Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220 110kv và đường dây 220kv

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
MỤC LỤC
MỤC LỤC..................................................................................................1
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................2
CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO
TRẠM BIẾN ÁP........................................................................................3
1.1. Mở đầu.............................................................................................3
1.2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh thẳng..........3
1.3. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét.............................4
1.4. Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ.........................................................9
1.5. Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm
biến áp...................................................................................................10
1.6. So sánh và tổng kết phương án......................................................25
Chương 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT........................................26
2.1. Mở đầu...........................................................................................26
2.2. Các yêu cầu kĩ thuật.......................................................................26
2.3. Lý thuyết tính toán nối đất.............................................................28
2.4. Tính toán nối đất an toàn................................................................33
2.5. Nối đất chống sét............................................................................36
2.6. Kết luận..........................................................................................47
CHƯƠNG 3. BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY............................48
3.1. Mở đầu...........................................................................................48
3.2. Chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây.............................................48
3.3. Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây.............................51
CHƯƠNG 4. BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRUYỀN VÀO TRẠM BIẾN ÁP
TỪ PHÍA ĐƯỜNG DÂY 220 KV...........................................................76
4.1 Khái niệm chung............................................................................76
1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
4.2. Phương pháp tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có
sóng truyền vào trạm.............................................................................77
4.3. Tính toán khi có sóng quá điện áp truyền vào trạm.......................82
4.4. Nhận xét.........................................................................................91
4.5. Tính toán sóng quá điện áp truyền vào trạm bằng ATP.................91
4.6. Kết quả tính toán bằng ATP.........................................................100
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................106
2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
LỜI MỞ ĐẦU
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 bài học rất bổ ích, đựơc tiếp cận các kiến thức 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 sự dạy bảo quan tâm của thầy cô.
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 220/110kV và
đường dây 220kV ”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.
3
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO
TRẠM BIẾN ÁP
1.1. Mở đầu
Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện đường dây và trạm biến áp là
một thể thống nhất. Trong đó trạm biến áp là một phần tử hết sức quan
trọng, nó thực hiện nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng. Do đó
khi các thiết bị của trạm bị sét đánh trực tiếp thì sẽ dẫn đến những hậu
quả rất nghiêm trọng không những chỉ làm hỏng đến các thiết bị trong
trạm mà còn có thể dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn bộ trong một
thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc sản suất điện năng và các ngành
kinh tế quốc dân khác. Do đó việc tính toán bảo vệ chống sét đánh trực
tiếp vào trạm biến áp đặt ngoài trời là rất quan trọng. Qua đó ta có thể
đưa ra những phương án bảo vệ trạm một cách an toàn và kinh tế. Nhằm
đảm bảo toàn bộ thiết bị trong trạm được bảo vệ an toàn chống sét đánh
trực tiếp.
Ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào các thiết bị trong
trạm ta cũng phải chú ý đến việc bảo vệ cho các đoạn đường dây gần
trạm và đoạn đây dãn nối từ xà cuối cùng của trạm ra cột đầu tiên của
đường dây.
Do đó tùy từng trạm cụ thể mà ta thiết kế hệ thống chống sét phù
hợp và đáp ứng nhu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế của trạm.
1.2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh thẳng
4
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
a) Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải được nằm trọn trong phạm vi
an toàn của hệ thống bảo vệ. Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và
các cấp điện áp mà hệ thống các cột thu sét có thể được đặt trên các độ
cao có sẵn của công trình như xà, cột đèn chiếu sáng... hoặc được đặt
độc lập.
- Khi đặt hệ thống cột thu sét trên bản thân công trình, sẽ tận dụng
được độ cao vốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của hệ
thống thu sét. Tuy nhiên điều kiện đặt hệ thống thu sét trên các công
trình mang điện là phải đảm bảo mức cách điện cao và trị số điện trở tản
của bộ phận nối đất bé.
+ Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên do có cách điện
cao (khoảng cách các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể
đặt cột thu sét trên các kết cấu của trạm. Tuy nhiên các trụ của kết cấu
trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm
phân phối. Theo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện i s 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 điện trở nối đất nhằm đảm bảo điện trở
không quá 4.
+ Nơi yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời điện áp 110 kV trở lên là
cuộn dây của MBA. Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ MBA thì
yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ
thống thu sét và vỏ MBA theo đường điện phải lớn hơn 15m.
- Khi đặt cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình phải có khoảng
cách nhất định, nếu khoảng cách này quá bé thì sẽ có phóng điện trong
không khí và đất
b) Phần dẫn điện của hệ thống thu sét có phải có tiết diện đủ lớn để
đảm bảo thoả mãn điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua.
5
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
1.3. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét
1.3.1. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét:
a) Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập.
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là miền được giới hạn bởi mặt
ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi công thức.
