Đồ án bảo vệ chống sét trạm biến áp 220/110 kV và đường dây 110 kV - ĐHBKHN

Tổng hợp đồ án tốt nghiệp thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110 kV và đường dây 110 kV, tính toán cột thu sét và nối đất chi tiết.

• Tác giả: Trịnh Đức Khánh
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thành Chung
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110 kV và đường dây 110 kV
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế bảo vệ chống sét trạm biến áp 220 110 kV

Đồ án tốt nghiệp thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110 kV và đường dây 110 kV nhằm đảm bảo an toàn vận hành hệ thống điện trước tác động của sét. Sét gây ra các xung điện áp đột biến có thể phá hủy thiết bị điện, gây gián đoạn cung cấp điện và nguy hiểm cho con người. Việc thiết kế hệ thống chống sét bao gồm bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm bằng cột thu sét, hệ thống nối đất chống sét, và tính toán suất cắt do sét cho đường dây tải điện trên không. Hệ thống bảo vệ phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật như TCVN 9385:2012 và IEC 62305 nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn.

1.1. Vai trò của hệ thống chống sét trong trạm biến áp

Hệ thống chống sét trong trạm biến áp 220/110 kV có vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn sự cố do sét gây ra. Sét đánh trực tiếp có thể phá hủy cáp, thiết bị đóng cắt, máy biến áp và các thiết bị điều khiển. Hệ thống chống sét đánh trực tiếp bằng cột thu sét và dây chống sét giúp thu hút dòng sét, dẫn xuống đất an toàn. Ngoài ra, hệ thống nối đất chống sét phải có điện trở đủ thấp để hạn chế điện áp dư trên thiết bị khi dòng sét thoát xuống đất. Một hệ thống chống sét hiệu quả giúp giảm thiểu rủi ro sự cố, kéo dài tuổi thọ thiết bị và đảm bảo an toàn cho nhân viên vận hành.

1.2. Đặc điểm kỹ thuật của trạm biến áp 220 110 kV

Trạm biến áp 220/110 kV có sơ đồ nối điện chính gồm 2 thanh góp phía 220 kV và 2 thanh góp phía 110 kV, kết nối với 4 mạch đường dây 220 kV và 6 mạch đường dây 110 kV. Độ cao xà đón dây 220 kV là 16,5 m, xà đỡ thanh góp 220 kV là 10,5 m, trong khi độ cao xà đón dây 110 kV là 10,5 m và xà đỡ thanh góp 110 kV là 8,5 m. Khoảng cách pha phía 220 kV là 4,25 m và phía 110 kV là 2,5 m. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế phạm vi bảo vệ của cột thu sét và hệ thống nối đất.

II. Phân tích nguy cơ sét và vấn đề trong bảo vệ chống sét

Sét là hiện tượng phóng điện khí quyển có thể gây ra các xung điện áp đột biến lên đến hàng triệu volt. Tại trạm biến áp 220/110 kV, nguy cơ sét đánh trực tiếp vào trạm và đường dây là rất cao do quy mô lớn và vị trí địa lý. Các vấn đề chính bao gồm xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét, tính toán suất cắt do sét cho đường dây 110 kV, và thiết kế hệ thống nối đất chống sét đảm bảo điện trở nối đất đủ thấp. Ngoài ra, cần xem xét ảnh hưởng của điện trở suất đất, mật độ sét trong khu vực, và điều kiện thời tiết để tối ưu hóa hệ thống chống sét.

2.1. Nguy cơ sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp

Sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị điện do xung điện áp đột biến vượt quá khả năng chịu đựng của cách điện. Các vị trí nguy hiểm bao gồm đỉnh cột thu sét, thanh góp, và thiết bị đóng cắt. Để giảm thiểu nguy cơ, cần thiết kế phạm vi bảo vệ của cột thu sét phù hợp với chiều cao và vị trí lắp đặt. Phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào chiều cao cột thu sét, khoảng cách giữa các cột, và điều kiện địa hình. Việc tính toán phạm vi bảo vệ phải tuân thủ các tiêu chuẩn như TCVN 9385:2012.

