Đồ án Tính toán hệ thống nối đất cho trạm phân phối 220/110kV

1 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM MỤC LỤC PHẦN I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV/110kV .................................................................................................................. 1 CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM ........................................................................................................... 1 1.1. Hiện tượng dông sét ............................................................................................ 1 1.1.1. Khái niệm chung .............................................................................................. 1 1.1.2. Tình hình dông sét ở Việt Nam ....................................................................... 3 1.2. Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Việt Nam .................................... 6 CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM PHÂN PHỐI 220/110kV .................................................................................... 7 2.1. Khái niệm chung ................................................................................................. 7 2.2. Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp ................................................................................................................ 7 2.3. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét .............................................. 8 2.3.1. Phạm vi của cột thu sét .................................................................................... 8 2.3.2. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét ................................................................ 12 2.4. Mô tả trạm phân phối 220kV cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp ............. 13 2.4.1. Phương án 1 .................................................................................................... 14 2.4.1.1. Bố trí các cột thu lôi ..................................................................................... 14 2.4.1.2.Tính toán cho phương án 1 .......................................................................... 14 2.4.1.3. Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1 ........................................ 20 2.4.2. Phương án 2 .................................................................................................... 20 2.4.2.1. Bố trí các cột thu lôi ..................................................................................... 20 2.4.2.2.Tính toán cho phương án 2 .......................................................................... 20 2.4.1.3. Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 2 ........................................ 25 2.4.3. Phương án 3 .................................................................................................... 25 2.4.3.1. Bố trí dây thu sét........................................................................................... 25 2.4.3.2. Tính toán cho phương án 3 ......................................................................... 25 2.4.3.3. Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 3 ........................................ 28 2.5. So sánh các phương án ..................................................................................... 29 2 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM PHÂN PHỐI 220/110kV ..................................................................................................................... 30 3.1. Yêu cầu kĩ thuật khi nối đất trạm biến áp ...................................................... 30 3.2. Tính toán nối đất an toàn ................................................................................. 32 3.2.1. Nối đất tự nhiên .............................................................................................. 32 3.2.2. Nối đất nhân tạo ............................................................................................. 33 3.3. Nối đất chống sét ............................................................................................... 35 3.3.1. Khái niệm ........................................................................................................ 35 3.3.2. Trình tự tính toán ........................................................................................... 36 3.3.2.1. Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong đất ............................................................................................................................... 36 3.3.2.2 Tính toán trị số điện trở nối đất nhân tạo trong mùa sét ........................... 37 3.3.2.3.Tính toán cho trạm thiết kế .......................................................................... 40 3.3.2.5. Kết luận ......................................................................................................... 46 CHƯƠNG IV: BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 220kV ....... 47 4.1. Mở đầu ............................................................................................................... 47 4.2. Lý thuyết tính toán ............................................................................................ 47 4.3. Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây ....................................... 50 4.3.1. Thông số đường dây cần bảo vệ .................................................................... 50 4.3.2. Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây .............................................................................................................................. 51 4.3.2.1. Độ võng của dây ........................................................................................... 51 4.3.2.2. Độ treo cao trung bình của dây dẫn và dây chống sét ................................ 51 4.3.2.3. Góc bảo vệ của dây thu sét ........................................................................... 52 4.3.2.4. Tổng trở sóng của dây dẫn và dây chống sét .............................................. 52 4.3.2.5. Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn các pha với dây chống sét .......................... 53 4.3.2.6 Nhận xét ......................................................................................................... 