Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trạm biến áp 110 kV Le Long là công trình năng lượng do Công ty TNHH Le Long Việt Nam (doanh nghiệp 100% vốn đầu tư Đài Loan) đầu tư xây dựng, đặt trong khuôn viên nhà máy sản xuất ắc quy Le Long tại Cụm công nghiệp Đức Mỹ, xã Đức Hòa Đông, huyện Đức Hòa, tỉnh Long An. Về mặt vận hành, trạm tiếp nhận nguồn truyền tải công suất từ trạm 220 kV Đức Hòa 2 và trạm 500/110 kV Phú Lâm theo phương thức mạch vòng.
Theo trình bày của nhóm tác giả, việc xây dựng và thiết kế trạm nhằm giải quyết 4 nhiệm vụ và mục tiêu thực tiễn cụ thể:
- Đáp ứng nhu cầu cung cấp điện năng phục vụ hoạt động sản xuất liên tục của nhà máy sản xuất Accu Le Long.
- Giảm tải cho trạm biến áp 110 kV Đức Hòa hiện hữu, cải thiện chất lượng điện áp và giảm thiểu tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối khu vực.
- Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện nội bộ cho nhà máy, giảm thiểu thời gian ngừng cấp điện do sự cố.
- Góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội của huyện Đức Hòa nói riêng và tỉnh Long An nói chung.
Về đối tượng nghiên cứu, đề tài tập trung vào hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn - chống sét cho phân phối ngoài trời cấp điện áp 110 kV của trạm biến áp 110/22 kV Le Long.
Về phạm vi không gian, nghiên cứu giới hạn trong khuôn viên trạm có tọa độ địa lý 663191mE; 1195190mN, tổng diện tích mặt bằng khoảng 2.529 m² (kích thước hình thang vuông: cạnh ngang 40 m, cạnh dài 60 m, cạnh đáy sau nở hậu 44,3 m). Mặt trước trạm giáp khu đất trống cách kênh nội bộ 150 m, mặt sau giáp khu dân cư đang xây dựng, hông trái giáp xưởng sản xuất dây thừng và hông phải giáp khu đất trống của công ty. Về phạm vi thời gian, công trình được thực hiện trong khóa học 2022–2024 và hoàn thành báo cáo vào tháng 06 năm 2023.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật điện cao áp về quá điện áp khí quyển và cơ chế phóng điện sét. Hiện tượng sét đánh được mô tả gồm giai đoạn phóng điện tiên đạo từ đám mây mang điện tích âm xuống đất với tốc độ trung bình 1,5×10⁷ cm/s, sau đó hình thành dòng plasma dẫn điện cao và phát triển giai đoạn phóng điện ngược từ mặt đất lên với tốc độ 1,5×10¹⁰ cm/s (khoảng 0,05 đến 0,5 lần tốc độ ánh sáng). Dòng điện sét được tính toán dựa trên mật độ điện tích đường và tốc độ phóng điện ngược ($i_s = \gamma \cdot v$). Tác giả áp dụng các mô hình phân bố thống kê thực nghiệm về biên độ dòng điện sét ($I_s$) và độ dốc đầu sóng ($a$) theo các công thức:
$$\lg v_I = -\frac{I_s}{60}$$
$$\lg v_a = -\frac{a}{25}$$
$$\lg v(I_s, a) = -\left(\frac{I_s}{60} + \frac{a}{25}\right)$$
Các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế được trích dẫn áp dụng cho thiết bị gồm: Tiêu chuẩn IEC 62271-100 cho máy cắt cao áp 110 kV và Tiêu chuẩn IEC 60099-4 cho thiết bị chống sét van oxit kim loại không khe hở.
Phương pháp nghiên cứu trong đồ án là phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật chuyên ngành, kết hợp giải tích hình học và mô hình hóa giải tích quá trình quá độ:
- Phương pháp hình học không gian: Xác định đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác ($D$) tạo bởi các chân cột thu sét, tính toán độ cao hiệu dụng ($h_a$), độ cao bảo vệ ($h_0$) và phương trình đường sinh hình chóp tròn xoay nhằm xác định bán kính bảo vệ ($r_x$, $r_{0x}$) của cột đơn và nhóm nhiều cột phối hợp tại các độ cao công trình $h_x = 7\text{ m}$ và $h_x = 4\text{ m}$.
- Phương pháp giải tích mạch thông số rải: Mô hình hóa hệ thống nối đất mạch vòng khi chịu tác động của dòng sét xung kích tần số cao thành sơ đồ thay thế gồm hai tia dài song song với các thông số điện cảm đơn vị ($L_0$) và điện dẫn đơn vị ($g_0$), thiết lập hệ phương trình vi phân truyền sóng để tính toán tổng trở xung kích đầu vào $Z(0, \tau_{đs})$ tại thời điểm dòng điện đạt đỉnh.
Nguồn dữ liệu tính toán bao gồm: Bản vẽ mặt bằng tổng thể và mặt cắt trạm 110 kV Le Long; tài liệu thông số kỹ thuật thực tế và biên bản kiểm tra thử nghiệm (test report) của máy biến áp chính T1 (hãng Shihlin), máy biến áp tự dùng TD41 (Thibidi), máy cắt 110 kV 3AP1FG (Siemens), chống sét van 96 kV (Siemens), biến dòng và biến điện áp (Trench, Zhida, Dong Woo); số liệu khí hậu dông sét tại Việt Nam (trung bình 75–100 ngày dông/năm); số liệu đo đạc thực tế điện trở suất của đất tại hiện trường đạt giá trị $\rho_đ = 75\ \Omega\cdot\text{m}$.
Thiết kế kỹ thuật và thông số trạm
Trạm biến áp 110/22 kV Le Long được thiết kế theo mô hình phân phối hỗn hợp: Toàn bộ thiết bị phân phối phía 110 kV lắp đặt ngoài trời, hệ thống phân phối phía 22 kV lắp đặt trong nhà điều hành 1 tầng có tầng hầm cáp (kích thước 8×24 m, sàn cao 2 m, chiều cao đỉnh mái 5 m). Sơ đồ nối điện phía 110 kV sử dụng sơ đồ thanh cái đơn mạch vòng; phía 22 kV sử dụng sơ đồ 1 thanh cái cấp cho 5 xuất tuyến.
| Thiết bị |
Nhà sản xuất / Xuất xứ |
Thông số kỹ thuật danh định chính |
| Máy biến áp lực T1 |
Shihlin (Đài Loan), chế tạo năm 2013 |
$S_{đm} = 32/40\text{ MVA}$ (ONAN/ONAF); $115/23/(11)\text{ kV}$; $I_{đm} = 160,6\text{ A}$; tổ đấu dây Ynyn0+d11; cuộn cân bằng 11 kV; $U_k(115-23\text{kV}) = 11,7%$; $P_0 = 23.278\text{ W}$; $P_{cu} = 200.910\text{ W}$; $I_0 = 0,13%$ |
| Máy biến áp tự dùng TD41 |
THIBIDI (Việt Nam) |
$S_{đm} = 100\text{ kVA}$; $22\pm 2\times 2,5% / 0,4\text{ kV}$; làm mát ONAN; Dyn11; tổng trọng lượng 525 kg |
| Máy cắt 110 kV (MC 131) |
SIEMENS (Ấn Độ), kiểu 3AP1FG |
$U_{đm} = 145\text{ kV}$; $I_{đm} = 3.150\text{ A}$; dòng cắt ngắn mạch $62,5\text{ kA}/3\text{s}$; khí SF6 dập hồ quang; áp suất nạp 0,6 MPa |
| Máy cắt hợp bộ 22 kV |
MITSUBISHI, kiểu 20-VPR-25D |
$U_{đm} = 24\text{ kV}$; $I_{đm} = 1.200 - 1.250\text{ A}$; dòng cắt ngắn mạch $25\text{ kA}/3\text{s}$; điện áp chịu xung sét $125\text{ kV}$ |
| Dao cắt phụ tải LBS 22 kV |
SCHNEIDER |
$U_{đm} = 24\text{ kV}$; $I_{đm} = 600\text{ A}$; dòng cắt ngắn mạch $25\text{ kA}/1\text{s}$; chịu xung sét $125\text{ kV}$ |
| Biến điện áp (TU171, TU172, TUC11) |
TRENCH (Trung Quốc), kiểu 8MWB |
