(Luận văn học viện tài chính) tính toán bảo vệ chống sétcho trạm biến áp 110 220kv và bảo vệ chống sóng truyền vào trạm từ phía đường dây 220kv

Tính toán điện trở tản xoay chiều của các hình thức nối đất thông thường 29... Tính độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở và hệ số ngẫu hợp của 1 Tác dụng của sóng bất kỳ lên điệ

II Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống nối đất chống sét 27

1 Tính toán điện trở tản xoay chiều của các hình thức nối đất thông thường

29

II Các yêu cầu kỹ thuật 45

2 Tính độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở và hệ số ngẫu hợp của

1 Tác dụng của sóng bất kỳ lên điện trở phi tuyến đặt ở cuối đường dây 87

2 Sóng bất kỳ tác dụng lên chống sét van đặt cuối đường dây 89

3 Sóng bất kỳ tác dụng lên điện dung đặt cuối đường dây (phương pháp tiếp

LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng nói chung và điện năng nói riêng luôn đóng một vai trò then chốt trong sự

phát triển của mỗi quốc gia Trong hệ thống điện, tính ổn định và tính liên tục cungcấp điện được đặt lên hàng đầu Tính toán thiết kế chống sét cho trạm biến áp và

đường dây tải điện cũng nhằm thực hiện mục đích ấy, đặc biệt điều đó còn trở nênquan trọng hơn khi nước ta nằm trong vùng có mật độ dông sét cao Sau một thời gian

tìm hiểu và cố gắng em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp với đề tài: “ Tính toán

bảo vệ chống sétcho trạm biến áp 110/220kV và bảo vệ chống sóng truyền vào trạm từ phía đường dây 220kV”.Đồ án của em gồm có bốn chương:

Chương I Tính toán chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 110/220kV Chương II Tính toán và thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp 110/220kV.

Chương III Tính chỉ tiêu chống sét cho đường dây 220kV.

Chương IV Tính toán bảo vệ chống sóng truyền vào trạm từ đường dây

220kV

Với những kiến thức được học, cùng với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các

thầy cô trong bộ môn, đặc biệt của Thầy Phạm Thành Chung em đã hoàn thành bản

đồ án Tuy nhiên, bản đồ án không thể tránh khỏi những sai sót Em mong nhận đượcsự chỉ dẫn của các thầy cô để em hoàn thiện kiến thức phục vụ trong công tác sau khi

ra trường

Hà Nội, ngày 20 tháng 10năm 2016

Sinh viên

Lê Xuân Bộ

Đối với nhà máy điện và các trạm biến áp ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trựctiếp vào thiết bị điện cần phải chú ý bảo vệ các công trình khác như:

- Đoạn dây nối từ xà cuối của trạm ra cột đầu tiên của đường dây

- Đoạn dây dẫn hay thanh dẫn nối máy phát điện và máy biến áp

- Gian máy của các loại nhà máy điện kiểu hở, các thiết bị thu đựng khí Hidrongoài trời, các thiết bị chứa dung dịch điện phân ngoài trời

- Kho dầu, các thùng dầu để ngoài trời, kho xăng

Đối với các công trình dễ cháy nổ thì không những cần bảo vệ chống sét đánhtrực tiếp mà phải đề phòng sự phát sinh tia lửa do điện áp gây nên, vì vậy khi tiến hànhthiết kế bảo vệ đối với phần này cần nghiên cứu thêm qui trình đối với các công trình

dễ cháy nổ

Để bảo vệ sét đánh trực tiếp ở các nhà máy điện và trạm biến áp thường dùngcác cột thu lôi hay dây chống sét Các cột thu lôi có thể được đặt độc lập hoặc trongcác điều kiện cho phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm, nhà máy

Thông thường để giảm vốn đầu tư và cũng là để tận dụng độ cao ở các trạmbiến áp và nhà máy điện người ta cố gắng đặt các cột thu lôi trên các kết cấu trongtrạm, trên các cột đèn pha dùng để chiếu sáng, trên mái nhà … Cột thu lôi độc lậpthường đắt hơn nên chỉ dùng khi không tận dụng được độ cao khác

Nếu đặt cột thu lôi trên các kết cấu của trạm phân phối điện ngoài trời và dùngdây chống sét để bảo vệ cho đoạn dây dẫn nối từ xà cuối của trạm đến cột đầu tiên củađường dây thì chúng sẽ được nối đất chung vào hệ thống nối đất của trạm Vì vậy khisét đánh vào dây thu lôi hay vào dây chống sét thì toàn bộ dòng điện sét sẽ đi vào hệ

thống nối đất của trạm và làm tăng thế của các thiết bị được nối đất chung với hệ thốngnối đất của trạm Độ tăng đó lớn thì có thể gây nên nguy hiểm cho các thiết bị ấy, dovậy chỉ trong điều kiện cho phép mới được đặt cột thu lôi trên các công trình trongtrạm hoặc dùng dây chống sét ở trong trạm

Khi thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và nhà máy điện ngoài các yêucầu kỹ thuật còn phải chú ý đến các mặt kinh tế và mỹ thuật

1 Các yêu cầu kỹ thuật

Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ 110 kV trở lên do có mức cách điệncao nên có thể đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối Các trụ của các kết cấutrên đó có đặt côt thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét Is khuếch tán

pg 4

vào trong đất theo 3 đến 4 thanh cái của hệ thống nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của kếtcấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số của điện trở nối đất.

Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110 kV trở lên phảithực hiện các yêu cầu sau:

+ Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải có

nối đất bổ sung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán khôngđược quá 4Ω (ứng với dòng điện tần số công nghiệp)

+ 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 chiều dài của chuỗi sứ

+ Khi dùng cột thu lôi độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi đếncác bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vật được bảo vệ

+ Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho cột thu lôi phải cho dây dẫnđiện đến đèn vào ống chì và chôn vào trong đất

+ Để đảm bảo về mặt cơ tính và để chống ăn mòn cần phải theo đúng qui địnhvề loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dùng trên mặt đất và dưới đất

Bảng 1.1.Quy định về vật liệu, tiết diện dây dẫn

Loại vật liệu Dây dẫn dòng điện sét

dùng trên mặt đất

Dây dẫn dòng điện sétdùng dưới đất

Dây đồng xoắn Không được dùng Không được dùngThanh nhôm tròn Không được dùng Không được dùng

2.Đặc điểm về kết cấu cột thu lôi

Trong những điều kiện cho phép nên tận dụng các độ cao của các công trìnhtrong trạm như các xà để làm giá đỡ cho cột thu lôi Ví dụ đối với các trạm biến áp 110

kV trở lên thì cột thu lôi thường đặt trên các xà và để nối cột thu lôi với hệ thống nốiđất thì dùng ngay xà ấy nếu là xà sắt hay dùng cốt sắt ở bên trong nếu là cột bê tôngcốt sắt

Đối với cột thu lôi độc lập nếu:

+ Độ cao h của cột thu lôi không quá 20 m thì dùng các ống kim loại ghép lại

+ Độ cao h 20 m dùng loại kết cấu kim loại kiểu mạng làm giá đỡ bộ phận thusét

Nhưng kinh tế nhất là dùng cột thu lôi có giá đỡ bằng gỗ nếu như độ cao h củacột thu lôi không quá 20 m và giá đỡ bằng cột bê tông cốt thép đối với cột thu lôi caoquá 20 m, khi đó nên tận dụng cốt thép của cột làm dây dẫn dòng điện sét từ phần thusét đến hệ thống nối đất Trong trường hợp dùng giá đỡ bằng gỗ phải dùng dây dẫnriêng đặt dọc theo giá đỡ.

Cột thu lôi được thiết kế để làm việc ở trạng thái tự do không được làm việc ở

trạng thái căng Khi chọn tiết diện các phần tử của cột thu lôi dựa trên sự phát nóngcủa chúng và trong trong tính toán có thể bỏ qua sự tản nhiệt ra môi trường xungquanh

Bảng 1.2.Kích thước tiêu chuẩn của một số loại kim thu sét

a Kim bằng thép tròn:

pg 6

Chiều cao có ích ha (mm) Đường kính nhỏ nhất (mm)

b Kim bằng thép ống:

Chiều cao có ích ha (mm) Đường kính nhỏ nhất (mm)

3 Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi

3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập

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

(1-1)Để rễ dàng thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ dạngđơn giản hóa, được tính theo công thức sau:

Hình 1-1.Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập

Chú ý: các công thức trên chỉ đúng khi cột thu lôi cao dưới 30 m Hiệu quả của

cột thu lôi cao quá 30 m có giảm sút do độ cao định hướng của sét giữ hằng số

3.2 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi có cùng độ cao

Khi hai cột thu lôi có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cách a (a < 7h) thì độ

cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu lôi h0 được tính như sau:

Hình 1-2.Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi cùng độ cao

Các phần bên ngoài giống như các trường hợp một cột còn phần bên trong đượcgiới hạn bởi vòng tròn đi qua 3 điểm hai đỉnh cột và điểm ở giữa có độ cao h0, mặt cắt thẳng đứng theo mặt phẳng vuông góc đặt giữa hai cột của phạm vi bảo vệ được vẽ giống như một cột có độ cao h0, từ hai mặt cắt này có thể vẽ được phạm vi bảo vệ của các mức cao khác nhau (hình 1.2)

