Bài tập kỹ thuật cao áp thiết kế chống sét cho công trình

Bài toán tính toán thiết kế chống sét cho công trình Đề bài yêu cầu như sau Tòa nhà có diện tích S=1600 m2 Chiều cao tòa nhà l= 40m Được cho như hình vẽ Nhìn từ trên xuống 1 Lựa chọn phương thức bảo vệ Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét Ta có rx =1,5 ( h 1,25 hx ) với hx và h Để làm cho hệ thống chống sét gon nhẹ ta dung hệ thống gồm nhiều cột thu sét kết hợp với nhau để xác định vùng bảo vệ của hệ thống nhiều cột thu sét ta xác định vùng bảo vệ của từng đôi cột sau đó xếp chồng chúng lên nhau Cụ.

Bài toán tính toán thiết kế chống sét cho công trình

Đề bài yêu cầu như sau:

Tòa nhà có diện tích: S=1600 m2

Chiều cao tòa nhà: l= 40m

Được cho như hình vẽ

40

40Nhìn từ trên xuống

1. Lựa chọn phương thức bảo vệ

Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét:

Ta có rx =1,5 ( h - 1,25 hx ) với hx và h

Để làm cho hệ thống chống sét gon nhẹ ta dung hệ thống gồm nhiều cột thu sét kết hợp với nhau.để xác định vùng bảo vệ của hệ thống nhiều cột thu sét ta xác định vùng bảo vệ của từng đôi cột sau đó xếp chồng chúng lên nhau

Cụ thể vùng bảo vệ của tửng đôi cột được tính toán như sau:

+ Xác định giới hạn phạm vi bào vệ bằng cách dùng 1 đoạn đường cong bảo nối

2 đỉnh của cột L/2 có chiều cao bằng h0

Và chiều rộng bx được xác định như sau:

bx=1,5 ( h0 - 1,25hx )

áp dụng vào bài toán này ta sử dụng 4 cột thu sét được bố trí như hình vẽ gồm các cột N1 , N2, N3 và N4

+ Tính toán chiều cao các cột:

Chọn sơ bộ chiều cao các cột thu set là 6 m

Ta có vùng bảo vệ rx của từng cột là

Trong đó hx=0 vì cột được đặt trên sân thượng của tòa nhà

=> r x= 1,5 6 = 9 m

Vì chiều cao mỗi cột bằng nhau nên bán kính bảo vệ của mỗi cột cũng bằng nhau+Tính toán vùng bảo vệ của 2 cột thu sét

Sau đó ta có vùng bảo vệ của hệ thống cột thu sét như hình vẽ

Như vậy vùng bảo vệ đã đủ che kín hết phần nhà cần bảo vệ

Công trình được bảo vệ hoàn toàn

2.Thiết kế kim thu sét

Sét đánh thẳng vào đầu kim thu sét, nên đầu kim thu sét phải đảm bảo độ bền trong quá trình sử dụng

Đầu kim thu sét được làm bằng thép cán với các tiết diện khác nhau Trong điều kiện không khí có hoạt tính hóa học an mòn thép nhanh, có thể dùng kim lại màu

Toàn bộ chiều dài thanh nối cho ở hình vẽ

Điện trở nối đất xác định theo công thức Ω

Điện trở nối dất của các cọc

Số lượng cọc nối đất được xác định theo công thức

TIỂU LUẬN BÀI TẬP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Bài 1: Thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho một công trình điện hoặc xây dựng Số cọc chống sét >10

Bài làm Bài 1: Thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho trạm biến áp 220/110kV

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người tadùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng cuả hệ thống này là tập trungđiện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực

an toàn bên dưới hệ thống này

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sétvào hệ nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đấtcủa bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo saocho khi có dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn

để gây phóng điện ngược đến các thiết bị khác gần đó

Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm tacần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo về yêu cầu

về kỹ thuật, mỹ thuật

1.2 Yêu cầu kĩ thuật đối với hệ thống thu sét:

+ Công trình cần bảo vệ an toàn phải được nằm gọn trong phạm vi bảo vệcủa hệ thống thu sét.Hệ thống này có thể đặt ngay trên bản thân công trình hoặcđặt cách ly tùy thuộc vào hoàn cảnh và điều kiện 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 lôi Nhưng mức cách điện của trạmphải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sangthiết bị Vì đặt kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét,dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phầnđiện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệthống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện không

đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm làmức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ

Đối với trạm phân phối có điện áp từ 110kV trở lên có mức cách điện khá cao (cụthể khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) do đó có thể đặtcác cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôithì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòngđiện sét khuyếch tán vào đất theo 3 đến 4 cọc nối đất, mặt khác mỗi trụ phải cónối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất

Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời điện áp từ 110kV trở lên là cuộndây máy biến áp vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầukhoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thốngnối đất của vỏ máy biến áp là phải lớn hơn 15m theo đường điện

+Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn địnhnhiệt khi có dòng điện sét chạy qua.Để chống ăn mòn phần dẫn điện cần phải sơnhoặc tráng kẽm và không nên dùng loại dây xoắn.Các mối nối dọc theo mạchđiện của hệ thống thu sét phải đảm bảo có tiếp xúc tốt ,nếu không tại các nơi này

có thể quá nóng hoặc có phóng điện tia lửa

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điệnphải được cho vào ống chì và chôn trong đất

1.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và bố trí cột thu sét

Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thu hútphóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫndòng điện sét xuống đất

Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào một điểmđịnh sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào trên công trình Cộtthu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vật cần bảovệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ

1.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi phương trình:

( Với D là đường kính ngoại tiếp vòng tròn đa giác tạo bởi các chân cột)

rx: bán kính của phạm vi bảo vệ

Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo

vệ dạng dạng đơn giản hoá đường sinh của hình chóp có dạng đường gẫy khúc như hình sau:

0,2h

0,75h

1,5h

R

Hình 1.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.

Bán kính được tính toán theo công thức sau:

Nếu

x

2 h

hiệu chỉnh h

5 , 5

và trên hình vẽ dùng hoành độ 0,75h.p và 1,5h.p

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu sét thì lớn hơn tổng phạm vi bảo

vệ các cột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì

khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a ≤ 7h (trong đó h là độ cao của cột thusét)

1.3.2 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét

a Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao.

Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai đỉnh cột và điểm có độ cao h0 - phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột được xác định theo công thức:

0

7

a

h = −h

h 0,2h

Hình 1.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao giống nhau.

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột

là r0x và được xác định như sau:

Nếu

0

2 3

Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo vệ được xác định như sau:

Vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao (cột 1) có độ cao h1 và cột thấp (cột 2) có độ cao h2 riêng rẽ Qua đỉnh cột thấp (cột 2) vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của một cột thu sét giả định Cột 2 và cột 3 hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau và bằng h2với khoảng cách a’ Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h2 Điểm này được xem như đỉnh của một cột thu sét giả định Ta xác định được các khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h2 là a’ và x như sau:

h ≤ h

thì

2 1

h > h

thì

2 1

Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau h2

c Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột thu sét ( số cột > 2 ).

Khi công trình cần bảo vệ chiếm một diện tích rộng lớn thì người ta thường dùng một hệ thống nhiều cột thu sét để bảo vệ Để xác định phạm vi bảo vệ, ta chia hệ thống cột thu sét thành từng nhóm ba hoặc bốn cột thu sét ở gần nhau Bên ngoài diện tích của đa giác đi qua chân các cột thu sét, phạm vi bảo vệ được xác định như giữa hai cột thu sét với nhau

Hình1.4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ nhật.

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cột thu lôi

Với p là nửa chu vi: 2

Với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật

Chiều cao tác dụng của cột thu sét ha phải thoả mãn điều kiện:

Theo sơ đồ kết cấu của trạm thì ta biết được mặt bằng mà chưa biết cụ thể vịtrí đặt các thiết bị trong trạm Với thông tin này ta chỉ cần bố trí cột chống sét saocho các cột có thể bảo vệ được phần diện tích mặt bằng của trạm với độ cao hX là được.Với hx là chiều cao của trạm cần được bảo vệ

Đối với trạm 220 kV xà cao: 16,5m và 11,5m nên chọn độ cao cần bảo vệ hx

Điện trở suất của đất 80 Ω.m

Với kết cấu của trạm ta có phương án bố trí các cột có khoảng cách giữa các cột như hình vẽ sau

65 16,5 24,6

Chiều cao cần bảo vệ hx = 11 m

Nên chiều cao tối thiểu của cột chống sét là:

22

22

25

25

25

22

Tổn

g

357 m

1.2 Tính toán và vẽ phạm vi bảo vệ của các cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kv cao 25m.

+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 16,5m:

Bán kính bảo vệ của từng cột độc lập phía 220kv là:

) h 8 , 0

h 1 (

h 5 , 1

hx=16,5m là:

) 1 75 , 0

0 0

0

h

h h

Do hX = 16,5 > 2/3h0 = 13,52 nên:

)1.(

.75,0

0 0

0

h

h h

=

16,50,75.19, 4.(1 )

19, 4

−

=2,2( m)Tính toán tương tự với các cặp cột khác ta có bảng sau:

NHÓM CỘT CẠNH NHAU

220kV

Cặp cột Độ cao

cột(m)

a(m)

h0(m)

2/3*h0(m)

r0x(m)

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kv cao 22m.

