ĐỒ ÁN MẪU CAO ÁP , TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP

ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP , PHỤC VỤ CHO CÁC BẠN SINH VIÊN NĂM CUỐI LÀM VỀ ĐỒ ÁN CAO ÁP,ĐỒ ÁN MẪU RẤT CHI TIẾT CỤ THỂ CẢ VỀ TÍNH TOÁN LẪN TRÌNH BÀY CỤ THỂ CÁC PHẦN RẤT LÀ CHI TIẾT VÀ RÕ RÀNG LÀ MỘT TÀI LIỆU CỦA CÁC GIẢNG VIÊN CHUYÊN KHOA ĐIỆN HƯỚNG DẪN

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO

TRẠM BIẾN ÁP 220kV và ĐƯỜNG DÂY 220KV

Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện

Khi có sét, biên độ dòng sét có thể đạt tới hàng trăm kA, là nguồn nhiệt khổng lồ khi dòng điện sét đi qua Thực tế, dây tiếp địa và phần nối đất được thiết kế để dẫn dòng sét xuống đất một cách an toàn và giúp giảm thiểu thiệt hại cho hệ thống điện Nếu phần nối đất không đạt chuẩn hoặc tiếp xúc kém, quá trình phân tán dòng sét bị ảnh hưởng, làm tăng nguy cơ hỏng thiết bị và cháy nổ do nhiệt sinh ra từ dòng sét.

Khi dòng điện sét tác động lên vật thể, nó làm cho các bộ phận dẫn điện nóng chảy và đứt, thậm chí lớp cách điện bằng sứ có thể bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch Phóng điện sét kèm theo việc di chuyển lượng điện tích lớn trong không gian, từ đó tạo ra một trường điện từ rất mạnh, là nguồn gây nhiễu vô tuyến và ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử với tác động lan rộng tới cả những nơi cách xa hàng trăm km.

Theo thống kê của Công ty Truyền tải điện 1 (PCT1) từ năm 2000 đến 2012, tần suất sự cố do sét trên lưới điện miền Bắc ngày càng gia tăng và cường độ dòng sét cũng mạnh lên theo quy mô phát triển của hệ thống truyền tải Các sự cố tập trung chủ yếu ở vùng đồi núi phía Tây Bắc, Thái Nguyên và Đông Bắc, nơi địa hình núi cao, điện trở suất đất lớn và các tuyến đường dây phải đi qua nhiều dạng địa hình phức tạp như rừng rậm và sương mù.

Trong giai đoạn 2006-2012, đường dây mua điện Trung Quốc mạch 1 dài 160,3 km đã xảy ra 56 sự cố, trong đó 53 sự cố là do sét đánh; đường dây mạch 2 dài 211,7 km có tới 120/132 sự cố do sét Đường dây Tràng Bạch- Hoành Bồ dài 43,3 km mạch kép ghi nhận 35 vụ sét đánh; đường dây Uông Bí- Tràng Bạch dài 18 km có 14/15 lần sự cố do sét Hậu quả của các sự cố do giông sét là ngừng cung cấp điện cho các hộ phụ tải quan trọng ở miền Bắc, ảnh hưởng đến sản xuất và kinh doanh của các doanh nghiệp Đặc biệt, năm 2012 và những tháng đầu năm 2013 cho thấy số vụ sự cố trên lưới do sét tăng so với năm 2011; năm 2012 có 101 vụ sự cố đường dây, trong đó sự cố do sét là 85 vụ chiếm 84,1%, và 25 sự cố trạm biến áp có 8 vụ bị sét đánh chiếm 32%.

Khi sét đánh trực tiếp vào đường dây hoặc xuống đất gần khu vực có đường dây đi qua, sóng điện từ phát sinh sẽ lan truyền dọc theo tuyến và gây quá điện áp lên cách điện của đường dây Khi cách điện bị phá hỏng, sẽ xuất hiện ngắn mạch pha-đất hoặc ngắn mạch pha-pha, buộc các thiết bị bảo vệ ở đầu đường dây phải hoạt động Đối với các đường dây truyền tải công suất lớn, việc cắt máy cắt có thể gây mất ổn định cho hệ thống, đặc biệt khi hệ thống tự động tại các nhà máy điện hoạt động.

Phóng điện do sét có thể xảy ra không chỉ khi sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp mà còn khi sét được truyền từ đường dây vào trạm, gây phóng điện trên cách điện của trạm và tương đương với ngắn mạch trên thanh góp, dẫn tới sự cố nghiêm trọng cho hệ thống điện Nếu phóng điện sét vào trạm biến áp xảy ra và chống sét van ở đầu cực máy biến áp không làm việc hiệu quả, thì lớp cách điện của máy biến áp có thể bị chọc thủng, gây thiệt hại vô cùng lớn cho thiết bị và an toàn hệ thống.

Qua phân tích, sự cố do sét gây ra chiếm phần lớn trong các sự cố lưới điện, cho thấy sét là nguyên nhân chính gây gián đoạn và hư hỏng hệ thống điện Các sự cố liên quan đến sét làm tăng rủi ro vận hành lưới điện, làm giảm hiệu quả cấp điện và đẩy chi phí bảo dưỡng lên cao Vì vậy, công tác phòng ngừa, ứng phó và bảo trì trong quản lý hệ thống điện trở nên ngày càng quan trọng để giảm thiểu tác động của sét lên lưới điện.

Vấn đề chống sét

Ảnh hưởng của sét lên các công trình xây dựng và hệ thống điện là rất lớn, vì vậy việc chống sét cho công trình là vô cùng cần thiết nhằm hạn chế thiệt hại do sét gây ra Để làm được điều này, người ta lắp đặt cột thu sét để thu dòng sét và dẫn xuống đất an toàn Đối với các đường dây tải điện trên không có khoảng cách dài và trải qua nhiều vùng địa hình phức tạp, ta sử dụng dây chống sét để bảo vệ đường dây tải điện trên không Ngoài ra, ta còn sử dụng các thiết bị chống sét như chống sét van và chống sét ống để hạn chế tác động của dòng sét lên các thiết bị và tránh các hậu quả nghiêm trọng có thể xảy ra.

Kết luận: Sau khi nghiên cứu thực trạng dông sét ở Việt Nam và ảnh hưởng của dông sét tới hệ thống điện, nhận thấy việc tính toán và thiết kế giải pháp chống sét cho đường dây tải điện và trạm biến áp là rất cần thiết Đầu tư đúng mức cho nghiên cứu và ứng dụng công nghệ chống sét sẽ giảm thiểu thiệt hại do dông sét gây ra và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trong vận hành hệ thống điện Việt Nam.

Khái niệm chung

Đối với trạm biến áp 220 kV có thiết bị đặt ngoài trời, sét đánh trực tiếp vào trạm có thể gây hậu quả nghiêm trọng: làm hỏng thiết bị điện, ngừng cung cấp điện trong thời gian dài và làm gián đoạn sản xuất Những sự cố này mang lại chi phí tốn kém cho ngành điện và ảnh hưởng đến nền kinh tế quốc dân Vì vậy, trạm biến áp thường đặt yêu cầu bảo vệ ở mức cao để đảm bảo an toàn, độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống truyền tải.

Để bảo vệ trạm biến áp khỏi sét đánh trực tiếp, người ta thường lắp đặt hệ thống cột thu lôi và dây thu lôi Hệ thống này tập trung điện tích và định hướng phóng điện sét, khiến nó tập trung vào khu vực thu lôi Nhờ vậy, các khu vực an toàn ở phía dưới hệ thống được hình thành, giảm thiểu nguy cơ hư hại thiết bị và bảo đảm an toàn cho trạm biến áp cũng như khu vực lân cận.

Hệ thống thu sét phải có dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ thống nối đất, từ đó tạo đường truyền an toàn cho dòng sét và bảo vệ cấu trúc công trình Để nâng cao hiệu quả bảo vệ, trị số điện trở nối đất của bộ phận thu sét phải ở mức thấp, giúp tản dòng sét nhanh chóng và ổn định Khi dòng điện sét đi qua, điện áp trên kim thu sét được duy trì ở mức không đủ để gây phóng điện ngược vào các thiết bị gần đó, giảm thiểu rủi ro hư hỏng do sét Do đó, thiết kế hệ thống thu sét với dây tiếp địa và điện trở nối đất thấp là yếu tố then chốt cho an toàn và độ bền của công trình.

Ngoài ra, khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm, ta cần cân nhắc các chỉ tiêu kinh tế để chi phí hợp lý đồng thời đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật và mỹ thuật.

Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

Các thiết bị cần bảo vệ phải nằm gọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ Đối với trạm 220 kV, ta dùng hệ thống cột thu sét có thể đặt ngay trên bản thân công trình hoặc độc lập tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm vi bảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu sét Nhưng mức cách điện của trạm phải được tính toán và đảm bảo phù hợp với các yếu tố vận hành và bảo vệ.

Đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang thiết bị, dòng điện sét gây điện áp giáng lên điện trở nối đất và lên phần điện cảm của cột; điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét vào các phần tử mang điện trong trạm khi mức cách điện không đủ Vì vậy, điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là cần có mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất phải nhỏ Đối với trạm biến áp có điện áp từ 110 kV trở lên, mức cách điện khá cao (ví dụ khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn), do đó có thể đặt các cột thu lôi lên các kết cấu của trạm; trên các kết cấu này cần đặt cột thu lôi ngắn nhất có thể sao cho dòng điện sét khuếch tán vào đất theo 3 đến 4 thanh cái của hệ thống nối đất, đồng thời cần có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất.

