Tài liệu Đề tài điện - điện tử

1 MỤC LỤC PHẦN I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV/110kV .................................................................................................................. 1 CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM ........................................................................................................... 1 1.1. Hiện tượng dông sét ............................................................................................ 1 1.1.1. Khái niệm chung .............................................................................................. 1 1.1.2. Tình hình dông sét ở Việt Nam ....................................................................... 3 1.2. Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Việt Nam .................................... 6 CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM PHÂN PHỐI 220/110kV .................................................................................... 7 2.1. Khái niệm chung ................................................................................................. 7 2.2. Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp ................................................................................................................ 7 2.3. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét .............................................. 8 2.3.1. Phạm vi của cột thu sét .................................................................................... 8 2.3.2. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét ................................................................ 12 2.4. Mô tả trạm phân phối 220kV cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp ............. 13 2.4.1. Phương án 1 .................................................................................................... 14 2.4.1.1. Bố trí các cột thu lôi ..................................................................................... 14 2.4.1.2.Tính toán cho phương án 1 .......................................................................... 14 2.4.1.3. Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1 ........................................ 20 2.4.2. Phương án 2 .................................................................................................... 20 2.4.2.1. Bố trí các cột thu lôi ..................................................................................... 20 2.4.2.2.Tính toán cho phương án 2 .......................................................................... 20 2.4.1.3. Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 2 ........................................ 25 2.4.3. Phương án 3 .................................................................................................... 25 2.4.3.1. Bố trí dây thu sét........................................................................................... 25 2.4.3.2. Tính toán cho phương án 3 ......................................................................... 25 2.4.3.3. Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 3 ........................................ 28 2.5. So sánh các phương án ..................................................................................... 29 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 2 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM PHÂN PHỐI 220/110kV ..................................................................................................................... 30 3.1. Yêu cầu kĩ thuật khi nối đất trạm biến áp ...................................................... 30 3.2. Tính toán nối đất an toàn ................................................................................. 32 3.2.1. Nối đất tự nhiên .............................................................................................. 32 3.2.2. Nối đất nhân tạo ............................................................................................. 33 3.3. Nối đất chống sét ............................................................................................... 35 3.3.1. Khái niệm ........................................................................................................ 