Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và đường dây

Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và đường dây

Bộ giáo dục và đào tạo cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam

Trờng đH Bách khoa hà nội Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tự do – Tự do – Hạnh phúc Hạnh phúc

Nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp

+ Máy biến áp 2AT 110/220kV

220kV 5+ Điện trở suất của đất 80.m

Độ treo cao dây dẫn pha A………20,8m

Độ treo cao dây dẫn pha B………16,8m

Độ treo cao dây dẫn pha C………16,8m

Góc bảo vệ pha B 15,60

Góc bảo vệ pha C 15,60

+ Dây dẫn

+ Dây chống sét

Độ võng dây chống sét …4m…….+ Cách điện

+ Điện trở nối đất cột điện 9; 16; 23

2- Nội dung các phần tính toán

- Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp

- Tính toán nối đất cho trạm biến áp

- Tính toán chỉ tiếu chống sét của đờng dây 220kV

- Bảo vệ chống sóng truyền vào trạm biến áp từ phía đờng dây 220 kV

3- các bản vẽ

- Phạm vi bảo vệ của cột thu sét, các phơng án bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

- Các kết quả tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét của trạm

- Phơng pháp và kết quả tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đờng dây

- Các kết quả tính toán bảo vệ trạm biến áp chống sóng truyền

4- cán bộ hớng dẫn :

5- Ngày giao nhiệm vụ thiết kế :

6- Ngày hoàn thành nhiệm vụ

Nộp quyểnBảo vệ

Họ v tên sinh viên: à tên sinh viên:

Ng nh: Hệ Thống Điện Khoá: 1 Hải Dà tên sinh viên: ơng

Giáo viên hướng dẫn:

Giáo viên duyệt :

Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

1 Nhận xÐt của gi¸o viªn :

Ng y th¸ng nà tªn sinh viªn: ăm

Gi¸o viªn duyÖt

( Ký, ghi râ họ v tªn )à tªn sinh viªn:

Lời nói đầu

* * * Đất nước đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá, ngành điện giữ một vai trò quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế quốc dân Trong cuộc sống điện năng rất cần cho phục vụ sản xuất và sinh hoạt Cùng với sự phát triển của xã hội đòi hỏi việc cung cấp điện phải đảm bảo liên tục và có chất luợng cao Xuất phát từ thực tế đó việc đảm bảo cho các trạm biến áp và đường dây truyền tải làm việc an toàn, không gặp sự cố, không gây gián đoạn cung cấp điện đặc biệt quan trọng.

Nhằm hoàn thiện kiến thức đã được học và bước đầu làm quen với thực tế em đã được khoa Điện và bộ 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 và trạm biến áp 110/220kV”

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của các thầy, cô giáo trong bộ môn đặc biệt là trong suốt quá trình hoàn thành đồ án.

Hµ néi th¸ng 6-2007 Sinh viªn

Mục lục

đặt vấn đề 7

chơng I 8

bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 8

1.1 Các yêu cầu: 8

1.2 Phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét: 9

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét 9

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét 14

1.3 Phơng án bảo vệ của hệ thống thu sét: 15

1.3.1 Phơng án 1 15

1.3.2 Phơng án 2 19

1.3.3 Phơng án 3 22

chơng ii 27

Tính toán nối đất cho trạm 27

2.1 Yêu cầu kỹ thuật khi nối đất trạm biến áp 27

2.2- Các số liệu dùng để tính toán nối đất 29

2.2.1 Nối đất an toàn 30

2.2.2 Nối đất chống sét 34

2.2.3 Nối đất bổ sung 40

Chơng iii 44

Bảo vệ chống sét đờng dây 44

3.1 Mở đầu 44

3.2 Các chỉ tiêu bảo vệ chống sét đờng dây 45

3.2.1.Cờng độ hoạt động của sét 45

3.2.2 Số lần sét đánh vào đờng dây 45

3.2.3 Số lần phóng điện do sét đánh vào đờng dây 46

3.2.4 Số lần cắt điện do sét đánh vào đờng dây 47

3.2.5 Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng 48

3.3 Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đờng dây 48

3.3.1 Mô tả đờng dây cần bảo vệ 48

3.3.2 Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đờng dây 50

3.3.3 Tính số lần sét đánh vào đờng dây 53

3.3.4 Suất cắt do sét đánh vào đờng dây 54

chơng IV 78

Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đờng dây vào trạm 78

4.1 Mở đầu 78

4.2 Phơng pháp tính toán quá điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm 79

4.2.1 Tác dụng của sóng bất kỳ lên điện trở phi tuyến đặt ở cuối đờng dây.82 4.2.2 Sóng bất kỳ tác dụng lên chống sét van đặt cuối đờng dây 84

