ĐỒ ÁN MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

Untitled 1 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN  ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Sinh viên thực hiện TRIỆU ĐẠT Mã sinh viên 18810110079 Giáo viên hướng dẫn T S TRẦN H[.]

SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA DÔNG SÉT ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

Khái quát chung

Dông sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi khoảng cách giữa các điện cực khá lớn (khoảng 5km)

Hiện tượng phóng điện của dông sét chủ yếu gồm hai loại chính là phóng điện giữa các đám mây tích điện và phóng điện giữa đám mây và mặt đất Trong phạm vi nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào hiện tượng phóng điện mây - đất, đây là quá trình gây ra nhiều tác động tiêu cực đến đời sống con người Phóng điện mây - đất có thể gây ra thiệt hại về tài sản, gây nguy hiểm cho tính mạng và ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất, sinh hoạt hàng ngày Hiểu rõ về hiện tượng này giúp nâng cao khả năng phòng tránh và giảm thiểu thiệt hại do sấm sét gây ra.

Các đám mây tích điện với mật độ điện tích lớn tạo ra cường độ điện trường mạnh, dẫn đến dòng phát triển về phía mặt đất trong giai đoạn phóng điện tiên đạo Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo trong lần phóng điện đầu tiên là khoảng 1,5 x 10^7 cm/s, trong khi các lần phóng điện sau đó tăng lên khoảng 2 x 10^8 cm/s Trong một đợt sét, có thể xảy ra nhiều lần phóng điện liên tiếp do trong cùng một đám mây hình thành nhiều trung tâm tích điện khác nhau, khiến quá trình phóng điện diễn ra nhiều lần xuống đất.

Tia tiên đạo là môi trường plasma có điện tích rất lớn, với đầu tia nối vào trung tâm điện tích của đám mây, dẫn đến một phần điện tích truyền vào trong tia Điện tích này phân bố đều dọc theo chiều dài của tia xuống mặt đất Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, điện tích trái dấu tập trung trên mặt đất, với điểm tập trung phụ thuộc vào độ dẫn điện của đất Trong các vùng đất dẫn điện đồng nhất, điểm này nằm ngay phía dưới đầu tia, còn ở những vùng đất có độ dẫn điện không đồng đều, điện tích sẽ tập trung tại những nơi có điện dẫn cao hơn.

Quá trình phóng điện diễn ra theo đường sức nối giữa đầu tia tiên đạo và điểm tập trung điện tích trên mặt đất, xác định vị trí sét đánh Để định hướng các vụ sét, cần tạo ra các khu vực có mật độ tập trung điện tích lớn, từ đó giúp xác định điểm sét đánh trên mặt đất Chính vì vậy, việc bảo vệ công trình khỏi sét đánh trực tiếp dựa trên nguyên tắc lựa chọn các điểm có mật độ điện tích cao này của phóng điện sét.

Tham số phóng điện sét

Is = a T (1.1) trong đó a: là tốc độ đầu sóng

Is: biên độ dòng điện sét T:thời gian đầu sóng

Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số điện trở nhỏ không đáng kể)

Dòng điện sét là tham số chính trong phóng điện sét, có biên độ và độ dốc phân bố theo hàng biến thiên trong phạm vi rộng từ vài kilô Ampe đến vài trăm kilô Ampe Dạng sóng của dòng điện sét thường là dạng sóng xung kích, với điểm tăng vọt đặc trưng trong giai đoạn phóng điện ngược, như minh họa trong hình M-1.

- Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khí quyển và gây hậu quả nghiêm trọng như đã trình bày ở trên

Hình 1.1: sự biến thiên của dòng điện theo thời gian

Việt Nam có khí hậu nhiệt đới đặc trưng với cường độ dông sét khá mạnh, gây ảnh hưởng đáng kể đến đời sống và hoạt động hàng ngày Theo số liệu thống kê, mỗi miền đất nước Việt Nam đều có đặc điểm dông sét riêng biệt, phản ánh sự đa dạng của khí hậu và điều kiện thời tiết tại các vùng khác nhau Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu rõ các đặc điểm thời tiết để đảm bảo an toàn cho cộng đồng.

Trong khu vực miền Bắc, số ngày xuất hiện dông tối đa từ 70 đến 110 ngày mỗi năm, cho thấy mùa mưa bão kéo dài và kéo dài trong khoảng thời gian đáng kể Trung bình mỗi ngày có từ 2 đến 3 cơn dông, với tổng số lần dông hàng năm dao động từ 150 đến 300 lần, phản ánh tần suất dông bão khá cao và ảnh hưởng lớn đến sinh hoạt và sản xuất của người dân.

+ Vùng dông nhiều nhất trên miền Bắc là Móng Cái Tại đây hàng năm có từ 250 

300 lần dông tập trung trong khoảng 100  110 ngày Tháng nhiều dông nhất là các tháng

Các vùng có địa hình thuận lợi thường nằm giữa vùng núi và đồng bằng, nơi xảy ra số lượng dông tăng đột biến, lên tới 200 lần Trong khu vực này, số ngày xảy ra dông có thể lên tới 100 ngày mỗi năm, góp phần ảnh hưởng lớn đến khí hậu và thời tiết địa phương Các vùng còn lại cũng ghi nhận từ 150 đến 200 cơn dông mỗi năm, chủ yếu tập trung trong khoảng thời gian từ 90 đến 100 ngày, đòi hỏi các biện pháp phòng chống thiên tai phù hợp.

+ Nơi ít dông nhất trên miền Bắc là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có dưới 80 ngày dông

Xét về dạng diễn biến của dông trong năm, có thể nhận thấy mùa dông không hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nhìn chung, ở Bắc Bộ, mùa dông tập trung chủ yếu trong khoảng từ tháng [tháng bắt đầu] đến tháng [tháng kết thúc], thể hiện sự phân bố thời gian rõ ràng của hiện tượng này trong năm.

Từ tháng 5 đến tháng 9, khu vực Duyên Hải Trung Bộ, đặc biệt phía Bắc đến Quảng Ngãi, thường xuyên chịu ảnh hưởng của các đợt dông tố Trong khoảng thời gian này, tháng 4 ghi nhận nhiều dông nhất, còn từ tháng 5 đến tháng 8, trung bình mỗi tháng có khoảng 10 ngày có mưa dông Điều này cho thấy khí hậu vùng này rất bất ổn, dễ xảy ra mưa lớn và thời tiết cực đoan trong suốt các tháng hè.

