Đồ án tốt nghiệp Nguyen cong thanh

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: Nguyễn Công Thành

Tên đề tài:

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

220kV THUẬN AN 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  100 m

 Khi tính chống sét cho đường dây 220 kV, tính cho các trường hợp: Rc = 7,10,15 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 Thuận An 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 Thuận An 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

Nguyễn Công Thành

NHẬN XÉT

MỤC LỤC

BIỂU BẢNG

BIỂU HÌNH

PHẦN I

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

AN 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 Giả thích hiện tương 2

1.1.2 Tình hình dông sét ở Việt Nam 4

1.2 Ảnh hưởng của dông sét ở Việt Nam 7

1.3 Vấn đề chống sét 8

CHƯƠNG II BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 2.1 Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây 10

2.2 Lý thuyết tính toán 10

2.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 10

2.2.2 Tính toán chung về chỉ tiêu chống sét 12

2.3 Tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây 220kV 15

2.3.1 Các tham số tính toán 15

2.3.2 Xác định tổng số sét đánh vào đường dây hằng năm 20

2.3.3 Tính suất cắt đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 21 2.3.4 Tính suất cắt đường dây khi sét đánh vào khoảng vượt \23

2.3.5 Tính suất cắt đường dây do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 30

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TOÀN TRẠM 3.1 Khái niệm chung 46

3.2 Các yêu cầu kĩ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 46

3.3 Lý thuyết để tính chiều cao cột và phạm vi bảo vệ 48

3.3.1 Tính toán chiều cao cột thu lôi 48

3.3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi 48

3.3.3 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi 50

3.4 Các phương án bố trí cột thu lôi 53

3.4.1 Phương án 1 55

3.4.2 Phương án 2 65

3.5 Chọn phương án tối ưu 74

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 4.1 Khái niệm chung 75

4.2 Các yêu cầu kĩ thuật đối với hệ thống nối đất 76

4.2.1 Trị số cho phép của điện trở nối đất 76

4.2.2 Hệ số mùa 77

4.3 Trình tự tính toán 78

4.3.1 Nối đất tự nhiên 79

4.3.2 Nối đất nhân tạo 80

4.3.3 Nối đất chống sét 82

PHẦN II

CHUYÊN ĐỀ TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 220kV

VÀO TRẠM BIẾN ÁP 96

A Lý thuyết chung 97

1 Quy tắc Petersen 99

2 Quy tắc sóng đẳng trị 100

3 Xác định điện áp trên điện dung 101

4 Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van 102

B Trình tự tính toán 105

1 Sơ đồ tính toán quá trình truyền sóng trong trạm biến áp 105

2 Tính sóng truyền trong trạm biến áp 109

C Kết luận 118

PHỤ LỤC 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

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 Xác suất hình thành hồ quang   f(E )lv 15

Bảng 2.2 Đặc tính V-S của chuỗi sứ 27

Bảng 2.3 Giá trị U (a, t)cd tác dụng lên chuỗi sứ 28

Bảng 2.4 Các cặp thông số (a , t )i i 29

Bảng 2.5 Kết quả tính toán xác suất phóng điện 29

Bảng 2.6 Kết quả tính giá trị U (a , t )cd i i khi sét đánh vào đỉnh cột 43

Bảng 2.7 Kết quả xác suất phóng điện 44

Bảng 3.1 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1 58

Bảng 3.2 Chiều cao hiệu dung của các nhóm cột phía 220kV phương án 1 59

Bảng 3.3 Phạm vi bảo vệ của các cột phương án 1 62

Bảng 3.4 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 2 67

Bảng 3.5 Chiều cao hiệu dung của các nhóm cột phía 220kV phương án 2 69

Bảng 3.6 Phạm vi bảo vệ của các cột phương án 2 71

Bảng 3.7 Bảng so sánh giữa 2 phương án 74

Bảng 4.1 Bảng hệ số kmùa 78

Bảng 4.2 Bảng quan hệ giữa k và tỉ lệ l1/l2 81

Bảng 4.3 Bảng kết quả của chuỗi ds k T 2 1 e k   87

Bảng 4.4 Hệ số sử dụng của thanh khi nối cọc theo dãy 91

Bảng 4.5 Kết quả tính toán các giá trị Bk 93

Bảng 5.1 Giá trị điện dung của các phần tử thay thế 108

BIỂU HÌNH

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

Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ của 1 dây chống sét 11

Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của 2 dây chống sét ở cùng 1 dộ cao 11

