Thiết kế hệ thống chống sét cho một trạm biến áp và đường dây dẫn tới trạm

ƒ Nếu đặt cột thu lôi trên các kết cấu trạm phân phối điện ngoài trời và dùng dây chống sét để bảo vệ cho đoạn dây dẫn nối từ xà cuối cùng của trạm đến cột đầu tiên của đường dây thì chú

Thiết kế hệ thống chống sét cho một trạm biến áp và đường dây dẫn tới

trạm

Thiết kế hệ thống chống sét cho một trạm biến áp và

đường dây cao áp dẫn tới trạm

MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HIỆN TƯỢNG SÉT Ở VIỆT NAM

Qua việc nghiên cứu giông sét và các biện pháp bảo vệ chống sét cho các công trình, thiết bị đã có lịch sử từ lâu đời Ngày nay người ta đã tìm ra được những biện pháp, những hệ thống thiết bị và những kỹ thuật tiên tiến để phòng chống sét một cách hữu hiệu và an toàn Tuy nhiên giông sét là hiện tượng tự nhiên Mật độ, thời gian và cường độ sét mang tính ngẫu nhiên cho nên việc nghiên cứu chống sét là rất quan trọng đối với các công trình

Ở những vùng khác nhau, do điều kiện khí hậu và thiết bị kỹ thuật khác nhau nên các đặc điểm về giông sét gây ra những tác hại khác nhau Tuỳ theo từng vùng mà có những biện pháp thích hợp để phòng chống sét có hiệu quả

A.Tình hình giông sét ở việt nam:

Theo đề tài KC-03-07 của Viện năng lượng trong một năm số ngày giông trên Miền bắc nước ta thường giao động trong khoảng từ 70 đến 110 ngày và số lần giông từ 150 đến 300 lần, như vậy vào mùa mưa trung bình một ngày có thể xảy ra từ 2 đến 3 cơn giông

Vùng giông nhiều nhất trên Miền Bắc là vùng Tiên Yên, Móng Cái; Tại đây hàng năm có từ 100 đến 110 ngày, tháng nhiều giông nhất là các tháng VII, VIII có tới 25 ngày/ tháng

Một số vùng khác có địa hình chuyển tiếp giữa cồng bằng số lần giông cũng nhiều tới 200 lần với số ngày giông khoảng trên 100 ngày, các vùng còn lại từ 150 đến 200 cơn giông mỗi năm tập chung khoảng 90 đến 100 ngày

Nơi ít giông nhất là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có 80 ngày giông

Xét về dạng diễn biến của mùa giông trong năm ta thấy mùa giông không

hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nói chung ở Bắc Bộ mùa mưa bão tập chung khoảng từ tháng 5 đến tháng 9 ở phía tây Bắc Bộ mùa giông tập trung trong khoảng từ đầu tháng 4 đến tháng 8 Ở các nơi khác thuộc Bắc Bộ tháng

5, tháng 9 ở Hà Tĩnh, Quảng Bình Vùng Duyên hải trung bộ ở phần phía bắc đến Quảng Ngãi là khu vực tương đối nhiều giông trong tháng 4 và từ tháng 5 đến tháng 8 Số ngày giông tập trung xấp xỉ 10 ngày/tháng Tháng nhiều giông nhất (tháng 5 ) quan sát được 12 đến 15 ngày Những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) mỗi tháng chỉ gặp từ 2 đến 5 lần giông Phía nam Duyên Hải trung

bộ (từ Bình định trở vào) là khu vực ít giông nhất thường chỉ có tháng 5 số ngày giông chỉ xấp xỉ hoặc lớn hơn 10 ngày (Tuy hoà 10 ngày, Nha Trang 8 ngày, Phan Thiết 13 ngày) còn các tháng khác của mùa đông mỗi tháng chỉ quan sát được từ 5 đến 7 ngày giông

Miền Nam cũng khá nhiều giông hàng năm trung bình quan sát được từ

40 đến 50 ngày đến trên 100 ngày tuỳ từng nơi Khu vực nhiều giông nhất là vùng đồng bằng Nam Bộ số ngày giông trung bình hàng năm lên tới 120 đến

140 ngày (Sài Gòn 138 ngày, Hà Tiên 129 ngày)

ở Bắc Bộ chỉ vào khoảng 100 ngày Mùa giông ở Nam bộ từ tháng 4 đến tháng 11, trừ tháng đầu mùa là tháng 4 tháng cuối mùa là tháng 11 số ngày giông trung bình là 10 ngày trên mỗi tháng còn các tháng 5 tháng 6 đến tháng

10 mỗi tháng quan sát trung bình gặp trên 20 ngày giông (sài gòn 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày)

Tây Nguyên mùa giông thường chỉ có 2, 3 tháng số ngày giông đạt tới

10 đến 15 ngày đó là các tháng 4, tháng 5 và tháng 9 Tháng cực đại (tháng 5) trung bình quan sát được chừng 15 ngày giông ở bắc Tây Nguyên 10 đến 12 ngày, nam Tây Nguyên (P Lây Cu 17 ngày Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày) còn các tháng khác trong mùa đông mỗi tháng trung bình từ 5 đến 7 ngày giông

Qua số liệu khảo sát ta thấy rằng tình hình giông sét trên ba miền khác nhau, những vùng lân cận lại có mật độ giông sét tương đối giống nhau

Kết quả nghiên cứu đề tài KC-03-07 người ta đã lập được bản đồ phân vùng giông toàn Việt nam có thể phân thành 5 vùng 147 khu vực Các thông

