TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế bảo vệ chống sét và quá điện áp trạm biến áp 220110 kV. Sử dụng phần mềm mô phỏng ATP draw. Khoa Điện trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Đồ án sử dụng phần mềm mô phỏng ATP draw để mô phỏng chống sét.
Hiện tượng dông sét
Dông sét là hiện tượng thiên nhiên xảy ra khi có sự phóng tia lửa điện giữa các điện cực ở khoảng cách lớn, trung bình khoảng 5km Hiện tượng này bao gồm hai loại chính: phóng điện giữa các đám mây tích điện và phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất Bài viết này tập trung vào phóng điện mây - đất, vì hiện tượng này có ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống điện.
Các đám mây tích điện với mật độ cao tạo ra cường độ điện trường lớn, dẫn đến sự hình thành dòng phóng điện xuống mặt đất Giai đoạn này được gọi là phóng điện tiên đạo, với tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo trong lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5 x 10^7 cm/s Các lần phóng điện tiếp theo có tốc độ tăng lên khoảng 2 x 10^8 cm/s Trong một đợt sét, có thể xảy ra nhiều lần phóng điện liên tiếp do sự hình thành nhiều trung tâm điện tích trong cùng một đám mây.
Tia tiên đạo là một môi trường plasma có điện tích lớn, trong đó đầu tia kết nối với trung tâm điện tích của đám mây, cho phép một phần điện tích này đi vào tia Điện tích được phân bố đều dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất Dưới tác động của điện trường, điện tích khác dấu sẽ tập trung trên mặt đất, với vị trí tập kết phụ thuộc vào khả năng dẫn điện của đất Nếu đất có tính dẫn điện đồng nhất, điểm tập trung sẽ nằm ngay dưới đầu tia, ngược lại, nếu đất có tính dẫn điện không đồng nhất, điện tích sẽ tập trung tại khu vực có độ dẫn điện cao hơn.
Quá trình phóng điện xảy ra dọc theo đường sức điện giữa đầu tia tiên đạo và điểm tích tụ điện tích trên mặt đất, do đó, vị trí sét đánh trên mặt đất đã được xác định trước.
Để định hướng phóng điện sét, cần tạo ra khu vực có mật độ điện tích cao Do đó, việc bảo vệ các công trình trước sét đánh trực tiếp dựa vào tính chọn lọc của hiện tượng phóng điện này.
Tốc độ phát triển của phóng điện ngược được ký hiệu là , trong khi mật độ điện trường của điện tích trong tia tiên đạo là Theo công thức s.i = , trong một đơn vị thời gian, điện tích đi vào đất sẽ được tính toán Công thức này áp dụng cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt với trị số điện trở nhỏ không đáng kể.
Dòng điện sét là tham số chính của phóng điện sét, với biên độ và độ dốc phân bố theo hàm biến thiên rộng, từ vài kA đến vài trăm kA Dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xung kích, trong đó chỗ tăng vọt của sét ứng với giai đoạn phóng điện ngược.
Khi sét đánh vào thiết bị phân phối trong trạm, nó có thể gây ra quá điện áp khí quyển, dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng như ngắn mạch đầu thanh góp, cháy nổ và mất điện trên diện rộng.
Để đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điện và tăng cường an toàn trong quá trình vận hành, việc tính toán và bố trí hệ thống bảo vệ chống sét cho hệ thống điện là rất cần thiết.
Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét mạnh, đặc biệt là ở miền Bắc Tại đây, số ngày dông dao động từ 70-110 ngày mỗi năm, với 150-300 lần dông, trung bình mỗi ngày có 2-3 cơn dông Móng Cái là vùng có số lượng dông nhiều nhất ở miền Bắc, với hơn 250 cơn dông hàng năm.
