Đồ án Hệ thống điện TRẦN THỊ TRANG

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

Trang 1

LỜI MỞ 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 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 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:

“Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV Sơn La” Đồ án tốt

nghiệp gồm có hai phần:

Phần I: Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV Sơn La Phần II: Chuyên đề tính toán sóng truyền từ đường dây 110kV vào trạm

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

tận tình của các thầy cô giáo, đặc biệt là cô giáo Th.s Phạm Thị Thanh Đam đến nay

em đã hoàn thành bản đồ án này Em mong nhận được sự đánh giá, nhận xét của các thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 1 tháng 01 năm 2015

Sinh viên Trần Thị Trang

Trang 2

NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)

………

Trang 3

NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện)

………

Trang 4

MỤC LỤC

PHẦN I 1

CHƯƠNG I 1

HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ 1

ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 1

1.1 Hiện tượng dông sét 1

1.1.1 Giải thích hiện tượng 1

1.1.2 Tình hình dông sét ở Việt Nam 3

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện 6

1.3 Vấn đề chống sét 7

CHƯƠNG II 9

BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 110KV 9

2.1 Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây 9

2.2 Lý thuyết tính toán 9

2.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 9

2.2.1.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét 9

2.2.1.2 Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét 10

2.2.2 Tính toán chung về chỉ tiêu chống sét 11

2.2.2.1 Góc bảo vệ của dây chống sét 11

2.2.2.2 Số lần sét đánh vào đường dây 12

a Cường độ hoạt động của sét 12

b Số lần sét đánh vào đường dây 12

2.3 Tính toán bảo vệ chống sét đường dây 110kV 13

2.3.1 Các tham số tính toán 13

2.3.1.1 Các thông số cơ bản 14

2.3.1.2 Các số liệu tính toán 15

2.3.2 Xác định tổng số lần sét đánh vào đường dây hàng năm 17

2.3.2.1 Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 18

2.3.2.2 Số lần sét đánh vào đỉnh cột và khoảng vượt 18

Trang 5

2.3.4.1 Rc = 13Ω 24

2.3.4.2 Rc = 15Ω 28

2.3.4.3 Rc = 17Ω 32

2.3.5 Tính suất cắt đường dây do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 36

2.3.5.1 Rc = 13Ω 48

2.3.5.2 Rc = 15Ω 51

2.3.5.3 Rc = 17Ω 54

2.3.6 Chỉ tiêu chống sét của đường dây 57

CHƯƠNG III 60

TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TOÀN TRẠM 60

3.1 Khái niệm chung 60

3.2 Các yêu cầu kĩ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 60

3.3 Lý thuyết để tính chiều cao cột và phạm vi bảo vệ 61

3.3.1 Tính toán chiều cao cột thu lôi 61

3.3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi 62

3.3.3 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi 63

3.3.3.1 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi 63

a Hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau 63

b Hai cột thu lôi có độ cao khác nhau 65

3.3.3.2 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu lôi 66

3.4 Phương án bố trí cột thu lôi 67

3.4.1 Phương án 1 68

3.4.1.1 Bố trí các cột thu lôi 68

3.4.1.2 Tính toán cho phương án 1 69

a Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét 69

b.Tính toán phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi 73

3.4.2 Phương án 2 78

3.4.2.1 Bố trí các cột thu lôi 78

3.4.2.2 Tính toán cho phương án 2 79

a Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét 79

b.Tính toán phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi 83

Trang 6

3.5 Chọn phương án tối ưu 89

CHƯƠNG IV 90

TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TOÀN TRẠM 90

4.1 Khái niệm chung 90

4.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống nối đất 91

4.2.1 Trị số cho phép của điện trở nối đất 91

4.2.2 Hệ số mùa 92

4.3 Trình tự tính toán 93

4.3.1 Nối đất tự nhiên 93

4.3.2 Nối đất nhân tạo 94

4.3.3 Nối đất chống sét 97

4.3.3.1 Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong đất 98

4.3.3.2 Tính tổng trở xung kích của hệ thống nối đất 99

4.3.3.3 Tính toán nối đất bổ sung 102

4.3.3.4 Tổng trở của hệ thống khi có nối đất bổ sung 105

PHẦN II 109

A Lý thuyết chung 109

1 Quy tắc Petersen 111

2 Quy tắc sóng đẳng trị 112

3 Xác định điện áp trên điện dung 113

4 Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van 114

4.1 Đặc tính của chống sét van 114

4.2 Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van 116

B Trình tự tính toán 118

1 Sơ đồ tính toán quá trình truyền sóng trong trạm biến áp 118

2 Tính sóng truyền trong trạm biến áp 121

2.1 Tính thời gian sóng truyền giữa các nút 121

2.2 Tính điện áp tại các nút 122

Trang 7

C Kết luận 129 PHỤ LỤC 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

Trang 8

BIỂU HÌNH

Hình 1 1 Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét 2

Hình 2 1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét……… 10

Hình 2 2 Phạm vi bảo vệ của 2 dây thu sét 10

Hình 2 3Góc bảo vệ của dây thu sét 11

Hình 2 4 Kết cấu cột 110kV 14

Hình 2 5 Sơ đồ xác định hệ số ngẫu hợp 16

Hình 2 6 Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 18

Hình 2 7 Đồ thị η = f(Elv) 20

Hình 2 8 Sét đánh vào khoảng vượt 20

Hình 2 9 Dạng sóng tính toán của dòng điện sét 21

Hình 2 10 Điện áp đặt lên cách điện của đường dây khí sét đánh vào khoảng vượt 26

Hình 2 11 Đường cong nguy hiểm với Rc=13Ω 27

Hình 2 16 Sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột 36

Hình 2 17 Sơ đồ thay thế mạch khi chưa có sóng phản xạ về 39

Hình 2 18 Sơ đồ thay thế mạch khi có sóng phản xạ tới 40

Hình 2 19 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ucđ(t)=f(a,t) và đặc tính (V-S) của chuỗi cách điện Upd(t) với Rc=13 Ω 50

Hình 2 20 Đường cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vào đỉnh cột với Rc=13 Ω 51

Trang 9

Hình 3 3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau 64

Hình 3 4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi có độ cao khác nhau 65

