Tính toán thiết kế chống sét cho đường dây và trạm biến áp 110-22KV

Đồ án : Tính toán thiết kế chống sét cho đường dây và trạm biến áp 110/22KV Hệ thống điện là một hệ thống quan trọng của hệ thống năng lượng ViệtNam và không thể thiếu được trước công c

Đồ án : Tính toán thiết kế chống sét cho

đường dây và trạm biến áp 110/22KV

Hệ thống điện là một hệ thống quan trọng của hệ thống năng lượng ViệtNam và không thể thiếu được trước công cuộc hiện đại hoá, công nghiệp hoáĐất nước Do nguồn điện thường đặt xa nơi tiêu thụ điện năng nên phải chuyểnqua các trạm biến áp tăng hoặc giảm điện áp Đối với nước ta là nước có khíhậu nhiệt đới gió mùa, mà hệ thống điện lại kéo dài từ Bắc vào Nam do đó phải

đi qua nhiều vùng khí hậu khác nhau đặc biệt là những nới có độ ẩm cao, mật

độ giông sét nhiều Thiệt hại do sét gây ra cho ngành điện và nền kinh tế quốcdân là rất lớn

Vì vậy chúng ta phải đầu tư vào nghiên cứu, tìm ra những giải pháp để chốngsét đánh vào các nhà máy, trạm biến áp, đường dây để giảm đến mức tối thiểuthiệt hại do sét gây ra cho nền kinh tế Với yêu cầu như vậy, đồ án thiết kế của

em gồm bản thuyết minh này và kèm theo bản vẽ thiết kế về bảo vệ chống sétcho trạm biến áp 110/22/0,4KV và đường dây 110KV

Do thời gian có hạn nên việc thiết kế của em không tránh khỏi những sai sót,

em mong được sự chỉ bảo giúp đỡ của các thầy cô giáo bộ môn hệ thống điện.Đồng thời em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Đình Thắng đã tận tìnhhướng dẫn em hoàn thành đồ án thiết kế naỳ và em cũng xin cảm ơn các thầy

cô giáo bộ môn đã quan tâm chỉ bảo, hướng dẫn chúng em trong việc thiết kế

đồ án tốt nghiệp

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

1

Ngày 29 tháng 4 năm 2003

Sinh viên thiết kế

Đoàn Văn Minh

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

-o0o -

TÌNH HÌNH GIÔNG SÉT Ở VIỆT NAM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ

TỚI LƯỚI ĐIỆN

iệc nghiên cứu giông sét và biện pháp chống sét có lịch sử lâu dài cùng với sự

phát triển của ngành điện Ngày nay người ta đã tìm ra được các phương pháp, những hệ thốngthiết bị và kỹ thuật cao để đề phòng sét đánh một cáchhữu hiệu và an toàn

Tuy nhiên mật độ, thời gian xẩy ra sét đánh không thể dự đoán được trước nênviệc nghiên cứu chống sét là rất quan trọng đặc biệt là ngành điện

I - TÌNH HÌNH GIÔNG SÉT Ở VIỆT NAM

- Theo đề tài KC - 03 - 07 ở viện Năng Lượng, trong một năm số ngày sétđánh ở miềm Bắc khoảng từ 70 - 100 ngày và số lần có giông từ 150 - 300 lần.Vùng có giông nhiều nhất trên miền Bắc là khu vực: Móng Cái, Tiên Yên(Quảng Ninh) hàng năm có từ 100 - 110 ngày giông sét, tháng 7 - 8 có thể cóđến 25 ngày giông trên một tháng

- Một số vùng có địa hình chuyển tiếp giữa các vùng núi và vùng đồngbằng, số lần giông cũng đến 200 lần/ 1 năm, với số ngày cũng đến 100ngày/năm Nơi ít giông nhất là Quảng Bình, hàng năm chỉ có khoảng 80 ngày

2

V

giông Xét về diễn biến của mùa giông trong năm, mùa giông không hoàn toànđồng nhất giữa các vùng Nói chung ở miềm Bắc mùa giông tập trung từ tháng

4 đến tháng 9, ở miền Tây Bắc tập trung khoảng từ tháng 5 đến tháng 8 trongnăm

- Trên vùng duyên hải Trung Bộ ở phía Bắc đến Quảng Ngãi là khu vựctương đối nhiều giông trong tháng 4 đến tháng 8 số ngày giông xấp xỉ 10 ngày/tháng Tháng nhiều nhất là tháng 5 có thể từ 12 đến 15 ngày Những ngày đầumùa và cuối mùa chỉ có 2 đến 5 ngày/ tháng