Tháng 5 là tháng có nhiều ngày mưa dông nhất trong năm, với số ngày dông thường từ 12 đến 15 ngày, như Đà Nẵng trung bình có 14 ngày và Bồng Sơn khoảng 16 ngày trong tháng Trong các tháng đầu mùa, như tháng 4, số ngày dông ít hơn, chỉ từ 2 đến 5 ngày mỗi tháng, và tương tự vào tháng cuối mùa là tháng 10.

Khu vực phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) ít có dông nhất, trung bình khoảng 8-13 ngày dông mỗi tháng, như Tuy Hoà 10 ngày, Nha Trang 8 ngày, Phan Thiết 13 ngày Trong khi đó, miền Nam có mùa dông dài hơn và nhiều dông hơn, đặc biệt ở đồng bằng Nam Bộ với số ngày dông từ 120 đến 140 ngày/năm, như TP Hồ Chí Minh 138 ngày và Hà Tiên 129 ngày Mùa dông ở miền Nam kéo dài từ tháng 4 đến tháng 11, với trung bình 15-20 ngày dông mỗi tháng, tháng 5 là tháng có lượng dông nhiều nhất, trung bình trên 20 ngày, như TP Hồ Chí Minh 22 ngày và Hà Tiên 23 ngày Ngược lại, khu vực Tây Nguyên có mùa dông ngắn hơn và số ngày dông ít hơn, tháng 5 vẫn là tháng nhiều dông nhất, khoảng 15 ngày ở Bắc Tây Nguyên, 10-12 ngày ở Nam Tây Nguyên, còn Đà Lạt và Pleiku lần lượt khoảng 10-17 ngày dông trong tháng này.

Việt Nam là nước phải chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét, điều này đặt ra thách thức lớn cho ngành điện quốc gia Để đảm bảo an toàn và liên tục cung cấp điện, ngành điện cần đầu tư mạnh mẽ vào các thiết bị chống sét chuyên dụng, đồng thời các nhà thiết kế phải chú trọng khi tính toán thiết kế các công trình điện nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống, đảm bảo vận hành tiết kiệm, hiệu quả và bền vững trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện vn

Biên độ dòng sét có thể đạt tới hàng trăm kA, tạo ra nguồn nhiệt cực lớn khi dòng điện sét đi qua vật thể Dây tiếp địa không tốt có thể bị nóng chảy hoặc đứt do tác động của dòng sét, trong khi các cách điện bằng sứ cũng có thể vỡ và chảy ra như nhũ thạch khi bị sét đánh Phóng điện sét còn gây ra sự di chuyển của lượng điện tích lớn trong không gian, tạo ra từ trường rất mạnh gây nhiễu loạn vô tuyến và thiết bị điện tử Ảnh hưởng của sét lan rộng đến cả những nơi cách xa hàng trăm km.

Sét đánh trực tiếp vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần đường dây tạo ra sóng điện từ truyền dọc theo dây, gây quá điện áp làm hư hỏng cách điện và dẫn đến ngắn mạch pha-đất hoặc pha-pha Khi cách điện bị phá hỏng, các thiết bị bảo vệ đầu đường dây phải hoạt động để tránh thiệt hại lớn cho hệ thống Đối với các đường dây truyền tải công suất lớn, sóng sét có thể gây mất ổn định hệ thống, gây rối loạn và rã lưới nếu hệ thống tự động không phản ứng kịp thời Ngoài ra, sóng sét còn có thể truyền vào trạm biến áp hoặc sét trực tiếp đánh vào trạm, gây phóng điện trên cách điện của trạm biến áp, gây nguy hiểm nghiêm trọng cho hệ thống điện.

Ngắn mạch trên thanh góp có thể gây ra sự cố nghiêm trọng trong hệ thống điện Khi xảy ra phóng điện sét vào trạm biến áp, việc chống sét van tại đầu cực không hoạt động hiệu quả sẽ làm chọc thủng cách điện máy biến áp, dẫn đến thiệt hại lớn Do đó, việc lắp đặt và bảo trì các thiết bị chống sét, đảm bảo hiệu quả chống sét để bảo vệ máy biến áp và hệ thống điện luôn là ưu tiên hàng đầu.

Sét gây ra các sự cố lớn trong hệ thống điện, chiếm tỷ lệ đáng kể trong các sự cố lưới điện Do đó, dòng sét là nguy cơ hàng đầu và đe dọa nghiêm trọng đến hoạt động của hệ thống phân phối điện, gây ảnh hưởng lớn đến độ an toàn và ổn định của mạng lưới điện quốc gia.

Sau khi nghiên cứu tình hình dông sét tại Việt Nam, chúng ta nhận thấy dông sét ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của lưới điện Việc tính toán chống sét cho lưới điện và trạm biến áp là rất cần thiết để nâng cao độ tin cậy và an toàn hệ thống điện Áp dụng các giải pháp chống sét phù hợp giúp giảm thiểu rủi ro gây gián đoạn và thiệt hại do sét gây ra trong quá trình vận hành lưới điện.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110 kv

Mở đầu

Hệ thống điện gồm nhà máy điện, đường dây và trạm biến áp là một thể thống nhất, trong đó trạm biến áp đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng Khi thiết bị của trạm biến áp bị sét đánh trực tiếp, hậu quả có thể nghiêm trọng, gây hỏng hóc thiết bị và ngừng cung cấp điện lâu dài, ảnh hưởng đến sản xuất điện năng và các ngành kinh tế quốc dân Do đó, việc tính toán và áp dụng các biện pháp bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp ngoài trời là vô cùng cần thiết để đảm bảo an toàn và kinh tế, đồng thời bảo vệ toàn diện các thiết bị trong trạm khỏi ảnh hưởng của sét đánh.

Ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào các thiết bị trong trạm, chúng ta còn cần chú ý đến việc bảo vệ các đoạn dây dẫn gần trạm và các đoạn dây nối từ xà cuối cùng của trạm ra cột đầu tiên của đường dây Việc bảo vệ toàn diện giúp giảm thiểu rủi ro dẫn đến hư hỏng thiết bị và đảm bảo an toàn cho hệ thống truyền tải điện Chính vì vậy, thiết kế hệ thống chống sét cần xem xét kỹ lưỡng tất cả các phần của đường dây để đảm bảo hiệu quả tối đa.