4.2.3 Sóng bất kỳ tác dụng lên điện dung đặt cuối đờng dây (phơng pháp tiếp tuyến) 84

4.3.Tính toán bảo vệ khi có sóng quá điện áp truyền 86

4.3.1.Mô tả trạm cần bảo vệ 86

4.3.2 Lập sơ đồ thay thế tính toán trạng thái sóng của trạm 86

tài liệu tham khảo 98

Phụ lục 99

đặt vấn đề

Trong hệ thống điện trạm biến áp đợc dùng rất rộng rãi, làm nhiệm vụ truyền tải điện năng từ lới điện có điện áp U1 sang lới điện có điện áp U2 phục vụ cho việc truyền tải và phân phối năng lợng điện Do vậy quá trình vận hành của trạm biến áp ảnh hởng lớn tới việc cung cấp và chất lợng điện năng Bảo vệ chống sét trạm biến áp bao gồm các phần:

+ Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp: các trạm biến áp đợc bảo vệ bằng dây chống sét (treo trên các thiết bị và các xà đỡ dây, thanh cái) hoặc các cột chống sét kiểu Franklin

+ Mạng lới nối đất: để tản dòng điện sét trong đất hạn chế các phóng điện ngợc trên các công trình cần bảo vệ

+ Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đờng dây vào trạm

Yêu cầu đề ra là thiết kế chống sét cho trạm 110/220kV với số liệu sau : Sơ đồ: 110kV Sơ đồ hai thanh góp có thanh góp vòng

220kV Sơ đồ hai thanh góp có thanh góp vòng

Độ cao cần bảo vệ: 220kV là 16,5 m

Máy biến áp: 2AT 110/220 kV

Đờng dây vào trạm: 110kV 2

220kV 5

Điện trở suất của đất: 80 Ω.mm

Sơ đồ mặt bằng, mặt cắt đi kèm

chơng I bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

Khi đặt hệ thống cột thu sét trên kết cấu của trạm sẽ tận dụng đợc độ caovốn có của công trình nên sẽ giảm đợc độ cao của cột thu sét Tuy nhiên đặt hệthống thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có sét đánh sẽ gây nên một điện

áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột Phần điện ápnày khá lớn và có thể gây phóng điện ngợc từ hệ thống thu sét sang các phần tửmang điện khi cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu sét trên hệthống các thanh xà trạm là mức cách điện cao và điện trở tản của bộ phận nối đấtnhỏ

Đối với trạm ngoài trời từ 110kV trở lên do có cách điện cao nên có thể đặtcột thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối Các trụ của kết cấu trên đó có đặtcột thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối theo đờngngắn nhất và sao cho dòng điện IS khuyếch tán vào đất theo 3 - 4 cọc nối đất.Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điệntrở nối đất

Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngài trời điện áp 110kV trở lên là cuộndây của máy biến áp Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thìyêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối đất trong hệ thống nối đất của cột thu sét

và vỏ máy biến áp theo đờng điện phải lớn hơn 15m

Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm ngoài trời 110kV trở lên cần chú ýnối đất bổ sung ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu sét vào hệ thống nối đấtnhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không đợc quá 4Ω

Khi dùng cột thu sét độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu sét

đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu sét đến vật đ

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu sét thì các dây dẫn

điện đến đèn phải đợc cho vào ống chì và chèn vào

1.2 phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét:

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét.

Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngợc lại dùng để thu hútphóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫndòng điện sét xuống đất

Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào một

điểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào trên côngtrình Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vậtcần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ

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

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền đợc giới hạn bởi mặtngoài của hình chóp tròn xoay có đờng kính xác định bởi phơng trình

) (

1

6 , 1

X X

h h

Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thờng dùng phạm vi bảo

vệ dạng dạng đơn giản hoá đờng sinh của hình chóp có dạng đờng gẫy khúc nhhình sau:

Rx

0,2h a

b

c

0,75h 1,5h

0,8h h

Hình 1.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.