- Từ Bình Định trở vào là khu vực ít giông nhất thường chỉ có vào tháng

5 với số ngày xấp xỉ bằng 10 ngày (Tuy hoà: 10 ngày; Nha Trang 8 ngày; PhanThiết: 13 ngày), còn các tháng khác của mùa đông chỉ quan sát được từ 5 đến 7ngày giông sét

- Ở Miền Nam cũng có khá nhiều giông hàng năm quan sát được từ 40

-50 ngày tuỳ từng nơi Khu vực nhiều nhất là đồng bằng Nam Bộ, số ngàygiông sét có thể lên tới 120 đến 140 ngày Mùa đông ở Nam Bộ từ tháng 4 đếntháng 11 số ngày giông trung bình 10 ngày/tháng còn từ tháng 5 đến tháng 10

có khoảng trên 20 ngày giông ( Sài Gòn: 22 ngày; Hà Tiên: 28 ngày)

- Ở Tây Nguyên mùa dông thường chỉ có từ các tháng 4,5 và tháng 9.Tháng cực đại (tháng 5) trung bình quan sát được 15 ngày giông và ở TâyNguyên trung bình số ngaỳ giông từ 10 - 12 ngày(Plây cu: 17 ngày; Kon Tum:

14 ngày, Đà Lạt: 10 ngày) còn các tháng khác của Mùa đông trung bình có từ 5đến 7 ngày/tháng

- Qua số liệu khảo sát ta thấy rằng trung bình giông sét 3 miền Bắc Trung - Nam, những vùng lân cận lại có mật độ tương đối giống nhau Kết quảnghiên cứu người ta đã lập được bản đồ - phân vùng sét Việt Nam (các thống

-số cho trong bảng 1-1)

3

Bảng 1-1:

Vùng

Ngày giôngtrung bình (ngày/năm)

Giờ giông trungbình(h/năm)

Mật độ séttrung bình

Thánggiông cựcđại ĐồngBằngven

Miền núitrung du Bắc

Bộ

Cao nguyênmiền trung

Ven biểnmiền trung

Đồng bằng Miền Nam

- Ở Việt Nam, trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước KC - 03 - 07 đã lắpđặt các thiết bị ghi sét và bộ ghi tổng hợp trên các đường dây tải điện trongnhiều năm liên tục, kết quả thu thập tình hình sự cố lưới điện 220 KV ở miềnBắc từ năm 1987 đến năm 1992 được ghi trong bảng 3

- Trong tổng hợp sự cố vĩnh cửu của đường dây trên không 220 KV PhảLại - Hà Đông, nguyên nhân do sét là 8/11 chiếm 72,7% Sở dĩ lấy kết quả sự

cố của đường dây Phả Lại - Hà Đông làm kết quả chung cho sự cố lưới định ởMiền Bắc vì đây là đường dây quan trọng của Miền Bắc và sự cố đường dâynày ảnh hưởng rất lớn đến tình hình truyền tải điện năng trên lưới điện Ngoài

ra theo đề tài nghiên cứu khoa học - nghiên cứu giải pháp kỹ thuật hoàn thiện

hệ thống chống sét bảo vệ lưới điện trung áp của Viện Năng Lượng đã tậptrung thống kê, phân biệt tình hình sự cố lưới điện 35 đến 110 KV của MiềnBắc nói chung và lưới điện quốc gia nói riêng từ năm 1976 đến năm 1982 Kết quả thống kê được thể hiện ở bảng 1- 3

- Từ thống kê này cho ta thấy rằng: Tổng sự cố do sét gây ra đối vớiđường dây trung áp là lớn hơn tổng số của đường dây cao áp, nhưng tác hạicủa nó mang lại đối với hệ thống điện là rất lớn Số lần sự cố lưới điện 35KVchiếm tỷ lệ khá lớn đến 54%

1,85 6,00

1,46 5,40

2,50 5,10

*Kết luận: Qua nghiên cứ tình hình giông sét ở Việt Nam và những thiệt hại

do sé gây ra cho lưới điện là rất lớn nên việc đảm bảo chống sét cho đường dâyđiện và trạm biến áp là rất cần thiết nhằm giảm đến mức thấp nhất sự cố cắtđiện đường dây Vì vậy việc đầu tư nghiên cứu chống sét là rất quan trọng đểnâng cao độ tin cậy cung cấp điện và trong vận hành lưới điện quốc gia