Khi độ cao vượt quá 30 m cũng có các hiệu chỉnh tương tự như trên và độ cao

h0 cũng được tính theo :

3.3 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi không cùng độ cao

Cách vẽ phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có chiều cao khác nhau được trình bàynhư hình (1-3) Trước tiên ta vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao sau đó qua đỉnh cột thấp

vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm nàyđược xem là đỉnh cột thu sét giả định, nó sẽ cùng với cột thấp hình thành đôi cột có độ

cao bằng nhau với khoảng cách a’

Cột thấp hơn có độ cao h2 và cột cao hơn có độ cao h1

Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu lôi h0 được tính như sau:

pg 8

Khi độ cao vượt qúa 30 m cũng có các hiệu chỉnh tương tự như trên và độ cao

h0 cũng được tính theo :

Vật có độ cao hx nằm trong đa giác sẽ được bảo vệ nếu thỏa mãn điều kiện:

(1-6)Trong đó:

D: là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu lôi

ha: là độ cao hiệu dụng của cột thu lôi, là phần cột vượt cao hơn so với mức cao hx

Ta có mặt bằng bảo vệ của nhóm cột như trang bên

Hình 1-4.Mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở mức cao h x

- Dùng 3 cột thu sét, D được xác định theo công thức :

- Trình tự tiến hành:

+ Xem xét toàn bộ các cột thu lôi ở những vị trí đã chọn

+ Tính độ cao tác dụng ha của các cột : xác định đường kính D vòng tròn ngoạitiếp tam giác qua 3 đỉnh cột (hoặc ngoại tiếp tứ giác) Để cho toàn bộ diện tính giớihạn bởi tam giác (hoặc tứ giác ấy) được bảo vệ thì Lấy chung một độ cao tácdụng lớn nhất cho toàn trạm

+ Tính độ cao h của cột thu lôi:

h = ha + hx ( Với hx : độ cao của vật được bảo vệ)+ Kiểm tra lại khả năng bảo vệ đối với các vật nằm ngoài phạm vi bảo vệ :

- Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi: theocông thức (1-2) hoặc (1-3)

- Tính bán kính khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu lôi: theo các công thức (1-4) hoặc(1-5) và (1-2) hoặc (1-3)

+ Vẽ các khu vực bảo vệ theo kích thước đã tính

+ Kiểm tra lại nếu có vật được bảo vệ nào nằm ngoài khu vực bảo vệ thì cầnphải tăng độ cao cột thu lôi hoặc bố trí thêm cột và tính toán theo trình tự trên

Nếu dùng cột thu lôi độc lập thì phải kiểm tra khoảng cách giữa cột thu lôi đếncác bộ phận của trạm, phải tính khoảng cách trong không khí Sk và khoảng cách trongđất Sd

Để tránh hiện tượng phóng điện từ cột thu lôi sang vật bảo vệ có độ cao l0 thì

yêu cầu Trong đó Vpđ là điện áp phóng điện xung kích của cách điện của vật được bảo vệ Để thực hiện yêu cầu trên thì khoảng cách trong không khí Sk giữa vật

được bảo vệ và cột thu lôi phải: Mặt khác do có dòng điện Is đi vào Rđcủa cột thu lôi cho nên để tránh phóng điện từ hệ thống nối đất của cột đến vật ởtrong đất

thì yêu cầu:

II Phương án bố trí cột thu sét

Trạm biến áp 220/110kV gồm hai phần:

pg 10

Phía 220kV có 4 lộ đường dây với các độ cao cần bảo vệ là 17m và 11m.

Phía 110kV có 7 lộ đường dây với các độ cao cần bảo vệ là 11m và 8m

Hình 1-5.Mặt bằng trạm và bố trí cột phương án 1 1.1 Tính toán các độ cao hiệu dụng

+ Xét nhóm cột (12,13,17,16)

Đây là các hình chữ nhật nên theo (1-5) ta có:

Độ cao hiệu dụng của nhóm cột này là:

+ Xét nhóm cột (8,9,13):

Đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (8,9,13) là:

Độ cao hiệu dụng của nhóm cột này là:

Các nhóm khác được tính tương tự, ta có bảng tổng kết như sau:

Phía 220 kV Nhóm cột Độ dài các cạnh đa

giác

Chiều cao hiệu dụng

(m)

Đường kính D (m)

Đa giác

pg 12

giác (m) (m)

Kết luận:

+ Phía 220 kV:

Từ các tính toán trên ta có:

+ Phía 110 kV:

Từ các tính toán trên ta có:

Vì thế ta chọn cho toàn trạm là 10 mĐộ cao cột thu sét:

1.2 Tính toán phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi

- Phía 220 kV bảo vệ bằng cột thu sét cao 27m và các độ cao cần bảo vệ là 17m và 11m