Việc thiết kế hệ thống chống sét phù hợp phụ thuộc vào từng trạm cụ thể Hệ thống này phải đáp ứng cả yêu cầu kỹ thuật và kinh tế của từng trạm để đảm bảo sự an toàn và hiệu quả tối ưu Do đó, việc lựa chọn và tùy chỉnh hệ thống chống sét phải dựa trên đặc điểm riêng của từng trạm để đạt được hiệu quả cao nhất.

Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh thẳng

Tất cả các thiết bị bảo vệ phải được đặt hoàn toàn trong phạm vi an toàn của hệ thống bảo vệ để đảm bảo hiệu quả phòng chống sét Hệ thống cột thu sét có thể được lắp đặt trên các độ cao cố định của công trình như xà, cột đèn chiếu sáng hoặc được đặt độc lập, tùy thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và cấp điện áp Việc bố trí phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ và đảm bảo an toàn cho hệ thống lưới điện.

Khi lắp đặt hệ thống cột thu sét trực tiếp trên công trình, có thể tận dụng độ cao tự nhiên của công trình để giảm chiều cao của hệ thống thu sét, giúp tiết kiệm không gian và tăng tính thẩm mỹ Tuy nhiên, đối với các công trình mang điện, việc đặt hệ thống thu sét yêu cầu đảm bảo mức cách điện cao để phòng tránh rủi ro điện giật, cùng với trị số điện trở tản của bộ phận nối đất cần phải thấp để đảm bảo hiệu quả chống sét nhanh chóng, an toàn và tin cậy.

Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên, do có cách điện cao và khoảng cách giữa các thiết bị lớn, có thể đặt cột thu sét trên kết cấu của trạm Các trụ của kết cấu này phải được nối đất vào hệ thống đất của trạm phân phối qua đường ngắn nhất, tạo thành 3-4 cọc nối đất để phân tán dòng điện tích điện sẵn có Ngoài ra, mỗi trụ của kết cấu cần có hệ thống nối đất bổ sung nhằm giảm trị số điện trở đất xuống dưới 4Ω, đảm bảo an toàn và hiệu quả hệ thống chống sét.

Trong trạm biến áp ngoài trời có điện áp từ 110 kV trở lên, điểm yếu nhất là cuộn dây của MBA Để đảm bảo an toàn và bảo vệ thiết bị, khi sử dụng chống sét van để bảo vệ MBA, cần lưu ý khoảng cách giữa các điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA phải lớn hơn 15m theo đường điện Điều này giúp hạn chế nguy cơ phóng tia lửa và tăng cường hiệu quả chống sét, đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và ổn định.

Khi thiết kế hệ thống thu sét, cần đảm bảo khoảng cách hợp lý giữa hệ thống và công trình để tránh hiện tượng phóng điện trong không khí và đất Việc duy trì khoảng cách đủ lớn giúp giảm thiểu nguy cơ sự cố gây ảnh hưởng đến an toàn của công trình và người sử dụng Do đó, khoảng cách cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn của hệ thống chống sét.

Phần dẫn điện của hệ thống thu sét cần có tiết diện đủ lớn để đảm bảo đáp ứng điều kiện ổn định nhiệt khi dòng điện sét đi qua Việc lựa chọn tiết diện phù hợp giúp hệ thống thu sét hoạt động an toàn, tránh quá nhiệt và đảm bảo khả năng dẫn điện tối ưu trong mọi điều kiện thời tiết Đảm bảo tiết diện dẫn điện phù hợp là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống chống sét nhằm bảo vệ các công trình và thiết bị điện khỏi tác động của sét.

Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét

2.3.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét: a) Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là vùng đất nằm trong giới hạn của mặt ngoài hình chóp tròn xoay có đường kính xác định theo công thức cụ thể Việc xác định chính xác phạm vi này giúp tối ưu hóa hiệu quả phòng chống sét và đảm bảo an toàn cho khu vực được bảo vệ Hiểu rõ phạm vi bảo vệ của cột thu sét là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống chống sét nhằm bảo vệ tối đa tài sản và con người khỏi tác động của sét đánh.

Trong thiết kế hệ thống chống sét, công thức tính phạm vi bảo vệ của cột thu sét dựa trên độ cao của cột và vật cần bảo vệ Cụ thể, h là độ cao của cột thu sét, hx là độ cao của vật cần bảo vệ, và ha là độ cao hiệu dụng của cột thu sét, được tính bằng hiệu số giữa h và hx Bán kính phạm vi bảo vệ rx xác định phạm vi an toàn xung quanh cột Để đơn giản và thuận tiện trong quá trình tính toán, phạm vi bảo vệ thường được mô phỏng dưới dạng hình chóp có đường sinh là đường gãy khúc, như minh họa trong hình vẽ 2-1.

Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau được tính toán theo công thức sau + Nếu hx ≤ 2

Hình 2- 1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

Các công thức trên chỉ áp dụng chính xác cho cột thu sét có chiều cao dưới 30m Hiệu quả của cột thu sét cao trên 30m giảm đi do độ cao hướng của sét giữ ở mức cố định Do đó, khi thiết kế hệ thống chống sét, cần lưu ý giới hạn chiều cao của cột để đảm bảo hiệu quả tối đa Công thức tính chiều cao tối ưu của cột thu sét thường dựa trên các tham số như h, a, b, c, và a h, trong đó chiều cao tối ưu đạt khoảng 0,8h.

Bạn có thể sử dụng các công thức trên để tính phạm vi bảo vệ, chú ý nhân với hệ số hiệu chỉnh p, trong đó p = 5,5 √ ℎ Trong hình vẽ, phạm vi bảo vệ được thể hiện bằng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp Đối với trường hợp có hai hay nhiều cột thu sét, phạm vi bảo vệ sẽ được xác định dựa trên sự kết hợp các vùng bảo vệ của từng cột để đảm bảo an toàn tối đa.

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệ của hai cột đơn, giúp tăng độ an toàn cho hệ thống chống sét Để hai cột thu sét có thể phối hợp hiệu quả, khoảng cách giữa chúng phải thỏa mãn điều kiện a < 7h, trong đó h là chiều cao của cột, nhằm đảm bảo khả năng bảo vệ tối ưu.