2.2. Suất cắt do sét trên đường dây 110 kV

Suất cắt do sét trên đường dây 110 kV xảy ra khi xung sét lan truyền dọc theo dây dẫn, gây ra quá điện áp trên cách điện. Đường dây 110 kV sử dụng loại cột đơn cao 21 m, dây chống sét loại C90, và dây dẫn ACSR185. Độ võng của dây chống sét là 3 m, dây dẫn là 3,5 m. Chuỗi cách điện sử dụng loại sứ π 4.5 với 7 bát sứ, chiều cao mỗi bát là 142 mm. Suất cắt do sét phụ thuộc vào điện trở nối đất cột, chiều dài chuỗi sứ, và mức giông sét trong khu vực.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét

Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110 kV và đường dây 110 kV bao gồm ba giải pháp chính: bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bằng cột thu sét, thiết kế hệ thống nối đất chống sét, và tính toán suất cắt do sét cho đường dây. Hệ thống cột thu sét phải đảm bảo phạm vi bảo vệ toàn bộ trạm, trong khi hệ thống nối đất phải có điện trở đủ thấp để hạn chế điện áp dư. Ngoài ra, cần tính toán suất cắt do sét cho đường dây 110 kV dựa trên các thông số kỹ thuật của đường dây và điều kiện giông sét trong khu vực.

3.1. Thiết kế hệ thống cột thu sét bảo vệ trạm biến áp

Hệ thống cột thu sét bảo vệ trạm biến áp 220/110 kV bao gồm các cột thu sét có độ cao khác nhau, được bố trí xung quanh trạm để đảm bảo phạm vi bảo vệ toàn bộ khu vực. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét phụ thuộc vào chiều cao cột, khoảng cách giữa các cột, và điều kiện địa hình. Đối với trạm có nhiều hơn hai cột thu sét, phạm vi bảo vệ được xác định bởi toàn bộ miền đa giác hình thành bởi các cột thu sét. Điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh nếu chiều cao cột thu sét lớn hơn 30 m.

3.2. Thiết kế hệ thống nối đất chống sét

Hệ thống nối đất chống sét bao gồm nối đất mạch vòng kết hợp nối đất bổ sung. Nối đất mạch vòng được bố trí xung quanh trạm, trong khi nối đất bổ sung sử dụng thanh thép dẹt và cọc tại chân các cột thu sét và thiết bị. Điện trở nối đất phải đảm bảo đủ thấp để hạn chế điện áp dư khi dòng sét thoát xuống đất. Điện trở suất đất đo tại trạm là 107 Ωm, do đó cần tính toán kỹ lưỡng để đạt điện trở nối đất theo yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 9385:2012.

IV. Kết luận và ứng dụng trong thực tế

Đồ án thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110 kV và đường dây 110 kV đã đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo an toàn vận hành hệ thống điện trước tác động của sét. Các giải pháp bao gồm thiết kế hệ thống cột thu sét, hệ thống nối đất chống sét, và tính toán suất cắt do sét cho đường dây. Kết quả thiết kế đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn TCVN 9385:2012 và IEC 62305. Việc triển khai hệ thống chống sét này sẽ giảm thiểu nguy cơ sự cố do sét gây ra, kéo dài tuổi thọ thiết bị, và đảm bảo an toàn cho nhân viên vận hành.

4.1. Đánh giá hiệu quả giải pháp chống sét

Hiệu quả của hệ thống chống sét được đánh giá thông qua khả năng thu hút dòng sét, hạn chế điện áp dư trên thiết bị, và giảm thiểu suất cắt do sét. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét phải đảm bảo toàn bộ trạm, trong khi điện trở nối đất phải đủ thấp để hạn chế điện áp dư. Ngoài ra, tính toán suất cắt do sét cho đường dây 110 kV phải đảm bảo khả năng chịu đựng của cách điện trước xung sét. Các kết quả tính toán cho thấy hệ thống chống sét thiết kế đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật.

4.2. Ứng dụng trong thực tế và đề xuất cải tiến

Hệ thống chống sét thiết kế có thể áp dụng trong thực tế cho các trạm biến áp 220/110 kV và đường dây 110 kV tại Việt Nam. Để nâng cao hiệu quả, cần xem xét điều kiện địa lý và khí hậu của từng khu vực, cũng như cập nhật các tiêu chuẩn kỹ thuật mới nhất. Ngoài ra, việc sử dụng các thiết bị chống sét tiên tiến như varistor và thiết bị chống sét lan truyền có thể cải thiện hiệu quả bảo vệ. Đề xuất lắp đặt hệ thống giám sát sét để theo dõi hoạt động của hệ thống chống sét và phát hiện sớm các nguy cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN .1 Hiện tượng dông sét.2 Các thông số của phóng điện sét.3 Các phương pháp phòng chống sét đánh trực tiếp. 3 Phương pháp dùng lồng Faraday. 4 Phương pháp chống sét bằng cột thu sét truyền thống.