Hình 2.3 Góc bảo vệ của dây thu sét 12

Hình 2.4 Kết cấu cột 220kV 16

Hình 2.5 Dây dẫn và ảnh của nó qua mặt đất 19

Hình 2.6 Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 21

Hình 2.7 Đồ thị mối quan hệ   f(E )lv 23

Hình 2.8 Hình vẽ sét đánh vào khoảng vượt 24

Hình 2.9 Dạng sóng tính toán của dòng điện sét 24

Hình 2.10 Đồ thị U (a, t)cd 28

Hình 2.11 Đường cong nguy hiểm 29

Hình 2.12 Sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột 30

Hình 2.13 Sơ đồ thay thế mạch khi chưa có sóng phản xạ 34

Hình 2.14 Sơ đồ thay thế mạch khi có sóng phản xạ 35

Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ U (t)cd  f(a, t) 44

Hình 2.16 Đường cong nguy hiểm khi sét đánh vào đỉnh cột 45

Hình 3.1 Phạm vi bảo vệ cho một cột thu lôi 48

Hình 3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi(đường sinh gấp khúc) 49

Hình 3.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau 50

Hình 3.4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi có độ cao khác nhau 51

Hình 3.5 Phạm vi bảo vệ của nhóm 3 và 4 cột thu lôi có độ cao bằng nhau 53

Hình 3.6 Mặt bằng trạm và sơ đồ bố trí thiết bị trạm 220kV Thuân An 54

Hình 3.8 Phạm vi bảo vệ của phương án 1 64

Hình 3.9 Sơ đồ bố trí các cột thu sét phương án 2 65

Hình 3.10 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phương án 2 `73

Hình 4.1 Sơ đồ nối đất nhân tạo mạch vòng 80

Hình 4.2 Đồ thị hệ số hình dáng 82

Hình 4.3 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất 83

Hinh 4.4 Sơ đồ đẳng trị rút gọn 83

Hình 4.5 Hình thức nối đất bổ sung 89

Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ   T f(n) 91

Hình 4.7 Đồ thị xác định nghiệm của phương trinh tgXk   0.08Xk 93

Hình 4.8 Sơ đồ nối đất tổng thể trạm biến áp 95

Hình 5.1 Sơ đồ truyền sóng giữa hai nút 98

Hình 5.2 Sơ đồ thay thế Petersen 99

Hình 5.3 Sơ đồ nút có nhiều đường dây nối vào 100

Hình 5.4 Sơ đô thay thế Petersen xác định điện áp trên điện dung 101

Hình 5.5 Đặc tính V – A của chống sét van 103

Hình 5.6 Sơ đồ thay thế Petersen cho chống sét van 104

Hình 5.7 Đồ thị xác định U(t), I(t) của chống sét van từ đặc tính V – A 105

Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý trạng thái nguy hiểm nhất 106

Hình 5.9 Sơ đồ thay thế trạng thái nguy hiểm nhất 107

Hình 5.10 Sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất 108

Hình 5.11 Quy tắc phân bố cực 111

Hình 5.12 Sơ đồ Petersen tai nút 1 112

Hình 5.13 Sơ đồ Petersen tai nút 2 114

Hình 5.14 Sơ đồ Petersen tại nút 4 115

Hình 5.15 Sơ đồ Petersen tại nút 3 115

Hình 5.16 Điện áp trên cách điện chuỗi sứ khi có sóng truyền vào trạm 117

Hình5.17 Điện áp trên cách điện máy biến áp khi có sóng truyền vào trạm 117

Hình5.18 Điện áp trên cách điện máy biến áp khi có sóng truyền vào trạm 118

Hình5.19: Dòng diện đi qua chống sét van có sóng truyền vào trạm 118

Phần I:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN

ÁP 220kV THUẬN AN

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

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

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 như ở thành phố

Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày

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

Bảng 1.1 Thông số dông sét của một số vùng

Vùng

Số ngày dông trung bình ( ngày/năm)

Số giờ dông trung bình

trung bình

Tháng nhiều dông sét nhất

điện vận hành kinh tế, hiệu quả, đảm bảo cung cấp điện liên tục và tin cậy

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện

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

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

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

CHƯƠNG II BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 2.1 Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây

Đường dây tải điện là phần tử dài nhất trong hệ thống điện, thường xuyên bị sét đánh và chịu tác dụng của quá điện áp khí quyển Quá điện áp có thể do sét đánh trực tiếp vào đường dây hoặc do sét đánh xuống mặt đất gần khu vực có đường dây đi qua

và gây cảm ứng lên đường dây Quá điện áp có thể dẫn đến cắt máy cắt đường dây, làm ảnh hưởng đến sự cung cấp điện của toàn hệ thống và đến sự an toàn của các thiết

bị trong trạm nhất là máy biến áp Nước ta là nước nhiệt đới gió mùa nên vào mùa mưa xác suất sét đánh vào đường dây rất cao nên việc tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây là một khâu rất quan trọng, phải đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật Khi tính toán bảo vệ chống sét đường dây phải kết hợp chặt chẽ với bảo vệ chống sét cho trạm, đặc biệt là đoạn đường dây gần trạm phải được bảo vệ cẩn thận, vì khi sét đánh vào khoảng này sẽ đưa vào trạm các quá điện áp với thông số lớn gây nguy hiểm tới các thiết bị của trạm