+ Bán kính bảo vệ ở độ cao hx = 17 m <18 m là:

m+ Bán kính bảo vệ ở độ cao hx = 11 m < 18 m là:

m+ Bán kính bảo vệ ở độ cao hx = 8 m < 18 m là:

+ Bán kính bảo vệ ở độ cao hx =8 m < 14 m là:

m

1.3 Tính toán phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi xung quanh trạm

- Xét cặp cột (11-15) ta có:

h11= h15 = 27 m, a =51 mĐộ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là:

Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là:

+ Độ cao hx = 17m > 13,14 m nên :

Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là:

+ Độ cao hx = 11m >9,19 m nên :

m+ Độ cao hx = 8m < 9,19m nên :

m

pg 14

1.4 Kết quả tính toán cho phương án 1

Bảng kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của từng cột thu sét:

Cấp điện áp Vị trí cột h (m)

L= 92 + 106 = 198 m

- Sơ đồ bảo vệ như hình (1-6)

Hình 1-6.Phạm vi bảo vệ của phương án 1

pg 18

2 Phương án 2

Sơ đồ mặt bằng trạm và cách bố trí cột thu sét như hình (1-7)

Hình 1-7.Mặt bằng trạm và bố trí cột phương án 2

-Phía 110 kV đặt 10 cột thu sét bao gồm 5cột N1, N2, N3, N4,N5, đặt trên xà 11mvà 5 cột N6, N7, N8, N9,N10đặt trên xà 8m

-Phía 220 kV bố trí 12 cột thu sét bao gồm 6cột N11, N14,N15,N16, N17,N18 được đặt trênxà 11m, 6 cột N12 ,N13, N19, N20, N21,N22đặt trên xà 17m

2.1 Tính toán các độ cao hiệu dụng

+ Xét nhóm cột (12,13,17,16)

Nhóm 4 cột này tạo thành một hình chữ nhật, đường kính đường tròn ngoại tiếp hìnhchữ nhật này là độ dài đường chéo của hình chữ nhật.

Độ cao hiệu dụng của nhóm cột này là:

+ Xét nhóm cột (8,9,13):

Nửa chu vi tam giác tạo bởi các cột 5,6,9 là:

Đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (6,9,10) là:

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

Các kết quả còn lại tính tương tự ta có bảng sau

Phía 220 kVNhóm cột Độ dài các cạnh

đa giác

Chiều cao hiệudụng (m)

Đường kính D(m)

Đa giác

pg 20

đa giác Chiều cao hiệudụng (m) Đường kính D(m) Đa giác

Kết luận:

+ Phía 220 kV:

Từ các tính toán trên ta có:

+ Phía 110 kV:

Từ các tính toán trên ta có:

Vì thế ta chọn cho toàn trạm là 8 mĐộ cao cột thu sét:

2.2 Tính toán phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi

- Phía 220 kV bảo vệ bằng cột thu sét cao 25m và các độ cao cần bảo vệ là 17 m và

11m

+ Bán kính bảo vệ ở độ cao hx = 17 m >16,67m là:

m+ Bán kính bảo vệ ở độ cao hx = 11 m < 16,67 m là:

+ Bán kính bảo vệ ở độ cao hx = 8 m < 12,67 m là:

m

2.3 Tính toán phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi xung quanh trạm

- Xét nhóm cột (11,15) ta có:

h11= h15 = 25 m, a = 34 mĐộ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là:

Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là:

+ Độ cao hx = 17m > 13,43 m nên:

m+ Độ cao hx =11m < 13,43 m nên:

Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là:

+ Độ cao hx = 11m > 8,81 m nên :

m+ Độ cao hx = 8m < 8,81 m nên :

m

2.4 Kết quả tính toán cho phương án 2

- Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của từng cột thu sét

pg 22

Cấp điện áp

Phạm vi bảo vệ của phương án 2 cho trên hình (1-8)

Hình 1-8.Phạm vi bảo vệ của phương án 2

pg 24

Như vậy tổng chiều dài kim thu sét là : L = 95+132 = 227 m

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 110/220kV

I Mở đầu

Trong hệ thống điện tác dụng của điện trở nối đất là để tản dòng điện xuốngđất, đảm bảo điện thế trên các vật nối đất nhỏ Trong HTĐ có 3 loại nối đất:

- Nối đất an toàn

- Nối đất làm việc

- Nối đất chống sét

1 Nối đất an toàn

Nối đất an toàn có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện của thiếtbị bị hư hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loạibình thường không mang điện (vỏ máy, thùng máy biến áp, các giá đỡ kim loại …)

Khi cách điện bị hư hỏng trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế nhưng do đã đượcnối đất nên mức điện thế thấp, do đó đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc vớichúng