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

Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h và đặt cách nhau khoảng cách a (với điều kiện a < 7h), độ cao lớn nhất của vùng bảo vệ nằm giữa hai cột thu sét có thể được tính toán dựa trên các yếu tố này Việc lựa chọn khoảng cách phù hợp giữa các cột thu sét là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả bảo vệ tối đa, đặc biệt khi khoảng cách a nhỏ hơn 7 lần chiều cao h của cột Đây là một trong những yếu tố chính quyết định khả năng phát hiện và xả sét của hệ thống thu sét trong khu vực cần bảo vệ.

Sơ đồ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau

Hình 2- 2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét giống nhau

Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì ngoài các hiệu chỉnh như trong phần chú ý của mục 1 thì còn phải tính h o theo công thức:

ℎ 𝑜 = h - 7𝑝 𝑎 ( 2– 7) c) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau

Giả sử có hai cột thu sét: cột 1 có chiều cao h 1 , cột 2 có chiều cao h 2 và h1 > h2 Hai cột cách nhau một khoảng là a

Đầu tiên, xác định phạm vi bảo vệ của cột cao h₁ Sau đó, từ đỉnh cột thấp h₂, vẽ đường thẳng nằm ngang để gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao tại điểm 3 Điểm này thể hiện vị trí quan trọng trong quá trình xác định phạm vi bảo vệ cột, giúp đảm bảo an toàn và chính xác trong công tác thi công, lắp đặt cột điện.

Trong hệ thống cột thu sét giả định, 12 xem là đỉnh của cột, tạo thành đôi cột cùng chiều cao H2 Một cột thấp hơn H2 được đặt gần đó, tạo thành đôi cột cao bằng nhau với khoảng cách a’ Phần còn lại của phạm vi bảo vệ của cột 1 được xác định dựa trên công thức 𝑎′ = 𝑎 − 𝑥, đảm bảo hiệu quả bảo vệ tối ưu cho hệ thống chống sét.

Hình 2- 3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét khác nhau d) Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột ( số cột >2)

Một nhóm cột sẽ tạo thành một đa giác, trong đó phạm vi bảo vệ được xác định dựa trên toàn bộ miền của đa giác đó Phạm vi này bao gồm cả phần giới hạn bao ngoài, tương tự như phạm vi bảo vệ của từng cặp cột riêng lẻ, đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong việc bảo vệ khu vực.

Hình 2- 4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột

Vật có độ cao h x nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:

Với D là đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét

Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét: a) Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét có khả năng bao phủ một dải rộng, đảm bảo an toàn cho khu vực xung quanh Chiều rộng của phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào độ cao của dây thu sét, được thể hiện rõ qua mức cao h x trong hình vẽ Cụ thể, phạm vi bảo vệ tăng lên khi chiều cao h của dây thu sét tăng, với mối quan hệ cụ thể là h 2 và 0,2h 2 Điều này giúp xác định chính xác vùng bảo vệ để tối ưu hóa hiệu quả chống sét và đảm bảo an toàn tối đa cho công trình và người sử dụng.

Downloaded by hây hay (vuchinhhp3@gmail.com)

Hình 2- 5: Phạm vi bảo vệ của một day thu sét

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta có các hoành độ 0,6h và 1,2h

Khi chiều cao của cột vượt quá 30m, điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo quy định Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét phải đảm bảo an toàn và hiệu quả, đặc biệt khi phối hợp sử dụng hai dây thu sét Để đạt hiệu quả tối ưu, khoảng cách giữa hai dây thu sét phải thỏa mãn điều kiện s < 4h, giúp đảm bảo phạm vi bảo vệ rộng và đồng bộ.

Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao

Phạm vi bảo vệ như hình vẽ

Hình 2- 6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét a' b c a h 0,8h

Phần ngoài của phạm vi bảo vệ của một dây dây dẫn được xác định dựa trên giới hạn của nó, trong khi phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm quan trọng: hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao h - 4 s so với mặt đất Việc xác định chính xác phạm vi bảo vệ giúp tăng hiệu quả phòng chống sét và đảm bảo an toàn cho công trình.

Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ

Dựa trên sơ đồ kết cấu của trạm, chúng ta chỉ xác định được diện tích mặt bằng mà chưa rõ vị trí của các thiết bị bên trong Vì vậy, việc bố trí cột thu sét cần tập trung vào việc bảo vệ toàn bộ phần diện tích mặt bằng có độ cao hₓ Điều này giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình chống sét cho trạm điện.

- Điện trở suất của đất: 𝜌 v

- Đường dây: dây chống sét là dây C-70

- Điện trở nối đất của cột điện đường dây: Rc= 10

Ta có sơ đồ bố trí của trạm điện 220/110 kV phía 220 kV:

Đề xuất phương án bố trí cột và dây chống sét cho trạm biến áp

- Các xà phía 220kV cao 16,5m

- Khu vực chứa các xà phía 220kV có độ cao cần bảo vệ là h x = 16,5m

+ Bước 1: Chọn vị trí đặt cột thu lôi

+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng lớn nhất của từng phía h a max

+ Bước 3: Tính chiều cao của cột thu lôi các phía: h = h x + ha max

+ Bước 4: Tính và vẽ phạm vi bảo vệ và kiểm tra

2.5.1 Phương án 1: Cột thu sét được đặt tại các vịtrí đầu xà

Trong phương án này, ta sử dụng 30 cột thu sét được bố trí trên mặt bằng trạm biến áp như hình vẽ:

+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:

Các cột thu lôi tạo thành lưới cột, do đó, lưới này cần được chia thành các nhóm đa giác đỉnh để dễ dàng phân tích Trong quá trình này, ta tính độ cao hiệu dụng h_a của từng nhóm cột dựa trên các điều kiện đã đề ra Việc chia lưới cột thành các nhóm đa giác giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và đảm bảo an toàn trong hệ thống chống sét Đồng thời, việc xác định chính xác độ cao hiệu dụng h_a là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả bảo vệ tối đa cho hệ thống thu lôi.

