Tài liệu Đồ án: Tính toán thiết kế chống sét cho đường dây và trạm biến áp 110/22KV doc

Đồ án Tính toán thiết kế chống sét cho đường dây và trạm biến áp 110/22KV 1 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 Việt Nam và không thể thiếu được trước công cuộc hiện đại hoá, công nghiệp hoá Đất nước. Do nguồn điện thường đặt xa nơi tiêu thụ điện năng nên phải chuyển qua các trạm biến áp tăng hoặc giảm điện áp. Đối với nước ta là nước có khí hậ u 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 quốc dân là rất lớn. Vì vậy chúng ta phải đầu tư vào nghiên cứu, tìm ra những giải pháp để chống sét đánh vào các nhà máy, trạm biến áp, đường dây để giảm đến m ức tối thiểu thiệt 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 sét cho 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 đ iện. Đồng thời em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Đình Thắng đã tận tình hướng 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! Ngày 29 tháng 4 năm 2003 Sinh viên thiết kế 2 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 thống thiết bị và kỹ thuật cao để đề phòng sét đánh một cách hữu hiệu và an toàn. Tuy nhiên mật độ, thời gian xẩy ra sét đánh không thể dự đoán được trước nên việc 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 sét đánh 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 có đến 25 ngày giông trên một tháng. - Một số vùng có địa hình chuyển tiếp giữa các vùng núi và vùng đồng bằng, số lần giông cũng đến 200 lần/ 1 năm, với số ngày cũng đến 100 ngày/năm. Nơi ít giông nhất là Quảng Bình, hàng năm chỉ có khoảng 80 ngày giông. Xét về diễn biến của mùa giông trong năm, mùa giông không hoàn toàn đồng 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 trong năm. V 3 - Trên vùng duyên hải Trung Bộ ở phía Bắc đến Quảng Ngãi là khu vực tương 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 đầu mùa 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; Phan Thiết: 13 ngày), còn các tháng khác của mùa đông chỉ quan sát được từ 5 đến 7 ngày 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 ngày giông sét có thể lên tới 120 đến 140 ngày. Mùa đông ở Nam Bộ từ tháng 4 đến tháng 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 Tây Nguyên 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 5 đến 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 quả nghiên cứu người ta đã lập được bản đồ - phân vùng sét Việt Nam (các thống số cho trong bảng 1-1). Bảng 1-1: Vùng Ngày giông trung bình (ngày/năm) Giờ giông trung bình(h/năm) Mật độ sét trung bình Tháng giông cực đại ĐồngBằngven biển Miềm Bắc 81,1 215,6 6,47 8 Miền núi trung 61,6 219,1 6,33 7 4 du Bắc Bộ. Cao nguyên MiềnTrung 47,6 216,21 3,31 5,8 Ven biển MiềnTrung 40,0 95,2 3,55 5,8 Đồng Bằng Miền Nam 60,1 89,32 5,37 5,9 - Từ các số liệu về ngày giờ giông, số lượng đo lường nghiên cứu đã thực hiện qua các giai đoạn có thể tính toán đưa ra các số liệu dự kiến và mật độ phóng điện xuống các khu vực (số liệu dự báo trong bảng 1-2 ). Bảng 1-2: Số ngày dông Đồng bằng ven biển Miền núi trung du Bắc Bộ Cao nguyên miền trung Ven biển miền trung Đồng bằng Miền Nam 20 ÷ 40 2,43 ÷ 4,68 2,1 ÷ 4,2 1,2 ÷ 2,4 1,22 ÷ 2,44 1,26 ÷ 2,52 40 ÷ 60 4,68 ÷ 7,92 4,2 ÷ 6,3 