( 1 – 1)
Trong đó:
h: độ cao cột thu sét
hx: độ cao vật cần bảo vệ
h- hx= ha: độ cao hiệu dụng cột thu sét
rx: bán kính của phạm vi bảo vệ
Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm
vi bảo vệ dạng dạng đơn giản hoá với đường sinh của hình chóp có dạng
đường gãy khúc được biểu diễn như hình vẽ 1.1 dưới đây.
Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau được tính toán theo công
thức sau.
+ Nếu thì ( 1 – 2)
+ Nếu thì ( 1 – 3)
Chú ý:
6
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
a
0,2h
b h
0,8h
a'
c
0,75h
1,5h
R
Hình 1- 1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.
Các công thức trên chỉ đúng trong trường hợp cột thu sét cao dưới
30m. Hiệu quả của cột thu sét cao quá 30m có giảm sút do độ cao định
hướng của sét giữ hằng số. Có thể dùng các công thức trên để tính phạm
vi bảo vệ nhưng phải nhân với hệ số hiệu chỉnh p. Với và trên
hình vẽ dùng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp.
b) Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét.
 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp thì lớn hơn nhiều
so với tổng phạm vi bảo vệ của hai cột đơn. Nhưng để hai cột thu sét có
thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột thì phải thoả mãn điều
kiện a < 7h (h là chiều cao của cột).
 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao.
- Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cách a
(a < 7h) thì độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét h o
được tính như sau:
( 1 – 4)
Sơ đồ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau.
7
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
R
0,2h
h
ho hx
0,75h a 1,5h
rx
r0x
Hình 1- 2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét giống nhau.
Tính rox:
+ Nếu thì ( 1 – 5)
+ Nếu thì ( 1 – 6)
Chú ý:
Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì ngoài các hiệu chỉnh
như trong phần chú ý của mục 1 thì còn phải tính ho theo công thức:
( 1 – 7)
c) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.
Giả sử có hai cột thu sét: cột 1 có chiều cao h 1, cột 2 có chiều cao h2
và
h1 > h2. Hai cột cách nhau một khoảng là a.
8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Trước tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h 1, sau đó qua đỉnh cột
thấp h2 vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ của
cột cao tại điểm 3. Điểm này được xem là đỉnh của cột thu sét giả định,
nó sẽ cùng với cột thấp h2, hình thành đôi cột ở độ cao bằng nhau và
bằng h2 với khoảng cách là a’. Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ của
cột 1 với
( 1 – 8)
1
2 3
0,2h2
h1
h2
ho
0,75h2 a' x 0,75h1
1,6h2 1,6h1
a
Hình 1- 3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét khác nhau.
d) Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột ( số cột >2).
Một nhóm cột sẽ hình thành 1 đa giác và phạm vi bảo vệ được xác
định bởi toàn bộ miền đa giác và phần giới hạn bao ngoài giống như của
từng đôi cột
9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
rx rox
rx rox a
a
c
rox
D D
b b
Hình 1- 4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột.
Vật có độ cao hx nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét sẽ
được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:
D 8. ha = 8. (h - hx) ( 1 – 9)
Với D là đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu
sét.
Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần
được hiệu chỉnh theo p.
D 8.ha. p= 8. (h - hx).p ( 1 – 10)
1.3.2. 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 rông của
phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như hình vẽ.
10
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
a
0,2h
b h
0,8h
a'
c
0,6h
1,2h
2bx
Hình 1- 5: Phạm vi bảo vệ của một day thu sét.
Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự
cột thu sét ta có các hoành độ 0,6h và 1,2h.
+ Nếu thì ( 1 - 11)
+ Nếu thì ( 1 - 12)
Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần
được 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 thu sét phải thoả mãn điều kiện s < 4h.
Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ
cao.
( 1 – 13)
Phạm vi bảo vệ như hình vẽ.
11
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
R
0,2h
h
ho hx
0,6h s 1,2h
bx
Hình 1- 6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.
Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống của một dây còn phần bên
trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm treo dây
thu sét và điểm có độ cao so với đất.
1.4. Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ
- Trạm biến áp: Trạm 220/110 kV.
+ Phía 220kV 6 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có
thanh góp vòng, được cấp điện từ 2 máy biến áp (T3, T4) và 2 máy biến
áp tự ngẫu (AT1, AT2)
+ Phía 110kV 8 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có
thanh góp vòng, được cấp điện từ 2 máy biến áp tự ngẫu (AT1, AT2)
- Tổng diện tích trạm 555000 m2
- Với trạm 220 kV có diện tích là: 34500 m 2. Độ cao xà cần bảo vệ
là 16m và 11 m.
- Với trạm 110 kV có diện tích là: 19200 m 2. Độ cao xà cần bảo vệ
là 11
và 8 m.
12
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
1.5. Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm
biến áp
1. 5. 1. Phương án 1
- Phía 220kV dùng 12 cột 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10,11,12 trong đó
cột 2, 3, 5, 6, 7, 8 được đặt trên xà cao 16m; cột 9, 10,11,12 được đặt
trên xà cao 11m cột 1 được xây thêm và cột 4 đặt trên nóc nhà điều
khiển cao 10m.
