Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp hiện tượng chống sét và ảnh hưởng của nó

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN  ĐỒ ÁN MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Sinh viên thực : LÊ DUY SƠN Mã sinh viên : 19810110016 Giáo viên hướng dẫn : TS VŨ THỊ THU NGA Ngành : CÔNG NGHỆ KT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ Chuyên ngành : HỆ THỐNG ĐIỆN Lớp : CLC.D14H Hà Nội, tháng năm 2023 Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp Lê Duy Sơn – CLC.D14H LỜI CẢM ƠN Ngành điện nói riêng ngành lượng nói chung đóng góp vai trị quan trọng q trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước An tồn u cầu vô quan trọng hệ thống điện Cùng với phát triển hệ thống điện, phát triển hệ thống lượng quốc Việc giải đắn vấn đề kinh tế kĩ thuật thiết kế chống sét cho nhà máy điện công trình điện mang lại lợi ích khơng nhỏ kinh tế, thiết bị người Là sinh viên theo học ngành hệ thống điện việc làm đồ án kỹ thuật điện cao áp giúp em biết cách thiết kế kỹ thuật, tối ưu kinh tế toán thiết kế chống sét cho cơng trình điện cụ thể trạm biến áp, hướng dẫn sinh viên biết cách đưa phương án chống sét kỹ thuật, biết phân tích, biết so sánh chọn phương án tối ưu Với đồ án kỹ thuật điện cao áp phần giúp em làm quen dần với việc làm việc sau Trong thời gian làm bài, với cố gắng thân, đồng thời với giúp đỡ thầy cố giáo môn hệ thống điện đặc biệt với giúp tận tình T.S VŨ THỊ THU NGA, em hoàn thành tốt đồ án Xong thời gian kiến thức cịn hạn chế nên làm không tránh khỏi thiếu sót Do kính mong nhận góp ý, bảo thầy giáo để em có kinh nghiệm chuẩn bị cho công việc sau Em xin chân thành cám ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng năm 2023 Sinh viên Lê Duy Sơn Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp Lê Duy Sơn – CLC.D14H MỤC LỤC CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG CHỐNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ 1.1 Hiện tượng giông sét 1.2 Ảnh hưởng giông sét CHƯƠNG 2: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG 2.1 Khái niệm chung .8 2.1.1 Các u cầu kỹ thuật tính tốn bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 2.2 Lý thuyết tính toán cột, dây thu sét 10 2.2.1 Phạm vi bảo vệ cột thu sét 10 2.2.2 Phạm vi bảo vệ hai hay nhiều cột thu lôi 11 2.3 Các phương án cột thu sét cho sơ đồ trạm theo yêu cầu 13 2.3.1 Đề xuất phương án bố trí cột dây chống sét cho trạm biến áp 14 Phương án 1: Cột thu sét đặt vị trí đầu xà .15 Phương án 2: Đặt thêm cột thu sét .21 2.4 Chọn phương án tối ưu .28 CHƯƠNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 29 3.1 Khái niệm chung 29 3.2 Các yêu cầu kỹ thuật hệ thống nối đất 30 3.2.1 Trị số cho phép điện trở nối đất 30 3.2.2 Hệ số mùa 31 3.3 Tính tốn nối đất 32 3.3.1 Tính tốn nối đất an toàn 32 i Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp Lê Duy Sơn – CLC.D14H DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Sự biến thiên dịng điện theo thời gian Hình 2.Phạm vi bảo vệ cột thu lơi 10 Hình 3.Phạm vi bảo vệ cột thu lôi (đường sinh gấp khúc) 10 Hình 4.Phạm vi bảo vệ hai cột thu lơi có độ cao 11 Hình Phạm vi bảo vệ cột thu lơi có độ cao khác 12 Hình 6.Phạm vi bảo vệ nhóm cột thu lơi có độ cao 13 Hình 7.Sơ đồ trạm điện 14 Hình 8.Sơ đồ bố trí cột chống sét 15 Hình 9.Phạm vi bảo vệ phương án 21 Hình 10.Bố trí cột thu lôi phương án 22 Hình 11.Phạm vi bảo vệ phương án 27 Hình 12 Sơ đồ nối đất tồn trạm biến áp 35 Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp Lê Duy Sơn – CLC.D14H DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.Bảng tính chiều cao hiệu dụng phương án 17 Bảng 2.Bảng tính phạm vi bao vệ cột phương án 20 Bảng 3.Bảng tính phạm vi bao vệ cặp cột phương án 20 Bảng 4.Bảng tính chiều cao hiệu dụng phương án 23 Bảng 5.Bảng tính phạm vi bao vệ cột phương án 26 Bảng 6.Bảng tính phạm vi bao vệ cặp cột phương án 27 Bảng So sánh phương án 28 Bảng Bảng hệ số k mùa 31 Bảng 9.Hệ số K phụ thuộc vào (l 1/l ¿ .34 Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp Lê Duy Sơn – CLC.D14H CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG CHỐNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ 1.1 Hiện tượng giông sét Giông sét tượng thiên nhiên, phóng tia lửa điện khoảng cách điện cực lớn (khoảng 5km) Hiện tượng phóng điện giơng sét gồm hai loại phóng điện đám mây tích điện phóng điện đám mây tích điện với mặt đất Trong phạm vi đồ án nghiên cứu phóng điện đám mây tích điện với mặt đất (phóng điện mây - đất) Với tượng phóng điện gây nhiều trở ngại cho đời sống người Các đám mây tích điện với mật độ điện tích lớn, tạo cường độ điện trường lớn hình thành dịng phát triển phía mặt đất Giai đoạn giai đoạn phóng điện tiên đạo Tốc độ di chuyển trung bình tia tiên đạo lần phóng điện khoảng 1,5.107 cm/s, lần phóng điện sau tốc độ tăng lên khoảng 10 cm/s (trong đợt sét đánh có nhiều lần phóng điện đám mây hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng phóng điện xuống đất) Tia tiên đạo mơi trường Plasma có điện tích lớn Đầu tia nối với trung tâm điện tích đám mây nên phần điện tích trung tâm vào tia tiên đạo Phần điện tích phân bố dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất Dưới tác dụng điện trường tia tiên đạo, có tập trung điện tích khác dấu mặt đất mà địa điểm tập kết tùy thuộc vào tình hình dẫn điện đất Nếu vùng đất có điện dẫn đồng điểm nằm phía đầu tia tiên đạo Cịn vùng đất có điện dẫn khơng đồng (có nhiều nơi có điện dẫn khác nhau) điện tích đất tập trung nơi có điện dẫn cao Q trình phóng điện phát triển dọc theo đường sức nối liền đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích mặt đất địa điểm sét đánh mặt đất định sẵn Do để định hướng cho phóng điện sét ta phải tạo nơi có mật độ tập trung điện diện tích lớn Nên việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho cơng trình dựa tính chọn lọc phóng điện sét Nếu tốc độ phát triển phóng điện ngược  mật độ điện trường điện tích tia tiên đạo  đơn vị thời gian điện tích đất là: is =   (1.1) Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp Lê Duy Sơn – CLC.D14H Công thức tính tốn cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số điện trở nhỏ khơng đáng kể) Tham số chủ yếu phóng điện sét dịng điện sét, dịng điện có biên độ độ dốc phân bố theo hàng biến thiên phạm vi rộng (t vài k đến vài trăm k) dạng sóng dịng điện sét dạng sóng xung kích, chỗ tăng vọt sét ứng với giai đoạn phóng điện ngược - Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trạm gây điện áp khí gây hậu nghiêm trọng trình bày Hình 1: Sự biến thiên dòng điện theo thời gian Việt Nam nước khí hậu nhiệt đới, có cường độ giông sét mạnh Theo tài liệu thống kê cho thấy miền đất nước Việt nam có đặc điểm giông sét khác nhau: + Ở miền Bắc, số ngày giông dao động t 70  110 ngày năm số lần giông t 150  300 lần trung bình ngày xảy t  giông + Vùng giơng nhiều miền Bắc Móng Cái Tại hàng năm có từ 250  300 lần giông tập trung khoảng 100  110 ngày Tháng nhiều giông tháng 7, tháng + Một số vùng có địa hình thuận lợi thường khu vực chuyển tiếp vùng núi vùng đồng bằng, số trường hợp giông lên tới 200 lần, số ngày giông lên đến 100 ngày năm Các vùng cịn lại có t 150  200 giông năm, tập trung khoảng 90  100 ngày + Nơi giơng miền Bắc vùng Quảng Bình hàng năm có 80 ngày giông Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp Lê Duy Sơn – CLC.D14H Xét dạng diễn biến giơng năm, ta nhận thấy mùa giơng khơng hồn tồn đồng vùng Nhìn chung Bắc Bộ mùa giông tập chung khoảng từ tháng đến tháng Trên vùng Duyên Hải Trung Bộ, phần phía Bắc (đến Quảng Ngãi) khu vực tương đối nhiều giông tháng 4, từ tháng đến tháng số ngày giông khoảng 10 ngày/ tháng, tháng nhiều giông (tháng 5) quan sát 12  15 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/ tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng ), tháng đầu mùa (tháng 4) tháng cuối mùa (tháng 10) giơng cịn ít, tháng ch gặp t  ngày giông Phía Nam dun hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) khu vực giơng nhất, thường có tháng số ngày giơng khoảng 10/tháng Tuy Hồ 10ngày/tháng, Nha Trang ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng Ở miền Nam khu vực nhiều giông đồng Nam Bộ t 120  140 ngày/năm, thành phố Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/ năm Mùa giông miền Nam dài mùa giông miền Bắc t tháng đến tháng 11 tr tháng đầu mùa (tháng 4) tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày giơng quan sát trung bình có t 15  20 ngày/tháng, tháng tháng nhiều giơng trung bình gặp 20 ngày giơng /tháng thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày Ở khu vực Tây Nguyên mùa giông ngắn số lần giông hơn, tháng nhiều giơng tháng ch quan sát khoảng 15 ngày giông Bắc Tây Nguyên, 10  12 Nam Tây Nguyên, on Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, PLâycu 17 ngày Ta thấy Việt Nam nước phải chịu nhiều ảnh hưởng giông sét, điều bất lợi cho H.T.