Do trị số quá điện áp khí quyển rất lớn nên không thể chọn mức cách điện đường dây đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp khí quyển vì khi đó vốn đầu tư vào đường dây là quá lớn Vì vậy việc bảo vệ chống sét cho đường dây đến mức an toàn tuyệt đối không thể thực hiện được mà chỉ hạn chế sự cố đến mức thấp nhất, đảm bảo mức độ hợp lý về mặt kinh tế và kỹ thuật

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 xắc định tương tự như cột thu sét

a Phạm vi bảo vệ của 1 dây chống sét

Hình 2.1 Phạm vi ảo vệ của 1 dây chống sét

Xét dây chống sét ở độ cao h, độ cao bảo vệ hx

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

b Phạm vi bảo vệ của 2 dây chống sét

Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của 2 dây chống sét ở cùng 1 độ cao

Xét hệ 2 dây chống sét có độ cao h, đặt cách nhau 1 khoảng O1O2 = a

bảo vệ an toàn

4

a h

 

Phạm vi bảo vệ

+ Phần ngoài khoảng giữa 2 dây chống sét là phạm vi bảo vệ cuae 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

hdd: là chiều cao treo dây dẫn

h cs: là chiều cao treo dây chống sét Hình 2.3 Góc bảo vệ của dây thu sét

b x: là phạm vi bảo vệ một bên của dây

gh  31

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

Coi mật độ sét là đều 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:

ns : số ngày sét trong một năm÷

h: chiều cao trung bình của các dây dẫn L: chiều dài của đường dây

Lấy L = 100 km ta sẽ có số lần sét đánh vào 100km dọc chiều dài đường dây

Với N : tổng số lần sét đánh vào đường dây

N NN N 

2.2.2.3 Số lần phóng điện khi sét đánh vào đường dây

Khi bị sét đánh, quá điện áp tác dụng vào cách điện của đường dây (sứ và khoảng cách không khí giữa dây dẫn và dây chống sét) có thể gây ra phóng điện Khả năng phóng điện được đặc trưng bởi xác suất phóng điện Vpđ Như thế ứng với số lần sét đánh Ni thì số lần phóng điện sẽ là:

Npdi = Ni.Vpđ Xác suất phóng điện Vpđ phụ thuộc trị số quá điện áp và đặc tính cách điện (V-S) của đường dây

2.2.2.4 Số lần cắt điện khi sét đánh vào đường dây

Khi có phóng điện trên cách điện của đường dây, máy cắt có thể bị cắt ra nếu có xuất hiện hồ quang tần số công nghiệp tại nơi phóng điện Xác suất hình thành hồ

thể xác định  theo bảng sau:

Bảng 2.1 xác xuất hình thành hồ quang =f(E ) lv

Với Elv : cường độ điện trường dọc theo đường phóng điện, (kV/m)

Ulv: điện áp pha làm việc (kV)

Lpđ: chiều dài đường phóng điện (chiều dài chuỗi sứ) (m)

Vậy ta có thể tính số lần cắt điện của đường dây tương ứng với số lần sét đánh

2.2.2.5 Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng

Số lần phóng điện do sét đánh gần đường dây cảm ứng gây phóng điện trên cách điện đường dây được tính như sau:

50%

260 50%

23, 4) .(15, 6

U dcu

s p

Trong đó: ns:số ngày sét trong một năm.÷

h: độ treo cao trung bình của dây dẫn

50%

Như vậy số lần đường dây bị cắt điện do quá điện áp cảm ứng:

- Đường dây dùng cột thép, có chiều cao cột hc = 30 m

- Độ treo cao của dây dẫn các pha: hdd(A) = 20 m; hdd(B) = hdd(C) =14 m

- Độ treo cao của dây chống sét: hcs = 30 m

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

- Với cấp 220kV, hệ số điều chỉnh vầng quang:  = 1,4

- Khoảng vượt của đường dây 220kV : l = 230m

- Độ võng dây chống sét: fcs = 4m

- Độ võng dây dẫn: fdd = 4,5m

b Các số liệu tính toán

+ Độ treo cao trung bình của dây chống sét

( )