Trong khoảng 100-110 ngày, miền Bắc Việt Nam ghi nhận khoảng 300 lần dông, với tháng 7 và tháng 8 là thời gian có nhiều dông nhất Các khu vực có địa hình thuận lợi, như vùng chuyển tiếp giữa núi và đồng bằng, có thể trải qua tới 200 lần dông và 100 ngày dông mỗi năm Các vùng khác thường có từ 150-200 cơn dông, tập trung trong khoảng 90-100 ngày Đặc biệt, Quảng Bình là nơi ít dông nhất, với số ngày dông hàng năm chỉ dưới 80.
Mùa dông ở Việt Nam không đồng nhất giữa các vùng, với Bắc Bộ có mùa dông từ tháng 5 đến tháng 9 Tại Duyên Hải Trung Bộ, khu vực phía Bắc (đến Quảng Ngãi) ghi nhận nhiều dông hơn vào tháng 4, với khoảng 10 ngày dông mỗi tháng từ tháng 5 đến tháng 8 Tháng 5 là tháng có số ngày dông nhiều nhất, với 12-15 ngày, trong đó Đà Nẵng có 14 ngày và Bồng Sơn có 16 ngày Các tháng đầu mùa (tháng 4) và cuối mùa (tháng 10) chỉ có từ 2-5 ngày dông.
Khu vực phía Nam duyên hải Trung Bộ, từ Bình Định trở vào, có ít ngày dông nhất, thường chỉ khoảng 10 ngày/tháng tại Tuy Hòa, 8 ngày/tháng ở Nha Trang và 13 ngày/tháng tại Phan Thiết trong tháng 5 Ngược lại, đồng bằng Nam Bộ là khu vực có nhiều dông nhất với khoảng 120 - 140 ngày/năm, ví dụ như thành phố Hồ Chí Minh có 138 ngày/năm và Hà Tiên 129 ngày/năm Mùa dông ở miền Nam kéo dài từ tháng 4 đến tháng 11, với tháng 5 là tháng có số ngày dông cao nhất, trung bình trên 20 ngày/tháng, như thành phố Hồ Chí Minh ghi nhận 22 ngày và Hà Tiên 23 ngày.
Số ngày dông trên các tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem Bảng sau:
Bảng 1 Số ngày dông trong tháng của một vùng trên lãnh thổ Việt Nam
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 Hồng Gai 0,1 0,0 1,7 1,3 10 15 16 20 15 2,2 0,2 0,0 87
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
Bài viết này trình bày dữ liệu về lượng mưa và nhiệt độ tại nhiều thành phố ở Việt Nam Hà Nội ghi nhận lượng mưa 0,0 mm và nhiệt độ cao nhất đạt 20°C Hải Phòng có lượng mưa 0,0 mm và nhiệt độ cao nhất 23°C Ninh Bình có lượng mưa 0,0 mm và nhiệt độ tối đa 21°C Lai Châu có lượng mưa 0,4 mm, nhiệt độ cao nhất 16°C Điện Biên có lượng mưa 0,2 mm với nhiệt độ tối đa 21°C Sơn La ghi nhận lượng mưa 0,0 mm và nhiệt độ cao nhất 18°C Nghĩa Lộ có lượng mưa 0,2 mm, nhiệt độ tối đa 19°C Tại Thanh Hoá, lượng mưa là 0,0 mm và nhiệt độ cao nhất 18°C Vinh có lượng mưa 0,0 mm và nhiệt độ tối đa 19°C Các thành phố khác như Đà Nẵng, Huế, Quy Nhơn và Nha Trang cũng có số liệu tương tự về lượng mưa và nhiệt độ, cho thấy sự biến đổi khí hậu đáng chú ý trong khu vực.