35 3.3.2. Trình tự tính toán........................................................................................... 36 3.3.2.1. Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong đất ............................................................................................................................... 36 3.3.2.2 Tính toán trị số điện trở nối đất nhân tạo trong mùa sét ........................... 37 3.3.2.3.Tính toán cho trạm thiết kế .......................................................................... 40 3.3.2.5. Kết luận ......................................................................................................... 46 CHƯƠNG IV: BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 220kV ....... 47 4.1. Mở đầu ............................................................................................................... 47 4.2. Lý thuyết tính toán ............................................................................................ 47 4.3. Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây ....................................... 50 4.3.1. Thông số đường dây cần bảo vệ .................................................................... 50 4.3.2. Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây.............................................................................................................................. 51 4.3.2.1. Độ võng của dây ........................................................................................... 51 4.3.2.2. Độ treo cao trung bình của dây dẫn và dây chống sét................................ 51 4.3.2.3. Góc bảo vệ của dây thu sét ........................................................................... 52 4.3.2.4. Tổng trở sóng của dây dẫn và dây chống sét .............................................. 52 4.3.2.5. Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn các pha với dây chống sét .......................... 53 4.3.2.6 Nhận xét......................................................................................................... 55 4.3.3. Tính số lần sét đánh vào đường dây ............................................................. 55 4.3.3.1. Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn ................................. 55 4.3.3.2.Số lần sét đánh vào đỉnh cột và khoảng vượt .............................................. 56 4.3.4. Suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vòng qua dây dẫn vào dây pha56 4.3.5. Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vào khoảng vượt ......... 57 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 3 4.3.6. Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột ...................................................................................................................... 63 4.3.7. Tính suất cắt tổng và chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện ............... 80 4.4. Kết luận .............................................................................................................. 80 PHẦN HAI: CHUYÊN ĐỀ TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN VÀO TRẠM BIẾN ÁP ....................................................................................... 82 A.KHÁI NIỆM CHUNG ......................................................................................... 82 B. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP TRÊN CÁCH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ KHI CÓ SÓNG TRUYỀN VÀO TRẠM............................................. 83 I. Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp lập bảng.................................................................................... 83 I.1. Nội dung phương pháp...................................................................................... 83 I.1.1. Quy tắc Petersen .............................................................................................. 84 I.1.2. Quy tắc sóng đẳng trị....................................................................................... 85 I.1.3. Xác định điện áp trên điện dung ..................................................................... 86 a. Phương pháp sơ đồ Petersen .............................................................................. 87 b. Phương pháp tiếp tuyến liên tiếp ........................................................................ 