Mật độ sét trung bình

Tháng giông cực đại

1 Đồng bằng ven biển Miền Bắc

81,1 215,6 6,47 8

2 Miền núi trung du Miền

3 Cao nguyên Miền Trung 47,6 126,21 3,31 5;8

4 Ven biển Miền Trung 44,0 95,2 3,55 5;8

5 Đồng bằng Miền Nam 60,1 89,32 5,37 5;9

Từ các số liệu về ngày giờ giông số lượng đo lường nghiên cứu đã thực hiện qua các giai đoạn có thể tính toán đưa ra các số liệu dự kiến về mật độ phóng điện xuống các khu vực (bảng 2)

Bảng 2 :

Số ngày giông

Khuvực đồng bằng ven biển miền bắc

Khuvực miền núi trung du miền bắc

Khu vực cao nguyên miền trung

Khu vực ven biển miền trung

Khu vực đồng bằng miền nam

20 ÷ 40 2,43 ÷ 4,68 2,1 ÷ 4,2 1,2 ÷ 2,4 1,22 ÷ 2,44 1,26 ÷ 2,524o ÷ 60 4,86 ÷ 7,92 4,2 ÷ 6,3 2,4 ÷ 3,6 2,44 ÷ 3,65 2,52 ÷ 3,78

Qua nghiên cứu ở trên ta thấy Việt Nam là nước có số ngày giông nhiều

và mật độ phóng điện lớn cho nên dòng sét cũng gây nên những thiệt hại đáng

kể cho lưới điện và các công trình xây dựng ở Việt Nam

B Ảnh hưởng của giông sét

Ở Việt Nam trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước KC-03-07 đã lắp đặt các vật ghi sét và bộ ghi tổng hợp trên các đường dây tải điện trong nhiều năm liên tục Kết quả thu thập tình hình sự cố lưới điện 220kV Miền Bắc từ năm 1987÷1992 (bảng 3 )

Bảng 3 : Loại sự cố

Trong tổng số sự cố vĩnh cửu của đường dây không 220 kV Phả Lại ÷

Hà Đông nguyên nhân do sét là 8/11 chiếm 72,7% Sở dĩ lấy kết quả sự cố của đường dây Phả Lại ÷ Hà Đông làm kết quả chung cho sự cố lưới điện Miền Bắc vì đây là đường dây quan trọng của Miền Bắc vì sự cố đường dây này ảnh hưởng rất lớn đến tình hình chuyên tải điện của Miền Bắc

Kết luận : Qua những nghiên cứu tình hình giông sét ở Việt Nam và những tác hại của sét gây nên đối với lưới điện, cho nên việc bảo vệ chống sét cho đường dây điện và các trạm biến áp là không thể thiếu được khi thiết kế

lưới điện Vì vậy việc đầu tư nghiên cứu chống sét là cần thiết để nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện ở nước ta

CHƯƠNG I : TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH

TRỰC TIẾP 1.1 :Giới thiệu chung

ƒ Khi các thiết bị điện của trạm phân phối điện ngoài trời bị sét đánh trực tiếp thì sẽ gây những hậu quả ngiêm trọng : gây nên hư hỏng các thiết bị điện, dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn bộ trạm trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc sản xuất điện năng và các ngàng kinh tế quốc dân khác

ƒ Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho công trình thường dùng các hệ thống thu sét như: cột thu sét, dây thu sét Hệ thống thu sét gồm các bộ phận thu sét (kim, dây ), bộ phận nối đất và các dây dẫn liên hệ hai bộ phận với nhau Cột thu sét có thể đặt độc lập hoặc trong những điều kiện cho phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm và nhà máy

ƒ Thông thường để giảm vốn đầu tư và để tận dụng các độ cao ở các trạm biến áp người ta có thể đặt cột thu sẻt trên các xà đỡ, các cột đèn chiếu sáng, trên mái nhà Cột thu lôi độc lập thường đắt hơn nên chỉ dùng khi không thể tận dụng các độ cao khác

ƒ Nếu đặt cột thu lôi trên các kết cấu trạm phân phối điện ngoài trời và dùng dây chống sét để bảo vệ cho đoạn dây dẫn nối từ xà cuối cùng của trạm đến cột đầu tiên của đường dây thì chúng sẽ được nối đất chung vào hệ thống nối đất của trạm.Vì vậy khi sét đánh vào thu lôi hay đoạn dây chống sét ấy thì toàn bộ dòng điện sét sẽ đi vào hệ thống nối đất của trạm và do đó làm tăng thế các thiết bị được nối đất chung với hệ thống nối đất của trạm Độ tăng thế

đó lớn thì có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị, do vậy chỉ trong điều kiện

cho phép mới được đặt cột thu lôi trên các công trình trong trạm hoặc dùng dây chống sét ở trong trạm

ƒ Tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét là ở chỗ tập trung điện tích ở đỉnh

bộ phận thu sét, tạo nên điện trường lớn nhất giữa nó với đầu tia tiên đạo Do

đó thu hút các phóng điện sét và hình thành khu vực an toàn ở bên dưới, chung quanh hệ thống thu sét Bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trở nối đất bé để việc tập trung điện tích cảm ứng trong đất được dễ dàng

và khi có dòng điện sét đi qua điện áp trên các bộ phận của hệ thống thu sét sẽ không đủ gây nên phóng điện ngược từ nó tới công trình đặt gần