Dựa trên số liệu khảo sát, tình hình dông sét ở ba miền Bắc, Trung, Nam và các vùng lân cận cho thấy mật độ dông sét tương đối đồng đều Chúng ta có thể phân chia thành 5 vùng và 147 khu vực khác nhau Các thông số chi tiết được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 2 Thông số về dông sét các vùng trung bình trong năm
Vùng Miền núi trung du Miền Bắc
Ven biển Miền Trung Đồng bằng miền Nam Đồng bằng ven biển miền Nam
Ảnh hưởng của dông sét tới hệ thống điện Việt Nam
Dòng sét có biên độ lên tới hàng trăm kA, tạo ra nhiệt lượng lớn khi đi qua vật thể Nhiều dây tiếp địa kém chất lượng đã bị nóng chảy và đứt khi tiếp xúc với dòng điện sét Các cách điện bằng sứ cũng có thể bị vỡ và chảy như nhũ thạch Ngoài ra, phóng điện sét còn di chuyển một lượng điện tích lớn, tạo ra điện từ trường mạnh, gây ra nhiễu loạn vô tuyến và ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử, với tác động lan tỏa rộng rãi, thậm chí ở những khu vực cách xa hàng trăm km.
Khi sét đánh vào đường dây điện hoặc gần đó, sóng điện từ sẽ truyền dọc theo đường dây, gây ra quá điện áp và làm hỏng cách điện Sự cố này có thể dẫn đến ngắn mạch pha-đất hoặc pha–pha, buộc các thiết bị bảo vệ phải hoạt động Đối với các đường dây truyền tải công suất lớn, việc máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định hệ thống, và nếu hệ thống tự động không hoạt động kịp thời, có thể dẫn đến rã lưới Ngoài ra, sóng sét có thể truyền vào trạm biến áp, hoặc sét đánh trực tiếp vào trạm, gây phóng điện trên cách điện và dẫn đến sự cố nghiêm trọng Nếu chống sét van không hoạt động hiệu quả, cách điện của máy biến áp có thể bị chọc thủng, gây thiệt hại lớn Tại Việt Nam, các thiết bị ghi sét và bộ ghi tổng hợp đã được lắp đặt trên các đường dây tải điện, với dữ liệu về sự cố lưới điện 220kV miền Bắc từ năm 1987-2009 được thu thập và phân tích.
Bảng 3 Tình hình sự cố lưới điện 220kV miền Bắc từ năm 1987-2009
Loại sự cố năm Dưới 220kV ĐDK Phả Lại- Hà Đông
Sét gây ra nhiều sự cố nghiêm trọng trong lưới điện, chiếm phần lớn các sự cố này Do đó, dông sét được xem là mối nguy hiểm lớn nhất đối với hoạt động an toàn của lưới điện.
BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP
Các phương án bảo vệ hệ thống chống sét
2.1 Yêu cầu kỹ thuật nối đất trạm biến áp
Nối đất là quá trình kết nối các bộ phận kim loại có nguy cơ tiếp xúc với dòng điện với hệ thống nối đất để đảm bảo an toàn Mục đích chính của nối đất là tản dòng điện xuống đất, giúp duy trì điện thế thấp trên các vật được nối đất Hệ thống nối đất đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ khỏi quá điện áp và được phân loại thành ba loại khác nhau tùy thuộc vào nhiệm vụ và hiệu quả của chúng.
Nhiệm vụ chính là đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị hoặc các bộ phận yêu cầu tuân thủ chế độ làm việc đã được quy định Đồng thời, cần thực hiện việc nối đất cho điểm trung tính của máy biến áp để tăng cường an toàn và hiệu suất làm việc.
+ Hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất.
+ Nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện.
Nối đất an toàn là biện pháp quan trọng để bảo vệ con người khi cách điện bị hư hỏng Việc nối đất các bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp và các giá đỡ kim loại giúp giảm thiểu nguy cơ điện giật Khi cách điện bị lão hóa, các bộ phận kim loại có thể xuất hiện điện thế, nhưng nhờ vào hệ thống nối đất, điện thế này sẽ ở mức thấp và không gây nguy hiểm cho người tiếp xúc.
Nối đất chống sét có tác dụng phân tán dòng điện sét vào lòng đất khi sét đánh vào cột thu lôi hoặc đường dây, từ đó hạn chế sự hình thành và lan truyền của sóng quá điện áp do phóng điện sét gây ra Ngoài ra, hệ thống này còn giúp giảm hiệu điện thế giữa các điểm khác nhau trên cột điện và mặt đất.
