Đang tải... (xem toàn văn)
BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP Biên soạn và trình bày: TS. Nguyễn Đức Tường CHƯƠNG 3 2 Trang bị bảo vệ chống sét cấp 1 cho các phần tử trong Hệ thống điện Giới thiệu chung. 1. Mô hình hình học. 2. Mô hình điện hình học. 3. Tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện. 4. Tính toán bảo vệ chống sét cho trạm biến áp
CHƯƠNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP Biên soạn trình bày: TS Nguyễn Đức Tường MỤC TIÊU Trang bị bảo vệ chống sét cấp cho phần tử Hệ thống điện Giới thiệu chung Mơ hình hình học Mơ hình điện hình học Tính tốn bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện Tính tốn bảo vệ chống sét cho trạm biến áp NỘI DUNG Giới thiệu chung Mơ hình hình học Mơ hình điện hình học Tính tốn bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện Tính tốn bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 3 GIỚI THIỆU CHUNG 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Các cấp bảo vệ: - Bảo vệ cấp 1: hạn chế ảnh hưởng phóng điện sét trực tiếp vào thiết bị phần tử hệ thống điện => Bảo vệ hệ thống chống sét đánh trực tiếp - Bảo vệ cấp 2: hạn chế độ lớn điện áp dư sóng cắt tới giới hạn an tồn cho cách điện thiết bị điện trạm biến áp nhà máy điện => Bảo vệ thiết bị chống áp (khe hở phóng điện, chống sét van ) - Bảo vệ cấp 3: Bảo vệ điện áp cảm ứng cho thiết bị điện áp thấp, điện tử, hệ thống máy tính, hệ thống tự động điều chỉnh, thiết bị truyền tín hiệu sét đánh gần trạm biến áp => Bảo vệ lọc thiết bị bảo vệ áp 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Tiêu chuẩn thiết kế IEEE Std 998-2012, “Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations” IEEE Std 1243-1997, “Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines” IEEE Std 1410-2011, “Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines” IEC 62305-2013, “Protection against lightning” NFPA 780-2014, “Standard for the Installation of Lightning Protection Systems” 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Tổng quan thiết kế o Khó dự báo xác suất ngẫu nhiên sét, o Thiếu liệu tần suất sét, o Phân tích chi tiết phức tạp, đòi hỏi chi phí cao, o Các phương pháp khơng đảm bảo bảo vệ 100% Đánh giá tầm quan trọng cơng trình cần bảo vệ, Hậu có cơng trình bị sét đánh trực tiếp, Tần suất mức độ nguy hiểm vùng bão, Phương pháp bảo vệ, Đánh giá hiệu chi phí thiết kế Hệ thống bảo vệ cấp - Bộ phận thu hút phóng điện sét kim thu sét dây thu sét - Hệ thống nối đất làm nhiệm vụ tập trung điện tích phía mặt đất 8 Kim thu sét 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG - Bộ phận dẫn dòng điện sét nối phận thu sét hệ thống nối đất Dây dẫn dòng điện sét tản dòng điện sét Hệ thống nối đất 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Lịch sử phát triển o Năm 1750, Benjamin Franklin xuất viết đề xuất thí nghiệm để chứng minh sét điện cách thả diều bão, nhn thy nú tr thnh mt cn bóo sột Thomas-Franỗois Dalibard o Ngày 15/06/1752, Franklin tiến hành thí nghiệm với diều tiếng Philadelphia thu tia lửa điện từ đám mây Benjamin Franklin 17 /01/1706 Boston, Massachusetts 17/04/1790 Philadelphia, Pennsylvania 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Phương pháp thiết kế Mơ hình hình học (≤ 69 kV): Dựa thực nghiệm để xác định phạm vi bảo vệ hệ thống thu sét (dây, kim) mơ tả, biến đổi hình học Phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào độ cao hệ thống thu sét Phương pháp góc cố định, Phương