THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRẠM BIẾN ÁP 220/110 kV

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÀI TẬP DÀI THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRẠM BIẾN ÁP 220/110 kV NGUYỄN VĂN QUYẾT Quyet.nv181257@sis.hust.edu.vn Mục lục CHƯƠNG I : TỔNG QUAN CHUNG VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP Sự phát triển mạnh mẽ kinh tế, khoa học kỹ thuật dẫn đến nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng cao Năng lượng điện đóng vai trị sống cịn phát triển cơng nghiệp Các hệ thống điện có quy mơ ngày lớn, điện áp làm việc ngày cao Theo quy định IEC (International Electrotechnic Commission) điện áp cao 1000 V phân loại sau: Cấp điện áp Trung áp Điện áp định mức Cao áp 45 300 kV Siêu cao áp 300 750 kV ÷ 45 kV ÷ ÷ ≥ Cực cao áp 750 kV Trong việc truyền tải điện với điện áp cao độ tin cậy cách điện điện áp làm việc xuất điện áp có ý nghĩa lớn, đặc biệt xuất điện áp Quá điện áp hiểu nhiễu loạn xếp chồng lên điện áp làm việc hệ thống điện Việc xác định đặc tính nhiễu loạn khó khăn, thường dùng phương pháp thống kê Quá điện áp chia làm dạng: • Quá điện áp nội • Q điện áp khí • Quá điện áp tần số công nghiệp Nguyên nhân hình thành điện áp nội thay đổi đột ngột cấu trúc hệ thống điện Nó gây sóng điện áp chuỗi sóng cao tần khơng tuần hồn tắt dần Trong tập dài này, ta nghiên cứu kỹ tượng điện áp khí tượng dơng sét gây nên Tìm hiểu tác hại tới hệ thống điện, tính tốn bảo vệ cho thiết bị hệ thống Khái quát tượng dông sét Dông sét tương thời tiết kỳ bí nguy hiểm, dơng thường kèm với sấm chớp xảy Cơn dông hình thành có khối khơng khí nóng ẩm chuyển động thẳng Cơn dơng kéo dài từ 30 phút tới 12 tiếng, trải rộng từ hàng chục tới hàng trăm kilơmet ví nhà máy phát điện nhỏ công suất hàng trăm MW, điện đạt tỷ V dòng điện 10-200 kA Sét hay tia sét sinh phóng điện khí đám mây với đất đám mây với Một tia sét thơng thường thắp sáng bóng đèn 100W ba tháng Theo thống kê ước tính trái đất giây có chừng 100 cú phóng điện xảy đám mây tích điện với mặt đất Cơng suất đạt tới hàng tỷ kW, làm nóng khơng khí vị trí phóng điện lên đến 28000 độ C (hơn ba lần nhiệt độ bề mặt mặt trời) Các đám mây dơng tích điện điện tích xuất hạt nước, hạt băng đám mây cọ xát vào Sau chủ yếu đối lưu mà điện tíchdương dồn hết lên đỉnh đám mây cịn điện tích âm dồn xuống phía Khảo sát thực nghiệm cho thấy, thơng thường mây dơng có kết cấu sau: vùng điện tích âm nằm khu cực có độ cao km, vùng điện tích dương nằm đám mây độ cao 8-12 km khối điện tích dương nhỏ nằm phía chân mây Khi vùng điện tích đủ mạnh xảy phóng điện sét Sự phóng điện sét chia làm giai đoạn: • Phóng điện tiên đạo: - Khởi đầu phóng điện ban đầu toả sáng phát triển với vận tốc không lớn (200 km/s) hướng chướng ngại vật mặt đất - Điện tích âm di chuyển phía điện tích dương theo đường zigzags gọi tia tiên đạo (leader) • Phóng điện ngược: - Nối tiếp sau tia tiên đạo, xuất một hồ quang phóng điện ngược - Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất, điện trường khoảng không gian đầu tia tiên đạo với mặt đất có trị số lớn, q trình ion hố mãnh liệt dẫn đến hình thành dịng plasma với mật độ lớn nhiều so với tia tiên đạo • Kết thúc phóng điện: - Dịng plasma kéo dài, kết thúc chuyển điện tích - Nếu đám mây cịn chứa điện tích, q trình lại lặp lại - Giai đoạn tia tiên đạo không phát triển theo tia loé sáng tia tiên đạo mà có dạng liên tục Sét gây tác hại