Nếu không có biện pháp bảo vệ, khi sét đánh vào cột chống sét hoặc đường dây, sóng điện áp có thể quay ngược lại, gây hại cho các thiết bị và công trình cần bảo vệ, dẫn đến hư hỏng thiết bị điện và máy biến áp.
Nguyên tắc thiết kế hệ thống nối đất là phải tách biệt các hệ thống khác nhau, tuy nhiên, trong thực tế, thường sử dụng một hệ thống nối đất chung cho nhiều nhiệm vụ Hệ thống nối đất chung này cần phải đáp ứng yêu cầu của các thiết bị khi xảy ra sự cố dòng ngắn mạch chạm đất, do đó, điện trở nối đất phải được duy trì ở mức thấp.
Điện trở nối đất nhỏ giúp tản dòng điện với mật độ lớn, nâng cao hiệu quả và an toàn của hệ thống nối đất Tuy nhiên, việc đạt được điện trở nối đất thấp thường tốn kém, do đó cần thiết kế sao cho cân bằng giữa yêu cầu kỹ thuật và tính hợp lý về kinh tế.
2.1.4 Một số yêu cầu về kỹ thuật của điện trở nối đất:
Trị số điện trở nối đất an toàn được xác định để đảm bảo rằng điện áp bước và điện áp tiếp xúc không vượt quá giới hạn cho phép trong mọi tình huống.
TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM
Yêu cầu kỹ thuật nối đất trạm biến áp
Nối đất là quá trình kết nối các bộ phận kim loại có nguy cơ tiếp xúc với dòng điện với hệ thống nối đất, nhằm tản dòng điện xuống đất và duy trì điện thế thấp trên các vật nối đất Hệ thống nối đất đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ khỏi quá điện áp Tùy theo nhiệm vụ và hiệu quả, hệ thống nối đất được phân chia thành ba loại khác nhau.
Nhiệm vụ chính là duy trì hoạt động ổn định của thiết bị hoặc các bộ phận cần thiết phải hoạt động theo chế độ đã được quy định Đồng thời, cần thực hiện việc nối đất cho điểm trung tính của máy biến áp để đảm bảo an toàn và hiệu suất làm việc.
+ Hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất.
+ Nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện.
Nối đất an toàn là biện pháp quan trọng nhằm bảo vệ con người khi cách điện bị hư hỏng Việc nối đất các bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp và các giá đỡ kim loại giúp giảm thiểu nguy cơ điện giật Khi cách điện bị lão hoá, các bộ phận kim loại có thể xuất hiện điện thế, nhưng nhờ vào hệ thống nối đất, điện thế này được duy trì ở mức an toàn, không gây nguy hiểm cho người tiếp xúc.
Nối đất chống sét giúp phân tán dòng điện sét vào lòng đất khi sét đánh vào cột thu lôi hoặc đường dây, từ đó hạn chế sự hình thành và lan truyền của sóng quá điện áp do phóng điện sét Ngoài ra, nó còn có nhiệm vụ giảm hiệu điện thế giữa các điểm trên cột điện và mặt đất.
Nếu không có hệ thống bảo vệ, khi sét đánh vào cột chống sét hoặc đường dây, sóng điện áp có thể gây phóng điện ngược, làm hư hại các thiết bị điện và máy biến áp cần được bảo vệ.
Theo nguyên tắc, các hệ thống nối đất cần phải tách rời, nhưng thực tế thường sử dụng một hệ thống nối đất chung cho nhiều nhiệm vụ Hệ thống này phải đáp ứng yêu cầu của các thiết bị khi xảy ra dòng ngắn mạch chạm đất lớn, do đó, điện trở nối đất cần phải được duy trì ở mức thấp.
Điện trở nối đất nhỏ giúp tản dòng điện với mật độ lớn, nâng cao hiệu quả và an toàn Tuy nhiên, việc đạt được trị số điện trở thấp thường tốn kém, do đó cần thiết kế sao cho kết hợp giữa yếu tố kỹ thuật và tính hợp lý về kinh tế.
