ĐỒ ÁN PBL3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 11022KV

Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ MBA thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của cột thu lôi và vỏ MBA theo đường điện phải lớn hơn 15 m.. Các quy định

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN

- -ĐỒ ÁN PBL3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 110/22KV

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : TS.LƯU NGỌC AN SINH VIÊN THỰC HIỆN : NGÔ VĂN HÙNG LỚP : 18DCLC2 MÃ SỐ SINH VIÊN : 105180241

Đà Nẵng, 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

KHOA ĐIỆN LỚP 18DCLC2 PBL LƯỚI ĐIỆN CAO ÁP

Họ và tên sinh viên: Ngô Văn Hùng Nhóm: 19.28B

Ngày giao: Ngày hoàn thành:

MSSV :105180241

I. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và hệ thống

nối đất cho Trạm biến áp phụ tải 110/22kV

II. Dữ liệu ban đầu

Rc = 15+n=15+41 =56 (Ω) ; ρ =250+ 2*n = 250+2*41=332 (Ωm)

(n: 2 số cuối của mã số sinh viên)

Chương 1: Thiết kế chống sét đánh trực tiếp cho

trạm biến áp

Chương 2: Thiết kế hệ thống nối đất cho trạm

biến áp

Bản vẽ (A3):

- Phạm vi bảo vệ của hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

- Hệ thống nối đất trạm biến áp

Đà Nẵng, ngày tháng năm

2021

Giáo viên hướng dẫn

Lưu Ngọc An

CHƯƠNG 1 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP

A Các yêu cầu kĩ thuật :

- TBA và TBPP ngoài trời điện áp 22 - 500KV phải được bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

- Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải nằm trọn trong phạm vi an toàn của hệ thống bảo vệ

- Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào TBA và TBPP ngoài trời được dùng kim thu sét bố trí

trên các kết cấu xây dựng hoặc dây thu sét Có thể sử dụng các cột cao (cột ĐDK, cột lắp

đèn pha v.v) làm cột thu sét Cho phép bố trí các kim chống sét trên cột cổng gần MBA

- Có thể bố trí các kim thu sét trên các kết cấu xây dựng của TBPP điện áp 110kV trở lên

khi điện trở nối đất đạt tiêu chuẩn

- Từ các cột có kim thu sét ở TBPP ngoài trời điện áp 110kV và cao hơn phải đảm bảo cho

dòng điện sét chạy đến mạch nối dất chung không được ít hơn 2-3 tia Ngoài ra còn phải

đóng thêm 1-2 cọc nối đất dài 3-5m và cách cột có kim chống sét không ngắn hơn chiều dài

cọc nối đất

- Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời điện áp 110 (kV) trở lên là cuộn dây của

MBA Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ MBA thì yêu cầu khoảng cách giữa hai

điểm nối đất vào hệ thống nối đất của cột thu lôi và vỏ MBA theo đường điện phải lớn hơn

15 (m)

- Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng

điện sét chạy qua

B Các quy định về trang bị điện của BCN/2006 [2]:

- Khoảng cách trong đất giữa trang bị nối đất riêng và mạch nối đất chung TBA phân phối

ngoài trời cần phải bằng:

S đ ≥0,2× R c (nhưng không nhỏ hơn 3m)

Trong đó:

S đ: là khoảng cách trong đất được tính bằng mét

R c: điện trở xung nối đất của cột thu sét độc lập tính bằng Ω khi dòng điện xung của sét là

60kA

- Khoảng cách trong không khí từ cột thu sét độc lập có hệ thống nối đất riêng đến các phần

dẫn điện của kết cấu nối đất và thiết bị của TBPP ngoài trời (TBA) phải bằng:

S k ≥ 0,12 R c +0,1 H (nhưng không nhỏ hơn 5m)

Trong đó:

S k: là khoảng cách trong không khí được tính bằng mét

H: độ cao tới đất của đỉnh kim thu sét tính bằng mét

- Khoảng cách trong không khí từ cột thu sét độc lập có nối đất được nối vào mạch vòng nối

đất chung của trạm đến các phần mang điện được xác định:

S k ≥ 0,1 H +L

Trong đó:

H: độ cao của phần dẫn điện tới mặt đất được tính bằng mét

L: chiều dài chuỗi cách điện tính bằng mét

- Nối đất của cột thu sét độc lập có thể nối với mạch nối đất chung của TBA khi thõa mãn

những điều kiện lắp kim thu sét trên các kết cấu xây dựng của TBPP ngoài trời (TBA)