Trong trạm biến áp ngoài trời với điện áp từ 110 kV trở lên, cuộn dây máy biến áp là yếu nhất, vì vậy khi sử dụng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp, khoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối đất của vỏ máy biến áp phải lớn hơn 15 m theo đường điện.

Tiết diện dây dẫn cho hệ thống điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua Việc lựa chọn tiết diện phù hợp giúp hạn chế quá nhiệt, nâng cao độ tin cậy và an toàn cho toàn bộ đường dây Đối với cấp điện áp từ 110 kV trở lên, cần chú ý tới khả năng làm mát, giới hạn chịu được dòng sét và các yếu tố vận hành để bảo đảm hiệu suất và giảm thiểu rủi ro sự cố.

Ở những nơi có cột thu lôi được đặt trong hệ thống nối đất, cần có nối đất bổ sung nhằm đảm bảo điện trở khuyếch tán không vượt quá 4 Ω (ứng với tần số công nghiệp) Việc bổ sung nối đất giúp tăng độ an toàn cho hệ thống chống sét và bảo vệ các thiết bị liên quan khỏi sự cố do điện áp nhảy.

 Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột thu lôi và bộ phận mang điện không được bé hơn độ dài chuỗi sứ

Việc nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp điện áp 110 kV là khả thi khi các yêu cầu kỹ thuật được thực hiện đầy đủ Khi sử dụng cột thu lôi độc lập, cần chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi và các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến các vật cần được bảo vệ, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị và tuân thủ các tiêu chuẩn nối đất của hệ thống.

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi, các dây dẫn điện phải được đưa vào ống chì và chôn trong đất Có thể nối dây chống sét vào hệ thống chống sét của công trình.

12 nối đất của trạm nếu như khoảng cách từ chỗ nối đất của điểm nối đất ấy đến điểm nối đất của máy biến áp lớn hơn15m.

Lý thuyết để tính chiều cao cột và phạm vi bảo vệ

2.3.1 Tính toán chiều cao cột thu lôi Độ cao cột thu lôi: h = h x + h a

Trong đó: h x : là độ cao công trình cần bảo vệ h a : là độ cao tác dụng của cột thu lôi, được xác định theo từng nhóm cột cụ thể

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi

Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi cao h được mô tả bằng một hình chóp tròn xoay có đường sinh h_x, trong đó h_x là độ cao của hình chóp được xác định từ các tham số của cột và điều kiện lắp đặt để bảo vệ khu vực xung quanh khỏi sét Mô hình này xem vùng bảo vệ là khối chóp có đỉnh tại đỉnh cột và đáy nằm trên mặt đất, với bán kính đáy được xác định sao cho mọi đường tới khu vực ngoài phạm vi bảo vệ đều bị chặn trước Việc tính h_x phụ thuộc vào độ cao h và các tham số bảo vệ khác, và được diễn giải thông qua một công thức liên quan tới đường sinh của hình chóp; nhờ đó phạm vi bảo vệ tại mặt đất và trên không có thể xác định một cách rõ ràng, phục vụ cho nội dung SEO của các tài liệu kỹ thuật về lắp đặt cột thu lôi.

Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ cho một cột thu lôi Trong đó: - h: chiều cao cột thu lôi

- h x : chiều cao cần được bảo vệ

Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc ABC được xác định như sau:

Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi (đường sinh gấp khúc)

- AB: đường thẳng nối từ đỉnh cột đến điểm trên mặt đất cách xa chân cột một khoảng là 0,75h

- BC: là đường thẳng nối 1 điểm có độ cao trên thân cột là 0,8h đến 1 điểm trên mặt đất cách chân cột là 1,5h

Bán kính bảo vệ r x được tính như sau:

Các công thức trên chỉ để sử dụng cho hệ thống thu sét có độ cao h < 30m Khi h30m ta cần hiệu chỉnh các công thức đó theo hệ số p, với p h

2.2.3 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi

2.3.2.1 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi a Hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau

Xét 2 cột thu lôi có độ cao bằng nhau h 1 = h 2 = h, cách nhau 1 khoảng a h

Hình 2.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau

 Khi a = 7h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa 2 cột không bị sét đánh vào

 Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h 0 được xác định như sau: h0 = h -

- Xét phạm vi bảo vệ:

 Phần ngoài: giống như phạm vi bảo vệ của từng cột độc lập

 Phần giữa: cung tròn đi qua 3 đỉnh cột 1, 2, 3 (điểm 3 là điểm đặt cột giả tưởng có độ cao h 0 )

- Tính toán phạm vi bảo vệ:

 Bán kính bảo vệ của từng cột: r x1 = r x2 = r x

 Bán kính bảo vệ giữa hai cột: r 0x

 Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa hai cột: h 0 = h -

Các công thức đã nêu áp dụng cho hệ thống chống sét có độ cao nhỏ hơn 30 m Khi hệ thống có độ cao bằng hoặc lớn hơn 30 m, các công thức này phải được hiệu chỉnh bằng hệ số p như đã nêu ở mục trên Trong trường hợp hai cột thu lôi có độ cao khác nhau, cần xem xét sự chênh lệch chiều cao và điều chỉnh các tham số tương ứng để đảm bảo hiệu quả và an toàn của hệ thống chống sét.

Xét 2 cột thu lôi có độ cao là h 1 và h 2 , cách nhau 1 khoảng a được bố trí như hình vẽ:

Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi có độ cao khác nhau

- Xác định phạm vi bảo vệ:

 Phần ngoài: giống như phạm vi bảo vệ của từng cột độc lập

Phần trong mô tả từ đỉnh cột h1 vẽ một đường thẳng nằm ngang cắt phạm vi bảo vệ của cột h2 tại vị trí 3’, nơi 3’ là vị trí đặt cột giả tưởng có độ cao bằng h1.

 Phần giữa: giống như của hai cột có độ cùng độ cao h 1

(O 1 O ' 3 a ' O 1 O 2 O ' 3 O 2 a x, x là bán kính bảo vệ của cột cao h 2 cho cột giả tưởng h 1 ' )

- Tính toán phạm vi bảo vệ:

 Tính bán kính bảo vệ từng cột r x1 , r x2

 Tính bán kính bảo vệ giữa hai cột r ox

 Khoảng cách giữa cột thấp và cột giả tưởng 3

16 a ’ = a – x ( trong đó x là bán kính bảo vệ của cột cao h 2 cho cột giả tưởng có độ cao h 1 )

 Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1, 3 ’ : h 01  3 ' = h 1 -

2.3.2.2 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu lôi

Với những công trình có mặt bằng rộng lớn, việc thi công lắp đặt sẽ gặp nhiều khó khăn nếu chỉ dùng một hoặc vài cột thu sét bởi chiều cao cột quá lớn Vì vậy, nên bố trí nhiều cột thu sét để giảm độ cao của từng cột và tăng tính thuận tiện cho thi công Phạm vi bảo vệ ở ngoài được xác định theo từng đôi cột, với yêu cầu khoảng cách giữa các cột a ≤ 7h Không cần vẽ phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét; chỉ cần kiểm tra các điều kiện an toàn để bảo đảm hệ thống hoạt động hiệu quả.

Hình 2.5 Phạm vi bảo vệ của nhóm 3 và 4 cột thu lôi có độ cao bằng nhau

Vật có độ cao h x nằm trong đa giác được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện: x a

- D: đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác được tạo bởi các cột thu lôi

- h: độ cao của cột thu sét

- h x : độ cao của vật cần được bảo vệ

- h a = h – h x : là độ cao hiệu dụng

Chúng ta cần kiểm tra điều kiện an toàn cho từng cặp cột đặt gần nhau; nếu độ cao cột thu sét vượt quá 30 m thì phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh p Việc áp dụng hệ số hiệu chỉnh này nhằm đảm bảo an toàn và tăng độ tin cậy cho hệ thống chống sét, đồng thời tối ưu hóa các thông số kỹ thuật khi làm việc với các cột có chiều cao lớn.