Hình 3 5 Phạm vi bảo vệ của nhóm 3 và 4 cột thu lôi có độ cao bằng nhau 66

Hình 3 6 Mặt bằng trạm và sơ đồ bố trí thiết bị trạm 220kV Sơn La 67

Hình 3 7 Sơ đồ bố trí các cột thu sét phương án 1 69

Hình 3 8 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1 78

Hình 3 9 Sơ đồ bố trí các cột thu sét phương án 2 79

Hình 3 10 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 2 88

Hình 4 1 Sơ đồ nối đất nhân tạo mạch vòng………95

Hình 4 2 Đồ thị hệ số hình dáng 97

Hình 4 3 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất 98

Hình 4 4 Sơ đồ đẳng trị rút gọn 98

Hình 4 5 Hình thức nối đất bổ sung 103

Hình 4 6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ ηT = f(n) 105

Hình 4 7 Đồ thị xác định nghiệm của phương trình tanXk = -0,088Xk 106

Hình 4 8 Sơ đồ nối đất tổng thể trạm biến áp 108

Hình 5 1 Sơ đồ truyền sóng giữa hai nút ……… 110

Hình 5 2 Sơ đồ thay thế Petersen 111

Hình 5 3 Sơ đồ nút có nhiều đường dây nối vào 112

Hình 5 4 Sơ đồ thay thế Petsersen xác định điện áp trên điện dung 113

Hình 5 5 Xác định điện áp Uc(t) bằng phương pháp tiếp tuyến 114

Hình 5 6 Đặc tính V – A của chống sét van ZnO 115

Hình 5 7 Sơ đồ thay thế Petersen cho chống sét van 116

Hình 5 8 Đồ thị xác định U(t),I(t )của chống sét van từ đặc tính V-A 116

Hình 5 9 Sơ đồ nối điện chính phía 110kV 118

Hình 5 10 Sơ đồ nguyên lý trạng thái nguy hiểm nhất 119

Hình 5 11 Sơ đồ thay thế trạng thái nguy hiểm nhất 119

Hình 5 12 Sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất 119

Hình 5 13 Quy tắc phân bố lực 121

Hình 5 14 Sơ đồ Petersen tại nút 1 122

Trang 10

Hình 5 18 Điện áp cách điện trên chuỗi sứ khi có sóng truyền vào trạm 128

Hình 5 19 Điện áp trên cách điện máy biến áp khi có sóng truyền vào trạm 128

Hình 5 20 Dòng điện đi qua chống sét van khi có sóng truyền vào trạm 129

Trang 11

BIỂU BẢNG

Bảng 1 1 Thông số dông sét của một số vùng 4

Bảng 1 2 Số ngày dông sét trong các tháng ở một số vùng 4

Bảng 1 3 Tình hình sự cố lưới điện miền Bắc từ năm 1987-2009 6

Bảng 2 1 Bảng xác suất hình thành hồ quang η=f(Elv)……….19

Bảng 2 2 Đặc tính (V-S) của chuỗi cách điện 24

Bảng 2 3 Giá trị Ucđ(a,t) tác dụng lên chuỗi sứ với Rc=13Ω 25

Bảng 2 4 Các cặp thông số (ai, Ii) với Rc = 13Ω 27

Bảng 2 5 Kết quả tính toán xác suất phóng điện với Rc=13Ω 27

Bảng 2 12 Kết quả tính giá trị Ucđ(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột với Rc = 13 49

Bảng 2 13 Kết quả tính xác suất phóng điện với Rc=13 Ω 50

Bảng 3 1 Chiều cao tác dụng của các nhóm cột phía 220kV phướng án 1………… 71

Bảng 3 2 Kiếm tra sự an toàn của 2 MBA phương án 1 73

Bảng 3 3 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phương án 1 Đơn vị (m) 77

Bảng 3 4 Chiều cao tác dụng của các nhóm cột phía 110kV phướng án 2 81

Bảng 3 5 Chiều cao tác dụng của các nhóm cột phía 220kV phướng án 2 82

Bảng 3 6 Kiếm tra sự an toàn của 2 MBA phương án 2 83

Bảng 3 7 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phương án 2 Đơn vị (m) 87