- Điểm đấu nối từ nối đất của cột thu sét độc lập (hoặc dây chống sét) vào mạch nối đất

chung của TBA cách điểm nối đất từ MBA (điện kháng) vào mạch vòng đó không nhỏ hơn

15m tính theo mạch vòng nối đất chung của TBPP ngoài trời điện áp 35kV – 110kV cần

phải có 2 – 3 tia

- Nối đất của thu sét độc lập có lắp đèn pha phải nối vào mạch nối đất chung của TBA

- Khi không thõa mãn được các điều kiện trong điều III2.145 (tài liệu [2]), phải bổ sung

thêm theo các điều kiện sau:

- Cách cột thu sét 5m phải đóng thêm 3 – 4 cọc nối đất dài 3 – 5 m

- nếu khoảng cách dọc theo mạch nối đất chung từ điểm nối đất của cột thu sét đến điểm nối

đất của MBA (điện kháng) dài hơn 15m nhưng ngắn hơn 40m thì ở gần các đầu ra cảu cuộn

dây đến 35kV của MBA phải đặt CSV

- Không cho phép bố trí kim thu sét trên kết cấu của TBA ngoài trời trong phạm vi nhỏ hơn

15m kể từ:

- MBA được nối bằng dây mềm hoặc thanh dẫn trần đến máy điện quay

- Thanh dẫn trần vào cột đỡ dây dẫn mềm nối vào máy điện quay

- Cột cổng MBA có thanh dẫn trần hoặc dây dẫn mềm nối đến máy điện quay cần phải bố

trí trong phạm vi bảo vệ của cột thu sét độc lập hoặc kim thu sét đặt trên kết cấu xây dựng

- Đặt CSV trong trạm càng gần MBA càng tốt và không được quá 10m

B Thiết kế bảo vệ chống sét:

1) Phạm vi bào vệ của cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ của 1 cột thi sét độc lập

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét được xác định như sau:

Khi: h x ≤ 23h

r x =1,5 h.(1− h x

0,8h) p

Khi: h x> 23h

r x =0,75 h.(1−h x

h ) p

Với p là hiệu số hiệu chỉnh phụ thuộc vào chiều cao của cột thu sét

P=1 khi h≤ 30 m

P= 5,5

√h khi h>30m

Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét:

Cột thu sét giả tưởng:

c a

h0=h−a

7(m)

Trong đó:

h0: là chiều cao cột thu sét giả tưởng

a: khoảng cách giữa 2 cột

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét được xác định như sau:

Khi: h≤ 2

3h0 r ox =1,5 h0.(1− h x

0,8h0) p

Khi: h> 2

3h0 r ox =0,75 h0.(1−h x

h0) p

Với p là hiệu số hiệu chỉnh phụ thuộc vào chiều cao của cột thu sét

P=1 khi h≤ 30m

P= 5,5

√h khi h>30m

Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có chiều cao không bằng nhau

Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét

Nhiều cột thu sét sẽ thành 1 hình đa giác và phạm vi bảo vệ được xác định bởi toàn bộ miền

đa giác và phần giới hạn bao ngoài giống như của 2 cột thu sét

Công trình có độ cao h x nằm bên trong đa giác nội tiếp hình thành bởi các cột có độ cao h sẽ

được bảo vệ nếu thõa mãn điều kiện sau:

D ≤ 8(h−h x) =8h a

Trong đó:

D: đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét

h: là độ cao thu sét (m)

h x: là chiều cao của công trình cần bảo vệ (m)

h a: là độ cao hiệu dụng của cột thu sét (m)

Xác định đường kính ngoại tiếp đa giác (D):

Với tam giác:

D= a.b.c

2√p(p−a)( p−b)( p−c)

Trong đó:

a,b,c là ba cạnh của tam giác

P là nửa chu vi tam giác

Với tam giác vuông hay hình chữ nhật:

D=√a2+b2

Trong đó: a,b là 2 cạnh góc vuông

2) Tính toán thiết kế chống sét đánh thằng TBA:

Trạm biến áp 110kV sử dụng hệ thống 2 thanh góp với 2 mạch đường dây 2 mạch MBA

Trạm biến áp có diện tích 4000m2 với 80m chiều dài và 50m chiều rộng

Độ cao xà cần bảo vệ là 12,5m và 8,5

Hình 2.1

Hình 2.2 Trạm biến áp dùng 4 cột chống sét 1,2,3,4 Trong đó cột 1,2 được đặt trên xà trạm, cột 3 4

