Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và đường dây

Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và đường dây

Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Bộ giáo dục đào tạo Trờng đH Bách khoa hà nội cộng hoà xà hội chủ nghĩa việt nam Độc lËp – Tù – H¹nh NhiƯm vơ thiÕt kế tốt nghiệp Họ tên sinh viên: Khoa : Điện Lớp : 1- Ngành : Hệ thống điện Hệ Thống Điện K1 Hải Dơng ĐầU Đề THIếT Kế Bảo vệ chống sét trạm biến áp đờng dây Trạm biến áp + Sơ đồ 110kV 220kV + Mặt bằng: Mặt cắt : 2TG+TGV 110kV 11 m 220kV + Độ cao cần bảo vệ 2TG+TGV 16.5m + Máy biến áp 2AT 110/220kV + Đờng dây vào trạm 110kV 220kV + Điện trở suất đất 80.m đờng dây + Cấp điện áp 220kV + Cột Loại cột Sắt Chiều cao cột 26,8m Độ treo cao dây dẫn pha A20,8m Độ treo cao dây dẫn pha B16,8m Độ treo cao dây dẫn pha C16,8m Góc bảo vệ pha A 250 Gãc b¶o vƯ pha B 15,60 Gãc bảo vệ pha C 15,60 -1- + Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp + Dây dẫn Loại dây Độ võng dây dẫn + Dây chống sét Loại dây Số dây chống sét Độ võng dây chống sét + Cách điện Loại cách điện Đặc tính + Khoảng vợt + Điện trở nối đất cột điện + Vùng ô nhiễm + Số ngày giông sét 2- C70 …4m…… Treo 14 PhÝa 220 kV: 290m 9; 16; 23 II 80 Nội dung phần tính toán 3- AC-240 6m Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp Tính toán nối đất cho trạm biến áp Tính toán tiếu chống sét đờng dây 220kV Bảo vệ chống sóng truyền vào trạm biến áp từ phía đờng dây 220 kV vẽ - Phạm vi bảo vệ cột thu sét, phơng án bảo vệ chống sét đánh trực tiếp - Các kết tính toán nối đất an toàn nối đất chống sét trạm - Phơng pháp kết tính toán tiêu bảo vệ chống sét đờng dây - Các kết tính toán bảo vệ trạm biến áp chống sóng truyền 4- cán hớng dÉn : 5- Ngµy giao nhiƯm vơ thiÕt kÕ : 6- Ngày hoàn thành nhiệm vụ Nộp Bảo vệ Cán hớng dẫn (Ghi rõ họ tên ký tên) -2- Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao ¸p BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tªn sinh viên: Ngnh: Hệ Thống Điện Giáo viên hng dn: Giáo viên duyệt : Ni dung thit k tt nghip: Khoá: Hải Dơng Nhận xÐt giáo viên : Ngy tháng nm Giáo viên dut ( Ký, ghi râ họ tªn ) -3- Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Li nói đầu * * * Đất nước bước vào thời kỳ cơng nghiệp hố, đại hố, ngành điện giữ vai trò quan trọng việc phát triển kinh tế quốc dân Trong sống điện cần cho phục vụ sản xuất sinh hoạt Cùng với phát triển xã hội đòi hỏi việc cung cấp điện phải đảm bảo liên tục có chất luợng cao Xuất phát từ thực tế việc đảm bảo cho trạm biến áp đường dây truyền tải làm việc an tồn, khơng gặp cố, không gây gián đoạn cung cấp điện đặc biệt quan trọng Nhằm hoàn thiện kiến thức học bước đầu làm quen với thực tế em khoa Điện môn Hệ Thống Điện trường đại học Bách Khoa Hà Nội giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp với đề tài: ”Bảo vệ chống sét cho đường dây trạm biến áp 110/220kV” Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy, giáo mơn đặc biệt suốt q trình hồn thành đồ ỏn Hà nội tháng 6-2007 