Suy ra: h a≥h x + 𝐷 Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh.8

 Xét nhóm cột 1-2-8-7 tạo thành hình chữ nhật: a1-2 = 34 m ; b2-8 m

Nhóm cột này tạo thành hình chữ nhật có đường chéo là:

Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi ha≥ 38,01 8 = 4,75 ( m)

Vậy độ cao hiệu dụng của cột thu sét là 4,75 m

 Xét nhóm cột 13-14-20-19 tạo thành hình chữ nhật: a = 34m ; b m

Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi ha≥ 38,01 8 = 4,75( m)

 Xét nhóm cột 3-4-10-9 tạo thành hình chữ nhật: a = 17m ; b m

 Xét nhóm cột 7-8-14-13 tạo thành hình chữ nhật: a = 34 m ; b m

Các nhóm còn lại tính tương tự ta có bảng tổng hợp kết quả sau:

Nửa chu vi D ha h a max

Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là: ha-msx= 8,9

Chiều cao tối đa cần bảo vệ phía 220kV là h_x,5 mét, và chiều cao của các nhóm cột thu sét được tính bằng công thức h = h_x + h_a-max = 16,5 + 8,9 = 25,4 mét Để thuận tiện trong quá trình thi công và tối ưu hóa độ an toàn cho thiết bị, cột thu sét được nâng lên thành 27 mét.

+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi

Trong phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo đa giác đỉnh, phần diện tích bên trong đã được bảo vệ Chiều cao của các cột thu sét đều dưới 30 mét, do đó không cần áp dụng hệ số hiệu chỉnh p trong công thức tính.

 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét được bố trí như hình vẽ:

- Phạm vi bảo vệ của từng cột riêng rẽ:

Trạm 220/110 kV được bảo vệ bởi 30 cột có chiều cao bằng nhau, vì thế ta chỉ cần tính bán kính bảo vệ cho một cột, là cột 1.

Ta có: r x là bán kính bảo vệ của một cột h = 21 m là chiều c ao c ủ a m ộ t c ộ t thu lôi h x = 11m là độ cao công trình cần bảo vệ do h x = 16,5(m) < 2

V ậ y bán kính b ả o v ệ c ủ a 1 c ộ t thu lôi v ới độ cao c ầ n b ả o v ệ h x = 16,5 m là: r x =1,5.h.(1- ℎ 𝑥

- Phạm vi bao vệ giữa các cặp cột:

+ Xét cặp cột (1,2): khoảng cách giữa 2 cột là 34 m

3 22,14 = 14,76(m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi (1 -2) là: r 0x1-2 = 0,75.h 0 (1- x

22,14 ) = 4,23 (m) + Xét cặp cột (1 -7 ): khoảng cách giữa 2 cột là 17 m

3 24,57 = 16,38 (m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi (1 -7) là: r 0x1-7 = 0,75.h 0 (1- x

Phạm vi bảo vệ của 2 cột có độ cao bằng nhau và 2 cột có độ cao khác nhau:

Ta có phạm vi bảo vệ của phương án 1 như hình vẽ:

Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra.

Tổng số cột là 30 cột, cao 27 m

Tổng chiều dài kim thu sét là : L 1 = 30.(27-16,5) = 315 (m)

2.5.2 Phương án 2: ta thay đổi sốlượng các cột thu sét

+ Bước 1: Ta bố trí 24 cột thu lôi ở các vị trí như hình vẽ sau:

- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là hx = 16,5 m

Sơ đồ bố trí cột được trình bày ở hình dưới

+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:

Các cột thu lôi tạo thành lưới cột được chia thành các nhóm đa giác đỉnh để dễ quản lý và phân tích Đối với từng nhóm cột, ta tính toán độ cao hiệu dụng hₐ dựa trên các điều kiện cụ thể nhằm đảm bảo tối ưu hóa hiệu quả chống sét Việc phân chia lưới cột thành các nhóm đa giác giúp chọn lựa các cột phù hợp, nâng cao khả năng bảo vệ và tăng độ tin cậy của hệ thống chống sét.

8 Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh

Tính tương tự phương án 1 ta có bảng tổng hợp kết quả sau:

Phía 220 kV Chiều dài (a) Chiều rộng(b)

Nửa chu vi D ha ha max

Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp

Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét, ta chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm như sau:

- Phía 220kV có hamax = 9,5 m Độ cao lớn nhất cần bảo vệ h x = 16,5 m

Do đó, độ cao các cột thu sét phía 220kV là: h = ha + hx = 16,5 + 9,5= 26( m)

+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi

Trong phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo đa giác đỉnh, phần diện tích bên trong đã được bảo vệ Chiều cao các cột thu sét đều nhỏ hơn 30m, do đó không cần áp dụng hệ số hiệu chỉnh p trong công thức tính.

Tương tự phương án 1 ta có phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét như sau:

Ta có phạm vi bảo vệ của phương án 2 như hình vẽ:

Qua tính toán ta thấy, sơ đồ bố trí cọc đảm bảo yêu cầu bảo vệ hết hệ thống thanh góp cho trạm phía 220 kV

Tổng chiều dài kim thu sét là:

2.6 So sánh và tổng kết phương án

+ Phương án 1 đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật , và đảm bảo yêu cầu bảo vệ cho các thiết bị trong trạm

+ Phương án 2 đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật , và đảm bảo yêu cầu bảo vệ cho các thiết bị trong trạm

So sánh 2 phương án ta có bảng nhận xét:

Phương án Yêu cầu kỹ thuật Số cột Chiều dài thép

Chúng tôi chọn phương án 2 để thiết kế hệ thống chống sét cho trạm biến áp vì phương án này sử dụng ít thép hơn, giúp giảm chi phí và đảm bảo hiệu quả bảo vệ công trình Việc giảm lượng thép trong cấu trúc không ảnh hưởng đến khả năng chống sét, đồng thời tối ưu hóa vật liệu xây dựng Chọn phương án 2 là lựa chọn hợp lý để cân bằng giữa hiệu quả chống sét và tiết kiệm nguồn lực.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

Mở đầu

Nối đất là quá trình kết nối các bộ phận kim loại có nguy cơ tiếp xúc với dòng điện do hư hỏng cách điện đến hệ thống đất để đảm bảo an toàn Trong hệ thống điện, có ba loại nối đất chính gồm nối đất bảo vệ, nối đất chức năng và nối đất hệ thống, giúp đảm bảo an toàn và hoạt động hiệu quả của hệ thống điện Việc nắm rõ các loại nối đất này là cần thiết để đảm bảo an toàn điện cho người và thiết bị trong quá trình sử dụng.

