Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế chống sét TBA 220kV và tính toán sóng truyền vào trạm

Tải đồ án tốt nghiệp thiết kế chống sét cho TBA 220kV và đường dây 220kV. Tài liệu gồm tính toán chi tiết và chuyên đề sóng truyền vào trạm.

• Tác giả: Houmphan Thepphavong
• Người hướng dẫn: Ths. Phạm Thị Thanh Đam
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Chống Sét Cho Tba 220kV (Điện Trở Suất 103m) Và Đường Dây 220kV - Chuyên Đề Tính Toán Sóng Truyền Vào Trạm Từ Đường Dây 220kV
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Hiện tượng giông sét và ảnh hưởng đến hệ thống điện

Giông sét là một hiện tượng tự nhiên nguy hiểm gây ra những thiệt hại lớn cho hệ thống điện lưới quốc gia. Sét là một loạt tia điện cao áp xảy ra giữa mây và đất, có thể phóng điện với dòng điện cực lớn lên đến hàng chục kA. Ảnh hưởng của sét đánh trực tiếp vào các thiết bị điện như biến áp 220kV, đường dây tải điện gây ra các hư hỏng nghiêm trọng. Sét không chỉ làm cháy nổ thiết bị mà còn gây ngừng cấp điện, tăng chi phí sửa chữa và bảo trì. Hệ thống bảo vệ chống sét được thiết kế để giảm thiểu những rủi ro này, bảo vệ các thiết bị điện và đảm bảo an toàn vận hành. Tại Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới, hiện tượng giông sét xảy ra khá thường xuyên, đặc biệt trong mùa hè. Do đó, thiết kế hệ thống chống sét cho các trạm biến áp và đường dây tải điện là vô cùng cần thiết và quan trọng.

1.1. Khái niệm về hiện tượng giông sét

Giông sét là hiện tượng phóng điện tự nhiên xảy ra trong bầu khí quyển. Sét được hình thành từ sự tích tụ điện tích trái dấu giữa mây và đất hoặc giữa các đám mây với nhau. Khi cường độ điện trường vượt quá giới hạn mà không khí có thể chịu được, tia sét sẽ bắn qua, tạo ra một kênh plasma rất nóng. Dòng điện sét có thể đạt hàng chục kA trong thời gian rất ngắn (micro giây), tạo nên các ảnh hưởng nhiệt, từ và cơ học khát khả năng phá hủy.

1.2. Tác động của sét đến các hệ thống điện

Sét gây ra hai loại thiệt hại chính: tổn thất trực tiếp khi sét đánh vào thiết bị điện và tổn thất gián tiếp do sóng quá điện áp cảm ứng. Đối với trạm biến áp 220kV và đường dây tải điện, sét có thể phá hủy windings của máy biến áp, làm cháy cáp điện và gây ngừng cấp điện. Các thiết bị điện bên trong trạm cũng bị ảnh hưởng từ sóng truyền đến từ đường dây. Chi phí sửa chữa lớp, mất điện gây thiệt hại kinh tế không nhỏ cho người dùng.

II. Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét trực tiếp cho trạm biến áp 220kV yêu cầu xác định vị trí tối ưu của cột thu lôi và dây chống sét. Phạm vi bảo vệ được tính toán dựa trên chiều cao cột, khoảng cách giữa các cột thu lôi và các yêu cầu kỹ thuật cụ thể. Thiết kế bảo vệ chống sét phải đảm bảo rằng tất cả các thiết bị điện trong trạm biến áp đều nằm trong vùng bảo vệ an toàn. Việc lựa chọn phương án tối ưu là rất quan trọng để đạt được hiệu quả bảo vệ cao nhất với chi phí kinh tế hợp lý. Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và các quy định Việt Nam về chống sét phải được tuân thủ nghiêm chỉnh trong quá trình thiết kế.

