Đồ án Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp 220 110 kV

MỤC LỤC Lời nói đầu 3 Phần I: Phần đồ án Chương I. Tính chỉ tiêu chống sét cho đường dây 220 kV 1.1 Lý thuyết tính toán 4 1.2 Trình tự tính toán 6 1.2.1 Các thông số cho trước 6 1.2.2 Tính toán một số thông số cần thiết 7 1.2.3 Tính số lần sét đánh thẳng lên đường dây 11 1.2.4 Suất cắt của đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 11 1.2.5 Suất cắt của đường dây do sét đánh vào khoảng vượt 13 1.2.6 Suất cắt của đường dây do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 23 Chương II. Tính toán bảo vệ chống sóng truyền vào trạm biến áp từ đường dây 220 kV 2.1 Mở đầu 45 2.2 Phương pháp tính điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng vào trạm 46 2.2.1 Phương pháp lập bảng 46 2.2.2 Phương pháp đồ thị 49 2.2.3 Phương pháp tiếp tuyến 50 2.3 Trình tự tính toán 51 2.3.1 Lập sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất cuả trạm 52 2.3.2 Thiết lập phương pháp tính điện áp các nút trên sơ đồ dút gọn 57 2.3.3 Các đặc tính cách điện của thiết bị tại các nút cần bảo vệ 61 Chương III. Tính toán chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110 kV Mở đầu 64 3.2 Các yêu cầu kỹ thuật 65 3.3 Đặc điểm về kết cấu cột thu lôi 66 3.4 Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi 68 3.5 Trình tự tính toán 70 3.6 Các phương án bố trí hệ thống thu sét 72 3.6.1 Phương án 1 72 3.6.2 Phương án 2 93 Chương IV. Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp 220/110 kV IV.1 Mở đầu 117 IV.2 Trị số cho phép của điện trở nối đất 118 IV.3 Hệ số mùa 119 IV.4 Tính toán nối đất 119 IV.4.1 Nối đất tự nhiên 119 IV.4.2 Nối đất nhân tạo 120 IV.4.3 Nối đất chống sét 123 Phần II: Phần Chuyên đề A, Đặt vấn đề 137 B, Giải quyết vấn đề 137 1 Tác dụng của phân pha đối với vầng quang 137 1.1 Điên dung hệ 3 dây - đất 137 1.2 Điện cảm và điện kháng thứ tự thuận của đường dây 3 pha 139 1.3 Điện dung và điên cảm của đường dây 3 pha dùng dây phân pha 140 2 Tác dụng của phân pha đối với vầng quang 142 2.1 Vầng quang trên đường dây 3 pha dùng dây đơn 142 2.2 Phân bố điện trường trên mặt dây dẫn khi dùng dây phân pha 145 2.3 Tác dụng của phân pha đối với công suất tự nhiên 151 2.4 Tác dụng của phân pha đối với điện cảm và điện dung đường dây 153 3 Xác định tổn hao công suất và tổn hao điện năng do vầng quang cục bộ 154 3.1 Mở đầu 154 3.2 Xây dựng phương pháp giải tích đồ thị để tính tổn hao công suất và tổn hao điện năng do vầng quang trên đường dây siêu cao áp 156 4 Tính tổn hao vầng quang trên đường dây tải điện siêu cao áp 500 kV Bắc Nam đoạn Hòa Bình – Hà Tĩnh 162 C, Viết chương trình phần mềm tính toán cho phần chuyên đề 164 1 Giới thiệu chương trình 164 2 Sơ đồ khối của chương trình 165 3 Hướng dẫn sử dụng chương trình 166 D, Nhận xét 171 E, Một số đề suất để giảm tổn thất vẩng quang 172 Tài liện tham khảo 173 LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống điện là một phần của hệ thống năng lượng nó bao gồm các nhà máy điện, mạng lưới điện và các hộ tiêu thụ điện. Nhà máy điện có nhiệm vụ biến đổi năng lượng sơ cấp như nhiệt năng, cơ năng…thành điện năng. Mạng lưới điện truyền tải điện năng đến các hộ tiêu thụ điện. Giông sét là hiện tượng tự nhiên, là