được đặt thêm vào cuối trạm sau máy biến áp

Chia các cột thu sét thành 2 đa giác:

Hình tam giác: 1,2,3

Hình tam giác: 2,3,4

Độ cao hữu ích của cột thu sét:

Để bảo vệ được trạm biến áp giới hạn bởi đa giác được hình thành từ các cột thu sét thì thõa

mãn điều kiện sau:

D ≤ 8(h−h x)

Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột chống sét bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo vệ của 1

cột Điều kiện để hai cột thu lôi liên kết với nhau a≤ 7

Trong đó: a là khoảng cách giữa 2 cột thu sét

a.Tính chiều cao hiệu dụng của cột thu sét

Xét nhóm cột 1,2,3:

Ta có: a12=30m

a13=36m

Đường kính đường tròn ngoại tiếp của đa giác là:

D=√322+362=48,17 m

Chiều cao hữu ích của cột thu sét: h a = D8= 48,178 =6,02(m)

Xét nhóm cột 2,3,4:

Ta có: a24=36m

a34=32m

Đường kính đường tròn ngoại tiếp của đa giác là:

D=√36 2 +32 2 =48,17

Chiều cao hữu ích của cột thu sét: h a = D8= 48,178 =6,02(m)

- Tổng kết lại ta có bảng sau:

Bảng 2.1: chiều cao hữu ích của các cột thu lôi

Ta có độ cao h a=6,02 m nên ta lấy chiều cao hữu ích cột bằng 7 m

Độ cao cột thu sét: h=h x +h a=12,5+7=19,5(m)

b Xác định phạm vi bảo vệ:

• b.1 Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét:

• Bảo vệ ở độ cao 12,5m:

hx=12,5< 23h= 2319,5=13(m)

Nên: r x =1,5 h.(1−0,8h h x ) p=1,5×19,5(1− 12,50,8.19,5)=5,81 (m)

• Bảo vệ ở độ cao 8,5m:

hx=8,5< 2

3h= 2319,5=13(m) Nên: r x =1,5 h.(1− h x

0,8h) p=1,5×19,5(1− 8,5

0,8.19,5)=13,31 (m)

• b.2 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét:

• Ở độ cao 12,5m:

- Cặp cột 1-2 có cùng chiều cao:

Chiều cao cột giả tưởng:

h0=h−a

7=19,5− 327 =14,9 (m)

Vì h x> 23h0=9,9

Nên: r ox =0,75 h0.(1−h x

h0) p=0,75×14,9(1−12,514,9)=1,8(m)

- Cặp cột 1-3 có cùng chiều cao:

Chiều cao cột giả tưởng:

h0=h−a

7=19,5− 367 =14,3

Vì h x> 23h0= 2314,3= 9,5

Nên: r ox =0,75 h0.(1−h h x

0) p=0,75×14,3(1−12,514,3)=1,33(m)

• Ở độ cao 8,5m:

- Cặp cột 1-2 có cùng chiều cao:

Chiều cao cột giả tưởng:

h0=h−a

7=19,5− 327 =14,9 (m)

Vì h x< 23h0= 9,9

Nên: r ox =1,5 h0.(1−0,8h h x

0) p=1,5× 14,9(1− 8,50,8.14,9)=6,44(m)

- Cặp cột 1-3 có cùng chiều cao:

Chiều cao cột giả tưởng:

h0=h−a

7=19,5− 367 =14,3

Vì h x< 23h0= 2314,3= 9,52

Nên: : r ox =1,5 h0.(1− h x

0,8h0) p=1,5× 14,3(1− 8,5

0,8.14,3)=5,48(m)

- Tính toán tương tự ta có bảng sau:

Bảng 2.2: bán kính giữa các cặp cột thu sét (m)

x

Khoảng cách giữa

2 cột (a)

Bán kính r x

Chiều cao cột giả tưởng

h0

Bán kính r ox

3-4 19,5 8,5 32 5,81 14,9 6,44

- Phạm vi bảo vệ:

Hình 2.3

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

A Các yêu cầu về hệ thống nối đất

• Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về kỹ thuật điện của bộ công thương 2015 [1]