$U_{đm} = 123\text{ kV}$; chịu xung sét $500\text{ kV}$; tỷ số biến $110.000/\sqrt{3} : 110/\sqrt{3} : 110/\sqrt{3}\text{ V}$; $S_{đm} = 100\text{ VA}$ |
| Biến dòng điện (TI171, TI172) |
TRENCH (Trung Quốc) |
$U_{đm} = 123\text{ kV}$; tỷ số biến $400-800-1200/1-1-1-1\text{ A}$; cấp chính xác 0,5 FS10 / 5P20; chịu xung sét $650\text{ kV}$ |
| Biến dòng điện (TI131) |
TRENCH (Trung Quốc) |
$U_{đm} = 123\text{ kV}$; tỷ số biến $200-300-400/1-1-1-1\text{ A}$; cấp chính xác 0,5 FS10 / 5P20 |
| Chống sét van phía 110 kV |
SIEMENS (Hoa Kỳ), IEC 60099-4 |
$U_{đm} = 96\text{ kV}$; điện áp vận hành liên tục MCOV $= 77\text{ kV}$; dòng xả danh định $10\text{ kA}$; chiều cao $1.062\text{ mm}$ |
Giải pháp kỹ thuật của đồ án đưa ra là tận dụng các cấu trúc xây dựng sẵn có của trạm để gắn kim thu sét: Cột số 1 được gắn trên đỉnh trụ thu phát sóng vô tuyến cao 35 m (độ cao đỉnh kim đạt 37 m tính từ mặt đất), hai cột số 2 và 3 được gắn trực tiếp trên đỉnh hai trụ cổng đỡ thanh cái cao 16 m (độ cao đỉnh kim đạt 18 m tính từ mặt đất).
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Giới thiệu tổng quát về trạm biến áp 110 kV Le Long
Chương này mô tả bối cảnh đầu tư, vị trí mặt bằng xây dựng, cấu trúc hạ tầng và bảng thống kê chi tiết các thông số kỹ thuật của toàn bộ thiết bị nhất thứ trong trạm:
- Mặt bằng và hạ tầng giao thông: Khuôn viên trạm hình thang vuông có diện tích 2.529 m², nền đất tự nhiên đầm chặt hệ số $k=0,95$. Đường nội bộ trong trạm rộng 3 m kết cấu gồm mặt đường bê tông cốt thép đá 1×2 mác B15 dày 20 cm, bê tông lót B7,5 dày 10 cm, lớp cát kẹp đá 5×7 dày 20 cm. Đường ngoài trạm nối từ xưởng sản xuất dài 500 m, mặt đường bê tông nhựa dày 20 cm trên nền cấp phối đá dăm. Tường rào bao quanh xây gạch dày 0,2 m, móng bê tông cốt thép B15, đoạn tiếp giáp xưởng sản xuất dây thừng được lắp thêm lưới B40 cao 2 m.
- Dữ liệu vận hành máy biến áp chính T1: Máy biến áp do hãng Shihlin sản xuất, đưa vào vận hành ngày 25/05/2016, sử dụng dầu cách điện Shell Diala Oils X. Các nấc điện áp danh định 115 kV $\pm 9\times 1,25% / 23\text{ kV} / 11\text{ kV}$. Mức cách điện chịu đựng xung sét LI của cuộn cao áp là 550 kV đỉnh, cuộn hạ áp là 125 kV đỉnh, cuộn cân bằng là 75 kV đỉnh. Khả năng chịu dòng ngắn mạch cuộn 115 kV là $25\text{ kA}/3\text{s}$, cuộn 23 kV là $25\text{ kA}/1\text{s}$.
- Thông số các thiết bị phân phối và bảo vệ: Hệ thống máy cắt Siemens 3AP1FG sử dụng khí SF6 với khối lượng nạp 8,5 kg; hệ thống máy cắt hợp bộ 22 kV Mitsubishi kiểu chân không; thiết bị đo lường TU Trench dung lượng 7.600 pF; máy biến dòng bảo vệ mạch cuộn thứ cấp cấp chính xác 5P20; hệ thống chống sét van Siemens 96 kV bảo vệ quá điện áp cuộn cao áp máy biến áp.