Các phương án bố trí cột thu lôi

- Trạm biến áp 220kV/110kV, gồm hai máy biến áp AT1, AT2

- Các xà phía 110 kV cao 8m và 11m, các xà phía 220kV cao 10m và 16m

- Mặt bằng trạm và sơ đồ bố trí thiết bị như hình vẽ:

Hình 2.6 Mặt bằng trạm và sơ đồ bố trí thiết bị trạm 220kV

- Ta chia trạm thành 2 phần:

+ Từ xà máy biến áp trở về phía 220kV ta coi là khu vực 220, độ cao cần bảo vệ là h x = 16m và h x = 10m

+ Từ xà máy biến áp trở về phía 110kV ta coi là khu vực 110, độ cao cần bảo vệ là h x = 11m và h x = 8m

+ Khảo sát mặt bằng trạm và chọn vị trí đặt cột thu lôi

+ Tính chiều cao hiệu dụng lớn nhất của từng phía h a max

+ Tính chiều cao của cột thu lôi các phía: h = h x + h a max

+ Tính phạm vi bảo vệ và kiểm tra

2.4.1.1 Bố trí các cột thu lôi

Phương án bố trí các cột thu lôi được thể hiện trên hình vẽ 2.7:

+ Phía 110 bố trí 9 cột, từ cột 13÷21, trong đó có 6 cột trên xà 11m (cột

16,17,18) và 6 cột trên xà 8m (cột 13,14,15,19,20,21)

+ Phía 220 bố trí 12 cột, từ cột 1÷12, trong đó có 3 cột trên xà MBA cao 16m (cột 10, 11,12), và 9 cột trên xà 10m ( cột 1÷9)

Hình 2.7 Sơ đồ bố trí các cột thu sét phương án1

2.4.1.2 Tính toán cho phương án 1 a Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét Để tính được độ cao tác dụng của các cột thu sét ta phải xác định được đường kính đường tròn ngoại tiếp các đa giác đi qua chân các cột là D Độ cao tác dụng phải thỏa mãn điều kiện: a 8 h  D

Các cột từ 13÷21 và các cột 10, 11,12 chia phía 110 thành 4 hình chữ nhật và 4 tam giác

Xét nhóm cột (13,14,16,17) ,(14,15,17,18 tạo thành hình chữ nhật có kích thước:

+ Chiều rộng (các cạnh13-16,14-17,15-18): b = 30m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:

D a b    m Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột trên là: 46,86 5,86 ( )

Xét nhóm cột (10,13,14) tạo thành hình tam giác có kích thước:

Nửa chu vi của tam giác trên là: 36 14, 5 38,81

2 2 a b c p        m Đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác đi qua chân các cột thu sét trên là:

   Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột trên là: 38,81 4,851 ( )

Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại, ta có bảng sau:

Bảng 2.1 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1 Đa giác a (m) b (m) c (m) p (m) D (m) h a (m) h a max (m)

Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là h a max = 8,43 m

Độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 110kV được xác định hx = 11 m, nên chiều cao của các cột thu sét là h = hx + ha_max = 11 + 8,43 = 19,43 m Để thuận tiện cho thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị, ta nâng cột lên 19,5 m.

Các cột từ 1 đến cột 12 chia phía 220 thành 4hình chữ nhật và 4 tam giác

Xét nhóm cột (1,2,5,4) tạo thành hình chữ nhật có kích thước:

+ Chiều rộng (các cạnh 1-4,2-5): b = 30m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:

D a b    m Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột trên là: 68, 481 8, 56 ( )

Nửa chu vi của tam giác trên là:

   Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột trên là: 66, 784 8, 348 ( )

Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là h a max = 13,8 m

Do độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 220kV là h x = 16m nên chiều cao của các cột thu sét là: h = h x + h a max = 16+13,8 = 29,8 (m) Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị, ta nâng cột lên 30m

23 b Tính toán phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi

Trong phân tích này, ta chỉ xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo chu vi của trạm, do phần diện tích bên trong đã được bảo vệ Với chiều cao các cột thu sét đều dưới 30 m, trong công thức tính toán không cần nhân thêm hệ số hiệu chỉnh.

*Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 19,5 m

Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 11m là:

- Phạm vi bảo vệ của các cột 10,11,12 đặt trên xà MBA và các cột 7,9 cao 30 m

Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 8 m là:

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 30 m

*Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên

+ Xét cặp cột (13-16) có độ cao bằng nhau h 13 = h 16 = 19,5m và đặt cách nhau một khoảng là a = 30m

Do a = 30m < 7h 1 = 7.19,5 = 136,5m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 11m và h x = 8m là:

+ Xét cặp cột (15-9) có độ cao khác nhau h 15 = 19,5m, h 9 = 30m và đặt cách nhau một khoảng là a = 42.47m

Bán kính bảo vệ của cột h 12 cho phần có độ cao h 5 là:

Khoảng cách từ cột h5 đến cột giả tưởng có cùng độ cao được xác định bằng a' = a − x Với a = 42,47 m và x = 8,44 m, a' = 42,47 − 8,44 = 34,032 m Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột h5 và cột giả tưởng ở cùng độ cao tương ứng với giá trị a'.

+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao bằng nhau h 1 = h 2 = 30m và đặt cách nhau một khoảng là a = 61,6m

Do a = 30m < 7h = 7.30 = 210 m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

Tính toán tương tự cho các cặp cột còn lại của cả hai phía, ta có bảng sau:

Bảng 2.3 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phương án 1 Đơn vị (m)

Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được thể hiện trong hình 2.8 sau:

Hình 2.8 mô tả phạm vi bảo vệ của các cột thu sét trong phương án 1 Đường nét đậm biểu diễn phạm vi bảo vệ ở độ cao 16m, trong khi đường nét mảnh thể hiện phạm vi bảo vệ ở độ cao 11m, giúp người đọc so sánh hai mức độ cao và đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống cột thu sét.

Kết luận : Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra

Tổng số cột là 21 cột gồm 9 cột bên phía 110kV cao 19,5 m và 12 cột bên phía 220kV cao 30m

2.4.2.1 Bố trí các cột thu lôi

Phương án bố trí các cột thu lôi được thể hiện trên hình vẽ 2.9:

+ Phía 110 bố trí 6 cột, từ cột 10÷15, trong đó 6 cột trên xà 8m (cột

+ Phía 220 bố trí 9 cột, từ cột 1÷9, trong đó có 3 cột trên xà MBA cao 16m (cột 7,8,9), 2 cột đặt đưới đất ( cột 2,5) và 4 cột trên xà 10m ( cột 1,3,4,6)

Hình 2.9 Sơ đồ bố trí các cột thu sét phương án 2

2.4.2.2 Tính toán cho phương án 2 a Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét

Các cột từ 10÷15và các cột 7,8,9 trên xà máy biến áp chia phía 110 thành 2 hình chữ nhật và 4tam giác

Xét nhóm cột 10,11,14,13) tạo thành hình chữ nhật có kích thước:

+ Chiều rộng (các cạnh 10-11,13-14): b = 36m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:

D a b    m Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột trên là: 72,172 9, 016 ( )

Nửa chu vi của tam giác trên là: 14, 5 36 38,81

   Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột trên là: 38,81 4,851 ( )

Ta nhận thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột là h a = 9,015 m

Độ cao bảo vệ tối đa ở phía 110 kV được xác định hx = 11 m, do đó chiều cao của các cột thu sét được tính theo h = hx + ha = 11 + 9,015 = 20,015 m Để thuận tiện cho thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị, cột được nâng lên 20,5 m.

Các cột từ 1 đến cột 9 chia phía 220 thành 2 hình chữ nhật và 4 tam giác

Xét nhóm cột (1,2,5,4) tạo thành hình chữ nhật có kích thước:

+ Chiều rộng (các cạnh 1-2,4-5): b = 46,2m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:

D a b    m Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột trên là: 74,872 9, 359 ( )

Nửa chu vi của tam giác trên là:

   Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột trên là: 53, 755 6, 719 ( )

Ta nhận thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột là h a = 9,359 m

Độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 220kV được xác định là hx = 16 m Do đó, chiều cao của các cột thu sét được tính theo h = hx + ha = 16 + 9,359 = 25,359 (m) Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị, ta nâng cột lên 25,5 m b Tính toán phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi.

*Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi

- Phạm vi bảo vệ của các cột 7,8,9 đặt trên xà MBA và cột 4,6 cao 25,5m

*Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên

+ Xét cặp cột (10-13) có độ cao bằng nhau h 1 = h 2 = 20,5m và đặt cách nhau một khoảng là a = 62.5m

Do a = 40m < 7h 1 = 7.20,5 = 143,5m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

+ Xét cặp cột (10-4) có độ cao khác nhau h 10 ,5m, h 4 = 25,5m và đặt cách nhau một khoảng là a = 46,76 m

Bán kính bảo vệ của cột h 4 cho phần có độ cao h 10 là:

Khoảng cách từ cột h 5 đến cột giả tưởng có cùng độ cao là:

34 a’ = a – x = 46,76 – 3,75 = 43,01 m Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột h 5 và cột giả tưởng cùng độ cao là:

+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao bằng nhau h 1 = h 2 = 25,5m và đặt cách nhau một khoảng là a = 46,2m

Do a = 46,2m < 7h 1 = 7.25,5 = 178,5m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa

Tính toán tương tự cho các cặp cột còn lại của cả hai phía, ta có bảng sau:

Bảng 2.6 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phương án 2 Đơn vị (m)

Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được thể hiện trong hình 2.10 sau:

Trong Hình 2.10, phạm vi bảo vệ của các cột thu sét cho phương án 2 được thể hiện rõ ràng Đường nét đậm cho biết phạm vi bảo vệ ở độ cao 16m, còn đường nét mảnh cho biết phạm vi bảo vệ ở độ cao 11m.

Kết luận : Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra

Tổng số cột là 15 cột gồm 6cột bên phía 110kV cao 20,5 m và 9 cột bên phía 220kV cao 25,5m

Chọn phương án tối ưu

Cả hai phương án đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, nên ta xét tới yếu tố kinh tế để lựa chọn Phương án tối ưu là phương án có tổng chiều cao của các cột thu lôi nhỏ nhất, vì tổng chiều cao thấp đi kèm với chi phí và độ phức tạp giảm, mang lại hiệu quả kinh tế tốt nhất Bảng đối chiếu hai phương án sẽ cho thấy sự khác biệt về chi phí và hiệu suất, từ đó giúp chúng ta quyết định đúng đắn dựa trên tiêu chí kinh tế.