4 Cột thu sét Franklin phát tia tiên đạo.4 Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Việt Nam. THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP .1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét. 9 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập. 10 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau.

11 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau. 11 Phạm vi bảo vệ của hệ thống có nhiều hơn hai cột thu sét. 12 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét. 13 Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét .2 Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ .3 Tính toán các phương án chống sét đánh trực tiếp .4 So sánh tổng kết hai phương án.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP .2 Các yêu cầu kỹ thuật .3 Lý thuyết tính toán nối đất. 30 Tính toán nối đất an toàn. 30 Tính toán nối đất chống sét .4 Tính toán nối đất an toàn. 35 Nối đất tự nhiên.

35 Nối đất nhân tạo .5 Tính toán nối đất chống sét. 36 Tính toán nối đất và kiểm tra điều kiện phóng điện. 36 Nối đất bổ sung. TÍNH TOÁN SUẤT CẮT DO SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG ĐIỆN ÁP 110 kV.2 Các chỉ tiêu bảo vệ của chống sét đường dây.

45 Cường độ hoạt động của sét. 45 Số lần sét đánh vào đường dây. 46 Số lần phóng điện do sét đánh vào đường dây. 47 Số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây.

47 Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng.3 Tính toán các chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây. 49 Mô tả đường dây cần bảo vệ. 49 Độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp. 50 Tính số lần sét đánh vào đường dây.

52 Suất cắt do sét đánh vào đường dây. 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 72 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự phân bố điện tích trong một đám mây dông .2 Dạng dòng điện sét .3 CTS truyền thống ở một trạm biến áp 110 kV .4 CTS Franklin phát tia tiên đạo .5 Đường dây 500 kV có trang bị dây chống sét .1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét .2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau .3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau .4 Phạm vi bảo vệ của hệ thống có nhiều hơn 2 cột thu sét .5 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét .6 Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét .7 Sơ đồ mặt bằng đơn giản hóa của trạm biến áp .8 Sơ đồ nối điện chính của trạm biến áp .9 Sơ đồ bố trí cột thu sét phương án 1 .10 Phạm vi bảo vệ của phương án 1 .11 Sơ đồ bố trí cột thu sét phương án 2 .12 Phạm vi bảo vệ của phương án 2 .1 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất.2 Sơ đồ đẳng trị thu gọn của hệ thống nối đất .3 Hình dạng nối đất của thanh dẹt.4 Đồ thị dạng sóng của dòng diện sét .5 Sơ đồ nối đất của thanh vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm .6 Sơ đồ nối đất bổ sung .7 Sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất .1 Góc bảo vệ của dây chống sét .4 Sơ đồ xác định hệ số ngẫu hợp .5 Sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét .7 Miền nguy hiểm của dòng điện sét .8 Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét .9 Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện sét khi chưa có sóng phản xạ 59 Hình 4.10 Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện sét khi có sóng phản xạ trở về .11 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ 𝑈𝑐𝑑 (𝑎, 𝑡) và đặc tính V-s. 70 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng hợp sự cố lưới điện truyền tải miền Bắc trong giai đoạn 2011- 2014.1 Độ cao hữu ích của cột thu lôi phương án 1 .2 Bán kính bảo vệ của một cột thu sét phương án 1.3 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột thu sét phương án 1 .4 Độ cao hữu ích của cột thu sét phương án 2 .5 Bán kính bảo vệ của một cột thu sét phương án 2.6 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột thu sét phương án 2 .1 Bảng giá trị hệ số hình dạng K .2 Hệ số mùa .3 Bảng tính toán chuỗi số ∑∞ ∞ 𝑘=1 2 , ∑𝑘=1 2 .4 Bảng tính toán chuỗi∑∞ 𝑘=1 2.