CHƯƠNG I

-o0o -

TÍNH TOÁN TRỐNG SÉT ĐÁNH TRỰCTIẾP VÀO TRẠM BIẾN ÁP

rong hệ thống điện (HTĐ), trạm biến áp (TBA) đóng vaitrò quan trọng Nó quyết định rất lớn về độ tin cậy cungcấp

T

6

điện của toàn HTĐ và một yếu tố quan trọng dẫn đến sự mất ổn định của HTĐtrong nhiều yếu tố là do sóng sét quá điện áp truyền vào trạm từ đường dây và

do sét đánh trực tiếp vào trạm

- Qua thống kê, người ta thấy số lần sự cố của HTĐ do bị sét đánh chiếm

tỷ lệ rất lớn so với các trường hợp khác Vì vậy việc tính toán bảo vệ TBA dosét đánh để hạ đến mức tối thiểu là một nhiệm vụ hết sức quan trọng và cầnthiết Khi bị sét đánh vào trạm, các thiết bị điện sẽ bị hư hỏng và có thể dẫnđến việc cung cấp điện bị ngừng toàn bộ , động thời có thể làm ảnh hưởng trựctiếp đến quá trình sản xuất điện năng và các ngành kinh tế khác

- Để đảm bảo chống sét đánh trực tiếp vào trạm cần dùng các cột thu sét

và dây chống sét Các cột thu sét này có thể được đặt độc lập hoặc trong điềukiện cho phép ta vận dụng chiều cao của các cột, xà cột đèn chiếu sáng Riêngcột độc lập thường tốn kém hơn về kinh tế nên chỉ dùng khi không thể tậndụng được chiều cao của các cột, xà

- Nếu đặt các cột thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối ngoài trời vàdùng dây chống sét để bảo vệ cho doạn dây dẫn nối từ sà cuối cùng của trạmđến cột đầu tiên của đường dây thì chúng sẽ được nối đất chung với hệ thốngnối đất chung của trạm và độ tăng lớn nhỏ này còn tuỳ thuộc vào thông số củadòng điện sét và điện trở nối đất xung kích của hệ thống Khi điện áp này vượtquá giới hạn cho phép thì có thể gây nên nguy hiểm cho các thiết bị điện, dovậy chỉ trong điều kiện cho phép mới được đặt cột thu sét trên các công trìnhtrong trạm hoặc dây chống sét ở trong trạm

- Khi thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp, ngoài cácyêu cầu về kỹ thuật cần phải chú ý đến vấn đề kinh tế và vấn đề mỹ thuật

I CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT:

7

- Với mục đích giảm vốn đầu tư khi thiết kế bảo vệ chống sét đánh trựctiếp vào trạm biến áp ngoài trời, người ta thường bố trí cột trên các độ cao cósẵn như cột, xã đối với trạm 110KV do có mức cách định cao nên các cột thusét có thể đặt trực tiếp trên các kết cấu của trạm Các trụ của các kết cấu trên

đó có đặt các cột thu sét phải là ngắn nhất sao cho dòng điện sét (Is) khuyếchtán vào đất theo 3 ÷ 4 thanh cái của hệ thống nối đất

- Đối với trạm 22KV khi bố trí cột thu sét trực tiếp trên xà thì phải tăngcường cách điện đến câp 110KV, do vậy sẽ có tổn thất về kinh tế Khi dùng cộtthu sét độc lập thì phải chú ý đến khoàng cách giữa các cột thu sét tới các bộphận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột đến các thiết bị bảo vệ Khidùng cột đến chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu sét thì phải cho dây dẫn điệnđến bảng đèn vào ống chì và chôn dưới đất

- Để đảm bảo cho cơ giới và chống ăn mòn kim loại cần phải theo đúngquy định về các loại vật liệu, tiết diện dây khi dùng trên mặt đất và dưới đất

II GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ THIẾT KẾ TRẠM 110/22KV:

-Trạm có kích thước: 60 x 100m2

-Tổng diện tích trạm: 6000m2

- Chiều cao lớn nhất cần được bảo vệ phía 110KV là 11m phía 22KV là 8m

- Trong trạm có 2 máy biến áp 110/22KV, có 2 lộ đường dây 110KV đi vào và

5 lộ đường dây 22KV đi ra

- Trên các lộ 110KV đã có dây chống sét nên các thiết bị của trạm nằm dướiđoạn đường dây vào trạm đến xà đón dây đều được bảo vệ nên ta thiết kếchống sét cho phía 110KV có thể không cần tính đến phạm vi này

8

- Trong phần thiết kế này ta đưa ra các phương án bố trí cột thu sét để bảo vệtrạm biến áp ngoài trời theo các yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật và kinh tế sau đóchọn phương án hợp lý để tính toán

III - PHẠM VI BẢO VỆ CỦA CỘT THU SÉT:

1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (H1-1):

- Bán kính bảo vệ cho độ cao hx là:

2 Phạm vi bảo vệ của hai cột và nhiều cột thu sét :

- Nếu hai cột có chiều cao bằng nhau: giả sử 2 cột cách nhau một khoảng

-Nếu hai cột có độ cao khác nhau:

- Nếu có nhiều cột: Ta phải xác định cho từng nhóm cột gần nhau (3 hay

4 cột) phối hợp bảo vệ thu sét sao cho đỉnh các cột cùng nằm trên một đườngtròn ngoại tiếp, các cột đó tạo thành một tam giác hoặc đa giác thì phần bêntrong sẽ được bảo vệ hoàn toàn nếu:

11

D ≤ 8(h−h x ) = 8ha

Trong đó:

D - Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác do các cột tạo thành

h – Là chiều cao của các cột thu sét

hx - Là chiều cao của vật cần bảo vệ

Hình 1- 4

IV KHOẢNG CÀCH AN TOÀN TRONG KHÔNG KHÍ VÀ ĐẤT

- Khoảng cách an toàn trong không khí SK

- Biên độ điện cứ xung (Dmax) trong trường hợp chung xác định theo công thức:

ImaxUmax = [RXK + R2

XK +(WL)2 ] (KV) 2

Trong đó:

Imax - Dòng điện sét tính toán (KA)

RXK - Điện trở xung kích của bộ phận nối đất (R)

12

L - Độ cảm ứng của dây dẫn từ bộ phận nổi đất đến điểm khảo sát (μH)còngọi là hệ số điện cảm

- Khi ta thay Imax = 150 KA; độ bền cách điện của không khí là 500KV/m và

W = với I′ = 60 thì ta sẽ được công thức tính toán dùng để xác định

khoảng cách an toàn cho phép của không khí như sau:

- Khoảng cách an toàn trong đất Sđ

- Tiêu chuẩn khoảng cách an toàn Sđ được xác định bằng biểu thức sau:

60 2 15

,

0

) ( ) ( 2

500

150 500

max

2 2

2 2

2 2

m L R

R L

R R

KV WL

R R

U S

XK XK

XK XK

XK XK

x

+ +

=

+ +

=

=

Hình 1- 5

V TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

1 - Bố trí các cột thu sét :

2 - Xác định chiều cao hiệu dụng của cột :

- Tìm đường kính D của đường tròn ngoại tiếp đa giác đi qua đỉnh thu cột sétsao cho diện tích đa giác đó được bảo vệ cho hx, áp dụng toàn trạm Ta phảitính độ cao L của cột thu sét: h = hx + ha

3- Kiểm tra khả năng bảo vệ đối với vật nằm ngoài phạm vi cột thu sét bảo vệ:

- Tính bán kính bảo vệ của một cột thu sét

- Tính bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét và tính bán kính r0x mà h0

bảo vệ được

- Vẽ khu vực bảo vệ theo kích thước đã tính được

4 Kiểm tra lại toàn bộ:

- Kiểm tra lại toàn bộ bản vẽ thiết kế nếu có độ cao xà nào đó mà cần bảo vệcòn nằm ngoài bán kính bảo vệ ro x thì cần phải xem xét lại thiết kế: tăng độ caocột hoặc bố trí thêm cột sao cho các độ cao cần được bảo vệ phải nằm trongphạm vi bảo vệ của các cột thu sét

14

VI LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CỘT:

ha = = = 7,02 (m)

Với hx = 11m ta có chiều cao của các cột là : 11+7,02 = 18,02(m)

Vậy ta chọn chiều cao cột là 19 (m) - Các cột 4-5-9-10:

Chiều cao của các cột thu sét với hx = 11m là 11+ 7,94 = 18,94m

Vậy ta chọn chiều cao của các cột là :19(m)