Bảng 2.7 Bảng so sánh giữa 2 phương án

Chỉ tiêu Phương án 1 Phương án 2

Phạm vi bảo vệ Toàn bộ các thiết bị trong trạm

Toàn bộ các thiết bị trong trạm

Dựa trên bảng so sánh, phương án 2 có số cột ít hơn và tổng chiều dài cột nhỏ hơn phương án 1 Vì vậy, ta chọn phương án 2 để thi công.

Khái niệm chung

Bộ phận nối đất là phần cuối cùng của mạch chống sét, là một vật kim loại có hình dạng và kích thước bất kỳ, được chôn sâu xuống đất và có liên hệ dẫn điện với đất để tạo nên điện trở nối đất Một tập hợp nhiều bộ phận nối đất được gọi là hệ thống nối đất Nhiệm vụ của hệ thống nối đất là tản dòng điện sét xuống đất nhằm đảm bảo điện thế trên vật nối đất có trị số nhỏ, từ đó giảm thiểu rủi ro cho thiết bị và con người khi xảy ra sét Trong công tác bảo vệ quá điện áp khí quyển, nối đất của trạm, các cột thu lôi, đường dây và thiết bị chống sét đóng vai trò rất quan trọng Trong hệ thống điện có ba loại nối đất.

Nối đất làm việc có nhiệm vụ đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc của một số bộ phận thiết bị theo chế độ làm việc đã được quy định sẵn Loại nối đất này bao gồm nối đất điểm trung tính của máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất cuộn thứ cấp của máy biến áp đo lường, kháng điện bù ngang dùng cho tải điện đi xa và nối đất của thiết bị chống sét.

Nối đất an toàn là biện pháp bảo vệ người khi cách điện bị hỏng, nhằm giảm thiểu nguy cơ điện giật Để thực hiện, tiến hành nối đất cho mọi bộ phận kim loại bình thường không mang điện như vỏ máy biến áp, vỏ động cơ, vỏ máy cắt và các giá đỡ kim loại Khi cách điện bị hỏng, các bộ phận này có thể mang điện, nhưng nhờ được nối đất nên vẫn duy trì ở mức điện thế thấp, hạn chế khả năng gây nguy hiểm cho người tiếp xúc.

Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét xuống đất khi có sét đánh vào cột thu lôi hoặc đường dây, để giữ điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn và từ đó hạn chế phóng điện tới công trình được bảo vệ Ở nhà máy điện và trạm biến áp, nguyên tắc là phải tách rời hai hệ thống nối đất làm việc và nối đất an toàn để phòng khi có dòng ngắn mạch lớn (hay dòng điện sét) đi vào hệ thống nối đất làm việc, không gây điện thế cao trên hệ thống nối đất an toàn Tuy nhiên trong thực tế rất khó thực hiện vì nhiều lý do khác nhau nên thường dùng một hệ thống nối đất chung.

38 hệ thống nối đất có hai nhiệm vụ chính Vì vậy, hệ thống nối đất chung của các thiết bị cần có điện trở nối đất ở mức tối thiểu, với điện trở của hệ thống này không được vượt quá 0,5 Ω Để đảm bảo yêu cầu về nối đất và đồng thời giảm khối lượng kim loại dùng khi xây dựng hệ thống, cần tận dụng các loại nối đất tự nhiên như đất nền ẩm và các điều kiện đất tốt để đạt được hiệu quả dẫn điện và độ bền mong muốn.

 Hệ thống dây chống sét, cột,

Trong các công trình có kết cấu kim loại như móng nhà bằng sắt, ống nước chôn dưới đất và các ống kim loại khác không chứa chất dễ cháy nổ, việc nối đất là yếu tố then chốt của hệ thống an toàn điện; khi tận dụng nối đất tự nhiên, phải tuân thủ đầy đủ các quy định của quy phạm Nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thỏa mãn yêu cầu của thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất nhỏ, thì không cần phải làm thêm nối đất nhân tạo Tuy nhiên đối với các thiết bị có dòng ngắn mạch lớn, cần thực hiện nối đất nhân tạo với điện trở nhỏ hơn ngưỡng quy định.

Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống nối đất

3.2.1 Trị số cho phép của điện trở nối đất

Trị số điện trở nối đất phụ thuộc chủ yếu vào điện trở tiếp xúc giữa bộ phận nối đất và lớp đất tại mặt tiếp xúc khi có dòng điện đi qua, tức là nó chịu ảnh hưởng của điện trở suất của đất ρ (Ω·m) Bên cạnh đó, giá trị này còn bị chi phối bởi hình dạng, kích thước và cách bố trí của bộ phận nối đất trong đất Mức độ an toàn của hệ thống chống sét, hay nói cách khác khả năng tiêu tán nhanh dòng điện sét vào đất, phụ thuộc vào điện trở nối đất; nếu điện trở nối đất càng nhỏ thì hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống sét càng cao.

Giảm điện trở nối đất mang lại an toàn điện cao hơn nhưng đồng thời làm tăng chi phí xây dựng do phải dùng nhiều kim loại Vì vậy, việc quy định trị số cho phép của điện trở nối đất là cần thiết để cân bằng giữa an toàn và chi phí Đối với hệ thống nối đất làm việc, nó phải đáp ứng các yêu cầu làm việc của từng thiết bị theo quy phạm, bảo đảm vận hành ổn định và an toàn trong mọi điều kiện.

 Đối với các thiết bị có điểm trung tính nối đất trực tiếp, yêu cầu điện trở nối đất là: R 0,5

 Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện với đất thì yêu cầu điện trở

250  (nếu như phần nối đất này chỉ dùng cho thiết bị cao áp)

Trong trường hợp hệ thống có điểm trung tính cách điện và hệ thống nối đất được dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp, điện trở nối đất yêu cầu là R ≤ 125 Ω để đảm bảo an toàn cho người vận hành và tăng độ tin cậy của hệ thống Việc duy trì điện trở nối đất ở mức này giúp giảm nguy cơ sự cố và tối ưu hóa vận hành của cả phần điện áp cao lẫn điện áp thấp, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đo đạc và kiểm tra định kỳ điện trở nối đất Nếu giá trị đo được vượt giới hạn, cần áp dụng các biện pháp cải thiện hệ thống nối đất để đưa trở về mức cho phép.

Với I là dòng điện chạm đất, I tùy thuộc vào mỗi trường hợp chạm đất nó có giá trị khác nhau

3.2.2 Hệ số mùa Đất là môi trường phức tạp không đồng nhất về kết cấu cũng như thành phần, do đó điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần muối, axit , độ ẩm, nhiệt độ, của đất Do khí hậu các mùa thay đổi nên độ ẩm, nhiệt độ của đất luôn thay đổi, đặc biệt với lớp đất ở trên, còn đối với lớp đất sâu ở dưới độ dao động về độ ẩm ít hơn Vì vậy khi thiết kế hệ thống nối đất cần chú ý tới trị số điện trở suất tính toán của đất Điện trở suất của đất được tính theo công thức: tt d k mùa

-  tt : điện trở suất tính toán của đất

-  d : điện trở suất đo được của đất

- k mùa : hệ số mùa, phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của hệ thống nối đất khi đo đất khô hay ẩm

Bảng 3.1 Bảng hệ số k mùa

Loại nối đất Dạng cực

Hệ số mùa K ứng với các trạng thái Đất khô Đất ẩm

Nối đất chôn sâu với độ sâu 2-3 m 1,0 1,1

Trình tự tính toán

Các số liệu dùng để tính toán nối đất: Điện trở suất đo được của đất: ρđ = 91 Ωm Điện trở nối đất của cột đường dây: Rc = 10 Ω

Dây chống sét sử dụng loại C-70, có điện trở đơn vị là r 0 = 2,38 Ω/km

Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220kV là: l 220 = 510 m

Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110kV là: l 110 10 m Điện trở tác dụng của dây chống sét trên một khoảng vượt là:

Số lộ đường dây trong trạm: Phía 220kV n = 4 lộ

Trạm điện thiết kế là trạm 220kV/110kV, là mạng có điểm trung tính trực tiếp nối đất nên yêu cầu của nối đất an toàn là: R HT ≤ 0,5 Ω

Ta có điện trở nối đất của hệ thống là:

Với R TN : là điện trở nối đất tự nhiên

R NT : là điện trở nối đất nhân tạo, yêu cầu R NT ≤ 1 Ω

Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống nối đất chống sét đường dây và cột điện 110kV và 220kV tới trạm

Ta có công thức sau:

41 n: là số lộ đường dây

R cs : là điện trở tác dụng của dây chống sét trên một khoảng vượt

R c : là điện trở nối đất của cột điện

Vậy ta có điện trở nối đất tự nhiên của toàn trạm là:

R_TN ≤ 0,5 Ω được xem là giới hạn an toàn về lý thuyết cho hệ thống nối đất Tuy nhiên, đất tự nhiên có thể biến động đáng kể do địa chất, độ ẩm và nhiệt độ, nên điện trở đất có thể không ổn định trong thực tế Vì vậy, để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, ta cần thực hiện nối đất nhân tạo bổ sung và tiến hành kiểm tra định kỳ Nối đất nhân tạo giúp kiểm soát và duy trì điện trở đất ở mức an toàn bất kể sự biến động của đất tự nhiên, đồng thời tăng độ tin cậy của hệ thống chống sốc điện và giảm nguy cơ phóng điện ngoài ý muốn Tóm lại, dù R_TN tự nhiên có thể đạt yêu cầu lý thuyết, việc áp dụng nối đất nhân tạo là biện pháp thiết yếu để đảm bảo an toàn điện lâu dài và tuân thủ các tiêu chuẩn.