Bảng 3 8 Bảng so sánh giữa 2 phương án 89

Bảng 4 1 Bảng hệ số kmua……….92

Bảng 4 2 Bảng quan hệ giữa k và tỉ lệ l1/l2 96

Trang 12

Bảng 4 3 Bảng kết quả chuỗi 12

ds k T e k





101

Bảng 4 4 Hệ số sử dụng của thanh khi nối cọc theo dãy 105

Bảng 4 5 Nghiệm của phương trình tanXk = -0,086Xk 107

Bảng 4 6 Kết quả tính toán các giá trị Bk 107

Bảng 5 1 Giá trị điện dung của các phần tử thay thế……… 120

Bảng 5 2 giá trị điện áp chịu đựng của máy biến áp theo thời gian 127

Trang 13

PHẦN I TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆCHỐNG SÉT CHO

TRẠM BIẾN ÁP 220kV SƠN LA

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 không 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 6km, 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

Trang 14

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 – 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 tia 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 nhanh hơn có thể đạt tới 2.108cm/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

Trang 15

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 từ và có thể có dòng phóng điện ngược từ mặt đất lên với tốc độ 1,5.109 – 1,5.1010cm/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 tia 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 không 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 4 tháng, 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 Hòa 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

Trang 16

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 dông/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, Pleiku 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

Trang 17

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 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

Trang 18

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 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

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

Loại sự cố năm Dưới 220kV Đường dây Phả Lại - Hà Đông

Trang 19

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 dọa 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 điện 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

Trang 20

và trạm biến áp là rất cần thiết và 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

Trang 21

CHƯƠNG II BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 110KV

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

Đường dây là phần tử dài nhất trên hệ thống điện nên thường bị sét đánh gây nên quá điện áp Quá trình này có thể dẫn tới cắt máy cắt đường dây làm ảnh hưởng tới cung cấp điện Mặt khác khi sét đánh vào đoạn dây gần trạm thì sẽ tạo nên sóng truyền vào trạm gây sự cố phá hoại cách điện của thiết bị điện trong trạm Do đó ta phải tiến hành nghiên cứu chống sét cho đường dây tải điện, đặc biệt là những đoạn đường dây gần đến trạm thì phải được tính toán bảo vệ cẩn thận Vì thế đường dây cần được bảo vệ chống sét với mức an toàn cao