Sinh viên -4- Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Mục lục đặt vấn đề ch¬ng I bảo vệ chống sét đánh trực tiếp .7 1.1 yêu cầu: 1.2 phạm vi bảo vệ hệ thống thu sÐt: 1.2.1 Phạm vi bảo vệ cột thu sét 1.2.1 Phạm vi bảo vƯ cđa d©y thu sÐt 13 1.3 phơng án bảo vệ hệ thèng thu sÐt: .15 1.3.1 Phơng án 15 1.3.2 Phơng án 19 1.3.3 Phơng án 22 ch¬ng ii 27 Tính toán nối đất cho trạm 27 2.1 yêu cầu kỹ thuật nối đất trạm biến áp 27 Nối đất làm viÖc .27 Nối đất an toàn 27 Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho ngời cách điện bị h hỏng Thực nối đất an toàn cách nối đất phận kim loại không mang điện nh vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, giá đỡ kim loại Khi cách điện bị h hỏng lÃo hoá phận kim loại có điện nhng nối đất nên điện có giá trị nhỏ kh«ng nguy hiĨm cho ngêi tiÕp xóc 27 Nèi ®Êt chèng sÐt .27 2.2- C¸c sè liệu dùng để tính toán nối đất 29 29 2.2.1 Nối đất an toàn 29 Trong ®ã : RTN: điện trở nối đất tự nhiên .30 -5- Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Nối đất tự nhiên trạm hệ thống chống sét đờng dây cột điện 110kV 220kV tới trạm .30 2.2.2 Nèi ®Êt chèng sÐt 34 2.2.3 Nèi ®Êt bỉ sung 40 đặt vấn đề Trong hệ thống điện trạm biến áp đợc dùng rộng rÃi, làm nhiệm vụ truyền tải điện từ lới điện có điện áp U1 sang lới ®iƯn cã ®iƯn ¸p U2 phơc vơ cho viƯc trun tải phân phối lợng điện Do trình vận hành trạm biến áp ảnh hởng lớn tới việc cung cấp chất lợng điện Bảo vệ chống sét trạm biến áp bao gồm phần: + Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp: trạm biến áp đợc bảo vệ dây chống sét (treo thiết bị xà đỡ dây, cái) cột chống sét kiểu Franklin + Mạng lới nối đất: để tản dòng điện sét đất hạn chế phóng điện ngợc công trình cần bảo vệ + Bảo vệ chống sóng điện áp truyền từ đờng dây vào trạm Yêu cầu đề thiết kế chống sét cho trạm 110/220kV với số liệu sau : Sơ đồ: 110kV Sơ đồ hai góp có góp vòng 220kV Sơ đồ hai góp có góp vòng Độ cao cần bảo vệ: 220kV -6- 16,5 m Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 110kV 11 m Máy biến áp: 2AT 110/220 kV Đờng dây vào trạm: 110kV 220kV Điện trở suất đất: 80 .m Sơ đồ mặt bằng, mặt cắt kèm chơng I bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 1.1 yêu cầu: Tất thiết bị cần bảo vệ phải đợc nằm trọn phạm vi bảo vệ an toàn hệ thống bảo vệ Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt trạm yêu cầu cụ thể, hệ thống cột thu sét đợc đặt độ cao có sẵn nh xà, cột đèn chiếu sáng đợc đặt độc lập Khi đặt hệ thống cột thu sét kết cấu trạm tận dụng đợc độ cao vốn có công trình nên giảm đợc độ cao cột thu sét Tuy nhiên đặt hệ thống thu sét xà trạm có sét đánh gây nên điện áp giáng điện trở nối đất phần điện cảm cột Phần điện áp lớn gây phóng điện ngợc từ hệ thống thu sét sang phần tử mang điện cách điện không đủ lớn Do điều kiện để đặt cột thu sét hệ thống xà trạm mức cách điện cao ®iƯn trë t¶n cđa bé phËn nèi ®Êt nhá -7- Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Đối với trạm trời từ 110kV trở lên có cách điện cao