sự phóng tia lửa điện khổng lồ trong khí quyển giữa các đám mây và mặt đất, khi sét đánh trực tiếp hay gián tiếp vào các công trình điện, không những gây thiệt hại về mặt kinh tế mà còn đe doạ đến tính mạng của con người. Vì thế cần thiết phải có các hệ thống chống sét và biện pháp để bảo vệ an toàn khi có sét đánh vào trạm biến áp. Cùng với sự phát triển của hệ thống điện các đường dây siêu cao áp cũng ngày càng được sử phát triển, vì lí do đó mà trong đồ án tốt nghiệp này em xin được trình bày thêm về phần “nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến tham số đường dây siêu cao áp khi lựa chọn kết cấu phân pha”, và mạnh dạn viết chương trình phần mền cho nó. Chương trình này được em sử dụng để khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố đến tham số đường dây. Do mới được tiếp cận với các lý thuyết về phần này và cũng do thời gian có hạn nên em chưa thể chình bày sâu hơn với các khảo sát chi tiết hơn cho chuyên đề cùng với các phương pháp khác nhau để tính tổn thất vâng quang cho đường dây siêu cao áp. Em rất mong nhận được sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn, em xin trân thành cảm ơn các thầy cô đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án, đặc biệt em cảm ơn thầy giáo PGS-TS Nguyễn Đình Thắng đã tận tình, chỉ bảo giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án để em hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình. Em xin trân thành cám ơn! Hà Nội, ngày 28-5-2007 Sinh viên Lê Chí Linh Chương I: TÍNH CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY 220 kV Đường dây tải điện là phần tử dài nhất trong lưới điện nên thường bị sét đánh và gây ra quá điện áp (quá điện áp khí quyển). Quá điện áp có thể gây ra phóng điện tạo thành ngắn mạch làm cho các máy cắt đường dây tác động, ảnh hưởng đến sự cung cấp điện liên tục của lưới và đến sự an toàn của các thiết bị điện khác trong trạm. Vì thế đường dây cần được bảo vệ chống sét đến mức độ an toàn cao. Việc bảo vệ đường dây đến mức an toàn tuyệt đối không thể thực hiện được vì vốn đầu tư vào đường dây qúa lớn như tăng cường cách điện đường dây và đặt các thiết bị bảo vệ chống sét… Do đó phương hướng đúng đắn là việc tính toán mức độ bảo vệ chống sét của đường dây phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế, tức là phải tìm phương thức bảo vệ đường dây sao cho tổn hao do sét gây ra thấp nhất. Quá điện áp khí quyển xuất hiện trên đường dây là do sét đánh trực tiếp vào đường dây, vào dây chống sét, vào cột đường dây, thậm chí đánh xuống đất trong phạm vi gần đường dây. I.1 Lý thuyết tính toán: Với độ cao treo dây trung bình của dây trên cùng ( dây dẫn hoặc dây chống sét) là h, đường dây sẽ thu hút về phía mình các phóng điện sét trên giải đất có chiều rộng 6h và chiều dài bằng chiều dài đường dây L. Từ số lần có phóng điện sét xuống đất trên diện tích 1
ứng với một ngày sét là (0,1
) có thể tính được tổng số lần có sét đánh thẳng lên đường dây hàng năm:

( lần) (1-1) Trong đó: nngs: Số ngày sét hàng năm trong khu vực có đường dây đi qua h: Chiều cao trung bình của đường dây tính theo m. L: Chiều dài đường dây tính theo km. Vì tham số của phóng điện sét bao gồm biên độ dòng điện Is và độ dốc của dòng điện a, có thể có nhiều trị số khác nhau do đó không phải tất cả tất các lần sét đánh trên đường dây đều gây phóng điện trên cách điện. Để có phóng điện, quá điện áp khí quyển phải có trị số lớn hơn mức cách điện xung kích của đường dây, khả năng này được biểu thị bởi xác suất phóng điện (
) và như vậy số lần xảy ra phóng điện trên cách điện sẽ là: Npđ

(1-2) Trong khi thời gian làm việc của hệ thống bảo vệ rơle là không bé qúa một nửa chu kỳ tần số công nghiệp tức là 0,01s, thời gian tác động của quá điện áp khí quyển là rất nhỏ chỉ khoảng
, do đó phóng điện xung kích chỉ gây nhảy máy cắt đường dây khi tia lửa phóng điện xung kích trên cách điện đường dây chuyển thành hồ quang duy trì bởi điện áp làm việc của lưới điện. Xác suất chuyển từ tia lửa phóng điện xung kích thành hồ quang duy trì phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố quan trọng nhất là gradiên của điện áp làm việc dọc theo đường phóng điện. Trị số građiên càng lớn thì việc duy trì điện dẫn trong khe hở phóng điện và chuyển thành hồ quang càng thuận lợi. Với xác suất hình thành hồ quang là
thì số lần cắt điện do sét đánh hàng năm của đường dây:
(lần) (1-3) Để so sánh khả năng chịu sét của các đường dây có các tham số khác nhau, đi qua các vùng có cường độ hoạt động của sét khác nhau thường tính trị số “suất cắt của đường dây” tức là số lần cắt khi đường dây có chiều dài 100 km:
(lần) (1-4) Treo dây chống sét là biện pháp rất hiệu quả trong việc giảm số lần cắt điện đường dây, tuy nhiên cần lưu ý một số vấn đề sau: - Dây chống sét làm nhiệm vụ bảo vệ chống sét đánh thẳng cho đường dây nhưng chưa phải là biện pháp an toàn tuyệt đối, vì vẫn có khả năng sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây pha, xác suất này tăng theo chiều cao của cột và góc bảo vệ
theo biểu thức:
(1-5) Trong đó:
: góc bảo vệ của dây chống sét (độ)
: chiều cao cột điện (m) - Khi sét đánh xuống đất gần khu vực đường dây thì dưới tác dụng điện từ trường dòng sét, trên dây dẫn sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng, nếu biên độ điện áp cảm ứng vượt quá mức cách điện đường dây (U50%) thì sẽ gây phóng điện trên cách điện đường dây. Số lần phóng điện do quá điện áp cảm ứng trên chiều dài 100 km đường dây hàng năm:
(1-6) Trong đó: h: được tính bằng m. U50%:được tính bằng kV. Thực nghiệm đã chứng minh được đối với các đường dây 110 kV trở lên trong tính toán chống sét có thể không xét đến quá điện áp cảm ứng vì số lần phóng điện gây nên qúa nhỏ so với khi có sét đánh thẳng lên đường dây. Gọi N là số lần sét đánh trên đường dây được xác định theo công thức:
(lần) Trị số này sẽ được phân bố như sau: Số lần đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn:
(1-7) Số lần đánh vào đỉnh cột hoặc khu vực gần đỉnh cột:
(1-8) Số lần đánh vào điểm giữa khoảng vượt và lân cận khoảng vượt:
(1-9) I.2 Trình tự tính toán: I.2.1 Các thông số cho trước: Với lộ đường dây đi Sơn La ta có: - Dây dẫn là dây nhôm lõi thép AC400/64 có tiết diện phần nhôm FA = 390
,tiết diện phần thép FC = 63,5
, đường kính dây 27,7 mm, bán kính dây 13,9 mm, trọng lượng riêng 1,572 kG/m = 1,542 DaN/m, ứng suất phá hoại 27,4 DaN/
(tr.164 Lưới điện & hệ thống điện– Trần Bách). - Dây chống sét dùng cho cấp điện áp 220 kV là dây C70 có bán kính 4,72 mm (tr.185 Lưới điện & hệ thống điện– Trần Bách). - Khoảng vượt đường dây 220 kV là 295m. - Cách điện là chuỗi sứ cùng loại
có 13 bát, chiều cao 170mm/1bát, như vậy chiều dài chuỗi sứ là:
(mm) Độ cao treo dây chọn là 12m như vậy độ cao xà dưới cùng là :
(m) Khoảng cách thẳng đứng từ dây dẫn đến mặt đất trong chế độ làm việc bình thường không nhỏ hơn 7m với khu vực ít dân cư. Như vậy độ võng của dây dẫn ta có thể lấy là fdd = 4,5 m, độ võng của dây thu sét ta có thể lấy là fcs = 4 m (trong chế độ nóng nhất thì độ võng của dây dẫn là 4,88 m thỏa mãn khoảng cách an toàn). - Kích thước cột:
Hình vẽ 1-1 Khích thước cột I.2.2 Tính toán một số thông số cần thiết: - Góc bảo vệ của dây thu sét: + Pha A:
=>
+ Pha B:
=>
+ Pha C:
=>
- Độ cao treo dây trung bình của dây thu sét và dây dẫn: + Dây thu sét:
= 22 m + Dây dẫn pha A:
= 15,5 m + Dây dẫn pha B:
= 9 m + Dây dẫn pha C:
= 9 m - Tổng trở sóng của dây dẫn và dây chống sét: + Tổng trở sóng của dây được xác định theo công thức:
(1-10) Trong đó:
: độ cao treo dây trung bình của dây rdd: bán kính của dây. Tổng trở sóng của dây dẫn pha A: ZA =

Tổng trở sóng của dây dẫn pha B, C: ZB = ZC =

Tổng trở sóng của dây chống sét: Zcs =

+ Khi có xét tới ảnh hưởng của vầng quang (do sét đánh) thì thành phần của điện dung tăng lên làm cho tổng trở sóng giảm. Vì vậy ta cần phải hiệu chỉnh lại bằng cách lấy tổng trở sóng Zcs chia cho hệ số hiệu chỉnh
. Với cấp điện áp 220kV và có 1 dây chống sét thì
=1,4





- Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn các pha với dây chống sét: Khi chưa xét ảnh hưởng của vầng quang thì hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét được tính như sau:
(1-11) Trong đó các hệ số trên được xác định bằng phép chiếu gương qua mặt phẳng đất: Trong đó: h2: Độ treo cao của dây chống sét. r2: Bán kính dây chống sét. d12: Khoảng cách giữa dây dẫn và dây chống sét. D12: Khoảng cách giữa dây dẫn và ảnh của dây chống sét. Hình vẽ 1-2 Khi có xét đến ảnh hưởng của vầng quang thì hệ số ngẫu hợp K được tính theo công thức: K =
Trong đó
do chỉ có 1 dây chống sét. + Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha A: Trước tiên cần xác định các thông số: lA = 3,5 m
m
m Khoảng cách giữa dây dẫn pha A và dây chống sét:
m Khoảng cách giữa dây dẫn pha A và ảnh của dây chống sét:
m Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha A: KA=
+ Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha B: Trước tiên cần xác định các thông số: lB = 6,1 m
m
m Khoảng cách giữa dây dẫn pha B và dây chống sét:
m Khoảng cách giữa dây dẫn pha B và ảnh của dây chống sét:
m Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha B: KB=
+ Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha C: Trước tiên cần xác định các thông số: lC = 3,9 m
m
m Khoảng cách giữa dây dẫn pha C và dây chống sét:
m Khoảng cách giữa dây dẫn pha C và ảnh của dây chống sét:
m Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha C: KC=
I.2.3 Tính số lần sét đánh thẳng lên đường dây. Sét đường dây dài 100 km trong một năm có số lần sét đánh là:
Thay số với:
m
ngày =>
lần/100km/1năm. Trong thiết kế tính toán ta chọn N = 198 lần/100km/1năm. I.2.4 Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây pha.