2 3

20 4, 5 173

dd

260.ln h tb ( )

cs

Z    

+ Khi có vầng quang : do ảnh hưởng của vầng quang điện nên điện dung tăng lên,

do đó tổng trở giảm đi

552, 248

394, 463( )

1, 4

vq cs cs

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

Hệ số ngẫu hợp giữa dây chống sét và dây dẫn được tính theo công thức

𝐾 =𝑍21

𝑍22Trong đó :

thức: Z21 = 138log 21

21

b d

Hình 2.5 : Dây dẫn và ảnh của nó qua mặt đất

+ D2'x: khoảng cách giữa dây pha và ảnh của dây chống sét (m)

+ d2x: khoảng cách giữa dây chống sét và dây pha (m)

Hệ số ngẫu hợp của pha A khi chưa xét đến ảnh hưởng của vầng quang là

+ Khi có ảnh hưởng của vầng quang hệ số pha

16, 603

0, 0912.27, 33

0, 09) (0, 06 0, 09).27,33.100

N(0, 06 h n ngs   166,98 245,97 (lần/100km.năm)

Ta chọn khả năng nguy hiểm nhất là vùng xảy ra nhiều sét để tính Ta lấy giá trị

N = 272,997 lần/100km.năm là tổng số lần sét đánh vào đường dây

Có: N = Ndd + Nđc + Nkv

Trong đó:

Ndd : Số lần sét đánh vào dây dẫn Nđc : Số lần sét đánh vào đỉnh cột

Nkv : Số lần sét đánh vào khoảng vượt

- 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,

2.3.3 Tính suất cắt đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn

Hình 2.6 Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn

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

Vpd là xác xuất phóng điện được tính như sau :

60 10

bv

l pd

V





Zdd = ZddA = 462,376 Ω là tổng trở sóng của dây bị sét đánh ( dây dẫn pha A)

U E l



dm lv

U

kV m l

Từ bảng 2.1 ta có đồ thị biểu diễn mối quan hệ  f(E )lv như sau

Hình 2.7 Đồ thị mối quan hệ  f(E )lv

Từ đồ thị ứng với Elv = 62,263 kV/m dóng lên ta được = 0,72

Vậy số lần cắt của đường dây trong một năm là

c

2.3.4 Tính suất cắt đường dây khi 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:

Dây chống sét

Đường dây

Hình 2.8 Hình vẽ sét đánh vào khoảng vượt

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

2

s

I

Hình 2.9 Dạng sóng tính toán của dòng điện sét

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

is = at nếu t ≤  ds

is = I nếu t >  ds

Ta sẽ tính toán cho các giá trị

+ Tại các thời điểm: t = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 (μs

Suất cắt đánh vào khoảng vượt được tính theo công thức

Điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét

Điện áp tác dụng lên cách điện của chuỗi sứ

Nếu các điện áp này đủ lớn thì sẽ gây ra phóng điện sét trên cách điện làm cắt điện trên đường dây

* 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)

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

Từ bảng số liệu trên kết hợp với đường đặc tính V-S của chuỗi sứ, ta vẽ được đồ

thị sau :

Hình 2.10 Đồ thị Ucđ(a.t) với Rc = 10Ω

Từ đồ thị trên ta xác định được cặp thông số (ai, ti) là giao của đường cong

đường cong nguy hiểm I = f(a) từ đó xác định được miền nguy hiểm và xác suất phóng

Ucđ(kV)

t(µs) Upđ(kV)

Hình 2.111: Đường cong nguy hiểm, với Rc=10

Vậy xác suất phóng điện: Vpđ= 6

1

118,8349.10

n pdi i

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

Để đơn giản và dễ tính toán ta giả thiết sét chỉ đánh vào đỉnh cột điện, khi đó

phần lớn dòng điện sét sẽ đi vào nối đất cột điện, phần nhỏ còn lại sẽ đi theo dây

chống sét vào các bộ phận nói đất của các cột lân cân như hình vẽ

Hình 2.12 Sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột Trong trường hợp này ta phải tính toán suất cắt chop ha có quá điện áp đặt lên

cách điện lớn nhất Ucđ(t) max vì khi đó xác suất phóng điện của pha đó sẽ lớn nhất Do

đó ta phải tiến hành tính toán điện áp đặt lên cách điện đối với từng pha

Ucđ(t)=Uc(t) + U cu t ( ) Ut  dcs( )t U lv (4.20) Theo công thức trên điện áp xuất hiện trên các điện khi sét đánh vào đỉnh cột bao

Dâydẫn Dâydẫn

ic