Chương II: Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm 110 kV Le Long
Nội dung trọng tâm của chương là phân tích quá trình quá điện áp khí quyển, các yêu cầu kỹ thuật và tính toán kiểm tra phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu sét:
- Cơ sở lý thuyết và quy chuẩn an toàn: Đồ án dẫn dắt quy luật hoạt động sét tại vùng nhiệt đới với mật độ phóng điện xuống đất trung bình khoảng 0,1 đến 0,15 lần/km²/ngày dông. Khi bố trí cột thu sét trên kết cấu xà trạm 110 kV, yêu cầu kỹ thuật quy định: Chân trụ đặt cột thu sét phải có nối đất bổ sung để điện trở tản không vượt quá $4\ \Omega$; khoảng cách theo đường điện giữa điểm nối đất của cột thu sét và vỏ máy biến áp phải lớn hơn 15 m; khoảng cách giữa điểm nối đất của chống sét van và vỏ máy biến áp phải nhỏ hơn 5 m; khoảng cách không khí giữa kết cấu gắn cột thu lôi đến phần mang điện không được nhỏ hơn chiều dài chuỗi sứ cách điện.
- Vật liệu thoát sét: Quy định dây dẫn dòng sét trên mặt đất dùng thép tròn mạ kẽm $\ge \Phi 8\text{ mm}$ hoặc thép dẹt mạ kẽm $20\times 2,5\text{ mm}^2$, thanh đồng dẹt $20\times 2,5\text{ mm}^2$. Dưới mặt đất dùng thép tròn $\ge \Phi 10\text{ mm}$, thép dẹt $30\times 3,5\text{ mm}^2$. Mỗi hệ thống thu sét phải có tối thiểu 2 dây dẫn sét xuống đất.
- Tính toán độ cao và phạm vi bảo vệ: Các thanh xà cần bảo vệ trong trạm có độ cao lớn nhất $h_x = 7\text{ m}$ (ngoài ra có các kết cấu cao 4 m). Ba cột thu sét bố trí thành hình tam giác với khoảng cách giữa cột 1–2 là $a = 50,3\text{ m}$, cột 2–3 là $c = 26\text{ m}$, cột 1–3 là $b = 56\text{ m}$. Đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác tính được yêu cầu độ cao hiệu dụng $h_a = 7,01\text{ m} \to$ chọn $h_a = 8\text{ m}$. Độ cao tối thiểu yêu cầu của cột thu sét là $h = h_x + h_a = 7 + 8 = 15\text{ m}$. Nhóm thiết kế tận dụng trụ vô tuyến và trụ cổng có sẵn: Cột số 1 đạt $h_1 = 37\text{ m}$ (trụ 35 m + kim 2 m), cột số 2 và 3 đạt $h_2 = h_3 = 18\text{ m}$ (trụ 16 m + kim 2 m).
- Kết quả kiểm tra bán kính bảo vệ tại cao trình xà lớn nhất $h_x = 7\text{ m}$:
- Cột số 1 ($h = 37\text{ m}$): $r_x = 43,40\text{ m}$; tại $h_x = 4\text{ m}$ có $r_x = 38,31\text{ m}$.
- Cột số 2, 3 ($h = 18\text{ m}$): $r_x = 19,50\text{ m}$; tại $h_x = 4\text{ m}$ có $r_x = 13,87\text{ m}$.
- Cặp cột 2–3 ($a = 26\text{ m}$): Độ cao bảo vệ giữa 2 cột $h_0 = 14,3\text{ m}$, bán kính bảo vệ giữa 2 cột ở mức 7 m đạt $r_{0x} = 9,5\text{ m}$.
- Cặp cột 1–2 (khác độ cao, $a = 50,3\text{ m}$): Cột ảo đạt $h_0 = 13,91\text{ m}$, bán kính bảo vệ $r_{0x} = 9,27\text{ m}$.
- Cặp cột 1–3 (khác độ cao, khoảng cách 56 m): Cột ảo đạt $h_0 = 13,10\text{ m}$, bán kính bảo vệ $r_{0x} = 8,73\text{ m}$. Toàn bộ các thiết bị phân phối ngoài trời đều nằm trọn trong vùng an toàn.
Chương 3: Tính toán nối đất chống sét cho thiết bị phân phối điện ngoài trời
Chương 3 thực hiện tính toán thiết kế chi tiết hệ thống nối đất an toàn và kiểm tra tổng trở xung kích chống sét:
- Yêu cầu kỹ thuật: Trạm sử dụng chung hệ thống nối đất cho cả ba chức năng: Nối đất làm việc (nối trung tính MBA), nối đất an toàn và nối đất chống sét. Quy phạm yêu cầu điện trở nối đất của hệ thống đối với mạng 110 kV có trung tính nối đất trực tiếp phải đạt $R_{ht} \le 0,5\ \Omega$.