nên đặt cột thu sét kết cấu trạm phân phối Các trụ kết cấu có đặt cột thu sét phải nối đất vào hệ thống nối đất trạm phân phối theo đờng ngắn cho dòng điện IS khuyếch tán vào đất theo - cọc nối đất Ngoài trụ kết cấu phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất Nơi yếu trạm phân phối ngài trời điện áp 110kV trở lên cuộn dây máy biến áp Vì dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp yêu cầu khoảng cách hai điểm nèi ®Êt hƯ thèng nèi ®Êt cđa cét thu sét vỏ máy biến áp theo đờng điện phải lớn 15m Khi bố trí cột thu sét xà trạm trời 110kV trở lên cần ý nối đất bổ sung chỗ nối kết cấu có đặt cột thu sét vào hệ thống nối đất nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không đợc Khi dùng cột thu sét độc lập phải ý đến khoảng cách cột thu sét đến phận trạm để tránh khả phóng điện từ cột thu sét đến vật đợc bảo vệ Việc lắp đặt cột thu sét làm tăng xác suất sét đánh vào diện tích công trình cần bảo vệ, cần chọn vị trí lắp đặt cột thu sét cách hợp lý Tiết diện dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt có dòng điện sét chạy qua Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu sét dây dẫn điện đến đèn phải đợc cho vào ống chì chèn vào 1.2 phạm vi bảo vệ hệ thống thu sét: 1.2.1 Phạm vi bảo vệ cột thu sét Cột thu sét thiết bị để tránh sét mà ngợc lại dùng để thu hút phóng điện sét phía cách sử dụng mũi nhọn nhân tạo sau dẫn dòng điện sét xuống đất Sử dụng cột thu sét với mục đích để sét đánh xác vào điểm định sẵn mặt đất vào điểm công trình Cột -8- Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp thu sét tạo khoảng không gian gần cột thu sét (trong có vật cần bảo vệ), có khả bị sét đánh gọi phạm vi bảo vệ a Phạm vi bảo vệ cột thu sét độc lập Phạm vi bảo vệ cột thu sét độc lập miền đợc giới hạn mặt hình chóp tròn xoay có đờng kính xác định phơng trình rX = 1,6 (h h X ) hX 1+ h (1-1) Trong ®ã : h: độ cao cột thu sét hX: độ cao cần bảo vệ ha=h-hX: độ cao hiệu dụng cột thu sét rX: bán kính phạm vi bảo vệ Để dễ dàng thuận tiện tính toán thiết kế thờng dùng phạm vi bảo vệ dạng dạng đơn giản hoá đờng sinh hình chóp có dạng đờng gẫy khúc nh h×nh sau: a 0,2h b 0,8h h c 0,75h 1,5h Rx Hình 1.1: Phạm vi bảo vệ cột thu sét Bán kính đợc tính toán theo công thøc sau: NÕu hX ≤ h th× rX = 1,5h(1 (1.2) -9- hx ) 0,8h Đồ án tốt nghiệp Nếu kỹ thuật điện cao áp hX > h th× rX = 0.75h(1 − hx ) h (1.3) Các công thức cột thu sÐt cao díi 30m HiƯu qu¶ cđa cét thu sét cao 30m giảm độ cao định hớng sét giữ số Có thể dùng công thức để tính toán phạm vi bảo vệ nhng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh p= 5,5 h hoành độ lấy giá trị 0,75hp 1,5hp b Phạm vi bảo vệ hai cột thu sét có độ cao Phạm vi bảo vệ hai nhiều cột thu lôi lớn tổng phạm vi bảo vệ cột đơn cộng lại Nhng để cột thu lôi phối hợp đợc khoảng cách a hai cột phải thoả mÃn a 7h (trong h độ cao cột thu sét) Phần bên khoảng cách hai cột có phạm vi bảo vệ giống nh cột Phần bên đợc giới hạn vòng cung qua điểm hai đỉnh cột điểm có độ cao h0 - phạm vi bảo vệ độ cao lớn hai cột đợc xác định theo công thức: h0 = h a (1.4) Khoảng cách nhỏ từ biên phạm vi bảo vệ tới đờng nối hai chân cột rx0 đợc xác định nh sau: Nếu hx ≤ h h0 x th× r0 x = 1,5.h0 (1 − 0,8h ) h0 x th× r0 x = 0,75.h0 (1 − h ) (1.5) NÕu hx > h (1.6) Khi ®é cao cđa cột thu sét vợt 30m có hiệu chỉnh hệ số hoành độ lấy giá trị 0,75hp vµ 1,5hp ; h0 = h − a 7p -10- p= h0 tính theo công thức (1.7) 5,5 h ; Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp chơng ii Tính toán nối đất cho trạm 2.1 yêu cầu kỹ thuật nối đất trạm biến áp Nối đất đem phận kim loại có nguy bị tiếp xúc với dòng điện (h hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất Nhiệm vụ nối đất tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện vật nối đất có trị số bé Hệ thống nối đất phần quan trọng việc bảo vệ điện áp Tuỳ theo nhiệm vụ hiệu mà hệ thống nối đất đợc chia làm ba loại Nối đất làm việc Nhiệm vụ đảm bảo làm việc bình thờng thiết bị, số phận thiết bị yêu cầu phải làm việc chế độ làm việc đà đợc quy định sẵn + Nối đất điểm trung tính máy biến áp + Hệ thèng ®iƯn cã ®iĨm trung tÝnh trùc tiÕp nèi ®Êt + Nối đất máy biến áp đo lờng kháng điện dùng bù ngang đờng dây cao áp truyền tải điện Nối đất an toàn Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho ngời cách điện bị h hỏng Thực nối đất an toàn cách nối đất phận kim loại không mang điện nh vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, giá đỡ kim loại Khi cách điện bị h hỏng lÃo hoá phận kim loại có điện nhng nối đất nên điện có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho ngời tiếp xúc Nối đất chống sét Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào đất sét đánh vào cột thu lôi hay đờng dây Hạn chế hình thành lan truyền sóng điện áp phóng điện sét gây nên Nối đất chống sét có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện hai -27- Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp điểm cột điện đất Nếu không, có sét đánh vào cột chống sét đờng dây, sóng điện áp có khả phóng điện ngợc tới thiết bị công trình cần bảo vệ, phá huỷ thiết bị điện máy biến áp Về nguyên tắc phải tách rời hệ thống nối đất nói trªn nhng thùc tÕ ta chØ dïng mét hƯ thống nối đất chung cho nhiệm vụ Song hệ thống nối đất chung phải đảm bảo yêu cầu thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất lớn yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ Khi điện trở nối đất nhỏ tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng nối đất tốt an toàn Nhng để đạt đợc trị số điện trở nối đất nhỏ tốn tính toán ta phải thiết kế cho kết hợp đợc hai yếu tố đảm bảo kỹ thuật hợp lý kinh tế Một số yêu cầu kỹ thuật điện trở nối đất: Trị số điện trở nối đất nối đất an toàn đợc chọn cho trị số điện áp bớc tiếp xúc trờng hợp không vợt giới hạn cho phép + Đối với thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mÃn: R 0,5 + Đối với thiết bị có điểm trung tính cách điện thì: R 250 I tt + Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất chØ cã