Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp PHẦN I TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV VĨNH YÊN SVTH: Hoàng Chung Nam GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp CHƢƠNG I HIỆNTƢỢNG DÔNGSÉTVÀẢNHHƢỞNGCỦANÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆTNAM Hệ thống điện phận hệ thống lượng bao gồm nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp hộ tiêu thụ điện Trong trạm biến áp, đường dây phần tử có số lượng lớn quan trọng Trong trình vận hành phần tử chịu ảnh hưởng nhiều tác động thiên nhiên như: mưa, gió, bão đặc biệt nguy hiểm bị ảnh hưởng sét Khi có cố sét đánh vào trạm biến áp đường dây gây hư hỏng cho thiết bị trạm dẫn tới việc gián đoạn cung cấp điện gây thiệt hại lớn tới kinh tế Để nâng cao mức độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu chi phí thiệt hại nâng cao độ an toàn vận hành phải tính toán bố trí bảo vệ chống sét cho hệ thống điện 1.1.Hiệntƣợngdôngsét 1.1.1.Giảithíchhiệntƣợng Dông tượng thời tiết tự nhiên kèm theo sấm, chớp xảy Cơn dông hình thành có khối khí nóng ẩm chuyển động thẳng Cơn dông kéo dài từ 30 phút đến 12 tiếng trải rộng từ vài chục đến vài trăm km Trong giai đoạn đầu phát triển dông, khối không khí nóng ẩm chuyển động thẳng đứng đám mây Sự phân bố điện tích mây dông phức tạp Khảo sát thực nghiệm cho thấy, thông thường mây dông có kết cấu sau: vùng điện tích âm nằm khu vực độ cao km, vùng điện tích dương phần đám mây độ cao 8-12km khối điện tích dương nhỏ phía chân mây Khi vùng điện tích đủ mạnh xảy phóng điện sét Quá trình phóng điện sét phóng điện đám mây với đám mây với đất, tượng phóng điện từ đám mây mang điện tích âm sang đám mây mang điện tích dương Quá trình phóng điện sét mây – mây dừng hai đám mây trung hòa hết điệntích Khoảng 80% số trường hợp phóng điện sét mây – đất đám mây tích điện âm Khi đám mây tích điện với mật độ điện tích lớn, tạo cường độ điện trường lớn hình thành dòng phát triển phía mặt đất Giai đoạn giai đoạn phóng điện tiên đạo Tia tiên đạo môi trường Plasma có điện tích lớn Tốc độ di chuyển trung bình tia tiên đạo lần phóng khoảng 1,5.10 7cm/s Ở lần phóng điện nhanh đạt tới 20.108cm/s, trung bình đợt sét có khoảng lần phóng điện liên tiếp đám mây hình thành nhiều trung tâm điện tích Dưới mặt đất hiệu ứng bề mặt mà tập trung nhiều điện tích dương Nếu điện tích mặt đất đồng (điện trở suất điểm nhau) tia tiên đạo phát triển theo hướng vuông góc với mặt đất Nếu điện trở suất vị trí khác điện tích dương tập trung nơi có điện trở suất nhỏ mục tiêu tia tiên đạo, tính chọn lọc phóng điệnsét SVTH: Hoàng Chung Nam GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp tia tiên đạo Hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt Địa điểm phụ thuộc điện trở suất Dòng phóng điện ngược Hoàn thành phóng điện sét Hình 1.1Các giai đoạn phát triển phóng điện sét Tia tiên đạo gần mặt đất cường độ điện trường lớn, trình ion hóa mãnh liệt tạo nên nhiều thác điện tử có dòng phóng điện ngược từ mặt đất lên với tốc độ 1,5.109 – 1,5.1010 cm/s Trong giai đoạn điện tích mây theo dòng Plasma xuống đất tạo nên dòng nơi sét đánh Như trình phóng điện chuyển từ phóng điện tiên đạo sang phóng điện ngược dòng điện tích dương giảm dần điện đám mây tới trị số lúc trình phóng điện kết thúc 1.1.2 Tình hình dông sét ViệtNam Việt Nam nước khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét mạnh Theo tài liệu thống kê cho thấy miền đất nước Việt Nam có đặc điểm mùa dông sét khác nhau: Ở miền Bắc mùa dông sét tập trung khoảng từ tháng đến tháng 9, số ngày dông dao động từ 70 đến 110 ngày năm số lần dông từ 150 đến 300 lần, trung bình ngày xảy từ đến dông Vùng dông sét nhiều miền Bắc Móng Cái Tại hàng năm có từ 250 đến 300 lần dông tập trung khoảng 100 đến 110 ngày Tháng nhiều dông sét tháng 7, tháng Một số vùng có địa hình thuận lợi thường khu vực chuyển tiếp vùng núi vùng đồng bằng, số trường hợp dông sét lên tới 200 lần, số ngày dông sét lên đến 100 ngày năm Các vùng lại có từ 150 đến 200 dông năm, tập trung khoảng 90 đến 100 ngày Vùng phía Bắc duyên hải Trung Bộ khu vực tương đối nhiều dông sét tháng 4, từ tháng đến tháng số ngày dông khoảng 10 ngày/tháng, tháng nhiều dông sét (tháng 5) quan sát 12 đến 15 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng ), tháng đầu mùa (tháng 4) tháng cuối mùa (tháng 10) dông sét ít, tháng gặp từ đến ngày dông sét SVTH: Hoàng Chung Nam GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) khu vực dông sét nhất, thường có tháng 5, số ngày dông sét khoảng 10 ngày/tháng Tuy Hoà 10 ngày/tháng, Nha Trang ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng Ở miền Nam, khu vực nhiều dông sét đồng Nam Bộ từ 120 đến 140 ngày/năm, thành phố Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/năm Mùa dông sét miền Nam dài mùa dông sét miền Bắc từ tháng đến tháng 11 trừ tháng đầu mùa (tháng 4) tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày dông sét quan sát trung bình có từ 15 đến 20 ngày/tháng, tháng tháng nhiều dông sét nhấttrung bình gặp 20 ngày dông/tháng thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23ngày Ở khu vực Tây Nguyên, mùa dông sét ngắn số lần dông sét hơn, tháng nhiều dông sét tháng quan sát khoảng 15 ngày dông Bắc Tây Nguyên, 10 đến 12 ngày Nam Tây Nguyên, KonTum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, Plêiku 17 ngày Bảng 1.1: Thông số dông sét số vùng Số ngày dông Số dông Mật độ sét Tháng trung bình trung bình( trung bình nhiềudôngs (ngày/năm) giờ/năm) étnhất Vùng Miền núi trung du Bắc Bộ 61,6 219,1 6,33 44 95,2 3,55 5; Cao nguyên miền Trung 47,6 126,21 3,31 5; Đồng ven biển Nam 81,1 215,6 6,47 Đồng miền Nam 60,1 89,32 5,17 5; Ven biển miền Trung Bộ Bảng 1.2: Số ngày dông sét tháng số vùng ThángĐịa điểm 12 Cả năm 10 11 0,5 0,0 94 PHÍA BẮC Cao Bằng 0,2 0,6 4,2 5,9 12 17 20 19 10 11 Bắc Cạn 0,1 0,3 3,0 7,0 12 18 20 21 10 2,8 0,2 0,1 97 Lạng Sơn 0,2 0,4 2,6 6,9 12 14 18 21 10 2,8 0,1 0,0 90 Móng Cái 0,0 0,4 3,9 6,6 14 19 24 24 13 4,2 0,2 0,0 112 Hồng Gai 0,1 0,0 1,7 1,3 10 15 16 20 15 2,2 0,2 0,0 87 Hà Giang 0,1 0,6 5,1 8,4 15 17 22 20 9,2 2,8 0,9 0,0 102 SVTH: Hoàng Chung Nam GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực SaPa 0,6 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 2,6 6,6 12 13 15 16 18 7,3 3,0 0,9 0,3 97 Lào Cai 0,4 1,8 7,0 10 12 13 17 19 8,1 2,5 0,7 0,0 93 Yên Bái 0,2 0,6 4,1 9,1 15 17 21 20 11 4,2 0,2 0,0 104 Tuyên Quang 0,2 0,0 4,0 9,2 15 17 22 21 11 4,2 0,5 0,0 106 Phú Thọ 0,0 0,6 4,2 9,4 16 17 22 21 11 3,4 0,5 0,0 107 Thái Nguyên 0,0 0,3 3,0 7,7 13 17 17 22 12 3,3 0,1 0,0 97 Hà Nội 0,0 0,3 2,9 7,9 16 16 20 20 11 3,1 0,6 0,9 99 Hải Phòng 0,0 0,1 7,0 7,0 13 19 21 23 17 4,4 1,0 0,0 111 Ninh Bình 0,0 0,4 8,4 8,4 16 21 20 21 14 5,0 0,7 0,0 112 Lai Châu 0,4 1,8 13 12 15 16 14 14 5,8 3,4 1,9 0,3 93 Điện Biên 0,2 2,7 12 12 17 21 17 18 8,3 5,3 1,1 0,0 112 Sơn La 0,0 1,0 14 14 16 18 15 16 6,2 6,2 1,0 0,2 99 Nghĩa Lộ 0,2 0,5 9,2 9,2 14 15 19 18 10 5,2 0,0 0,0 99 Thanh Hoá 0,0 0,2 7,3 7,3 16 16 18 18 13 3,3 0,7 0,0 100 Vinh 0,0 0,5 6,9 6,9 17 13 13 19 15 5,6 0,2 0,0 95 Con Cuông 0,0 0,2 13 17 14 13 20 14 5,2 0,2 0,0 103 Đồng Hới 0,0 0,3 6,3 6,3 15 9,6 9,6 11 5,3 0,3 0,0 70 Cửa Tùng 0,0 0,2 7,8 7,8 18 7, 10 12 12 5,3 0,3 0,0 85 13 12 PHÍA NAM Huế 0,0 0,2 1,9 4,9 10 6,2 5,3 5,1 4,8 2,3 0,3 0,0 41 Đà Nẵng 0,0 0,3 2,5 6,5 14 11 9,3 8,9 3,7 0,5 0,0 69 Quảng Ngãi 0,0 0,3 1,2 5,7 10 13 9,7 1,0 7,8 0,7 0,0 0,0 59 Quy Nhơn 0,0 0,3 0,6 3,6 8,6 5,3 5,1 7,3 9,6 3,3 0,6 0,0 43 Nha Trang 0,0 0,1 0,6 3,2 8,2 5,2 4,6 5,8 8,5 2,3 0,6 0,1 39 Phan Thiết 0,2 0,0 0,2 4,0 13 7,2 8,8 7,4 9,0 6,8 1,8 0,2 59 Kon Tum 0,2 1,2 6,8 10 14 8,0 3,4 0,2 8,0 4,0 1,2 0,0 58 SVTH: Hoàng Chung Nam 12 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Plêiku 0,3 1,7 5,7 12 16 9,7 7,7 8,7 9,0 2,0 0,1 90 Đà Lạt 0,6 1,6 3,2 6,8 10 8,0 6,3 4,2 6,7 3,8 0,8 0,1 52 Blao 1,8 3,4 11 13 10 5,2 3,4 2,8 7,2 7,0 4,0 0,0 70 Sài Gòn 1,4 1,0 2,5 10 22 19 138 17 16 17 19 15 11 2,4 Từ bảng ta thấy Việt Nam nước phải chịu nhiều ảnh hưởng dông sét, điều bất lợi cho hệ thống điện, đòi hỏi ngành điện phải đầu tư tốt vào thiết bị chống sét, đồng thời phải trọng tính toán thiết kế công trình điện để hệ thống điện vận hành kinh tế, hiệu quả, đảm bảo cung cấp điện liên tục tincậy 1.2.Ảnhhƣởngcủadôngsétđếnhệthốngđiện Khi có sét, biên độ dòng sét đạt tới hàng trăm kA, nguồn sinh nhiệt vô lớn dòng điện sét qua Thực tế có dây tiếp địa phần nối đất không tốt, bị dòng điện sét tác dụng bị nóng chảy đứt, chí có cách điện sứ bị dòng điện sét tác dụng bị vỡ chảy nhũ thạch Phóng điện sét kèm theo việc di chuyển không gian lượng điện tích lớn, tạo điện từ trường mạnh, nguồn gây nhiễu loạn vô tuyến thiết bị điện tử, ảnh hưởng rộng, nơi cách xa hàng trămkm Bảng 1.3 Tình hình cố lưới điện miền Bắc từ năm 1987-2009 Loại cố năm Dưới 220kV Tổng số Đường dây Phả Lại-Hà Đông Vĩnh cửu Tổng số Vĩnh cửu Do sét 1987 2 1989 5 1996 24 2000 25 1 2004 30 1 2009 19 4 Tổng số 106 16 22 11 Khi sét đánh thẳng vào đường dây xuống mặt đất gần khu vực đường dây có qua sinh sóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên điện áp tác dụng lên cách điện đường dây Khi cách điện đường dây bị phá hỏng gây nênngắnmạchpha-đấthoặcngắnmạchpha-phabuộccácthiếtbịbảovệđầuđường dây phải làm việc Với nhữngđường dây truyền tải công suất lớn, máy cắt cắt gây ổn định cho hệ thống, hệ thống tự động nhà máy điện làm việc không nhanh dẫn đến rã lưới Sóng sét truyền từ đường dây vào trạm biến áp sét đánh thẳng vào trạm biến áp gây nên phóng điện cách điện trạm biến áp, điều nguy hiểm tương đương với việc ngắn mạch SVTH: Hoàng Chung Nam GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp góp dẫn đến cố trầm trọng Mặt khác, có phóng điện sét vào trạm biến áp, chống sét van đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu cách điện máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùnglớn Trong tổng số cố vĩnh cửu đường dây 220kV Phả Lại - Hà Đông nguyên nhân sét 8/11 chiếm 72% Vì đường dây Phả Lại-Hà Đông đường dây quan trọng miền Bắc nên lấy kết làm kết chung cho cố lưới điện toàn miền Bắc Qua ta thấy cố sét gây lớn, chiếm chủ yếu cố lưới điện, dông sét mối nguy hiểm lớn đe doạ hoạt động hệ thống điện 1.3 Vấn đề chốngsét Ảnh hưởng sét lớn tới công trình xây dựng nói chung công trình điện nói riêng Do vấn đề chống sét cho công trình đặc biệt cần thiết quan trọng, nhằm hạn chế ảnh hưởng sét gây Để làm điều đó, người ta đặt cột thu sét cho công trình để thu dòng sét xuống đất Đối với đường dây tải điện không, khoảng cách đường dây lớn, trải dài nhiều vùng địa hình nên ta sử dụng dây chống sét để chống sét cho đường dây tải điện Ngoài ta sử dụng thiết bị chống sét chống sét van, chống sét ống để hạn chế tác động dòng sét cho thiết bị, tránh hậu nghiêm trọng xảy Kết luận: Sau nghiên cứu tình hình dông sét Việt Nam ảnh hưởng dông sét tới hệ thống điện, ta thấy việc tính toán chống sét cho đường dây tải điện trạm biến áp cần thiết Vì vậy, việc đầu tư nghiên cứu chống sét mức quan trọng nhằm giảm thiểu thiệt hại dông sét gây ra, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện vận hành hệ thống điện SVTH: Hoàng Chung Nam GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp CHƢƠNG II BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP 220KV VĨNH YÊN 2.1 Khái niệmchung Đối với trạm biến áp 220 kV với thiết bị đặt trời, có sét đánh trực tiếp vào trạm xảy hậu nghiêm trọng, làm hư hỏng thiết bị điện, phải ngừng cung cấp điện thời gian dài làm ảnh hưởng đến sản xuất gây chi phí tốn cho ngành điện, ảnh hưởng đến kinh tế quốc dân Do vậy, trạm biến áp thường có yêu cầu bảo vệ khácao Hiện để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta thường dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng hệ thống tập trung điện tích để định hướng cho phóng điện sét tập trung vào đó, tạo khu vực an toàn bên hệ thống Hệ thống thu sét phải gồm dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ thống nối đất Để nâng cao tác dụng hệ thống trị số điện trở nối đất phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện sét cách nhanh nhất, đảm bảo cho dòng điện sét qua điện áp phận thu sét không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến thiết bị khác gầnđó Ngoài thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến tiêu kinh tế cho hợp lý đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật 2.2 Các yêu cầu kỹ thuật tính toán bảo vệ chống sét đánh trựctiếp Tất thiết bị cần bảo vệ phải nằm gọn phạm vi bảo vệ an toàn hệ thống bảo vệ Ở đây, hệ thống bảo vệ trạm 220 kV ta dùng hệ thống cột thu lôi dây thu lôi, hệ thống đặt thân công trình độc lập tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể Đặt hệ thống thu sét thân công trình tận dụng độ cao phạm vi bảo vệ giảm độ cao cột thu lôi Nhưng mức cách điện trạm phải đảmbảoantoàntrongđiềukiệnphóngđiệnngượctừhệthốngthusétsangthiếtbị, dòng điện sét gây nên điện áp giáng điện trở nối đất phần điện cảm cột, phần điện áp lớn gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến phần tử mang điện trạm mức cách điện không đủ lớn Do điều kiện để đặt cột thu lôi hệ thống xà trạm mức cách điện cao trị số điện trở tản phận nối đất nhỏ Đối với trạm biến áp có điện áp từ 110 kV trở lên có mức cách điện cao (cụ thể khoảng cách thiết bị đủ lớn độ dài chuỗi sứ lớn) đặt cột thu lôi kết cấu trạm kết cấu có đặt cột thu lôi phải ngắn cho dòng điện sét khuếch tán vào đất theo đến hệ thống nối đất, mặt khác phải có nối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nốiđất Khâu yếu trạm biến áp trời điện áp từ 110 kV trở lên cuộn dây máy biến áp, dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp yêu cầu khoảng cách điểm nối vào hệ thống cột thu lôi điểm nối vào hệ thống nối đất vỏ máy biến áp phải lớn 15m theo đườngđiện Tiết diện dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt SVTH: Hoàng Chung Nam GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp có dòng điện sét chạyqua Đối với cấp điện áp 110 kV trở lên cần phải ý:  Ở nơi kết cấu có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ sung (dùng nối đất bổ sung) nhằm đảm bảo điện trở khuyếch tán không 4𝛺 (ứng với tần số côngnghiệp)  Khoảng cách không khí kết cấu trạm có đặt cột thu lôi phận mang điện không bé độ dài chuỗisứ Có thể nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất trạm phân phối cấp điện áp 110kV yêu cầu thực Khi dùng cột thu lôi độc lập cần phải ý đến khoảng cách cột thu lôi đến phận trạm để tránh khả phóng điện từ cột thu lôi đến vật cần bảovệ Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi dây dẫn điện phải cho vào ống chì chôn đất.Có thể nối dây chống sét vào hệ thống nối đất trạm khoảng cách từ chỗ nối đất điểm nối đất đến điểm nối đất máy biến áp lớnhơn15m 2.3 Lý thuyết để tính phạm vi bảovệ cột thu sét dây chống sét 2.3.1 Tính toán chiều cao cột thulôi Độ cao cộtthulôi: h = hx +ha Trong đó: hx : độ cao công trình cần bảo vệ : độ cao tác dụng cột thu lôi, xác định theo nhóm cột cụ thể 2.3.2 Phạm vi bảo vệ cột thulôi Phạm vi bảo vệ cột thu lôi có độ cao h tính cho độ cao h x hình chóp tròn xoay có đường sinh xác định sau: rx  1, (h  hx ) hx 1 h Hình 2.1: Phạm vi bảo vệ cho cột thu lôi SVTH: Hoàng Chung Nam GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Trongđó: h: chiều cao cột thulôi hx: chiều cao cần bảovệ (h-hx) = ha: chiều cao hiệudụng Trong tính toán, đường sinh đưa dạng đường gãy khúc ABC xác định sau: A 0,8h B hx 2h h C 1,5h 0,75h 0,75h 1,5h rx O Hình 2.2: Phạm vi bảo vệ cột thu lôi (đường sinh gấp khúc) Trong đó: AB: đường thẳng nối từ đỉnh cột đến điểm mặt đất cách xa chân cột khoảng là0,75h BC: đường thẳng nối điểm có độ cao thân cột 0,8h đến điểm mặt đất cách chân cột là1,5h Bán kính bảo vệ rx tính sau: Các công thức để sử dụng cho hệ thống thu sét có độ cao h < 30m Khi h>30mtacần hiệuchỉnh cáccôngthứcđótheo hệsốp,với p  5,5 h 2.3.3 Phạm vi bảo vệ hai hay nhiều cột thu lôi 2.3.3.1 Phạm vi bảo vệ hai cột thu lôi a Hai cột thu lôi có độ cao bằngnhau Xét cột thu lôi có độ cao h1 = h2 = h, cách khoảng a - Khi a = 7h vật nằm mặt đất khoảng cột không bị sét đánhvào - Khi a < 7h khoảng cột bảo vệ cho độ cao lớn h 0được xác định sau: h0  h  SVTH: Hoàng Chung Nam 10 a GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Và từ thời điểm này, đường cong 2Ut (t) cần phải thay đường cong: 2U t (t)  U px (t) l Zc C Uc0 Uc a) Zc I Uc0 2Ut (t) C Uc b) u u B 2Ut (t) 2Ut(t)-Upx(t) A Uc (t) Uc0 Δt1 ∆t2 ∆t3 ∆t4 ∆t5 t1 t2 t3 t4 t5 T C ∆t1 ∆t2 ∆t3 ∆t4 ∆t5 t τ=2l/v t c) Hình 5: Đồ thị điện áp tụ điện theo phương pháp tiếp tuyến 1.1.4 Xác định điện áp dòng điện chống sét van Đặc tính chống sét van: Việc tính toán chống sóng truyền vào trạm việc tính toán để lựa chọn chống sét van Chống sét van chia làm hai loại chống sét van có khe hở chống sét van không khe hở Ta chọn loại chống sét van không khe hở có nhiều ưu diểm so với loại chống sét van có khe hở Xét đặc tính V-A chống sét van viết dạng: U CSV  A.i  (1-9) Khi cho α giá trị khác nhau, ta vẽ đồ thị sau: SVTH: Hoàng Chung Nam 92 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp U, kV α=1 I II α=0,2 α=0,02 α=0 A I, kA Hình 6: Đặc tính V-A chống sét van Hệ số phi tuyến chống sét van SiC biến thiên phạm vi 0,18†0,24 hệ số phi tuyến chống sét van ZnO biến thiên phạm vi 0,02†0,03 Hình  Miền II ứng với miền làm việc chống sét van có dòng điện I ≥ 1kA Khi điện áp dư loại chống sét van có điện trở phi tuyến làm ZnO thấp loại chống sét van có điện trở phi tuyến làm SiC Như sử dụng loại chống sét van dùng điện trở phi tuyến làm ZnO có độ an toàn cao (do điện áp dư thấp khả nguy hiểm đến thiết bị khác trạm giảm xuống) làm giảm thấp mức cách điện xung kích trạm  Miền I ứng với điện áp, dòng điện rò điện trở ZnO bé so dòng rò điện trở SiC bé đến mức nối trực tiếp loại điện trở vào lưới điện mà không cần dao cách ly khe hở chống sét van cổ điển (dùng điện trở phi tuyến SiC) Xác định điện áp dòng điện chống sét van Sơ đồ Petersen xác định điện áp chống sét van sau: U1 U2 ZCSV Zdt 2Udt UCSV ZCSV Hình 7: Sơ đồ thay Petersen cho chống sét van SVTH: Hoàng Chung Nam 93 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Từ sơ đồ thay thế, ta có phương trình:  2U dt  Zdt iCSV  A.i CSV (1-10) đó: A  295   0,025 Mặt khác, ta biết đặc tính V-A chống sét van: U CSV  f (i CSV )  A.i CSV nên ta vẽ đồ thị Hình Vì UCSV (t) ICSV (t) phụ thuộc hoàn toàn vào đặc tính V-S chống sét van nên ta có cách tính UCSV (t) ICSV (t) theo phương pháp đồ thị sau: - Phần bên phải vẽ đường đặc tính V-A: U CSV  f (i CSV ) điện áp giáng tổng trở Ztd Ztd iCSV , sau xây dựng đường cong UCSV  Ztd iCSV phương pháp cộng đồ thị tương ứng với giá trị iCSV - Phần bên trái ta vẽ quan hệ 2U td (t) Ứng với sóng ta xác định điểm a đường 2U td (t) , từ điểm a ta dóng sang bên phải song song với trục OI, gặp đường cong UCSV  Ztd iCSV điểm b, từ điểm b ta dóng xuống song song với trục OU, gặp đường UCSV điểm c, từ điểm c ta dóng song song với trục Ot gặp đường dóng thẳng từ điểm a xuống song song với OU d, d giá trị U CSV (t) ứng với giá trị 2U td (t) điểm a Từ c ta tiếp tục dóng thẳng xuống trục OI cắt trục OI g, từ g ta chuyển sang toạ độ ICSV (t) ta có điểm h (với Oh  Og ) Từ h ta dóng song song với Ot gặp đường dóng thẳng từ a xuống e, e giá trị ICSV (t) ứng với giá trị 2U td (t) điểm a Thay đổi nhiều giá trị a khác làm theo cách tương tự ta có đường cong đặc tính UCSV (t) ICSV (t) U, kV 2Udt Ut (t) UCSV + iCSV.Zdt a b iCSV.Zdt UCSV (t) t O ICSV (t) UCSV c d g I, kA h e ICSV, kA Hình 8: Đồ thị xác định U(t), I(t) chống sét van từ đặc tính V-A SVTH: Hoàng Chung Nam 94 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 1.2 Sơ đồ tính toán Khi lập sơ đồ tính toán cần xác định chế độ vận hành nguy hiểm mặt bảo vệ sóng truyền vào trạm, điều đảm bảo số liệu tính toán cho khả xác định mức độ bảo vệ an toàn cao Sơ đồ xuất phát thường phức tạp, để trình tính toán không phức tạp cần có đơn giản hóa hợp lý Có thể tiến hành theo trình tự sau: + Dựa vào sơ đồ nguyên lý lập sơ đồ thay trạm trạng thái sóng Trong sơ đồ thay đường dây, góp thay đoạn đường dây dài với tổng trở sóng chúng Trong tính toán thường lấy gần tổng trở sóng Z = 400 Ω cho đường dây góp Tốc độ truyền sóng lấy v = 300 m/µs Các thiết bị khác thay điện dung tập trung tương đương Có thể lấy trị số theo bảng sau: Bảng 1: Giá trị điện dung tương đương thay số thiết bị Loại thiết bị Máy biến áp điện lực Điện dung,(pF) Đặc tính thiết bị T.số giới hạn T số trung bình Công suất lớn, có bù điện dung 1000-3000 1500 Công suất bé, không bù điện dung 300-1000 500 200-500 300 Ở trạng thái đóng 300-800 500 Ở trạng thái mở 200-500 300 Ở trạng thái đóng 40-80 60 Ở trạng thái mở 30-60 40 Kiểu tụ điện 150-300 200 Kiểu khác 100-200 150 Máy biến áp đo lường Máy cắt điện Dao cách ly Sứ xuyên + Căn vào sơ đồ đầy đủ lập với chiều dài đoạn dây, góp biết, phân tích sơ bộ, tìm trạng thái vận hành bất lợi Thường trạng thái mà thiết bị cần bảo vệ (máy biến áp, máy cắt…) xa chống sét van, trình lan truyền sóng đường dây qua nút có điện dung tập trung nhiều đường dây rẽ nhánh + Tiến hành đơn giản hóa sơ đồ theo nguyên tắc sau: Các nút gần điểm nối vào góp nhập chung thành nút nhằm làm giảm khối lượng tính toán Các điện dung tập trung không nằm vị trí cần xác định điện áp nút phân nhánh đường truyền sóng di chuyển nút gần theo nguyên tắc mô men, nghĩa điện dung chia làm hai phần di chuyển phía hai nút gần với trị số tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ đến nút SVTH: Hoàng Chung Nam 95 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Trình tự tính toán Điện cảm đơn vị dài góp: Z 400 L  v 300  1,33 (µH/m) Điện dung đơn vị dài góp: 1 C  Z.v 300.400  8,33 (pF/m) Trạm biến áp 110kV mà ta cần tính toán bảo vệ chống sóng truyền vào từ đường dây có sơ đồ nguyên lý sau: T1 CL CL CL CL D1 MC MC CSV BU T2 CL CL CL CL D2 MC MC Hình 9:Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp Từ sơ đồ ta thấy trạng thái vận hành nguy hiểm trạng thái mà trạm vận hành với máy biến áp T1 đường dây D2, đường dây D1 hở mạch máy biến áp T2 nghỉ Sau cắt đường dây D1 máy biến áp T2 nghỉ ta có sơ đồ thay trạm trạng thái nguy hiểm hình 11 D1 MC CL 15 500 60 MC CL CL 7 16 60 60 500 60 14 1500 BU CL T1 CL 7 60 300 CSV MC CL D2 60 CL 500 MC CL 15 16 60 60 T2 CL 7 500 60 14 1500 Hình 10: Sơ đồ thay trạng thái đầy đủ SVTH: Hoàng Chung Nam 96 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp MC CL 16 60 500 60 T1 CL 14 1500 BU CL 60 300 CSV MC CL D2 CL 60 15 7 500 60 Hình 11: Sơ đồ thay trạng thái nguy hiểm Tiến hành tính điện dung điểm sơ đồ rút gọn sơ đồ điểm sau + Điểm điểm đặt dao cách ly đường dây có sóng sét truyền qua + Điểm điểm đặt góp trạm biến áp + Điểm điểm đặt máy biến áp có sóng sét truyền đến + Điểm điểm đặt chống sét van Điện dung góp là: CTG  C0 LTG  8,33.16  133, 28( pF ) Do tính điện dung góp nên ta gộp góp vào điểm: Khoảng cách điểm sau: + Điểm 1-2: L12  29(m) + Điểm 2-4: L24  19(m) + Điểm 2-3: L 23  44(m) 44 C1 29 C3 C2 19 C4 CSV Hình 12: Sơ đồ rút gọn SVTH: Hoàng Chung Nam 97 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Ta quy đổi điện dung điểm cần xét theo quy tắc momen lực: lb lA C CA CB Hình 13: Quy tắc monen lực l l C A  C B C B  C A lA  lB lA  lB Do ta có: C 22 CCL 15 500.22 60.15 C1  CCL  MC   60    470,345(pF) 29 29 29 29 C 12 CCL 300.12 60.6 C  BU     208, 412(pF) 19 19 19 19 C 30 C MC 23 CCL 16 C3  CT1  CL   44 44 44 60.30 500.23 60.16  1500     1824,091(pF) 44 44 44 C2  CTG  5.CCL  2.CMC  CBU  CMBA  C1  C4  C3  133, 28  5.60  2.500  300  1500  470,345  208, 412  1824,091  730, 423(pF) 2.1 Thiết lập phƣơng pháp tính điện áp nút sơ đồ rút gọn a Thời gian truyền sóng nút Sóng truyền tới trạm dạng xiên góc, xuất đường dây truyền vào trạm 110 kV với biên độ lớn U 50%  660 kV độ dốc dầu sóng a  300 (kV/µs) U 50% 660   2, 2(s) a 300 Ta tính toán với sóng truyền vào trạm sóng xiên góc có phương trình: a.t(t  ds ) u (kV)  U 50% (t  ds ) Thời gian truyền sóng từ nút đến nút phản xạ lại tới nút là: l 29 2t12  12   0,19(s) v 300 Thời gian truyền sóng từ nút đến nút phản xạ lại tới nút là: l 19 2t 24  24   0,13(s) v 300 Thời gian truyền sóng từ nút đến nút phản xạ lại tới nút là: ds  SVTH: Hoàng Chung Nam 98 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp l23 44   0, 29(s) v 300 Chọn t  0,01(s) ước số chung t12 , t 24 , t 23 gốc thời gian t  nút 2t 23  b Tính điện áp nút Nút có đường dây tới tổng trở sóng Z  400() Tổng trở tập trung nút tụ điện dung C1  470,345(pF), ta có sơ đồ thay Peterson sau: Ut Z Z Zdt C1= 470,345 pF 2Udt C1= 470,345 pF Hình 14: Sơ đồ tính điện áp nút Tổng trở sóng đẳng trị là: Z 400 Zdt    200() 2 2Z 2.200 1  dt  1 Z 400 2U dt    m1 U 'm1  U '01  U '21 Suy m 1 ' 01 ' 21 Với U U sóng tới nút sóng phản xạ từ đường dây nút truyền + Khi t  2t12  0,19 µs  U '21  chưa có sóng phản xạ từ nút tới nút ' Do 2U dt  U 01 + Khi t  2t12  0,19 µs  U '21  Do 2U dt  U '01  U '21 Do tổng trở tập trung nút điện dung C1  470,345(pF) Nên theo phương pháp tiếp tuyến ta có: + Thời gian nạp mạch: T1  Zdt C1  200.470,345.106  0,1(s) t 0,01   0,1 T1 0,1 SVTH: Hoàng Chung Nam 99 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp U1  0,1.(2U dt  U1 (t)) U1 (t  t)  U1  U1 (t) + Sóng phản xạ nút 1:  U12  U1  U '21  '  U10  U1  U 01 c Tính điện áp nút Nút có đường dây tới tổng trở sóng Z  400() Tổng trở tập trung nút tụ điện dung C2  730, 423(pF), ta có sơ đồ thay Peterson sau: Z Ut Z Zdt C2= 730,423 pF Z 2Udt C2= 730,423 pF Hình 15: Sơ đồ tính điện áp nút Sau tính nút khoảng t  2.t12 phải bắt đầu xét nút Tại nút có đường dây nối với điện dung ta phải áp dụng phương pháp tiếp tuyến, sơ đồ Peterson có: Z 400 Zdt    133() 3 2Z 2.133 1  dt   0,667 Z 400 Suy ' ' 2U dt    m2 U 'm2  0,667(U12  U32  U '42 ) m 1 ' ' , U32 , U '42 sóng tới nút sóng phản xạ từ nút 1,3 nút Với U12 truyền ' 0 + Khi t  t12  2t 24  0,1  0,13  0, 23 µs  U '42  0, U32 ' Do 2U dt  0,667U12 ' 0 + Khi t12  2t 24  t  t12  2t 23  0,1  0,  0,39 µs  U '42  0, U32 '  U '42 ) Do 2U dt  0,667(U12 ' 0 + Khi t  t12  2t 23  0,39 µs  U '42  0, U32 ' '  U32  U '42 ) Do 2U dt  0,667(U12 SVTH: Hoàng Chung Nam 100 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Để tính 2U dt khoảng thời gian t  t12  t 23 ta phải quan tâm tới nút 3,4 Ta tạm dừng tính nút tính nút 3,4 khoảng thời gian từ t  t12 đến t  t12  t 23 Sau tính điện áp nút 3,4 ta quay lại tính điện áp nút ' U32  U32 (t  0,127) với U32  U3  U '23 U '42  U 42 (t  0,057) với U 42  U  U '24 Biết 2U dt , Zdt C tính điện áp nút theo phương pháp tiếp tuyến + Thời gian nạp mạch: T2  Zdt C2  133.730, 423.106  0,097(s) t 0,01   0,103 T2 0,097 U2  0,103.(2Udt  U2 (t)) U2 (t  t)  U2  U2 (t) + Sóng phản xạ nút 2: '  U 21  U  U12  '  U 23  U  U32  '  U 24  U  U 42 Khi thời gian (tương nút 2): t  2t 24  0,13 (µs) t  2t 23  0, 29 (µs) '  U24  U23  U2 U '42  U 32 d Tính điện áp nút Nút có đường dây tới tổng trở sóng Z  400(Ω) Tổng trở tập trung nút tụ điện dung C3  18424,091(pF), ta có sơ đồ thay Peterson sau: Ut Z Zdt C3= 1824,091 pF 2Udt C3= 1824,091 pF Hình 16: Sơ đồ tính điện áp nút Tổng trở sóng đẳng trị là: Zdt  Z  400 SVTH: Hoàng Chung Nam 101 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Hệ số khúc xạ nút là: 1  2Zdt 2.400  2 Z 400 2U dt  .U '23  2.U '23 Suy Với U 23' sóng tới nút sóng phản xạ từ nút truyền tới U '23  U 23 (t  t 23 ) ' U 23  U  U32 Do tổng trở tập trung nút điện dung C3  1824,091(pF) Nên theo phương pháp tiếp tuyến ta có: + Thời gian nạp mạch: T1  Zdt C1  400.1824,091.106  0,730(s) t 0,01   0,014 T3 0,730 U3  0,014.(2U dt  U3 (t)) U3 (t  t)  U3  U3 (t) e Điện áp nút Nút có đường dây tới tổng trở sóng Z  400(Ω) Tổng trở tập trung nút tụ điện dung C4  208, 421 (pF) mắc song song với chống sét van không khe hở ZnO Ta có sơ đồ thay Peterson sau: Ut Z Zdt C 4= 208,421 pF CSV 2Udt C 4= 208,421 pF Hình 17: Sơ đồ tính điện áp nút Ta dùng chống sét van khe hở nên chống sét van làm việc, tác dụng điện dung C không đáng kể Trong sơ đồ Peterson ta xét tổng trở chống sét van mà bỏ qua điện dung C  U csv  K.Icsv đó: K  295,   0,025 U csv  Icsv Zdt  2.U '24  2.U dt với Zdt  400(Ω) Ta có U '24 sóng phản xạ từ nút truyền tới SVTH: Hoàng Chung Nam 102 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp U '24  U 24 (t  t 24 )  U 24 (t  0,057) U 24  U  U '42 Khi t  t12  2t 24  0,1  0,13  0,23 (µs) U '42  U24  U2 Ta tính U khoảng phương pháp đồ thị (dựa vào Udt , Zdt đặc tính V-A chống sét van) Khi t  2t 24  0,13 (µs) U '42  tính tiếp có U bước trước Quá trình tính toán lặp lặp lại nút 2.2 Các đặc tính cách điện nút cần bảo vệ a Đặc tính chịu đựng máy biến áp 110 kV Tra giáo trình Kĩ thuật điện cao áp ta có đặc tính chịu áp máy biến áp 110 kV : Bảng 2: Điện áp chịu đựng máy biến áp theo thời gian t(µs) 1,5 10 U/Umax 0,3 0,98 0,95 0,92 0,89 0,85 U(kV) 165 550 539 522,5 506 489,5 467,5 Umba(kV) U(kV) 600 500 400 300 200 100 t(µs) 0 10 12 Hình 18: Đồ thị điện áp chịu đựng máy biến áp b Đặc tính V-A chống sét van 0,025 U csv  295.Icsv Theo giáo trình “Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp tác giả Nguyễn Minh Chước” trang 99 ta có đặc tính V-S đặc tính V-A chống sét van 110 kV hình vẽ sau: SVTH: Hoàng Chung Nam 103 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 400 Ucsv=f(iCSV) Ucsv=f(t) 300 200 100 0 5 I (kA) t (µs) Hình 19: Đặc tính V-S đặc tính V-A chống sét van 110 kV c Đặc tính cách điện góp Đặc tính cách điện góp đặc tính cách điện chuỗi sứ Bảng 3: Đặc tính V-S góp t(µs) U(kV) 1020 10 960 900 855 830 810 805 1050 800 797 795 1200 Utg(kV) U(kV) 1000 800 600 400 200 t(µs) 10 15 Hình 20: Đồ thị đặc tính V-S góp 2.3 Kiểm tra an toàn thiết bị trạm a Kiểm tra điện áp tác dụng lên cách điện máy biến áp Dựa vào kết tính sóng truyền phầ n phu ̣ lu ̣c ta có hình vẽ: SVTH: Hoàng Chung Nam 104 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp U(kV) 600 500 400 300 200 100 t(µs) 0 U3 10 12 Umba(kV) Hình 21: Kiểm tra tác dụng lên cách điện máy phát + U mba : Đường biểu thị đặc tính cách điện máy biến áp Trong đó: + U : Đường biểu thị đặc tính điện áp tác dụng lên cách điện máy biến áp có sóng sét với độ dốc a  300 (kV/μs) truyền vào trạm qua đường dây 110kV b Kiểm tra dòng điện qua chống sét van Dựa vào kết tính sóng truyền phầ n phu ̣ lu ̣c ta có hình vẽ: Icsv I(kA) 3.5 2.5 1.5 0.5 t(µs) 0.5 1.5 2.5 3.5 Hình 22: Dòng điện qua chống sét van c Kiểm tra an toàn cách điện cho góp 110 kV SVTH: Hoàng Chung Nam 105 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Dựa vào kết tính sóng truyền phầ n phu ̣ lu ̣c ta có hình vẽ: U(kV) 1200 1000 800 600 400 200 t(µs) 0 Utg(kV) U2 10 12 Hình 23: Kiểm tra an toàn cách điện góp 110 kV Trong đó: + U tg : Biểu thị đường đặc tính cách điện góp + U : Biểu thị đường đặc tính điện áp xuất góp cósóng sét với độ dốc a = 300(kV/μs) truyền vào trạm qua đường dây 110kV Kế t luâ ̣n Sóng khúc xạ giảm số lượng đường dây tăng lên ngược lại Khi sóng lan truyền từ đường dây vào trạm theo sơ đồ Peterson điện áp góp giảm (n  1) lần có n lộ đường dây nối vào góp Trong phần tính toán ta tính cho trường hợp nguy hiểm trường hợp vận hành với đường dây máy biến áp Từ đồ thị ta thấy sóng có độ dốc a  300 (kV/μs) truyền vào trạm thì: + Điện áp xuất góp 110kV trạm có sóng sét truyền trạm vào nằm đăc tính phóng điện chuỗi sứ cách điện góp 110kV trạm an toàn (hình 23) + Dòng điện qua chống sét van nhỏ 10kA đảm bảo cho chống sét làm việc bình thường (hình 22) + Điện áp tác dụng lên cách điện máy biến áp có sóng truyền vào trạm bé điện áp chịu đựng máy biến áp máy biến áp bảo vệ an toàn có sóng truyền vào trạm (hình 21) Vậy đặt lại vị trí chống sét van vào gần với góp để giảm điện áp tác dụng lên cách điện máy biến áp có sóng truyền vào trạm SVTH: Hoàng Chung Nam 106 GVHD: TS Đặng Thu Huyền ... SVTH: Hoàng Chung Nam 26 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Kết luận: Phương án thỏa mãn yêu cầu đặt - Phía 220kV dùng cột cao 24m đặt xà cao... Tính độ cao treo dây thu sét SVTH: Hoàng Chung Nam 27 GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Phía 220 kV: Ta thiết kế hai dây thu sét có độ cao Để... dông sét gây ra, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện vận hành hệ thống điện SVTH: Hoàng Chung Nam GVHD: TS Đặng Thu Huyền Trường đại học Điện Lực Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp CHƢƠNG II BẢO