Bài Giảng về Thiết Kế Hệ Thống Bảo Vệ và Chống Sét cho Trạm Biến Áp

Thiết kế hệ thống bảo vệ và chống sét cho trạm biến áp là một nhiệm vụ quan trọng nhằm đảm… 101 trang · Trường Đại Học Quản Lý và Công Nghệ Hải Phòng · 2023.

• Tác giả: Phạm Trường Giang
• Người hướng dẫn: Th.S. Phạm Đắc Thuận
• Trường học: Trường Đại Học Quản Lý và Công Nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tử Động Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Bảo Vệ và Chống Sét cho Trạm Biến Áp
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP
• 1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT
• 1.2. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI HỆ THỐNG CHỐNG SÉT ĐÁNH TRÁC TIẾP
• 1.3. PHẠM VI BẢO VỆ CỦA CỘT THU SÉT VÀ DÂY CHỐNG SÉT
• 1.4. BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY
• 1.5. BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRUYỀN VÀO TRẠM BIẾN ÁP TỪ PHÍA ĐƯỜNG DÂY 110 KV
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
• 3. CHƯƠNG 3: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY
• 4. CHƯƠNG 4: BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRUYỀN VÀO TRẠM BIẾN ÁP TỪ PHÍA ĐƯỜNG DÂY 110 KV
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LỜI CẢM ƠN

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Hệ Thống Bảo Vệ và Chống Sét Cho Trạm Biến Áp

Thiết kế hệ thống bảo vệ và chống sét cho trạm biến áp là một nhiệm vụ quan trọng nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người. Hệ thống này không chỉ giúp bảo vệ các thiết bị điện mà còn giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra. Việc thiết kế cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định hiện hành để đảm bảo hiệu quả tối ưu.

1.1. Khái Niệm Về Hệ Thống Bảo Vệ Chống Sét

Hệ thống bảo vệ chống sét (Lightning Protection System) là một hệ thống cung cấp phương tiện để tia sét có thể đi vào hoặc rời khỏi trái đất mà không gây hại cho con người và thiết bị. Hệ thống này không ngăn được sét đánh nhưng giúp kiểm soát và ngăn ngừa thiệt hại.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Hệ Thống Bảo Vệ

Hệ thống bảo vệ chống sét đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các thiết bị điện và công trình xây dựng. Nó giúp giảm thiểu rủi ro hư hại do sét đánh, bảo vệ an toàn cho con người và tài sản.

II. Các Vấn Đề và Thách Thức Trong Thiết Kế Hệ Thống Chống Sét

Thiết kế hệ thống chống sét cho trạm biến áp gặp nhiều thách thức, bao gồm việc xác định đúng vị trí lắp đặt cột thu sét, tính toán phạm vi bảo vệ và lựa chọn thiết bị phù hợp. Những vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo hiệu quả của hệ thống.

2.1. Xác Định Vị Trí Lắp Đặt Cột Thu Sét

Vị trí lắp đặt cột thu sét cần được xác định dựa trên cấu trúc của trạm biến áp và các yếu tố môi trường xung quanh. Điều này giúp tối ưu hóa phạm vi bảo vệ và giảm thiểu rủi ro.

2.2. Tính Toán Phạm Vi Bảo Vệ

Phạm vi bảo vệ của hệ thống chống sét được tính toán dựa trên chiều cao của cột thu sét và các yếu tố khác. Việc tính toán chính xác giúp đảm bảo rằng tất cả các khu vực quan trọng đều được bảo vệ.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Bảo Vệ Chống Sét

Có nhiều phương pháp thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm biến áp. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Phương Pháp Thiết Kế Cột Thu Sét

Phương pháp thiết kế cột thu sét bao gồm việc lựa chọn chiều cao và số lượng cột thu sét cần thiết. Cột thu sét cần được lắp đặt ở vị trí cao nhất để tối ưu hóa khả năng bảo vệ.

3.2. Phương Pháp Tính Toán Dây Chống Sét

Dây chống sét cần được tính toán để đảm bảo rằng nó có thể dẫn điện an toàn khi có sét đánh. Việc lựa chọn vật liệu và kích thước dây cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Bảo Vệ Chống Sét

Hệ thống bảo vệ chống sét đã được áp dụng rộng rãi tại nhiều trạm biến áp trên toàn quốc. Những ứng dụng này không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn nâng cao độ tin cậy trong cung cấp điện.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu Tại Trạm Biến Áp Cửa Cấm

Tại trạm biến áp Cửa Cấm, hệ thống bảo vệ chống sét đã được lắp đặt và hoạt động hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại do sét đánh. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả bảo vệ cao.

4.2. Các Tiêu Chuẩn Chống Sét Được Áp Dụng

Các tiêu chuẩn chống sét như IEC 61643-21 đã được áp dụng để đảm bảo rằng hệ thống bảo vệ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và an toàn.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Hệ Thống Bảo Vệ Chống Sét

Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm biến áp là một nhiệm vụ quan trọng và cần thiết. Việc áp dụng các phương pháp thiết kế hiện đại và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật sẽ giúp nâng cao hiệu quả bảo vệ.

5.1. Tương Lai Của Hệ Thống Bảo Vệ Chống Sét

Trong tương lai, công nghệ chống sét sẽ tiếp tục phát triển, mang lại những giải pháp hiệu quả hơn cho việc bảo vệ trạm biến áp và các công trình điện.

5.2. Khuyến Nghị Đối Với Thiết Kế Hệ Thống

Cần thường xuyên đánh giá và cập nhật hệ thống bảo vệ chống sét để đảm bảo rằng nó luôn đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và an toàn mới nhất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống điện lực, sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển mang năng lượng nhiệt và quá điện áp cực lớn, gây nguy cơ phá hủy kết cấu xây dựng, hư hỏng cách điện thiết bị, gây sự cố chập cháy và làm gián đoạn cung cấp điện. Đối với các trung tâm phụ tải công nghiệp và đô thị, việc duy trì vận hành an toàn, liên tục của các trạm biến áp 110kV đóng vai trò quyết định đến an ninh năng lượng khu vực.

Tại Thành phố Hải Phòng, trạm biến áp 110kV Cửa Cấm là nút truyền tải trọng yếu, trực tiếp cấp điện cho các phụ tải quan trọng thuộc các quận Ngô Quyền, Hải An và Lê Chân. Theo thiết kế ban đầu, trạm vận hành 02 máy biến áp công suất 63MVA. Tuy nhiên, vào năm 2019, 01 máy biến áp 63MVA đã phải tách khỏi vận hành do không đáp ứng đủ điều kiện kỹ thuật. Trong bối cảnh công suất khai thác thực tế tại các trạm 110kV khu vực mới đạt 50% – 60% công suất đặt và mạch vòng liên kết trung thế giữa các trạm 110kV chưa thực sự ổn định, việc phục hồi và tăng cường độ tin cậy của trạm Cửa Cấm trở thành nhiệm vụ cấp thiết. Sau khi dự án sửa chữa hoàn tất và máy biến áp T1 (công suất 63MVA, tỷ số biến áp 115/23/6 kV) được đóng điện thành công vào hệ thống, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng hoàn chỉnh hệ thống bảo vệ chống sét đồng bộ nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho thiết bị và con người.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án tốt nghiệp được xác định bao gồm 4 nội dung kỹ thuật trọng tâm:

1. Nghiên cứu cơ sở lý luận và các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất trong trạm biến áp.
2. Tính toán, thiết kế và lựa chọn phương án bố trí hệ thống chống sét đánh trực tiếp (sử dụng cột thu sét hoặc kết hợp dây chống sét) bảo vệ toàn bộ diện tích và thiết bị trong trạm.
3. Tính toán, thiết kế hệ thống nối đất an toàn và nối đất chống sét; kiểm tra điều kiện an toàn phóng điện ngược dưới tác dụng của dòng điện sét xung kích và tính toán giải pháp đóng cọc nối đất bổ sung.
4. Tính toán các chỉ tiêu bảo vệ chống sét cho đường dây 110kV đi vào trạm và bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm biến áp.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống chống sét đánh trực tiếp, mạng nối đất an toàn – chống sét, và hệ thống bảo vệ quá điện áp lan truyền tại trạm biến áp Cửa Cấm. Phạm vi không gian nghiên cứu bao gồm khu vực phân phối khí cụ ngoài trời 110kV của trạm có diện tích $19.200\text{ m}^2$ (trên tổng mặt bằng trạm $555.000\text{ m}^2$), gồm 8 lộ đường dây 110kV, sơ đồ hai thanh góp có thanh góp vòng cấp điện từ 2 máy biến áp tự ngẫu, với các độ cao xà cần bảo vệ là 8m và 11m. Phạm vi thời gian nghiên cứu thực hiện năm 2023, dựa trên hiện trạng vận hành sau khi đóng điện vận hành máy biến áp T1 63MVA.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu ứng dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và hệ thống lý thuyết giải tích chuyên ngành kỹ thuật điện cao áp:

• Tiêu chuẩn IEC 61643-21: Quy định các yêu cầu kỹ thuật đối với thiết bị chống sét bảo vệ đường tín hiệu và kết cấu cơ khí, khả năng chịu lực siết, tính chất tiếp xúc điện của vật liệu dẫn dòng (đồng hoặc hợp kim đồng có hàm lượng đồng tối thiểu 50% đến 58%), khả năng tự dập lửa và chống cháy của vật liệu cách điện.
• Tiêu chuẩn IEC 60999-1 và IEC 60529: Áp dụng cho các yêu cầu về độ bền cơ học của đầu nối, kẹp giữ cáp chịu lực siết và cấp bảo vệ chống tiếp xúc trực tiếp, chống bụi, chống thâm nhập nước đối với thiết bị lắp đặt ngoài trời.
• Khung lý thuyết tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây thu sét: Ứng dụng mô hình hình chóp tròn xoay đơn giản hóa với đường sinh gãy khúc. Các công thức xác định bán kính bảo vệ ở độ cao $h_x$ ứng với cột đơn ($r_x = 1{,}5 h (1 - h_x/h)$ hoặc $r_x = 0{,}75 h (1 - h_x/h)$), độ cao hữu ích $h_a$, đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác $D < 8 h_a$, cùng các công thức phối hợp bảo vệ đôi cột có chiều cao bằng nhau, khác nhau và nhóm nhiều cột.
• Khung lý thuyết nối đất hệ thống điện: Phân chia 3 chức năng nối đất (nối đất an toàn, nối đất làm việc, nối đất chống sét). Quy chuẩn điện trở nối đất cho mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất ($U \ge 110\text{ kV}$) là $R_{ht} \le 0{,}5\ \Omega$ và điện trở nối đất nhân tạo $R_{nt} \le 1\ \Omega$.
• Lý thuyết quá độ nối đất phân bố dài: Mô hình hóa mạch vòng nối đất thành sơ đồ đẳng trị thông số rải với điện cảm đơn vị $L_0$, điện dẫn rò $G_0$, tính toán tổng trở xung kích $Z_{xk}(0, \tau_{đs})$ bằng chuỗi Fourier dưới dạng sóng dòng sét xiên góc có biên độ đỉnh $I = 150\text{ kA}$, độ dốc đầu sóng $a = 30\text{ kA}/\mu\text{s}$, thời gian đầu sóng $\tau_{đs} = 5\ \mu\text{s}$.
• Điều kiện an toàn cách điện: Điện áp xung kích xuất hiện trên nối đất không được vượt quá điện áp cách điện phóng điện $50%$ của thiết bị: $U_đ = I \cdot Z_{xk}(0, \tau_{đs}) < U_{50% \text{ MBA}}$ (đối với máy biến áp 110kV, $U_{50% \text{ MBA}} = 460\text{ kV}$).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết kỹ thuật cao áp, phương pháp giải tích kỹ thuật (tính toán cơ học dây dẫn, tính toán thông số mạch vòng, giải chuỗi quá độ xung kích) và phương pháp so sánh kinh tế - kỹ thuật nhằm đánh giá, lựa chọn cấu hình thiết bị tối ưu. Nguồn dữ liệu sử dụng là thông số thiết bị thực tế của trạm biến áp Cửa Cấm, thông số địa chất thổ nhưỡng khu vực đặt trạm (điện trở suất của đất $\rho = 0{,}85 \times 10^4\ \Omega\cdot\text{cm} = 85\ \Omega\cdot\text{m}$), và các bảng tra cứu hệ số khí động, suất dãn nở nhiệt, hệ số mùa trong tài liệu thiết kế kỹ thuật điện cao áp.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 110kV Cửa Cấm được triển khai thông qua hai phân hệ thiết kế kỹ thuật chính: phân hệ chống sét đánh trực tiếp và phân hệ tiếp địa tích hợp.

Thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp

Tác giả xây dựng và so sánh hai phương án kỹ thuật:

• Phương án 1: Bố trí 9 cột thu sét bảo vệ toàn bộ trạm 110kV. Trong đó, 3 cột (số 1, 2, 3) đặt trên xà cao 8m; 4 cột (số 4, 5, 6, 7) đặt trên xà cao 11m; 2 cột (số 8, 9) được xây dựng độc lập. Tính toán độ cao hữu ích yêu cầu theo đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác $D = 82{,}778\text{ m}$ cho ra $h_a = 10{,}35\text{ m}$; chọn độ cao tác dụng chung cho toàn trạm $h_a = 10\text{ m}$. Kết hợp độ cao xà lớn nhất cần bảo vệ $h_x = 11\text{ m}$, xác định độ cao toàn bộ cột thu sét là $h = h_a + h_x = 21\text{ m}$.
• Phương án 2: Kết hợp 3 dây chống sét loại A-95 (chiều dài 192m chia làm 3 khoảng vượt $l = 64\text{ m}$, khoảng cách giữa các dây $s = 35\text{ m}$ và $40\text{ m}$) treo trên các cột cao 27m phía 220kV cùng với 9 cột thu sét cao 21m phía 110kV. Tính toán cơ học dây dẫn A-95 với ứng suất cho phép $\sigma_{cp} = 21{,}7\text{ kG/mm}^2$, môđun đàn hồi $E = 20.000\text{ kG/mm}^2$, hệ số giãn nở nhiệt $\alpha = 12 \times 10^{-6}\text{ /}^\circ\text{C}$, tải trọng gió cấp 3 ($v = 30\text{ m/s}$) cho thấy độ võng lớn nhất của dây là $f = 0{,}23\text{ m}$. Độ cao treo dây yêu cầu $h_l = 26 + 0{,}23 = 26{,}23\text{ m}$, chọn cột treo dây cao 27m.

Tiêu chí so sánh	Phương án 1 (Chỉ dùng cột thu sét)	Phương án 2 (Kết hợp cột và dây chống sét)
Số lượng cột thu sét phía 110kV	09 cột (cao 21m)	09 cột (cao 21m)
Cột và dây treo phía 220kV	Không sử dụng	16 cột (cao 27m) và 3 đoạn dây A-95
Tổng chiều dài cột cần chế tạo	295m	379m
Tổng chiều dài dây chống sét	0m	576m
Khả năng bảo vệ kỹ thuật	Đảm bảo an toàn 100% diện tích và xà trạm	Đảm bảo an toàn 100% diện tích và xà trạm
Đánh giá kinh tế và thi công	Chi phí xây dựng thấp, kết cấu gọn, dễ bảo trì	Khối lượng thi công lớn, chi phí vật tư cao
Kết luận lựa chọn	Được lựa chọn làm phương án thiết kế	Bị loại

Thiết kế hệ thống nối đất và kiểm tra phóng điện ngược

Hệ thống nối đất trạm Cửa Cấm kết hợp giữa nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo mạch vòng kín bao quanh trạm:

• Nối đất tự nhiên: Tận dụng hệ thống dây chống sét loại C-95 ($r_0 = 1{,}88\ \Omega/\text{km}$) của 8 lộ đường dây 110kV đi vào trạm và nối đất chân cột, tính toán được điện trở nối đất tự nhiên $R_{TN} = 0{,}169\ \Omega$.
• Nối đất nhân tạo cơ bản: Mạch vòng chữ nhật kích thước $368\text{ m} \times 148\text{ m}$ (chu vi $L = 1032\text{ m}$), sử dụng thanh thép dẹt bề rộng $b = 0{,}04\text{ m}$ chôn sâu $t = 0{,}8\text{ m}$. Với điện trở suất tính toán $\rho_{tt} = 85 \times 1,6 = 136\ \Omega\cdot\text{m}$, tỷ số hình học $l_1/l_2 = 2{,}486$ (hệ số hình dáng $K = 6{,}35$), điện trở mạch vòng tính được $R_{MV} = 0{,}417\ \Omega$.
• Điện trở nối đất toàn hệ thống ban đầu: $R_{HT} = (R_{TN} \times R_{MV}) / (R_{TN} + R_{MV}) = (0{,}169 \times 0{,}417) / (0{,}169 + 0{,}417) = 0{,}12\ \Omega \le 0{,}5\ \Omega$ (thỏa mãn tiêu chuẩn nối đất an toàn).
• Kiểm tra điện áp xung kích chống sét: Với sóng dòng sét đỉnh $I = 150\text{ kA}$, thông số rải của mạch vòng ($L_0 = 2{,}108\ \mu\text{H/m}$), giải chuỗi phân bố điện áp 12 số hạng cho ra tổng trở xung kích vào $Z_{xk}(0, \tau_{đs}) = 4{,}95\ \Omega$. Điện áp giáng trên nối đất đạt: $$U_đ = I \times Z_{xk} = 150\text{ kA} \times 4{,}95\ \Omega = 743\text{ kV} > U_{50% \text{ MBA}} (460\text{ kV})$$ Kết quả này cho thấy nguy cơ xảy ra phóng điện ngược từ hệ thống nối đất sang cách điện của máy biến áp 110kV.
• Giải pháp xử lý kỹ thuật: Đóng bổ sung hệ thống cọc nối đất bằng thép tròn dài $l = 3\text{ m}$, đường kính $d = 0{,}06\text{ m}$, độ sâu chôn đỉnh cọc $t = 0{,}8\text{ m}$ (độ sâu trung bình $t' = 2{,}3\text{ m}$). Tính toán điện trở đơn cọc $R_c = 25{,}6\ \Omega$. Khảo sát phương án bố trí với tỷ số khoảng cách cọc trên chiều dài cọc $a_1/l = 1$, lựa chọn phương án đóng 344 cọc (hệ số sử dụng mạch vòng $\eta_t = 0{,}19$, hệ số sử dụng cọc $\eta_c = 0{,}33$).
• Kết quả sau khi bổ sung cọc: Điện trở nối đất nhân tạo giảm xuống $R_{nt} = 0{,}21\ \Omega$, đưa điện trở tổng thể toàn trạm xuống $R_{HT} = 0{,}093\ \Omega$. Tính toán lại quá độ với chuỗi 15 số hạng triệt tiêu nguy cơ quá điện áp, đảm bảo an toàn phóng điện ngược.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm biến áp

Chương này tập trung xác định các yêu cầu kỹ thuật và tính toán cấu hình bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp Cửa Cấm. Nội dung trình bày chi tiết các tiêu chuẩn cấu tạo cơ khí, tiếp xúc điện và chống cháy theo IEC 61643-21, IEC 60999-1 và IEC 60529. Tác giả xây dựng phương pháp tính toán phạm vi bảo vệ cho các dạng cột thu lôi đơn, đôi cột và cụm nhóm cột đa giác dựa trên quy chuẩn kỹ thuật điện cao áp. Áp dụng cho mặt bằng trạm Cửa Cấm diện tích $19.200\text{ m}^2$ với các xà đỡ độ cao 8m và 11m, chương đã so sánh chi tiết giữa phương án dùng 9 cột thu sét cao 21m (tổng chiều dài cột 295m) và phương án dùng kết hợp 16 cột cao 27m, 9 cột 21m cùng 576m dây chống sét A-95 (tổng chiều dài cột 379m). Kết quả phân tích kinh tế - kỹ thuật xác nhận Phương án 1 tối ưu về chi phí thi công và đảm bảo độ bao phủ bảo vệ hoàn toàn diện tích thiết bị trạm.

Chương II: Thiết kế hệ thống nối đất

Chương này thực hiện thiết kế mạng nối đất tích hợp phục vụ an toàn vận hành và tản dòng sét. Tác giả phân tích lý thuyết nối đất tập trung và nối đất phân bố dài, thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả sóng điện áp và dòng điện dọc theo điện cực mạch vòng dưới dạng thông số rải $L_0 = 2{,}108\ \mu\text{H/m}$ và $G_0$. Tính toán thực tế xác định điện trở nối đất tự nhiên của 8 lộ đường dây 110kV đạt $R_{TN} = 0{,}169\ \Omega$, điện trở mạch vòng nhân tạo kích thước $368\text{ m} \times 148\text{ m}$ đạt $R_{MV} = 0{,}417\ \Omega$, tạo nên điện trở hệ thống $R_{HT} = 0{,}12\ \Omega$. Khi kiểm tra xung sét với biên độ $I = 150\text{ kA}$ và thời gian đầu sóng $\tau_{đs} = 5\ \mu\text{s}$, tổng trở xung kích $Z_{xk} = 4{,}95\ \Omega$ tạo ra điện áp $U_đ = 743\text{ kV}$, vượt quá mức chịu đựng cách điện $U_{50%} = 460\text{ kV}$ của máy biến áp 110kV. Chương đã giải quyết triệt để vấn đề này bằng việc thiết kế bổ sung mạng lưới 344 cọc thép tròn dài 3m, giảm điện trở hệ thống xuống $0{,}093\ \Omega$ và triệt tiêu nguy cơ phóng điện ngược.

Chương III: Bảo vệ chống sét đường dây

Nội dung chương trình bày phương pháp xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật trong bảo vệ chống sét cho các đường dây tải điện 110kV liên kết với trạm Cửa Cấm. Các thông số được đưa vào tính toán bao gồm cường độ hoạt động của sét trong khu vực, mật độ sét đánh, số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây, xác suất phóng điện qua chuỗi cách điện, độ võng và độ treo cao trung bình của dây dẫn, tổng trở sóng và hệ số ngẫu hợp điện từ giữa dây dẫn và dây chống sét. Trên cơ sở đó, chương xác định suất cắt sự cố do sét đánh làm căn cứ phối hợp mức cách điện cho toàn tuyến đường dây.

Chương IV: Bảo vệ chống sét truyền vào trạm biến áp từ phía đường dây 110 kV

Chương này phân tích hiện tượng sóng quá điện áp do sét đánh trên đường dây lan truyền dọc theo dây dẫn vào thanh cái trạm biến áp. Tác giả trình bày phương pháp giải tích tính toán biên độ và độ dốc sóng quá điện áp tác động lên cách điện của máy biến áp và thiết bị phân phối khí cụ. Từ kết quả tính toán quá điện áp truyền vào trạm, chương đưa ra các yêu cầu phối hợp khoảng cách lắp đặt van chống sét (chống sét oxit kim loại - MOV) so với máy biến áp nhằm hạn chế điện áp dư đặt lên cuộn dây máy biến áp dưới ngưỡng cách điện cho phép.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

• Xác lập cấu hình bảo vệ chống sét đánh trực tiếp tối ưu cho trạm biến áp 110kV Cửa Cấm gồm 9 cột thu sét cao 21m (tận dụng xà trạm cao 8m và 11m, xây thêm 2 cột), bao phủ $100%$ diện tích $19.200\text{ m}^2$ và các xà đỡ thiết bị.
• Tính toán chính xác thông số nối đất tự nhiên ($R_{TN} = 0{,}169\ \Omega$) từ 8 lộ đường dây 110kV và thiết kế mạch vòng nối đất nhân tạo ($368\text{ m} \times 148\text{ m}$, $R_{MV} = 0{,}417\ \Omega$), đưa điện trở tổng thể đạt $R_{HT} = 0{,}12\ \Omega$, thỏa mãn quy chuẩn $R_{ht} \le 0{,}5\ \Omega$.
• Phát hiện nguy cơ phóng điện ngược nghiêm trọng lên máy biến áp 110kV ($U_đ = 743\text{ kV} > U_{50% \text{ MBA}} = 460\text{ kV}$) thông qua mô hình phân bố sóng xung kích quá độ.
• Thiết kế thành công giải pháp đóng bổ sung 344 cọc tiếp địa thép tròn dài 3m, hạ điện trở hệ thống xuống $R_{HT} = 0{,}093\ \Omega$, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho thiết bị điện khi có dòng sét 150kA đánh vào trạm.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

• Kiến nghị áp dụng phương án bảo vệ chống sét đánh trực tiếp chỉ dùng cột thu lôi thay vì dùng dây chống sét nhằm tiết kiệm chi phí xây dựng, giảm tải trọng cơ học lên kết cấu xà trạm và giảm độ phức tạp khi bảo dưỡng định kỳ.
• Bắt buộc phải thi công đóng cọc tiếp địa bổ sung theo đúng mật độ và kích thước đã tính toán ($n = 344$ cọc) thay vì chỉ sử dụng mạch vòng thanh dẹt nằm ngang, nhằm đảm bảo khả năng tản dòng sét xung kích tần số cao.
• Phối hợp chặt chẽ giữa nối đất chống sét trạm với hệ thống tiếp địa của các cột xuất tuyến 110kV lân cận để tận dụng hiệu quả nối đất tự nhiên.

Đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã cung cấp bộ tài liệu tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh, giải quyết bài toán thực tế phát sinh sau khi đại tu đóng điện máy biến áp T1 63MVA tại trạm 110kV Cửa Cấm. Điểm nổi bật trong tính toán của đồ án là không dừng lại ở việc tính điện trở nối đất một chiều tần số công nghiệp mà đã đi sâu giải bài toán phân bố sóng xung kích quá độ theo chuỗi giải tích, phát hiện và xử lý triệt để hiện tượng phóng điện ngược gây nguy hiểm cho cách điện máy biến áp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Các tính toán nối đất phân bố dài trong đồ án đã giản lược, bỏ qua quá trình phóng điện ion hóa cục bộ trong lòng đất và giả định dạng sóng dòng sét xiên góc có biên độ không đổi ($I = 150\text{ kA}$, $\tau_{đs} = 5\ \mu\text{s}$), chưa mô phỏng chi tiết các dạng sóng sét phi tuyến phức tạp khác.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng tính toán mô phỏng quá độ điện từ bằng các phần mềm chuyên dụng (như EMTP/ATP) để kiểm chứng chi tiết hơn mức quá điện áp lan truyền khi phối hợp các loại van chống sét oxit kim loại (MOV) ở các chế độ vận hành khác nhau của lưới điện 110kV Hải Phòng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên chuyên ngành Hệ thống điện, Kỹ thuật điện, Điện tự động công nghiệp thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Kỹ thuật điện cao áp và Bảo vệ quá điện áp.
• Kỹ sư thiết kế và cán bộ kỹ thuật quản lý vận hành trạm biến áp trong việc tra cứu phương pháp tính toán cột thu sét, kiểm tra tổng trở xung kích tiếp địa và tính toán cọc tiếp địa bổ sung chống phóng điện ngược cho trạm 110kV và 220kV.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn phương án chỉ dùng 9 cột thu sét cao 21m thay vì phương án kết hợp dây chống sét A-95?
Phương án 1 chỉ cần 9 cột cao 21m (tổng chiều dài cột 295m) tận dụng xà có sẵn và xây thêm 2 cột, không cần treo dây thu sét. Trong khi đó, Phương án 2 đòi hỏi 16 cột cao 27m, 9 cột 21m (tổng chiều dài 379m) và 576m dây A-95, làm tăng đáng kể chi phí vật tư, tải trọng xà và khối lượng thi công mà hiệu quả bảo vệ bao phủ trạm là tương đương.