• Nối đất cho TBPP và TBA

- Phần nối đất

1 Nối đất cho thiết bị cố định Những bộ phận kim loại của các máy móc, thiết bị điện ở

trong nhà cũng như ngoài trời phải nối đất bao gồm:

- Vỏ và bệ kim loại máy điện, vỏ máy biến áp, khí cụ điện, cột thanh cái, vỏ của thiết bị

chiếu sáng, v.v.;

- Mạch thứ cấp của biến dòng điện và biến điện áp;

- Khung kim loại của tủ phân phối điện, bảng điều khiển, bảng điện và tủ điện;

- Kết cấu kim loại của sàn điều khiển ngoài trời và trạm biến áp, vỏ kim loại và vỏ bọc của

cáp, hộp đầu cáp, ống kim loại để luồn cáp, vỏ và giá đỡ các thiết bị điện;

- Vỏ kim loại của máy điện di động hoặc cầm tay;

- Bộ chống sét lắp ở các mạch điện

- Tính toán điện trở nối đất TBPP và TBA

1 Tính toán dòng chạm đất

- Trị số dòng điện tính toán dùng để lựa chọn đặc tính kỹ thuật của dây nối đất phải lấy trị

số lớn nhất của dòng điện ổn định chạm đất 1 pha trong hệ thống điện và phải tính đến sự

phân bố dòng điện chạm đất giữa các điểm trung tính nối đất của hệ thống;

- Trị số dòng điện chạm đất tính toán phải xác định theo sơ đồ vận hành của lưới điện gây ra

dòng điện ngắn mạch có trị số lớn nhất

2 Thời gian cắt trong trường hợp chạm đất Khi xác định giá trị điện áp tiếp xúc và điện áp

bước cho phép, thời gian tác động tính toán phải lấy bằng tổng thời gian tác động của bảo

vệ và thời gian cắt toàn phần của máy cắt Ở chỗ làm việc của công nhân nếu tiếp tục thực

hiện các thao tác đóng cắt có thể xuất hiện ngắn mạch ở các kết cấu mà công nhân có thế

chạm tới thì thời gian tác động của thiết bị bảo vệ phải lấy bằng thời gian tác động của bảo

vệ dự phòng

3 Xác định điện trở suất của đất Khi thiết kế nối đất cho thiết bị điện phải xác định trị số

điện trở suất của đất bằng cách đo tại hiện trường Xác định điện trở suất của đất sử dụng

cho thiết kế hệ thống nối đất phải được thực hiện có xét đến sự biến thiên của điện trở suất

của đất trong cả năm

4 Điện trở nối đất

a) Điện trở nối đất của trung tính: Điện trở nối đất của trung tính máy phát điện hoặc máy

biến áp, hoặc đầu ra của nguồn điện 1 pha ở bất kỳ thời điểm nào trong năm không được lớn

hơn 4Ω tương ứng với điện áp dây của nguồn điện 3 pha là 380V hoặc tương ứng với điện

áp pha của nguồn điện 1 pha là 220V Khi điện trở suất của đất lớn hơn 100Ωm, cho phép

tăng điện trở nối đất lên 0,01ρ lần, nhưng không được lớn hơn 10 lần ;

b) Điện trở của hệ thống nối đất trạm biến áp điện áp đến 35kV, trong cả năm không được

lớn hơn 10Ω ;

c) Điện trở của hệ thống nối đất trạm biến áp 110kV đến 500kV phải được tính toán theo

điện áp tiếp xúc, điện áp bước và đáp ứng các điều kiện sau đây:

- Điện áp tiếp xúc và điện áp bước tính toán phải nhỏ hơn điện áp tiếp xúc và điện áp bước

cho phép;

- Tiết diện dây nối đất phải lớn hơn tiết diện dây nối đất tính toán;

- Điện áp dư của lưới nối đất khi có ngắn mạch phải nhỏ hơn mức cách điện của trung tính

nối đất các thiết bị có trung tính nối đất làm việc trong trạm Tính toán điện áp tiếp xúc, điện

áp bước và điện trở nối đất xem

B Tính toán thiết kế hệ thống nối đất:

2.1 Tính toán thiết kế hệ thống nối đất:

- Đối với trạm 110kV trở lên, phần lớn các trường hợp HTTS được đặt trên kết

cấu công trình trạm , nên phần dòng sét sẽ tản qua mạch nối đất an toàn của trạm vào

trong đất Lưới có điện áp từ 110 kV trở lên thuộc hệ thống có trung tính trực tiếp nối đất