87 I.1.4. Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van ........................................ 89 I.2) Sơ đồ tính toán ................................................................................................... 91 II. Trình tự tính toán ............................................................................................... 92 II.1. Thiết lập phương pháp tính điện áp các nút trên sơ đồ rút gọn.................. 95 II.2. Kiểm tra đặc tính cách điện tại các nút cần bảo vệ .................................... 100 II.2.1. Đặc tính chịu đựng của máy biến áp 110 kV .......................................... 100 II.2.2 Đặc tính cách điện của thanh góp ............................................................ 101 II.2.3. Kiểm tra dòng điện qua chống sét van ..................................................... 101 II.2.4. Kết luận ..................................................................................................... 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 103 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 1 PHẦN I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV/110kV CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng bao gồm: Nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp và các hộ tiêu thụ điện. Trong đó trạm biến áp và đường dây có số lượng khá lớn và quan trọng.Trong quá trình vận hành các phần tử này chịu nhiều tác động của thiên nhiên như mưa, gió, bão và đặc biệt là của sét đánh. Khi có sét đánh vào trạm biến áp hoặc đường dây, nó có thể gây hư hỏng cho các thiết bị điện trong trạm dẫn đến việc ngừng cung cấp điện liên tục gây thiệt hại lớn đến nền kinh tế quốc dân. Để nâng cao mức độ cung cấp điện, giảm chi phí thiệt hại và nâng cao độ an toàn khi vận hành chúng ta phải tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho hệ thống điện. 1.1. Hiện tượng dông sét 1.1.1. Khái niệm chung Dông sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi khoảng cách giữa các điện cực khá lớn (trung bình khoảng 5km). Hiện tượng phóng điện của giông sét gồm hai loại chính đó là : +) Phóng điện giữa các đám mây tích điện với nhau. +) Phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất. Trong phạm vi đồ án này chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất. Hiện tượng này gây nhiều trở ngại cho con người. Các đám mây được tích điện với mật độ điện tích lớn có thể tạo ra cường độ điện trường lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất. Giai đoạn này là giai đoạn phóng điện tiên đạo. Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5.107cm/s, các lần phóng điện sau thì tốc độ tăng lên khoảng 2.108 cm/s (trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau bởi vì trong cùng một đám mây thì có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lượt phóng điện xuống đất). Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích rất lớn. Đầu tia được nối với một trong các trung tâm điện tích của đám mây nên một phần điện tích của trung tâm này đi vào trong tia tiên đạo. Phần điện tích này được phân bố khá đều dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất. Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 2 tích khác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tùy thuộc vào tình hình dẫn điện của đất. Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì điểm này nằm ngay ở phía dưới đầu tia tiên đạo. Còn nếu vùng đất có điện dẫn không đồng nhất (có nhiều nơi có điện dẫn khác nhau) thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có điện dẫn cao. Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất, vì ở đó cường độ điện trường có trị số lớn nhất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn.Tính chất chọn lọc của phóng điện đã được vận dụng trong việc đảm bảo chống sét đánh thẳng cho các công trình. Cột thu sét có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất bé sẽ thu hút các phóng điện về phía mình, do đó tạo nên khu vực an toàn quanh nó. Nếu ở mặt đất, điện tích khác dấu được tập trung dễ dàng và có điều kiện thuận lợi để tạo nên khu vực trường mạnh (ví dụ như đỉnh cột điện đường dây cao áp) thì có thể đồng thời xuất hiện tia tiên đạo từ phía mặt đất phát triển ngược chiều tia tiên đạo từ phía lớp mây điện. Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất thì trường trong khoảng không gian giữa các điện cực sẽ có trị số lớn và có quá trình ion hóa mãnh liệt dẫn tới sự hình thành dòng plasma với mật độ ion lớn hơn nhiều so với của tia tiên đạo. Do có điện dẫn bản thân rất cao, nên đầu dòng sẽ có điện thế mặt đất và như vậy toàn bộ hiệu số điện thế giữa tia tiên đạo với mặt đất được tập trung vào khu vực giữa nó với đầu tia tiên đạo. Trường trong khu vực này tăng cao và gây ion hóa mãnh liệt dòng plasma được kéo dài và di chuyển ngược về phía trên. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn phóng điện ngược. Tốc độ phát triển của phóng điện ngược thay đổi trong giới hạn 1,5.109 – 1,5.109 (cm/s) tức là (0,05 – 0,5) tốc độ ánh sáng. Nhưng tốc độ phát triển của phóng điện ngược và mật độ điện trường của điện tích trong tia tiên đạo bằng , thì trong một đơn vị thời gian điện tích đi vào trong đất sẽ là . và đó cũng là công thức tính dòng điện sét: is = .  Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số điện trở nhỏ không đáng kể). Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét, dòng điện này có biên độ và độ dốc phân bố theo hàng biến thiên trong phạm vi rộng (từ vài kA đến vài trăm kA) dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xung kích, chỗ tăng vọt của sét ứng với giai GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 3 đoạn phóng điện ngược. Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khí quyển và gây hậu quả nghiêm trọng như đã trình bày ở trên. 1.1.2. Tình hình dông sét ở Việt Nam Việt Nam là một trong những nước khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét khá mạnh. Theo tài liệu thống kê cho thấy trên mỗi miền đất nước Việt nam có một đặc điểm dông sét khác nhau: Ở miền Bắc, số ngày dông dao động từ 70  110 ngày trong một năm và số lần dông từ 150  300 lần như vậy trung bình một ngày có thể xảy ra từ 2  3 cơn dông. Vùng dông nhiều nhất trên miền Bắc là Móng Cái. Tại đây hàng năm có từ 250  300 lần dông tập trung trong khoảng 100  110 ngày. Tháng nhiều dông nhất là các tháng 7, tháng 8. Một số vùng có địa hình thuận lợi thường là khu vực chuyển tiếp giữa vùng núi và vùng đồng bằng, số trường hợp dông cũng lên tới 200 lần, số ngày dông lên đến 100 ngày trong một năm. Các vùng còn lại có từ 150  200 cơn dông mỗi năm, tập trung trong khoảng 90  100 ngày. Nơi ít dông nhất trên miền Bắc là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có dưới 80 ngày dông. Xét dạng diễn biến của dông trong năm, ta có thể nhận thấy mùa giông không hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng. Nhìn chung ở Bắc Bộ mùa dông tập chung trong khoảng từ tháng 5 đến tháng 9. Trên vùng Duyên Hải Trung Bộ, ở phần phía Bắc (đến Quảng Ngãi) là khu vực tương đối nhiều dông trong tháng 4, từ tháng 5 đến tháng 8 số ngày giông khoảng 10 ngày/ tháng, tháng nhiều dông nhất (tháng 5) quan sát được 12  15 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/ tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng ...), những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) dông còn ít, mỗi tháng chỉ gặp từ 2  5 ngày dông. Phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) là khu vực ít dông nhất, thường chỉ có trong tháng 5 số ngày dông khoảng 10/tháng như Tuy Hoà 10ngày/tháng, Nha Trang 8 ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng. Ở miền Nam khu vực nhiều dông nhất ở đồng bằng Nam Bộ từ 120  140 ngày/năm, GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 4 như ở thành phố Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/ năm. Mùa dông ở miền Nam dài hơn mùa dông ở miền Bắc đó là từ tháng 4 đến tháng 11 trừ tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày dông đều quan sát được trung bình có từ 15  20 ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dông nhất trung bình gặp trên 20 ngày dông/tháng như ở thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày. Ở khu vực Tây Nguyên mùa dông ngắn hơn và số lần dông cũng ít hơn, tháng nhiều dông nhất là tháng 5 cũng chỉ quan sát được khoảng 15 ngày dông ở Bắc Tây Nguyên, 10  12 ở Nam Tây Nguyên, Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, PLâycu 17 ngày. Số ngày dông trên các tháng một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem Bảng 1-1 Bảng 1-1: Số ngày dông sét trong tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam Tháng 5 6 7 8 9 10 11 12 Cả năm 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 Bắc Ninh 0,2 0,4 2,6 6,9 10 12 16 18 9 2,8 0,1 0,0 80 Móng Cái 0,0 0,4 3,9 6,6 14 19 24 24 13 4,2 0,2 0,0 112 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 Địa điểm 1 2 3 4 Phía Bắc 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 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 5 Ninh Bình 0,0 0,4 8,4 8,4 16 21 20 21 14 5,0 0,7 0,0 112 Lai Châu 0,4 1,8 13 12 15 16 14 14 5,8 3,4 1,9 0,3 93 Điện Biên 0,2 2,7 12 12 17 21 17 18 8,3 5,3 1,1 0,0 112 Sơn La 0,0 1,0 14 14 16 18 15 16 6,2 6,2 1,0 0,2 99 Nghĩa Lộ 0,2 0,5 9,2 9,2 14 15 19 18 10 5,2 0,0 0,0 99 Thanh Hoá 0,0 0,2 7,3 7,3 16 16 18 18 13 3,3 0,7 0,0 100 Vinh 0,0 0,5 6,9 6,9 17 13 13 19 15 5,6 0,2 0,0 95 Con Cuông 0,0 0,2 13 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 85 13 17 10 12 12 12 5,3 0,3 0,0 Phía Nam Huế 0,0 0,2 1,9 4,9 10 6,2 5,3 5,1 4,8 2,3 0,3 0,0 41,8 Đà Nẵng 0,0 0,3 2,5 6,5 14 11 9,3 12 8,9 3,7 0,5 0,0 69,5 Quảng Ngãi 0,0 0,3 1,2 5,7 10 13 9,7 1,0 7,8 0,7 0,0 0,0 59,1 Quy Nhơn 0,0 0,3 0,6 3,6 8,6 5,3 5,1 7,3 9,6 3,3 0,6 0,0 43,3 Nha Trang 0,0 0,1 0,6 3,2 8,2 5,2 4,6 5,8 8,5 2,3 0,6 0,1 39,2 Phan Thiết 0,2 0,0 0,2 4,0 13 7,2 8,8 7,4 9,0 6,8 1,8 0,2 59,0 Kon Tum 0,2 1,2 6,8 10 14 8,0 3,4 0,2 8,0 4,0 1,2 0,0 58,2 Playcu 0,3 1,7 5,7 12 16 9,7 7,7 8,7 17 9,0 2,0 0,1 90,7 Đà Lạt 0,6 1,6 3,2 6,8 10 8,0 6,3 4,2 6,7 3,8 0,8 0,1 52,1 1,8 3,4 11 10 5,2 3,4 2,8 7,2 7,0 4,0 0,0 70,2 22 19 17 16 19 11 2,4 138 0,2 0,0 0,7 7,0 19 16 14 15 13 1,5 4,7 0,7 104 Blao Sài Gòn Sóc Trăng Hà Tiên 13 1,4 1,0 2,5 10 2,7 1,3 10 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN 20 15 23 9,7 7,4 9,0 9,7 15 15 4,3 128 SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 6 Từ bảng trên ta thấy Việt Nam là nước phải chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét, đây là điều bất lợi cho hệ thống điện Việt nam đòi hỏi ngành điện phải đầu tư nhiều vào các thiết bị chống sét. Đặc biệt hơn nữa nó đòi hỏi các nhà thiết kế phải chú trọng khi tính toán thiết kế các công trình điện sao cho HTĐ vận hành kinh tế, hiệu quả, đảm bảo cung cấp điện liên tục và tin cậy. 1.2. Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Việt Nam Như đã trình bày ở phần trước biên độ dòng sét có thể đạt tới hàng trăm kA. Đây là nguồn sinh nhiệt vô cùng lớn khi dòng điện sét đi qua vật nào đó. Thực tế đã có dây tiếp địa do phần nối đất không tốt, khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị nóng chảy và đứt, thậm chí có những cách điện bằng sứ khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch, phóng điện sét còn kèm theo việc di chuyển trong không gian lượng điện tích lớn, do đó tạo ra điện từ trường rất mạnh, đây là nguồn gây nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử, ảnh hưởng của nó rất rộng, ở cả những nơi cách xa hàng trăm km. Khi sét đánh thẳng vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần đường dây sẽ sinh ra sóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây. Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây nên ngắn mạch pha - đất hoặc ngắn mạch pha – pha buộc các thiết bị bảo vệ đầu đường dây phải làm việc. Với những đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể gây mất ổn 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. Qua đó ta thấy rằng sự cố do sét gây ra rất lớn, nó chiếm chủ yếu trong sự cố lưới điện, vì vậy dông sét là mối nguy hiểm lớn nhất đe dọa hoạt động của lưới điện. Kết luận Sau khi nghiên cứu tình hình dông sét ở Việt Nam và ảnh hưởng của dông sét tới hoạt động của lưới điện. Ta thấy rằng việc tính toán chống sét cho lưới điện và trạm biến áp là rất cần thiết để nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện. GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 7 CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM PHÂN PHỐI 220/110kV 2.1. Khái niệm chung Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Đối với trạm biến áp 220kV thì các thiết bị điện của trạm được đặt ngoài trời, nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề, không những chỉ làm hỏng đến các thiết bị trong trạm mà còn có thể dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn bộ trong một thời gian dài, làm ảnh hưởng đến việc sản suất điện năng và các nghành kinh tế quốc dân khác.Vì vây, việc tính toán bảo vệ chông sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp đặt ngoài trời là rất quan trọng. Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi. Tác dụng cuả hệ thống này là tập trung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên dưới hệ thống này. Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ nối đất. Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi có dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến các thiết bị khác gần đó. Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo về yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật. 2.2. Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ. Hệ thống bảo vệ trạm 220/110kV ở đây ta dùng hệ thống cột thu lôi, hệ thống này có thể được đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt độc lập tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể. Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm vi bảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi. Nhưng mức cách điện của trạm phải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang thiết bị. Vì đặt GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 8 kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện không đủ lớn. Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ. Đối với trạm phân phối có điện áp từ 110kV trở lên có mức cách điện khá cao (cụ thể khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) do đó có thể đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vào đất theo 3 đến 4 cọc nối đất, mặt khác mỗi trụ phải có nối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất. Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời điện áp từ 110kV trở lên là cuộn dây máy biến áp vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp là phải lớn hơn 15m theo đường điện. Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua. Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện phải được cho vào ống chì và chôn trong đất. 2.3. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét 2.3.1. Phạm vi của cột thu sét Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thu hút phóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫn dòng điện sét xuống đất. Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào một điểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào đó trên công trình. Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vật cần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chop tròn xoay có đường kính được xác định bởi phương trình: GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 9 rx  Trong đó : 1,6 (h  h x ) hx 1 h h:độ cao cột thu sét hx : độ cao cần bảo vệ. h – hx : độ cao hiệu dụng cột thu sét. rx : bán kính của phạm vi bảo vệ. Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ dạng đơn giản hóa đường sinh của hình chóp có dạng đường gẫy khúc như Hình 2-1. h 0,8h (2/3)h hx 1,5h 0, 75h rx Hình 2-1: Phạm vi bảo vệ của cột thu sét độc lập Bán kính được tính theo công thức sau: Nếu h x  h   2 h thì rx  1,5 1  x  3  0,8h  Nếu h x   h  2 h thì rx  0,75 1  x  h  3  Các công thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dưới 30m. Hiệu quả của cột thu sét cao trên 30m giảm đi do độ cao định hướng của sét giữ hằng số. Có thể dùng các công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh p  5 h và trên các hoành độ lấy các giá trị là 0,75hp và 1,5hp Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau. Hai cột thu sét có độ cao h1 = h2 đặt cách nhau một khoảng a (Hình 2-2). GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 10 (1) (2) h 0,8h (2/3)h h h0 hx O1 1,5h O2 0,75h r0 rx2 rx1 Hình 2-2: Phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vi bảo vệ của các cột đơn cộng lại. Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột phải thỏa mãn a  7h (trong đó h là độ cao của cột thu sét). Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột. Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm đỉnh cột và điểm có độ cao h0 - h0 là độ cao bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột và được xác định theo công thức sau: h0  h  a 7 Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là rox và được xác định theo công thức sau: Nếu h x   h  2 h 0 thì rox  1,5.h 0 . 1  x  3  0,8h 0  Nếu h x   h  2 h 0 thì rox  0,75.h 0 . 