Khi thiết kế hệ thống chống sét phải chú ý so sánh về các mặt kỹ thuật,

mỹ thuật và vấn đề nối đất của cột thu lôi Đối với trạm phân phối ngoài trời 110kV trở nên do có mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên các kết cấu của trạm phân phối ,các trụ của các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét khuếch tán vào trong đất theo 3÷4 thanh cái của hệ thống nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của các kết cáu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất Khi bố trí cột thu sét của trạm phân phối ngoài trời 110kV trở lên phải0 thực hiện các điều sau:

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

có nối đất bổ xung nhằm đảm bảo điện trở không được quá 4Ω

+ Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm 35kV phải tăng cường cách điện của nó lên đến mức cách điện của cấp 110kV

+Trên đầu ra của cuộn dây 6÷10kV cần đặt các chống sét van +Để bảo vệ cuộn dây 35kV cần đặt chống sét van Khoảng cách giữa chỗ nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van phải nhỏ hơn 5m + 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

+ Có thể nối cột thu lôi vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp110kV nếu các yêu cầu trên được thực hiện Khi dùng cột thu lôi độc lập phảI chú ý

đến khoảng cach giữa các cột thu lôi đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vật được bảo vệ

Đối với các nhà máy điện dùng sơ đồ bộ thì chỉ được đặt cột thu lôi trên xà máy biến áp khi máy phát điện và máy biến áp được lối với nhau bằng cầu bọc kín và hai đầu được lối đất Nếu cầu có phân đoạn thì không được phép đặt cột thu lôi trên xà máy biến áp Để đảm bảo về mặt cơ khí và để trống ăn mòn cần phải theo đúng qui định về loại vật liệu, tiếp diện dây dẫn dùng trên mặt đất và dưới đất

1.2 Yêu cầu đối vơí cột tròng sét và dây thu sét

Cột thu sét lên dùng giá đỡ bằng cột bê tông cốt thép để làm dây dẫn dòng điện sét từ kim thu sét đến hệ thống lối đất để giảm vốn đầu tư

+ Cột thu lôi được thiết kế làm việc ở trạng thai tự do không làm việc ở trạng thá căng

+ Khi trọn các phần tử của cột thu lôi (phần thu và dây dẫn dòng điện sét) dựa trên sự phát nóng của chúng và trong tính toán có thể bỏ qua sự tản nhiệt

ra môi trường xung quanh

Kim thu sét phải nhỏ và nhọn để tập trung điện tích tạo lên trường lớn nhất với tia tiên đạo do đó thu hút dòng điện sét và hình thành khu vực an toàn ở bên dưới và xung quanh hệ thống thu sét

+ Dây thu sét phải có tiết diện nhỏ và bề mặt dẫn điện tốt để đảm bảo dòng điện sét chạy qua, tập trung điện tích và thu hút dòng điện sét về phía mình không gây ảnh hưởng đến phần tử nằm trong phạm vi bảo vệ đem lại sự an toàn cho các thiết bị đó

- Khi bố trí dây thu sét để bảo vệ cho đường dây cao áp thì tuỳ theo cách

bố trí dây đãn trên cột có thể treo một hoặc hai thu sét Các dây trống sét được treo trên đường dây tải điện sao cho dây dẫn của cả ba pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của các dây đó

1.3 Tính toán hệ thống chống sét

1.3.1.Các công thức sử dụng trong tính toán bảo vệ chống sét

a Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:

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

( - )

1

6 , 1

x x

h h h h

r x

+

= (1-1)

Trong đó : - h là độ cao cột thu sét

- rx là bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức cao h x

- hx là độ cao của vật cần được bảo vệ

- h - hx là độ cao hiệu dụng của cột thu sét

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

vệ dạng đơn giản hoá (hình 1-1) đường sinh hình chóp có dạng gấp khúc Khi

đó bán kính bảo vệ được tính toán theo công thức sau đây :

h

5 ,

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

Hình 1.2 Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét

b Phạm vi bảo vệ cuả hai cột thu sét có cùng độ cao

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có kích thước lớn hơn nhiều so với tổng số phạm vi bảo vệ của hai cột đơn Bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh được khu vực có xác suất 100% phóng điện vào cột thu sét có bán kính r

=3,5h Như vậy khi hai cột thu sét đặt cách nhau a = 2R = 7h thì bất kỳ điểm nào trên mặt đất trong khoảng giữa hai cột sẽ không bị sét đánh Từ đó suy ra nếu hai cột thu sét đặt cách nhau khoảng cách a < 7h thì sẽ bảo vệ được độ cao h0 xác định bởi :

Hình 1 3 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có cùng độ cao

c Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau

Cột 1 có độ cao h1.

