Hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện việt nam 1

đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Chơng mở đầu : tợng dông sét ảnh hởng dông sét đến hệ thống điện việt nam Hệ thống điện phận hệ thống lợng bao gồm NMĐ - đờng dây - TBA hộ tiêu thụ điện Trong có phần tử có số lợng lớn quan trọng TBA, đờng dây Trong trình vận hành phần tử chịu ảnh hởng nhiều tác động thiên nhiên nh ma, gió, bÃo đặc biệt nguy hiểm bị ảnh hởng sét Khi có cố sét đánh vào TBA, đờng dây gây h hỏng cho thiết bị trạm dẫn tới việc ngừng cung cấp điện gây thiệt hại lớn tới kinh tế quốc dân Để nâng cao mức độ cung cấp điện, giảm chi phí thiệt hại nâng cao độ an toàn vận hành phải tính toán bố trí bảo vệ chống sét cho HTĐ 1.1 - Hiện tợng dông sét 1.1.1 - Khái niệm chung: Dông sét tợng thiên nhiên, phóng tia lửa điện khoảng cách điện cực lớn (trung bình khoảng 5km) Hiện tợng phóng điện dông sét gồm hai loại phóng điện đám mây tích điện phóng điện đám mây tích điện với mặt đất Trong phạm vi đồ án ta nghiên cứu phóng điện đám mây tích điện với mặt đất (phóng điện mây - đất) Với tợng phóng điện gây nhiều trở ngại cho đời sống ngời Các đám mây đợc tích điện với mật độ điện tích lớn, tạo cờng độ điện trờng lớn hình thành dòng 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 1,5.107cm/s, lần phóng điện sau tốc độ tăng lên khoảng 2.108 cm/s (trong đợt sét đánh có nhiều lần phóng điện đám mây hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng lần lợt phóng điện xuống đất) Tia tiên đạo môi trờng Plasma có điện tích lớn Đầu tia đợc nối với trung tâm điện tích đám mây nên phần điện tích trung tâm vào tia tiên đạo Phần điện tích đợc phân bố dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất Dới tác dụng điện trờng 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 Ngô Gia Phùng - HTĐ.K41 Trang đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp nằm phía dới đầu tia tiên đạo Còn vùng đất có điện dẫn không đồng (có nhiều nơi có điện dẫn khác nhau) điện tích đất tập trung nơi có điện dẫn cao Quá trình phóng điện phát triển dọc theo đờng sức nối liền đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích mặt đất nh địa điểm sét đánh mặt đất đà đợc định sẵn Do để định hớng 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 công trình đợc dựa tính chọn lọc phóng điện sét Nếu tốc độ phát triển phóng điện ngợc mật độ điện trờng điện tích tia tiên đạo đơn vị thời gian điện tích đất là: is = Công thức tính toán cho trờng hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số điện trở nhỏ không đáng kể) Tham số chủ yếu phóng điện sét dòng điện sét, dòng điện có biên độ độ dốc phân bố theo hàng biến thiên phạm vi rộng (từ vài kA đến vài trăm kA) dạng sóng dòng điện sét dạng sóng xung kích, chỗ tăng vọt sét ứng với giai đoạn phóng điện ngợc (hình 1-1) - Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trạm gây điện áp khí gây hậu nghiêm trọng nh đà trình bày S .S .S S Hình 1-1 : Sự biến thiên dòng diện sét theo thời gian Ngô Gia Phùng - HTĐ.K41 Trang đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp 1.1.2 - Tình hình