Bài tập dài Kỹ thuật điện cao áp gồm có 2 phần :1THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP+Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh trực tiếp+Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét+Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ+ Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp gồm 2 phương án2THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤTvà các bảng số liệu và hình vẽ mô tả bằng autocad
Bài tập dài môn Kỹ thuật điện cao áp MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .4 TỔNG QUAN CHUNG VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP .5 Khái quát tượng dông sét Ảnh hưởng, tác hại dông sét .7 Các phương pháp phòng chống sét Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 12 1.1.Mở đầu .12 1.2.Các yêu cầu kỹ thuật hệ thống chống sét đánh trực tiếp 12 1.3.Phạm vi bảo vệ cột thu sét dây chống sét 13 1.4.Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ 16 1.5.Tính toán phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 18 1.5.1.Phương án 18 1.5.2.Phương án 24 1.6.So sánh kết luận phương án 28 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 30 2.1.Mở đầu .30 2.2.Các yêu cầu kĩ thuật 30 2.3.Lý thuyết tính tốn nối đất 32 2.3.1.Tính tốn nối đất an tồn 32 2.3.2.Tính tốn nối đất chống sét 34 2.4.Tính tốn nối đất an tồn 36 2.4.1.Nối đất tự nhiên 36 2.4.2.Nối đất nhân tạo 37 2.5.Tính tốn nối đất chống sét 38 2.5.1.Tính tốn nối đất chống sét kiểm tra điều kiện phóng điện 38 2.5.2.Nối đất bổ sung 40 2.6.Kết luận .44 BẢNG SỐ LIỆU Bảng Phân loại cấp điện áp 1000 V Bảng Độ cao hữu ích cột thu lơi phương án 20 Bảng Bán kính bảo vệ cột thu sét phương án 22 Bảng Phạm vi bảo vệ căp cột thu sét phương án 23 Bảng Độ cao hữu ích cột thu sét phương án 25 Bảng Bán kính bảo vệ cột thu sét phương án 27 Bảng Phạm vi bảo vệ căp cột thu sét phương án 27 Bảng Bảng giá trị hệ số hình dạng K 33 Bảng Bảng tính tốn chuỗi ∑∞ 𝑒 𝜏 − 𝑇𝑑𝑠 𝑘 39 𝑘 Bảng 10 Bảng giá trị 𝑐𝑜𝑠𝑥𝑘 43 Bảng 11 Bảng giá trị 𝐵𝑘 trường hợp k 44 HÌNH VẼ Hình Phạm vi bảo vệ cột thu sét 13 Hình Phạm vi bảo vệ hai cột thu sét giống 14 Hình Phạm vi bảo vệ hai cột thu sét khác 15 Hình Phạm vi bảo vệ nhóm cột 16 Hình Bản vẽ sơ đồ nối điện trạm biến áp 220/110 kV .17 Hình Bản vẽ sơ đồ mặt chi tiết trạm biến áp 220/110 kV 18 Hình Sơ đồ bố trí cột thu sét phương án 19 Hình Phạm vi bảo vệ cột thu sét phương án .24 Hình Sơ đồ bố trí cột thu sét phương án 25 Hình 10 Phạm vi vảo vệ cột thu sét phương án 28 Hình 11 Đồ thị giá trị hệ số hình dạng K 33 Hình 12 Sơ đồ đẳng trị hệ thống nối đất .34 Hình 13 Sơ đồ đẳng trị thu gọn 35 Hình 14 Đồ thị dạng sóng dịng điện sét .38 Hình 15 Sơ đồ nối đất bổ sung nối đất chống sét 41 Hình 16 Đồ thị xác định nghiệm phương trình 𝑡𝑎𝑛𝑋𝑘 = −0,0376 𝑋𝑘 .43 LỜI MỞ ĐẦU Bản thân sinh viên chuyên ngành Hệ Thống Điện học tập rèn luyện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em cảm thấy tự hào đắn chọn trường để phát triển thân tương lai Chuyên ngành Hệ Thống Điện chun ngành có lượng kiến thức lớn vơ bổ ích Tuy nhiên, để vận dụng kiến thức chuyên sâu vào thực tế, chúng em cần phải nắm hiểu rõ chúng Vì vậy, tập dài nhiệm vụ giúp em thực điều Như phân công từ đầu kỳ học 2021.1, em giao nhiệm vụ hoàn thành tập dài học phần Kỹ Thuật Điện Cao Áp với ba nội dung trình bày bên Việc thực hoàn thành tập dài giúp em nắm kiến thức hệ thống chống sét bảo vệ cho trạm biến áp có thêm kiến thức phục vụ cho kỳ thi cuối kỳ tới Trong thời gian thực tập dài gặp nhiều khó khăn, nhiên giúp đỡ nhiệt tình thầy bạn, em hoàn thành tập dài Qua em muốn gửi lời cảm ơn tới giảng viên PGS TS Trần Văn Tớp thầy, cô tồn thể bạn mơn Hệ thống điện Sinh viên Hồ Đức Hoàng 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: Bảng Phân loại cấp điện áp 1000 V Cấp điện áp Trung áp Cao áp Siêu cao áp Cực cao áp Điện áp định mức ÷ 45 kV 45 ÷ 300 kV 300 ÷ 750 kV ≥ 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 Quá điện áp khí Q điện áp tần số cơng nghiệp Nguyên nhân hình thành điện áp nội thay đổi đột ngột cấu trúc hệ thống điện Nó gây song điện áp chuỗi song 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, dông thường kèm với sấm chớp xảy Cơn dơng 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 kilômet ví nhà máy phát điện nhỏ cơng 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 thông 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 dông tích điện điện tích xuất hạt nước, hạt băng đám mây cọ xát vào Sau chủ yếu đối lưu mà điện tích dương 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 812 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 dông giới có hoạt động dơng sét mạnh Mùa dơng Việt Nam tương đối dài tháng kết thúc vào tháng 10 Số ngày dông 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 dông 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 cịn 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 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 ngồi trạm q điện áp xác định bởi: 𝑢(𝑡) = 𝑍 𝑐 𝑖(𝑡) 𝑛 Trong đó: 𝑍𝑐 – tổng trở xung kích đường dây (cỡ 400Ω); n – số đường dây nối với phần bị sét); 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: ∫ 𝑖(𝑡) 𝑢(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 phòng 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 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: ... tốn bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp đặt trời quan trọng Qua ta đưa phương án bảo vệ trạm cách an toàn kinh tế nhằm đảm bảo toàn thiết bị trạm bảo vệ chống sét đánh trực tiếp. .. pháp ứng dụng rông rãi hàng khơng, điện lực, an tồn cho người Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 1.1 Mở đầu Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện đường dây trạm biến áp. .. 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