Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và đường dây

Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
Bộ giáo dục và đào tạo cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam
Trờng đH Bách khoa hà nội Độc lập Tự do Hạnh phúc
Nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp
Họ và tên sinh viên:
Khoa : Điện Ngành : Hệ thống điện
Lớp : Hệ Thống Điện K1 Hải Dơng
1- ĐầU Đề THIếT Kế
Bảo vệ chống sét trạm biến áp và đờng 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
+ Đờng dây vào trạm 110kV 2
220kV 5
+ Điện trở suất của đất 80.m
đờng dây
+ Cấp điện áp 220kV
+ Cột
Loại cột Sắt
Chiều cao cột 26,8m
Độ treo cao dây dẫn pha A20,8m
Độ treo cao dây dẫn pha B16,8m
Độ treo cao dây dẫn pha C16,8m
Góc bảo vệ pha A 25
0
Góc bảo vệ pha B 15,6

0
Góc bảo vệ pha C 15,6
0
-1-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
+ 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 vợt Phía 220 kV: 290m
+ Điện trở nối đất cột điện 9; 16; 23
+ Vùng ô nhiễm II
+ Số ngày giông sét 80
2- 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 đờng dây 220kV
- Bảo vệ chống sóng truyền vào trạm biến áp từ phía đờng dây 220 kV
3- các bản vẽ
- Phạm vi bảo vệ của cột thu sét, các phơng án bảo vệ chống sét đánh trực
tiếp
- Các kết quả tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét của trạm
- Phơng pháp và kết quả tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đờng dây
- Các kết quả tính toán bảo vệ trạm biến áp chống sóng truyền.

4- cán bộ hớng dẫn :
5- Ngày giao nhiệm vụ thiết kế :
6- Ngày hoàn thành nhiệm vụ
Nộp quyển
Bảo vệ

Cán bộ hớng dẫn
(Ghi rõ họ tên và ký tên)
-2-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
B GIO DC V O TO
TRNG I HC BCH KHOA H NI
---------------------------------------------------
BN NHN XẫT N TT NGHIP
H v tên sinh viên:
Ng nh: Hệ Thống Điện Khoá: 1 Hải D ơng
Giáo viên hng dn:
Giáo viên duyệt :
Ni dung thit k tt nghip:
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
............................................................................
1. Nhn xét ca giáo viên :
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................

..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................................
Ng y tháng n m
Giáo viên duyệt
( Ký, ghi rõ h v tên )
-3-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
Li núi u
* * *
t nc ang bc vo thi k cụng nghip hoỏ, hin i hoỏ, ngnh in
gi mt vai trũ quan trng trong vic phỏt trin nn kinh t quc dõn. Trong
cuc sng in nng rt cn cho phc v sn xut v sinh hot. Cựng vi s phỏt
trin ca xó hi ũi hi vic cung cp in phi m bo liờn tc v cú cht lung
cao. Xut phỏt t thc t ú vic m bo cho cỏc trm bin ỏp v ng dõy
truyn ti lm vic an ton, khụng gp s c, khụng gõy giỏn on cung cp in
c bit quan trng.
Nhm hon thin kin thc ó c hc v bc u lm quen vi thc t em ó
c khoa in v b mụn H Thng in trng i hc Bỏch Khoa H Ni
giao nhim v thit k tt nghip vi ti: Bo v chng sột cho ng dõy v
trm bin ỏp 110/220kV.
Em xin chõn thnh cm n s giỳp v hng dn tn tỡnh ca cỏc thy, cụ
giỏo trong b mụn c bit l trong sut quỏ trỡnh hon thnh ỏn.
Hà nội tháng 6-2007
Sinh viên
-4-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
Mục lục

..................................................................................................................................6
đặt vấn đề..........................................................................................................6
chơng I..................................................................................................................7
bảo vệ chống sét đánh trực tiếp.........................................................7
1.1. các yêu cầu:....................................................................................................7
1.2. phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét:.............................................................8
1.2.1. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét................................................................8
1.2.1. Phạm vi bảo vệ của dây thu sét.............................................................13
1.3. phơng án bảo vệ của hệ thống thu sét:.........................................................15
1.3.1. Phơng án 1............................................................................................15
1.3.2. Phơng án 2............................................................................................19
1.3.3. Phơng án 3............................................................................................22
chơng ii..............................................................................................................27
Tính toán nối đất cho trạm..................................................................27
2.1. yêu cầu kỹ thuật khi nối đất trạm biến áp....................................................27
Nối đất làm việc.................................................................................................27
Nối đất an toàn..................................................................................................27
Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho con ngời khi cách điện bị h hỏng. Thực
hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mang điện nh
vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại. Khi cách điện bị h hỏng do
lão hoá thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhng do nối đất nên điện
thế này có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho ngời tiếp xúc................................27
Nối đất chống sét...............................................................................................27
2.2- Các số liệu dùng để tính toán nối đất..........................................................29
........................................................................................................................29
2.2.1. Nối đất an toàn......................................................................................29
Trong đó : RTN: điện trở nối đất tự nhiên.........................................................30
-5-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đờng dây và cột điện 110kV

và 220kV tới trạm...............................................................................................30
2.2.2. Nối đất chống sét..................................................................................34
2.2.3. Nối đất bổ sung.....................................................................................40