dông sét Việt Nam: Việt Nam nớc khí hậu nhiệt đới, có cờng độ dông sét mạnh Theo tài liệu thống kê cho thấy miền đất nớc Việt nam có đặc điểm dông sét khác : + ỏ miền Bắc, số ngày dông dao động từ 70 110 ngày năm số lần dông từ 150 300 lần nh trung bình ngày xảy từ dông + Vùng dông nhiều miền Bắc Móng Cái Tại hàng năm có từ 250 300 lần dông tập trung khoảng 100 110 ngày Tháng nhiều dông tháng 7, tháng + Một số vùng có địa hình thuận lợi thờng khu vực chuyển tiếp vùng núi vùng đồng bằng, số trờng hợp dông lên tới 200 lần, số ngày dông lên đến 100 ngày năm Các vùng lại có từ 150 200 dông năm, tập trung khoảng 90 100 ngày + Nơi dông miền Bắc vùng Quảng Bình hàng năm có dới 80 ngày dông Xét dạng diễn biến dông năm, ta nhận thấy mùa dông không hoàn toàn đồng vùng Nhìn chung Bắc Bộ mùa dông tập chung khoảng từ tháng đến tháng Trên vùng Duyên Hải Trung Bộ, phần phía Bắc (đến Quảng NgÃi) khu vực tơng đối nhiều dông tháng 4, từ tháng đến tháng số ngày dông khoảng 10 ngày/ tháng, tháng nhiều dông (tháng 5) quan sát đợc 12 15 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/ tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng ), tháng đầu mùa (tháng 4) tháng cuối mùa (tháng 10) dông ít, tháng gặp từ ngày dông Phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) khu vực dông nhất, thờng có tháng số ngày dông khoảng 10/tháng nh Tuy Hoà 10ngày/tháng, Nha Trang ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng miền Nam khu vực nhiều dông đồng Nam Bộ từ 120 140 ngày/năm, nh thành phố Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/ năm Mùa dông miền Nam dài mùa dông miền Bắc từ tháng đến tháng 11 trừ tháng đầu mùa (tháng 4) tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày dông quan sát đợc trung bình có từ 15 20 ngày/tháng, tháng tháng nhiều dông trung bình gặp 20 ngày dông/tháng nh thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày khu vực Tây Nguyên mùa dông ngắn số lần dông hơn, tháng nhiều dông tháng quan sát đợc khoảng 15 ngày dông Ngô Gia Phùng - HTĐ.K41 Trang đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Bắc Tây Nguyên, 10 12 Nam Tây Nguyên, Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, PLâycu 17 ngày Số ngày dông tháng số vùng lÃnh thổ Việt Nam xem bảng 1-1 Từ bảng ta thấy Việt Nam nớc phải chịu nhiều ảnh hởng dông sét, điều bất lợi cho H.T.Đ Việt nam, đòi hỏi ngành điện phải đầu t nhiều vào thiết bị chống sét Đặc biệt đòi hỏi nhà thiết kế phải trọng tính toán thiết kế công trình điện cho HTĐ vận hành kinh tế, hiệu quả, đảm bảo cung cấp điện liên tục tin cậy Ngô Gia Phùng - HTĐ.K41 Trang đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Bảng 1-1 : Số ngày dông tháng: Tháng Địa điểm Phía Bắc Cao Bắc Cạn Lạng Sơn Bắc Ninh Móng Cái Hồng Gai Hà Giang Sa Pa Lào Cai Yên Bái Tuyên Quang Phú Thọ Thái Nguyên Hà Nội Hải Phòng Ninh Bình Lai Châu Điện Biên Sơn La Nghĩa Lộ Thanh Hoá Vinh Con Cuông Đồng Hới Cửa Tùng Phía Nam Huế Đà Nẵng Quảng NgÃi Quy Nhơn Nha Trang Phan Thiết Kon Tum Playcu Đà Lạt Blao Sài Gòn Sóc Trăng Hà Tiên 0,2 0,1 0,2 0,2 0,0 0,1 0,1 0,6 0,4 0,2 