bài tập dài môn kỹ thuật điện cao áp

Bài tập dài đã giúp em ứngdụng được kiến thức đã học, áp dụng một phần vào việc thiết kế hệ thống chốngsét đánh trực tiếp, hệ thống nối đất và tính toán bảo vệ chống sóng quá điện ápkhí

Trang 1

Bài tập dài Kĩ thuật điện cao áp

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP DÀI

MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

VŨ TRUNG KIÊNkien.vt191543 @sis.hust.edu.vn

Trang 2

2

Trang 3

Mục lục

Lời mở đầu 7

CHƯƠNG 1 Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp 8

1.1 Mở đầu 8

1.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh trực tiếp 8

1.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét 8

1.3.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét 8

1.3.2 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét 11

1.4 Mô tả trạm biến áp cần bảo về 13

1.5 Tính toán các phương án chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 14

1.5.1 Phương án 1 14

1.5.2 Phương án 2

1.6 So sánh và tổng kết phương án 25

CHƯƠNG 2 Thiết kế hệ thống nối đất 27

2.1 Mở đầu 27

2.2 Các yêu cầu kĩ thuật 27

2.3 Lý thuyết tính toán nối đất 28

2.3.1 Tính toán nối đất an toàn 28

2.3.2 Tính toán nối đất chống sét 30

2.4 Tính toán nối đất an toàn 32

2.4.1 Nối đất tự nhiên 32

2.4.2 Nối đất nhân tạo 33

2.5 Tính toán nối đất chống sét 34

2.5.1 Tính toán nối đất và kiểm tra điều kiện phóng điện 34

2.5.2 Nối đất bổ sung 37

2.6 Kết luận 43

CHƯƠNG 3 Tính toán bảo vệ chống sóng quá điện áp khí quyển lan truyền từ đường dây vào trạm 44

3.1 Mở đầu 44

3.2 Lý thuyết tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm 44

3

Trang 4

3.2.1 Xác định điện áp trên Zx là điện dung 47

3.2.2 Xác định điện áp và dòng điên trong chống sét van 47

3.3 Tính toán bảo vệ sóng quá điện áp truyền vào trạm 48

3.3.1 Tính thời gian truyền sóng giữa các nút 49

3.3.2 Tính điện áp tại các nút 49

3.3.3 Dạng sóng truyền vào trạm 52

4

Trang 5

Danh mục hình vẽ

HUnh 1.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét 9

HUnh 1.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét giống nhau 10

HUnh 1.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét khác nhau 11

HUnh 1.4 Phạm vi bảo vệ của nhóm cột 11

HUnh 1.5 Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét 12

HUnh 1.6 Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét 12

HUnh 1.7 Sơ đồ nối điện chính của trạm 13

HUnh 1.8 Sơ đồ mặt bằng đầy đủ của trạm 14

HUnh 1.9 Sơ đồ bố trí cột thu sét PA1 15

HUnh 1.10 Phạm vi bảo vệ phương án 1 20

HUnh 1.11 Sơ đồ bố trí cột thu sét phương án 2 21

HUnh 1.12 Phạm vi bảo vệ phương án 2 25

HUnh 2.1 Đồ thị giá trị hệ số hUnh dáng K 30

HUnh 2.2 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất 31

HUnh 2.3 Sơ đồ đẳng trị thu gọn 31

HUnh 2.4 Đồ thị dạng sóng của dòng điện sét 35

HUnh 2.5 Sơ đồ nối đất của thanh vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm 37

HUnh 2.6 Sơ đồ nối đất bổ sung 39

HUnh 2.7 Sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất 41

HUnh 3.1 Quá trUnh truyền sóng giữa hai nút 45

HUnh 3.2 Sơ đồ tương đương của quy tắc Petersen 45

HUnh 3.3 Sơ đồ nguyên lý sóng đẳng trị 46

HUnh 3.4 Sơ đồ Petersen 47

HUnh 3.5 Đặc tính V – A của chống sét van 48

HUnh 3.6 Sơ đồ thay thế bảo vệ chống quá điện áp của TBA 49

HUnh 3.7 Sơ đồ tính điện áp tại nút 1 50

HUnh 3.10 Đồ thị điện áp các nút 54 s

5

Trang 6

Danh mục bảng

Bảng 1.1 Độ cao hữu ích của cột thu lôi phương án 1 16

Bảng 1.2 Bán kính bảo vệ của cột thu sét phương án 1 18

Bảng 1.3 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột thu sét phương án 1 19