Bán kính đợc tính toán theo công thức sau:

h

h h

X   (1.2)

X   (1.3)

Các công thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dới 30m Hiệu quả của cột thusét cao trên 30m giảm đi do độ cao định hớng của sét giữ hằng số Có thể dùngcác công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhng phải nhân thêm hệ số hiệu

chỉnh

h

p5,5 và trên hoành độ lấy các giá trị 0 , 75hpvà 1 , 5hp

b Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau.

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vibảo vệ các cột đơn cộng lại Nhng để các cột thu lôi có thể phối hợp đợc thìkhoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a 7h (trong đó h là độ cao của cộtthu sét) Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống nhcủa một cột Phần bên trong đợc giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai

đỉnh cột và điểm có độ cao h0 - phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột

đ-ợc xác định theo công thức:

0

a h

h   (1.4) Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đờng nối hai châncột là rx0 và đợc xác định nh sau:

.m 5 , 1

0 0

0

h

h h

x   (1.5)

0

h

h h

x   (1.6)

Khi độ cao của cột thu sét vợt quá 30m thì có các hiệu chỉnh hệ số

Trờng hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác địnhphạm vi bảo vệ đợc xác định nh sau:

Vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao (cột 1) và cột thấp (cột 2) riêng rẽ Qua

đỉnh cột thấp (cột 2) vẽ đờng thẳng ngang gặp đờng sinh của phạm vi bảo vệ cộtcao ở điểm 3 điểm này đợc xem là đỉnh của một cột thu sét giả định Cột 2 và cột

3 hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau và bằng h2 với khoảng cách a’ Bằngcách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h2 Điểm này đợc xem nh đỉnhcủa một cột thu sét giả định Ta xác định đợc các khoảng cách giữa hai cột cócùng độ cao h2 là a' và x nh sau:

0,2h1

ho 2

1

2 1

h

h h

h

h h

x  (1.8)

x a

a'   (1.9)Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ cột 1

d Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột thu sét (số cột >2).

Để bảo vệ đợc một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cộtthu lôi phải thoả mãn:

a

h

D 8 (1.10)Trong đó: D là đờng kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột

Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b,c có: +

) )(

)(

( 4 2 2

c p b p a p p

abc R

p   (1.12)Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật:

2 b a

D  (1.13)với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật

Độ cao tác dụng của cột thu sét ha phải thoả mãn điều kiện:

8

D

h a  (1.14)

D a

Hình1.4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ nhật.

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét.

a Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng Chiều rộng của phạm vibảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx đợc biểu diễn nh sau :

0,2h0,8h h

ab

a'c

1,2h

2bx

Hình1.5 : Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

Mặt cắt thẳng đứng theo phơng vuông góc với dây thu sét tơng tự cột thusét ta có các hoành độ 0,6h và 1,2h

.m 2 , 1

h

h h

x   (1.16)Khi độ cao cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần đợc hiệu chỉnh theo p

b Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữa hai dây thusét phải thoả mãn điều kiện S  4h

Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ đợc các điểm có độ cao h0

4

0

S h

h   (1.17)Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của một dây, cònphần bên trong đợc giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm là hai điểm treo dâythu sét và điểm có độ cao h0

0,2h

0,8h hho

bx

Hình 1.6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

1.3 phơng án bảo vệ của hệ thống thu sét:

20 19

17

13

16 18

a) Tính độ cao tác dụng của cột thu sét :

Để tính đợc độ cao tác dụng ha của các cột thu sét ta cần xác định đờngkính D của đờng tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác) qua ba (hoặc bốn) đỉnhcột Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hoặc bốn) đó đợc bảo vệ thìphải thoả mãn điều kiện : .m

D (m)

Chữ nhật 6.13

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=16.5 m và hmax=6.13m

Ta chọn ha=6.5 m Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 220 kV là :

) ( 23 5 m 6 5 m 16

D (m)

c (m)

p (m)

D (m)

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=11m và hmax=7,13m

Ta chọn ha=7.5 m Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 110kV là :

) ( 5 , 18 5 m 7 11

11 1

.m(

23 m 5 , 1 5 ,

23 m 75 , 0

5 m

11 1

.m(

5 , 18 m 5 , 1

c) Ph¹m vi b¶o vÖ cña c¸c cÆp cét biªn :

x (m)

a' (m)

h'o (m)