cho người thiết bị đánh xuống đất Trong loại sét đánh xuống đất, người ta phân chúng làm hai loại: sét âm sét dương; sét âm (90%) chủ yếu xuất từ phần đám mây đánh xuống đất Sét dương xuất từ đỉnh đám mây đánh xuống Loại sét dương xuất bất ngờ nguy hiểm trời quang phần chưa mưa Việt Nam nằm tầm dông Châu Á, ba tâm dơng giới có hoạt động dông sét mạnh Mùa dông Việt Nam tương đối dài tháng kết thúc vào tháng 10 Số ngày dơng trung bình khoảng 100 ngày/năm số dơng trung bình 250 giờ/năm Trung bình năm có khoảng hai triệu cú sét đánh xuống đất toàn lãnh thổ Việt Nam Vì việc phịng chống sét đánh trực tiếp vào cơng trình, đặc biệt hệ thống điên trở nên quan trọng, ảnh hưởng lớn tới việc cung cấp điện cho kinh tế quốc dân Ảnh hưởng, tác hại dông sét Con người đối tượng nhắc đến đề cập thiệt hại dơng sét Sét gây thương tích cho người nhiều phương thức: - Đánh trực tiếp vào nạn nhân - Sét đánh vào vật gần nạn nhân, tia lửa điện sinh phóng qua khơng khí vào nạn nhân (cịn gọi sét đánh tạt ngang) - Sét đánh xuống mặt đất lan truyền xung quanh - Sét lan truyền qua đường dây điện, đường dây điện thoại Đối với cơng trình vật dụng sét có tác hại lớn, bao gồm tác hại đánh trực tiếp, cảm ứng tĩnh điện cảm ứng điện từ Tác hại sét đánh trực tiếp: Sét đánh trực tiếp phóng điện trực tiếp xuống đối tượng bị đánh Sét thường đánh vào nơi cao cột điện, cột thu phát sóng viễn thơng, nhà cao tầng, tượng mũi nhọn nên điện tích cảm ứng tập trung nhiều hơn, có trường hợp sét đánh vào nơi thấp đất hay đối tượng dẫn điện tốt nơi cao Nơi bị sét đánh khơng khí bị nung nóng lên tới mức làm chảy sắt dày 4mm, đặc biệt nguy hiểm cơng trình có vật liệu dễ cháy nổ kho mìn, bể xăng dầu… Có trường hợp sét phá vỡ ống khói gạch đoạn dài 30-40 m mảnh vỡ văng xa tới 200-300 m Tác hại gián tiếp sét gồm cảm ứng tĩnh điện cảm ứng điện từ Cảm ứng tĩnh điện: Những cơng trình mặt đất nối đất khơng tốt, có đám mây dơng mang điện tích bên phần cơng trình cảm ứng nên điện tích trái dấu với điện tích đám mây Hoặc sét đánh gần cơng trình làm cho điện tích khơng kịp với điện tích đám mây, mà tồn thêm thơi gian nữa, gây nên điện cao so với mặt đất Điện nhà từ nhà theo dây điện, dây mạng, ống kim loại truyền vào nhà tạo nên tia lửa điện gây cháy nổ tai nạn cho người Cảm ứng điện từ: Khi sét đánh vào dây dẫn sét nằm cơng trình hay gần cơng trình tạo từ trường biến đổi mạnh xung quanh dây dẫn dòng điện sét Từ trường làm cho mạch vịng kín xuất sức điện động cảm ứng gây phóng điện thành tia lửa nguy hiểm Hệ thống điện loại đối tượng chịu nhiều tác hại từ dông sét Các đường dây tải điện, phần lớn đường dây khơng có chiều dài lớn qua nhiều vùng khác nên xác suất bị sét đánh tương đối cao Khi sét đánh vào đường dây tải điện, gây phóng điện cách điện đường dây gây cố cắt điện Trên đường dây dài, nơi bị sét đánh gây cố ngắn mạch làm máy cắt tác động dẫn đến ngừng cung cấp điện gây tổn thất nghiêm trọng Có thể nói cố hệ thống điện sét gây nên chủ yếu xảy đường dây Sét đánh vào đường dây cịn làm xuất sóng q điện áp lan truyền phía trạm biến áp, hiệu ứng vầng quang nên sóng điện áp thường bị biến dạng Quá điện áp khí xuất sét đánh trực tiếp đánh xuống đất gần đường dây Trường hợp sét đánh trực tiếp mối nguy hiểm đường dây phải hứng chịu tồn lượng phóng điện sét Đối với trạm biến áp, sét đánh trực tiếp vào phần dẫn điện trạm nối với nhiều đường dây bên ngồi: dịng điện sét truyền phía trạm điện áp xác