Nối đất an toàn đảm bảo an toàn cho người dùng bằng cách liên kết các bộ phận kim loại bình thường không mang điện như vỏ máy, thùng máy biến áp và các giá đỡ kim loại vào đất, giúp hạn chế mức điện thế khi cách điện bị hư hỏng Điều này ngăn chặn nguy cơ điện giật khi tiếp xúc với các bộ phận này Thực hiện đúng kỹ thuật nối đất nhằm duy trì mức điện thế thấp, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người vận hành và thiết bị.

Nối đất làm việc có nhiệm vụ đảm bảo hoạt động bình thường của thiết bị hoặc một số bộ phận của thiết bị theo chế độ đã quy định Loại nối đất này bao gồm nối đất điểm trung tính MBA trong hệ thống điện có điểm trung tính nối đất, nối đất của MBA đo lường và các kháng điện bù ngang trên các đường dây tải điện đi xa nhằm đảm bảo an toàn, ổn định và hiệu quả vận hành của hệ thống điện.

Nhiệm vụ của hệ thống nối đất chống sét là dẫn dòng điện sét an toàn vào đất nhằm giảm thiểu nguy cơ gây hư hỏng cho các công trình điện Đây giúp duy trì điện thế ổn định trên thân cột thu sét và đường dây trong trường hợp có sét đánh xuống, hạn chế các phóng điện ngược gây tổn thất Việc thiết kế hệ thống nối đất hiệu quả góp phần bảo vệ an toàn cho hệ thống điện và giảm thiểu rủi ro về cháy nổ hoặc hỏng hóc do sét đánh.

Các yêu cầu kĩ thuật

Bộ phận nối đất cần có trị số điện trở tản càng thấp càng tốt để đảm bảo an toàn Tuy nhiên, giảm điện trở tản đòi hỏi sử dụng nhiều kim loại và chi phí thi công cao, gây tăng chi phí tổng thể Vì vậy, việc xác định tiêu chuẩn nối đất phù hợp và lựa chọn phương án nối đất hiệu quả về mặt kinh tế là rất quan trọng, đồng thời phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo an toàn hệ thống điện.

Trị số điện trở nối đất cho phép của hệ thống được xác định để đảm bảo an toàn, nhằm giữ cho các trị số điện áp bước và điện áp tiếp xúc không vượt quá giới hạn an toàn trong mọi tình huống Theo tiêu chuẩn hiện hành, quy trình thiết lập tiêu chuẩn nối đất quy định rõ ràng các giá trị và phương pháp kiểm tra đảm bảo an toàn điện cho hệ thống điện.

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

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

𝑡𝑡 (𝛺) (3 – 1) Nếu chỉ dùng cho các thiết bị cao áp

𝑡𝑡 (𝛺) (3 – 2) Nếu dùng cho cả cao áp và hạ áp

Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, hệ thống nối đất làm việc và nối đất an toàn thường được liên kết thành hệ thống chung để đảm bảo an toàn Khi thiết lập hệ thống nối đất, cần lựa chọn loại nối đất có điện trở tiếp đất nhỏ nhất để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật Trong quá trình thi công, cần tận dụng các hình thức nối đất sẵn có như các đường ống, kết cấu kim loại của công trình chôn trong đất hoặc móng bê tông cốt để tăng hiệu quả và giảm chi phí.

25 thép Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia

Do dây nối đất hoạt động trong môi trường không đồng nhất (đất – bê tông), điện trở suất của nó cao hơn so với đất thuần túy Vì vậy, trong quá trình tính toán, cần lấy điện trở suất tăng lên 25% để đảm bảo độ chính xác và an toàn trong hệ thống tiếp đất.

Khung cốt thép là dạng lưới không phải cực đặc, do đó không cần hiệu chỉnh bằng cách nhân hệ số β = 1,4, hệ số này dùng để chuyển đổi từ dạng cực lưới sang cực đặc.

Đối với các thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất nhỏ khi điện trở tản của các phần nối đất đã đạt yêu cầu, không cần phải thực hiện nối đất bổ sung Tuy nhiên, đối với các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất lớn, cần lắp đặt hệ thống nối đất nhân tạo với trị số điện trở tản không quá 1Ω để đảm bảo an toàn Việc kiểm tra và thiết lập hệ thống nối đất phù hợp giúp giảm thiểu nguy cơ rò rỉ, sốc điện và đảm bảo thiết bị hoạt động an toàn, ổn định.

Nối đất chống sét thông thường đảm bảo an toàn cho hệ thống chống sét bằng cách kết nối đất của cột thu sét, cột điện và hệ thống nối đất tại trạm biến áp cũng như nhà máy điện Việc nối đất này giúp phòng ngừa sự cố do sét gây ra, giảm thiểu thiệt hại thiết bị và đảm bảo an toàn cho người vận hành hệ thống điện Hệ thống nối đất chống sét hiệu quả cần được thiết kế đúng quy chuẩn, đảm bảo khả năng dẫn truyền sét về đất một cách nhanh chóng và an toàn.

Bộ phận nối đất của cột thu sét và cột điện thường được bố trí độc lập, không có liên hệ với các bộ phận khác, do đó cần sử dụng hình thức nối đất tập trung để đảm bảo hiệu quả tản dòng điện tối ưu Hiện nay, tiêu chuẩn nối đất cột điện được quy định dựa trên điện trở suất của đất, nhằm nâng cao khả năng dẫn dòng và đảm bảo an toàn hệ thống điện.

Khi đường dây đi qua các vùng đất ẩm có độ dẫn điện 𝜌 ≤ 3 × 10^4 Ω·cm, nên tận dụng phần nối đất có sẵn của móng và chân cột bê tông để tăng cường hoặc thay thế cho phần nối đất nhân tạo, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống chống sét.

Trong hệ thống thu sét cho các trạm biến áp, khi bộ phận thu sét được đặt ngay trên xà trạm, phần nối đất chống sét phải được kết nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm, nhằm đảm bảo hiệu quả chống sét Tuy nhiên, việc này dẫn đến xuất hiện nối đất phân bố dài gây Z_xk lớn, làm tăng điện áp giáng gây phóng điện trong đất; do đó, chỉ áp dụng cho các trạm biến áp có cấp điện áp ≥110kV Ngoài ra, cần thực hiện các biện pháp bổ sung như giữ khoảng cách tối thiểu 15m theo mạch dẫn điện trong đất từ chỗ nối đất của hệ thống thu sét để đảm bảo an toàn.