2.1.4 Một số yêu cầu về kỹ thuật của điện trở nối đất:
Để đảm bảo an toàn, trị số điện trở nối đất cần được lựa chọn sao cho điện áp bước và điện áp tiếp xúc không vượt quá giới hạn cho phép trong mọi tình huống.
+ Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mãn: R ≤ 0,5Ωm (phục vụ tính toán nối đất)
+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì:
Đối với hệ thống điện có điểm trung tính cách điện với đất, nếu chỉ sử dụng một hệ thống nối đất chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp, cần đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong việc vận hành.
Khi sử dụng nối đất tự nhiên, nếu điện trở nối đất tự nhiên đáp ứng yêu cầu của thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất nhỏ, thì không cần thiết phải nối đất nhân tạo Tuy nhiên, nếu điện trở nối đất tự nhiên không đạt yêu cầu cho các thiết bị cao áp với dòng ngắn mạch chạm đất lớn, cần phải thực hiện nối đất nhân tạo, với yêu cầu điện trở nối đất nhân tạo phải nhỏ hơn hoặc bằng 1Ωm để đảm bảo an toàn trong tính toán nối đất.
Dù giá trị RTN ≤ 0,5 Ωm được sử dụng để tính toán nối đất, việc thực hiện nối đất nhân tạo vẫn là cần thiết Điều này là do RTN có thể biến động, đặc biệt là trong các khu vực gần trạm, nơi đất có khả năng chống sét.
Khi thực hiện nối đất, có thể sử dụng các hình thức nối đất sẵn có như đường ống và cấu trúc kim loại chôn trong đất Việc tính toán điện trở tản của các đường ống này tương tự như điện cực hình tia.
Điện trở suất của đất là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống nối đất, và nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần đất, độ ẩm, nhiệt độ và điều kiện khí hậu Ở Việt Nam, sự thay đổi khí hậu theo từng mùa ảnh hưởng đến độ ẩm của đất, dẫn đến biến động điện trở suất trong một khoảng rộng Do đó, để đảm bảo an toàn, giá trị điện trở suất cần được xác định từ các phép đo thực địa và điều chỉnh theo hệ số mùa.
Công thức hiệu chỉnh như sau: tt do K
Trong đó: ρtt: là điện trở suất tính toán của đất. ρđo: điện trở suất đo được của đất.
Km: hệ số mùa của đất.
Hệ số Km phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực.
Các số liệu dùng tính toán nối đất
Điện trở suất đo được của đất: ρ d = 100Ωm (phục vụ tính toán nối đất)m Điện trở nối đất cột đường dây: R c = 12(Ωm (phục vụ tính toán nối đất).
Dây chống sét sử dụng loại C- 95 có điện trở đơn vị là: r 0 = 1,87Ωm (phục vụ tính toán nối đất) / km
Chiều dài khoảng vượt đường dây là: l = 250m Phía 220 kV: Điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt là :
Rcs 220 = r 0.l/2 = 1,87.250.10 -3 /2= 0,4675(Ωm (phục vụ tính toán nối đất))
Rcs 110= Rcs 220=0,4675(Ωm (phục vụ tính toán nối đất))
Cho phép sử dụng nối đất an toàn với nối đất làm việc thành một hệ thống.Điện trở nối đất của hệ thống là :
RTN: điện trở nối đất tự nhiên.
RNT: điện trở nối đất nhân tạo R NT ≤ 1Ωm (phục vụ tính toán nối đất)
2.2.1.1 Điện trở nối đất tự nhiên
Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đường dây và cột điện 110kV và 220kV tới trạm.
Ta có công thức sau:
Trong đó : n: số lộ dây.
Rcs: điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt.
Rc : điện trở nối đất của cột điện.
RTN = (RTN220) // (RTN110) = 0.1073(Ωm (phục vụ tính toán nối đất))
Giá trị điện trở nối đất tự nhiên RTN