- Đánh giá nối đất tự nhiên: Nối đất tự nhiên tận dụng hệ thống chống sét đường dây và cột điện 110 kV đấu nối vào trạm (2 lộ đường dây, dây chống sét C-70 có $r_0 = 2,38\ \Omega/\text{km}$, khoảng vượt $l = 200\text{ m} \to R_{cs} = 0,476\ \Omega$, điện trở nối đất cột $R_c = 10\ \Omega$). Điện trở nối đất tự nhiên tính ra đạt $R_{TN} = 0,98\ \Omega$. Vì $R_{TN} > 0,5\ \Omega$ nên bắt buộc phải thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo, thỏa mãn điều kiện phối hợp song song:
$$R_{NT} \le \frac{R_{TN} \times 0,5}{R_{TN} - 0,5} = \frac{0,98 \times 0,5}{0,98 - 0,5} \approx 1,02\ \Omega \implies \text{chọn } R_{NT} \le 1\ \Omega$$
- Thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo:
- Mạch vòng: Dùng dây đồng trần tiết diện 120 mm² chôn sâu $t = 0,8\text{ m}$, tạo thành mạch vòng hình chữ nhật quanh trạm có chiều dài $l_1 = 58,5\text{ m}$, rộng $l_2 = 39\text{ m}$ (chu vi $L = 195\text{ m}$). Tỷ số $l_1/l_2 = 1,5 \to$ tra đồ thị hệ số hình dạng được $K = 5,7$. Điện trở suất đo được $\rho_đ = 75\ \Omega\cdot\text{m}$, hệ số mùa thanh ngang $k_m = 1,6 \to \rho_{tt} = 120\ \Omega\cdot\text{m}$. Điện trở mạch vòng độc lập chưa đạt yêu cầu.
- Cọc tiếp địa: Sử dụng 45 cọc sắt mạ đồng dài $l_c = 2,4\text{ m}$, đường kính $\Phi 16\text{ mm}$, khoảng cách giữa các cọc $a = 5,5\text{ m}$ và $b = 7,5\text{ m}$. Hệ số mùa của cọc $k_{m.c} = 1,4$.
- Giếng khoan tiếp địa: Do điện trở tản vẫn chưa đạt mức tối ưu trên diện tích trạm hẹp, đồ án thiết kế bổ sung 6 giếng khoan tiếp địa sâu 50 m tại các góc trạm, sử dụng ống thép tráng kẽm đường kính $\Phi 40\text{ mm} \times 50\text{ m}$.
- Kết hợp hệ thống (tổng 51 cọc và giếng): Tra bảng hệ số sử dụng cọc $\eta_c = 0,58$, thanh $\eta_t = 0,28$, tính toán ra giá trị điện trở nhân tạo $R_{NT}$ đạt yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo điện trở nối đất tổng hợp $R_{ht} = R_{TN} // R_{NT} \le 0,5\ \Omega$.
- Tính toán nối đất chống sét phía 110 kV (chế độ xung kích):
- Thông số dòng sét tính toán: Dạng sóng xiên góc có biên độ đỉnh $I = 150\text{ kA}$, độ dốc dòng điện $a = 30\text{ kA}/\mu\text{s}$, thời gian đầu sóng $\tau_{đs} = 5\ \mu\text{s}$.
- Tiêu chuẩn kiểm tra an toàn cách điện máy biến áp: $I \times Z_{xk} \le U_{0,5}(MBA) = 460\text{ kV}$.
- Tính toán lại điện trở nhân tạo theo hệ số mùa sét $k_{m.sét}$. Mô hình hóa mạch vòng thành hai tia dài song song ghép song song chiều dài mỗi nhánh $l = L/2 = 97,5\text{ m}$, bán kính tương đương $r = 6\times 10^{-3}\text{ m}$.
