ sét trung bình

Tháng dông cực đại

Từ các số liệu về ngày giờ dông, số lượng đo lường nghiên cứu đã thực hiện các giai đoạn có thể tính toán đưa ra các số liệu dự kiến về mật độ phóng điện xuống các khu vực

Bảng 1.2 : Mật độ phóng điện xuống các khu vực

Số ngày

dông

Đồng bằng ven biển

Miền núi trung

du phía bắc

Cao nguyên miền trung

Ven biển trung bộ

Đồng bằng miền nam

1.2 Ảnh hưởng của dông sét

Ở Việt Nam trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước KC – 03 – 07 đã lắp đặt các thiết bị ghi sét và bộ ghi tổng hợp trên các đường dây tải điện trong nhiều năm liên tục, kết quả thu thập tình hình sự cố lưới điện 220 kV ở miền bắc từ năm 1987 đến năm

1992 được ghi trong bảng

Bảng 1.3:Tình hình sự cố lưới điện ở miền bắc

áp là điều không thể thiếu được Vì vậy việc đầu tư nghiên cứu chồng sét là cần thiết

để nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện của nước ta

CHƯƠNG II: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

2.1 Khái niệm chung

Trạm biến áp và đường dây truyền tải là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng

Đối với trạm biến áp thì các thiết bị phân phối của trạm thường được đặt ngoài trời, nên khi bị sét đánh trực tiếp có thể sẽ gây ra nhưng hậu quả nặng nề (phóng điện, phá hủy cách điện, gây cắt điện…) nếu không được bảo vệ Sự cố mất điện ở trạm còn ảnh hưởng đến các ngành công nghiệp khác do hậu quả của việc mất điện Do vậy trạm biến áp có yêu cầu bảo vệ cao

Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng cột thu lôi và dây chống sét bởi vì dùng như vậy sẽ đảm bảo về mặt kỹ thuật , kinh tế và mỹ thuật Tác dụng của hệ thống này là tập trung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó tạo ra khu vực an toàn bên dưới hệ thống này

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

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

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

Đối với trạm biến áp từ 110 kV trở lên có mức cách điện cao, do đó có thể đặt các thiết bị 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 khuyếch 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 của điện trở nối đất

Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời là cuộn dây máy biến áp, vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa điểm nối vào cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp phải lớn hơn 15m Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng sét chạy qua

Đối với các dây chống sét ta treo dọc theo chiều dài của đường dây cần bảo vệ và

đặt cao hơn các đường dây được bảo vệ

2.3 Các công thức sử dụng để tính toán

2.3.1 Độ cao cột thu lôi

h = hx + ha (2.1)

Trong đó:

h : Độ cao cột thu lôi

hx : Độ cao của vật cần được bảo vệ

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

ha ≥ D8( Với D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột )

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

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

h

h

Biểu diễn trên hình vẽ như sau: (Hình 2-1)

Hình 2.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

 Chú ý:

a b

c

h 0.2h

0,8h

R

1,75h 0,75h

Các công thức trên chỉ đúng trong trường hợp cột thu lôi cao dưới 30m Khi cột thu lôi cao quá 30m thì các công thức trên phải nhân với hệ số hiệu chỉnh p

Với 5,5

p

h

 và trên các hình vẽ dùng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp

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

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

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

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

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

Hình 2.2: Phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau

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

Phạm vi bảo vệ vủa hai cột thu lôi có độ cao khác nhau được xác định như sau:

- Giả sử có hai cột thu sét : cột 1 có chiều cao h1, cột 2 có chiều cao h2 và h1 < h2, hai cột cách nhau một khoảng là a

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

-0,75.h

1,5.h

Hình 2.3: phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau

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

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

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

- Phạm vi bảo vệ của ba cột thu lôi

2 1

2 1

1, 6

h1h

1, 6

h1h





Hình 2.4: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu lôi

- Phạm vi bảo vệ của bốn cột thu lôi

Hình 2.5: Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu lôi

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

D 8 h h   x

Trong đó:

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

h : là chiều cao cột

hx : là chiều cao cần bảo vệ

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

     

a.b.cD

2 p p a p b p c

a b cp

Với a, b,c là ba cạnh của tam giác

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

d) Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

Phạm vi bảo vệ của dây chống sét được thể hiện như hình vẽ (Hình 2-4)

Dây chống sét

Hình 2.6: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

2.4 Mô tả đối tượng bảo vệ

Phạm vi bảo về trạm biến áp 220 kV-110 kV :

- Chiều rộng 118m, chiều dài trạm 170m

- Các xà cao 11m và 17m

- Mặt bằng trạm như hình vẽ :

Lấy chung một độ cao tác dụng lớn nhất cho toàn trạm

- Tính độ cao h của cột thu lôi: h = ha + hx ( Với hx : độ cao của vật được bảo vệ)

10000 170000

- Kiểm tra lại khả năng bảo vệ đối với các vật nằm ngoài phạm vi bảo vệ :

+ Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi: theo các công thức (2.2) hoặc (2.3) + Tính bán kính khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu lôi: theo các công thức (2.5) hoặc (2.6)