định bởi: u( t) = Zc i( t) n Trong đó: Zc tổng trở xung kích đường dây (cỡ 400 Ω) n số đường dây nối với phần bị sét đánh Trường hợp điện áp xuất n =1, đạt giá trị 800kV với dòng điện sét bé khoảng 2kA Điện áp gây phóng điện dẫn đến cố trạm Nếu có khe hở phóng điện chống sét van, chúng bảo vệ thiết bị trạm Nếu sét đánh vào phần làm việc trạm cách ly với lưới điện bên ngồi, phần bị sét đánh mơ tả điện dung điện áp có trị số là: u( t) = ∫i( t) C Dạng điện áp có đặc trưng độ dốc biên độ lớn, khoảng khe hở khí có thời gian phóng điện lớn nên chống sét van khe hở bảo vệ thiết bị Với số phân tích đơn giản trên, ta thấy việc bảo vệ chống sét đánh trực tiêp vào đường dây tải điện trạm biến áp thiếu Các phương pháp chống sét Trên giới hiên nay, trải qua 250 năm kể từ Franklin đề xuất phương pháp chống sét, lĩnh vực phịng chống sét có nhiều phương pháp khác sử dụng Sau số phương pháp: • Phương pháp dùng lồng Faraday: Dựa vào tính chất đặc biệt vật dẫn trạng thái cân tĩnh điện điện trường lịng vật dẫn ln nên ta đặt vật cần bảo vệ bên lòng kim loại dẫn điện khơng bị ảnh hưởng điện trường bên ngồi Đó ngun lý hoạt động lồng Faraday Theo lý thuyết phương pháp lý tưởng để phòng chống sét Tuy nhiên phương pháp tốn không khả thi thực tế áp dụng cho tất cơng trình nên sử dụng bảo vệ số khu vực đặc biệt nơi chứa vũ khí thuốc nổ, hạt nhân • Phương pháp chống sét cột thu sét truyền thống: Cột thu sét Benjamin Franklin phát minh năm 1752 ơng tiến hành thí nghiệm dùng thép cao 40-foot để thu tia lửa điện từ đám mây Sau 250 năm, nguyên lý sử dụng rộng rãi chứng tỏ hiệu bảo vệ Về nguyên tác, cột thu sét dụng cụ đơn giản gồm phận chính: -Kim thu sét: que kim loại nhọn gắn đỉnh cơng trình cần bảo vệ Thường có đường kính khoảng cm - Hệ thống dây dẫn xuống đất - Hệ thống tiếp địa: hay nhiều sắt (thép) dẫn điện tốt đóng chặt xuống đất có nhiệm vụ tản dịng điện sét vào đất Phương pháp chống sét truyền thống có hai dạng: - Hệ gắn thẳng (dùng kim thu sét) - Hệ dạng lưới bao quanh hay nằm đối tượng cần bảo vệ (lưới thu sét) Phương pháp tạo điều kiện để thu hút phóng điện sét đến điểm đặt sẵn mặt đất tản dòng điện sét vào đất, tránh sét đánh trực tiếp vào cơng trình Tác dụng bảo vệ hệ thống thu sét giai đoạn phóng điện tiên đạo, điện tích tập trung đỉnh hệ thống thu sét (cột thu lôi dây chống sét) điện trường lớn mở đường tia tiên đạo hệ thống thu sét Tia tiên đạo phát triển từ hệ thống thu sét ngược lên phía làm tăng điện trường cuối sét bị thu hút cột thu lôi dây chống sét Các cơng trình cần bảo vệ thấp nằm gần hệ thống thu sét che khuất, có khả bị sét đánh Thực nghiệm cho thấy, hệ Franklin không cho hiệu chống sét 100% Tuy sét đánh vào kim thu sét nhiều hiệu phương pháp chống sét tốt, song nhiều kết thực nghiệm cho thấy sét bỏ qua kim thu sét mà đánh trực tiếp vào cơng trình dù đặt kim thu sét lên cao Cột thu sét Franklin phát tia tiên đạo: Để nâng cao hiệu suất cột thu sét truyền thống, người ta cải tiến kim thu sét hệ Franklin nhằm khắc phục nhược điểm tính thụ động thu sét Cấu tạo gồm: - Đầu thu: đầu thu cố định phía dùng thu sét che chắn cho đầu phát xạ ion đặt bên Nó thiết kế để tạo dịng khơng khí chuyển động xun qua đầu phát ion, phát tán ion vào không gian xung quanh, tạo mơi trường thuận lợi để kích hoạt sớm phóng điện (hiện tượng Corona) - Thân kim: làm đồng xử lý inox, phía có hay nhiều đầu nhọn để phát xạ ion Các đầu nhọn nối với phát xạ ion qua dây