Quá điện áp khí quyển có thể là do sét đánh thẳng lên đường dây hoặc do sét đánh xuống đất gần đường dây tạo nên quá điện áp cảm ứng Trị số của quá điện áp khí quyển là rất lớn nên không thể chọn mức cách điện của đường dây đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp mà chỉ có thể chọn theo mức hợp lý về mặt kinh tế

và kỹ thuật Do đó yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đường dây không phải là an toàn tuyệt đối mà chỉ cần ở mức độ giới hạn hợp lý Trong phần này ta sẽ tính toán các chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây, trên cơ sở đó xác định được các phương hướng và biện pháp để giảm số lần cắt điện của đường dây cần bảo vệ

2.2 Lý thuyết tính toán

2.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

Để bảo vệ cho các đường dây tải điện người ta dùng dây chống sét thay cho các cột thu sét do đường dây trải dài trên một diện tích khá rộng lớn Nó được treo phía trên các dây pha, có đường kính nhỏ hơn các dây pha và được nối đất ở từng cột Các dây chống sét treo cao trên đường dây tải điện sao cho các dây pha nằm trong phạm vi bảo vệ của dây chống sét Phạm vi bảo vệ của dây chống sét là một vùng dọc theo chiều dài đường dây, có mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét được xác định tương tự như với cột thu sét

2.2.1.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét được thể hiện như hình vẽ:

Trang 22

Hình 2 1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

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, bx được xác định như sau:

0,8h

R h0

Trang 23

Xét hệ hai dây chống sét có độ cao h, đặt cách nhau một khoảng O1O2 = a

Khi a ≤ 4h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa hai dây chống sét sẽ

được bảo vệ an toàn

Khoảng giữa hai dây chống sét bảo vệ được cho độ cao lớn nhất: h = h -0 a

4 Phạm vi bảo vệ:

- Phần nằm giữa hai dây chống sét bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h0

- Phần ngoài khoảng giữa hai dây chống sét là phạm vi bảo vệ của từng dây chống sét độc lập

2.2.2 Tính toán chung về chỉ tiêu chống sét

2.2.2.1 Góc bảo vệ của dây chống sét

Đối với đường dây tải điện:

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét được tính

theo theo công thức:

hdd: Chiều cao treo dây dẫn

hcs: Chiều cao treo dây chống sét

bx: Phạm vi bảo vệ một bên của dây thu sét

Từ đó ta tính được góc bảo vệ giới hạn của dây thu sét:

cs cs dd x

gh

cs dd cs cs dd

0, 6.h (h - h )b

Trang 24

Vậy khi góc bảo vệ α < αgh thì đường dây được bảo vệ hoàn toàn

2.2.2.2 Số lần sét đánh vào đường dây

a Cường độ hoạt động của sét

Số ngày sét (n ng.s )

Cường độ hoạt động của sét được biểu thị bằng số ngày có dông sét hàng năm (nngs) Các số liệu này được xác định theo số liệu quan trắc ở các đài trạm khí tượng phân bố trên lãnh thổ từng nước

Mật độ sét (m s )

Để tính toán số lần có phóng điện xuống đất cần biết về số lần có sét đánh trên diện tích 1km2 mặt đất ứng với 1 ngày sét, nó có trị số khoảng ms=0,1÷0,15 lần/(km2.ngày sét) Từ đó sẽ tính được số lần sét đánh vào các công trình hoặc lên đường dây tải điện

b Số lần sét đánh vào đường dây

Coi mật độ sét là đều trên trên toàn bộ diện tích vùng có đường dây đi qua, có thể tính số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây trong một năm là:

N = ms.nngs.L.6h.10-3 (lần/năm) (2.1) Trong đó:

ms: Mật độ sét vùng có đường dây đi qua

nngs: Số ngày sét trong năm

Tra trong bảng 5.1 trong phần phụ lục chương 5 của “ Quy chuẩn xây dựng Việt Nam số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng (Phần I)” ứng với tỉnh Sơn La có: ms.nng.s = 10,9 (lần/km2/năm)

L: Chiều dài đường dây (km)

h: Độ treo cao trung bình của dây trên cùng (dây dẫn hoặc dây chống sét) Lấy L = 100km ta sẽ có số lần sét đánh vào 100km dọc chiều dài đường dây

Trang 25

Tùy theo vị trí sét đánh quá điện áp xuất hiện trên cách điện đường dây có trị

số khác nhau Người ta phân biệt số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây có chống sét thành 3 khả năng:

- Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn:

dd α

N = N.V (2.3) Với: N: Tổng số lần sét đánh vào đường dây

Vα: Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn, nó phụ thuộc vào góc bảo vệ α và được xác định theo công thức sau:

c α

α h

90 (2.4) Trong đó: hc: Chiều cao của cột (m)

α: Góc bảo vệ (độ)

- Sét đánh vào đỉnh cột:

dc

NN2

- Đường dây dùng cột thép có chiều cao cột hc=20m

- Độ treo cao của dây dẫn các pha: hdd(A)=16,5m; hdd(B)=hdd(C)=14m

- Độ treo cao của dây chống sét: hcs=20m

Trang 26

Hình 2 4 Kết cấu cột 110kV

2.3.1.1 Các thông số cơ bản

- Chiều dài chuỗi sứ là lsứ, chuỗi sứ có 7 bát, độ dài mỗi bát: l=170mm, dùng sứ loại Π-4,5 nên lsứ = n.l = 7.170 = 1190mm = 1,19m

- Dây chống sét là dây là dây thép C – 70: d = 11mm; r = 5,5mm

- Dây dẫn là dây nhôm lõi thép ACSR – 500/64: d = 30,6mm; r = 15,3mm

- Với cấp 110kV, hệ số điều chỉnh vầng quang λ = 1,3

- Khoảng vượt của đường dây 110kV: l=200m

Trang 27

Z = 138log

Trong đó:

h(tb): Độ treo cao trung bình của dây dẫn hoặc dây chống sét

r: Bán kính dây dẫn hoặc dây chống sét

+ Pha A: ZddA = 138log 2.14,5-3 = 452, 324(Ω)

Z 527, 698

Z = = = 405,922(Ω)

- Góc bảo vệ:

Trang 28

- Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét:

Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét khi chưa có ảnh hưởng của vầng quang điện được xác định theo công thức:

Trang 29

Hệ số ngẫu hợp giữa dây chống sét với dây dẫn khi xét đến ảnh hưởng của vầng quang điện:

cs(tb) cs

-3

L + (h + h )138log

L + (h - h )

K =

2.h138log

r1,5 + (18,333 +14, 5)138log

1,5 + (18,333 -14,5)

2.18,333138log

5,5.10

A vq

-3

L + (h + h )138log

L + (h - h )

K = K =

2.h138log

r

2 + (18,333 +12)138log

2 + (18,333 -12) = = 0,173

2.18, 333138log

5, 5.10

vq vq

2.3.2 Xác định tổng số lần sét đánh vào đường dây hàng năm

Theo đề tài thiết kế: h = 18,333m

Áp dụng công thức 2.2 ta có:

Trang 30

N = 6, 54.18, 333 = 119, 898 (lần/100km.năm) Có: N = Ndd + Ndc + Nkv

Trong đó: Ndd: Số lần sét đánh vào dây dẫn

Ndc: Số lần sét đánh vào đỉnh cột

Nkv: Số lần sét đánh vào khoảng vượt

2.3.2.1 Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn

Dây dẫn pha A có góc bảo vệ lớn nhất nên khả năng bị sét đánh vào là lớn nhất,

Trang 31

Số lần cắt của đường dây được xác định theo công thức:

ncd(dd) = Ndd.Vpd.η (2.9) Trong đó:

Vpd: Xác suất phóng điện được xác định như sau:

50%

dd

4.U - 60.Z pd

V = 10 (2.10) U50% = 660kV là điện áp phóng điện xung kích bé nhất của chuỗi cách điện

Zdd = ZddA = 452,324Ω là tổng trở sóng của dây dẫn bị sét đánh (dây dẫn pha A)

=> Xác suất phóng điện:

4.660 - 60.452,324 pd

V = 10 = 0, 799

η xác suất hình thành hồ quang η = f(Elv) xác định như sau:

lv lv pd

Với: Ulv: điện áp làm việc (kV)

Lpđ: chiều dài đường phóng điện (m)

Trang 32

Từ bảng 2.1 ta có đồ thị biểu diễn mỗi quan hệ η = f(Elv) như sau:

Hình 2 7 Đồ thị η = f(E lv )

Từ đồ thị ứng với Elv = 53,369 kV/m dóng lên ta được: η = 0,62

Vậy số lần cắt của đường dây trong 1 năm là:

cd(dd) dd pd

n = N V η0, 211.0, 799.0, 62 = 0,105(lần.năm/100km)