- Xác định thông số đơn vị: Điện cảm $L_0 = 0,2 \cdot 10^{-6}\text{ H/m}$, điện dẫn $g_0 \approx 6\cdot 10^{-3}\ \Omega^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$. Thiết lập hệ phương trình vi phân truyền sóng và khảo sát chuỗi hằng số thời gian $T_k = \frac{L_0 \cdot g_0 \cdot l^2}{k^2 \pi^2}$. Tính toán xác định hệ số nguyên dương $k$ nhỏ nhất là 5 ứng với thời gian đầu sóng $\tau_{đs} = 5\ \mu\text{s}$ để nghiệm số hàm mũ $e^{-\tau_{đs}/T_k}$ suy giảm bé hơn 0,018, từ đó nghiệm thu được tổng trở xung kích $Z(0, \tau_{đs})$ bảo đảm không gây ra hiện tượng phóng điện ngược lên cách điện thiết bị.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành toàn bộ các hạng mục tính toán thiết kế kỹ thuật bảo vệ chống sét và nối đất cho trạm 110 kV Le Long với các kết quả cụ thể có trong tài liệu:
| Hạng mục thiết kế |
Giá trị tính toán / Phương án lựa chọn |
Tiêu chuẩn / Yêu cầu kỹ thuật |
Đánh giá |
| Chiều cao cột thu sét yêu cầu |
$h = 15\text{ m}$ ($h_x = 7\text{ m}$, $h_a = 8\text{ m}$) |
$D \le 8 \cdot h_a$ ($D = 56,1\text{ m}$) |
Thỏa mãn điều kiện che phủ đa giác |
| Chiều cao cột số 1 thực tế |
$37\text{ m}$ (trụ vô tuyến 35 m + kim 2 m) |
$h_1 \ge 15\text{ m}$ |
Tận dụng kết cấu sẵn có, tăng bán kính bảo vệ ($r_x = 43,4\text{ m}$) |
| Chiều cao cột số 2 và 3 thực tế |
$18\text{ m}$ (trụ cổng 16 m + kim 2 m) |
$h_{2,3} \ge 15\text{ m}$ |
Tận dụng trụ đỡ thanh cái, bán kính bảo vệ $r_x = 19,5\text{ m}$ |
| Bán kính bảo vệ cặp cột ($h_x=7\text{ m}$) |
Cặp 2–3: 9,5 m; Cặp 1–2: 9,27 m; Cặp 1–3: 8,73 m |
Bao phủ toàn bộ xà trạm cao 7 m |
Thiết bị nằm hoàn toàn trong vùng an toàn |
| Điện trở nối đất tự nhiên $R_{TN}$ |
$0,98\ \Omega$ |
$R_{TN} \le 0,5\ \Omega$ |
Không đạt yêu cầu $\to$ Bắt buộc làm tiếp địa nhân tạo |
| Cấu hình nối đất nhân tạo |
Mạch vòng đồng 120 mm² ($195\text{ m}$) + 45 cọc thép mạ đồng 2,4 m + 6 giếng khoan 50 m |
$R_{NT} \le 1,0\ \Omega$ |
Đạt yêu cầu kỹ thuật |
| Điện trở nối đất hệ thống $R_{ht}$ |
$R_{ht} = R_{TN} // R_{NT} \le 0,5\ \Omega$ |
Quy chuẩn nối đất trạm biến áp $\le 0,5\ \Omega$ |
Đạt yêu cầu vận hành an toàn hệ thống |
| Kiểm tra xung kích chống sét 110 kV |
Dòng đỉnh 150 kA, đầu sóng $5\ \mu\text{s}$, mô hình 2 tia phân bố dài ($k \ge 5$) |
Phóng điện xung kích MBA $U_{0,5} = 460\text{ kV}$ |
Ngăn chặn nguy cơ phóng điện ngược |
Đóng góp kỹ thuật do nhóm tác giả đề xuất:
- Giải pháp bố trí cột thu sét kinh tế: Thay vì xây dựng các móng cột thu lôi độc lập tốn kém chi phí và chiếm diện tích mặt bằng, đồ án đã đề xuất phương án gắn kim thu lôi trực tiếp lên kết cấu trụ tháp sóng vô tuyến cao 35 m và 2 trụ cổng đỡ đường dây cao 16 m. Giải pháp này giúp chiều cao kim thu lôi đạt 37 m và 18 m (vượt chiều cao yêu cầu tối thiểu 15 m), mở rộng đáng kể bán kính bảo vệ mà không phát sinh chi phí xây dựng trụ đỡ riêng biệt.
- Giải pháp xử lý nối đất trên diện tích hẹp: Khuôn viên trạm hạn chế (khoảng 2.529 m²) khiến việc đóng cọc tiếp địa thông thường không đủ để hạ điện trở tản xuống dưới $0,5\ \Omega$. Nhóm thiết kế đã kết hợp mạch vòng chu vi 195 m, bãi cọc 45 thanh mạ đồng với 6 giếng khoan tiếp địa sâu 50 m tại các góc biên, giải quyết bài toán giảm điện trở nối đất an toàn trong điều kiện địa chất có điện trở suất $75\ \Omega\cdot\text{m}$.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án được xác định từ phạm vi tính toán giải tích trong văn bản:
- Đồ án giải quyết bài toán thiết kế lý thuyết dựa trên các công thức giải tích kinh điển, chưa có điều kiện đối chiếu với số liệu đo đạc thực nghiệm thực tế sau thi công hoàn thiện hệ thống tiếp địa và giếng khoan tại công trường trạm Le Long.