Bảng 1.4 Độ cao hữu ích của cột thu sét phương án 2 21

Bảng 1.5 Bán kính bảo vệ của cột thu sét PA 2 23

Bảng 1.6 Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét PA 2 24

Bảng 2.1 Bảng giá trị hệ số hUnh dạng K 29

Bảng 2.2 Hệ số K phụ thuộc vào l1/l2 34

Bảng 2.3 Bảng tính toán chuỗi 1 2 1 ds T k e k 36

Bảng 2.4 Bảng tính toán chuỗi 1 2 1 ds T k e k nối đất mạch vòng kết hợp cọc xung quanh mạch vòng 38

Bảng 2.5 Bảng tính toán giá trị .43

Bảng 3.1 Giá trị điện dung của các phần tử thay thế 49

Bảng 3.2 Điện áp các nút và dòng điện qua CSV 53

6

Trang 7

Lời mở đầu

Ngành Điện theo xu hướng phát triển của xã hội là một trong những ngành trụcột của mỗi quốc gia Là một sinh viên chuyên ngành Hệ thống điện, viện Điện,Đại học Bách Khoa Hà Nội, bản thân em luôn cảm thấy tự hào cũng như nhậnthấy được trách nhiệm và nghĩa vụ của mUnh trong việc học tập, nghiên cứu, hoànthiện bản thân để có thể đóng góp cho sự phát triển của xã hội, đất nước

Kĩ thuật điện cao áp là một học phần quan trọng, cốt lõi trong việc xây dựng nềntảng kiến thức cho sinh viên chuyên ngành Hệ thống điện Hiểu được điều nàycũng như nhận được sự phân công và hướng dẫn của thầy PGS TS Trần VănTớp, em đã hoàn thiện nhiệm vụ bài tập dài dưới đây Bài tập dài đã giúp em ứngdụng được kiến thức đã học, áp dụng một phần vào việc thiết kế hệ thống chốngsét đánh trực tiếp, hệ thống nối đất và tính toán bảo vệ chống sóng quá điện ápkhí quyển lan truyền vào trạm biến áp Do kiến thức còn nhiều hạn chế, bài tậpdài có thể còn nhiều sai sót, em rất mong nhận được sự phân tích và chỉ dẫn từthầy và các bạn

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô, các bạn cùnglớp và đặc biệt là thầy PGS TS Trần Văn Tớp đã giúp đỡ, hướng dẫn em hoànthiện bài tập Sự nhiệt huyết, tinh thần, phong cách từ thầy luôn là tấm gương chocác thế hệ sinh viên Bách Khoa Em rất vui khi được là một trong những sinhviên nhận được sự giảng dạy, hướng dẫn trực tiếp của thầy

7

Trang 8

CHƯƠNG 1 Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm

biến áp1.1 Mở đầu

Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện đường dây và trạm biến áp là một thểthống nhất Trong đó trạm biến áp là một phần tử hết sức quan trọng, nó thựchiện nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng Khi các thiết bị của trạm bị sétđánh trực tiếp sẽ dẫn đến những hậu quả rất nghiêm trọng không những làm hỏngcác thiết bị trong trạm mà còn có thể dẫn đến việc ngừng cung cấp điện trongmột thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc sản suất điện năng và các ngành kinh

tế quốc dân khác Do vậy việc tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạmbiến áp đặt ngoài trời là rất quan trọng Qua đó ta có thể đưa ra những phương ánbảo vệ trạm một cách an toàn và kinh tế nhằm đảm bảo toàn bộ thiết bị trongtrạm được bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

Ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào các thiết bị trong trạm tacũng phải chú ý đến việc bảo vệ cho các đoạn đường dây gần trạm và đoạn đâydẫn nối từ xà cuối cùng của trạm ra cột đầu tiên của đường dây