mét hƯ thèng nèi ®Êt dïng chung cho thiết bị cao áp hạ áp thì: R 125 Ω I tt + Khi dïng nèi ®Êt tù nhiên điện trở nối đất tự nhiên đà thoả mÃn yêu cầu thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé không cần nối đất nhân tạo Còn điện trở nối đất tự nhiên không thoả mÃn thiết bị cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn ta phải tiến hành nối đất nhân tạo yêu cầu trị số điện trở nối đất nhân tạo là: R ≤ 1Ω Thùc tÕ dï RTN ≤0,5 Ω th× ta phải nối đất nhân tạo RTN xảy biến động nh đất chống sét khoảng vợt gần trạm + Trong thực nối đất tận dụng hình thức nối đất sẵn có nh đờng ống kết cấu kim loại công trình chôn đất Việc tính -28- Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp toán điện trở tản đờng ống chôn đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia + Vì đất môi trờng không đồng nhất, phức tạp điện trở suất đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần đất nh loại muối, a xít chứa đất, độ ẩm, nhiệt độ điều kiện khí hậu Việt nam khÝ hËu thay ®ỉi theo tõng mïa ®é Èm cđa ®Êt cịng thay ®ỉi theo dÉn ®Õn ®iƯn trë suất cuả đất biến đổi phạm vi rộng Do tính toán thiết kế nối đất trị số điện trở suất đất dựa theo kết đo lờng thực địa sau phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích tăng cờng an toàn Công thức hiệu chỉnh nh sau: TT = K m (2.1) Trong đó: tt: điện trở suất tính toán đất đo: điện trở suất ®o ®ỵc cđa ®Êt Km: hƯ sè mïa cđa ®Êt Hệ số Km phụ thuộc vào dạng điện cực độ chôn sâu điện cực 2.2- Các số liệu dùng để tính toán nối đất Điện trở suất đo đợc đất: d Điện trở nối đất cột đờng d©y: =80Ωm Rc1 = 9(Ω); Rc = 16(Ω); Rc = 23(Ω) D©y chèng sÐt sư dơng loại C- 70 có điện trở đơn vị là: r0 = 2,38 / km Chiều dài khoảng vợt đờng dây là: l = 290m Phía 220 kv l = 200m Phía 110 kv Điện trở tác dụng dây chống sét khoảng vợt : Rcs 220 = r0 l = 2,38.290.10 −3 = 0,69(Ω) Rcs110 = r0 l = 2,38.200.10 −3 = 0,476(Ω) Sè lé tr¹m: PhÝa 220 kv n = PhÝa 110 kv n = 2.2.1 Nối đất an toàn -29- Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Cho phép sử dụng nối đất an toàn với nối đất làm việc thành hệ thống.Điện trở nối đất hệ thống : RHT = R NT // RTN = R NT RTN ≤ 0,5Ω R NT + RTN (2.2) Trong ®ã : RTN: điện trở nối đất tự nhiên RNT: điện trở nối đất nhân tạo R NT a) Điện trở nối đất tự nhiên Nối đất tự nhiên trạm hệ thống chống sét đờng dây cột điện 110kV 220kV tới trạm Ta có công thức sau: RTN = n Rc + Rc + Rcs (2.3) Trong ®ã : n: số lộ dây Rcs: điện trở tác dụng dây chống sét khoảng vợt Rc : điện trë nèi ®Êt cđa cét ®iƯn -PhÝa 220 kv RTN 220 _ = = 0,434(Ω) + + 0,69 16 RTN 220 _ = = 0,599(Ω) 16 + + 0,69 23 RTN 220 _ = = 0,73(Ω) 23 + + 0,69 -PhÝa 110 kv RTN 110 _ = = 0,922(Ω) + + 0,476 16 RTN 110 _ = = 1,265(Ω) 16 + + 0,476 -30- Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 23 RTN 110 _ = = 1,539(Ω) 23 + + 0,476 RTN_1 = (RTN220_1) // (RTN110_1) = 0,295 (Ω ) RTN_2 = (RTN220_2) // (RTN110_2) = 0,431 (Ω ) RTN_3 = (RTN220_3) // (RTN110_3) = 0,495 (Ω ) Ta thÊy giá trị điện trở RTN