- Khi phân tích quá trình quá độ dòng sét trong hệ thống nối đất, mô hình tính toán buộc phải áp dụng các giả thiết đơn giản hóa: Bỏ qua quá trình phóng điện tia lửa trong môi trường đất, giả thiết điện trở suất của đất đồng nhất không đổi theo chiều sâu, bỏ qua thành phần điện trở - điện dung của điện cực và xem mạch vòng như hai tia dài song song độc lập.
- Một số bảng tra hệ số sử dụng và đường cong thực nghiệm được kế thừa trực tiếp từ giáo trình hướng dẫn đồ án mà chưa được kiểm chứng chéo bằng các công cụ tính toán số hiện đại.
Hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo (dựa trên phạm vi kỹ thuật của trạm):
- Ứng dụng các phần mềm mô phỏng trường điện từ chuyên dụng (chẳng hạn như EMTP/ATP hoặc CDEGS) để phân tích chi tiết sự phân bố dòng sét và điện thế bước, điện thế tiếp xúc trong không gian 3 chiều của bãi nối đất trạm Le Long.
- Thực hiện đo đạc thực tế giá trị điện trở tiếp địa theo phương pháp ba cực sau khi hoàn thành đóng cọc và khoan giếng để đánh giá sai số giữa mô hình tính toán lý thuyết và hiện trường.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng cho sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Kỹ thuật điện cao áp, cũng như các kỹ sư tham gia công tác tư vấn thiết kế trạm biến áp phân phối:
- Tham khảo về phương pháp tính toán chống sét: Cung cấp quy trình từng bước xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống 3 cột thu lôi có độ cao không đồng đều, áp dụng cụ thể công thức hình học đường sinh chóp tròn xoay và cách thức tận dụng trụ cổng, trụ viễn thông sẵn có trong trạm biến áp 110 kV.
- Tham khảo về thiết kế nối đất hỗn hợp: Bản vẽ và công thức phối hợp giữa mạch vòng, cọc tiếp địa phân bố và giếng tiếp địa tầng sâu (khoan sâu 50 m) là giải pháp thực tế hữu ích cho các dự án trạm biến áp công nghiệp có diện tích mặt bằng chật hẹp.
- Dữ liệu thiết bị trạm 110 kV thực tế: Cung cấp đầy đủ bảng thông số kỹ thuật vận hành, nhãn máy, mức chịu đựng xung sét của các thiết bị thực tế đang vận hành trên lưới điện Việt Nam (MBA Shihlin, máy cắt Siemens 3AP1FG, chống sét van Siemens, TU/TI Trench).
Câu hỏi thường gặp
1. Máy biến áp chính T1 của trạm 110 kV Le Long có các thông số cơ bản nào?
Máy biến áp T1 do hãng Shihlin (Đài Loan) chế tạo năm 2013, vận hành chính thức ngày 25/05/2016. Máy có công suất định mức 32/40 MVA (tương ứng chế độ làm mát tự nhiên ONAN và quạt gió cưỡng bức ONAF), điện áp định mức 115/23/(11) kV, dòng điện cao áp định mức 160,6 A, tổ đấu dây Ynyn0+d11 với cuộn cân bằng 11 kV đấu tam giác hở đưa hai đầu sứ ra ngoài. Tổn hao không tải $P_0 = 23.278\text{ W}$, tổn hao ngắn mạch $P_{cu} = 200.910\text{ W}$, dòng điện không tải $I_0 = 0,13%$, điện áp ngắn mạch giữa cao áp và hạ áp $U_{k(115-23\text{kV})} = 11,7%$.
