Đồ án Bảo vệ chống sét cho đường dây và trạm biến áp 110/220kV

Bộ giáo dục và đào tạo cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam Trường đH Bách khoa hà nội Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp Họ và tên sinh viên: Phạm Văn Kiên Khoa : Điện Ngành : Hệ thống điện Lớp : Hệ Thống Điện K1 Hải Dương ĐầU Đề THIếT Kế Bảo vệ chống sét trạm biến áp và đường dây Trạm biến áp + Sơ đồ 110kV 2TG+TGV 220kV 2TG+TGV + Độ cao cần bảo vệ 110kV 11 m 220kV 16.5m + Mặt bằng: …………………………… + Mặt cắt : …………………………… + Máy biến áp 2AT 110/220kV + Đường dây vào trạm 110kV 2 220kV 5 + Điện trở suất của đất 80(.m đường dây + Cấp điện áp 220kV + Cột Loại cột Sắt Chiều cao cột 26,8m 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 A 250 Góc bảo vệ pha B 15,60 Góc bảo vệ pha C 15,60 + Dây dẫn Loại dây AC-240 Độ võng của dây dẫn …6m…… + Dây chống sét Loại dây C70 Số dây chống sét 1 Độ võng dây chống sét …4m……. + Cách điện Loại cách điện Treo Đặc tính 14 + Khoảng vượt Phía 220 kV: 290m + Điện trở nối đất cột điện 9; 16; 23( + Vùng ô nhiễm II + Số ngày giông sét 80 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 đường dây 220kV Bảo vệ chống sóng truyền vào trạm biến áp từ phía đường dây 220 kV các bản vẽ Phạm vi bảo vệ của cột thu sét, các phương án bảo vệ chống sét đánh trực tiếp Các kết quả tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét của trạm Phương pháp và kết quả tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây Các kết quả tính toán bảo vệ trạm biến áp chống sóng truyền. cán bộ hướng dẫn : Ngày giao nhiệm vụ thiết kế : Ngày hoàn thành nhiệm vụ Nộp quyển Bảo vệ Cán bộ hướng dẫn (Ghi rõ họ tên và ký tên) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Phạm Văn Kiên Ngành: Hệ Thống Điện Khoá: 1 Hải Dương Giáo viên hướng dẫn: Giáo viên duyệt : Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Nhận xét của giáo viên : .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Ngày tháng năm Giáo viên duyệt ( Ký, ghi rõ họ và tên ) 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. Hà nội tháng 6-2007 Sinh viên Phạm Văn Kiên Mục lục đặt vấn đề 7 chương 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. Phương án bảo vệ của hệ thống thu sét: 15 1.3.1. Phương án 1. 15 1.3.2. Phương án 2. 19 1.3.3. Phương án 3. 22 chương 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 Chương iii 44 Bảo vệ chống sét đường dây 44 3.1. Mở đầu 44 3.2. Các chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây 45 3.2.1.Cường độ hoạt động của sét 45 3.2.2. Số lần sét đánh vào đường dây. 45 3.2.3. Số lần phóng điện do sét đánh vào đường dây 46 3.2.4. Số lần cắt điện do sét đánh vào đường 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 đường dây 48 3.3.1. Mô tả đường dây cần bảo vệ 48 3.3.2. Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây. 50 3.3.3. Tính số lần sét đánh vào đường dây. 53 3.3.4. Suất cắt do sét đánh vào đường dây. 54 chương IV 78 Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm 78 4.1. Mở đầu. 78 4.2. Phương 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 đường dây. 82 4.2.2. Sóng bất kỳ tác dụng lên chống sét van đặt cuối đường dây. 84 4.2.3. Sóng bất kỳ tác dụng lên điện dung đặt cuối đường dây (phương 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 được dùng rất rộng rãi, làm nhiệm vụ truyền tải điện năng từ lưới điện có điện áp U1 sang lưới điện có điện áp U2 phục vụ cho việc truyền tải và phân phối năng lượng điện. Do vậy quá trình vận hành của trạm biến áp ảnh hưởng lớn tới việc cung cấp và chất lượng điện năng. Bảo vệ chống sét trạm biến áp bao gồm các phần: + Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp: các trạm biến áp được 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 lưới nối đất: để tản dòng điện sét trong đất hạn chế các phóng điện ngược trên các công trình cần bảo vệ. + Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường 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 110kV là 11 m Máy biến áp: 2AT 110/220 kV Đường dây vào trạm: 110kV 2 220kV 5 Điện trở suất của đất: 80 Ù.m Sơ đồ mặt bằng, mặt cắt đi kèm. chương I bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 1.1. các yêu cầu: Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ. Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các yêu cầu cụ thể, hệ thống các cột thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn như xà, cột đèn chiếu sáng... hoặc được đặt độc lập. Khi đặt hệ thống cột thu sét trên kết cấu của trạm sẽ tận dụng được độ cao vốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của cột thu sét. Tuy nhiên đặt hệ thống 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 áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang các phần tử mang điện khi cách điện không đủ lớn. Do đó điều kiện để đặt cột thu sét trên hệ thống các thanh xà trạm là mức cách điện cao và điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ. Đối với trạm ngoài trời từ 110kV trở lên do có cách điện cao nên có thể đặt cột thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối. 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 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 điện trở nối đất. Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngài trời điện áp 110kV trở lên là cuộn dây của máy biến áp. Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối đất trong hệ thống nối đất của cột thu sét và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m. Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm ngoài trời 110kV trở lên cần chú ý nối đất bổ sung ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu sét vào hệ thống nối đất nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4Ù. 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 được bảo vệ. Việc lắp đặt các cột thu sét làm tăng xác suất sét đánh vào diện tích công trình cần bảo vệ, do đó cần chọn vị trí lắp đặt các cột thu sét một cách hợp lý Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua. Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu sét thì các dây dẫn điện đến đèn phải được 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 ngược lại dùng để thu hút phóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫn dòng 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 công trình. Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vật cần 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 được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi phương trình.