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,4 0,2 0,0 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,6 0,3 0,4 0,4 0,4 0,0 0,6 2,6 1,8 0,6 0,0 0,6 0,3 0,3 0,1 0,4 1,8 2,7 1,0 0,5 0,2 0,5 0,2 0,3 0,2 4,2 3,0 2,6 2,6 3,9 1,7 5,1 6,6 7,0 4,1 4,0 4,2 3,0 2,9 7,0 8,4 13 12 14 9,2 7,3 6,9 13 6,3 7,8 5,9 7,0 6,9 6,9 6,6 1,3 8,4 12 10 9,1 9,2 9,4 7,7 7,9 7,0 8,4 12 12 14 9,2 7,3 6,9 13 6,3 7,8 12 12 12 10 14 10 15 13 12 15 15 16 13 16 13 16 15 17 16 14 16 17 17 15 18 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,2 0,2 0,3 0,6 1,8 1,4 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,1 0,0 1,2 1,7 1,6 3,4 1,0 0,0 2,7 1,3 10 11 12 Cả năm 10 10 10 13 15 9,2 7,3 8,1 11 11 11 12 11 17 14 5,8 8,3 6,2 10 13 15 14 11 12 11 2,8 2,8 2,8 4,2 2,2 2,8 3,0 2,5 4,2 4,2 3,4 3,3 3,1 4,4 5,0 3,4 5,3 6,2 5,2 3,3 5,6 5,2 5,3 5,3 0,5 0,2 0,1 0,1 0,2 0,2 0,9 0,9 0,7 0,2 0,5 0,5 0,1 0,6 1,0 0,7 1,9 1,1 1,0 0,0 0,7 0,2 0,2 0,3 0,3 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,9 0,0 0,0 0,3 0,0 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 94 97 90 80 112 87 102 97 93 104 106 107 97 99 111 112 93 112 99 99 100 95 103 70 85 1,9 2,5 1,2 0,6 0,6 0,2 6,8 5,7 3,2 11 2,5 0,7 4,9 10 6,2 5,3 5,1 4,8 2,3 0,3 6,5 14 11 9,3 12 8,9 3,7 0,5 5,7 10 13 9,7 1,0 7,8 0,7 0,0 3,6 8,6 5,3 5,1 7,3 9,6 3,3 0,6 3,2 8,2 5,2 4,6 5,8 8,5 2,3 0,6 4,0 13 7,2 8,8 7,4 9,0 6,8 1,8 10 14 8,0 3,4 0,2 8,0 4,0 1,2 12 16 9,7 7,7 8,7 17 9,0 2,0 6,8 10 8,0 6,3 4,2 6,7 3,8 0,8 13 10 5,2 3,4 2,8 7,2 7,0 4,0 10 22 19 17 16 19 15 11 7,0 19 16 14 15 13 1,5 4,7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,2 0,0 0,1 0,1 0,0 2,4 0,7 41,8 69,5 59,1 43,3 39,2 59,0 58,2 90,7 52,1 70,2 138 104 10 20 4,3 128 23 17 20 19 18 20 21 14 18 21 12 16 18 19 24 24 15 16 20 17 22 20 15 16 18 13 17 19 17 21 20 17 22 21 17 22 21 17 17 22 16 20 20 19 21 23 21 20 21 16 14 14 21 17 18 18 15 16 15 19 18 16 18 18 13 13 19 14 13 20 7,7 9,6 9,6 10 12 12 9,7 7,4 9,0 9,7 15 15 1.2- ¶nh hởng dông sét đến h.t.đ việt nam: - Nh đà trình bày phần trớc biên độ dòng sét đạt tới hàng trăm kA, nguồn sinh nhiệt vô lớn dòng điện sét qua vật Thực tế đà có dây tiếp địa phần nối đất không tốt, bị dòng điện sét tác dụng đà bị nóng chảy đứt, chí có cách điện sứ bị dòng điện sét tác dụng đà bị vỡ chảy nh nhũ thạch, phóng điện sét kèm theo việc di chuyển không gian lợng điện tích lớn, tạo điện từ trờng mạnh, Ngô Gia Phùng - HTĐ.K41 Trang đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp nguồn gây nhiễu loạn vô tuyến thiết bị điện tử, ảnh hởng rộng, nơi cách xa hàng trăm Km - Khi sét đánh thẳng vào đờng dây xuống mặt đất gần đờng dây sinh sóng điện từ truyền theo dọc đờng dây, gây nên điện áp tác dụng lên cách điện đờng dây Khi cách điện đờng dây bị phá hỏng gây nên ngắn mạch pha - đất ngắn mạch pha pha buộc thiết bị bảo vệ đầu đờng dây phải làm việc Với đờng dây truyền tải công suất lớn, máy cắt nhảy gây ổn định cho hệ thống, hệ thống tự động nhà máy điện làm việc không nhanh dẫn đến rà lới Sóng sét truyền từ đờng dây vào trạm biến áp sét đánh thẳng vào trạm biến áp gây nên phóng điện cách điện trạm