20 19

17

13

16 18

Phía 110kV đặt 6 cột: Hai cột 12,14 đặt trên xà cao .Con lại bốn cột10,11,13,15 đợc xây dựng.

b (m)

D (m)

h a

(m)

h a.max

(m) Chữ

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=16.5 m và hmax=9.17 m

ta chọn ha=9.5m Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 220kV là :

) ( 26 5 m 9 5 m 16

D (m)

h a

(m)

h a.max

(m)

c (m)

p (m)

D (m)

h a

(m)

h a.max

(m) Tam

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=11m và hmax=7.65m

Ta chọn ha=8m Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 110kV là :

) ( 19 8 11

5 m 16 1 m(

26 m 5 , 1 5 m

11 1

.m(

26 m 5 , 1

11 1

.m(

19 m 5 , 1

x (m)

a' (m)

h'o (m)

1 3

11

15 2

Độ võng của dây chống sét là f=4 m

Vậy độ cao cột treo dây thu sét : h1 h f  25 m 33  4  29 m 33 (m)

Chọn độ cao của cột thu sét la h1= 29.5 (m)

Phía 110kV đặt 3 cột:

Khoảng cách giửa các dây thu sét là:S36=35.3 m;S6 10=43.15 m

Để bảo vệ toàn bộ xà trong trạm thì 21 m 79 ( )

4

15 m 43 11 4

2 5 m

5 , 29 m 8 , 0

5 m 16 1

.m(

5 m 29 m 2 ,

11 1

.m(

5 , 29 m 2 ,

Độ cao lớn nhất đợc bảo vệ giữa hai dây:

.m 68 m 20 4

3 m 35 5 , 29 4

2 5 m

5 , 25 m 8 , 0

5 m 16 1

.m(

5 , 25 m 2 ,

Bảo vệ ở độ cao 11m:

Do .m 25 , 5 17

3

2 3

11 1

.m(

5 , 25 m 2 ,

Độ cao lớn nhất đợc bảo vệ giữa hai dây:

) ( 67 , 16 4

3 m 35 5 , 25 4

11 1

( 26 m 2 ,

Độ cao lớn nhất đợc bảo vệ giữa hai dây:

.m 21 , 15 4

15 , 43 26 4

Tại vị trí thấp nhất:

) ( 22 4 26

11 1

.m(

22 m 2 ,

11 1

.m(

5 , 29 m 5 , 1

5 m 16 1

.m(

5 , 29 m 5 , 1 5 m

11 1

.m(

26 m 5 , 1

chơng ii Tính toán nối đất cho trạm

2.1 yêu cầu kỹ thuật khi nối đất trạm biến áp.

Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúc với dòng

điện (h hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất Nhiệm vụ của nối đất là tảndòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Hệthống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp Tuỳ theonhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất đợc chia làm ba loại

Nối đất làm việc.

Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm việc bình thờng của thiết bị, hoặc một

số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ làm việc đã đợc quy địnhsẵn

+ Nối đất điểm trung tính máy biến áp

+ Hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất

+ Nối đất của máy biến áp đo lờng và các kháng điện dùng trong bùngang trên các đờng dây cao áp truyền tải điện

Nối đất an toàn.

Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho con ngời khi cách điện bị h hỏng Thựchiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mang điện

nh vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại Khi cách điện bị h hỏng

do lão hoá thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhng do nối đất nên

điện thế này có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho ngời tiếp xúc

Nối đất chống sét.

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi sét đánh vào cột thulôi hay đờng dây Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng quá điện áp dophóng điện sét gây nên Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thếgiữa hai điểm bất kỳ trên cột điện và đất Nếu không, mỗi khi có sét đánh vàocột chống sét hoặc trên đờng dây, sóng điện áp có khả năng phóng điện ngợc tớicác thiết bị và công trình cần bảo vệ, phá huỷ các thiết bị điện và máy biến áp

Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhng trong thực tế

ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ Song hệ thống nối đấtchung phải đảm bảo yêu cầu của các thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm đấtlớn do vậy yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ

Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tácdụng của nối đất tốt hơn an toàn hơn Nhng để đạt đợc trị số điện trở nối đất nhỏ