2. Tại sao điện trở nối đất ban đầu đã đạt $0{,}12\ \Omega$ (nhỏ hơn quy chuẩn $0{,}5\ \Omega$) nhưng vẫn bắt buộc phải đóng cọc bổ sung?
Giá trị $0{,}12\ \Omega$ chỉ đáp ứng tiêu chuẩn nối đất an toàn ở tần số công nghiệp (50Hz). Dưới tác dụng của dòng điện sét xung kích $I = 150\text{ kA}$ với độ dốc $30\text{ kA}/\mu\text{s}$, tổng trở xung kích của mạch vòng đạt $4{,}95\ \Omega$, tạo nên điện áp xung $U_đ = 743\text{ kV}$, vượt quá điện áp cách điện chịu đựng $U_{50%} = 460\text{ kV}$ của máy biến áp 110kV. Việc đóng thêm 344 cọc giúp giảm tổng trở xung kích và triệt tiêu nguy cơ phóng điện ngược.

3. Thông số hình học và môi trường đất được sử dụng để tính toán mạch vòng nối đất trạm Cửa Cấm là gì?
Mạch vòng có kích thước hình chữ nhật $368\text{ m} \times 148\text{ m}$ (chu vi $L = 1032\text{ m}$), dùng thép dẹt rộng $b = 0{,}04\text{ m}$ chôn sâu $t = 0{,}8\text{ m}$. Điện trở suất của đất là $\rho = 85\ \Omega\cdot\text{m}$, hệ số mùa đối với thanh ngang là $k_{\text{mùa}} = 1{,}6$, cho ra điện trở suất tính toán $\rho_{tt} = 136\ \Omega\cdot\text{m}$.

4. Dây chống sét tự nhiên của 8 lộ đường dây 110kV đóng góp như thế nào vào hệ thống tiếp địa của trạm?
Hệ thống sử dụng dây chống sét C-95 ($r_0 = 1{,}88\ \Omega/\text{km}$) kết hợp với điện trở nối đất cột của 8 lộ đường dây 110kV nối vào trạm, tạo nên thành phần điện trở nối đất tự nhiên $R_{TN} = 0{,}169\ \Omega$, mắc song song làm giảm điện trở tổng thể của mạng tiếp địa trạm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phạm Trường Giang đã giải quyết toàn diện bài toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 110kV Cửa Cấm sau khi đưa máy biến áp T1 63MVA vào vận hành. Thông qua việc tính toán giải tích chi tiết, tác giả đã lựa chọn phương án 9 cột thu sét 21m tối ưu về kinh tế - kỹ thuật và đề xuất giải pháp đóng 344 cọc nối đất bổ sung để xử lý triệt để nguy cơ phóng điện ngược xung sét. Kết quả nghiên cứu đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, cung cấp giải pháp kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho công tác vận hành an toàn lưới điện 110kV Hải Phòng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: ThiÁt kÁ há tháng bảo vá cháng sét cho trạm biÁn áp Chương 2: ThiÁt kÁ há tháng nái đ¿t Chương 3: Bảo vá cháng sét đưßng dây Chương 4: Bảo vá cháng sét truyÃn vào trạm biÁn áp từ phía đưßng dây 110 kv 1 CH¯¡NG I: THIÀT KÀ Hà THÞNG BÀO Và CHÞNG SÉT CHO TR¾M BIÀN ÁP 1. ĐàNH NGH)A V Hà THÞNG CHÞNG SÉT Há tháng cháng sét (A Lighting Protection System) là há tháng cung c¿p phương tián mà tia sét có thể đi vào hoặc rßi khßi trái đ¿t mà không đi qua và làm hư hại ngưßi, thiÁt bá đián và các c¿u trúc không d¿n đián như tòa nhà. Há tháng cháng sét không ngăn được sét đánh; nó chß cung c¿p mát phương tián để kiểm soát nó và ngăn ngừa thiát hại bằng cách cung c¿p mát đưßng d¿n đián trá th¿p để phóng đián năng lượng sét. NÁu không có há tháng cháng sét: Có thể b¿t kỳ vÁt nào cÿa công trình cjng trá thành vÁt d¿n sét,… Công trình có thể bá hư hại lãn do sét đánh.

Viác đÁu tiên là nó s¿ phá hÿy công trình. Sau đó nó s¿ chuyÃn qua các vÁt có thể d¿n đián bên trong mát công trình như áng nưãc, chảo thu truyÃn hình, ăng ten, dây đián, thiÁt bá gia dụng để tìm con đưßng có trá kháng th¿p nh¿t để truyÃn xuáng đ¿t < gọi là hián tượng sét nhảy=. Do dòng sét có đián áp r¿t lãn. Nên khi chạy qua các vÁt đó s¿ sinh ra nhiát r¿t lãn làm chảy, cháy, nổ vÁt d¿n gây hư hßng và hßa hoạn.

