Đồ án Hệ thống điện Tran van cuong

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

KHOA HỆ THỐNG ĐIỆN ===================

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Trần Văn Cường

Tên đề tài:

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

220kV HẢI DƯƠNG PHÍA 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  95m

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

II NỘI DUNG TÍNH TOÁN:

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

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 toàn trạm

Chương III: Tính toán hệ thống nối đất cho toàn trạm

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

Phần II: Chuyên đề tính toán sóng truyền từ đường dây tải điện 220 kV vào trạm biến áp III CÁC BẢN VẼ: 6-8 bản vẽ A0

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

2 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét

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

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

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

6 ………

Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:

Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

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 của đất nước Trong cuộc sống hiện đại, điện năng rất cần cho cuộc sống sinh hoạt và phục vụ sản suất

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 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 điện v.v 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 tới tính mạng của con người và thiệt hại do sét gây ra cho ngành điện là rất lớn

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, cùng với những kiến thức chuyên ngành đã được học, em đã được giao thực hiện Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp với nhiệm vụ:

“Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV Hải Dương phía 220kV” Đồ án tốt

nghiệp gồm có hai phần:

Phần I: Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV Hải Dương phía 220kV

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

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 Ths Phạm Thị Thanh Đam đến nay

em đã hoàn thành bản đồ án này Em rất mong nhận được sự đánh giá nhận xét góp

ý của các thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 05 tháng 01 năm 2015

Sinh viên Trần Văn Cường

NHẬN XÉT (Của giáo viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT (Của giáo viên phản biện)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC

BIỂU BẢNG

BIỂU HÌNH

PHẦN I

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV HẢI

DƯƠNG PHÍA 220kV 1

CHƯƠNG I HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 2

1.1 Hiện tượng dông sét 2

1.1.1 Giải thích hiện tượng……… ……….2

1.1.2 Tình hình dông sét ở Việt Nam 4

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện 7

1.3 Vấn đề chống sét 8

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TOÀN TRẠM………9

2.1 Khái niệm chung……….9

2.2 Các yêu cầu kĩ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp……… 9

2.3 Lý thuyết để tính chiều cao cột và phạm vi bảo vệ……… 10

2.3.1 Tính toán chiều cao cột thu lôi………10

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi……….11

2.3.3 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi……….12

2.4 Phương án bố trí cột thu lôi………16

2.4.1 Phương án 1……….….18

2.4.2 Phương án 2……… 24

2.5 Chọn phương án tối ưu 30

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP……… 31

3.1 Khái niệm chung 31

3.2 Các yêu cầu kĩ thuật đối với hệ thống nối đất 32

3.2.1 Trị số cho phép của điện trở nối đất 32

3.2.2 Hệ số mùa 33

3.3 Trình tự tính toán 34

3.3.1 Nối đất tự nhiên 34

3.3.2 Nối đất nhân tạo 35

3.3.3 Nối đất chống sét 37

CHƯƠNG IV BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN……… 49

4.1 Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây 49

4.2 Lý thuyết tính toán 49

4.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 49

4.2.2 Tính toán chung về chỉ tiêu chống sét 51

4.3 Tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây 220kV 53

4.3.1 Các tham số tính toán 53

4.3.2 Xác định tổng số sét đánh vào đường dây hằng năm 57

4.3.3 Tính suất cắt đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 58 4.3.4 Tính suất cắt đường dây khi sét đánh vào khoảng vượt 59

4.3.5 Tính suất cắt đường dây do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 65

4.3.6 Chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện……….78

PHẦN II CHUYÊN ĐỀ TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 220kV VÀO TRẠM BIẾN ÁP 80