(dòng ngắn mạch lớn), theo quy phạm thì nối đất an toàn của trạm phải thỏa yêu cầu: Rht

0,5

- Nếu gọi phần nối đất phải thiết kế là nối đất nhân tạo có điện trở tản là Rnt, thì

điện trở tản tổng của toàn bộ HTNĐ phải thỏa yêu cầu:

𝑅𝑛𝑡 ≤ 1(Ω)

R ht= R tn R nt

R tn +R nt (Ω) -𝑅𝑡𝑛, 𝑅𝑛𝑡: lần lượt là điện trở tự nhiên và nhân tạo

khi HTNĐ có thay đổi

2.1.2 Nối đất tự nhiên.

- Phần nối đất có sẵn cần tận dụng các đường ống kim loại chôn ngầm tiếp xúc trực

tiếp với đất, trừ các ống dẫn các chất dễ chấy nỗ, vỏ cáp bằng chì chôn ngầm trong đất

Cốt thép của móng bê tông xà cột trong trạm và nối đất của dây chống sét- cột điện của

các đường dây có dây chống sét kéo đến tận xà trạm

- Đối với những đường dây có đặt dây chống sét (DCS) trên toàn tuyến, số cột có đặt

DCS m > 20, thì có thể tính gần đúng theo công thức

R cs−c= R c

1

2+√R c

R cs+ 14

Trong đó: 𝑅𝐶 : Điện trở nối đất của cột điện 110kV

( giả thiết các khoảng vượt đều bằng nhau)

R cs =k r0.l

Trong đó: 𝑟0: Điện trở của 1 đơn vị chiều dài DCS

L: Chiều dài trung bình của khoảng vượt

K: Hệ số phụ thuộc số dây chống sét trên đường dây

Theo thông số cho trước 𝜌 = 250+2.n=250+2.41=332 (Ω 𝑚) (với n=41), đất khô, trụ nối

đất dạng cột dọc, độ chôn sâu t0 = 0,8m Ta tra bảng PL 03 có Km = 1,4

ρ tt =ρ K m=332.1,4=464,8(Ω 𝑚)

Chiều dài trung bình của khoảng vượt: lkv=200(m)

Đường dây 110 (kv) treo 1DCS nên k=1

R cs−110 =k r0.l=1.1,88 200.10−3 =0,376(Ω)

R cs−c= R c

1

2+√R c

R cs+ 1 4

1

2+√ 56 0,376+ 14

=4,36

(Ω)

- Vậy điện trở tản tự nhiên của trạm 110kV

R tn=R cs−c

2 = 4,362 =2,18 (Ω)

- Vì Rtn > 0,5 (Ω) nên ta phải thiết kế 1 hệ thống nối đất nhân tạo ( Rnt ) và thỏa mãn

hai điều kiện sau:

𝑅𝑛𝑡 ≤ 1(Ω)

R ht =R tn/ ¿R nt=R tn R nt

R tn +R nt ≤ 0,5(Ω)

Với R ht=R tn R nt

R tn +R nt ≤ 0,5 => 2,18 R nt

2,18+R nt ≤ 0,5 =>R nt ≤ 0,6

- Điều kiện đối chiếu: R nt ≤ 0,6 (Ω)

R ht =R tn/ ¿R nt ≤ 0,5(Ω)

2.1.3 Tính toán hệ thống nối đất nhân tạo

- Hệ thống nối đát nhân tạo là bộ phận nối đất phải thiết kế thêm để thỏa mãn yêu cầu

về điện trở nối đất, để tiếp đất các trang thiết bị của trạm một cách thuận lợi và để cân

bằng điện thế

- Nó gồng mạch vòng nối đất ven chu vi trạm, bản thân là một mach vòng thanh kết

hợp với nhiều cọc rải điều ven chu vi Trong phạm vi trạm có một hệ thống thanh

ngang, dọc tạo thành một lưới nối đất, có nhiệm vụ cân bằng điện thế trong khu vực

trạm và đẻ tiếp đất thuận lợi các thiết bị điện

2.1.3.1 Thiết kế nối đất mạch vòng:

Thiết kế nối đất mạch vòng tổ hợp thanh và cọc:

a Điện trở tản của thanh:

- Thanh dùng vật liệu sắt tròng đường kính d= 20 mm, độ chôn sâu h = 0,8(m) Tra

bảng Phụ lục 3 ta có km = 1,6