𝑒 𝑇𝐾 nối đất mạch vòng kết hợp cọc xung 𝑘 quanh mạch vòng .5 Bảng tính toán giá trị 𝐵 = ∑∞ 𝑘=1 𝐵𝑘 .1 Xác suất hình thành hồ quang duy trì 𝜂 = 𝑓(𝐸𝑙𝑣 ).2 Bảng thông số kết cấu cột điện .3 Độ treo cao trung bình và góc bảo vệ của các pha .4 Bảng tổng trở sóng của dây dẫn .5 Hệ số ngẫu hợp các pha A, B, C với dây chống sét .6 Giá trị 𝑈𝑐𝑑 (𝑎, 𝑡 ) tác dụng lên chuỗi sứ .7 Đặc tính V-s của chuỗi sứ cách điện .8 Đặc tính xác suất phóng điện 𝜗𝑝𝑑 .9 Bảng giá trị 𝑈𝑐𝑢.10 Bảng giá trị của 𝑈𝑐𝑢.11Bảng giá trị của .12 Bảng giá trị 𝑖𝑐 (𝑎, 𝑡 ) .13 Bảng giá trị 𝑈𝑐 (𝑎, 𝑡) .14 Bảng giá trị 𝑈𝑑𝑐𝑠 (𝑎, 𝑡) .15 Bảng giá trị của 𝑈𝑐𝑑 (𝑎, 𝑡) .16 Đặc xác suất phóng điện 𝜗𝑝𝑑. HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Hiện tượng dông sét. Dông sét là một hiện tượng thiên nhiên, là sự phóng tia lửa điện khi khoảng cách giữa các điện cực khá lớn (trung bình chiều dài của khe sét khoảng 3÷5 km, phần lớn chiều dài đó phát triển trong các đám mây dông). Quá trình phóng điện của sét tương tự như quá trình phóng tia lửa điện trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn.

Chính sự tương tự đó đã cho phép mô phỏng sét trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu những quy luật của nó và nghiên cứu bảo vệ chống sét. Hiển nhiên, sét khác với phóng điện trong không khí tiến hành trong phòng thí nghiệm không chỉ ở quy mô mà còn ở đặc điểm riêng biệt của nguồn điện áp của nó, tức là những đám mây dông tích điện. Trên thực tế, sự hình thành các cơn dông luôn gắn liền với sự xuất hiện của những luồng không khí nóng ẩm khổng lồ từ mặt đất bốc lên. Các luồng không khí này được tạo thành hoặc do mặt đất bị nóng lên do ánh sáng mặt trời, đặc biệt ở những vùng cao (dông nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với không khí lạnh nặng (dông front), luồng không khí nóng ẩm bị đẩy lên trên.

Ở các vùng đồi núi cao, các luồng không khí nóng ẩm trườn theo sườn núi lên cao, đó là dòng địa hình. Sau khi đạt được một độ cao nhất định (khoảng vài km đổ lên), luồng không khí nóng ẩm này đi vào vùng nhiệt độ âm, bị lạnh đi, hơi nước ngưng tụ lại thành những giọt nước li ti hoặc thành các tinh thể băng. Chúng tạo thành các đám mây dông, còn gọi là mây tích vũ (Cumuloninbus).1 Sự phân bố điện tích trong một đám mây dông 1 Ở đây, ta chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây với mặt đất (phóng điện mây – đất). Vì hiện tượng phóng điện này gây ảnh hưởng trực tiếp với hệ thống điện.

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 tia điện đạo. Tốc độ di chuyển trung bình của tia điện đạo của lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5.107 𝑐𝑚⁄𝑠, các lần phóng điện sau thì tốc độ tăng lên khoảng 2. Tia điện 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 điện đạo. Phần diện tích này được phân bố khá đều dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất. Nếu vùng đất có điện dẫn không đồng nhất (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 dường sức nối liền giữa đầu tia điện đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn.

Do đó, để định hướng cho 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 được dựa trên tính chọn lọc này của phóng điện sét. Nếu tốc độ phát triển của dòng điện ngược là 𝜐 và mật độ điện trường của điện tích trong tia điện đạo là 𝛿 thì trong một đơn vị thời gian, điện tích đi trong đất là: 𝑖𝑥 = 𝜐.1 Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có đất tốt (trị số điện trở nhỏ không đáng kể).2 Dạng dòng điện sét 2 Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét, dòng điện này có biên độ và độ dốc phân bố theo hàm 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 vào thiết bị phân phối trong hệ thống điện, có thể gây ra quá điện áp khí quyển và hậu quả nghiêm trọng như: Ngắn mạch đầu thanh cái, cháy nổ, dẫn tới mất điện trên diện rộng,… Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và độ an toàn cao khi vận hành, phải đồng thời tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho hệ thống điện. Ở miền bắc, số ngày dông sét dao động từ 70-100 ngày trong một năm và số lần dông từ 150-300 lần. Như vậy, trung bình một ngày có thể tới 2-3 cơn dông. Vùng dông nhiều nhất ở miền Bắc là Móng Cái.

Tại đây hằng năm có từ 250-300 lần dông, nhất là những tháng 7, tháng 8.