biến áp , điều nguy hiểm tơng đơng 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 không hiệu cách điện máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại vô lớn Qua ®ã ta thÊy r»ng sù cè sÐt g©y rÊt lín, nã chiÕm chđ u sù cè líi điện, dông sét mối nguy hiểm lớn đe dọa hoạt động lới điện *Kết luận: Sau nghiên cứu tình hình dông sét Việt Nam ảnh hởng dông sét tới hoạt động lới điện Ta thấy việc tính toán chống sét cho lới điện trạm biến áp cần thiết để nâng cao độ tin cậy vận hành lới điện Chơng 1: bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm biến áp 110/35 kV Châu Khê - Bắc Ninh 3.1-Khái niệm chung Trạm biến áp phận quan trọng hệ thống truyền tải phân phối điện Đối với trạm biến áp 110/35kV Châu Khê - Bắc Ninh thiết bị điện trạm đợc đặt trời nên có sét đánh trực tiếp vào trạm xảy hậu nặng nề làm hỏng đến thiết bị trạm mà gây nên hậu cho ngành công nghiệp khác bị ngừng cung cấp điện Do trạm biến áp thờng có yêu cầu bảo vệ cao Hiện để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp ngời ta dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng cuả hệ thống tập trung điện tích để Ngô Gia Phùng - HTĐ.K41 Trang đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp định hớng cho phóng điện sét tập trung vào đó, tạo khu vực an toàn bên dới hệ thống Hệ thống thu sét phải gồm dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ nối đất Để nâng cao tác dụng hệ thống trị số điện trở nối đất phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện cách nhanh nhất, đảm bảo cho có dòng điện sét qua điện áp phận thu sét không đủ lớn để gây phóng điện ngợc đến thiết bị khác gần Ngoài 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 3.2- Các yêu cầu kỹ thuật tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp Tất thiết bị cần bảo vệ phải đợc nằm trọn phạm vi bảo vệ an toàn hệ thống bảo vệ Hệ thống bảo vệ trạm 110/35kV ta dùng hệ thống cột thu lôi, hệ thống đợc đặt thân công trình đặt độc lập tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể Đặt hệ thống thu sét thân công trình tận dụng đợc độ cao phạm vi bảo vệ giảm đợc độ cao cột thu lôi Nhng mức cách điện trạm phải đảm bảo an toàn điều kiện phóng điện ngợc từ hệ thống thu sét sang thiết bị Vì đặt kim thu sét xà trạm có phóng điện sét, dòng điện sét gây nên điện áp giáng điện trở nối đất phần điện cảm cột, phần điện áp lớn gây phóng điện ng ợc từ hệ thống thu sét đến phần tử mang điện trạm mà mức cách điện không đủ lớn Do điều kiện để đặt cột thu lôi hệ thống xà trạm mức cách điện cao trị số điện trở tản phận nối đất nhỏ Đối với trạm phân phối có điện áp từ 110kV trở lên có mức cách điện cao (cụ thể khoảng cách thiết bị đủ lớn độ dài chuỗi sứ lớn) đặt cột thu lôi kết cấu trạm kết cấu có đặt cột thu lôi phải nối đất vào hệ thống nối đất trạm theo đờng ngắn cho dòng điện sét khuyếch tán vào đất theo đến cọc nối đất, mặt khác trụ phải có nối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất Khâu yếu trạm phân phối trời điện áp từ 110kV trở lên cuộn dây máy biến áp dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp yêu cầu khoảng cách