đặt vấn đề
Trong hệ thống điện trạm biến áp đợc dùng rất rộng rãi, làm nhiệm vụ
truyền tải điện năng từ lới điện có điện áp U
1
sang lới điện có điện áp U
2
phục vụ
cho việc truyền tải và phân phối năng lợng điện. Do vậy quá trình vận hành của
trạm biến áp ảnh hởng lớn tới việc cung cấp và chất lợng điện năng. Bảo vệ chống
sét trạm biến áp bao gồm các phần:
+ Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp: các trạm biến áp đợc 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 lới nối đất: để tản dòng điện sét trong đất hạn chế các phóng điện
ngợc trên các công trình cần bảo vệ.
+ Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đờng 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
-6-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
110kV là 11 m
Máy biến áp: 2AT 110/220 kV
Đờng dây vào trạm: 110kV 2
220kV 5

Điện trở suất của đất: 80 .m
Sơ đồ mặt bằng, mặt cắt đi kèm.

chơng I
bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
1.1. các yêu cầu:
Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải đợc 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 đợc đặt trên các độ cao có sẵn nh xà, cột đèn chiếu sáng... hoặc
đợc đặt độc lập.
Khi đặt hệ thống cột thu sét trên kết cấu của trạm sẽ tận dụng đợc độ cao vốn
có của công trình nên sẽ giảm đợc 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 ngợc 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.
-7-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
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 đờng
ngắn nhất và sao cho dòng điện I
S
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 đờng 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 đợc quá 4.
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 đợc
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 đợc 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 ngợc 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
-8-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
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 đợc giới hạn bởi mặt
ngoài của hình chóp tròn xoay có đờng kính xác định bởi phơng trình.
)(
1

6,1
X
X
X
hh
h
h
r

+
=
(1-1)
Trong đó : h: độ cao cột thu sét.
h
X
: độ cao cần bảo vệ.
h
a
=h-h
X
: độ cao hiệu dụng cột thu sét.
r
X
: bán kính của phạm vi bảo vệ.
Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thờng dùng phạm vi bảo vệ
dạng dạng đơn giản hoá đờng sinh của hình chóp có dạng đờng gẫy khúc nh hình
sau:
Rx
0,2h
a

b
c
0,75h 1,5h
0,8h
h
Hình 1.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.
Bán kính đợc tính toán theo công thức sau:
Nếu
hh
X
3
2

thì
)
8,0
1(5,1
h
h
hr
x
X
=

(1.2)
-9-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
Nếu
hh
X

3
2
>
thì
)1(75.0
h
h
hr
x
X
=
(1.3)
Các công thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dới 30m. Hiệu quả của cột thu sét
cao trên 30m giảm đi do độ cao định hớng của sét giữ hằng số. Có thể dùng các
công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh
h
p
5,5
=
và trên hoành độ lấy các giá trị
hp75,0
và
hp5,1
.
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. Nhng để các cột thu lôi có thể phối hợp đợc thì khoảng
cách a giữa hai cột phải thoả mãn
ha 7

(trong đó h là độ cao của cột thu sét).
Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống nh của một cột.
Phần bên trong đợc giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai đỉnh cột và điểm
có độ cao h
0
- phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột đợc xác định theo
công thức:
7
0
a
hh
=
(1.4)
Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đờng nối hai chân cột
là r
x0
và đợc xác định nh sau:
Nếu
0
3
2
hh
x

thì
)
8,0
1.(.5,1
0
00

h
h
hr
x
x
=

(1.5)
Nếu
0
3
2
hh
x
>
thì
)1.(.75,0
0
00
h
h
hr
x
x
=

(1.6)
Khi độ cao của cột thu sét vợt quá 30m thì có các hiệu chỉnh hệ số
h
p

5,5
=
;
trên hoành độ lấy các giá trị
hp75,0
và
hp5,1
; khi đó h
0
tính theo công thức
p
a
hh
7
0
=
(1.7)
-10-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
0,75h
a
1,5h
R
rox
1
2
hx
h0
h
rx

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.
Trờng hợp hai cột thu sét có độ cao h
1
và h
2
khác nhau thì việc xác định
phạm vi bảo vệ đợc xác định nh 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 đờng thẳng ngang gặp đờng sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở
điểm 3 điểm này đợc 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 h
2
với khoảng cách a. Bằng cách giả
sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h
2
. Điểm này đợc xem nh đỉnh của một cột
thu sét giả định. Ta xác định đợc các khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h
2
là a
'
và x nh sau:
-11-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
0,2h1
0,8h1
h1
ho
2

1
3
0,75h2
a'
x
0,75h1
1,5h2
a
1,5h1
0,8h2
0,2h2
h2
Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.
Nếu
12
3
2
hh

ta có công thức :
)
8.0
1(5.1
1
2
1
h
h
hx
=

Nếu
12
3
2
hh
>
ta có công thức:
)1(75,0
1
2
1
h
h
hx
=
(1.8)
xaa
=
'
(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 đợc một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cột thu
lôi phải thoả mãn:
a
hD 8

(1.10)
Trong đó: D là đờng kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột.
Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b,c có: +

))()((4
22
cpbpapp
abc
RD

ì==
(1.11)
với p là nửa chu vi :
2
cba
p
++
=
(1.12)
Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật:
22
baD
+=
(1.13)
với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật.
Độ cao tác dụng của cột thu sét h
a
phải thoả mãn điều kiện:
8
D
h
a

(1.14)

-12-
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp

D
a
b
c

D
a
b

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 h
x
đợc biểu diễn nh sau :
-13-