2.3.4 Tính suất cắt đường dây do sét đánh vào khoảng vượt

Khi sét đánh vào dây chống sét trong khoảng vượt, để đơn giản ta giả thiết rằng sét đánh vào chính giữa của khoảng vượt và dòng điện sét được chia về hai phía như trên hình vẽ:

0

n

f(E lv ) 50

Trang 33

Lấy với dạng sóng góc xiên Lúc này trên dây chống sét và mỗi cột sẽ có dòng

điện là Is

2

Hình 2 9 Dạng sóng tính toán của dòng điện sét

Ta có phương trình của dòng điện sét dạng xiên góc:

Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt được tính theo công thức:

cd(kV) kv pd

Trong đó: Nkv: Số lần sét đánh vào khoảng vượt, Nkv = 59.949 (lần)

η: Xác suất hình thành hồ quang, η =0,62 (tính được ở phần 2.3.3) Vpd: Xác suất sét đánh vào đường dây gây phóng điện

Xác suất phóng điện Vpd là xác suất mà cặp thông số (a, I) của phóng điện sét thuộc miền nguy hiểm và được tính như sau:

Trang 34

* Suất cắt điện do quá điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn

và dây chống sét (ta xét với pha B hoặc C vì hệ số ngẫu hợp của 2 pha này nhỏ hơn của pha A)

a.l

U = (1- K ) (kV)

3 Với: Kvq: hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét có kể đến vầng quang

a: Độ dốc dòng điện sét

l: Khoảng vượt của đường dây

Trong thiết kế và thi công đường dây, thường chọn khoảng cách giữa các dây

đủ lớn để tránh khả năng xảy ra phóng điện trong trường hợp này ít xảy ra và dù có xảy ra thì xác suất hình thành hồ quang cũng rất nhỏ Vì vậy suất cắt trong trường hợp này có thể bỏ qua

* Suất cắt điện do quá điện áp tác dụng lên chuỗi sứ

Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét là:

U (t) = U (t) + U (2.16) Trong đó:

Trang 35

π 2

0 lv

Trang 36

Bảng 2 2 Đặc tính (V-S) của chuỗi cách điện

Trang 37

Bảng 2 3 Giá trị U cđ (a,t) tác dụng lên chuỗi sứ với R c =13Ω

Trang 38

Từ các giá trị trên ta vẽ đường Ucd = f(t) với các giá trị khác nhau của a, trên hình vẽ còn thể hiện đường đặc tính (V-S) của chuỗi cách điện

Đường đặc tính (V-S) của chuỗi cách điện sẽ cắt các hàm Ucd = f(a;t) tại các vị trí mà từ đó ta có thời gian xảy ra phóng điện trên chuỗi sứ như hình 2.10

Đặc tuyến (V-S) của chuỗi sứ được tra trong bảng 25 “sách hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp”:

Hình 2 10 Điện áp đặt lên cách điện của đường dây khí sét đánh vào khoảng vượt

U cd = f(a,t) với R c = 13Ω và đặc tính (V-S) của chuỗi cách điện U pd (t)

Từ đồ thị trên ta xác định được các cặp thông số (ai, ti) là giao của đường cong Ucđ(a,t) với đường đặc tính V-S Dựa vào các cặp thông số này ta xác định được đường cong nguy hiểm I = f(a) từ đó xác định được miền nguy hiểm và xác suất phóng điện Vpđ

Kết quả cho ở bảng sau:

100(kA/µs)90(kA/µs)80(kA/µs)70(kA/µs)60(kA/µs)50(kA/µs)40(kA/µs)30(kA/µs)20(kA/µs)10(kA/µs)0

Trang 39

Bảng 2 4 Các cặp thông số (a i , I i ) với Rc = 13Ω

ti(µs) 4,861 3,089 2,181 1,675 1,257 0,942 0,701 0,521 Ii(kA) 97,22 92,67 87,24 83,75 75,42 65,94 56,08 46,89

Từ các giá trị ở trên ta xác định được đường cong thông số nguy hiểm:

Hình 2 11 Đường cong nguy hiểm với R c =13Ω

Ta có bảng tính toán các kết quả như sau:

Bảng 2 5 Kết quả tính toán xác suất phóng điện với R c =13Ω

Định dạng
Số trang	152
Dung lượng	2,3 MB