1.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh trực tiếp

a) Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải được nằm trọn trong phạm vi an toàn của hệthống bảo vệ Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp mà hệthống các cột thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn của công trUnh như

xà, cột đèn chiếu sáng hoặc được đặt độc lập

- Khi đặt hệ thống cột thu sét trên bản thân công trUnh, sẽ tận dụng được độ caovốn có của công trUnh nên sẽ giảm được độ cao của hệ thống thu sét Tuy nhiênđiều kiện đặt hệ thống thu sét trên các công trUnh mang điện là phải đảm bảo mứccách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất bé

+ Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên do có cách điện cao (khoảngcách các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể đặt cột thu sét trên cáckết cấu của trạm Tuy nhiên các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét thU phảinối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối Theo đường ngắn nhất và saocho dòng điện is khuyếch tán vào đất theo 3- 4 cọc nối đất Ngoài ra ở mỗi trụcủa kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất nhằmđảm bảo điện trở không quá 4

+ Nơi yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời điện áp 110 kV trở lên là cuộn dâyMBA VU vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ MBA thU yêu cầu khoảng cáchgiữa hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA theođường điện phải lớn hơn 15m

- Khi đặt cách ly giữa hệ thống thu sét và công trUnh phải có khoảng cách nhấtđịnh, nếu khoảng cách này quá bé thU sẽ có phóng điện trong không khí và đấtb) Phần dẫn điện của hệ thống thu sét có phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo thoảmãn điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua

1.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét

1.3.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét

a) Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập

8

Trang 9

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hUnhchóp tròn xoay có đường kính xác định bởi công thức

)(

Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau được tính toán theo công thức sau

c

a

h 0,8h

0,2h

0,75h

1,5h

R

H!nh 1.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

Các công thức trên chỉ đúng với cột thu sét cao dưới 30m Hiệu quả của cột thusét cao quá 30m có giảm sút do độ cao định hướng của sét giữ hằng số Khi tính

toán phải nhân với hệ số hiệu chỉnh h

5,5p

và trên hUnh vẽ dùng các hoành độ0,75hp và 1,5hp

b) Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp thU lớn hơn nhiều so với tổng phạm vibảo vệ của hai cột đơn Để hai cột thu sét có thể phối hợp được thU khoảng cách agiữa hai cột thU phải thoả mãn điều kiện a < 7h (h là chiều cao của cột) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao

9

Trang 10

- Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cách a (a < 7h) thU độcao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét h được tính như sau: o

h

Giả sử có hai cột thu sét: cột 1 có chiều cao h , cột 2 có chiều cao h và 1 2 Hai cột cách nhau một khoảng là a

Trước tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h , sau đó qua đỉnh cột thấp h vẽ1 2

đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao tại điểm 3.Điểm này được xem là đỉnh của cột thu sét giả định, nó sẽ cùng với cột thấp h ,2

hUnh thành đôi cột ở độ cao bằng nhau và bằng h với khoảng cách là a’ Phần2

còn lại giống phạm vi bảo vệ của cột 1 với a ' a x

Trang 11

Một nhóm cột sẽ hUnh thành 1 đa giác và phạm vi bảo vệ được xác định bởi toàn

bộ miền đa giác và phần giới hạn bao ngoài giống như của từng đôi cột

Vật có độ cao h nằm trong đa giác hUnh thành bởi các cột thu sét sẽ được bảo vệx

nếu thoả mãn điều kiện:

D 8.ha = 8.(h-hx) PT 1.10Với D là đường tròn ngoại tiếp đa giác hUnh thành bởi các cột thu sét Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thU điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnhtheo p

1.3.2 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét

a) Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét

11

Trang 12

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng Chiều rộng của phạm vi bảo vệphụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như hUnh vẽ

a' b

c

a

h 0,8h

0,2h

0,6h 1,2h

2b x

H!nh 1.5 Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta

b) Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thU khoảng cách giữa hai dây thu sétphải thoả mãn điều kiện s 4h <

Với khoảng cách s trên thU dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao

PT 1.14Phạm vi bảo vệ như hUnh vẽ

H!nh 1.6 Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét

12

Trang 13

Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống của một dây còn phần bên trong được giớihạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao

Trang 14

H!nh 1.8 Sơ đồ mặt bằng đầy đủ của trạm

1.5 Tính toán các phương án chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp1.5.1 Phương án 1

- Phía 220 kV dùng 12 cột trong đó cột 1 5 được đặt trên xà đón dây cao 17 m;÷cột 6 15 được đặt trên xà thanh góp cao 10,5 m ÷

- Phía 110 kV dùng 12 cột trong đó cột 16 21 được đặt trên xà thanh góp cao 8÷m; cột 22 27 được đặt trên xà đón dây cao 11 m.÷

Vậy:

Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là h = 11 m và h = 16 m x x

Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kV là h = 8 m và h = 11 m.x x

14

Trang 15

H!nh 1.9 Sơ đồ bố trí cột thu sét PA1

Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi:

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi tam giác hoặc tứ giác nào đó thU độcao cột thu lôi phải thỏa mãn:

D 8 hay ha ha 8

D

Trong đó

D: đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ giác

ha: độ cao hữu ích của cột thu lôi

Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo vệ của 1cột Điều kiện để hai cột thu lôi phối hợp được với nhau là

a 7h

Với

a: khoảng cách giữa 2 cột thu sét

h: chiều cao toàn bộ cột thu sét

Xét nhóm cột 1-2-7-6 tạo thành hUnh chữ nhật: a1-2= 32 m ; a1-5 = 17,29 m HUnh chữ nhật có đường chéo là: D=√3 22

+17,292

=36,37 (m)Đường kính đường tròn ngoại tiếp hUnh chữ nhật cũng chính là đường chéo hUnhchữ đó: D=36,37 m

15

Trang 16

Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi: ha≥36,378 =4,54 (m)

Xét nhóm cột 11, 12, 16 tạo thành hUnh tam giác đo được các kích thước như sau:

Nửa chu vi tam giác là:

Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác là:

Vậy độ cao hữu ích của cột thu sét:

Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại, ta có bảng kết quả sau:

Bảng 1.1 Độ cao hữu ích của cột thu lôi phương án 1

ĐA GIÁC

Đường kínhvòng tròn ngoạitiếp (m)

Trang 17

Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp

Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét, ta chọn độ caotác dụng cho toàn trạm như sau:

Tính toán phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi

Bán kính bảo vệ của một cột thu sét ở các độ cao bảo vệ tương ứng: + Bán kính bảo vệ của các cột 24 m (các cột N1 N15 phía 220 kV)

17

Trang 18

Nên rx=1,5 h.(1−hx

0,8 h)=1,5.24 (1− 7,5

0,8.24)=21,94 (m)Bán kính bảo vệ của các cột 18 m (các cột N16 N27 phía 110 kV)

Bảng 1.2 Bán kính bảo vệ của cột thu sét phương án 1

Cột Chiều cao (m) Bán kính bảo vệ tương ứng rx (m)

Tính phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét xung quanh trạm:

- Xét 1 cặp cột có độ cao giống nhau h =24 m ví dụ cặp cột 1-2 có:

Trang 19

Phạm vi bảo vệ của hai cột 16’ và 16 là:

Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

Bảng 1.3 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột thu sét phương án 1Cấp điện

Trang 20

π2 =2,00.2,89 1 0

−3 2982

Trang 21

−x k

π 2 ⋅ 2,5 52,06

=∑

k=1

∞0,954

Trang 22

Ud=I.ZXK(0 ,τds)=100.2,611=261,1<U50 %MBA=460 kV

VU giá trị của Ud< U50%MBA nên hệ thống nối đất bổ sung trên đảm bảo yêu cầu củanối đất chống sét, vU vậy máy biến áp sẽ được an toàn khi có sét đánh vào trạm.Kết luận Như vậy phương án nối đất mạch vòng có nối đất bổ sung đảm bảo về: yêu cầu của nối đất an toàn và nối đất chống sét Vậy ta sử dụng phương án này

để thực hiện nối đất cho trạm

Phương án ta chọn có 23 cột chống sét như vậy số lượng sắt thép dùng trong nốiđất bổ sung là: L = 23.(6+3x3) = 345 (m)2

