Đồ Án tốt nghiệp thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho tba 220kv cao bằng và tính chỉ tiêu chống sét cho Đường dây 220kv chuyên Đề tính sóng truyền từ Đường dây 220kv vào trạm biến áp

Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngược là và mật độ điện trường trong tiatiên đạo là thì trong một đơn vị thời gian thì điện tích đi và trong đất sẽ là: Công thức này tính toán ch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TBA 220KV CAO BẰNG VÀ TÍNH CHỈ TIÊU CHỐNG

SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY 220KV CHUYÊN ĐỀ TÍNH SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY

220KV VÀO TRẠM BIẾN ÁP

Giáo viên hướng dẫn: Ths PHẠM THỊ THANH ĐAM Sinh viên thực hiện: BÙI HÀ AN

Mã sinh viên: 2183010001 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: Hệ thống điện Lớp: D16H12B

Khóa học: 2021-2023

Hà nội, tháng năm 2023

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

I Thông tin chung

Họ và tên người hướng dẫn: Phạm Thị Thanh Đam

Đơn vị công tác: Khoa Kỹ thuật điện

Học hàm, học vị: Thạc sĩ

Họ và tên sinh viên : ……… Ngày sinh:

Mã sinh viên:……… Lớp: Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho TBA 220kV Cao bằng và tính chỉ tiêu chống sét cho đường dây 220kV

Chuyên đề tính sóng truyền từ đường dây 220kV vào Trạm biến áp

2.1 Nhận xét về hình thức: (kết cấu, phương pháp trình bày)

2.2 Mục tiêu và nội dung: (cơ sở lý luận, tính thực tiễn, khả năng ứng dụng)

2.3 Kết quả đạt được:

Hà Nội, ngày….tháng…năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I Kết quả thực hiện và báo cáo trước hội đồng của sinh viên: Bùi Hà An

II GVHD xác nhận sau chỉnh sửa (nếu có)

Nhằm hoàn thiện kiến thức đã học và bước đầu làm quen với thực tế em được nhà

trường và khoa Kỹ thuật điện giao cho đề tài tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống bảo vệ

chống sét cho TBA 220kV Cao bằng và tính chỉ tiêu chống sét cho đường dây 220kV, chuyên đề tính sóng truyền từ đường dây 220kV vào Trạm biến áp.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Trường Đại học Điện lực nóichung và các thầy cô trong khoa Kỹ thuật điện nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyềnđạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua Đặc biệt em xin cảm ơn

đến Ths Phạm Thị Thanh Đam đã tận tình giúp đỡ trực tiếp chỉ bảo hướng dẫn em

trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Do còn thiếu kinh nghiệm thực tế nên đề tài không thể tránh khỏi những sai xót,nhầm lẫn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô vàcác bạn để kiến thức của em trong lĩnh vực hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày……tháng…… năm 2023

Sinh viên

Bùi Hà An

MỤC LỤC PHẦN I: THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TBA 220KV CAO BẰNG VÀ TÍNH CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY 220KV

CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TBA 220KV CAO

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY 220kV 38

4.3.3.1 Tính suất cắt đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét

4.3.3.3 Tính suất cắt đường dây do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận

CHƯƠNG 5: CHUYÊN ĐỀ TÍNH SÓNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG 78

DÂY 220KV VÀO TRẠM BIẾN ÁP

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển của dòng điện sét

Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi

39Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi trong tính toán (đường sinh gấp khúc) 9

Hình 4.7 Đặc tính  = f(E lv )

Hình 4.8 Sét đánh vào khoảng vượt

4849

Hình 4.11 Đường cong nguy hiểm 53

Hình 5.9 Sơ đồ thay thế trạng thái trạng thái sóng trường hợp nguy hiểm nhất 86

Hình 5.15 Điện áp trên cách điện chuỗi sứ thanh góp khi có sóng truyền vào trạm 93

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TBA 220KV CAO BẰNG VÀ TÍNH CHỈ TIÊU CHỐNG

SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY 220kV

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước đang bước vào thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa, ngành điện giữ vaitrò quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế quốc dân Trong cuộc sống điện năng rấtcần cho phục vụ sản xuất và sinh hoạt Cùng với sự phát triển của xã hội đòi hỏi việccung cấp điện phải đảm bảo liên tục và có chất lượng cao Xuất phát từ thực tế đó việcđảm bảo cho các trạm biến áp và đường dây truyền tải điện làm việc an toàn, không gặp

sự cố, không gây gián đoạn cung cấp điện là đặc biệt quan trọng Việc thiết kế hệ thốngbảo vệ chống sét đánh (trực tiếp và lan truyền) là một trong các vấn đề quan trọng củangành điện Do đó, nội dung đồ án phù hợp với thực tế và rất thiết thực

CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ

THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

Việc nghiên cứu dông sét và các biện pháp chống sét đã có lịch sử lâu dài cùng với

sự phát triển của ngành điện Ngày nay người ta đã tìm được các phương pháp những hệthống thiết bị và kỹ thuật cao để đề phòng chống sét đánh Sét là một hiện tượng tựnhiên, mật độ, thời gian phóng điện, biên độ dốc của sét không thể dự đoán trước nênnghiên cứu chống sét là việc quan trọng, đặc biệt là ngành điện

1.1 Hiện tượng dông sét

a Kiến thức phổ thông về dông, sét

Dông sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi khoảngcách giữa các điện cực khác lớn (trung bình khoảng 5km)

Hiện tượng phóng điện của dông sét gồm hai loại chính đó là phóng điện giữa cácđám mây tích điện và giữa các đám mây tích điện với mặt đất

Trong phạm vi đồ án này ta chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điệnvới mặt đất (phóng điện mây - đất) Với hiện tượng phóng điện này gây nhiều trở ngạicho đời sống con người

Các đám mây được tích điện với mật độ điện tích lớn, có thể tạo ra cường độ điệntrường lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất Giai đoạn này là giai đoạnphóng điện tiên đạo Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên tạo của lần phóng điện đầutiên là khoảng 1,5.107 cm/s, các lần phóng điện sau thì tốc độ tăng lên khoảng 2.108 cm/s(trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau bởi vì trong cùng mộtđám mây có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lượt phóng điệnxuống đất)

Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích lớn Đầu tia được nối một trong cáctrung tâm điện tích của đám mây nên một phần điện tích của trung tâm này đi vào trongtia tiên đạo Phần điện tích này được phân bố khá đều dọc theo chiều dài tia xuống mặtđất Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích khác dấutrên mặt đất mà địa điểm tập kết tùy thuộc vào tình hình dẫn điện của đất Nếu vùng đất

có điện dẫn đồng nhất thì điểm này nằm ngay phía dưới đầu tiên đạo Còn vùng đất có

điện dẫn không đồng nhất (có nhiều nơi có điện dẫn khác nhau) thì điện tích trong đất sẽtập trung về nơi có điện dẫn cao.

Quá trình phóng điện sẽ dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơitập trung điện tích trên mặt đất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được địnhsẵn

Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạovơi nơi tập trung điện tích trên mặt đất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất đượcđịnh sẵn

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển của dòng điện sét

Do vây đệ định hướng cho các phóng điện sét thì ta phải tạo ra nơi có mật độ tậptrung điện tích lớn Nên việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các công trình dựa trêntính chọn lọc này của phóng điện sét

Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngược là và mật độ điện trường trong tiatiên đạo là thì trong một đơn vị thời gian thì điện tích đi và trong đất sẽ là:

Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị sốđiện trở nhỏ không đáng kể)

Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét, dòng điện này có biên độ và

độ dốc phân bố theo hàng biến thiên trong phạm vi rộng (từ vài kA đến vài trăm kA) dạng

Hoàn thành phóng điện sét

Dòng của phóng điện ngươc

Hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt

Địa điểm phụ thuôc điện trở suấtTia tiên đạo

sóng của dòng điện sét là dạng sóng xung kích, chỗ tăng vọt của sét ứng với giai đoạnphóng điện ngược.

Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khí quyển

và gây hậu quả nghiêm trọng như đã trình bày ở trên

b Diễn biến dông ở nước ta

Việt Nam là một trong những nước khi hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét khámạch Theo tài liệu thống kê cho thấy trên mỗi miền đất nước Việt Nam có một đặc điểmdông sét khác nhau:

có dông nhiều nhất trên miền Bắc là khu vực Móng Cái, Tiên Yên (Quảng Ninh) hàng

+ Một số vùng có địa hình chuyển chuyển tiếp như giữa các vùng núi và vùng đồngbằng số lần dông cũng đến 200 lần sét/năm Với số ngày giông khoảng 100 ngày/năm.Nơi ít dông nhất là Quảng Bình hàng năm chỉ có 80 ngày dông Xét về diễn biến mùadông trong năm, mùa dông hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nói chung ở miền Bắc

+ Trên vùng duyên hải trung bộ từ phía Bắc đến Quảng Nam là khu vực tương đốinhiều dông trong tháng số ngày có dông xấp xỉ 10 ngày/tháng Tháng có nhiều dông nhất

ngày/tháng Từ Bình Định trở vào là khu vực ít dông nhất thường chỉ có vào tháng5, sốngày có dông xấp xỉ 10 ngày (Tuy Hòa 10 ngày, Nha Trang 8 ngày, Phan Thiết 13 ngày),

như ở thàng phố Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/năm Mùa dông ở miềnNam dài hơn mùa dông ở miền Bắc đó là từ tháng 4 đến tháng 11 trừ tháng đầu mùa(tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày dông sét quan sát được trung bình từ

ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dông nhất trung bình gặp trên 20 ngày/thángnhư ở thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày

+ Ở khu vực Tây Nguyên mùa dông ngắn hơn và số lần dông cũng ít hơn thángnhiều dông nhất là tháng 5 cũng chỉ quan sát được khoảng 15 ngày dông ở Bắc Tây

Nguyên, ở Nam Tây Nguyên, Kom Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, Plâycu 17ngày.

Như vậy ta thấy Việt Nam là nước phải chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét, đây làđiều kiện bất lợi cho hệ thống điện Việt Nam, đòi hỏi ngành điện phải đầu tư nhiều vàocác thiết bị chống sét Đặc biệt hơn nữa nó đòi hỏi các nhà thiết kế phải chú trọng khi tínhtoán thiết kế các công trình điện sao cho hệ thống điện vận hành kinh tế, hiểu

quả đảm bảo cung cấp điện liên tục và tin cậy

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện

Biên độ của dòng điện sét có thể đạt tới hàng trăm kA, đây là nguồn sinh nhiệt vôcùng lớn khi dòng điện sét đi qua vật nào đó Thực tế đã có dây tiếp địa do phần nối đấtkhông tốt, khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị nóng chảy và đứt, thậm chí có những cáchđiện bằng sứ khi bị dòng điện sét tác động đã bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch, phóng điệnsét còn kèm theo di chuyển trong không gian lượng điện tích lớn, do đó tạo ra điện từtrường rất mạnh, đây là nguồn gây nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử, ảnh hưởngcủa nó rất rộng, ở cả các nơi cách xa hàng trăm km

Khi sét đánh vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần đường dây sẽ sinh ra sóng điện

từ truyền theo dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây.Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây lên ngắn mạch pha - đất hoặc ngắn mạchpha-pha buộc các thiết bị đầu đường dây phải làm việc Với những đường dây truyền tảicông suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định cho hệ thống, nếu hệ thống tựđộng ở các nhà máy điện làm việc không nhanh có thê dẫn đến rã lưới Sóng sét còn cóthể truyền từ đường dây điện vào trạm biến áp hoặc sét đánh thẳng vào nhà máy đều gây

nên phóng điện trên cách điện của trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm vì nó tươngđương với việc ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng Mặt khác, khi cóphóng điện sét vào trạm biến áp, nếu chống sét van ở đầu cực máy biến áp làm việckhông hiệu quả thì cách điện của máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn.Qua đó ta thấy sự cố do sét đánh gây hậu quả rất lớn, nó chiếm chủ yếu trong sự cốlưới điện, vì vậy việc tính toán thiết kế lắp đặt các thiết bị chống sét rất quan trọng, nếutính toán chính xác lắp đặt đủ các thiết bị chống sét sẽ tạo ra hệ thống vận hành an toàn vàhiểu quả, tránh được những hậu quả xấu do sét gây ra, từ đó đảm bảo việc cung cấp điệnliên tục cho các hộ tiêu thụ.