điểm nối vào hệ thống cột thu lôi điểm nối vào hệ thống nối đất vỏ máy biến áp phải lớn 15m theo đờng điện Tiết diện dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt có dòng điện sét chạy qua Ngô Gia Phùng - HTĐ.K41 Trang đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi dây dẫn điện phải đợc cho vào ống chì chôn đất 3.3- Tính toán thiết kế, phơng án bố trí cột thu lôi Với yêu cầu thiết kế hệ thống chống sét cho trạm 110kV dựa vào độ cao thiết bị ta bố trí đợc cột thu lôi tính đợc độ cao chúng 3.3.1- Các công thức sử dụng để tính toán - §é cao cét thu l«i: h =hx + (3 – 1) Trong ®ã: + hx : ®é cao cđa vật đợc bảo vệ + : độ cao tác dụng cột thu lôi, đợc xác định theo nhóm cột (ha D/8 m) (với D đờng kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo chân cột) - Phạm vi bảo vệ cột thu lôi độc lập là: 1,6 ( h h x ) hx 1+ h hx r x=1,5 h (1− ) 0,8 h - NÕu hx  2/3h th×: hx r x=0 ,75 h (1− ) h - NÕu hx > 2/3h th×: r x= ( 3−2 ) (3 –3) (3-4) Phạm vi bảo vệ hai nhiều cột thu lôi lớn cột đơn cộng lại Nhng để cột thu lôi phối hợp đợc khoảng cách a hai cột phải thoả mÃn a 7h ( h độ cao cđa cét thu l«i ) Khi cã hai cét thu lôi đặt gần phạm vi bảo vệ độ cao lớn hai cột ho đợc xác định theo công thức: ho = h a (3 ) Khoảng cách nhỏ từ biên phạm vi bảo vệ tới đờng nối hai chân cột rxo đợc xác định nh sau: r xo= 1,6 hx 1+ ho Ngô Gia Phùng - HTĐ.K41 ( ) Trang đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp R 0,2h h rx hx ho=h-a/7 a 0,75h 1,5h rxo rx H×nh (3 –1 ): Tr ờng hợp hai cột thu lôi có chiều cao b»ng - Trêng hỵp hai cét thu lôi có độ cao khác việc xác định phạm vi bảo vệ đợc xác định nh sau: - Khi có hai cột thu lôi A B có độ cao h1 h2 nh hình vẽ dới đây: R h1 h2 a' a (H×nh ): Tr ờng hợp hai cột thu lôi có chiều cao khác - Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi C có độ cao h , khoảng cách AB = a; BC = a' Khi xác định đợc khoảng cách x a' nh sau: Ngô Gia Phùng - HTĐ.K41 Trang đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp 1,6 ( h1 h2 ) h2 1+ h1 1,6 a'= a-x=a ( h 1−h )( −7 ) h2 1+ h1 §èi víi trêng hợp có hai cột thu lôi cao ta có phạm vi bảo vệ độ cao lớn hai cột ho : x= ho =h a Tơng tự ta có phạm vi bảo vệ độ cao lớn hai cột B C lµ: ho =h2− a' 1,6 =h2−a+ ( h1 −h2 ) h2 1+ h1 1,6 ( h o−hx ) h2 1+ h1 3.3.2- Các số liệu dùng để tính toán thiết kế cột thu lôi bảo vệ trạm biến áp 110/35kV Châu Khê - Bắc Ninh - Trạm có diƯn tÝch lµ: 57 x 58,350m vµ bao gåm: + Hai máy biến áp T1 T2 + lộ 110kV lộ 35kV - Độ cao xà phía 110kV 10m 8m - Độ cao xà phía 35kV 9m 7m - Ngoài trạm có cột chiếu sáng cao 21m 3.3.3- Trình tự tính toán Trạm biến áp E27.3 Phù Khê đợc hai đờng 110kV cấp, lộ đờng dây mạch kép Phả Lại Đông Anh, hai đờng 110kV đợc nối với qua máy cắt liên lạc hai hệ thống góp Trạm có cấp điện áp 110/35kV có hai máy biến áp T ; T2 đợc nối với hai lộ đờng dây vào 110kV sáu lộ đờng dây 35kV Phía 110kV có hai hệ thống góp có máy cắt liên lạc Sau khảo sát sơ sơ đồ mặt trạm, vị trí bố trí thiết bị trạm yêu cầu bảo vệ thiết bị, ta đa hai phơng án đặt cột thu l«i nh sau: r xo= Ng« Gia Phïng - HT§.K41 Trang 10