2,4 ÷ 3,6 2,44 ÷ 3,65 2,52 ÷ 3,78 60 ÷ 80 7,92 ÷ 9,82 6,3 ÷ 8,4 3,6 ÷ 4,8 3,65 ÷ 4,87 3,78 ÷ 5,06 80 ÷ 100 9,82 ÷ 12,15 8,4 ÷ 10,5 4,8 ÷ 6,0 4,87 ÷ 6,09 5,06 ÷ 6,3 100 ÷ 120 12,15÷14,58 10,5 ÷ 12,6 6,0 ÷ 7,2 6,09 ÷ 7,31 6,3 ÷ 7,76 II. SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA GIÔNG SÉT TỚI HỆ THỐNG ĐIỆN: - Ở Việt Nam, trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước KC - 03 - 07 đã lắp đặt các thiết bị ghi sét và bộ ghi tổng hợp trên các đường dây tải điện trong nhiều năm liên tục, kết quả thu thập tình hình sự cố lưới điện 220 KV ở miền Bắc 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 Phả Lại - Hà Đ ông, 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 ở Miền Bắc vì đây là đường dây quan trọng của Miền Bắc và sự cố đường dây 5 này 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 tập trung thống kê, phân biệt tình hình sự cố lưới điện 35 đến 110 KV của Miền Bắc 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. Bảng 1- 3: Năm Dưới 220 KV Đường dây Phả Lại - Hà Đông Tổng số Vĩnh cửu Tổng số Vĩnh cửu Do sét 1987 1988 1989 1990 1991 1992 2 5 24 25 30 19 1 2 3 4 2 1 2 5 6 2 3 4 1 2 2 1 1 4 1 1 1 1 1 3 Tổng số 105 16 22 11 8 - Từ thống kê này cho ta thấy rằng: Tổng sự cố do sét gây ra đối với đường dây trung áp là lớn hơn tổng số của đường dây cao áp, nhưng tác hại của nó mang lại đối với hệ thống điện là rất lớn. Số lần sự cố lưới điện 35KV chiếm tỷ lệ khá lớn đến 54%. Bảng 1- 4: Năm theo dõi Cấp điện áp KV Tổng chiều dài đường dây (Km) Suất sự cố (lần /100Km) Tổng số Do sét 1979 110 35 1050 3400 8,5 11,5 1,85 6,00 1980 110 35 1100 3400 6,8 10,7 1,46 5,40 1981 110 1150 5,6 2,50 6 35 3800 7,7 1,20 1982 110 35 3300 11200 6,9 10,8 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 dây điện và trạm biến áp là rất cần thiết nhằm giảm đến mức thấp nhất sự cố cắt điện đường dây. Vì vậy việc đầu tư nghiên cứu chống sét là rất quan trọng để nâng cao độ tin cậ y 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 vai trò quan trọng. Nó quyết định rất lớn về độ tin cậy cung cấp điện của toàn HTĐ và một yếu tố quan trọng dẫn đến sự mất ổn định của HTĐ trong 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 do sét đánh để hạ đến mức tối thiểu là một nhiệm vụ hết sức quan trọng và cần thiết. Khi bị sét đánh vào trạm, các thiết bị điệ n sẽ bị hư hỏng và có thể dẫn đến việc cung cấp điện bị ngừng toàn bộ , động thời có thể làm ảnh hưởng trực tiếp 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 điều kiện cho phép ta vận dụng chiều cao của các cột, xà cột đèn chiếu sáng. Riêng cột độc lập thường tốn kém hơn về kinh tế nên chỉ dùng khi không thể tận dụng được chiều cao của các cột, xà T 7 - Nếu đặt các cột thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối ngoài trời và dùng dây chống sét để bảo vệ cho doạn dây dẫn nối từ sà cuối cùng của trạm đến cột đầu tiên của đường dây thì chúng sẽ được nối đất chung với hệ thống nối đất chung của trạm và độ tăng lớn nhỏ này còn tuỳ thuộc vào thông số của dòng điện sét và điệ n trở nối đất xung kích của hệ thống. Khi điện áp này vượt quá giới hạn cho phép thì có thể gây nên nguy hiểm cho các thiết bị điện, do vậy chỉ trong điều kiện cho phép mới được đặt cột thu sét trên các công trình trong trạm hoặc dây chống sét ở trong trạm. - Khi thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp, ngoài các yêu cầu về kỹ thuật cần phải chú ý đế n vấn đề kinh tế và vấn đề mỹ thuật. I. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT: - Với mục đích giảm vốn đầu tư khi thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp ngoài trời, người ta thường bố trí cột trên các độ cao có sẵn như cột, xã đối với trạm 110KV do có mức cách định cao nên các cột thu sét 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 ngắ n nhất sao cho dòng điện sét (Is) khuyếch tán 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 tăng cường cách điện đến câp 110KV, do vậy sẽ có tổn thất về kinh tế. Khi dùng cột thu sét độc lập thì phải chú ý đến khoàng cách giữa các cột thu sét tới các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột đến các thiết bị bảo vệ. Khi dùng cột đến chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu sét thì phải cho dây dẫn điện đến bảng đèn vào ống chì và chôn dưới đất. - Để đảm bảo cho cơ giới và chống ăn mòn kim loại cần phải theo đúng quy định về các loại vật liệu, tiết diện dây khi dùng trên mặt đất và dưới đất. 8 II. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ THIẾT KẾ TRẠM 110/22KV: -Trạm có kích thước: 60 x 100m 2 -Tổng diện tích trạm: 6000m 2 - 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 dưới đoạn đường dây vào trạm đến xà đón dây đều được bảo vệ nên ta thiết kế chống sét cho phía 110KV có thể không cần tính đến phạm vi này. - Trong phần thiết kế này ta đưa ra các phương án bố trí cột thu sét để bảo vệ trạm biến áp ngoài trời theo các yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật và kinh tế sau đó chọn 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 h x là: 9 )hh( h h 1 6,1 r x x x − + = Trong đó: h - Là độ cao của cột. h x - Là độc cao cần bảo vệ. h - h x = h a - Là chiều cao hiệu dụng của cột. Nếu hth 3 2 3 ≤ thì ) 8,0 1(5,1 h h h x x −= λ hh x 3 2 > thì ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= h h x x 175,0 λ - Nếu chiều cao của cột h > 30m thì ta phải kể đến hệ số điều chỉnh nghĩa là: Prmhr xx .)30( = > (với P là hệ số hiệu chỉnh) . 5,5 h P = 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 là a. + Nếu a = 7h thì bất kỳ điểm nào trên mặt đất ở giữa hai cột sẽ được bảo vệ an toàn. + Nếu a = 7h thì cột bảo vệ được độ cao là 0 0 h h được xác định từ h). . 77 00 a hh a hh −=⇒=− + Ta xem h 0 như độ cao một cột và tính phạm vi bảo vệ cho độ cao h x ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −=→> ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −=→≤ 0 00 0 000 175,0 3 2 8,0 15,1 3 2 h h hrhh h h hrhh x oxx x xx [...]... điện sét chọn trong tính toán với Imax = 150 thì a = 0,5 Rxk- Trị số điện trở tản xung kích của dòng điện sét đi qua bộ phận nối đất (Ω) ⇒ S d = 0,5R xk Hình 1- 5 12 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 sét sao cho diện tích đa giác đó được bảo vệ cho. .. hx, áp dụng toàn trạm Ta phải tính 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... cần bảo vệ còn nằm ngoài bán kính bảo vệ ro x thì cần phải xem xét lại thiết kế: tăng độ cao cột hoặc bố trí thêm cột sao cho các độ cao cần