1.3 Vấn đề chống sét

Hệ thống điện chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét nên đòi hỏi phải có thiết bị chốngsét Để bảo vệ chống sét cho hệ thống điện người ta sử dụng các cột thu lôi và dây chốngsét Yêu cầu của việc chống sét là toàn bộ công trình được bảo vể cần phải nằm trongvùng bảo vệ của hệ thống thu sét, hệ thống này có thể nằm ngay trên kết cấu công trìnhhay đặt cách ly tùy thuộc hoàn cảnh và điều kiện cụ thể Song song với việc chọn lựa hệthống thu sét còn lưu ý đến vấn đề nối đất chống sét và nối đất bảo vệ Phương pháp đượcchọn phải có hiểu quả chống sét cao, chi phía đầu tư xây dựng ít nhất và yếu tố mỹ quancũng cần được xem xét

Do đó việc đầu tư nghiên cứ chống sét đúng mức rất quan trọng nhằm giảm thiệt hại

do dông sét gây ra, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trong vận hành điện

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC

TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP 220KV CAO BẰNG

2.1 Khái niệm chung

Đối với Trạm biến áp 220 kV có các thiết bị đặt ngoài trời, khi có sét đánh trực tiếpvào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nghiêm trọng, làm hư hỏng các thiết bị điện, có thể phả

i ngừng cung cấp điện năng trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến sản xuất và gây ranhững chi phí tốn kém cho ngành điện, ảnh hưởng đến nền kinh tế quốc dân Do vậy,trạm biến áp thường có yêu cầu bảo vệ khá cao

Hiện nay 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 của hệ thống này là tập trung điện tích để địnhhướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra các khu vực an toàn bên dưới hệthống này

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệthống nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của bộ ph

ận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện sét một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóng điện ngượcđến các thiết bị khác gần đó

Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cầnphải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo các yêu cầu về kỹthuật, mỹ thuật

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm gọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của

hệ thống bảo vệ Ở đây, hệ thống bảo vệ trạm 220/110kV ta dùng hệ thống cột thu lôi, hệthống này có thể đặt ngay trên bản thân công trình hoặc độc lập tùy thuộc vào các yêu cầ

u cụ thể

Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm vibảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi Tuy nhiên trong điều kiện phóng điệnngược từ hệ thống thu sét sang thiết bị, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trênđiện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể g

ây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mức

cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ.

Trạm biến áp có điện áp từ 110 kV trở lên có mức cách điện khá cao (cụ thể khoảngcách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) Do đó có thể đặt các cột thu lôi trêncác kết cấu của trạm Tuy nhiên cần lưu ý đặt cột thu lôi sao cho đường dẫn từ cột thu sét xuống hệ thống nối đất là ngắn nhất và sao cho dòng điện sét khuếch tán vào đất theo 3đến 4 thanh dẫn của hệ thống nối đất Mặt khác phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị sốđiện trở nối đất

Khâu yếu nhất trong trạm biến áp ngoài trời điện áp từ 110 kV trở lên là cuộn dâymáy biến áp, vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cáchgiữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máybiến áp là phải lớn hơn 15m theo đường điện

Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi códòng điện sét chạy qua

Đối với cấp điện áp 110kV trở lên cần phải chú ý:

+ Ở nơi có đặt cột thu lôi dẫn vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ sung (dùng nối đất bổ sung) nhằm đảm bảo điện trở khuyếch tán không được quá 4 (ứng với tần số