Vẽ các khu vực bảo vệ theo kích thước đã tính

- Kiểm tra lại nếu có vật được bảo vệ nào nằm ngoài khu vực bảo vệ thì cần phải tăng độ cao cột thu lôi hoặc bố trí thêm cột và tính toán theo trình tự trên

2.5.1 Phương án 1

2.5.1.1 Bố trí các cột thu lôi

Phương án bố trí các cột thu sét được thể hiện trên hình vẽ 2.8 :

Hình 2.8: Bố trí các cột thu lôi của phương án 1

+ Phía 110 bố trí 8 cột, từ cột 1 đến cột 8, trong đó có 1 cột độc lập (cột 1), 4 cột đặt trên xà 11m và 3 cột đặt trên xà 8m

2.5.1.2 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

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) hamax (m)

Các cột từ 9 đến 18 chia phía 220 thành 3 hình chữ nhật và 3 tam giác :

+ Xét nhóm cột (11,12,16,15) tạo thành hình chữ nhật với kích thước :

Nửa chu vi tam giác trên là : p a b c 42,85 44, 60 51 69, 23

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

b)Tính toán phạm vi bảo vệ 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 18,5m :

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

hx 11m 2.18, 5 12, 33 (m)

3

   nên rx(11) = 1,5.18,5 – 1,875.11 = 7,13 (m) Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8m là :

hx 8m 2.18, 5 12, 33 (m)

3

   nên rx(8) = 1,5.18,5 – 1,875.8 = 12,75 (m)

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 27,5m :

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 17m là :

hx 17m 2.27, 5 18, 33 (m)

3

   nên rx(17) = 1,5.27,5 – 1,875.17 = 9,38 (m) Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là :

Do hx = 8m < 2

3 h01-2 =

2

3 .12,79 = 8,53 (m) Nên : r0x1-2(8) = 1,5.h01-2 – 1,875.hx = 1,5.12,79 – 1,875.8 = 4,19 (m)

+ Xét cặp cột (7-9) có độ cao khác nhau h7 = 18,5m, h9 = 27,5m và đặt cách nhau một khoảng là a = 51,35m

Bán kính bảo vệ của cột h9 cho phần độ cao h7 là :

Do h7 = 18,5m > 2

3 h9 =

2

3 .27,5 = 18,33 (m) Nên x = 0,75.(h9 – h7) = 0,75.(27,5 – 18,5) = 6,75 (m)

Khoảng cách từ cột h7 đến cột giả tưởng có cùng độ cao là :

Bảng 2.3: Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên phương án 1

Hình 2.9 : Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1

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

Tổng chiều dài kim thu sét là :

R9690 R6060

PVBV hx=17m

Hình 2.10: Bố trí các cột thu lôi của phương án 2

+ Phía 110 bố trí 9 cột,từ cột 1 đến cột 9,trong đó có 1 cột độc lập (cột 1), 5 cột đặt trên xà 11m và 3 cột đặt trên xà 8m

+ Phía 220 bố trí 12 cột,từ cột 10 đến cột 21, trong đó có 1 cột độc lập (cột 21),

5 cột đặt trên xà 11m và 6 cột đặt trên xà 17m

2.5.2.2 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 kiện : ha

1413

27000,07 23999,96

Tính toán tương tự ta có bảng sau :

Bảng 2.4 : Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 2

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

Các cột từ 10 đến 21 chia phía 220 thành 4 hình chữ nhật và 3 hình tam giác

Tính toán tương tự như ở trên ta có bảng sau :

Bảng 2.5: Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 2

b)Tính toán phạm vi bảo vệ 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 18,5m

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

x 2

h 11m 18, 5 12, 33 (m)

3

   nên rx(11) = 1,5.18,5 – 1,875.11 = 7,13 (m) Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8m là :

x 2

h 8m 18, 5 12, 33 (m)

3

   nên rx(8) = 1,5.18,5 – 1,875.8 = 12,75 (m)

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 26m

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 17m là :

Do hx = 8m < 2

3 h =

2

3 .12,79 = 8,53(m) Nên : r0x1-2(8) = 1,5.h01-2 – 1,875.hx = 1,5.12,79 – 1,875.8 = 4,19 (m)

+ Xét cặp cột (8-10) có độ cao khác nhau h8 = 18,5m, h10 = 26m và đặt cách nhau một khoảng là a = 51,35m

Bán kính bảo vệ của cột h10 cho phần độ cao h8 là :

Do h8 = 18,5m > 2

3 h10 =

2

3.26 = 17,33(m)

Bảng 2.6: Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên phương án 2

Hình 2.11 : Phạm vi bảo vệ của các thu sét phương án 2

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

Tổng chiều dài kim thu sét là :

L110 = 18,5 + 5.(18,5 - 11) + 3.(18,5 - 8) = 87,5 (m)

L220 = 26 + 5.(26 – 11) + 6.(26 – 17) = 155 (m)

L2 = L110 + L220 = 155 + 150 = 242,5 (m)

2.6 Chọn phương án tối ưu

Cả hai phương án đều đảm bảo yêu cầu về mặt kỹ thuật nên ta xét đến yêu cầu về mặt kinh tế để lửa chọn Phương án tối ưu là phương án có tổng chiều cao của các kim thu sét là nhỏ nhất Ta có bảng sau :

1413

PVBV hx-17m