2.1. Yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét

Chiều cao cột thu lôi phải được xác định để đảm bảo bảo vệ toàn bộ diện tích trạm biến áp. Khoảng cách giữa dây chống sét và các dây dẫn điện phải đủ lớn để tránh phóng điện ngang. Điện trở nối đất của hệ thống phải thấp để giảm thiểu hiệu ứng quá điện áp. Bố trí vật liệu dẫn điện phải tuân theo quy tắc về sự liên tục và độ bền cơ học.

2.2. Phạm vi bảo vệ của cột và dây chống sét

Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi được xác định theo công thức hình học, tạo thành một vùng bảo vệ hình nón. Với nhiều cột thu lôi, phạm vi bảo vệ tổng hợp được tính bằng cách lấy giao của các vùng bảo vệ riêng lẻ. Dây chống sét cung cấp bảo vệ thêm cho dây dẫn điện phía dưới. Góc bảo vệ thường được chọn trong khoảng 30-45 độ tùy theo tiêu chuẩn áp dụng.

III. Thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp 220kV

Hệ thống nối đất là một thành phần quan trọng của bảo vệ chống sét, giúp dẫn dòng sét vào đất một cách an toàn. Điện trở nối đất phải đạt giá trị cho phép theo tiêu chuẩn kỹ thuật, thường dưới 1 ohm đối với trạm 220kV. Thiết kế nối đất gồm hai phần chính: nối đất an toàn làm việc cho các nhân viên vận hành và nối đất chống sét để dẫn sét. Các điện cực nối đất được bố trí trong đất theo mô hình mạng lưới để đảm bảo điện trở mặt đất thấp. Chất lượng đất và độ ẩm ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của hệ thống nối đất.

3.1. Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống nối đất

Trị số điện trở nối đất phải thấp để giảm hiệu ứng quá điện áp trên thiết bị. Hệ số mùa được xem xét vì điện trở thay đổi theo mùa (cao ở mùa khô, thấp ở mùa mưa). Độ tin cây của hệ thống nối đất phải được kiểm tra định kỳ. Bố trí điện cực phải đảm bảo không xảy ra cắt ngắn giữa các điện cực nối đất.

3.2. Trình tự tính toán hệ thống nối đất

Bước đầu tiên là xác định điện trở suất đất thông qua đo đạc tại hiện trường. Sau đó tính điện trở nối đất cần thiết dựa trên yêu cầu kỹ thuật. Lựa chọn loại và số lượng điện cực nối đất phù hợp. Bố trí hệ thống theo mô hình tối ưu, sau đó kiểm tra bằng đo đạc để xác minh kết quả.

IV. Tính toán chỉ tiêu chống sét của đường dây 220kV

Chỉ tiêu chống sét đường dây được xác định dựa trên các yếu tố như mật độ sét, chiều cao dây, bán kính dây dẫn và bố trí dây chống sét. Tính toán suất cắt đường dây khi sét đánh là một phần quan trọng để đánh giá hiệu quả bảo vệ. Sóng sét lan truyền trên đường dây tải điện 220kV với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, gây ra quá điện áp cảm ứng trên dây dẫn. Góc bảo vệ của dây chống sét đối với dây dẫn phải được tối ưu hóa để minimize số lần cắt điện. Các tham số tính toán bao gồm mật độ sét hàng năm, điện trở nối đất, và đặc tính của thiết bị chống sét van.

4.1. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

Dây chống sét bảo vệ các dây dẫn điện nằm bên dưới nó. Phạm vi bảo vệ được xác định bằng góc bảo vệ, thường trong khoảng 25-40 độ. Khoảng cách ngang giữa dây chống sét và dây dẫn phải đủ nhỏ để đảm bảo hiệu quả bảo vệ. Với đường dây ba pha, cần có ít nhất hai dây chống sét để bảo vệ tất cả ba dây dẫn.