2 Nối đất làm việc

Nối đất làm việc có nhiệm vụ đảm bảo sự làm việc bình thưòng của thiết bị

hoặc một số bộ phận của thiết bị làm việc theo chế độ đã được quy định sẵn Loại nốiđất này bao gồm: nối đất điểm trung tính MBA trong HTĐ có điểm trung tính nối đất,nối đất của MBA đo lường và của các kháng điện bù ngang trên các đường đây tảiđiện đi xa

3 Nối đất chống sét

Nhiệm vụ của nối đất chống sét là tản dòng điện sét trong đất (khi có sét đánhvào cột thu sét hoặc trên đường đây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cộtkhông quá lớn …do đó hạn chế được các phóng điện ngược trên các công trình cầnbảo vệ

II Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống nối đất chống sét

1) Bộ phận nối đất có trị số điện trở tản càng bé càng tốt Tuy nhiên việc giảmthấp điện trở tản đòi hỏi phải tốn nhiều kim loại và khối lượng thi công Do đó việcxác định tiêu chuẩn nối đất và lựa chọn phương án nối đất phải sao cho hợp lý về mặtkinh tế và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật

Theo quy trình hiện hành tiêu chuẩn nối đất được quy định như sau :

- Đối với thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất (dòng ngắn mạchchạm đất lớn ) trị số điện trở nối đất cho phép R 0,5

- Đối với thiết bị điện có điểm trung tính cách điện (dòng ngắn mạch chạm đấtbé) thì :

:Nếu chỉ dùng cho các thiết bị cao áp

:Nếu dùng cho cả cao áp và hạ áp

pg 26

Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, nối đất làm việc và nối đất an toàn ở

các cấp điện áp khác thường được nối thành hệ thống chung Khi nối thành hệ thốngchung phải đạt được yêu cầu của loại nối đất nào có trỉ số điện trở nối đất cho phép bé

nhất

Khi thực hiện nối đất, cần tận dụng các hình thức nối đất có sẵn ví dụ như cácđường ống và các kết cấu kim loại của công trình chôn trong đất, móng bê tông cốtthép…Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất hoàn toàn giốngvới điện cực hình tia nhưng do tác dụng của điện cảm nên độ dài điện của điện cựckhông nên lấy quá 11m

Với các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì phải đặt thêm nối đất nhântạo với trị số điện trở tản không quá 1

2) Nối đất chống sét thông thường là nối đất của cột thu sét, cột điện và nối đấtcủa hệ thống thu sét ở trạm biến áp và nhà máy điện

Do bộ phận nối đất của cột thu sét và cột điện thường bố trí độc lập (không có

liên hệ với bộ phận khác) nên cần sử dụng hình thức nối đất tập trung để có hiệu quả tản dòng điện tốt nhất Hiện nay tiêu chuẩn nối đất cột điện được quyđịnh theo điện trở suất của đất và cho ở bảng (2-1)

Bảng 2-1.Trị số quy định của điện trở nối đất ở tần số công nghiệp

Khi đường dây đi qua các vùng đất ẩm ( 3.104 cm) nên tận dụng phần nối đất có

sẵn của móng và chân cột bê tông để bổ sung hoặc thay thế cho phần nối đất nhân tạo

Đối với nối đất của hệ thống thu sét ở các trạm biến áp khi bộ phận thu sét đặt ngaytrên xà trạm thì phần nối đất chống sét buộc phải nối chung với mạch vòng nối đất antoàn của trạm Lúc này sẽ xuất hiện nối đất phân bố dài làm Zxk lớn làm tăng điện ápgiáng gây phóng điện trong đất Do đó việc nối đất chung này chỉ thực hiện được vớicác trạm biến áp có cấp điện áp không nhỏ hơn110kV Ngoài ra còn phải tiến hànhmột số biện pháp bổ sung như ở các chỗ đi vào đất của hệ thống thu sét đóng thêmcọc, không đặt bộ phận thu sét trên xà máy biến áp, khoảng cách theo mạch dẫn điệntrong đất từ chỗ nối đất của máy biến áp tới chỗ nối đất của hệ thống thu sét phải từ

15m trở lên

III Lý thuyết tính toán nối đất

1 Tính toán điện trở tản xoay chiều của các hình thức nối đất thông thường

Trong thực tế nối đất thường dùng các hình thức cọc dài (2-3)m bằng sắt trònhay sắt góc chôn thẳng đứng hay thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu (0,5 - 0,8)m đặttheo hình tia hoặc mạch vòng và hình thức tổ hợp của các hình thức trên Trị số điệntrở tản của hình thức nối đất cọc được xác định theo các công thức đã cho trước

Đối với thanh nối đất chôn nằm ngang có thể dùng công thức chung để tính trị

số điện trở tản xoay chiều :

(2-1)Trong đó:

L: chiều dài tổng của điện cực

d : đường kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn Nếu dùng sắt dẹt trị số d

thay bằng (b - chiều rộng của sắt dẹt )

t : độ chôn sâuK: hệ số phụ thuộc vào sơ đồ nối đấtKhi hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu

vi mạch vòng, điện trở tản của hệ thống được tính theo công thức

(2-2)Trong đó :

Rc : điện trở tản của một cọc

Rt : điện trở tản của tia hoặc của mạch vòng

n : số cọc : hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng : hệ số sử dụng của cọc

2 Tính toán nối đất chống sét

Ở đây phải đề cập tới cả hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tảntrong 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 ngắn (nối đất tập trung) thì không cần xét quá trình quá

độ mà chỉ cần xét quá trình phóng điện trong đất Ngược lại, khi nối đất dùng hìnhthức phân bố dài (tia dài hoặc mạch vòng) đồng thời phải xem xét đến cả hai quá trình,chúng có hiệu quả khác nhau đối với hệ thống nối đất

2.1 Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung:

Qua nghiên cứu và tính toán người ta thấy rằng điện trở tản xung kích khôngphụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực mà nó được quy định bởi biên độ

pg 28

dòng điện I, điện trở suất và đặc tính xung kích của đất Vì trị số điện trở tản xoaychiều của nối đất tỉ lệ với nên hệ số xung kích có trị số là :

hoặc ở dạng tổng quát: f(I )

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

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

Hình 2-1.Sơ đồ đẳng trị của nối đất

Trong mọi trường hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng R vì nó bé so với trị

số điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét đến phần điện dung C vì ngay cả trongtrường hợp sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện qua điện trở

tản Sơ đồ đẳng trị lúc này có dạng :

Hình 2-2 Sơ đồ thay thế của nối đất

Trong sơ đồ thay thế trên thì:

L: là điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài, được tính:

L = 0,2.[ln(l/r)-0,31] ( H/m) (2-3)Trong đó :

l: là chiều dài cực r: là bán kính cực với r = b/4G: là điện dẫn của điện cực theo đơn vị dài

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

Z (x,t)=

Trong đó U(x,t), I(x,t) là dòng điện và điện áp xác định từ hệ phương trình viphân:

Giải hệ phương trình này ta được điện áp tại điểm bất kỳ và tại thời điểm t trênđiện cực:

(2-4)Từ đó ta suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất:

(2-5)

;

2.3.Tính toán nối đất phân bố dài khi có xét quá trình phóng điện trong đất

Việc giảm điện áp và cả mật độ dòng điện ở các phần xa của điện cực làm cho quá

trình phóng điện trong đất ở các nơi này có yếu hơn so với đầu vào của nối đất Do đó

điện dẫn của nối đất (trong sơ đồ đẳng trị) không những chỉ phụ thuộc vào I, mà cònphụ thuộc vào toạ độ Việc tính toán tổng trở sẽ rất phức tạp và chỉ có thể giải bằngphương pháp gần đúng Ở đây trong phạm vi của đề tài ta có thể bỏ qua quá trìnhphóng điện trong đất

IV Trình tự tính toán nối đất

1 Nối đất an toàn

Cho phép sử dụng nối đất an toàn và nối đất làm việc thành một hệ thốngĐiện trở nối đất của hệ thống được tính theo công thức sau:

(2-6)Trong đó: RTN : điện trở nối đất tự nhiên

RNT : điện trở nối đất nhân tạo

RNT ≤ 1Ω

1.1.Nối đất tự nhiên

Trong phạm vi của đề tài ta chỉ xét nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sétđường dây và cột điện 110kV và 220kV tới trạm

pg 30

Ta có công thức tính toán như sau:

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

Rc : điện trở nối đất của cột điện+ Tính Rcs:

Dây chống sét ta sử dụng loại C-70 có ro =2,38 ( treo 2 dây chống sét)Có 4 lộ đường dây 220 kV, khoảng vượt m

Có 7 lộ đường dây 110 kV, khoảng vượt mĐiện trở nối đất của cột điện là

Giả thiết khoảng vượt của các đường dây cùng cấp điện áp và khoảng vượt củacác khoảng cột trong cùng đường dây là bằng nhau, ta có:

ΩΩ

Điện trở nối đất tự nhiên của 4 lộ đường dây 220 kV:

ΩĐiện trở nối đất tự nhiên của 7 lộ đường dây 110 kV:

ΩĐiện trở nối đất tự nhiên của hệ thống nối đất của trạm:

ΩNhận xét:

RTN = 0284Ω< 0,5 Ω nên ta lấy trị số này là trị số điện trở của hệ thống nối đất

an toàn Song nối đất tự nhiên có thể xảy ra biến động, chính vì vậy ta cần phải nối đấtnhân tạo với