A Lý thuyết chung 81

1 Quy tắc Petersen 83

2 Quy tắc sóng đẳng trị 84

3 Xác định điện áp trên điện dung 85

4 Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van 86

B Trình tự tính toán 90

1 Sơ đồ tính toán quá trình truyền sóng trong trạm biến áp 90

2 Tính sóng truyền trong trạm biến áp 93

C Kết luận 101

PHỤ LỤC 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

BIỂU BẢNG

Bảng 1.1 Thông số dông sét của một số vùng 5

Bảng 1.2 Số ngày dông sét trong các tháng ở một số vùng 5

Bảng 1.3 Tình hình sự cố lưới điện miền Bắc từ năm 1987 – 2009 7

Bảng 2.1 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 1 20

Bảng 2.2 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phương án 1 22

Bảng 2.3 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phương án 2 28

Bảng 3.1 Bảng hệ số kmùa 33

Bảng 3.2 Bảng quan hệ giữa k và tỉ lệ l1/l2 36

Bảng 3.3 Bảng kết quả của chuỗi ds k T 2 1 e k   41

Bảng 3.4 Hệ số sử dụng của thanh khi nối cọc theo dãy 44

Bảng 3.5 Kết quả tính toán các giá trị Bk 46

Bảng 4.1 Xác suất hình thành hồ quang  f(E )lv 52

Bảng 4.2 Đặc tính V-S của chuỗi sứ 62

Bảng 4.3 Giá trị U (a, t)cd tác dụng lên chuỗi sứ 62

Bảng 4.4 Các cặp thông số (a , t )i i 63

Bảng 4.5 Kết quả tính toán xác suất phóng điện 64

Bảng 4.6 Kết quả tính giá trị U (a , t )cd i i khi sét đánh vào đỉnh cột 76

Bảng 4.7 Kết quả tính xác suất phóng điện 77

Bảng 4.8 Kết quả tính toán suất cắt tổng do sét đánh vào đường dây 79

Bảng 4.9 Tính toán chỉ tiêu chống sét đường dây 79

Bảng 5.1 Giá trị điện dung của các phần tử thay thế 92

BIỂU HÌNH

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

Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ cho một cột thu lôi 11

Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ cho một cột thu lôi(đường sinh gấp khúc) 12

Hình 2.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau 13

Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau 14

Hình 2.5 Phạm vi bảo vệ của nhóm 3 và 4 cột thu lôi có độ cao bằng nhau 14

Hình 2.6 Mặt bằng trạm và sơ đồ bố trí thiết bị trạm 220kV Hải Dương 17

Hình 2.7 Sơ đồ bố trí các cột thu sét phương án 1 19

Hình 2.8 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1 23

Hình 2.9 Sơ đồ bố trí các cột thu sét phương án 2 25

Hình 2.10 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phương án 2 `29

Hình 3.1 Sơ đồ nối đất nhân tạo mạch vòng 35

Hình 3.2 Đồ thị hệ số hình dáng 37

Hình 3.3 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất 38

Hinh 3.4 Sơ đồ đẳng trị rút gọn 38

Hình 3.5 Hình thức nối đất bổ sung 43

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ   T f(n) 44

Hình 3.7 Đồ thị xác định nghiệm của phương trinh tgXk   0,0764Xk 46

Hình 3.8 Sơ đồ nối đất tổng thể trạm biến áp 48

Hình 4.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét 50

Hình 4.2 Phạm vi bảo vệ của 2 dây chống sét ở cùng một độ cao 50

Hình 4.3 Góc bảo vệ của dây thu sét 51

Hình 4.4 Kết cấu cột 220kV 54

Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ  f(E )lv 59

Hình 4.6 Sét đánh vào khoảng vượt 59

Hình 4.7 Đồ thị U (a, t)cd 63

Hình 4.8 Đường cong nguy hiểm 64

Hình 4.9 Sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột 65

Hình 4.10 Sơ đồ thay thế mạch khi chưa có sóng phản xạ 68

Hình 4.11 Sơ đồ thay thế mạch khi có sóng phản xạ 69

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ U (t)cd  f(a, t) 77

Hình 4.13 Đường cong nguy hiểm khi sét đánh vào đỉnh cột 78

Hình 5.1 Sơ đồ truyền sóng giữa hai nút 82

Hình 5.2 Sơ đồ thay thế Petersen 83

Hình 5.3 Sơ đồ nút có nhiều đường dây nối vào 84

Hình 5.4 Sơ đô thay thế Petersen xác định điện áp trên điện dung 85

Hình 5.5 Đặc tính V – A của chống sét van 86

Hình 5.6 Sơ đồ thay thế Petersen cho chống sét van 87

Hình 5.7 Đồ thị xác định U(t), I(t) của chống sét van từ đặc tính V – A 89

Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý trạng thái nguy hiểm nhất 90

Hình 5.9 Sơ đồ thay thế trạng thái nguy hiểm nhất 91

Hình 5.10 Sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất 91

Hình 5.11 Quy tắc phân bố cực 93

Hình 5.12 Sơ đồ Petersen tai nút 1 94

Hình 5.13 Sơ đồ Petersen tai nút 2 96

Hình 5.14 Sơ đồ Petersen tại nút 3 98

Hình 5.15 Sơ đồ Petersen tại nút 4 98

Hình 5.16 Điện áp trên cách điện chuỗi sứ khi có sóng truyền vào trạm 100 Hình5.17 Điện áp trên cách điện máy biến áp khi có sóng truyền vào trạm 100 Hình5.18: Dòng diện đi qua chống sét van khi có sóng truyền vào trạm 101

PHẦN I TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV HẢI

DƯƠNG PHÍA 220kV

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 hệ thống điện

1.1 Hiện tượng dông sét

1.1.1 Giải thích hiện tượng

Dông là hiện tượng thời tiết của tự nhiên kèm theo sấm, chớp xảy ra Cơn dông được hình thành khi có khối khí nóng ẩm chuyển động thẳng Cơn dông có thể kéo dài

từ 30 phút đến 12 tiếng và có thể trải rộng từ vài chục đến vài trăm km

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 1,5.107 cm/s Ở các lần phóng điện tiếp theo sẽ nhanh 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 tại mọi 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 những 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 phóng 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