4.2. Tính toán suất cắt đường dây do sét đánh

Suất cắt được tính từ ba nguyên nhân chính: sét đánh vòng qua dây chống sét, sét đánh vào khoảng vượt giữa cột, và sét đánh vào cột. Mỗi loại có công thức tính khác nhau dựa trên xác suất phóng điện ngược và mật độ sét. Tổng suất cắt đường dây là tổng của ba thành phần này. Kết quả được so sánh với tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng thiết kế bảo vệ chống sét.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG GIÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM Việc nghiên cứu dông sét và các biện pháp chống sét đã có lịch sử lâu dài cùng với sự phát triển của ngành điện. Ngày nay người ta đã tìm được các phương pháp những hệ thống thiết bị và kỹ thuật cao để đề phòng chống sét đánh. Sét là một hiện tượng tự nhiên, mật độ, thời gian phóng điện, biên độ dốc của sét không thể dự đoán trước nên nghiên cứu chống sét là việc quan trọng, đặc biệt là ngành điện.1 Hiện tượng dông sét a. Kiến thức phổ thông về dông, sét Dông sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi khoảng cách giữa các điện cực khác lớn (trung bình khoảng 5km).

Hiện tượng phóng điện của dông sét gồm hai loại chính đó là phóng điện giữa các đám mây tích điện và giữa các đám mây tích điện với mặt đất. Trong phạm vi đồ án này ta chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất (phóng điện mây - đất). Với hiện tượng phóng điện này gây nhiều trở ngại cho đời sống 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 tạo của lần phóng điện đầu tiên là khoảng 1,5.107 cm/s, các lần phóng điện sau thì tốc độ tăng lên khoảng 2. Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích lớn. Đầu tia được nối 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 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 phía dưới đầu tiên đạo. Còn 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 dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơi 2 tập trung điện tích trên mặt đất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn. Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo vơi nơi tập trung điện tích trên mặt đất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất được định sẵn. Tia tiên đạo Hình thành khu vực ion Địa điểm phụ hóa mãnh liệt thuôc điện trở suất của đất Hoàn thành Dòng của phóng phóng điện điện ngươc sét Hình 1. 1 Các giai đoạn phát triển của dòng điện sét Do vây đệ định hướng cho các phóng điện sét thì ta phải tạo ra nơi có mật độ tập trung điện tích lớn.

Nên việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các công trình dựa trên tính chọn lọc này của phóng điện sét. Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngược là 𝜐 và mật độ điện trường trong tia tiên đạo là 𝛿thì trong một đơn vị thời gian thì điện tích đi và trong đất sẽ là: 𝑖𝑠 = 𝜐. 𝛿 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 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. Diễn biến dông ở nước ta Việt Nam là một trong những nước khi hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét khá mạch. 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 sét dao động từ 70 ÷ 110ngày 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 có dông nhiều nhất trên miền Bắc là khu vực Móng Cái, Tiên Yên (Quảng Ninh) hàng năm có từ 100 ÷ 110 ngày dông sét, tháng nhiều dông nhất là tháng 7, tháng 8.

+ Một số vùng có địa hình chuyển chuyển tiếp như giữa các vùng núi và vùng đồng bằng số lần dông cũng đến 200 lần sét/năm. Với số ngày giông khoảng 100 ngày/năm. Nơi ít dông nhất là Quảng Bình hàng năm chỉ có 80 ngày dông. Xét về diễn biến mùa dông trong năm, mùa dông hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng.

Nói chung ở miền Bắc dông tập trung tư tháng 4 ÷ 9, ở phía Tây Bắc dông tập trung từ tháng 5 ÷ 8trong năm. + Trên vùng duyên hải trung bộ từ phía Bắc đến Quảng Nam là khu vực tương đối nhiều dông trong tháng số ngày có dông xấp xỉ 10 ngày/tháng. Tháng có nhiều dông nhất là tháng 5, có thể có từ 12 ÷ 15 ngày. Những tháng đầu mùa và cuối mùa chỉ gặp 2 ÷ 5 ngày/tháng.