được bảo vệ phải nằm trong phạm vi bảo vệ của các cột thu sét VI LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CỘT: 1 Phương án 1: Bố trí 10 cột thu sét trong đó có 2 cột thu sét đặt thêm 2 đầu của xà đòn dây đầu trạm còn 8 cột dựng độc lập a Xét các cặp cột: - Các cặp cột 1 - 2 -10... số liệu tính toán trên ta có bảng sau: Bảng 1-6 STT Các cặp cột hx(m) ho(m) rox(m) 1 1-2 11 17,86 6,17 2 2-3 11 16,14 3,84 3 3-4 11 14 2,25 4 4-5 8 12,04 3,06 5 5-6 8 11,29 2,47 6 6-7 8 12 3 7 7-8 8 12 3 8 8-9 8 11,28 2,46 9 9-10 8 12,04 3,06 10 10-1 11 14,71 2,78 - Từ bảng số liệu trên ta vẽ phạm vi bảo vệ của các cột thu sét (theo sơ đồ bố trí cột thu sét) 22 23 2 - Phương án 2: Bố trí 12 cột thu sét. .. thu sét có h> 30 thì h0 = h − a 7P Hình 1-2 -Nếu hai cột có độ cao khác nhau: Hình 1 - 3 - 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 đường tròn ngoại tiếp, các cột đó tạo thành một tam giác hoặc đa giác thì phần bên trong sẽ được bảo vệ hoàn toàn nếu: 10 D ≤ 8( h − h x ) = 8ha Trong đó: D - Đường kính đường. .. những số liệu tính toán trên ta có bảng tổng kết sau đây: Bảng 1-8 STT Các cặp cột h0 (m) hx = (m) r0x (m) 1 1-2 16,86 11 4,39 2 2-3 15,14 11 3,11 3 3-4 14 11 2,25 4 4-5 13,71 11 2,03 5 5-6 11,93 8 2,95 6 6-7 11,28 8 2,46 7 7-8 12 8 3 8 8- 9 12 8 3 9 9 - 10 11,28 8 2,46 34 10 10 -11 11,93 8 2,95 11 11-1 13,71 11 2,03 Từ bảng số liệu trên ta vẽ được phạm vi bảo vệ của các cột thu sét (theo sơ đồ bố trí... 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: U max = [ Im ax R XK + R 2 + ( WL ) 2 XK 2 ] ( KV ) Trong đó: Imax - Dòng điện sét tính toán (KA) RXK - Điện trở xung kích của bộ phận nối đất (R) L - Độ cảm ứng của dây dẫn từ... dẫn từ bộ phận nổi đất đến điểm khảo sát ( μH ) còn gọi là hệ số điện cảm 11 - Khi ta thay Imax = 150 KA; độ bền cách điện của không khí là 500KV/m và W = 2I ′ KA với I ′ = 60 thì ta sẽ được công thức tính toán dùng để xác định Im ax μS khoảng cách an toàn cho phép của không khí như sau: [ ] U max 150 2 = R XK + R XK + (WL) 2 ( KV ) 500 500.2 2 ⎡ ⎛ 2.60 ⎞ ⎤ 2 2 = 0,15 ⎢ R XK + R XK + ⎜ L ⎟ ⎥ = 0,15 R... 52,14(52,14 − 28)(52,14 − 33)(52,14 − 43,28) P= ⇒ ha = D 43,28 = = 5,41(m ) 8 8 Với hx = 8m cho nên chiều cao của các cột thu sét là 8+5,41=13,41(m) Vậy ta chọn chiều cao của các cột là: 16(m) * Vậy ta xác định được: +Các cột 1-2-3 -4 -10 cao là 19 m +Các cột 5 - 6 -7 - 8 -9 cao là: 16m b Xét các cặp cột bao quanh trạm: - Cặp cột 1 -2: + Bán kính bảo vệ của mỗi cột ở độ cao 19m là: 2 h ⎞ ⎛ rx = 1,5h⎜1... thành một tam giác vuông nên: l 2−10 = 302 + 82 = 31,05(m) 8 + 30 + 31,05 = 31,05 (m ) 2 8.30.31,05 D= = 31 (m ) 2 34,53(34,53 − 8)(34,53 − 30)(34,53 − 31,05) P= ⇒ hh = D 31 = = 3,88 (m ) 8 8 với hx =11m cho nên chiều cao của các cột là : 11+3,88=14,88(m) Vậy ta chọn chiều cao các cột là 19 (m) - Các cột 2 - 3 - 10: l 2−3 = 30(m ) l 2−10 = 31,05 (m ) l 3−10 = 282 + 30 2 = 41,04 (m ) Do các cột này tạo . Đồ án Tính toán thiết kế chống sét cho đường dây và trạm biến áp 110/22KV 1 Đồ án : Tính toán thiết kế chống sét cho đường dây và trạm. như vậy, đồ án thiết kế của em gồm bản thuyết minh này và kèm theo bản vẽ thiết kế về bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 110/22/0,4KV và đường dây 110KV.