Lý thuyết tính toán nối đất

Tính toán nối đất an toàn

Với cấp điện áp lớn hơn 110kV nối đất an toàn phải thoả mãn điều kiện là:

- Điện trở nối đất của hệ thống có giá trị R≤0,5𝛺

- Cho phép sử dụng nối đất an toàn và nối đất làm việc thành một hệ thống Điện trở nối đất của hệ thống

RTN: điện trở nối đất tự nhiên

RNT: điện trở nối đất nhân tạo

Trong phạm vi đề tài, chúng tôi tập trung phân tích hệ thống chống sét đường dây và cột điện 110kV và 220kV nối đất tự nhiên của trạm Hệ thống nối đất tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thiết bị và ngăn ngừa sự cố điện do sét gây ra Các phương pháp nối đất này giúp giảm nguy cơ gây hỏng hóc và đảm bảo an toàn cho hệ thống truyền tải điện Việc đánh giá hiệu quả của hệ thống chống sét đường dây và cột điện 110kV, 220kV dựa trên đặc điểm của đất tự nhiên tại trạm là rất cần thiết để nâng cao độ tin cậy và an toàn hệ thống lưới điện quốc gia.

Ta có công thức tính toán như sau

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

Rc: là điện trở nối đất của cột điện

Xét trường hợp đơn giản nhất là trường hợp điện cực hình bán cầu

Dòng điện trạm đất I đi qua nơi sự cố sẽ tạo nên điện áp giáng trên bộ phận nối đất U=I R (3 – 5)

R: là điện trở tản của nối đất

Theo tính toán xác định được sự phân bố điện áp trên mặt đất theo công thức:

Trong thực tế, hệ thống nối đất thường sử dụng cọc dài 2-3 mét làm bằng sắt tròn hoặc sắt góc, được chôn thẳng đứng hoặc nằm ngang ở độ sâu từ 0,5 đến 0,8 mét theo hình tia hoặc mạch vòng, cùng với các hình thức tổ hợp của các phương pháp này Trị số điện trở tản của hệ thống nối đất cọc được xác định dựa trên các công thức đã được cung cấp trước đó Đặc biệt, đối với hình thức nối đất chôn nằm ngang, người ta có thể áp dụng công thức chung để tính trị số điện trở tản xoay chiều, đảm bảo hiệu quả trong quá trình nối đất và đảm bảo an toàn hệ thống điện.

L: chiều dài tổng của điện cực d: đường kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn.với thép góc d= 0.95 b Nếu dùng sắt dẹt trị số d thay bằng 𝑏

2 (b - chiều rộng của sắt dẹt) t: độ chôn sâu

K: hệ số phụ thuộc vào sơ đồ nối đất (tra bảng)

Hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu vi mạch vòng có thể được tính toán chính xác nhờ công thức xác định điện trở tản Việc tính toán này đảm bảo hiệu quả của hệ thống nối đất, góp phần bảo vệ thiết bị điện và đảm bảo an toàn cho người sử dụng Áp dụng các công thức phù hợp giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống nối đất, đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn và chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Rc: điện trở tản của một cọc

Rt: điện trở tản của tia hoặc của mạch vòng n : số cọc

𝜂 𝑡 : hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng

𝜂 𝑐 : hệ số sử dụng của cọc

Tính toán nối đất chống sét ở đây phải đề cập tới cả hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất

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

- Quá trình phóng điện trong đất

Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung), không cần xem xét quá trình quá độ mà chỉ tập trung vào quá trình phóng điện trong đất Ngược lại, với nối đất sử dụng hình thức tia dài hoặc mạch vòng phân bố dài, cần đánh giá cả quá trình quá độ và phóng điện, vì chúng ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả nối đất Điện trở tản xung kích của hệ thống nối đất tập trung là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống chống sét.

Điện trở tản xung kích không phụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực mà chủ yếu được xác định bởi biên độ dòng điện I, điện trở suất 𝜌 và đặc tính xung kích của đất, theo các nghiên cứu và tính toán kỹ lưỡng.

Vì trị số điện trở tản xoay chiều của nối đất tỉ lệ với 𝜌 nên hệ số xung kích có trị số là

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 3-1: Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất

Trong các trường hợp thông thường, điện trở tác dụng R có thể bỏ qua do giá trị của nó rất nhỏ so với điện trở tản Ngoài ra, phần điện dung C cũng không cần thiết phải xem xét, ngay cả trong trường hợp sóng xung kích, dòng điện qua điện dung rất nhỏ so với dòng qua điện trở tản.

Sơ đồ đẳng trị lúc này có dạng:

Hình 3 – 2: Sơ đồ đẳng trị thu gọn

Trong sơ đồ thay thế trên thì:

Lo: Điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài

Go: Điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài

Trong đó: l: Chiều dài cực r: Bán kính cực ở phần trước nếu cực là thép dẹt có bề rộng b (m)

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

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

− 𝜕𝑥 𝜕𝐼 = 𝐺𝑜 𝑈 (3 – 14) Giải hệ phương trình này ta được điện áp tại điểm bất kỳ và tại thời điểm t trên điện cực:

Từ đó ta suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất

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

Việc giảm điện áp và mật độ dòng điện ở các phần xa của điện cực làm yếu quá trình phóng điện trong đất tại những khu vực này so với đầu vào của nối đất Do đó, điện dẫn của hệ thống nối đất không chỉ phụ thuộc vào dòng điện I và điện trở suất 𝜌 mà còn bị ảnh hưởng bởi tọa độ không gian Tính toán tổng trở hệ thống trong điều kiện này rất phức tạp và chỉ có thể thực hiện bằng các phương pháp gần đúng; trong phạm vi của đề tài, ta có thể bỏ qua quá trình phóng điện trong đất để đơn giản hóa bài toán.

Tính toán nối đất an toàn

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

Dây chống sét ta sử dụng loại C-70 có ro =2,38 𝛺/𝑘𝑚

Ta có điện trở suất của đất 𝜌 = 76 𝛺 cm

Theo công thức ta có:

𝑅𝑐𝑠 + 14 Trong đó: n- số lộ dây

-Đối với các lộ đường dây chống sét 220 KV:

Ta thấy rằng RTN< 0,5 , tuy nhiên trên thực tế điều kiện đất thay đổi nên ta cần phải nối đất nhân tạo

Nối đất nhân tạo ở đây ta sử dụng hình thức nốt đất bằng thanh ngang dẹt

50x5mm, chôn sâu 0,8m, vòng quanh chu vi khu vực xà tường bao của trạm và cách tường bao 3m

Chu vi và diện tích mạch vòng nối đất của trạm:

Biến đổi mạch vòng về hình chữ nhật tương đương có kích thước l 1 , l2như sau.