+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 11m:

h1.(

h5,1

75 , 0

0 0

0

h

h h

hx=11m là:

)1.(

.75,0

0 0

0

h

h h

a(m)

h0(m)

2/3*h0(m)

r0x(m)

Cột 3 có độ cao 26m,bán kính bảo vệ của cột 3 là: r03=6,6 m

Cột 4 có độ cao 20m, bán kính bảo vệ của cột 4 là: r04=12,4 m

Bán kính bảo vệ của cột 3 cho cột 4

h

h h

a’=a-rx=68 – 2,3=65,7mChiều cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa cột 4 và cột giả tưởng

.75,0

0 0

0

h

h h

=

110,75.12,6.(1 )

Qua tính toán cho thấy phương án trên thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đề ra,thỏa mãnđiều kiện bảo vệ cho trạm biến áp

CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP.

2.1 YÊU CẦU KĨ THUẬT KHI NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP.

Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúc với dòngđiện(hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất Nhiệm vụ của nối đất là tản dòngđiện xuống đất để dảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Hệ thống nốiđất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp Tùy theo nhiệm vụ vàhiệu quả mà hệ thống nối đất được chia là ba loại

 Nối đất làm việc

 Nối đất an toàn

 Nối đất chống sét

Nối đất làm việc

Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự là việc bình thường của thiết bị, hoặc một số

bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ làm việc đã được quy định sẵn

+ Nối đất điểm trung tính máy biến áp

+ Hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất

+ Nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dùng trong bù ngangtrên các đường dây cao áp truyền tải điện

Nối đất chống sét.

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi sét đánh vào cột thu lôihay đường dây Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng điện áp do phóng điệnsét gây nên Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa hai điểmbất kỳ trên cột điện và đất Nếu không, mỗi khi co sét đánh vào cột chống sét hoặctrên đường dây, sóng điện áp có khả năng phóng điện ngược tới các thiết bị vàcông trình cần bảo vệ, phá hủy các thiết bị điện và máy biến áp.

Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trong thực

tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ Song hệ thống nối đấtchung phải đảm bảo yêu cầu của thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm đất lớn dovậy yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ

Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tácdụng của nối đất tốt hơn an toàn Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏ thìrất tổn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cả haiđược cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế

Một số yêu cầu kỹ thuật của điện trở nối đất.

Trị số điện trở nối đất của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số điện

áp bược và tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không vượt quá giới hạn cho phép

+ Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điệntrở nối đất phải thỏa mãn : R ≤ 0,5 Ω

+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì:

250( )

tt

R I

+ Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thỏa mãn yêucầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì không cần nối đất nhân tạonữa Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thỏa mãn đối với các thiết bị cao áp

có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất nhân tạo và yêu cầutrị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R ≤ 1 Ω Thực tế dù RTN ≤ 0,5 Ω thì vẫn phảinối đất nhân tạo vì RTN có thể xảy ra biến động như đứt dây chống sét tại khoảngvượt gần trạm

+ Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn cónhư các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chộn trong đất… Việctính toán điện trở tản của các đường ống chon trong đất hoàn toàn giống với điệncực hình tia

+ Vì đất là một trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suấtcủa đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất như các loại muối, axit…chứa trong đất, độ ẩm, nhiệt độ và điều kiện khí hậu Ở Việt Nam khí hậu thay đổitheo từng mùa, độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất của đất cũngbiến đổi trong phạm vi rộng Do vậy trong tính toán thiết kế về nối đất thì trị sốđiện trở của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo

hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn

Công thức hiệ chỉnh như sau:

.

TT do Kmua

ρ = ρ

(2.1)Trong đó: ρTT

là điện trở suất tính toán của đất

của đất phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chộn sâu của điện cực

2.2 CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT.

Điện trở suất đo được của đất ρdo

= 80 Ωm

Điện trở nối đất cột đường dây : Rc = 6 Ω

Dây chống sét sử dụng loại C-70 có điện trở đơn vị là r0 = 2,38 Ω/km

Chiều dài khoảng vượt đường dây:

Phía 220kV: l220 = 250m

Phía 110kV: l110 = 250m

Điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt là:

( ) ( )

3 220 220

3 110 110

: Điện trở nối đất tự nhiện

Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đường dây và cột điện110kV và 220kV tới trạm.

Ta có công thức sau:

1

c TN

c cs

R R

Rcs:là điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt

Rc : là điện trở nối đất của cột điện

 Phía 220 kV

( ).220

c cs

R R

c cs

R R

Ta thấy giá trị điện trở RTN < 0,5Ω đạt yêu cầu về lý thuyết Tuy vậy nối đất

tự nhiên có nhiều thay đổi vì vậy để đảm bảo an toàn ta phải nối đất nhân tạo

b/ Điện trở nối đất nhân tạo.

Nối đất có các hình thức cọc dài 2-3m bằng sắt tròn hay sắt chọn thẳngđứng Thanh dài chon nằm ngang ở độ sâu 0,5 ÷ 0,8 m đặt theo hình tia, mạchvòng hoặc tổ hợp của hai hình thức trên