Nối đất nhân tạo ở đây ta sử dụng hình thức nối đất bằng thanh ngang, vòng quanh chu vi trạm và cách tường bao 1m

Hình 3.1 Sơ đồ nối đất nhân tạo mạch vòng

Ta đưa sơ đồ nối đất trên về dạng hình chữ nhật tương đương sau: l1 l2

Chu vi và diện tích mạch vòng hình chữ nhật tương đương bằng chu vi và diện tích mạch vòng của trạm:

Mạch vòng làm bằng thép dẹt có kích thước 40 x 4 mm

43 Độ chôn sâu của mạch vòng là: t = 0,8 m Điện trở suất của đất: ρ d = 91 Ωm Điện trở mạch vòng của trạm là: d t

- L: là chu vi mạch vòng , L= 600m

- t: độ chôn sâu của thanh, t = 0,8m

- ρ tt : điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t: tt  đ k mùa

Tra Bảng 3.1, với thanh ngang chôn sâu 0,8m có k mùa =1,6:

- d: đường kính thanh làm mạch vòng: b m d 0,02

- K: hệ số hình dạng phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất

Giá trị của K phụ thuộc vào kích thước mạch vòng và được cho ở bảng sau:

Bảng 3.2 Bảng quan hệ giữa k và tỉ lệ l 1 /l 2 l 1 /l 2 1 1,5 2 3 4

Hình 3.2 Đồ thị hệ số hình dáng

Từ đồ thị, ứng với tỉ số l 1 /l 2 = 1,99 ta được K= 6,399

Như vậy điện trở mạch vòng là:

Ta có điện trở nối đất của hệ thống:

Ta thấy R HT 0, 227 0,5 nên hệ thống nối đất đã chọn là thỏa mãn yêu cầu của nối đất làm việc và an toàn

3.3.3 Nối đất chống sét Ở đây đề cập đến hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất:

 Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực

 Quá trình phóng điện trong đất

Khi chiều dài điện cực nối đất ngắn (nối đất tập trung) thì chỉ cần xét quá trình phóng điện trong đất, không cần xét quá trình quá độ Ngược lại, khi nối đất dùng hình thức phân bố dài (tia dài hoặc mạch vòng) thì đồng thời phải xét cả hai quá trình vì chúng có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả nối đất Vì hình thức nối đất được chọn cho trạm biến áp là nối đất dài (mạch vòng theo chu vi trạm) nên sẽ đồng thời xét cả hai quá trình Do hệ thống nối đất của chúng ta được dùng cho cả ba nhiệm vụ nên ta sẽ dùng nối đất an toàn và nối đất làm việc để tính toán cho nối đất chống sét.

Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong đất

Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:

Hình 3.3 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất

Trong mọi trường hợp, điện trở tác dụng R có giá trị rất nhỏ so với điện trở tản nên có thể bỏ qua Đồng thời, điện dung C cũng không cần được xem xét, vì ngay cả khi xảy ra sóng xung kích, dòng điện dung vẫn rất nhỏ so với dòng điện trở tản.

Hình 3.4 Sơ đồ đẳng trị rút gọn

- L 0 : điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài

- G 0 : điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài

- Điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài: H m r

2 2 l  L  m (nối đất mạch vòng theo chu vi của trạm)

 r: bán kính cực ở phần trướcvới cực là thép dẹt 40x4 mm có bề rộng b=0,04 (m): b m r 0,01

- Điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài: 

 R: điện trở tản xoay chiều tính cho mùa sét:

Trong nối đất chống sét khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8m thì

1, 25 set k mua  ; mua set mua

Trong hệ thống điện cho trạm, ta thực hiện nối đất bằng một mạch vòng bao quanh trạm và không đóng thêm cọc Vì vậy, giá trị điện trở nhân tạo mùa sét của hệ thống được tính theo một công thức đặc thù phản ánh ảnh hưởng của mạch vòng đối với điện trở đất và hiệu quả bảo vệ chống sét Việc áp dụng giải pháp nối đất bằng mạch vòng giúp tối ưu hóa cấu hình hệ thống, tăng tính ổn định của tiếp xúc đất và thuận lợi cho việc đánh giá điện trở đất theo các chuẩn an toàn hiện hành.

Tính tổng trở xung kích của hệ thống nối đất

Từ sơ đồ đẳng trị ta có:

Gọi Z(x,t) là điện trường xung kích của nối đất kéo dài, nó là hàm số của không gian và thời gian:

U(x,t) và I(x,t) là dòng điện và điện áp được xác định từ hệ phương trình vi phân mô tả sự lan truyền tín hiệu trong hệ thống có nối đất Giải hệ phương trình vi phân này cho ta dạng sóng của dòng điện ở đầu vào và dạng sóng xiên góc tại biên với i(0,t) = a t, từ đó ta xác định được điện áp tại mọi điểm x trên điện cực.

Suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất:

Trong thiết kế tính toán ta chọn dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi

Phương trình sóng có dạng sau:

ds S ds ds at khi t

Biên độ dòng điện sét được quy định là I 100kA Độ dốc của dòng sét là a30kA/s

Thời gian đầu sóng là 100 3, 333( ) ds 30

Do coi mạch vòng là sự ghép song song của hai tia nên:

  Để xác định được Z∑(0,τ ds ) ta xét chuỗi số sau:

Trong dãy số này ta chỉ xét đến các hạng chứa e^-4; từ hạng e^-5 trở đi có giá trị rất nhỏ so với các hạng trước nên có thể bỏ qua để đơn giản hóa tính toán Ta xác định giá trị của k sao cho sai số do bỏ qua các hạng nhỏ nằm trong ngưỡng cho trước, đảm bảo sự hội tụ và độ chính xác mong muốn của kết quả.

Vì k là số nguyên dương và k8,148 nên k = 1÷7

Ta có bảng kết quả chuỗi k ds e T k

Bảng 3.3 Bảng kết quả chuỗi k ds e T k

Do đó tổng trở sóng đầu vào mạch vòng sẽ được tính bằng: s 3

Vì máy biến áp là phần tử yếu nhất của hệ thống, ta chỉ cần tập trung kiểm tra với máy biến áp để đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống điện Khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất, việc đảm bảo an toàn đòi hỏi phải thỏa mãn các điều kiện an toàn đã được xác lập cho hệ thống nối đất và các thiết bị liên quan.

- I S : dòng điện sét của trạm, I S = 100kA

- U 50%MBA : mức phóng điện xung kích nhỏ nhất của MBA

Ta có U 50%110 = 460kV; U 50%220 = 900kV.Vậy lấy U 50%MBA = 460kV

Kết quả tính toán cho Uxk bằng 7,802.100 tương đương 780,2 kV cho thấy giá trị này lớn hơn 50% MBA (460 kV) Do đó, hệ thống nối đất nhân tạo mạch vòng chỉ đáp ứng được tiêu chuẩn nối đất làm việc và nối đất an toàn, chưa đạt được yêu cầu về tiêu chuẩn chống.

49 sét Để đảm bảo an toàn cho máy biến áp và các thiết bị, cần phải nối đất bổ sung

Tính toán nối đất bổ sung:

Trong he thong noi dat bo sung, ta ap dung dang noi dat tap trung gom cac thanh va coc dat tai chan cac cot thu set Viec xac dinh Zbs bang ly thuyet thuong rat kho khan, nen ta chon hinh thuc noi dat bo sung nhu sau:

Chọn thanh nối đất bổ sung là loại thép dẹt có:

Dọc theo chiều dài thanh có chôn 3 cọc tròn có:

Chiều dài cọc l cọc = 3(m) Đường kính d = 0,04(m)

Khoảng cách giữa hai cọc a = 6(m) Độ chôn sâu t = 0,8(m)

Trong thiết kế nối đất dùng cho chống sét, hệ số k mùa được xác định như sau: đối với thanh ngang chôn sâu t = 0,8 m, k mùa = 1,25; đối với cọc dài 3 m chôn sâu t = 0,8 m, k mùa = 1,25.

Hình 3.5 Hình thức nối đất bổ sung Điện trở thanh

Công thức sử dụng để tính toán:

Trong đó: l T : chiều dài của thanh l = 12(m) t: độ chôn sâu của thanh làm tia t = 0,8(m) ρ tt.T : điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm tia chôn ở độ sâu t

     d: đường kính thanh làm tia Chọn thanh dẹt có bề rộng b = 0,04(m) nên:

2 2 2 m b d      k: hệ số hình dáng lấy k 1 do nối đất là tia ngang

Vậy điện trở của thanh bổ sung là:

Ta sử dụng công thức:

 coc coc coc coc ttC l t l t d l l 4.'