1  x  3  h0  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 p  5,5 h và trên các hình vẽ dùng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp. Nếu h x   h  2 h 0 thì rox  1,5.h 0 . 1  x  3  0,8h 0  GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 11 Nếu h x   h  2 h 0 thì rox  0,75.h 0 . 1  x  3  h0  Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau (Hình 2-3). 2 3' 1 3 h2 h1 h0 hx O 1 O'3 O3 O 2 x O 1 O'3 O3 O 2 r0x r03' r01 r02 Hình 2-3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau. Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo vệ được xác định như sau: Vẽ phạm vi bảo vệ của cột thấp (cột 1) và cột cao (cột 2) riêng rẽ. Qua đỉnh cột thấp vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của cột thu sét giả định. Cột 1 và cột 3 hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau và bằng h1 với khoảng cách a’. Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h1. Điểm này được xen như đỉnh cột thu sét giả định. Ta xác định được khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h1 là a’ và x như sau. Nếu h1   2 h  h2 thì x  1,5.h2 . 1  1  3  0,8h2  Nếu h1   2 h  h2 thì x  0,75.h2 . 1  1  3  h2  (ta coi x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột thấp h1). Khi đó khoảng cách giữa cột thấp h1 và cột giả tưởng là : a’ = a – x. GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 12 Phần còn lại tính toán giống phạm vi bảo vệ cột 1. Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét. Khi công trình cần được bảo vệ chiếm một khu vực rộng lớn nếu chỉ dùng một vài cột thì cột phải rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công và lắp ráp. Trong trường hợp này ta dùng phối hợp nhiều cột với nhau để bảo vệ. Phần ngoài của phạm vi bảo vệ sẽ được xác định cho từng đôi cột một (với yêu cầu khoảng cách là a  7h). Còn phần bên trong đa giác sẽ được kiểm tra theo điều kiện an toàn. rx1 rx1 2 1 (a) r0x12 r0x13 r0x12 (b) hx rx2 rx3 3 4 r0x23 Hình 2-4: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét. Hình 2-5: Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét Vật có độ cao hx nằm trong đa giác sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện: D  8  h  h x   8h a Với: D:đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu lôi ha = h – hx: độ cao hiệu dụng của cột thu sét Nếu độ cao cột vượt quá 30 m thì điều kiện an toàn sẽ được hiệu chỉnh là: D  8  h  h x  p  8h a p với p  5,5 h 2.3.2. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét - Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét là một dải rộng.Chiều rộng của phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx được thể hiện (hình 2-6). Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây chống sét ta có các hoành độ 0,6h và 1,2h. GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 13 hx Khi hx > 2 h thì bx= 0,6h(1) h 3 hx ) Khi hx  2 h thì bx=1,2h(10,8.h 3 Dây chống sét 0,2h h hx 0,6h 1,2h hx Hình 2-6: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét - Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét Để phối hợp bảo vệ của hai dây chống sét thì khoảng cách hai dây phải thỏa mãn điều kiện S  4h.Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao ho: ho  h  S . Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của một dây, còn 4 phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là 2 điểm treo dây chống sét và điểm có độ cao ho. 2.4. Mô tả trạm phân phối 220kV cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp Trạm phân phối 220kV/110kV gồm: + Hai máy biến áp tự ngẫu AT1 và AT2 + Chiều dài trạm 330,6m, chiều rộng trạm 190,8m. + Xà phía 220kV cao 17m và xà thanh cái cao 11,35m. + Xà phía 110kV cao 11,35m. + Xà MBA AT1, AT2 cao 17m. Sơ đồ mặt bằng xem bản A3 (hình 2-7) Ta thực hiện bố trí và tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 220/110kV. Ta sẽ xét 3 phương án đặt vị trí cột thu sét cho trạm biến áp. GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 14 2.4.1. Phương án 1 2.4.1.1. Bố trí các cột thu lôi Trong phương án này, ta sử dụng 26 cột thu sét được bố trí trên mặt bằng trạm biến áp như hình 2-8. Trong đó phía 220kV ta bố trí cột (1,2,…,12) được đặt trên xà cao 12m, phía 110kV ta bố trí 3 (13,14,15,16) cột trong đó 8 cột (17,18,…,24) được xây dựng phía 220kV trên cao độ 105m, cột 25,26 và 27 là cột xây dựng độc lập. Sơ đồ mặt bằng bố trí các cột thu sét phương án 1 xem bản A3 (hình 2-8). 