55 4.3.3. Tính số lần sét đánh vào đường dây ............................................................. 55 4.3.3.1. Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn ................................. 55 4.3.3.2.Số lần sét đánh vào đỉnh cột và khoảng vượt .............................................. 56 4.3.4. Suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vòng qua dây dẫn vào dây pha56 4.3.5. Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vào khoảng vượt ......... 57 3 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 4.3.6. Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột ...................................................................................................................... 63 4.3.7. Tính suất cắt tổng và chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện ............... 80 4.4. Kết luận .............................................................................................................. 80 PHẦN HAI: CHUYÊN ĐỀ TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN VÀO TRẠM BIẾN ÁP ....................................................................................... 82 A.KHÁI NIỆM CHUNG ......................................................................................... 82 B. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP TRÊN CÁCH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ KHI CÓ SÓNG TRUYỀN VÀO TRẠM ............................................. 83 I. Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp lập bảng.................................................................................... 83 I.1. Nội dung phương pháp...................................................................................... 83 I.1.1. Quy tắc Petersen .............................................................................................. 84 I.1.2. Quy tắc sóng đẳng trị ....................................................................................... 85 I.1.3. Xác định điện áp trên điện dung ..................................................................... 86 a. Phương pháp sơ đồ Petersen .............................................................................. 87 b. Phương pháp tiếp tuyến liên tiếp ........................................................................ 87 I.1.4. Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van ........................................ 89 I.2) Sơ đồ tính toán ................................................................................................... 91 II. Trình tự tính toán ............................................................................................... 92 II.1. Thiết lập phương pháp tính điện áp các nút trên sơ đồ rút gọn.................. 95 II.2. Kiểm tra đặc tính cách điện tại các nút cần bảo vệ .................................... 100 II.2.1. Đặc tính chịu đựng của máy biến áp 110 kV .......................................... 100 II.2.2 Đặc tính cách điện của thanh góp ............................................................ 101 II.2.3. Kiểm tra dòng điện qua chống sét van ..................................................... 101 II.2.4. Kết luận ..................................................................................................... 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 103 1 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM PHẦN I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV/110kV CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng bao gồm: Nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp và các hộ tiêu thụ điện. Trong đó trạm biến áp và đường dây có số lượng khá lớn và quan trọng.Trong quá trình vận hành các phần tử này chịu nhiều tác động của thiên nhiên như mưa, gió, bão và đặc biệt là của sét đánh. Khi có sét đánh vào trạm biến áp hoặc đường dây, nó có thể gây hư hỏng cho các thiết bị điện trong trạm dẫn đến việc ngừng cung cấp điện liên tục gây thiệt hại lớn đến nền kinh tế quốc dân. Để nâng cao mức độ cung cấp điện, giảm chi phí thiệt hại và nâng cao độ an toàn khi vận hành chúng ta phải tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho hệ thống điện. 1.1. Hiện tượng dông sét 1.1.1. Khái niệm chung Dông sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi khoảng cách giữa các điện cực khá lớn (trung bình khoảng 5km). Hiện tượng phóng điện của giông sét gồm hai loại chính đó là : +) Phóng điện giữa các đám mây tích điện với nhau. +) Phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất. Trong phạm vi đồ án này chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất. Hiện tượng này gây nhiều trở ngại cho con người. Các đám mây được tích điện với mật độ điện tích lớn có thể tạo ra cường độ điện trường lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất. Giai đoạn này là giai đoạn phóng điện tiên đạo. Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5.107cm/s, các lần phóng điện sau thì tốc độ tăng lên khoảng 2.108 cm/s (trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau bởi vì trong cùng một đám mây thì có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lượt phóng điện xuống đất). Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích rất lớn. Đầu tia được nối với một trong các trung tâm điện tích của đám mây nên một phần điện tích của trung tâm này đi vào trong tia tiên đạo. Phần điện tích này được phân bố khá đều dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất. Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện 2 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM tích khác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tùy thuộc vào tình hình dẫn điện của đất. Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì điểm này nằm ngay ở phía dưới đầu tia tiên đạo. Còn nếu vùng đất có điện dẫn không đồng nhất (có nhiều nơi có điện dẫn khác nhau) thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có điện dẫn cao. Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất, vì ở đó cường độ điện trường có trị số lớn nhất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn.Tính chất chọn lọc của phóng điện đã được vận dụng trong việc đảm bảo chống sét đánh thẳng cho các công trình. Cột thu sét có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất bé sẽ thu hút các phóng điện về phía mình, do đó tạo nên khu vực an toàn quanh nó. Nếu ở mặt đất, điện tích khác dấu được tập trung dễ dàng và có điều kiện thuận lợi để tạo nên khu vực trường mạnh (ví dụ như đỉnh cột điện đường dây cao áp) thì có thể đồng thời xuất hiện tia tiên đạo từ phía mặt đất phát triển ngược chiều tia tiên đạo từ phía lớp mây điện. Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất thì trường trong khoảng không gian giữa các điện cực sẽ có trị số lớn và có quá trình ion hóa mãnh liệt dẫn tới sự hình thành dòng plasma với mật độ ion lớn hơn nhiều so với của tia tiên đạo. Do có điện dẫn bản thân rất cao, nên đầu dòng sẽ có điện thế mặt đất và như vậy toàn bộ hiệu số điện thế giữa tia tiên đạo với mặt đất được tập trung vào khu vực giữa nó với đầu tia tiên đạo. Trường trong khu vực này tăng cao và gây ion hóa mãnh liệt dòng plasma được kéo dài và di chuyển ngược về phía trên. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn phóng điện ngược. Tốc độ phát triển của phóng điện ngược thay đổi trong giới hạn 1,5.109 – 1,5.109 (cm/s) tức là (0,05 – 0,5) tốc độ ánh sáng. Nhưng tốc độ phát triển của phóng điện ngược và mật độ điện trường của điện tích trong tia tiên đạo bằng , thì trong một đơn vị thời gian điện tích đi vào trong đất sẽ là . và đó cũng là công thức tính dòng điện sét: is = .  Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số điện trở nhỏ không đáng kể). Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét, dòng điện này có biên độ và độ dốc phân bố theo hàng biến thiên trong phạm vi rộng (từ vài kA đến vài trăm kA) dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xung kích, chỗ tăng vọt của sét ứng với giai 3 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM đoạn phóng điện ngược. Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khí quyển và gây hậu quả nghiêm trọng như đã trình bày ở trên. 1.1.2. Tình hình dông sét ở Việt Nam Việt Nam là một trong những nước khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét khá mạnh. Theo tài liệu thống kê cho thấy trên mỗi miền đất nước Việt nam có một đặc điểm dông sét khác nhau: Ở miền Bắc, số ngày dông dao động từ 70  110 ngày trong một năm và số lần dông từ 150  300 lần như vậy trung bình một ngày có thể xảy ra từ 2  3 cơn dông. Vùng dông nhiều nhất trên miền Bắc là Móng Cái. Tại đây hàng năm có từ 250  300 lần dông tập trung trong khoảng 100  110 ngày. Tháng nhiều dông nhất là các tháng 7, tháng 8. Một số vùng có địa hình thuận lợi thường là khu vực chuyển tiếp giữa vùng núi và vùng đồng bằng, số trường hợp dông cũng lên tới 200 lần, số ngày dông lên đến 100 ngày trong một năm. Các vùng còn lại có từ 150  200 cơn dông mỗi năm, tập trung trong khoảng 90  100 ngày. Nơi ít dông nhất trên miền Bắc là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có dưới 80 ngày dông. Xét dạng diễn biến của dông trong năm, ta có thể nhận thấy mùa giông không hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng. Nhìn chung ở Bắc Bộ mùa dông tập chung trong khoảng từ tháng 5 đến tháng 9. Trên vùng Duyên Hải Trung Bộ, ở phần phía Bắc (đến Quảng Ngãi) là khu vực tương đối nhiều dông trong tháng 4, từ tháng 5 đến tháng 8 số ngày giông khoảng 10 ngày/ tháng, tháng nhiều dông nhất (tháng 5) quan sát được 12  15 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/ tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng ...), những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) dông còn ít, mỗi tháng chỉ gặp từ 2  5 ngày dông. Phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) là khu vực ít dông nhất, thường chỉ có trong tháng 5 số ngày dông khoảng 10/tháng như Tuy Hoà 10ngày/tháng, Nha Trang 8 ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng. Ở miền Nam khu vực nhiều dông nhất ở đồng bằng Nam Bộ từ 120  140 ngày/năm, 4 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM như ở thành phố Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/ năm. Mùa dông ở miền Nam dài hơn mùa dông ở miền Bắc đó là từ tháng 4 đến tháng 11 trừ tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày dông đều quan sát được trung bình có từ 15  20 ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dông nhất trung bình gặp trên 20 ngày dông/tháng như ở thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày. Ở khu vực Tây Nguyên mùa dông ngắn hơn và số lần dông cũng ít hơn, tháng nhiều dông nhất là tháng 5 cũng chỉ quan sát được khoảng 15 ngày dông ở Bắc Tây Nguyên, 10  12 ở Nam Tây Nguyên, Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, PLâycu 17 ngày. Số ngày dông trên các tháng một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem Bảng 1-1 Bảng 1-1: Số ngày dông sét trong tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam Tháng Địa điểm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Cả năm Phía Bắc Cao Bằng 0,2 0,6 4,2 5,9 12 17 20 19 10 11 0,5 0,0 94 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 Bắc Ninh 0,2 0,4 2,6 6,9 10 12 16 18 9 2,8 0,1 0,0 80 Móng Cái 0,0 0,4 3,9 6,6 14 19 24 24 13 4,2 0,2 0,0 112 Sa Pa 0,6 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 5 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM 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 13 17 14 13 20 14 5,2 0,2 0,0 103 Đồng Hới 0,0 0,3 6,3 6,3 15 7,7 9,6 9,6 11 5,3 0,3 0,0 70 Cửa Tùng 0,0 0,2 7,8 7,8 18 10 12 12 12 5,3 0,3 0,0 85 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 41,8 Đà Nẵng 0,0 0,3 2,5 6,5 14 11 9,3 12 8,9 3,7 0,5 0,0 69,5 Quảng Ngãi 0,0 0,3 1,2 5,7 10 13 9,7 1,0 7,8 0,7 0,0 0,0 59,1 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 43,3 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 39,2 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 59,0 Kon Tum 0,2 1,2 6,8 10 14 8,0 3,4 0,2 8,0 4,0 1,2 0,0 58,2 Playcu 0,3 1,7 5,7 12 16 9,7 7,7 8,7 17 9,0 2,0 0,1 90,7 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 52,1 Blao 1,8 3,4 11 13 10 5,2 3,4 2,8 7,2 7,0 4,0 0,0 70,2 Sài Gòn 1,4 1,0 2,5 10 22 19 17 16 19 15 11 2,4 138 Sóc Trăng 0,2 0,0 0,7 7,0 19 16 14 15 13 1,5 4,7 0,7 104 Hà Tiên 2,7 1,3 10 20 23 9,7 7,4 9,0 9,7 15 15 4,3 128 6 GVHD: TS. ĐẶNG THU HUYỀN SVTH: TRẦN NGỌC TÂM Từ bảng trên ta thấy Việt Nam là nước phải chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét, đây là điều bất lợi cho hệ thống điện Việt nam đòi hỏi ngành điện phải đầu tư n