Trong đó: N = 198 lần/100km/1năm
: Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
: Xác suất xảy ra phóng điện trên cách điện đường dây
: Xác suất hình thành hồ quang Chúng ta sẽ lần lượt xác định các thông số trên: - Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
: Được xác định theo công thức:
Ta có góc bảo vệ của dây chống sét đối với dây pha A là góc bảo vệ lớn nhất và dây dẫn pha A cũng nằm cao nhất, cho nên ta giả thiết tất cả sét đánh vòng qua dây chống sét đều đánh vào pha A:
= -2,376 =>
- Xác suất xảy ra phóng điện trên cách điện đường dây
: Khi dây dẫn bị sét đánh thì ta có thể xem mạch của khe sét ghép nốt tiếp với tổng trở sóng của dây dẫn có trị số bằng Zdd/2 (dây dẫn ghép song song nhau). Ta có tổng trở sóng của khe sét Z0 vào khoảng 200
và tổng trở sóng của dây dẫn Zdd vào khoảng 400
.
 Hình vẽ 1-3 Dòng tại điểm sét đánh:
Dòng chạy trên dây dẫn là:
=>
Phóng điện trên cách điện đường dây sẽ xảy ra khi:
=> dòng sét nguy hiểm khi sóng sét có biên độ thỏa mãn:
Như vậy xác suất xảy ra phóng điện trên cách điện đường dây là:
=
với
kV
- Xác suất hình thành hồ quang
: Xác suất hình thành hồ quang phụ thuộc vào građiên của điện áp làm việc dọc theo đường phóng điện.
quan hệ này được cho trong bảng 1-1: Bảng 1-1: Elv=
(kV/m)  50  30  20  10  
(đơn vị tương đối)  0,6  0,45  0,25  0,1   Điện áp pha trong mạng 220 kV là:
kV =>
kV/m η
Hình vẽ 1-4 Sử dụng phương pháp đồ thị ta có
=> Do vậy suất cắt đường dây 220 kV do sét đánh vòng qua dây chống sét (xét trên 100 km đường dây) là:

lần/100km/năm I.2.5 Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vào khoảng vượt:
Hình vẽ 1-5 Khi sét đánh vào dây chống sét ở trong khoảng vượt, ở nơi sét đánh cũng được biểu thị bằng cách ghép nối tiếp tổng trở sóng ZCS/2 với tổng trở sóng Z0 của khe sét.
Hình vẽ 1-6 Khi sóng điện áp truyền tới các cột lân cận do điện trở của cột điện rất bé so với tổng trở sóng của dây chống sét nên sóng sẽ bị phản xạ âm toàn phần. Để đơn giản ta giả thiết là sét đánh vào chính giữa khoảng vượt, nghĩa là các sóng phản xạ cũng đồng thời trở về điểm sét đánh. Vì tổng trở Z0 có giá trị gần bằng tổng trở xung kích của dây chống sét cho nên không có sóng phản xạ và khúc xạ tiếp và điện áp tại điểm này được xác định gần đúng theo sơ đồ trên. Giả thiết dòng điện sét có dạng siên góc:
Ta tiến hành tính toán với các thông số biến thiên: - Độ dốc đầu sóng a biến thiên từ 10 đến 100 kA/
- Độ dài đầu sóng
biến thiên từ 1 đến 10
Điện áp đặt lên chuỗi sứ cách điện khi sét đánh vào khoảng vượt đường dây là:
(1-13) Trong đó: Ucđ(a,t): Điện áp đặt lên cách điện chuỗi sứ ULV: Điện áp làm việc của đường dây Rc: Điên trở nối đất Is: Dòng điện sét K: Hệ số ngẫu hợp dữa dây dẫn và dây thu sét Với dòng điện sét có dạng: Is = at thì
Vậy:

(1-14) Ta nhận thấy nếu hệ số ngẫu hợp K nhỏ thì Ucđ(a,t) lớn do đó khi tính ta sẽ chọn pha B là pha có hệ số ngẫu hợp nhỏ nhất để tính Ucđ(a,t). KB = 0,116 Cùng với đó ta có điện trở nối đất cột: RC = 10, 15, 20