dẫn luồn bên ống cách điện - Bộ kích thích phát xạ ion: làm vật liệu ceramic, đặt phía thân kim, buồng cách điện, nối với đầu phát xạ dây dẫn chịu điện áp cao Khi có dơng sét, tác dụng lực phận phát điện tích Nguyên lý hoạt động: dao động nhỏ kim thu sét so với cột đỡ với áp lực tạo trước kích thích séinh áp lực biến đổi ngược Chúng tạo điện cao đầu nhọn phát xạ ion, sinh lượng lớn ion xung quanh kim thu sét Những ion ion hóa dịng khơng khí chuyển động xung quanh phía đầu thu Khơng khí bị ion hóa kích thích phóng điện vào kim thu sét, giảm thiểu trường hợp sét đánh vào cơng trình bên Vậy hệ Franklin phát tia tiên đạo chủ động hệ truyền thống Phương pháp không truyền thống: Một số hệ chống sét khác với dang Franklin lên hàng trục năm gần Đáng ý là: - Hệ phát xạ sớm - Hệ ngăn chặn sét (Hệ tiêu tán lượng sét) Những người bảo vệ hệ dùng kim thu sét phát xạ sớm cho tia phóng tia tiên đạo sớm so với hệ Franklin Một vài dụng cụ sử dụng gây phát xạ sớm nguồn phóng xạ kích thích điện kim Năm 1999, 17 nhà khoa học hội đồng khoa học ICLP (International Conference on Lightning Protection) tuyên bố phản đối phương pháp Hệ ngăn chặn sét với mục đích phân tán điện tích mây dơng trước phóng điện Hay nói cách khác tạo đám mây điên tích dương tai khu vực để làm chệch tia sét khỏi khu vực bảo vệ Nhiều dạng dụng cụ phân tán sử dụng Chủ yếu cấu tạo nhiều kim mũi nhọn nối đất Những điểm dạng lưới kim loại, bàn chải Hút sét tia laser: Ngày cần chống sét cho cơng trình đại địi hỏi phương pháp chống sét có hiệu cao Các nhóm nghiên cứu mạnh vấn đề giáo sư Bazelyan (Nga), giáo sư Zen Kawazaki (Nhật) Đã có kết bước đầu Tại Nhật, năm 1997 sau nhiều lần thử nghiệm người ta hai lần thu tia sét cách Theo ý kiến chuyên gia, kỹ thuật thực Khó khăn 10 Trong đó: - a khoảng cách hai cột thu sét h chiều cao tồn cột thu sét • Xét nhóm cột N1-N2-N6-N7 tạo thành hình nhữ nhật có cạnh = 20m, =24m Hình chữ nhật có đường chéo L = 31,2(m) Đường kính đường trịn ngoại tiếp hình chữ nhật đường chéo hình chữu nhật nên D =31,2(m) Vậy độ cao cột thu lơi phải có 31,2  3,9(m) • Xét nhóm cột N10-N13-N14 tạo thành tam giác vng = 55(m), =34(m) Cạnh huyền có chiều dài = 64,7(m) Nửa chu vi tam giác : p = = = 76,9(m) Đường kính đường trịn ngoại tiếp tam giác : D = = = 64,7(m) Vậy độ cao cột thu lơi 64,7  8,07(m) Tính tốn tương tự đa giác cịn lại ta có bảng sau Đa giác Phía 110kV Phía 220kV Sân 220/110kV (1-2-6-7);(2-3-8-7) (3-4-9-8);(4-5-10-9) (11-12-16-15) (12-13-17-16) (13-14-18-17) (6-7-11) 7-8-12 8-9-13 9-10-14 Đường kính đường trịn ngoại tiếp(m) 31,2 (m) 3,9 61,3 61,3 61,3 74,4 62,3 56,9 64,7 7,7 7,7 7,7 9,3 7,8 7,1 8,1 20 Ta đo kích thước - Đoạn N6-N11 59m, Đoạn N7-N11 69m, Đoạn N7-N12 55,4m, Đoạn N8-N12 61,6m, Đoạn N8-N13 55,1m, Đoạn N9-N13 56,6m Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp Sau tính tốn độ cao tác dụng chung cho nhóm cột thu lơi, ta chọn độ cao tác dụng cho tồn trạm sau: Phía 110kV có = 9,3m 21 Phía 220kV có = 9,3m Phía 110kV  Độ cao tác dụng lớn = 9,3m Độ cao lớn vật cần bảo vệ 11m Do độ cao cột thu sét phía 110kV : = 9,3 + 11 = 20,3(m) Để tăng độ dự trữ ta chọn =20,5(m) Phía 220kV  Độ cao tác dụng lớn = 9,3m Độ cao lớn vật cần bảo vệ 17m Do độ cao cột thu sét phía 220 kV : = 9,3 + 17 = 26,3(m) Để tăng độ dự trữ ta chọn =26,5(m) Tính tốn phạm vi bao vệ cột thu lơi • Bán kính bảo vệ cột 20,5 m (các cột N1-N10 phía 110 kV) Ta có chiều cao = 11m Do 20,5