Cột 2 có độ cao h2 (h1< h2) Khoảng cách giữa 2 cột là a

Ta có cách vẽ phạm vi bảo vệ :

Hình 1 4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau

Khi độ cao cột thu sét vượt quá 30m cũng có hiệu chỉnh tương tự như trên và:

cao ở điểm 3, điểm này được xem là đỉnh của cột giả định nó sẽ cùng với cột thấp ( cột 2 ) hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau (h2) với khoảng cách a/ Khoảng cách giữa cột 1 với cột giả định là ΔL

3

2

h1 Thì:

ΔL=1,5 h1 (1- h2/ h1) d.Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét

Khi công trình cần được bảo vệ chiếm khu vực rộng lớn, nếu chỉ dùng vài cột thì phải rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công, lắp giáp Trong trường hợp này ta nên bố trí nhiều cột thu sét để phối hợp cùng bảo vệ Vật

có độ cao hx nằm trong đa giác hình thành bởi các cột sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:

D ≤ 8 ( h - h x ) = 8h a ( 1 - 5 ) Trong đó:

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

- h a= h -h x : độ cao hiệu dụng cột thu sét, là phần vượt cao hơn so với mức cao h x

Khi các cột thu sét bố trí bất kỳ cần phải kiểm tra điều kiện bảo vệ an toàn cho từng cặp ba cột đặt gần nhau Nếu độ cao vượt quá 30m điều kiện bảo vệ ở (1-5) được hiệu chỉnh theo

D ≤ 8 (h-h x) p = 8h ap Khi xét các nhóm cột bảo vệ gồm có ba cột hợp với nhau thành một tam giác có ba cạnh là a, b, c thì D được tính như sau :

D =

) )(

)(

( 2

.

c p b p a p p

c b a

−

−

− (m) (1 - 7) Trong đó : p là nửa chu vi tam giác ABC

P =

2

c b

a+ +

Hình 1 4 a.Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét b.Phạm vi bảo vê của 4 cột thu sét

!.3.2 Các thiết bị trong trạm và nhiệm vụ tính toán :

• Hai lộ 110 kV dẫn điện vào trạm

• Thiết bị phân phối cao áp gồm hai hệ thống thanh góp có chiều dài 18,5 m

• Hai maý biến áp có độ cao 4 m

• Chiều cao của xà kéo dây cao nhất là 11 m

• Chiều cao thanh góp cứng là 8m

• Nhà điều khiển cao 5m , chiều dài 27 m , chiều rộng 7 m đặt các thiết bị phân phối, thiết bị dự phòng và thiết bị điều khiển toàn bộ trạm

• Các thiết bị khác như dao cách li, máy cắt nằm dưới hai hệ thống thanh góp nên ta không cần xét đến

*Nhiệm vụ của chúng ta là phải bố trí cột thu sét trên mặt bằng của trạm sao cho đảm bảo chống sét đánh trực tiếp cho tất cả các thiết bị trong trạm Bao gồm : dự tính số lượng, vị trí đặt cột thu sét, độ cao của từng cột

Phạm vi bảo vệ của một cột, phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột và phạm vi bảo vệ của toàn bộ hệ thống thu sét

*Ta bố trí các phương án như sau:

1.4 Vạch phương án và tính toán các phương án

1.4.1 Phương án 1:

*Trong phương án này ta bố trí 4 cột thu sét A,B,C ,D đặt trực tiếp trên

xà đỡ dây và 2 cột E,F đặt trên nóc nhà đIều khiển Vị trí của các cột như trên hình vẽ 1.7

a.Tính độ cao của cột phía 110 kV

+Độ cao của thiết bị cần bảo vê hx = 11 m

-Xét nhóm 4 cột ABCD Các cột này tạo thành hình chữ nhật với khoảng cách các cột :

AD = BC =18,5 m

AB = CD = 27 m

Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi 4 đỉnh cột được bảo vệ thì :

D ≤ 8 ha Trong đó : D: là đường kíng đường tròn ngoại tiếp tứ giác ABCD

32 ⇒ ha ≥ 4,09

Vậy độ cao tác dụng nhỏ nhất đảm bảo phạm vi bảo vệ là 4,09 m

⇒ Độ cao của cột thu lôi tối thiểu là :

h1= ha +hx = 4,09 + 11 = 15,09 m

Do đó ta chọn chiều cao của các cột thu sét A,B,C,D là 15,5 m b.Tính độ cao của các cột phía máy biến áp và nhà điều khiển

+Độ cao của thiết bị cần bảo vệ là : hx = 5m

-Xét nhóm 4 cột CDEF Bốn cột này tạo thành một hình chữ nhật với khoảng cách giữa các cột là :

DE = CF = 25,5 m

EF = CD = 27 m

Để đảm bảo toàn bộ diện tích giới hạn bởi 4 đỉnh cột được bảo vệ thì :

D ≤ 8 ha Trong đó : D là đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật CDEF

⇒ ha ≥ 4,64

Vậy độ cao tác dụng tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là 4,64 m

⇒Độ cao tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là:

h2 =hx + ha = 5 + 4.64 = 9,64 m

Vậy ta lấy độ cao của cột EF là 10 m

Kết luận : Toàn bộ trạm ta bố trí 6 cột thu sét Bên phía máy biến áp và nhà điều khiển để đảm bảo an toàn ta bố trí 2 cột E và F có độ cao là 10 m Bốn cột A,B,C,D có độ cao 15,5 m

Vậy nên bán kính bảo vệ của cột được tính theo công thức :

11 ) = 3,375 m

- Phạm vi bảo vệ của cột cao 10 m là :

rx = 1,5 h ( 1-

h

hx

8

= 1,5 10 (1 -

10 8 , 0

=5,625 m

- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột A và B là :

Ta có : h = 15,5 m Khoảng cách giữa 2 cột : a = 27 m Với 7h = 7 15,5 = 108,5 m

⇒ a < 7 h + Độ cao thấp nhát được bảo vệ giữa 2 cột là :

= 0,482 m

- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột A và D :

Ta có h = 15,5 m Khoảng cách giữa 2 cột : a= 18,5 m Với 7h = 7 15,5 = 108,5 m

18 = 12,857 m +Bán kính bảo vệ của 2 cột là :