- Phía 110kV dùng 9 cột 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 trong đó
cột 16, 17, 18 được đặt trên xà cao 8 m; cột 19, 20, 21, 22được đặt trên
xà cao 11 m và cột 23, 24 được xây thêm.
Vậy:
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là hx = 11 m và hx =
16 m
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kV là hx = 8 m và hx =
11 m.
13
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
21
15
16
AT2
20
14
17
11m
AT1
13
19
18
Nha dieu khien
8
12
4
T3
11
7
3
T4
10
2
6
16m
5
1
8m
9
Hình 1-7: Sơ đồ bố trí cột thu sét
14
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
 Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi:
Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi tam giác hoặc tứ giác
nào đó thì độ cao cột thu lôi phải thỏa mãn:
D 8. ha hay ha
Trong đó
D: Là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ
giác.
ha: Độ cao hữu ích của cột thu lôi.
-Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột bao giờ cũng lớn hơn phạm vi
bảo vệ của 1 cột. Điều kiện để hai cột thu lôi phối hợp được với nhau là
a 7. h.
Trong đó: a – Khoảng cách giữa 2 cột thu sét.
h – Chiều cao toàn bộ cột thu sét.
 Xét nhóm cột 1-2-5-6 tạo thành hình chữ nhật:
a1-2 = 64 m ; a1-5 = 52,5 m
Nhóm cột này tạo thành hình chữ nhật có đường chéo là:
D= (m)
Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi ha ( m)
 Xét nhóm cột 12,13,8 tạo thành hình tam giác
- Áp dụng công thức Pitago ta có
a= a12-13 = ( m)
b= a13-8= ( m)
c= a12-8 =57,5 ( m)
- Nửa chu vi tam giác là:
15
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
p= ( m)
Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác là:
D=
( m)
Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi ha ( m)
Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại, kết quả tính toán được
trình bầy trong bảng:
Bảng 1-3. Độ cao hữu ích của cột thu lôi
Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp.
Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét, ta
chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm như sau:
- Phía 220Kv có hmax =10,755 m nên ta chọn ha = 11m.
16
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
- Phía 110kV có hmax =9,1 m nên ta chọn ha = 10 m.
 Tính độ cao của cột thu sét.
h = ha + hx
- Phía 220 kV:
Độ cao tác dụng ha = 11m.
Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 16m.
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 220kV là:
h = ha + hx = 11+ 16 = 27 ( m).
- Phía 110kV:
Độ cao tác dụng ha = 10m.
Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 11m.
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 110kV là:
h = ha + hx = 10+ 11 = 21 (m).
 Bán kính bảo vệ của cột thu sét ở các độ cao bảo vệ tương
ứng:
Bán kính bảo vệ của các cột 21m (các cột N13 N22 phía 110kV)
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m.
( m)
Nên
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m.
( m)
Nên
17
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Bán kính bảo vệ của các cột 27m (các cột N1 N12 phía 220kV)
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m.
( m)
Nên
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 16m.
( m)
Nên ( m)
 Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu sét.
* Xét cặp cột 1-2 có:
a = 64 m h = 27 m
- Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:
( m)
- Bán kính của khu vực giữa hai côt thu sét là:
+ ở độ cao 16m:
( m)
Nên ( m)
+ ở độ cao 11m:
( m)
18
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Nên
( m)
* Xét cặp cột 12,13 có độ cao khác nhau
có ( m) ( m) ( m)
Vì ( m). Do vậy ta vẽ cột giả định 12’ có độ cao
21m cách cột 13 một khoảng:
( m)
Vậy khoảng cách từ cột giả định dến cột 13 là:
( m)
Phạm vi bảo vệ của hai cột 12’ và 13 là:
- Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:
( m)
- Bán kính của khu vực giữa hai cột thu sét là:
+ ở độ cao 11m
Vì ( m)
Nên
( m)
+ ở độ cao 8m
Vì ( m)
19
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Nên
( m)
+ ở độ cao hx = 16 m
Vì ( m)
Nên
Tính toán tương tự cho các cặp cột còn lại ta có bảng:
Bảng 1-4 Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét
h hx hx
a (m ho (m rox (m rox
Cặp cột (m) ) (m) ) (m) ) (m)
1-2;2-3;4-5;5-5;6-
7;7-8; 4,66
9-10;10-11;11-12 64 26 16,8571 16 0,64285 11 1
10,8
1-5;2-6;3-7;4-8; 35 26 21 16 3,75 11 7
9,80
5-9;6-10;7-1;8-12 40 26 20,2857 16 3,21428 11 4
13-14;14-15;16-17; 14,8571 2,89285
17-18;19-20;20-21 43 21 4 11 7 8 7,28
13—18;14-17;15-16; 13,2857 1,71428
16-21;17-20;18-19 54 21 1 11 6 8 4,92
33,1 10,3
4--19 1 21 16,903 11 4,739 8 5
4--19 21 16,903 16 0,782
33,1
20