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 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

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 nhƣ 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 đƣợc 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

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

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

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

Bảng 1.3 Tình hình sự cố lưới điện miền Bắc từ năm 1987-2009

Tổng số 106 16 22 11 8

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 vĩnh cửu của đường dây 220kV Phả Lại - Hà Đông nguyên nhân do sét là 8/11 chiếm 72% 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 chống sét như chống sét van, 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:

TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TOÀN TRẠM

2.1 Khái niệm chung

Đối với trạm biến áp 220kV thì với các thiết bị phân phối 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

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

và mỹ thuật

2.2 Các yêu cầu kĩ 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 220 kV ta dùng hệ thống cột 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 Nhưng mức 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 tản của bộ phận nối đất nhỏ

Đối với trạm biến áp có điện áp từ 110 kV 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 trên các kết cấu đó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét khuếch tán vào đất theo 3 đến 4 thanh cái của hệ thống nối đất, mặt khác 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 110 kV 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 110 kV 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 (dùng nối đất bổ sung) nhằm đảm bảo điện trở khuyếch 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 chiều cao cột và phạm vi bảo vệ

2.3.1 Tính toán chiều cao cột thu lôi

Độ cao cột thu lôi:

h = hx + haTrong đó: hx là độ cao của công trình cần bảo vệ

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

2.3.2 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:

h

Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ cho một cột thu lôi

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)

h30m ta cần hiệu chỉnh các công thức đó theo hệ số p: p =5, 5

h

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

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 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 h0 được xác định

như sau: h0 = h - a

7

- Xét phạm vi bảo vệ:

 Phần ngoài: giống như phạm vi bả 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 -

7 a

- Nếu hx

0

2 h 3

 thì r0x = 1,5h0(1 - x

0

h0,8h )

Nếu hệ thống chống sét có độ cao lớn hơn hoặc bằng 30m thì các công thức cũng cần được hiệu chỉnh theo hệ số p đã nêu ở mục trên

b Hai cột thu lôi có độ cao khác nhau

- Xét 2 cột thu lôi có độ cao là h1 và h2, cách nhau 1 khoảng a được bố trí như hình vẽ:

Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của 2 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 thằng nằm ngang cắt phạm vi bảo vệ của cột h2 tại 3’, với 3’ là vị trí đặt cột giả tưởng có độ cao là h1

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

3 2 1 ' ' 3

 Khoảng cách giữa cột thấp và cột giả tưởng 3

a’ = a – x ( trong đó x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giả tưởng có

độ cao h1)

 Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1, 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 phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét mà chỉ cần kiểm tra điều kiện an toàn

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

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

x a

D 8(h h )  8hTrong 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

Ta cũng cần phải kiểm tra điều kiện an toàn cho từng cặp cột đặt gần nhau, nếu độ

cao cột thu sét vượt quá 30m thì phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh p

2.4 Phương án bố trí cột thu lôi

- Trạm biến áp 220kV Hải Dương, gồm 2 máy biến áp AT1 và AT2

- Các xà phía 220kV cao 11m và 17m

- Mặt bằng trạm và sơ đồ bố trí thiết bị như hình vẽ:

Hình 2.6 Mặt bằng trạm và sơ đồ bố trí thiết bị trạm 220kV Hải Dương

Từ xà máy biến áp trở về phía 220kV có độ cao cần bảo vệ là hx = 17m và hx = 11m

- Trình tự tính toán:

+ Khảo sát mặt bằng trạm và chọn vị trí đặt cột thu lôi

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

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

+ Tính phạm vi bảo vệ và kiểm tra

2.4.1 Phương án 1

2.4.1.1 Bố trí các cột thu lôi

- Phương án bố trí các cột thu lôi được thể hiện trong hình 2.7:

Hình 2.7: Sơ đồ bố trí các cột thu sét 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

+ Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột trên là:

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

Bảng 2.1 Chiều cao tác dụng của các nhóm cột phía 220kV phướng án 1

Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là ha max = 6,451m

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

x a max

h = h + h = 17 + 6, 451 = 23, 451(m)

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị, ta nâng cột lên 25m

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 đƣợc 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 220kV cao 25m

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

Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên:

+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao bằng nhau h1 = h2 = 25m và đặt cách nhau 1 khoảng

Tính toán tương tự cho các cặp cột còn lại của cả 2 phía, ta có bảng sau:

Bảng 2.2 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phương án 1

Hình 2 8 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1

Hình 2.9: Sơ đồ bố trí các cột thu sét phương án 2

a Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét

Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là ha max = 6,423m

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

x a max

h = h + h = 17 + 6, 423 = 23, 423(m)

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị, ta nâng cột lên 25m

Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi

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

Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên:

+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao bằng nhau h1 = h2 = 25m và đặt cách nhau 1 khoảng

Bảng 2.3 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phương án 2 Đơn vị (m)