B¿t kỳ vÁt nào cjng có thể d¿n sét. VÁt có đá ẩm cjng có thể d¿n sét và để dòng sét nhảy qua. CÁC YÊU CÄU KỸ THUÀT ĐÞI VàI Hà THÞNG CHÞNG SÉT ĐÁNH TRĀC TIÀP Yêu cÁu kā thuÁt và cÿa thiÁt bá cháng sét Theo tiêu chuẩn IEC 61643- 21: Yêu cÁu kā thuÁt cÿa thiÁt bá cháng sét bảo vá các đưßng tín hiáu, thiÁt bá cháng sét phải đáp āng yêu cÁu và kÁt c¿u cơ khí như sau: 1. Cổng và đÅu nßi Cổng và đÁu nái phải được gắn chặt trên thiÁt bá cháng sét và phải đảm bảo không gây ra ngắt kÁt nái khi đã được xiÁt bằng dụng cụ.

Vít, cháu dòng tÁi và cāc nßi 2 Cāc nái phải cháu được các tác đáng mà không làm đāt kÁt nái trong quá trình sử dụng bình thưßng. kÁt c¿u cơ khí d¿n đián phải cháu được xung lāc cao do năng lượng cÿa xung gây ra. Vít gắn trong quá trình lắp thiÁt bá cháng sét không được sử dụng kiểu vít khoan ren. Cāc kÁt nái đián phải được thiÁt kÁ chắc chắn đảm bảo tính d¿n đián tát vãi vÁt liáu chÁ tạo không phải từ gám hoặc mica hoặc các vÁt liáu có tính ch¿t d¿n đián không phù hợp, trừ trưßng hợp vÁt liáu có tính đàn hái được pha vào vÁt liáu kim loại để giảm đá cāng hoặc giòn.

PhÁn d¿n dòng bao gồm cả các cāc đ¿u dây và cho tiÁp đáa trong b¿t kỳ trưßng hợp nào cjng phải được chÁ tạo từ: Đồng hoặc/ hợp kim đồng vãi ít nh¿t 58% đồng để đảm bảo đá d¿n đián và nhiát đá th¿p/ hợp kim đồng vãi tái thiểu 50% đồng cho chÁ đá làm viác d¿n đián sinh nhiát vãi các thành phÁn kim loại khác dùng để phÿ nhưng không làm tăng đián trá d¿n đián cao hơn đồng đồng thßi đảm bảo kÁt c¿u chắc chắn không th¿p hơn māc yêu cÁu. Cāc đÃu dây có vít siÁt đÅu cáp Cāc đ¿u dây phải có kÁt c¿u chắc chắn vãi các yêu cÁu sau : Mßi cāc đ¿u dây chß nái 1 dây d¿n đồng thßi có thể đ¿u dây hoặc ngắt dây riêng r¿. Có thể kẹp đÁu cáp vãi kích thưãc lãn đÁn kích thưãc cho phép đã được thiÁt kÁ và yêu cÁu. Cách đián nßi đÅu cáp PhÁn đÁu nái cách đián phải đảm bảo kÁt c¿u chắc chắn tin cÁy, kiểm tra tính hợp quy bằng nhân công và thử nghiám.

Vít siÁt đÁu nái kẹp cáp được đánh d¿u cho mát đÁu không được dùng để cá đánh phÁn khác thÁm chí là để cá đánh thiÁt bá. Kiểm tra hợp quy bằng nhân công. Kim loại làm vít không được sử dụng bằng vÁt liáu kim loại mÃm và thiÁu tin cÁy. Cháu va đÁp kim lo¿i: Các loại kẹp, khoá, kẹp giÿ cáp, vòng đám siÁt cáp, cáp và các phÁn tương tā phải cháu được các lāc siÁt như kim loại (tham khảo thêm IEC 60999-1).

Yêu cÅu và cháu lāc: KÁt c¿u thiÁt bá cháng sét phải đảm bảo đÿ chắc chắn khi lắp đặt để đảm bảo làm viác ổn đánh. Chßng tác đßng căa vÁt rÃn và n°ác tā bên ngoài: ThiÁt bá cháng sét phải có kÁt c¿u đảm bảo yêu cÁu vÁn hành trong điÃu kián theo yêu cÁu. ThiÁt bá lắp đặt ngoài trßi phải được lắp trong háp kín cháng lại tác đáng cÿa môi trưßng bằng thuÿ tinh hoặc vÁt liáu gám tráng men hoặc vÁt liáu cho phép khác cháu được ăn mòn, cháng tia cāc tím, va đÁp …. Các thiÁt bá được lắp phải có khoảng cách vãi bà mặt đÿ lãn giÿa 2 phÁn tử có đián thÁ chênh lách, á mát sá quác gia có thể áp dụng tiêu chuẩn cÿa quác gia cho các yêu cÁu trên.

BÁo vá chßng tiÁp xúc trāc tiÁp Để đảm bảo không thể tiÁp xúc trāc tiÁp vào các phÁn d¿n đián hoặc các phÁn tử cháng sét thiÁt bá cháng sét cÁn phải được thiÁt kÁ đảm bảo không thể có tiÁp xúc trāc tiÁp cÿa ngưßi vào các phÁn kể trên khi thiÁt bá cháng sét được lắp đặt đưa vào sử dụng. Các yêu cÁu này áp dụng cho các thiÁt bá cháng sét làm viác vãi đưßng dây có đián áp UC từ 50V rms hoặc 71VDC trá lên. ThiÁt bá cháng sét, ngoại trừ các thiÁt bá không thể tiÁp cÁn, phải có thiÁt kÁ chắc chắn khi lắp đặt đ¿u nái dân d¿n từ bên ngoài không thể tiÁp xúc trāc tiÁp vãi con ngưßi trong điÃu kián sử dụng bình thưßng, phÁn cāc đ¿u nái cjng như các phÁn tử cháng sét bên trong thiÁt bá không thể tiÁp xúc trāc tiÁp ngay cả trong trưßng hợp thiÁt bá được tháo ra bằng tay mà không cÁn dụng cụ. PhÁn cāc đ¿u nái giÿa tiÁp đáa và các phÁn cāc đ¿u nái khác có thể tiÁp xúc phải có đián trá tiÁp xúc nhß (tham khảo IEC 60529).

Chßng cháy: Các phÁn cách đián phải được chÁ tạo từ vÁt liáu không cháy hoặc tā dÁp lửa. Ph¿m vi bÁo vá căa cßt thu sét và dây chßng sét 1. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét: a) Phạm vỉ bảo vệ của một cột thu sét độc lập. Phạm vi bảo vá cÿa mát cát thu sét là miÃn được giãi hạn bái mặt ngoài cÿa hình chóp tròn xoay có đưßng kính xác đánh bái công thāc.

1,6 Rx = ℎ�㕥 (/ 2 /�㕥) 1+ ℎ Trong đó: h: đá cao cát thu sét hx: đá cao vÁt cÁn bảo vá h- hx= ha: đá cao hiáu dụng cát thu sét rx: bán kính cÿa phạm vi bảo vá Để dß dàng và thuÁn tián trong tính toán thiÁt kÁ thưßng dùng phạm vi bảo vá dạng dạng đơn giản hoá vãi đưßng sinh cÿa hình chóp có dạng đưßng gãy khúc được biểu dißn như hình v¿ 1. Bán kính bảo vá á các māc cao khác nhau được tính toán theo công thāc sau. 2 /�㕥 + NÁu hX f / thì rx = 1,5./ 2 /�㕥 + NÁu hX f / thì rx = 0,75.1: Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét Các công thāc trên chß đúng trong trưßng hợp cát thu sét cao dưãi 30m. Hiáu quả cÿa cát thu sét cao quá 30m có giảm sút do đá cao đánh hưãng cÿa sét giÿ hằng sá.

Có thể dùng các công thāc trên để tính phạm vi bảo vá nhưng phải 5,5 nhân vãi há sá hiáu chßnh p. Vãi p = và trên hình v¿ dùng các hoành đá √/ 0,75hp và l,5hp. b) Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét. • Phạm vi bảo vá cÿa hai cát thu sét kÁt hợp thì lãn hơn nhiÃu so vãi tổng phạm vi bảo vá cÿa hai cát đơn.

Nhung để hai cát thu sét có thể phái hợp được thì khoảng cách a giÿa hai cát thì phải thoả mãn điÃu kián a < 7h (h là chiÃu cao cÿa cát). • Phạm vi bảo vá cÿa hai cát thu sét có cùng đá cao. - Khi hai cát thu sét có cùng đá cao h đặt cách nhau khoảng cách a (a < 7h) thì đá cao lãn nh¿t cÿa khu vāc bảo vá giÿa hai cát thu sét h0 được tính như sau: �㕎 h0 = h - (1-4) 7 Sơ đồ phạm vi bảo vá cÿa hai cát thu sét có chiÃu cao bằng nhau. 6 Hình 1- 2: Phạm vß bảo vá cÿa hai cát thu sét giáng nhau.

Tính rox: 2 /�㕥 + Nểu hx f h thì rox =1,5 ho (1 ) (1 - 5) 3 0,8/Ā 2 /�㕥 + NÁu hx g ho thì rox = 0,75 ho (1 3 ) (1 - 6) 3 /Ā Chú ý: Khi đá cao cÿa cát thu sét vượt quá 30m thì ngoài các hiáu chßnh như trong phÁn chú ý cÿa mục 1 thì còn phải tính ho theo công thāc: �㕎 ho = h - (1-7) 7ā c) Phạm vỉ bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau. Giả sử có hai cát thu sét: cát 1 có chiÃu cao h1, cát 2 có chiÃu cao h2 và h1 > h2. Hai cát cách nhau mát khoảng là a. Trưãc tiên v¿ phạm vi bảo vá cÿa cát cao h 1, sau đó qua đßnh cát th¿p h 2 v¿ đưßng thẳng ngang gặp đưßng sinh cÿa phạm vi bảo vá cÿa cát cao tại điểm 3.

Điểm này được xem là đßnh cÿa cát thu sét giả đánh, nó s¿ cùng vãi cát th¿p h2, hình thành đôi cát á đá cao bằng nhau và bằng h 2 vãi khoảng cách là a’. PhÁn còn lại giáng phạm vi bảo vá cÿa cát 1 vãi a'= a – x 7 1,6(/12/2) x= ℎ2 (1-8) 1+ ℎ1 c) Hình 1- 3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét khác nhau. d) Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột (số cột >2). Mát nhóm cát s¿ hình thành 1 đa giác và phạm vi bảo vá được xác đánh bái toàn bá miÃn đa giác và phÁn giãi hạn bao ngoài giáng như cÿa từng đôi cát Hình 1- 4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột.

VÁt có đá cao hx nằm trong đa giác hình thành bái các cát thu sét s¿ được bảo vá nÁu thoả mãn điÃu kián: D<8. (h – hx) (1-9) Vãi D là đưßng tròn ngoại tiÁp đa giác hình thành bái các cát thu sét. Chú ý: Khi đá cao cÿa cát lãn hơn 30m thì điÃu kián bảo vá cÁn được hiáu chßnh theo p.