Số lượng sắt thép dùng trong hệ thống nối đất là:

Trang 23

CHƯƠNG 3 Tính toán bảo vệ chống sóng quá điện áp khí quyển lan truyền

từ đường dây vào trạm3.1 Mở đầu

Bảo vệ chống sét đối với trạm biến áp có yêu cầu rất cao vU trong trạm có nhữngthiết bị quan trọng như máy biến áp, máy cắt… mà cách điện của các thiết bị nàylại yếu hơn so với cách điện của đường dây Trước tiên, phóng điện trên cáchđiện tương đương với việc ngắn mạch thanh góp và ngay cả khi có phương tiệnhiện đại cũng vẫn đưa đến sự cố trầm trọng nhất trong hệ thống Ngoài ra mặc dùtrong kết cấu cách điện của thiết bị thường cố gắng sao cho mức cách điện trongmạch cao hơn mức cách điện ngoài, nhưng trong vận hành do quá trUnh già cỗicủa cách điện trong mạch hơn nhiều nên sự phối hợp có thể bị phá hoại và dướitác dụng của quá điện áp có thể xảy ra chọc thủng điện môi mà không chỉ làphóng điện men theo bề mặt của cách điện ngoài Tuy không đạt mức an toàntuyệt đối nhưng khi tính toán chọn các biện pháp chống sét phải cố gắng giảmxắc suất sự cố tới giới hạn thấp nhất và “chỉ tiêu chịu sét của trạm’’ số năm vậnhành an toàn không có suất hiện điện áp nguy hiểm đối với cách điện của trạmphải đạt mức hàng trăm năm

Nội dung của bảo vệ chống sét trạm biến áp bao gồm bảo vệ chống sét đánhthẳng bảo vệ chống sóng truyền từ đường dây vào trạm Bảo vệ chống sét đánhthẳng cho trạm đựơc thực hiện bằng cột thu lôi như đã trUnh bày ở chương 1.Trong phạm vi chương này sẽ dành riêng để nghiên cứu về chống sét truyền từđường dây vào trạm Mức cách điện xung kích của trạm được chọn theo trị sốđiện áp dư của chống sét van và có chiều hướng ngày càng giảm thấp do chấtlượng của loại thiết bị này ngày càng được nâng cao Bởi vậy mức cách điện củatrạm không phụ thuộc vào mức cách điện đường dây mà còn thấp hơn nhiều Quáđiện áp do sét đánh thẳng vào dây chống sét gây phóng điện ngược tới dây dẫnhoặc dưới hUnh thức cảm ứng khi có sét đánh gần đường dây sẽ lan truyền từ nơi

bị sét đánh vào trạm biến áp Trong quá trUnh đó, nếu còn giữ trị số quá điện áplớn hơn mức cách điện xung kích đường dây thU sẽ có phóng điện xuống đất,nghĩa là biên độ của quá điện áp được giảm dần tới mức điện áp xung kích đườngdây (U50%)

3.2 Lý thuyết tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóngtruyền vào trạm

Việc tính toán quá điện áp do sóng truyền vào trạm có thể được thực hiện trêncác mô hUnh hoặc được tính toán trực tiếp dựa vào quy tắc sóng đẳng trị Dùngphương pháp mô hUnh thU có thể cho phép xác định được đường cong nguy hiểmđối với bất kỳ trạm có kết cấu phức tạp ở mức độ nào Nó giải quyết được vấn đềbảo vệ một cách chính xác, nhanh chóng Phương pháp tính toán trực tiếp phứctạp hơn phương pháp mô hUnh và chỉ được dùng khi trạm có kết cấu đơn giản Cơ

sở của phương pháp tính toán trực tiếp là lập sơ đồ thay thế và dựa trên quy tắcsóng đẳng trị và phương pháp lập bảng của các sóng tới để lần lượt tính toán trị

số điện áp tại các điểm nút chính

Sóng truyền vào trạm trên những khoảng cách không lớn giữa các nút, có thể coiquá trUnh truyền sóng là quá trUnh biến dạng VU sóng không biến dạng và truyền

46