pháp đường cong thực nghiệm, Nhược điểm: - Khơng xác chiều cao cột thu sét lớn nhiều đối tượng bảo vệ, - Không kể tới độ lớn dòng điện sét 10 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP 45 Ứng dụng phương pháp cầu lăn Xác định dòng điện tới hạn ứng với cấp điện áp tính tốn 2,2.BIL IC ZS 2,068.CFO IC ZS Chọn bán kính cầu: R = S = 8.k.I2/3 Quả cầu lăn Trong đó: I = IC dòng điện tới hạn (kA), k=1 dây chống sét mặt đất, k=1,2 cột thu sét RS=AISb BIL mức cách điện xung sét cấp điện áp tính tốn (kV), CFO điện áp phóng điện xung sét trung bình (tới hạn) (kV), ZS =300400 () tổng trở sóng hệ thống chống sét Thiết bị không bảo vệ Thiết bị bảo vệ Cột chống sét Vùng bảo vệ 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP Mặt cắt vùng bảo vệ o Nếu H>RS => Phạm vi bảo vệ giảm Nhưng nhiều cột dây chống sét khơng cần thiết Đánh vào cột Cột thu sét o Bán kính bảo vệ độ cao HX: R X R D DX DX RX HX D X R S2 (R S H X ) Đánh xuống đất RS H Trong đó: 46 Đối tượng bảo vệ RD R D R S2 (R S H) RS > H RD = RS RS H Mặt vùng bảo vệ RD U CẦU CỦA BẢO VỆ Cơng trình phải nằm gọn phạm vi bảo vệ cột thu sét RX Đánh vào cột DX Vùng bảo vệ ứng với dòng điện ISCF Đánh xuống đất 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP Phạm vi bảo vệ ứng với dòng điện sét khác IC o Với S = 8.k.I0,65 Đánh xuống đất 47 Đánh vào cột Cột thu sét : • Nếu IS0 S0 Phạm vi bảo vệ bị thu hẹp Đối tượng bảo vệ có nguy bị sét đánh trúng P0 HX • Nếu IS1>ISCF => S1>S => Phạm vi bảo vệ mở rộng thêm Xác suất cố P(f) = P(IS)-P(IS0) R1 (%) Trong đó: Đánh xuống đất Đánh vào cột RX R0 P(f) xác suất cố, P(IS) xác suất xuất dòng điện I IS, P(IS0) xác suất xuất dòng điện lớn IS0 Vùng không bảo vệ H 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP 48 Suất cố o Diện tích khơng bảo vệ: A = .(R12 - R02) (km2) R1 o Số lần sét đánh vào vùng không bảo vệ: NA = Nd.A (lần/năm) R0 o Suất cố: A RF = P(f).NA (lần/năm) o Thời gian cố trung bình sét: MTBF = 1/RF (năm/1 cố) Diện tích khơng bảo vệ 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP Ví dụ: Một máy biến áp 110 kV có BIL = 650 kV, đặt vùng có số ngày dơng sét Td = 50 (ngày/năm) Tổng trở sóng cột thu sét ZS = 355 Hãy xác định xác suất cố suất cố ứng với khoảng cách sét đánh S = 40 m? Giải: IC 2,2.BIL 2,2.650 4,03 (kA) S 8.k.I 0C,65 8.1,2.4,03 20 (m) ZS 355 - Với S= 40 m => IS = 11,89 (kA) - Vùng khơng bảo vệ có: 4,03 kA < I < 11,89 kA - Xác suất có cú sét có biên độ dòng điện sét lớn 4,03 kA 11,89 kA: P(I 4,03) 1 0,99 I 2, 4,03 2,6 1 ( ) 1 ( ) 24 24 P(I 11,89) 0,861 I 2, 1 ( ) 24 => P(f) = 0,99-0,861 = 0,129 = 12,9% 49 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP Giả sử bán kính bảo vệ độ cao Hx tương ứng với S S0 R1 = 35 m R0 = 22 m thì: o Diện tích khơng bảo vệ: A = .(R12 - R02) = 3,14.(352 – 222) = 0,002328 (km2) o Số lần sét đánh vào vùng không bảo vệ: NA = Nd.A = 0,12.50.0,002328 = 0,01397 (lần/năm) o Suất cố: RF = P(f).NA = 0,129.0,01397 = 0,0018 (lần/năm) o Thời gian cố trung bình sét: MTBF = 1/RF = 1/0,0018 = 556 (năm/1 cố) 50 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP Phạm vi bảo vệ nhiều cột thu sét Sét đánh xuống đất Sét đánh vào cột 51 Sét đánh vào cột Sét đánh xuống đất Trường hợp cột chống sét RS o Phía ngồi cột thu sét tính cột HC o Phía tính cột nếu: RS X R S2 H X H h Cột DX Nếu: R S2 RD Cột H0 Vùng bảo vệ SG X PVBV độ cao HX • Độ cao H0 RX RD Mặt DX h R S H C R S R S2 R C2 với RC = X/2 Mặt cắt HX Tính tốn phối hợp cột: => H0 = H – h Quả cầu lăn Bán kính bảo vệ mặt đất DX Quả cầu lăn 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP 52 Phạm vi bảo vệ nhiều cột thu sét • Bán kính phía cột thu sét độ cao hx Mặt R0 = D0 – Dx Với: D R 2D R C RD • Phía cột thu sét bảo vệ phải thỏa mãn: HX H0 Ví dụ: b R0 D0 RX DX RD b RC R0 DX 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP 53 O Phạm vi bảo vệ nhiều cột thu sét Trường hợp cột chống sét RC RC cb b 2h a sin H0 Cột Độ cao điểm thấp H0: H H (R S R S2 R C2 ) R S2 RC c b H RS H Cột Cột o Phía cột: - Cột o Phía ngồi cột chống sét tính cột - Bán kính RC: RS HC R C2 Cột a Cột 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP Phạm vi bảo vệ nhiều cột thu sét 54 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP 55 Phạm vi bảo vệ dây thu sét Mặt cắt vùng bảo vệ o Khoảng cách DX: D X 2R S H X H 2X Dây chống sét ( m) RS H o Bề rộng BX: BX R S D X BX Dx HX ( m) BD DX BX L Mặt vùng bảo vệ 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP CHO TRẠM BIẾN ÁP Phạm vi bảo vệ dây thu sét Phạm vi bảo vệ dây thu sét 56 3.6 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ THIẾT KẾ CẤP CHO TBA Các phương án đề xuất: • Sử dụng hồn tồn cột chống sét • Sử dụng hồn tồn dây chống sét • Phối hợp dây chống sét cột chống sét Dây chống sét: Ưu điểm: - Có vùng bảo vệ lớn so với cột chống sét thường bảo vệ cấp điện áp cao, - Các trạm có diện tích lớn chi phí thấp phương án sử dụng cột chống sét Nhược điểm: - Tồn vùng hấp dẫn (DC) nên có nguy sét đánh vào thiết bị điện hay phận mang điện trạm => Người thiết kế phải chọn góc bảo vệ nhỏ để triệt tiêu hoàn toàn vùng hấp dẫn 57 3.6 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ THIẾT KẾ CẤP CHO TBA Cột chống sét: Ưu điểm: - Có khả thu hút sét khoảng cách lớn khoảng 1,2 lần so với dây chống sét, - Cùng độ cao cột chống sét bảo vệ dòng điện lớn dây chống sét - Bảo vệ trạm biến áp có cấp điện áp cao có diện tích trạm không lớn Trong thực tế, trạm biến áp từ > 110 kV sử dụng phương án cột chống sét kết hợp với dây chống sét mở rộng vùng bảo vệ cho chi phí thiết kế thấp Bộ phận thu sét (kim, dây) đặt vị trí cao thường lợi dụng chiều cao cột, xà có sẵn trạm biến áp hay nhà điều hành, giảm chi phí thiết kế thêm cột Tuy nhiên, vị trí đặt kim hay treo dây tùy vào kết cấu kích thước trạm Tại vị trí khơng thuận lợi phải thiết kế thêm cột đặt độc lập với cơng trình đảm bảo 58 3.6 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ THIẾT KẾ CẤP CHO TBA Xác định hiệu bảo vệ HT chống sét bảo vệ TBA o Xác định mật độ phóng điện sét xuống đất Nd o Xác định số lần sét đánh vào diện tích trạm biến áp, NS N d A 10002 (lần/năm) Trong đó: A diện tích trạm biến áp (m2) o Xác định số lần phóng điện sét xâm nhập vào phạm vi bảo vệ: Np = 0,001.NS (lần/năm) Với 0,001 ứng với xác suất sét sâm nhập vào phạm vi bảo vệ 0,1% (suất cố) 59 ... THI U CHUNG Các cấp bảo vệ: - Bảo vệ cấp 1: hạn chế ảnh hưởng phóng điện sét trực tiếp vào thi t bị phần tử hệ thống điện => Bảo vệ hệ thống chống sét đánh trực tiếp - Bảo vệ cấp 2: hạn chế độ... Hệ thống chống sét tạo phạm vi bảo vệ chúng Cơng trình bảo vệ phải nằm lọt phía phạm vi bảo vệ Cơng trình khơng bảo vệ Cơng trình bảo vệ 3.3 MƠ HÌNH ĐIỆN HÌNH HỌC (EGM) Phạm vi bảo vệ ứng với... Trang bị bảo vệ chống sét cấp cho phần tử Hệ thống điện Giới thi u chung Mơ hình hình học Mơ hình điện hình học Tính tốn bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện Tính tốn bảo vệ chống sét cho trạm