Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và đường dây trên không

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHƠNG Hồng Thị Minh Hồng LỜI MỞ ĐẦU Là sinh viên học tập rèn luyện trường đại học Bách Khoa Hà Nội, em cảm thấy niềm tự hào động lực to lớn cho phát triển thân tương lai Sau năm năm học đại học, bảo, quan tâm thầy cô, nỗ lực thân, em thu kiến thức bổ ích, đựơc tiếp cận công nghệ khoa học kĩ thuật tiên tiến phục vụ cho lĩnh vực chuyên môn theo đuổi Có thể nói, đồ án mơn học, tập lớn hay nghiên cứu khoa học mà sinh viên thực cách thể mức độ tiếp thu kiến thức vận dụng kiến thức Chính em dành thời gian cơng sức để hồn thành đồ án tốt nghiệp “THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG” cố gắng đền đáp công ơn thầy cô tổng kết lại kiến thức thu sau trình học tập rèn luyện trường đại học Bách Khoa Hà Nội Trong thời gian học tập thời gian thực đề tài tốt nghiệp em nhận bảo, động viên tận tình thầy giáo hướng dẫn , gia đình bạn giúp em hồn thành tốt đồ Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn thầy, tồn thể bạn mơn Hệ thống điện Sinh viên Hoàng Thị Minh Hồng Hoàng Thị Minh Hồng 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 Ngun nhân hình thành q điện áp nội thay đổi đột ngột cấu trúc hệ thống điện Nó gây song điện áp chuỗi song cao tần không tuần hoàn tắt dần Hoàng Thị Minh Hồng Trong đồ án 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 100 W 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 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 điên 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 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 Hoàng Thị Minh Hồng đất Sét dương xuât từ đỉnh đám mây đánh xuống Loại sét dương xuất bất ngờ nguy hiểm trời quang phần chưa mưa Việt Nam nằm tâm 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 tồn 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 (còn 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 Hoàng Thị Minh Hồng 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 Hoàng Thị Minh Hồng 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 toàn 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 )  Zc i (t ) n Trong đó: Zc – tổng trở xung kích đường dây (cỡ 400Ω);); 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 kA 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 Hoàng Thị Minh Hồng 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 phòng 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 lịng 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 ông 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: Hồng Thị Minh Hồng - 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) Hoàng Thị Minh Hồng - 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 dông 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 Hoàng Thị Minh Hồng 10