2.4.1.2.Tính toán cho phương án 1 a. Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét Để tính được độ cao tác dụng của các cột thu sét ta phải xác định được đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đi qua các chân cột D. Độ cao tác dụng thoả mãn điều kiện: ha  D . 8 Trong đó: D: Là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác), tạo bởi các chân cột. đó là phạm vi mà nhóm cột có thể bảo vệ được. ha: Là độ cao tác dụng của cột thu lôi. -) Phía 110kV -Xét nhóm cột ( 13,14,15) nhóm này tạo thành hình tam giác a = d(13,14) = 92  15,52  17,92m b = d(14,15) = 122  202  23,32m c = d(13,15) = 32  35,52  35,62m Ta có công thức để tính đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (13,14,15) r Trong đó a.b.c 4. p.( p  a).( p  b).( p  c) p: là nửa chu vi tam giác (13,14,15): p  a  b  c 2 r: là bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (13,14,15). Thay số vào ta có: Bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (13,14,15) là: GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 15 p 17,92  23,32  35, 63 = 38,44 m 2 r 17,92.23,32.35,63 = 20,35 m 4. 38, 44.(38, 44  17,92).(38, 44  23,32).(38, 44  35,63) Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (13,14,15) là: D =20,35.2 = 40,69 m Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 13,14,15 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: ha  D 40, 69   5, 08m 8 8 -) Phía 220kV -Xét nhóm cột (18,19,21,20) nhóm cột tạo thành hình chữ nhật d18-20 = d19-21 = 61,6m d18-19 = d20-21 = 43m + Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này là đường chéo: D  61,62  432  75,12m + Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột (18,19,21,20) là: ha ≥ D 75,123   9,390m 8 8 Độ cao tác dụng xem Bảng 2-1  Phía 110kV ta có thể lấy độ cao tác dụng cho các cột là ha= 6,15 m. Chiều cao cột chống sét h = hx + ha = 11,35 + 6,15 = 17,5m  Phía 220kV ta có thể lấy độ cao tác dụng cho các cột là ha= 13m. Chiều cao cột chống sét h = hx + ha = 17 + 13 = 30m Bảng 2-1: Bảng tổng kết số liệu các nhóm cột Phía 220kV Nhóm cột a(m) b(m) c(m) D(m) ha(m) 1,2,3 34,5 54,5 54,5 57,44 7,18 1,3,5 82,86 39,58 54,51 97,36 12,17 3,5,4 39,58 39,58 61,6 62,96 7,87 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 16 4,5,6 61,6 29,15 39,52 76,96 9,62 4,6,7 39,52 43,55 60,81 60,96 7,62 4,7,8 60,81 34,50 60,81 63,36 7,92 17,18,19 25,97 43 26,85 45,44 5,68 18,19,21 45,6 61,6 63,1 67,02 8,38 Nhóm 4 cột thu lôi tạo thành hình chữ nhật Nhóm cột a(m) b(m) D ha(m) 7,8,9,10 34,5 44,51 56,31 7,03 9,10,11,12 34,5 19,4 39,58 4,94 20,21,22,23 43 61,6 75,12 9,39 22,24,25,23 43 30,8 52,892 6,61 Phía 110kV 13,14,15 19,60 23,33 35,5 38,09 4,76 13,15,16 35,5 26,6 44,37 44,37 5,55 b. Phạm vi bảo vệ của từng cột chống sét + Tính bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi. -Xét cột 3 (bên 220kV): Bán kính bảo vệ cho độ cao hx=17m là: hx=17(m) < rx3=1,5.h(1- 2 2 h= .30=20 m 3 3 hx 17 )=1,5.30.(1)=13,125 m 0,8.h 0,8.30 -Xét cột 3 (bên 220kV tương tự các cột độc lập): Bán kính bảo vệ cho độ cao hx=11,35m là: hx=11,35(m) < 2 2 h = .30 = 20 m 3 3 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 17 rx3 = 1,5.h(1- hx 11,35 ) = 1,5.30.(1) = 23,72 m 0,8.h 0,8.30 -Xét cột 13 (bên 110kV): Bán kính bảo vệ cho độ cao hx=11,35m là: hx = 11,35(m) > rx13 = 1,5.h(1- 2 2 h = .17,5 = 11,66 m 3 3 11,35 hx ) = 1,5.17,5(1) =4,97 m 0,8.17,5 h + Tính bán kính bảo vệ của 2 cột thu lôi cao bằng nhau. -Xét nhóm cột (6,7) hai cột có khoảng cách là 43,55m h0=h- 43,55 a = 30= 23,77 m 7 7 Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là: hx=17(m) > 2 2 h0= .23,77=15,85 m 3 3 rx6-7=0,75.h0(1- 17 hx )=0,75.23,77.(1)= 5,08 m 23,77 h0 + Tính bán kính bảo vệ hai cột cột chiều cao khác nhau. -) Phía 110kV +Xét hai cột (11-13) với khoảng cách giữa 2 cột a=45,63m Chiều cao cột thấp h13=17,5m Chiều cao cột cao h11 =30m Ta tính bán kính bảo vệ của từng cột cho độ cao 11,35m Cột 13 theo kết quả phần trên ta tính được là rx13 = 4,97m Cột 11 theo kết quả phần trên ta tính được là rx11 = 23,72m h13 =17,5 < 2 .h11 = 20m 3 rx=1,5.h(1 - 17,5 hx )=1,5.30.(1 )= 12,19 m 0,8.30 0,8.h a’= 45,63-12,19 = 33,44 m GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM