THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP

Là một sinh viên đang học tập và rèn luyện tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội, em cảm thấy một niềm tự hào và động lực to lớn cho sự phát triển của bản thân trong tương lai. Sau năm năm học đại học, dưới sự chỉ bảo, quan tâm của các thầy cô, sự nỗ lực của bản thân, em đã thu được những kiến thức rất bổ ích, đựơc tiếp cận các công nghệ khoa học kĩ thuật tiên tiến phục vụ cho lĩnh vực chuyên môn mình theo đuổi. Có thể nói, những đồ án môn học, bài tập lớn hay những nghiên cứu khoa học mà một sinh viên thực hiện chính là một cách thể hiện mức độ tiếp thu kiến thức và vận dụng những kiến thức đó. Chính vì vậy em đã dành thời gian và công sức để hoàn thành đồ án tốt nghiệp “Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220110kV” này như một cố gắng đền đáp công ơn của thầy cô cũng như tổng kết lại kiến thức thu được sau một quá trình học tập và rèn luyện tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội. Trong thời gian học tập cũng như thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp em luôn nhận được sự chỉ bảo, động viên tận tình của các thầy cô, gia đình và các bạn, đặc biệt là sự hướng dẫn của thầy giáo Trần Văn Tớp đã giúp em hoàn thành tốt bản đồ này. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trần Văn Tớp và các thầy, các cô cùng toàn thể các bạn trong bộ môn Hệ thống điện.

Nguyễn Việt Đức 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 chun mơn 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 bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110kV” 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 cơ, gia đình Nguyễn Việt Đức bạn, đặc biệt hướng dẫn thầy giáo Trần Văn Tớp giúp em hoàn thành tốt đồ Một lần em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Văn Tớp thầy, tồn thể bạn môn Hệ thống điện Nguyễn Việt Đức 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 Nguyễn Việt Đức + Q 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 khơng tuần hồn tắt dần Trong đồ án nghiên cứu kỹ tượng q 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 dơng 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 dịng 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 Nguyễn Việt Đức 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 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 dông giới có hoạt động dơng sét mạnh Mùa dông Việt Nam tương đối dài tháng kết thúc vào tháng 10 Số ngày dơng trung bình khoảng Nguyễn Việt Đức 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 Nguyễn Việt Đức sét đánh vào nơi thấp đất hay đối tượng dẫn điện tốt nơi cao 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 Nguyễn Việt Đức 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 làm xuất sóng q điện áp lan truyền phía trạm biến áp, hiệu ứng vầng quang nên sóng điện áp 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 tồn 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: Nguyễn Việt Đức 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 Nguyễn Việt Đức 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 nguyên lý hoạt động lồng Faraday Theo lý thuyết phương pháp lý tưởng để phịng 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: 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP ∆U C1 = ( 2U dt1 ( t ) − U C1 ( t ) ) = ∆t TC1 0,02 ( 2U dt1 − U C1 ) = 0,198 ( 2U dt1 − U C1 ) 0,101 U1 ( t + ∆t ) = U1 ( t ) + ∆U C1 ′ U12 = U1 − U 21 • Nút 2: Sơ đồ nút sau: 2 Ta có: Z dt = Z = 400 = 200Ω α= 2.Z dt 2.200 = =1 Z 400 ′ ′ ′ 2.U dt = ∑ am U m = U12 + U 32 Ta tính tham số TC : TC = Z dt C2 = 200.2229, 43.10−6 = 0, 446 µs Vũ Tiến Thắng – HTĐ – K53 154 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP ∆U C = ( 2U dt ( t ) − U C ( t ) ) = ∆t TC 0,02 ( 2U dt − U C ) = 0,045 ( 2U dt − U C ) 0, 446 U ( t + ∆t ) = U ( t ) + ∆U C ′ U 32 ( t ) = U 32 ( t − t2 ) = U 32 ( t − 0,1) ′ U12 ( t ) = U12 ( t − t1 ) = U12 ( t − 0,1) ′ U 23 = U − U 32 ′ U 21 = U − U12 • Nút 3: Khi tính tốn ta bỏ qua điện dung C3 giá trị C3 ảnh hưởng tới độ dốc mà không ảnh hưởng tới biên độ sóng truyền tới nút đặt CSV Giá trị C3 lớn độ dốc bé Vậy ta tính với trường hợp nguy hiểm TH bỏ qua C 3, CSV bảo đảm an tồn trường hợp có điện dung C3 CSV đảm bảo Vũ Tiến Thắng – HTĐ – K53 155 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Ta có: 1 Z dt = Z = 400 = 200Ω 2 α= 2.Z dt 2.200 = =1 Z 400 ′ ′ ′ 2.U dt = ∑ am3 U m3 = U 23 + U 43 ′ U 23 ( t ) = U 23 ( t − t2 ) = U 23 ( t − 0,1) ′ U 43 ( t ) = U 43 ( t − t3 ) = U 43 ( t − 0,04 ) ′ U 34 = U − U 43 ′ U 32 = U − U 23 2U dt = I CSV Z dt + U CSV • Nút 4: Z dt = Z = 400 Ω Vũ Tiến Thắng – HTĐ – K53 156 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP α= 2.Z dt 2.400 = =2 Z 400 ′ ′ 2.U dt = ∑ am U m = 2.U 34 Sơ đồ sau Ta tính tham số TC : TC = Z dt C4 = 400.1500.10−6 = 0,6 µs ∆U C = ( 2U dt ( t ) − U C ( t ) ) = ∆t TC 0,02 ( 2U dt − U ) = 0,033 ( 2U dt − U ) 0,6 U ( t + ∆t ) = U ( t ) + ∆U C ′ U 34 ( t ) = U 34 ( t − t3 ) = U 34 ( t − 0,04 ) ′ U 43 = U − U 34 Vũ Tiến Thắng – HTĐ – K53 157 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP b) Tính tốn cụ thể: • Trường hợp 1: Đặc tính chống sét van là: U = 258.I 0,025 (kV) Sóng tới có dạng xiên góc: 300t u=  660 t ≤ 2, 2µ s t > 2, µ s Ta có bảng kết điện áp nút sóng tới có độ dốc a = 300 kA µ s trình bày Phụ lục • Trường hợp 2: Đặc tính chống sét van là: U = 258.I 0,025 (kV) Sóng tới có dạng xiên góc: 500t u=  660 t ≤ 1,32 µ s t > 1,32 µ s Tính toán tương tự trường hợp ta thu đc bảng kết điện áp nút sóng tới có độ dốc 500 kA µ s trình bày Phụ lục • Kiểm tra đặc tính cách điện nút cần bảo vệ +Đặc tính cách điện máy biến áp 110kV Vũ Tiến Thắng – HTĐ – K53 158 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Tra giáo trình kỹ thuật điện cao áp ta có đặc tính cách điện máy biến áp theo điện áp chịu đựng Uđm=110kV ; Umax=550kV Bảng - Đặc tính chịu đựng máy biến áp t ( µs) 1,5 10 U/Umax 0,3 0,98 0,95 0,92 0,89 0,85 U(kV) 165 550 539 522,5 506 489,5 467,5 Hình - 11 Đồ thị điện áp đặt lên cách điện máy biến áp Vũ Tiến Thắng – HTĐ – K53 159 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Ta thấy đường điện áp sóng truyền vào trạm ln nằm đường đặc tính cách điện máy biến áp Vì máy biến áp bảo vệ an tồn trước sóng q điện áp + Điểm nút chống sét van Đồ thị biểu diễn điện áp dòng điện nút đặt chống sét van Hình - 12 Đồ thị điện áp dòng điện nút đặt chống sét van Vũ Tiến Thắng – HTĐ – K53 160 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Ta thấy: Dòng điện qua CSV tăng nhanh khoảng - 2µs đầu tiên, sau dao động xung quanh giá trị Giá trị nhỏ giá trị Giá trị an toàn 10kA Điều đảm bảo CSV hoạt động tốt + Kiểm tra an toàn cách điện cho góp 110 kV Đặc tính cách điện góp đặc tính phóng điện chuỗi sứ Bảng - 5: Đặc tính V-s góp t (µ s) 10 U(kV) 1120 960 900 855 830 810 805 800 Đồ thị sau biểu diễn sóng truyền tới góp Vũ Tiến Thắng – HTĐ – K53 161 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Hình - 13 Đồ thị điện áp đặt lên cách điện góp Ta thấy đường điện áp sóng truyền nút góp ln nằm đường đặc tính cách điện góp nên góp đảm bảo an tồn 4.4 Kết luận Thơng qua kết tính tốn hình vẽ mơ tả lại q trình truyền sóng nút thời điểm khác ta thấy thiết bị quan trọng Vũ Tiến Thắng – HTĐ – K53 162 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP trạm biến áp bảo vệ an toàn, với sóng sét có độ dốc lớn Vũ Tiến Thắng – HTĐ – K53 163 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Văn Tớp, “Kỹ thuật điện cao áp – Quá điẹn áp bảo vệ chống điện áp”, Hà nội, 2007 [2] Võ Viết Đạn, “Giáo trình Kỹ thuật điện cao áp”, Hà Nội, 1972 [3] Nguyễn Thị Minh Chước, “Hướng dẫn Thiết kế tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp”, Hà Nội, 2002 [4] Nguyễn Đình Thắng, “Vật liệu kỹ thuật điện”, Hà nội, 2005 [5] Đào Quang Thạc, TS Phạm Văn Hòa, “Phần điện nhà máy điện trạm biến áp”, Hà Nội, 2005 [6] Trần Bách, “Lưới điện & Hệ thống điện (tập 3)”, Hà Nội, 2005 [7] http://www.thunderstorm.org.vn/ Nghiên cứu chống sét biện pháp phòng chống Vũ Tiến Thắng – HTĐ – K53 164 ... việc tính tốn bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp đặt trời quan trọng Qua ta đưa phương án bảo vệ trạm cách an toàn kinh tế nhằm đảm bảo toàn thiết bị trạm bảo vệ chống sét đánh trực... tới vài Các phương pháp ứng dụng rơng rãi hàng khơng, điện lực, an tồn cho người 15 Nguyễn Việt Đức Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 1.1 Mở đầu Hệ thống điện bao gồm nhà... cầu kỹ thuật hệ thống chống sét đánh trực tiếp a) Tất thiết bị bảo vệ cần phải nằm trọn phạm vi an toàn hệ thống bảo vệ Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt trạm cấp điện áp mà hệ thống cột thu sét đặt độ