= 1,393 m

- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột B và C Ta có hai cột B và C có khoảng cách , độ cao và của thiết bị cần bảo vệ bằng của 2 cột A và D nên có giá trị bằng phạm vi bảo vệ của 2 cột A và D

=0,886 m.-

- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột D và E là :

Ta có : Khoảng cách giữa 2 cột : a = 25,5 m

Chiều cao cột D là : h1 = 15,5 m

Chiều cao cột E là : h2 = 10 m

3

2h1 =

3

2 15,5 = 10,333 m

3

2h1 > h2 + Độ cao thấp nhất được bảo vệ giữa 2 cột là :

ΔL = 1,5 h1 ( 1-

1

2 8

0 h

h )

= 1,5 15,5 (1 -

5 , 15 8 , 0

-Phạm vi bảo vệ giữa 2 cột C và F

Ta có 2 cột C và E có cùng chiều cao cột thu sét , chiều cao vật cần bảo vệ

và khoảng cách giữa 2 cột bằng 2 cột D và E nên phạm vi bảo vệ giữa 2 cột C

và F bằng phạm vi bảo vệ giữa 2 cột D và E với :

ho = 7 m

rox = 1,5 m

Kết Luận :Trong phương án I ta có 6 cột thu sét với : + Chiều cao cột A,B,C,D là 15,5 m

+ Chiều cao cột E,F là 10 m

+ Bán kính bảo vệ của cột A,B,C,D là 3,375 m

+ Bán kính bảo vệ của cột E,F là 5,625 m

+ Độ cao thấp nhất được bảo vệ giữa 2 cột và bán kính bảo vệ tương hỗ của 2 cột có giá trị trong bảng sau

* Trong phương án này ta bố trí 4 cột thu sét A,B,C ,D đặt trực tiếp trên

xà đỡ dây và 2 cột E,F đặt trên nóc nhà điều khiển Vị trí của các cột như trên hình vẽ 1.10

a.Tính độ cao của cột phía 110 kV

+Độ cao của thiết bị cần bảo vê hx = 11 m

-Xét nhóm 4 cột ABCD Các cột này tạo thành hình chữ nhật với khoảng cách các cột :

AB = CD =18 m

AD = BC = 27 m

Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi 4 đỉnh cột được bảo vệ thì :

D ≤ 8 ha Trong đó : D: là đường kính đường tròn ngoại tiếp tứ giác ABCD

25 ⇒ ha ≥ 3,227 m Vậy độ cao tác dụng nhỏ nhất đảm bảo phạm vi bảo vệ là 3,227 m

⇒ Độ cao của cột thu lôi tối thiểu là :

h1= ha +hx = 3,227 + 11 = 14,227 m

Do đó chiều cao của các cột thu sét A,B,C,D ta lấy là 14,5 m b.Tính độ cao của các cột phía máy biến áp và nhà điều khiển

+Độ cao của thiết bị cần bảo vệ là : hx = 5m

-Xét nhóm 3 cột DEF Ba cột này tạo thành một tam giác thường với khoảng cách giữa các cột là :

EF = 27 m

DE = EH2 +HD2 Với H là điểm cho trên hình vễ 1.10 ta có:

⇒ DE = 18 , 5 2 + 4 , 5 2 =19,04 m

DF = FI2 +ID2 Với I là điểm cho trên hình vẽ 1.10 ta có:

⇒ DF = 18 , 5 2 + 22 , 5 2 =29,129 m

Để đảm bảo toàn bộ diện tích giới hạn bởi 3 đỉnh cột được bảo vệ thì :

D ≤ 8 ha Trong đó : D là đường kính đường tròn ngoại tiếp hình tam giác DEF

)(

( 2

.

DF P DE P EF P P

DF DE EF

EF+ +

=

2

129 , 29 04 , 19

27 + + = 35,585 m

⇒ D =

129 , 29 585 , 35 )(

04 , 19 585 , 35 )(

27 585 , 35 ( 585 , 35 2

129 , 29 04 , 19 27

42 ⇒ ha ≥ 5,34 m

Vậy độ cao tác dụng tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là 5,34 m

⇒Độ cao tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là:

h2 = hx + ha

= 5 + 5,34 = 10,34 m

- Xét nhóm 3 cột CEF Ta thấy nhóm 3 cột này cũng tạo thành một tam giác thường bằng tam giác tạo thành từ nhóm 3 cột DEF và độ cao cần bảo vệ như nhau nên độ cao tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là như nhau

Vậy ta lấy độ cao của cột EF là 10,5m

Kết luận : Toàn bộ trạm ta bố trí 6 cột thu sét Bên phía máy biến áp và nhà điều khiển để đảm bảo an toàn ta bố trí 2 cột E và F có độ cao là 10,5 m Bốn cột A,B,C,D có độ cao 14,5 m