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện phảiđược cho vào ống chì và chôn trong đất Có thể nối dây chống sét vào hệ thống nối đất của trạm nếu như khoảng cách từ chỗ nối đất của điểm nối đất ấy đến điểm nối đất củamáy biến áp lớn hơn 15m

2.3 Lý thuyết để tính chiều cao cột & dây và phạm vi bảo vệ

2.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (cột thu lôi)

Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi có độ cao là h là một hình chóp tròn xoay cóđường sinh được xác định như sau:

Trong đó:

- h: Chiều cao cột thu lôi

- hx: Chiều cao cần được bảo vệ

- rx: Bán kính bảo vệ ở độ cao hx

Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi

Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc ABC được xác địnhnhư sau:

Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi trong tính toán (đường sinh gấp khúc)

Bán kính bảo vệ rx được tính như sau:

Các công thức trên chỉ để sử dụng cho hệ thống thu sét có độ cao h < 30m Khi h

≥

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi

2.3.2.1 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi

a Hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau

Xét hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau h1 = h2 = h, cách nhau 1 khoảng a

Hình 2.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau

+ Khi a = 7h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa 2 cột không bị sét đánh vào+ Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h0 được xác định

như sau:

Các công thức trên được áp dụng khi hệ thống chống sét có độ cao nhỏ hơn 30m.Nếu hệ thống chống sét có độ cao lớn hơn hoặc bằng 30m thì các công thức cũng cầnđược hiệu chỉnh theo hệ số p đã nêu ở mục trên

b Hai cột thu lôi có độ cao khác nhau

Xét 2 cột thu lôi có độ cao là h1 và h2, cách nhau 1 khoảng a được bố trí như hình vẽ:

Hình 2.4: Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi có độ cao khác nhau

2.3.2.2 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu lôi

Hình 2.5: Phạm vi bảo vệ của nhóm 3 và 4 cột thu lôi có độ cao bằng nhau

Vật có độ cao hx nằm trong đa giác được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:

Trong đó:

- D: đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác được tạo bởi các cột thu lôi

- h: độ cao của cột thu lôi

- hx: độ cao của vật cần được bảo vệ

- ha = h – hx: là độ cao hiệu dụng

Ta cũng cần phải kiểm tra điều kiện an toàn cho từng cặp cột đặt gần nhau và nếu độcao cột thu sét vượt quá 30m thì phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh p

2.3.3 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

2.3.3.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

Phạm vi bảo vệ của dây chống sét là một dải rộng Chiều rộng của phạm vi bảo vệphụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như hình vẽ 2.6

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây chống sét tương tự cột thu lôi ta cócác hoành độ 0,6h và 1,2h

Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ phải hiệu chỉnh theo p

Hình 2.6 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

2.3.3.2 Phạm vi bảo vệ của 2 dây chống sét.

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

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

h b

0,2 h

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 chống sét và điểm có độ cao

so với đất

2.4 Đề xuất phương án bố trí cột và dây chống sét cho trạm biến áp

Mặt bằng trạm biến áp 220kV Cao Bằng như trong đề tài.

-Trạm biến áp 220kV Cao Bằng gồm hai máy biến áp AT1 và AT2

-Chiều rộng của trạm 120m và chiều dài 175m

-Các xà phía 110kV cao 10,5m và 8m, các xà phía 220kV cao 16,5m và 10,5m, xàmáy biến áp cao 16,5m

Ta đề xuất 2 phương án như sau:

2.4.1 Phương án 1

+ Bước 1: Ta bố trí 25 cột thu lôi ở các vị trí như hình vẽ sau:

Phía 220kV bố trí 16 cột, 10 cột trên xà 16,5m và 5 cột trên xà 10,5m, 1 cột độc lập.Phía 110kV bố trí 9 cột, 6 cột trên xà 10,5m và 3 cột trên xà 8m

Hình 2.8 Bố trí các cột thu lôi của phương án 1

+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:

Do các cột thu lôi tạo thành lưới cột nên ta sẽ chia lưới cột thành các nhóm đa giác đỉnh

và tính độ cao hiệu dụng ha của từng nhóm cột theo điều kiện sau:

Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh

Ta chia 16 cột phía 220kV thành 5 hình chữ nhật và 7 tam giác, 9 cột phía 110kV kết hợp với các cột 220kV tạo thành 1 hình chữ nhật và 12 tam giác.

Xét nhóm cột (1-2-6-7) là hình chữ nhật có kích thước:

+ Chiều dài (các cạnh 1-6, 2-7): a = 33 m

+ Chiều rộng (các cạnh 1-2, 8-9): b = 34 m

Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là:

Độ cao tác dụng tối thiểu của các nhóm 1 là:

Xét nhóm cột (8-12-13) là hình tam giác có kích thước:

+ Cạnh 8-12: a = 38,01 m

+ Cạnh 8-13: b = 42,56 m

+ Cạnh 12-13: c = 27,79 m

+ Nửa chu vi tam giác trên là: p = 54,18 m

Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh là:

Độ cao hiệu dụng của nhóm 2 là:

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

Bảng 2.1 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phương án 1

(m)Phía 220kV

Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột phía 220kV và phía

110kV tương đối giống nhau nên để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn chothiết bị, ta chọn độ cao hiệu dụng chung cho toàn trạm là: hamax = 6m

Do độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 220kV là hx = 16,5m nên chiều cao của các cột thusét phía 220kV là:

h220 = hx + hamax = 16,5 + 6 = 22,5m

Do độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 110kV là hx = 10,5m nên chiều cao của các cột thusét phía 110kV là:

h110 = hx + hamax = 10,5 + 6 = 16,5m

+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi

Ta chỉ xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo đa giác đỉnh do phần diệntích bên trong đã được bảo vệ Chiều cao các cột thu sét đều nhỏ hơn 30m nên trong côngthức tính ta không cần nhân với hệ số hiệu chỉnh p

 Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 22,5m

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 16,5m là:

Do h x = 16,5m ¿2

3×22 ,5 = 15 m nên r x (16 ,5) = 0,75.22,5 – 0,75.16,5= 4,5m Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 10,5m là:

Do h x = 10,5m ¿2

3×22 ,5 = 15m nên r x (10 ,5) = 1,5.22,5 – 1,875.10,5=14,0625m

- Phạm vi bao vệ của các cột phía 110kV cao 16,5m:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 10,5m là:

+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao h1= h2 = 22,5 m và đặt cách nhau một khoảng là a = 34m

Do a = 34m < 7h1=7.22,5 =157,5m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx= 16,5m và hx= 10,5m là:

+ Xét cặp cột (17-20) có độ cao h17=h20=16,5m và đặt cách nhau một khoảng là a=30m

Do a = 30m < 7h17 = 7.16,5 =115,5m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 10,5m và hx = 8m là:

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột h17 và cột giả tưởng cùng độ cao là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 10,5 là:

-Tính toán tương tự cho các cặp cột biên còn lại ta có kết quả như bảng sau:

Bảng 2.2 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên phương án 1

Hình 2.9 Phạm vi bảo vệ của phương án 1

Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra.

Tổng chiều dài kim thu sét phương án 1 là:

L220 = 10.(22,5 -16,5) + 4.(22,5-10,5) +22,5 = 130,5m

L110 = 6.(16,5-10,5) +3.(16,5-8) = 61,5m

 L1 = 130,5 + 61,5 = 192m

2.4.2 Phương án 2

+ Bước 1: Ta bố trí 42 cột thu lôi ở các vị trí như hình vẽ 2.10.

Phía 220kV bố trí 25 cột, trong đó 12 cột trên xà 16,5m và 12 cột trên, 10,5m và 1 cột độclập

Phía 110kV bố trí 17 cột, trong đó 7 cột trên xà 10,5m, 6 cột trên xà 8m và 4 cột độc lập

Hình 2.10 Bố trí các cột thu lôi của phương án 2

+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:

Tính toán tương tự phương án 1 cho các đa giác ta có bảng sau:

Bảng 2.3 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phương án 2

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn cho thiết bị tân nâng cột lên tới 21,5m.