Điện kháng thân cột:
Trong đó: L0: Điện kháng đơn vị của thân cột L0 = 0,6
/m hC: Chiều cao của thân cột hC = 24,71 m =>

Điện áp ULV là điện áp làm việc trung bình của đường dây được tính:
kV Thay vào công thức trên ta được: - Với RC = 10
ta được:
=
Tiến hành tính toán với các thông số biến thiên: - Độ dốc đầu sóng a biến thiên từ 10 đến 100 kA/
- Thời gian t biến thiên từ 1 đến 10
Ta có bảng
: Bảng 1-2: a kA/
 t(
)    1  2  3  4  5  6  7  8  9  10   10  223,6  267,8  312  356,2  400,4  444,6  488,8  533  577,2  621,4   20  333,2  421,6  510  598,4  686,8  775,2  863,6  952  1040  1129   30  442,8  575,4  708  840,6  973,2  1106  1238  1371  1504  1636   40  552,4  729,2  906  1083  1260  1436  1613  1790  1967  2144   50  662  883  1104  1325  1546  1767  1988  2209  2430  2651   60  771,6  1037  1302  1567  1832  2098  2363  2628  2893  3158   70  881,2  1191  1500  1809  2119  2428  2738  3047  3356  3666   80  990,8  1344  1698  2052  2405  2759  3112  3466  3820  4173   90  1100  1498  1896  2294  2692  3089  3487  3885  4283  4681   100  1210  1652  2094  2536  2978  3420  3862  4304  4746  5188   Đặc tính Vol – giây (V-S) của chuỗi sứ cách điện: Bảng 1-3: t(
)  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10   Upđ(kV)  1780  1620  1480  1360  1280  1220  1180  1180  1180  1179   Từ các bảng thống kê trên ta vẽ được đồ thị:
Hình vẽ 1-7 Khi điện áp đặt lên chuỗi sứ lớn hơn điện áp phóng điện của chuỗi sứ thì sẽ có phóng điện, trên miền đồ thị ta xác định được các cặp thông số nguy hiểm (ai, ti). Bảng 1-4: ai(kA/
)  10  20  30  40  50  60  70  80  90  100   ti(s)  22,6  10,6  6,62  5,08  4,11  3,45  2,95  2,55  2,22  1,94   Ii(kA)  226  211  199  203  206  207  207  204  200  194   - Với RC = 15
ta được:
=
Tiến hành tính toán với các thông số biến thiên: - Độ dốc đầu sóng a biến thiên từ 10 đến 100 kA/
- Thời gian t biến thiên từ 1 đến 10
Ta có bảng
: Bảng 1-5: a kA/
 t(
)    1  2  3  4  5  6  7  8  9  10   10  246  312  378  445  511  577  644  710  776  842   20  377  510  643  775  908  1040  1173  1306  1438  1571   30  509  708  907  1106  1305  1504  1703  1901  2100  2299   40  641  906  1171  1436  1702  1967  2232  2497  2762  3028   50  773  1104  1436  1767  2099  2430  2762  3093  3425  3756   60  772  1037  1302  1567  1832  2098  2363  2628  2893  3158   70  1036  1500  1964  2428  2892  3356  3821  4285  4749  5213   80  1168  1698  2228  2759  3289  3820  4350  4880  5411  5941   90  1299  1896  2493  3089  3686  4283  4880  5476  6073  6670   100  1431  2094  2757  3420  4083  4746  5409  6072  6735  7398   Đặc tính Vol – giây (V-S) của chuỗi sứ cách điện: Bảng 1-6: t(
)  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10   Upđ(kV)  1780  1620  1480  1360  1280  1220  1180  1180  1180  1179   Từ các bảng thống kê trên ta vẽ được đồ thị:
Hình vẽ 1-8 Khi điện áp đặt lên chuỗi sứ lớn