11 ) = 2,625 m

Theo sơ đồ mặt bằng của trạm vì ta bố trí cột thu sét ở giữa xà đỡ dây nên khoảng cách từ đầu xà đến giữa xà là 4,5 m Ta phải bảo vệ toàn xà vì vậy bán kính bảo vệ tối thiểu phải là 4,5 m Vì vậy với độ cao 14,5 m không đảm bảo phạm vi bảo vệ Giả sử ta tăng cột lên cao 17m ta có :

rx = 1,5 h ( 1-

h

hx

8

= 1,5 17 (1 -

17 8 , 0

= 4,875 m (Thoả mãn) Vậy ta lấy chiều cao cột A,B,C,D là 17 m

- Phạm vi bảo vệ của cột cao 10,5 m là :

rx = 1,5 h ( 1-

h

hx

8

= 1,5 10,5 (1 -

5 , 10 8 , 0

= 6,375 m Theo sơ đồ mặt bằng của trạm thì phạm vi bảo vệ của cột E và F tối thiểu cũng phải bằng chiều rộng của nhà điều khiển thì mới đảm bảo yêu cầu

Chiều rộng của nhà điều khiển là 7m vì vậy bán kính bảo vệ tối thiểu của cột E,F là 7m Với độ cao của cột là 10,5 m không đảm bảo vậy giả sử ta tăng chiều cao của cột lên là 11,5m Ta có:

rx = 1,5 h ( 1-

h

hx

8

= 1,5 11,5 (1 -

5 , 11 8 , 0

= 7,875 m (Thoả mãn ) Vậy ta lấy chiều cao cột E,F là 11,5 m

- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột E và F là :

Ta có : h = 11,5 m Khoảng cách giữa 2 cột : a = 27 m

Với 7h = 7 11,5 = 80,5 m

⇒ a < 7 h + Độ cao thấp nhát được bảo vệ giữa 2 cột là :

rx = 1,5 h ( 1-

h

hx

8

= 1,5 7,643 (1 -

643 , 7 8 , 0

5

) = 2,09 m

Theo sơ đồ mặt bằng của trạm thì phạm vi bảo vệ của cột E và F phải bảo

vệ toàn bộ nhà điều khiển thì mới đảm bảo yêu cầu Chiều rộng của nhà điều khiển là 7m vì vậy bán kính bảo vệ tương hỗ tối thiểu của cột 2 cột E và F phải là 7 m Với độ cao của cột là 11,5 m không đảm bảo vậy giả sử ta tăng chiều cao của cột lên là 15m Ta có:

+ Độ cao thấp nhát được bảo vệ giữa 2 cột là :

rx = 1,5 h ( 1-

h

hx

8

= 1,5 11.143 (1 -

143 , 11 8 , 0

= 7,34 m (Thoả mãn) Vậy ta lấy chiều cao cột E,F là 15 m

- Bán kính bảo vệ của cột cao 15m là:

rx = 1,5 h ( 1-

h

hx

8

= 1,5 15 (1 -

15 8 , 0

5

) =13,125 m

- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột A và D :

Ta có h = 17 m Khoảng cách giữa 2 cột : a= 18,5 m Với 7h = 7 17 = 119 m

= 17 -

7

5 ,

18 = 14,357 m +Bán kính bảo vệ của 2 cột là :

= 2,531 m

- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột B và C Ta có hai cột B và C có khoảng cách , độ cao và của thiết bị cần bảo vệ bằng của 2 cột A và D nên có giá trị bằng phạm vi bảo vệ của 2 cột A và D

=2,572 m.-

- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột D và E là :

Ta có : Khoảng cách giữa 2 cột : a = 19,04 m

Chiều cao cột D là : h1 = 17 m

Chiều cao cột E là : h2 = 15 m

ΔL = 0,75 ( h1 – h2 ) = 0,75 (17 –15 ) =1,5 m

⇒a, = 19,04 – 1,5 =17,54 m

⇒ h0 = 15 -

7

54 , 17

= 12,494 m

=0,75 12,494 ( 1-

494 , 12 8 , 0

= 9,366 m

-Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột C và F

Ta có 2 cột C và F có cùng chiều cao cột thu sét , chiều cao vật cần bảo

vệ và khoảng cách giữa 2 cột bằng 2 cột D và E nên phạm vi bảo vệ giữa 2 cột C và F bằng phạm vi bảo vệ giữa 2 cột D và E với :

ho = 12,494 m

rox = 9,366 m

Kết Luận :Trong phương án II ta có 6 cột thu sét với :

+ Chiều cao cột A,B,C,D là 17 m

+ Chiều cao cột E,F là 15 m

+ Bán kính bảo vệ của cột A,B,C,D là 4,875 m

+ Bán kính bảo vệ của cột E,F là 13,125 m

+ Độ cao thấp nhất được bảo vệ giữa 2 cột và bán kính bảo vệ tương hỗ của 2 cột có giá trị trong bảng sau

Cột ho(m) rox(m)

1.2.3.Phương án 3

• Ta bố trí hai dây thu sét dọc theo các điểm ABC và DEF Bốn cột ABDE dặt trên xà đỡ của hệ thống hai thanh góp 110KV hai cột C và F đặt trên nóc nhà điều khiển

• Vị trí của các cột đỡ dây như trên hình vẽ 1.13, 1.14

- Vì khoảng cách giữa các cột nhỏ lên ta không cần tính đến độ võng của dây chống sét

- Tính độ cao của dây thu sét phía thanh góp 110kV

+ Khoảng cách giữa hai dây : S =27m + Chiều cao cần bảo vệ: hx =11m +Giả sử ta thiết kế hai dây có độ cao bằng nhau để cho toàn bộ diện tích nằm trong hai dây được bảo vệ an toàn thì :