Đ Việt nam, đòi hỏi ngành điện phải đầu tư nhiều vào thiết bị chống sét Đặc biệt địi hỏi nhà thiết kế phải trọng tính tốn thiết kế cơng trình điện cho HTĐ vận hành kinh tế, hiệu quả, đảm bảo cung cấp điện liên tục tin cậy 1.2 Ảnh hưởng giơng sét Như trình bày phần trước biên độ dịng sét đạt tới hàng trăm kA, nguồn sinh nhiệt vô lớn dòng điện sét qua vật Thực tế có dây tiếp địa phần nối đất khơng tốt, bị dịng điện sét tác dụng bị nóng chảy đứt, chí có cách điện sứ bị dòng điện sét tác dụng bị vỡ chảy nhũ thạch, phóng điện sét cịn kèm theo việc di chuyển khơng gian lượng điện tích lớn, tạo điện từ trường mạnh, nguồn gây nhiễu loạn Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp Lê Duy Sơn – CLC.D14H vô tuyến thiết bị điện tử, ảnh hưởng rộng, nơi cách xa hàng trăm km - Khi sét đánh thẳng vào đường dây xuống mặt đất gần đường dây sinh sóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên điện áp tác dụng lên cách điện đường dây Khi cách điện đường dây bị phá hỏng gây nên ngắn mạch pha - đất ngắn mạch pha – pha buộc thiết bị bảo vệ đầu đường dây phải làm việc Với đường dây truyền tải cơng suất lớn, máy cắt nhảy gây n định cho hệ thống, hệ thống tự động nhà máy điện làm việc không nhanh dẫn đến rã lưới Sóng sét cịn truyền từ đường dây vào trạm biến áp sét đánh thẳng vào trạm biến áp gây nên phóng điện cách điện trạm biến áp, điều nguy hiểm tương đương với việc ngắn mạch góp dẫn đến cố trầm trọng Mặt khác, có phóng điện sét vào trạm biến áp, chống sét van đầu cực máy biến áp làm việc khơng hiệu cách điện máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại vơ lớn Qua ta thấy cố sét gây lớn, chiếm chủ yếu cố lưới điện, giơng sét mối nguy hiểm lớn đe doạ hoạt động lưới điện Kết luận: Sau nghiên cứu tình hình giơng sét ảnh hưởng giơng sét tới hoạt động lưới điện Ta thấy việc tính toán chống sét cho lưới điện trạm biến áp cần thiết để nâng cao độ tin cậy vận hành lưới điện Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp Lê Duy Sơn – CLC.D14H CHƯƠNG 2: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG 2.1 Khái niệm chung Đối với trạm biến áp 220 kV với thiết bị đặt ngồi trời, có sét đánh trực tiếp vào trạm xảy hậu nghiêm trọng, làm hư hỏng thiết bị điện, phải ngừng cung cấp điện thời gian dài làm ảnh hưởng đến sản xuất gây chi phí tốn cho ngành điện, ảnh hưởng đến kinh tế quốc dân Do vậy, trạm biến áp thường có yêu cầu bảo vệ cao Hiện để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta thường dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng hệ thống tập trung điện tích để định hướng cho phóng điện sét tập trung vào đó, tạo khu vực an toàn bên hệ thống Hệ thống thu sét phải gồm dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ thống nối đất Để nâng cao tác dụng hệ thống trị số điện trở nối đất phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện sét cách nhanh nhất, đảm bảo cho dịng điện sét qua điện áp phận thu sét không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến thiết bị khác gần Ngồi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến tiêu kinh tế cho hợp lý đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật 2.1.1 Các yêu cầu kỹ thuật tính tốn bảo vệ chống sét đánh trực tiếp Tất thiết bị cần bảo vệ phải nằm gọn phạm vi bảo vệ an toàn hệ thống bảo vệ Ở đây, hệ thống bảo vệ trạm 220/110kV ta dùng hệ thống cột thu lôi, hệ thống đặt thân cơng trình độc lập tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể Đặt hệ thống thu sét thân công trình tận dụng độ cao phạm vi bảo vệ giảm độ cao cột thu lôi Nhưng mức cách điện trạm phải đảm