2 52,14(52,14 − 33)(52,14 − 28)(52,14 − 43,28)

D 43,28

ha = = = 5,41(m)

Với hx = 8m chiều cao của các cột là: 8+ 5,41=13,41(m)

Vậy ta chọn chiều cao của các cột là : 16 (m) Các cột 5 7

Với hx = 8m chiều cao của các cột là: 8+ 7,09 = 15,09(m)

Vậy ta chọn chiều cạo của các cột là: 16(m) -Các cột 7 - 8 -9:

l7−8 = 28(m)

l8−9 = 33(m)

l7−9 = 43,28(m)

18

Do tạo thành tam giác thường nên:

+Phạm vi bảo vệ giữa hai cột là:

+ Bán kính bảo vệ của mỗi cột ở độ cao 19m là 7,88 (m)

+Phạm vi bảo vệ giữa hai cột là:

+ Bán kính bảo vệ của mỗi cột ở độ cao 19m là 7,88m

+ Phạm vi bảo vệ giữa 2 cột: vì 2 cột có độ cao khác nhau nên bán kínhbảo vệ của cột 5 với độ cao hx = 16(m) là:

+ Bán kính bảo vệ của mỗi cột cao 16m là: 3,75 (m)

+ Phạm vi bảo vệ giữa hai cột:

⎝ 12⎠

-Cặp cột 7-8:

+ Bán kính bảo vệ của cột cao 16m là 3,75(m)

+ Phạm vi bảo vệ giữa hai cột:

+Bán kính bảo vệ của các cột ở độ cao 16m là 3,75(m)

+Phạm vi bảo vệ giữa hai cột là:

ho = h8 − =16 − =11,28(m)

24

+ Bán kính bảo vệ của cột 9 cao 16m là 3,75m

Bán kính bảo vệ của 10 cột cao 19m là 7,88m

+Phạm vi bảo vệ giữa 2 cột: Vì 2 cột có độ cao khác nhau nên bán kính bảo vệcủa cột 10 với độ cao h h =16m là:

⎟= 2,25(m)⎝19⎠

25

Với hx = 11m chiều cao của các cột là: 11+ 3,88 = 14,88 (m)

Vậy ta chọn chiều cao của các cột là 18 (m)

Với hx = 11m thì chiều cao của các cột là: 11+ 6,1 = 17,1 (m) Vậy tachọn chiều cao của các cột là: 18(m) - Các cột 4 -5 -12:

Với hx = 11m chiều cao của các cột là: 11+6,48 = 17,48 (m)

Vậy ta chọn chiều cao các cột là 18 (m)

-Các cột: 5 -6 -12:

l5−6 = 30(m)

l5−12 = 29,73(m)

l6−12 = 282 + 202 = 34,41(m)

Do các cột tạo thành tam giác thường nên ta có:

ều cao của các cộ

31

Với hx = 11m chiều cao của các cột là: 11+4,57 =15,57(m) Vậy ta chọn chiềucao của các cột là 18(m) -Các cột 6 -7 - 8:

Do các cột tạo thành tam giác thường nên:

ều cao của các cộ

33

Với hx = 8m thì chiều cao của các cột là: 8+7,09 = 15,09(m)

Vậy ta chọn chiều cao của các cột là 16(m)

8 8Với hx =8(m) thì chiều cao của các cột là 8+5,41=13,41(m)

ều cao của các cộ

35

⇒ rox ==1,5.16,86⎜1− ⎟= 4,39(m)

⎝ 0,8.16,86⎠

-Cặp cột 2 -3:

+ Bán kính bảo vệ của cột ở độ cao 18 m với hx = 11m là 6,38m

+ Phạm vi bảo vệ giữa hai cột

7 7

+ Bán kính bảo vệ của cột 5 cao 14m và hx= 8m là 6,38(m)

Bán kính bảo vệ của Cột 6 ở độ cao 16 m là:

38

⎛ 8 ⎞

⇒ rox = 0,75.11,93⎜1− ⎟=

2,95(m) ⎝ 11,93⎠

- Cặp cột 6-7:

+ Bán kính bảo vệ của cột cao 16m là 9 (m)

+ Phạm vi bảo vệ giữa hai cột:

+ Bán kính bảo vệ của cột cao 16m là 9 (m) + Phạm

vi bảo vệ giữa hai cột

ho = h7 − =16 − =12(m)

40