S ≤ 4ha ha: là độ cao tác dụng của dây ⇒ ha ≥

4

S =

4

27=6,75m Vậy độ cao tác dụng tối thiểu để đảm bảo phạm vi bảo vệ là 6,75m

⇒ Độ cao tối thiểu của dây thu sét là :

h = ha + hx = 6,75+11=17,75m

- Tính chiều cao của dây thu sét phía máy biến áp và nhà điều khiển : Khoảng cách giữa hai dây : S=27m

Độ cao cần bảo vệ hx= 5m Giả sử ta thiết kế hai dây có độ cao bằng nhau để toàn bộ diện tích giới hạn bởi hai dây được bảo vệ thì:

S ≤ 4ha ⇒ ha ≥

h = ha + hx = 6,75+5 =11,75 Vậy ta bố trí bốn cột đỡ dây ABDE bên phía hai hệ thống thanh góp 110kV cao 18m và hai cột C và F trên nóc nhà điều khiển cao 12m

hx=11m < h

3 2

⇒ Chiều rộng của phạm vi bảo vệ ở độ cao hx là:

bx= 1,2 h (1-

h

hx

8 ,

= 1,2

18(1-818 , 0

Ta có 11 , 25

3

2 3

hx = 11m < h

3 2

⇒ Chiều rộng của phạm vi bảo vệ ở độ cao hx là ;

bx = 1,2 h (1-

h

hx

8 ,

= 1,2 12 ( 1-

12 8 , 0

= 6,9m

- Phạm vi bảo vệ giữa 2 dây có độ cao 12m

+ Điểm thấp nhất của phạm vi bảo vệ giữa 2 dây là:

4 0

S h

h

hx h

5 1 25 , 5 6 , 0

= 0,15m

• Vẽ mặt bằng , mặt cắt của phạm vi bảo vệ:

+ Mặt bằng ( Hình 1.15) + Mặt cắt ( hình 1.16)

1.5 So sánh các phương án đưa ra phương án tối ưu

• Phương án 1

- Trong phương án này ta dùng 6 cột thu sét trong đó:

+ Bốn cột được đặt trực tiếp trên xà đỡ dây ở độ cao 11

4 cột có độ cao 15,5m ⇒ Chiều cao cột cần dựng là :

- Trong phương án này ta bố trí 6 cột thu sét trong đó:

+ Bốn cột được đặt trực tiếp trên xà đỡ dây ở độ cao 11m

4 cột có độ cao 17m ⇒ Chiều cao một cột cần dựng là:

- Nhận xét: Trong phương án này chiều cao các cột tương đối đồng đều Nhưng chiều cao 2 cột trên nóc nhà điều khiển tương đối lớn so với độ cao cần bảo vệ Phạm vi bảo vệ đảm bảo an toàn cho mọi thiết bị trong trạm

* Phương án 3

- Trong phương án này ta bố trí hai dây thu sét dọc theo hai hệ thống thanh góp tới nhà điều khiển Cột đỡ dây gồm 6 cột trong đó 4 cột đặt trực tiếp trên xà

đỡ dây ở độ cao 11m và 2 cột đặt trên nóc nhà điều khiển ở độ cao 5m

+ Chiều dài của dây thu sét :

h = 2 44 = 88m

+ Độ cao của cột đỡ dây:

Bốn cột đặt trên xà đỡ dây cao 18m ⇒ độ cao một cột cần dựng là :

- Nhận xét: Trong phương án này độ cao của cột đỡ dây tương đối đồng đều

dễ lắp đặt và bảo quản, phạm vi bảo vệ đảm bảo an toàn cho mọi thiết bị trong trạm Nhưng phải lắp đặt cả phần cột đỡ và phần dây tương đối dàI do vậy không có lợi về mặt kinh tế

* Kết luận: Trong 3 phương án trên xét về mặt kinh tế và kỹ thuật thì

phương án I có vốn đầu tư nhỏ nhất và phạm vi bảo vệ đảm bảo an toàn cho mọi thiết bị trong trạm hai phương án còn lại vốn đầu tư lớn hơn Vì vậy ta chọn phương án I để thiết kế và thi công cho trạm

CHƯƠNG II THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

*Nhiệm vụ chung

-Nhiệm vụ của hệ thống nối đất là tản dòng điện sét xuống đất để đảm bảo dòng điện trên thiết bị chống sét có trị số bé Trong việc bảo vệ quá điện áp, nối đất của trạm biến áp, của các cột thu lôi, của đường dây và của thiết bị chống sét rất quan trọng Trong hệ thống điện có 3 loại nối đất khác nhau:

+Nối đất làm việc: Nhiệm vụ của loại nối đất này là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc của một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã được quy định sẵn Loại nối đất này gồm có nối đất điểm trung tính của máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất của máy biến áp

đo lường và của kháng điện nằm trong bù ngang trên các đường dây tải điện đi

xa

+Nối đất an toàn hay còn gọi là nối đất bảo vệ: Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện bị hư hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận bình thường không mang điện ( vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, các giá đỡ, chân sứ ).Khi cách điện bị hỏng, trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế nhưng do đã được nối đất nên giữ được mức điện thế thấp do đó đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc với chúng

+Nối đất chống sét: Mục đích tản dòng điện sét vào trong đất ( khi có sét đánh vào cột thu sét hoặc dây thu sét ) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn do đó hạn chế được các phóng điện ngược tới công trình cần bảo vệ