2. Chiều cao của các cột thu sét tại trạm Le Long được lựa chọn như thế nào?
Tính toán hình học tam giác ngoại tiếp xác định độ cao tối thiểu yêu cầu của các cột thu sét là 15 m (với độ cao xà cần bảo vệ lớn nhất $h_x = 7\text{ m}$ và độ cao hiệu dụng $h_a = 8\text{ m}$). Nhóm tác giả tận dụng kết cấu có sẵn của trạm: Cột số 1 được gắn kim 2 m trên đỉnh trụ sóng vô tuyến cao 35 m, đạt tổng chiều cao 37 m; cột số 2 và 3 được gắn kim 2 m trên hai trụ cổng cao 16 m, đạt chiều cao 18 m. Các chiều cao này đều lớn hơn 15 m, bảo đảm bao phủ toàn bộ trạm với bán kính bảo vệ tại độ cao 7 m đạt từ 19,5 m đến 43,4 m cho từng cột.
3. Tại sao trạm phải thiết kế nối đất nhân tạo kết hợp giếng khoan tiếp địa sâu 50 m?
Khi tính toán nối đất tự nhiên qua hệ thống chống sét đường dây và cột điện 110 kV (sử dụng 2 lộ dây C-70), điện trở tản tự nhiên thu được là $R_{TN} = 0,98\ \Omega$, vượt quá quy chuẩn cho phép đối với trạm 110 kV trung tính nối đất trực tiếp ($R_{ht} \le 0,5\ \Omega$). Do đó trạm bắt buộc phải thi công nối đất nhân tạo ($R_{NT} \le 1,0\ \Omega$). Vì diện tích mặt bằng trạm hẹp (khoảng 2.529 m²) nên chỉ làm mạch vòng và đóng 45 cọc sâu 2,4 m thì chưa đủ giảm điện trở xuống ngưỡng yêu cầu; thiết kế bắt buộc bổ sung 6 giếng tiếp địa khoan sâu 50 m bằng ống thép tráng kẽm $\Phi 40\text{ mm}$ tại các góc trạm.
4. Quy định về khoảng cách tiếp địa giữa cột thu sét, vỏ máy biến áp và chống sét van là bao nhiêu?
Theo quy chuẩn kỹ thuật điện cao áp nêu trong đồ án, cuộn dây máy biến áp là điểm xung yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời. Vì vậy, khoảng cách đo theo đường điện trong đất giữa điểm nối vào hệ thống nối đất của cột thu sét và vỏ máy biến áp phải lớn hơn 15 m nhằm tránh phóng điện ngược; ngược lại, khoảng cách giữa điểm nối đất của chống sét van và vỏ máy biến áp phải nhỏ hơn 5 m để bảo vệ hiệu quả cuộn dây.
5. Kiểm tra an toàn nối đất chống sét phía 110 kV được thực hiện dựa trên điều kiện gì?
Quá trình kiểm tra an toàn chống sét xung kích sử dụng mô hình sóng xiên góc biên độ đỉnh $I = 150\text{ kA}$, độ dốc $a = 30\text{ kA}/\mu\text{s}$, thời gian đầu sóng $\tau_{đs} = 5\ \mu\text{s}$. Điều kiện kiểm tra an toàn cho cách điện máy biến áp là tích số giữa dòng điện sét và tổng trở xung kích đầu vào không được vượt quá điện áp phóng điện xung kích nhỏ nhất của máy biến áp: $I \times Z(0, \tau_{đs}) \le U_{0,5}(MBA) = 460\text{ kV}$. Mô hình tính toán giải tích phân rải mạch vòng thành 2 nhánh dài song song, khảo sát chuỗi nghiệm phương trình vi phân với bậc điều hòa $k \ge 5$.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm biến áp 110/22 kV - Trạm 110kV Le Long" do nhóm sinh viên Lớp Đ17H5B Trường Đại học Điện Lực thực hiện đã hoàn thành tính toán kỹ thuật toàn diện cho một trạm biến áp công nghiệp thực tế tại Long An. Bằng giải pháp tận dụng trụ tháp vô tuyến và trụ cổng đỡ thanh cái để bố trí hệ thống 3 cột thu sét, công trình đã đảm bảo vùng bảo vệ che phủ an toàn toàn bộ thiết bị phân phối ngoài trời ở cao trình xà 7 m mà vẫn tiết kiệm chi phí xây dựng. Đồng thời, phương án nối đất kết hợp mạch vòng, bãi cọc và 6 giếng khoan sâu 50 m đã giải quyết triệt để yêu cầu hạ điện trở tản của hệ thống xuống dưới $0,5\ \Omega$ và đáp ứng an toàn xung kích khi chịu dòng sét 150 kA.