Trong đó: ρttC: điện trở suất của đất đối với cọc chôn ở độ sâu t=0,8(m)

Vậy điện trở bổ sung của cọc là:

      Điện trở nối đất bổ sung

Công thức sử dụng để tính toán:

Trong đó: n: số lượng cọc

R T , R C : điện trở tản của thanh và cọc ηT, ηC: hệ số sử dụng của thanh và cọc

Với n= 3; l cọc = 3(m); a= 6(m); a/l=2 Tra bảng 3 và bảng 5 sách “Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp” ta được:η C = 0,88

Bảng 3.4 Hệ số sử dụng của thanh khi nối cọc theo dãy

Tỉ số a 2 l  Số cọc trong một dãy, n

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ η T = f(n)

Dựa vào Bảng 3.4 và Hình 3.6, ta xác định được khi n = 3 thì: η T = 0,91

Vậy điện trở bổ sung là:

Tổng trở của hệ thống khi có nối đất bổ sung

Ta có công thức tính tổng trở xung kích khi có nối đất bổ sung như sau:

X K bs NT set NT set T

NT set bs NT set k bs K

6, 755 0, 577 bs NT set bs NT set

Tương tự như trên ta chỉ xét đến số hạng e -4 với:

Ta tính đến X k sao cho:

Trong đó X K là nghiệm của phương trình:

Giải phương trình trên bằng phương pháp đồ thị và ta có nghiệm như sau :

Hình 3.7 Đồ thị xác định nghiệm của phương trình tgX k = - 0,085X k

Ta thấy X 8 = 27,117 > 25,598 nên ta chỉ xét tới X 8

Ta có T 1 = 55,319 (μs); R bs = 6,755 (Ω); R NT(sét) = 0,567 (Ω)

Bảng 3.5 Kết quả tính toán các giá trị B k k X k Cos(X k )

Từ bảng trên ta có giá trị của B:

Vậy tổng trở xung kích khi có nối đất bổ xung là:

Z    A B    Điện áp khi có dòng điện đi vào nối đất tại thời điểm dòng điện sét đạt giá trị cực đại: max XKbs (0, ds ) 100.3 300( )

Ta thấy U max 300kV U 50% MBA 460kV

Vậy sau khi nối đât bổ sung thì các điều kiện về nối đất chống sét được thỏa mãn

Hình 3.8 Sơ đồ nối đất tổng thể trạm biến áp

Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây

Đường dây tải điện là phần tử dài nhất trong hệ thống điện, thường xuyên bị sét đánh và chịu tác động của quá điện áp khí quyển Quá điện áp có thể phát sinh khi sét đánh trực tiếp vào đường dây hoặc do sét đánh xuống mặt đất gần khu vực có đường dây đi qua và gây cảm ứng lên đường dây Quá điện áp có thể dẫn đến ngắt máy và cắt đường dây, làm ảnh hưởng đến nguồn cung cấp điện của toàn hệ thống và đến an toàn của các thiết bị trong trạm, đặc biệt là máy biến áp Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên mùa mưa xác suất sét đánh vào đường dây rất cao, vì vậy việc tính toán và thiết kế bảo vệ chống sét cho đường dây là một khâu quan trọng, đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật Khi tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây, cần kết hợp chặt chẽ với bảo vệ chống sét cho trạm, đặc biệt là đoạn đường dây gần trạm phải được bảo vệ cẩn thận vì khi sét đánh vào khu vực này sẽ đưa quá điện áp lớn vào trạm, gây nguy hiểm cho các thiết bị của trạm.

Quá điện áp khí quyển có biên độ rất lớn nên không thể chọn mức cách điện cho đường dây đáp ứng hoàn toàn mọi yêu cầu của quá điện áp khí quyển vì vốn đầu tư cho đường dây quá lớn Vì vậy, bảo vệ chống sét cho đường dây ở mức an toàn tuyệt đối là không thể thực hiện được; mục tiêu là hạn chế sự cố ở mức thấp nhất và đảm bảo mức độ hợp lý về mặt kinh tế và kỹ thuật Để đánh giá khả năng chịu sét của các đường dây khác nhau, người ta sử dụng đại lượng suất cắt đường dây làm thước đo so sánh và lựa chọn giải pháp bảo vệ tối ưu.

Lý thuyết tính toán

4.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét Để bảo vệ cho các đường dây tải điện người ta dùng dây chống sét thay cho các cột thu sét do đường dây trải dài trên một diện tích khá rộng lớn Nó được treo phía trên các dây pha, có đường kính nhỏ hơn các dây pha và được nối đất ở từng cột Các dây chống sét treo cao trên đường dây tải điện sao cho các dây pha nằm trong phạm vi

Phạm vi bảo vệ của dây chống sét là một vùng dọc theo chiều dài đường dây, có mặt cắt thẳng đứng vuông góc với dây thu sét và được xác định tương tự như phạm vi bảo vệ của cột thu sét Phần a mô tả Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét, nhấn mạnh cách xác định vùng bảo vệ này để tối ưu hóa hiệu quả chống sét cho hệ thống và bảo vệ các cấu kiện, người dùng và tài sản nằm dưới đường dây.

Hình 4.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

Xét dây chống sét treo ở độ cao h, bảo vệ cho độ cao h x

Chiều rộng của phạm vi bảo vệ cho độ cao h x là 2b x , b x được xác định như sau:

 h h h b x 0,6 1 x b Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét

Hình 4.2 Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét treo cùng độ cao

Xét hệ hai dây chống sét có độ cao h, đặt cách nhau một khoảng O 1 O 2 = a h 0,8h h x

Khi a ≤ 4h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa hai dây chống sét sẽ được bảo vệ an toàn

Khoảng giữa hai dây chống sét bảo vệ được cho độ cao lớn nhất:

- Phần nằm giữa hai dây chống sét bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h 0

- Phần ngoài khoảng giữa hai dây chống sét là phạm vi bảo vệ của từng dây chống sét độc lập

4.2.2 Tính toán chung về chỉ tiêu chống sét

4.2.2.1 Góc bảo vệ của dây chống sét Đối với đường dây tải điện: dd cs h 2 h

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét được tính theo theo công thức: dd x cs cs b 0, 6h (1 h )

Trong đó: h dd là chiều cao treo dây dẫn h cs là chiều cao treo dây chống sét b x là phạm vi bảo vệ một bên của dây thu sét

Từ đó ta tính được góc bảo vệ giới hạn của dây thu sét: cs cs dd x gh cs dd cs cs dd

Vậy khi góc bảo vệ α < α gh thì đường dây được bảo vệ hoàn toàn

Hình 4.3 Góc bảo vệ của dây thu sét

4.2.2.2 Số lần sét đánh vào đường dây

Coi mật độ sét là đều trên toàn bộ diện tích vùng có đường dây đi qua, có thể tính số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây trong một năm là:

N m n L h  (4.1) Trong đó: ms : mật độ sét vùng có đường dây đi qua, ms = 0,1÷ 0,15 n ng.s : số ngày sét trong một năm h : chiều cao trung bình của dây trên cùng (m)

L : chiều dài của đường dây (km)

Lấy L = 100km ta sẽ có số lần sét đánh vào 100km dọc chiều dài đường dây trong một năm

Tuỳ theo vị trí sét đánh quá điện áp xuất hiện trên cách điện đường dây có trị số khác nhau Người ta phân biệt số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây có dây chống sét thành 3 khả năng:

- Sét đánh vào đỉnh cột : dc 2

- Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn :

N dd  N V  (4.4) Với N : tổng số lần sét đánh vào đường dây

V  : xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn, nó phụ thuộc vào góc bảo vệ  và được xác định theo công thức sau: lg 4

Trong đó h c : chiều cao của cột (m)

- Sét đánh vào điểm giữa khoảng vượt: kv dc dd 2

4.2.2.3 Số lần phóng điện khi sét đánh vào đường dây

Khi bị sét đánh, quá điện áp tác dụng lên lớp cách điện của đường dây (gồm sứ và khoảng cách không khí giữa dây dẫn và dây chống sét) có thể gây phóng điện Khả năng phóng điện được đặc trưng bởi xác suất phóng điện Vpđ Vì vậy, với Ni lần sét đánh tác động lên hệ thống, số lần phóng điện dự kiến sẽ bằng Ni nhân với Vpđ.

Xác suất phóng điện Vpđ phụ thuộc trị số quá điện áp và đặc tính cách điện (V-S) của đường dây

Với U pd : trị số điện áp giáng trên cách điện dd d

U p : mức cách điện xung kích của đường dây

4.2.2.4 Số lần cắt điện khi sét đánh vào đường dây

Trong trường hợp phóng điện trên cách điện của đường dây, máy cắt có thể bị đứt nếu hồ quang có tần số công nghiệp xuất hiện tại vị trí phóng điện Xác suất hình thành hồ quang η phụ thuộc vào cường độ điện trường phân bố dọc theo đường phóng điện và η có thể được xác định theo bảng sau.

Bảng 4.1 Bảng xác suất hình thành hồ quang   f(E lv ). lv v pd

Với E lv : cường độ điện trường dọc theo đường phóng điện, (kV/m)

U lv : điện áp pha làm việc (kV)

L pđ : chiều dài đường phóng điện (chiều dài chuỗi sứ) (m)

Vậy ta có thể tính số lần cắt điện của đường dây tương ứng với số lần sét đánh N i là:

Số lần cắt điện tổng cộng của đường dây: cd cdi n  n (4.9)

4.2.2.5 Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng

Số lần phóng điện do sét đánh gần đường dây cảm ứng gây phóng điện trên cách điện đường dây được tính như sau:

Trong đó: n s :số ngày sét trong một năm h: độ treo cao trung bình của dây dẫn

U 50% : mức các điện xung kích của chuỗi sứ

Như vậy số lần đường dây bị cắt điện do quá điện áp cảm ứng:

Đường dây 110 kV trở lên có mức cách điện cao (U50% lớn), vì vậy suất cắt do quá điện áp cảm ứng có giá trị rất nhỏ và có thể bỏ qua trong các tính toán thiết kế và phân tích hệ thống.

Tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây 220kV

4.3.1 Các tham số tính toán

- Đường dây dùng cột thép, có chiều cao cột h c = 33 m

- Độ treo cao của dây dẫn các pha: h dd(A) = 25 m; h dd(B) = h dd(C) = 21 m

- Độ treo cao của dây chống sét: h cs = 33 m

Hình 4.4 Kết cấu cột 220kV

62 a Các thông số cơ bản

Chiều dài chuỗi sứ là l sứ , chuỗi sứ có 12 bát, độ dài mỗi bát: l = 17cm, dùng sứ loại -4,5 nên: l sứ = n.l = 12.17 = 204cm

- Dây chống sét là dây thép C- 70: d = 11mm; r = 5,5mm

- Dây dẫn là dây nhôm lõi thép ACSR-500: d = 30,6 mm; r = 15,3

- Với cấp 220kV, hệ số điều chỉnh vầng quang:= 1,4

- Khoảng vượt của đường dây 220kV : l = 510m

- Độ võng dây chống sét: f cs = 4m

- Độ võng dây dẫn: f dd = 4,5m b Các số liệu tính toán

- Độ treo cao trung bình của dây:

 Độ treo cao trung bình của dây chống sét:

 Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha A:

 Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha B, C:

- Tổng trở sóng của dây dẫn: 60 2 dd tb ( ) dd dd

 Tổng trở sóng của dây dẫn pha A:

 Tổng trở sóng của dây dẫn pha B, C:

- Tổng trở sóng của dây chống sét:

 Khi không có vầng quang:

 Khi có vầng quang: do ảnh hưởng của vầng quang điện nên điện dung tăng lên, do đó tổng trở sóng giảm đi:

+ Góc bảo vệ pha B và pha C: 4,5 20,556

- Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét:

Hệ số ngẫu hợp của dây dẫn và dây chống sét được xác định theo công thức:

+ h 2 , r 2 : chiều cao trung bình và bán kính của dây chống sét (m)

+ L xà : chiều dài xà theo dây dẫn (m)

X h cs(tb) - h dd(tb) h dd(tb) h cs(tb) h 2 = h cs(tb)

Hình 4.5 Dây dẫn và ảnh của nó qua mặt đất

+ D 2'x : khoảng cách giữa dây pha và ảnh của dây chống sét (m)

+ d 2x : khoảng cách giữa dây chống sét và dây pha (m)

Ta có: D 2' x  L 2 xa (h cs tb ( ) h dd t ( ) b ) 2 (m) d 2 x  L 2 xa (h cs tb ( ) h d d t ( ) b ) 2

- Tính hệ số ngẫu hợp của pha A với dây chống sét:

Ta có: h A dd ( tb ) = 22 m; L xàA = 3,5m

 Hệ số ngẫu hợp của pha A khi chưa xét đến ảnh hưởng của vầng quang là:

 Khi có ảnh hưởng của vầng quang hệ số ngẫu hợp của pha A là:

- Tính hệ số ngẫu hợp của pha B và pha C với dây chống sét:

Ta có: h B dd ( tb ) = h C dd ( tb ) = 18 m; L xàB = L xàC =4,5m

 Hệ số ngẫu hợp của pha B và pha C khi chưa xét đến ảnh hưởng của vầng quang:

 Khi có ảnh hưởng của vầng quang, hệ số ngẫu hợp của pha B, pha C là:

4.3.2 Xác định tổng số lần sét đánh vào đường dây hằng năm

Với n ng.s = 91 ngày/năm và h cs(tb) = 30,333 m Ta có tổng số lần sét đánh vào đường dây trên 100km chiều dài trong 1 năm là:

Ta chọn khả năng nguy hiểm nhất là vùng xảy ra nhiều sét để tính Ta lấy giá trị

N = 248,427 lần/100km.năm là tổng số lần sét đánh vào đường dây

N dd : Số lần sét đánh vào dây dẫn

Nđc : Số lần sét đánh vào đỉnh cột

N kv : Số lần sét đánh vào khoảng vượt

- Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn

Dây dẫn pha A có góc bảo vệ lớn nhất nên khả năng bị sét đánh vào là lớn nhất, ta chọn pha A để tính toán

Nên N dd = N.V α = 248,427.3223.10 -3 = 0,801 (lần/100km.năm)

- Số lần sét đánh vào đỉnh cột và khoảng vượt

4.3.3 Tính suất cắt đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn

Hình 4.6Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn

Số lần cắt của đường dây được xác định theo công thức :

V pđ là xác suất phóng điện được xác định như sau:

U 50% 40kV là trị số điện áp xung kích bé nhất của chuỗi cách điện

Z dd = Z ddA = 477,846Ω là tổng trở sóng của dây bị sét đánh (dây dẫn pha A)

  η xác suất hình thành hồ quang f(E lv ) xác định như sau: lv lv pd

U U   kV l pđ : chiều dài phóng điện, lấy bằng chiều dài chuỗi sứ, lpđ = l cs = 2,04m

Từ bảng 4.1 ta có đồ thị biểu diễn mối quan hệ η = f(Elv) như sau:

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ  = f (E lv )

Từ đồ thị ứng với E lv = 62,263kV/m dóng lên ta được: = 0,72

Vậy số lần cắt của đường dây trong 1 năm là: n cđ(dd) = 0,801.0,694.0,72 = 0,400(lần.năm/100km)

4.3.4 Tính suất cắt đường dây khi sét đánh vào khoảng vượt

Trong hệ thống dây chống sét đặt trên khoảng vượt, khi sét đánh vào dây, ta giả thiết đơn giản rằng sét tác động vào chính giữa của khoảng vượt và dòng điện sét được phân chia thành hai nhánh chạy về hai phía, như hình vẽ ở trên.

Hình 4.8 Sét đánh vào khoảng vượt

Lấy với dạng sóng góc xiên Lúc này trên dây chống sét và mỗi cột sẽ có dòng điện là

Hình 4.9 Dạng sóng tính toán của dòng điện sét

Ta có phương trình của dòng điện sét dạng xiên góc: i s = at nếu t  ds i s = I nếu t > ds

Ta sẽ tính toán cho các giá trị:

 Độ dốc đầu súng: a = 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 (kA/às)

 Tại cỏc thời điểm: t = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 (às)

Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt được tính theo công thức: n cđ (kv) = N kv V pđ  (lần/100km.năm) (4.14)

Trong đó: - N kv : số lần sét đánh vào khoảng vượt, N kv = 124,214

- : xác suất hình thành hồ quang, η = 0,72

- V pđ : xác suất phóng điện

Khi đường dây tải điện bị sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét, sẽ sinh ra các điện áp tác động lên hệ thống cách điện Cụ thể, có điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét, và có điện áp tác dụng lên cách điện của chuỗi sứ.

Nếu các điện áp này đủ lớn thì sẽ gây ra phóng điện sét trên cách điện làm cắt điện trên đường dây

Suất cắt điện xảy ra khi quá điện áp tác động lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét Ta xét với pha B hoặc pha C vì hệ số ngẫu hợp của hai pha này nhỏ hơn của pha A.

Với K vq : hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét có kể đến vầng quang a: độ dốc dòng điện sét l: khoảng vượt của đường dây

Trong thiết kế và thi công đường dây, khoảng cách giữa các dây được bố trí đủ lớn để ngăn ngừa phóng điện; nhờ khoảng cách này, khả năng hình thành hồ quang là rất nhỏ và suất cắt trong trường hợp này có thể bỏ qua.

Suất cắt điện do quá điện áp tác dụng lên chuỗi sứ Khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét, điện áp tác dụng lên chuỗi sứ tăng đột ngột và đạt giá trị U_t, gây quá tải và có thể dẫn tới ngắt điện Các tham số lv, c, cd, t xác định mức chịu đựng và thời gian đáp ứng của chuỗi sứ, từ đó ảnh hưởng tới hiệu quả bảo vệ và mức độ cắt điện của hệ thống Việc xác định đúng điện áp tác động lên chuỗi sứ, cụ thể là U_t, giúp thiết kế hệ thống chống sét và lựa chọn chuỗi sứ phù hợp với đặc tính của mạng lưới điện, đảm bảo an toàn và ổn định cung cấp điện.

U ( )  ( )  (4.16) Trong đó: U lv là điện áp làm việc dm lv U t dt U

U c (t): điện áp tại đỉnh cột

    (4.17) Với dạng sóng xiên góc xét với thời gian t  ds thì i s = at, vậy ta có:

R c : Điện trở nối đất của cột, R c = 10Ω

L 0 = 0,6 àH/m là điện cảm đơn vị của thõn cột h c = 33m là độ cao của cột

K_vq là hệ số ngẫu hợp được xem xét và ảnh hưởng của vầng quang dây pha với dây chống sét được đưa vào tính toán Cụ thể, K_vqB = K_vqC = 0,196 và nhỏ hơn K_vqA = 0,265, nên ta chọn pha B hoặc pha C để thực hiện tính toán K_vq = 0,196.