- Ở các nhà máy điện và trạm biến áp về nguyên tắc phải tách rời các hệ

thống nối đất với nhau để đề phòng khi dòng điện ngắn mạch lớn hay dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất làm việc sẽ không gây điện thế cao trên hệ thống nối đất an toàn Nhưng trong thực tế điều đó khó thực hiện cho nên thường chỉ dùng một hệ thống nối đất Do đó hệ thống nối đất chung phải thoả mãn các yêu cầu của mọi thiết bị, hệ thống nối đất cần có điện trở nối đất bé nhất Điện trở nối đất của hệ thống này yêu sầu không được quá 0,5 Ω

-Để đảm bảo về yêu cầu nối đất cũng như để giảm khối lượng kim loại trong việc xây dựng hệ thống nối đất nên tận dụng các loại nối đất tự nhiên như:

+ Ống nước chôn dưới đất hay các ống kim loại khác ( không chứa các chất dễ nổ, cháy ),

+ Hệ thống dây chống sét – cột thu sét + Kết cấu kim loại của các công trình

- Khi dùng nối đất tự nhiên phải tuân theo các quy định của quy phạm

Nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thoả mãn các yêu cầu của thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất bé thì không cần làm thêm nối đất nhân tạo nữa Nhưng đối với các thiết bị có dòng ngắn mạch lớn thì cần phải nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số điện trở nối đất nhân tạo vẫn phải nhỏ hơn 1Ω

2.1 Phương pháp nối đất, các tham số ảnh hởng đến điện trở nối đất và hiện tợng phóng điện xung kích

2.1.1.Phương pháp nối đất

-Hệ thống nối đất bao gồm các điện cực được chôn trong đất để làm giảm nối đất theo tiêu chuẩn của từng loại đất Các điện cực thường là các thanh dài nằm ngang hoặc cột thẳng đứng để điện áp bước nhỏ, lối đất có thể là mạch vòng hoặc lới vuông Khi tính toán ta phân làm 2 loại:

+Nối đất tự nhiên: ta sử dụng các nối đất có sẵn như dây chống sét,cột thu sét, các kết cấu kim loại của công trình

+Nối đất nhân tạo : Nhằm mục đích đảm bảo điện trở nối đất của công trình khi nối đất tự nhiên không đảm bảo được

2.1.2.Các tham số ảnh hưởng đến nối đất

- Các tham số ảnh hưởng gồm: Kích thước hình học của điện cực, cách

bố trí điện cực, trị số điện trở xuất của đất

*Ảnh hưởng của kích thớc hình học:Trong trờng hợp tổng quát bất kỳ dạng nối đất nào cũng có sơ đồ thay thế như đường dây dài với tham số : r, l, g, c ( hình 2.1 )

Hình 2.1

Khi tính toán có thể bỏ qua r vì điện trở tác dụng của nối đất có thể nhỏ hơn nhiều so với điện trở tản của nối đất và bỏ qua điện dung c vì dòng điện dung cũng nhỏ ngay cả trường hợp sóng sung kích Điện cảm L và điện dẫn G phụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực hệ thống nối đất Sơ đồ thay thế rút gọn có dạng như hình 2.2

Hình 2.2

Khi có điện cảm L thì tác dụng của nó đối với dòng điện đi vào hệ thống nối đất khác nhau, với dòng điện có tốc độ biến thiên nhỏ như dòng điện công

nghiệp thì giá trị L nhỏ và có thể gây tác dụng không đáng kể Với dòng điện có tốc độ biến thiên lớn như dòng điện sét thì giá trị điện cảm rất lớn, điện cảm đối với dòng điện thể hiện ở thời gian quá độ T là thời gian mà dòng điện tính từ lúc chưa ổn định đến ổn định Với dòng điện sét thời gian quá độ T được tính từ thời điểm dòng điện bắt đầu đi vào hệ thống nối đất đến khi kết thúc quá trình quá

độ Thời gian tỷ lệ với điện cảm và điện dẫn của các hệ thống nối đất T ≡ L.g.l2 Khi dòng điện đi trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất với dòng điện thể hiện ở τđs và thời gian T

Khi T ≥ τđs dòng điện đạt cực đại quá trình chưa kết thúc, điện cảm L không thể bỏ qua trong tính toán và phản ứng của nối đất là một tổng trở có giá trị lớn hơn nhiều Trong trường hợp này tương tự như đường dây nối đất gọi là nối đất phân bồ dài

Khi T < τđs dòng điện đạt cực đại thời gian quá độ kết thúc và nối đất thể hiện như một điện trở tản Trường hợp này ứng với nối đất tập trung

*Ảnh hưởng của cách bố trí điện cực : Cách bố trí điện cực có ảnh hưởng rất lớn đến trị số của điện trở tản của

hệ thống nối đất Điều này thể hiện ở chỗ điện trường trong đất của các điện cực khác nhau nhiều so với trường hợp một cực đơn , có ngĩa là điện trở một cực của

hệ thống nối đất tỷ lệ với điện trở một cực qua hệ số

*Ảnh hởng của trị số điện trở xuất của đất Đất là môi trường phức tạp không đồng nhất về mặt kết cấu và thành phần

do đó điện trở xuất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố thành phần : độ ẩm, nhiệt

độ của đất Do khí hậu các mùa thay đổi nên giá trị điện trở xuất của đất cũng thay đổi Vì vậy khi thiết kế hệ thống nối đất trị số tính toán điện trở xuất của đất

ta phải thay đổi lấy trị số lớn nhất

Trị số đó được tính toán bởi công thức:

ρ = ρ đo KmùaTrong đó : ρđo : Điện trở xuất đo được của đất