1.2.Nối đất nhân tạo

Nối đất nhân tạo trong phạm vi đồ án này ta dùng là nối đất dạng mạch vòngxung quanh trạm Mạch vòng được thiết kế cách tường 1m

Hình 2-3.Mạch vòng nối đất

Chu vi của mạch vòng:

mĐiện trở tản xoay chiều của mạch vòng:

(2-8)Trong đó: L: là chiều dài tổng của điện cực (chu vi của mạch vòng)

h: độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng, lấy h = 0,8 m

: điện trở suất tính toán của đất , lấy hệ số mùa với độ chôn sâu 0,8 m (Với kmùa = 1,6)

.cm d: đường kính của thanh làm mạch vòng (nếu thanh là thanh dẹt có bề rộng b thì d = b/2)

pg 32

Ta chọn thanh có bề rộng b = 4 cm, do đó d = 2 cm.

K: là hệ số hình dáng phụ thuộc vào tỉ số

Giá trị K=f( ) được cho trong bảng:

Bảng 2-2.Bảng giá trị của K

Vậy hệ thống nối đất an toàn được đảm bảo

Tuy nhiên cần kiểm tra thêm về điều kiện nối đất chống sét, nếu như đó đảm bảo về

điều kiện nối đất chống sét thì không cần phải tiến hành nối đất bổ sung, nếu khôngđảm bảo yêu cầu của nối đất chống sét thì cần phải tiến hành nối đất bổ sung

2 Nối đất chống sét

Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất và tốc độ biến thiên của dòng điện sét theothời gian rất lớn trong thời gian đầu điện cảm của khu vực nối đất rất lớn sẽ ngăn cảnkhông cho dòng điện sét đi tới phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố

không đều Trong thời gian về sau ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp phânbố đều hơn

Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian Như vậy T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng ( ) và điện dẫn tổng ( ) của điện cực

Từ công thức trên ta thấy rằng khi dòng tản trong đất là dòng điện một chiều hoặcdòng điện xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh hưởng của L là không đáng kể và bất

kỳ hình thức nối đất nào (thẳng đứng hay nằm ngang) cũng đều biểu thị trị số điện trở

Nếu điện cực dài, l lớn, hằng số thời gian lớn có thể đạt đến đs và tại thời điểm dòngđiện sét đạt tới trị số cực đại, quá trình quá độ chưa kết thúc, nối đất thể hiện như mộttổng trở Z và có trị số rất lớn so với trị số điện trở tản Trường hợp này gọi là nối đấtphân bố dài

Trong hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm thì hệ thống nối đất chống sét được nốichung với mạch vòng nối đất an toàn, tạo thành một hệ thống nối đất chung (chỉ ápdụng cho trạm có cấp điện áp lớn hơn 110 kV) Do vậy nối đất chống sét là nối đấtphân bố dài Khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất, tổng trở xung kích Zxk có thể

lớn gấp nhiều lần so với điện trở nối đất an toàn và điện áp trên các bộ phận nối đất có

thể cao dẫn đến phóng điện ngược tới các thiết bị điện của trạm Do đó ta phải tínhtoán kiểm tra yêu cầu của nối đất chống sét khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nốiđất

- Điều kiện kiểm tra

Đối với trạm biến áp 110/220kV khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất thì

dòng điện sét I đi vào phải thỏa mãn điều kiện:

<U50%MBA (2-9)Trong đó:

I :là biên độ dòng điện sét

Zxk(0,t):là tổng trở xung kích đầu vào của hệ thống nối đất

U50%MBA:là trị số phóng điện xung kích của máy biến áp

Đối với phía 110 kV thì U50%MBA = 460 kV

pg 34

Đối với phía 220 kV thì U50%MBA = 900 kV.

Như vậy điều kiện của nối đất chống sét là Uđ< U50%MBA = 460 kV

- Dạng sóng tính toán của dòng điện sét

Trong thiết kế ta chọn dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xiên góc có

biên độ không đổi cho dưới đây:

Biên độ của dòng điện sét thường được dùng để tính là I = 150 kA

Độ dốc của dòng điện sét là: a= 30 kA/ s

Như vậy thời gian đầu sóng là: đs = s

Hình 2-5.Dạng sóng tính toán vào trạm

Khi tính toán được giá trị tại chỗ dòng điện sét đi vào nối đất Uđ ta phải so sánh với

U50%MBA =460 kV Nếu thỏa mãn rồi thì thôi, ngược lại nếu chưa thỏa mãn thì cần phảitiến hành nối đất bổ sung

- Kiểm tra phương án mạch vòng nối đất nhân tạo theo điều kiện nối đất chốngsét

Trong nối đất chống sét:

Khi dựng thanh ngang chôn sâu 0,8 m thì kmua =1,25

Để tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét ta xét các điều kiện sau:

- Bỏ qua nối đất tự nhiên và các thanh cân bằng điện áp trong trạm

- Trong tính toán để đơn giản ta bỏ qua điện trở bản thân cực, vì nó rất nhỏ sovới điện cảm, ta cũng bỏ qua tác dụng của điện dung vì nó cũng rất nhỏ so với điệndẫn

- Không xét quá trình phóng điện trong đất

- Ta xem mạch vòng của hệ thống nối đất nhân tạo là sự ghép song song của 2tia chiều dài mỗi tia là l=L/2, với L là chu vi của mạch vòng, l = 530/2 = 265 m

Sơ đồ thay thế của một tia:

Hình 2-6.Sơ đồ thay thế 1 tia

Trong sơ đồ thay thế trên thì:

L :là điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài

G :là điện dẫn tác dụng của điện cực theo đơn vị dài

L=

Trong đó: l : chiều dài cực

r : bán kính cực, với thép dẹt ta đó thì:

r = b/4 = 4/4 = 1cm

Theo công thức(2-5), tổng trở xung kích của hệ thống nối đất tại thời điểm t = đs

(2-10)Từ công thức trên ta thấy tổng trở xung kích của nối đất gồm:

+Thành phần biến thiên theo thời gian t

+Thành phần ổn định có trị số bằng trị số điện trở xoay chiều

Tổng trở xung kích của hệ thống nối đất tiến tới trị số ổn định càng nhanh thì trị

số điện trở tản càng ngắn Chiều dài của điện cực càng lớn thì điện áp ở đầu cuối càngbé chứng tỏ các phần cuối của điện cực phát huy tác dụng kém

Để xác định được ta xét các chuỗi số sau:

Chuỗi số:

Chuỗi số:

Trong chuỗi số này ta chỉ xét đến số hạng chứa (do trở đi có giá trị rất nhỏ

so với các số hạng trước nên ta có thể bỏ qua) Tức là ta tính với k sao cho :

pg 36

Ta chọn k trong khoảng từ 1 đến 6

Bảng 2-3.Bảng tính toán tổng trở xung kích ban đầu

Để đảm bảo an toàn cho thiết bị thì ta phải tiến hành nối đất bổ sung

- Kiểm tra phương án nối đất mạch vòng kèm theo nối đất bổ sung theo yêu cầucủa nối đất chống sét:Trong nối đất bổ sung ta sử dụng dạng nối đất tập trung gồm thanh và cọc

Do việc xác định Zbx bằng lý thuyết là rất khó khăn cho nên ta chọn hình thức nối đất bổ sung như sau:

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

+ Chiều dài lT = 8 m + Bề rộng bT = 0,04 mDọc theo chiều dài thanh chọn 3 cọc thép:

+ Chiều dài cọc lcọc = 3 m + Đường kính d = 0,04 m + Độ chôn sâu t = 0,8 mKhoảng cách giữa 2 cọc a = 3 m

Sơ đồ nối đất bổ sung như sau:

pg 38

Hình 2-7.Sơ đồ nối đất bổ sung thanh-cọc

Nối đất chống sét cho nên ta lấy hệ số kmua như sau:

+ Đối với thanh ngang chôn sâu t= 0,8 m thì: kmua = 1,25

+ Đối với cọc dài 3 m chôn sâu t = 0,8 m thì: kmua = 1,15

Điện trở của thanh:

(2-12)Trong đó:

lT:là chiều dài thanh :lT = 8 m

t:độ chôn sâu của thanh làm tia, lấy: t = 0,8 m

:điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm tia chôn ởđộ sâu t

, lấy hệ số mùa với độ chôn sâu 0,8m ;kmùa = 1,25

/cm

dT :đường kính của thanh làm mạch vòng (nếu thanh là thanhdẹt có bề rộng b thì

d=b/2) Ta chọn thanh có bề rộngb = 4cm, do đó d =2 cm

K :hệ số hình dáng Ta lấy K = 1 do thanh nằm ngang

Thay vào công thức ( 2-12)ta có:

ΩĐiện trở của cọc:

Trong đó: :điện trở suất tính toán của đất,

D :là đường kính cọc d = 0,04 mt’ = t + lcọc/2 = 0,8 + 3/2 = 2,3 (m)Thay vào công thức (2-13) ta có:

(Ω)Điện trở bổ sung được tính theo công thức:

Trong đó:

n :là số cọc

T, C :là hệ số sử dụng của thanh và cọcTra bảng tìm T, C ta có với tỉ số a/l =1 và số cọc n = 3 thì:

T = 0,77, C = 0,78Thay vào công thức (2-14) ta có:

ΩTổng trở vào của hệ thống khi có nối đất bổ sung được tính như sau:

pg 40