Từ Bình Định trở vào là khu vực ít dông nhất thường chỉ có vào tháng5, số ngày có dông xấp xỉ 10 ngày (Tuy Hòa 10 ngày, Nha Trang 8 ngày, Phan Thiết 13 ngày), còn các tháng khác của mùa dông chỉ quan sát được từ 5 ÷ 7ngày dông. + Miền Nam khu vực nhiều dông nhất ở đồng bằng Nam Bộ từ 120 ÷ 140 ngày/năm, như ở thàng 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 sét quan sát được trung bình từ 15 ÷ 20 ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dông nhất trung bình gặp trên 20 ngày/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, Kom Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, Plâycu 17 ngày.

Như vậy ta thấy Việt Nam là nước phải chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét, đây là điều kiện bất lợi cho hệ thống điện Việt Nam, đòi hỏi ngành điện phải đầu tư nhiều vào các thiết bị chống sét. Đặc biệt hơn nữa nó đòi hỏi các nhà thiết kế phải chú trọng khi tính toán thiết kế các công trình điện sao cho hệ thống điện vận hành kinh tế, hiểu 4 quả đảm bảo cung cấp điện liên tục và tin cậy.2 Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Biên độ của dòng điện sét có thể đạt tới hàng trăm kA, đây là nguồn sinh nhiệt vô cùng lớn khi dòng điện sét đi qua vật nào đó. Thực tế đã có dây tiếp địa do phần nối đất không tốt, khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị nóng chảy và đứt, thậm chí có những cách điện bằng sứ khi bị dòng điện sét tác động đã bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch, phóng điện sét còn kèm theo di chuyển trong không gian lượng điện tích lớn, do đó tạo ra điện từ trường rất mạnh, đây là nguồn gây nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử, ảnh hưởng của nó rất rộng, ở cả các nơi cách xa hàng trăm km. Khi sét đánh vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần đường dây sẽ sinh ra sóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây.

Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây lên ngắn mạch pha - đất hoặc ngắn mạch pha-pha buộc các thiết bị đầu đường dây phải làm việc. Với những đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định cho hệ thống, nếu hệ thống tự động ở các nhà máy điện làm việc không nhanh có thê dẫn đến rã lưới. Sóng sét còn có thể truyền từ đường dây điện vào trạm biến áp hoặc sét đánh thẳng vào nhà máy đều gây nên phóng điện trên cách điện của trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm vì nó tương đương với việc ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng. Mặt khác, khi có phóng điện sét vào trạm biến áp, nếu chống sét van ở đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn.

Qua đó ta thấy sự cố do sét đánh gây hậu quả rất lớn, nó chiếm chủ yếu trong sự cố lưới điện, vì vậy việc tính toán thiết kế lắp đặt các thiết bị chống sét rất quan trọng, nếu tính toán chính xác lắp đặt đủ các thiết bị chống sét sẽ tạo ra hệ thống vận hành an toàn và hiểu quả, tránh được những hậu quả xấu do sét gây ra, từ đó đảm bảo việc cung cấp điện liên tục cho các hộ tiêu thụ.3 Vấn đề chống sét Hệ thống điện chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét nên đòi hỏi phải có thiết bị chống sét. Để bảo vệ chống sét cho hệ thống điện người ta sử dụng các cột thu lôi và dây chống sét. Yêu cầu của việc chống sét là toàn bộ công trình được bảo vể cần phải nằm trong vùng bảo vệ của hệ thống thu sét, hệ thống này có thể nằm ngay trên kết cấu công trình hay đặt cách ly tùy thuộc hoàn cảnh và điều kiện cụ thể. Song song với việc chọn lựa hệ thống thu sét còn lưu ý đến vấn đề nối đất chống sét và nối đất bảo vệ.

Phương pháp được chọn phải 5 có hiểu quả chống sét cao, chi phía đầu tư xây dựng ít nhất và yếu tố mỹ quan cũng cần được xem xét. Do đó việc đầu tư nghiên cứu chống sét đúng mức rất quan trọng nhằm giảm thiệt hại do dông sét gây ra, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trong vận hành điện. 6 CHƯƠNG II THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TBA 220KV 2.