Vậy ta có Ucđ(t) là:

U cd t  a t  kV (4.19) Thay các giá trị của a và R c vào trong công thức trên ta được các bảng số liệu tương ứng

Ta có bảng đặc tính V-S của chuỗi sứ sử dụng như sau:

Bảng 4.2 Đặc tính V-S của chuỗi sứ t(às) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Bảng 4.3 Giá trị U cđ (a,t) tác dụng lên chuỗi sứ với R c Ω a t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Từ bảng số liệu trên kết hợp với đường đặc tính V-S của chuỗi sứ, ta vẽ được đồ thị sau:

Hình 4.10 Đồ thị U cđ (a,t) với R c = 10Ω

Từ đồ thị trên ta xác định được các cặp thông số (a i , t i ) là giao của đường cong

Trong phân tích điều kiện U_cđ(a,t) cùng với đường đặc tính V-S, ta dựa vào các cặp tham số này để xác định đường cong nguy hiểm I = f(a) Từ đường cong I = f(a) ta xác định được miền nguy hiểm và ước lượng xác suất phóng điện, nhằm hỗ trợ đánh giá rủi ro và tối ưu hóa thiết kế cũng như vận hành hệ thống.

Kết quả cho ở bảng sau:

Bảng 4.4 Các cặp thông số (a i ,I i ), với R c = 10Ω a(kA/às) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t(às) 39,453 16,746 8,125 6,125 5,250 4,750 4,125 3,875 3,375 3,250

Từ các giá trị ở trên ta xác định được đường cong thông số nguy hiểm:

Hình 4.11 Đường cong nguy hiểm, với R c = 10Ω

Xác suất phóng điện V pđ là xác suất mà cặp thông số (a, I) của phóng điện sét thuộc miền nguy hiểm và được tính như sau:

Ta có bảng kết quả sau:

Bảng 4.5 Kết quả tính toán xác suất phóng điện với R c Ω a (kA/às) I (kA) VIi (10 -4 ) Va(10 -2 ) ∆Vai(10 -2 ) ∆Vpđ(10 -6 )

Vậy xác suất phóng điện: n

Ta được suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt trong trường hợp R c = 10Ω là: n cđ(kv) = 124,214.5,2968.10 -6 0,72 = 4,737.10 -4 lần/100km.năm

4.3.5 Tính suất cắt đường dây do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột Để đơn giản và dễ tính toán ta giả thiết sét chỉ đánh vào đỉnh cột điện, khi đó phần lớn dòng điện sét sẽ đi vào nối đất cột điện, phần nhỏ còn lại sẽ đi theo dây chống sét vào các bộ phận nối đất của các cột lân cận như hình vẽ

Hình 4.12 Sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột

Trong trường hợp này, ta phải tính suất cắt cho pha có điện áp đặt lên cách điện lớn nhất, Ucđ(t) max, vì pha này có xác suất phóng điện lớn nhất Do đó, ta phải tiến hành tính toán điện áp đặt lên cách điện đối với từng pha.

U cđ (t) được xác định theo công thức sau:

Theo công thức trên điện áp xuất hiện trên cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột bao gồm:

- Thành phần điện áp giáng trên cột: dt

- R c : điện trở nối đất của cột điện

- i c : dòng điện sét đi vào thân cột tới bộ phận nối đất

- L dd c : trị số điện cảm của cột điện tính từ mặt đất tới mức treo dây dẫn: dd

Với: + L 0 : điện cảm đơn vị thân cột: L 0 = 0,6H/m

 h dd : độ treo cao dây dẫn ở cột (m)

- Thành phần điện áp cảm ứng từ xuất hiện do hỗ cảm của dây dẫn và kênh sét gây ra:

- M dd (t): hỗ cảm giữa mạch khe phóng điện sét với mạch dây dẫn

Trong mạch vòng giữa dây dẫn và đất, trị số hỗ cảm là hàm của thời gian và phụ thuộc vào chiều dài khe sét; khi khe sét tăng lên cùng với sự phát triển của phóng điện ngược, giá trị hỗ cảm thay đổi theo nhịp thời gian và ảnh hưởng tới đáp ứng của hệ thống Hiểu được mối quan hệ này giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống chống sét, cải thiện an toàn truyền tải và bảo vệ thiết bị trước tác động của phóng điện ngược.

Với: + h c : độ cao của cột điện (m)

 C: vận tốc truyền sóng trong không khí: C = 300m/μs

 :hệ số vận tốc của dòng sét, lấy = 0,3

 v: tốc độ phát triển của phóng điện ngược của khe sét: v = β.C = 0,3.300 = 90m/μs

Trong hiện tượng sét đánh vào cột, tốc độ biến thiên của dòng điện sét trong cột phụ thuộc vào sự xuất hiện và tương tác của sóng phản xạ từ các cột lân cận Sự biến thiên này thay đổi trước và sau khi có sóng phản xạ, cho thấy tác động của phản xạ lên biên độ và thời gian của dòng điện sét Khi phân tích với dạng sóng xiên góc i_s = a t, ta có thể tính được mối quan hệ giữa thời gian và cường độ dòng điện bằng cách tính dt/di_s, từ đó dự báo đặc tính dòng sét và thiết kế hệ thống bảo vệ cột điện hiệu quả hơn Các mô hình này cho phép mô phỏng sự truyền và phản xạ của sóng sét trên cột, hỗ trợ tối ưu hóa vị trí và tham số của thiết bị chống sét và kết cấu cột.

= a(kA/μs): độ dốc của sóng sét

- Thành phần điện cảm của điện áp cảm ứng gây ra bởi điện trường của khe hở phóng điện sét:

1 nói lên rằng U cu d (t ) giảm do tác dụng của dây chống sét

- K vq : hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét khi có xét đến ảnh hưởng của vầng quang

- Thành phần điện áp do dòng điện đi trong dây chống sét gây ra:

Thành phần này làm giảm điện áp trên cách điện và điều chỉnh mối quan hệ điện áp giữa dây dẫn và dây chống sét thông qua hệ số ngẫu hợp K, trong đó đã tính đến ảnh hưởng của hiện tượng vầng quang Việc tối ưu hệ số K giúp phân bố điện áp đều hơn, giảm áp lực lên lớp cách điện và tăng hiệu quả bảo vệ chống sét cho hệ thống.

( ) U ( ) K ( c c cs c ( )) dcs vq cs vq c cs

- a.M cs (t): điện áp do hỗ cảm giữa khe sét với dây chống sét - đất: a.M cs (t) = M cs (t) dt di s

M_cs(t) đại diện cho hệ số hỗ cảm giữa mạch khe sét và mạch dây chống sét - đất Hỗ cảm này biến thiên theo sự phát triển của hệ thống cũng như theo thời gian, chịu ảnh hưởng bởi cấu hình mạng, độ dài đường dẫn, tình trạng tiếp đất và các điều kiện môi trường Do đó, khi thiết kế và phân tích hệ thống chống sét, cần lưu ý sự biến thiên của M_cs(t để đảm bảo đáp ứng của hệ thống và độ tin cậy của công tác bảo vệ.

- Thành phần điện áp làm việc:

Ta lần lượt tính các thành phần của các pha Để xác định điện áp cho từng pha, ta cần tính dòng điện vào ic(t) và thành phần biến thiên của dòng điện theo thời gian di/dt Khi tính toán dòng điện này, ta có thể dựa vào sơ đồ tương đương của mạch dẫn điện sét trong hai trường hợp.

- Khi chưa có sóng phản xạ từ cột bên cạnh về 2.l kv t c

Hình 4.13 Sơ đồ thay thế mạch khi chưa có sóng phản xạ

L c : là điện cảm của cột L cs c  L h 0 c

R c : là điện trở nối đất của cột vq

Z cs : tổng trở sóng dây chống sét có kể đến ảnh hưởng của vầng quang

Trong sơ đồ thay thế, dòng điện sét được coi như một nguồn dòng tương đương, nhằm đơn giản hóa phân tích đáp ứng của hệ thống khi có sét Dây chống sét được mô hình hóa bằng tổng trở của nó, và tổng trở này được tính toán có xét đến ảnh hưởng của vầng quang (hiện tượng corona) quanh dây dẫn để phản ánh đúng đặc tính điện từ và sự lan truyền của xung sét Việc tích hợp nguồn dòng và tổng trở có xét đến vầng quang cho phép dự đoán chính xác hơn sự tác động của sét lên hệ thống và từ đó phục vụ thiết kế chống sét hiệu quả.

Thành phần từ của điện áp cảm ứng được coi như một nguồn áp Từ sơ đồ trên ta tính được dòng điện trong cột:

2. vq vq cs c vq cs cs cs c

2 vq c cs vq cs c di a Z dt  Z R

- Khi có sóng phản xạ từ cột bên cạnh về 2 l kv t  c

Hình 4.14 Sơ đồ thay thế mạch khi có sóng phản xạ

Với L cs là điện cảm của một khoảng vượt của dây chống sét không kể ảnh hưởng vầng quang:

Z cs :Tổng trở sóng chống sét khi không xét đến ảnh hưởng vầng quang

Từ sơ đồ trên ta tính được:

 (4.34) Để so sánh giá trị Ucđ(a,t) giữa các pha, ta tiến hành so sánh với một giá trị cụ thể như sau: a = 10 kA/às và t = 3 às, với giỏ trị R c = 10 Ω

* Điện áp đặt lên cách điện pha A

Ta có thông số của pha A như sau:

Từ các thông số trên ta tính được các giá trị của các thành phần điện áp như sau:

Định dạng
Số trang	137
Dung lượng	3,93 MB
File đính kèm	cao áp.rar (3 MB)