(1-1) Trong đó : 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 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 đường sinh của hình chóp có dạng đường gẫy khúc như hình sau:
Hình 1.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét. Bán kính được tính toán theo công thức sau: Nếu
thì
(1.2) Nếu
thì
(1.3) Các công thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dưới 30m. Hiệu quả của cột thu sét cao trên 30m giảm đi do độ cao định hướng của sét giữ hằng số. Có thể dùng các công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh
và trên hoành độ lấy các giá trị
và
. 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 vi bảo vệ các cột đơn cộng lại. Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn
(trong đó h là độ cao của cột thu sét). Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột. Phần bên trong được 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 được xác định theo công thức:
(1.4) Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là rx0 và được xác định như sau: Nếu
thì
(1.5) Nếu
thì
(1.6) Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì có các hiệu chỉnh hệ số
; trên hoành độ lấy các giá trị
và
; khi đó h0 tính theo công thức
(1.7)
Hình 1.2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao giống nhau. c. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau. Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo vệ được xác định như 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 đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được 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’. Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h2. Điểm này được xem như đỉnh của một cột thu sét giả định. Ta xác định được các khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h2 là a' và x như sau:
Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau. Nếu
ta có công thức :
Nếu
ta có công thức:
(1.8)
(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 được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cột thu lôi phải thoả mãn:
(1.10) Trong đó: D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột. Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b,c có: +
(1.11) với p là nửa chu vi :
(1.12) Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật:
(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:
(1.14)

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 vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như sau :
Hình1.5 : Phạm vi bảo vệ của một dây 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
(1.15) Nếu
thì
(1.16) Khi độ cao 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
Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao h0.
(1.17) Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của một dây, còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm là hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao h0.
Hình 1.6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét. 1.3. phương án bảo vệ của hệ thống thu sét: 1.3.1. Phương án 1. 1.3.1.1. Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét. Ta bố trí các cột thu sét như sau: Phía 220kV đặt 12 cột Phía 110kV đặt 8 cột: Hai cột 15, 19, đặt trên xà cao 11 m;các cột 13, 14, 16, 17, 18, 20 được xây dựng.
Hình 1.7: Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét 1.3.1.2. Tính toán cho phương án 1 a). Tính độ cao tác dụng của cột thu sét: Để tính được độ cao tác dụng ha của các cột thu sét ta cần xác định đường kính D của đường tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác) qua ba (hoặc bốn) đỉnh cột. Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hoặc bốn) đó được bảo vệ thì phải thoả mãn điều kiện :
phía 220kV: NHÓM CỘT ĐỘC LẬP PHÍA 220kV   Loại cột  Nhúm cột  a (m)  b (m)  D (m)  ha (m)  ha.max (m)   Chữ nhật  1-2-6-5  34.00  35.30  49.01  6.13  6.13    5-6-9-10  34.00  34.00  48.08  6.01    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 :
phía 110kV: NHÓM CỘT ĐỘC LẬP PHÍA 110kV   Loại cột  Nhúm cột  a (m)  b (m)  D (m)  ha (m)  ha.max (m)    Chữ nhật  17-18-19-20  35,80  42,30  55,42  6,93  6,93     13-14-15-16  35,80  29,30  46,26  5,78      15-16-17-18  35,80  24,70  43,49  5,43      Nhúm cột  a (m)  b (M)  c (m)  p (m)  D (m)  ha (m)  ha.max (m)   Tam giỏc  4-17-19  44,45  42,30  56,33  71,54  57,04  7,13  7,13    8-12-15  50,37  44,87  34,00  64,62  51,49  6,43     12-13-15  29,3  48,24  44,87  61,21  49,31  6,16    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 :
b). Phạm vi bảo vệ của từng cột : Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 23m. Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m Do
vậy
Bán kính bảo vệ ở độ cao 16.5m. Do
vậy
Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 18,5m. Bán kính bảo vệ ở độ cao 11 Do
vậy
c). Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên : Ta chỉ xét đại diện các cột : NHểM CỘT CẠNH NHAU   220kV   Cặp cột  Độ cao cột