Do độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 110kV là h x = 10,5m nên chiều cao của các nhómcột thu sét phía 110kV là:

h = h x +h amax = 10,5 + 4,48 = 14,98 m

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn cho thiết bị tân nâng cột lên tới 15m

+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi.

Ta chỉ xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo chu vi của trạm do phần diện tíchbên trong đã được bảo vệ Chiều cao các cột thu sét đều nhỏ hơn 30m nên trong côngthức tính ta không cần nhân với hệ số hiệu chỉnh p

 Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 21,5m

Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 16,5m là:

h x = 16,5m ¿2

3×21 ,5 =14,333m nên r x (16 ,5)= 0,75.21,5 – 0,75.16,5= 3,75m Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 10,5m là:

h x =10,5m ¿2

3×21 ,5 =14,333m nên r x (10 ,5) =1,5.21,5 –1,875.10,5=12,563m

- Phạm vi bao vệ của các cột phía 110kV cao 15m :

Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 10,5m là:

h x = 10,5m ¿2

3×15 = 10m nên r x (10 ,5) = 0,75.15 –0,75.10,5=3,375(m) Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 8m là:

h x = 8m ¿2

3×15 =10m nên r x(8) = 1,5.15 – 1,875.8 = 7,5 (m)

 Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên:

-Tính toán tương tự phương án 1 cho các cặp cột biên ta có kết quả như bảng sau:

Bảng 2.4 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên của phương án 2

Hình 2.11 Phạm vi bảo vệ của phương án 2

Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra.

Tổng chiều dài kim thu sét phương án 2 là:

L220 = 12.(21,5 -16,5) + 12.(21,5-10,5) + 21,5= 213,5m

L110 = 7.(15 – 10,5)+ 6.(15-8) + 4.15= 133,5m

 L2 = 213,5 + 133,5 = 347m

2.5 Chọn phương án tối ưu

Cả hai phương án đều đảm bảo yêu cầu về mặt kĩ thuật nên ta xét đến yêu cầu vềmặt kinh tế để lựa chọn Phương án tối ưu là phương án có tổng chiều cao cột thu sét nhỏnhất Ta có số liệu so sánh của 2 phương án ở bảng số 2.5 dưới dây

Từ bảng so sánh trên ta thấy phương án 1 có số lượng cột và tổng chiều dài kim thu

sét nhỏ hơn phương án 2 Do vậy ta chọn phương án 1 để thi công.

CHƯƠNG III:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TBA 220KV CAO BẰNG

3.1 Khái niệm chung

Bộ phận nối đất là phần cuối cùng của mạch chống sét Một vật bằng kim loại cóhình dáng bất kỳ, kích thước bất kỳ chôn sâu dưới mặt đất, có liên hệ cùng dẫn điện vớiđất và tạo lên điện trở đều có thể gọi là bộ phận nối đất Một tập hợp nhiều bộ phận nốiđất gọi là hệ thống nối đất Nhiệm vụ của hệ thống nối đất là tản dòng điện xuống đất đểđảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Trong việc bảo vệ quá điện áp khíquyển thì nối đất của trạm, của các cột thu lôi, của đường dây và của thiết bị chống sét rấtquan trọng

Tùy theo nhiệm vụ và hiểu quả mà hệ thống nối đất được chia làm 3 loại:

Nối đất chống sét

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi có sét đánh vào cột thu lôi haydây chống sét Hạn chế sự hình thành và lan truyền của sóng quá điện áp do phóng điệnsét gây nên Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa hai điểm bất kìtrên cột điện và đất

3.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống nối đất

Đối với hệ thống nối đất làm việc thì nó phải thỏa màn yêu cầu làm việc của mỗi thiếtbị theo quy phạm:

Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điện trở nối đấtphải thoả mãn: R ≤0,5Ω

Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì: R≤250

I Ω.

Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một hệ thống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì: R≤125

Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn có như cácđường ống và các kết cấu kim loại của công trình chôn trong đất Việc tính toán điện trởtản của các đường ống chôn trong đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia

Vì đất là môi trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suất của đất phụthuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất như các loại muối, axít chứa trong đất, độ

ẩm, nhiệt độ và điều kiện khí hậu Do vậy trong tính toán thiết kế về nối đất thì trị số điệntrở suất của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ sốmùa, mục đích là tăng cường an toàn

Công thức hiệu chỉnh như sau:

ρ TT =ρ do K m

Trong đó: tt: điện trở suất tính toán của đất

đo: điện trở suất đo được của đất

Km: hệ số mùa của đất phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu

Bảng 3.1 Hệ số Km ứng với các trạng thái nối đất [1]

An toàn

Làm việc

Chống sét

3.3 Trình tự tính toán

Điện trở suất đo được của đất: ρđ = 110 Ωm

Điện trở nối đất của cột đường dây: Rc = 12 Ω

Dây chống sét sử dụng loại C-70, có điện trở đơn vị là r0 = 2,38 Ω/km

Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220kV là: l220 = 300 m

Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110kV là: l110 = 250 m

Điện trở tác dụng của dây chống sét trên một khoảng vượt là:

Rcs220 = r0.l220 = 2,38.300.10-3 = 0,714 (Ω)

Rcs110 = r0.l110 = 2,38.250.10-3 = 0,595(Ω)

Phía 110kV n = 10 lộ

3.3.1 Nối đất an toàn làm việc

Trạm điện thiết kế là trạm 220kV/110kV, là mạng có điểm trung tính trực tiếp nốiđất nên yêu cầu của nối đất an toàn là: RHT ≤ 0,5 Ω

Ta có điện trở nối đất của hệ thống là:

Với RTN: là điện trở nối đất tự nhiên

R NT: là điện trở nối đất nhân tạo, yêu cầu R NT ≤ 1 Ω

3.3.1.1 Nối đất tự nhiên

Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống nối đất chống sét đường dây và cột điện110kV và 220kV tới trạm

Ta có công thức sau:

Trong đó:

n: là số lộ đường dây

Rcs: là điện trở tác dụng của dây chống sét trên một khoảng vượt

Rc: là điện trở nối đất của cột điện

- Phía 220kV:

- Phía 110kV:

Vậy ta có điện trở nối đất tự nhiên của toàn trạm là:

Ta thấy RTN < 0,5 Ω đã đạt yêu cầu về lý thuyết Tuy vậy nối đất tự nhiên có thể cónhiều thay đổi, vì vậy để đảm bảo an toàn ta vẫn phải nối đất nhân tạo

3.3.1.2 Nối đất nhân tạo

Ta sử dụng nối đất nhân tạo là hình thức nốt đất bằng thanh ngang dẹt 50x5mm,chôn sâu 0,8m, vòng quanh chu vi khu vực tường bao của trạm và cách tường bao 1mnhư hình dưới đây

Hình 3.1 Sơ đồ mạch vòng nhân tạo và tường trạm

{l1=173 m

l2=118 m

Điện trở suất của đất: = 110

Điện trở mạch vòng của trạm là:

Trong đó:

L: là chu vi mạch vòng, L= 2.(173+118) = 582 m

: điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở sâu t:

Tra bảng 3.1, với thanh ngang chôn sâu 0,8 m, khi đo đất khô, ta có kmùa =1,6:

ρ tt = 110.1,6 =176 (Ωm) d: đường kính thanh làm mạch vòng , do thanh bằng thép dẹt nên :

K: hệ số hình dạng phụ thuộc hình dáng của mạch vòng (l1/l2)

2 tt

Giá trị của K phụ thuộc vào kích thước mạch vòng (l1/l2) được cho ở bảng sau:

Bảng 3.2 Bảng hệ số hình dáng của mạch vòng nối đất [2]

118 = 1,466 ta có hệ số hình dạng như sau:

Như vậy điện trở mạch vòng là:

Ta có điện trở nối đất của hệ thống là:

- IS: dòng điện sét dùng để tính toán, IS = 150kA

- U50%MBA: mức phóng điện xung kích nhỏ nhất của MBA

Ta có U50%110 = 460kV; U50%220 = 1050kV Vậy ta lấy U50%MBA = 460kV