Trong đó: l 1 ,l2 là nghiệm của hệ phương trình:

{2 (l1+ l2) = 600m l 1 l 2 = 18180m 2 => {l 1 = 215,72 m l 2 = 84,27 m Điện trở mạch vòng của trạm là :

L: chu vi của mạch vòng t: độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng, lấy t =0,8 m

𝜌 𝑡𝑡 : điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t

Tra bảng với thanh ngang chôn sâu 0,8 m ta có k mùa =1,6

⇒𝜌𝑡𝑡= 76 1,6 = 121,6 (𝛺 m) d: đường kính thanh làm mạch vòng : 0,5.b = 0,5 * 0,05 = 0,025 m

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

Bảng 3 – 1: Hệ số K phụ thuộc vào (l1/l2)

Nội suy ta xác định được :

Như vậy điện trở mạch vòng là :

Vậy điện trở nối đất của hệ thống là:

Hệ thống thiết kế nối đất như trên đảm bảo an toàn cho trạm biến áp 220/ 110 kV

Trong thiết kế hệ thống nối đất chống sét cho trạm biến áp 110/220kV, việc kết hợp nối đất chống sét chung với nối đất an toàn là hoàn toàn khả thi Hệ thống nối đất chống sét được xây dựng theo dạng mạch vòng phân bố dài, nhằm đảm bảo hiệu quả thoát sét tối ưu và an toàn cho thiết bị Việc sử dụng cấu trúc nối đất này giúp giảm thiểu nguy cơ gây hư hỏng do sét và nâng cao độ an toàn cho hệ thống điện công nghiệp.

Giá trị của Lo và Gođược xác định như sau:

*Tính Lo: Theo công thức ta có:

Trong đó: l là chiều dài điện cực l = L 2 = 600 2 = 300 m r: bán kính điện cực

*Tính Go: Áp dụng công thức:

R: điện trở xoay chiều tính cho mùa sét

Vì ta thực hiện việc nối đất bằng cách sử dụng một mạch vòng bao quanh trạm mà không đóng thêm cọc, nên giá trị điện trở nhân tạo mùa sét được tính theo công thức chuẩn Việc xác định điện trở nhân tạo đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn hệ thống điện trong mùa mưa bão Công thức tính điện trở nhân tạo giúp đánh giá khả năng tiêu tán sét hiệu quả của hệ thống nối đất, giảm thiểu nguy cơ chập cháy do sét đánh Áp dụng đúng công thức này là bước cần thiết để thiết lập hệ thống chống sét tối ưu, nâng cao độ bền và an toàn cho trạm điện trong mùa mưa.

𝑚𝑢𝑎 𝑎𝑡 𝑘𝑚𝑢𝑎 𝑠𝑒𝑡 , kmùa at = 1,6 và kmùa set = 1,25

1,6 = 0,471 𝛺 Thay s ố vào ta được điệ n d ẫ n c ủa điệ n c ự c là:

*Tính phân bốđiện áp và tổng trở xung kích của hệ thống nối đất

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

Phương trình sóng có dạng như sau và được thể hiện ở hình 2-5:

Hình 3- 5: Đồ thị dạng sóng của dòng điện sét

Với biên độ dòng điện sét là I 0 kA Độ dốc của dòng sét là a0 kA/𝜇s

Nên thời gian đầu sóng là đs= 𝐼

𝑎 = 150 30 = 5(𝜇 s) Theo công thức ta có tổng trở xung kích của hệ thống nối đất nhân tao là:

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

𝑘=1 ] Để xác định được Z(0, đs), ta xét các chuỗi số sau:

Trong chuỗi số này, chúng ta chỉ tập trung vào các số hạng chứa e^{-4}, vì các số hạng từ e^{-5} trở đi có giá trị rất nhỏ và có thể bỏ qua Do đó, việc xác định số hạng k phù hợp để tính toán chính xác hơn là điều cần thiết, giúp tối ưu hóa quá trình phân tích và đảm bảo độ chính xác của kết quả.

Ta chọn k trong khoảng từ 17 (kZ + )

Bảng 3 – 3: Bảng tính toán chuỗi ∑ ∞ 𝑘=1 𝑘 1 2 𝑒 − 𝜏𝑑𝑠 𝑇𝐾

Từ bảng trên ta có

Kiểm tra điện áp trên các thiết bị

Trong trạm biến áp, máy biến áp là thành phần quan trọng nhất, đồng thời cũng là phần tử yếu nhất cần được kiểm tra định kỳ để đảm bảo hoạt động ổn định Khi có dòng điện sét đi vào nối đất, trạm biến áp cần phải đảm bảo các điều kiện an toàn để chống rò rỉ điện và tránh nguy cơ gây tai nạn Việc kiểm tra tình trạng máy biến áp giúp đảm bảo hệ thống điện vận hành an toàn, hiệu quả, đồng thời giảm thiểu rủi ro mất điện do sự cố sét.

Uđ=IS Zxk(0, đs) < U50% MBA

IS : Biên độ của dòng điện sét

Zxk(0, đs): Tổng trở xung kích ở đầu vào nối đất của dòng điện sét

U50% MBA : Điện áp 50% của máy biến áp Đối với MBA 220(kV) U 50% MBA 0 kV

Kiểm tra điều kiện này ta thấy:

Uđ=I ZXK(0, đs) = 150 4,37 = 655,5 kV < U50% MBA = 900 kV

Ta thấy rằng không phải tiến hành nối đất bổ sung để đảm bảo không có phóng điện ngược k 1 2 3 4 5 6 7

Như vậy phương án đóng cọc kết hợp với thanh làm thành mạch vòng thanh cọc đạt được yêu cầu về tiêu chuẩn chống sét

Ta có sơ đồ nối đất toàn trạm biến áp như hình vẽ:

Hình 3.4 Sơ đồ nối đất toàn trạm biến áp

Tiêu đề	Đề Tài Đồ Án Môn Học Kỹ Thuật Điện Cao Áp
Tác giả	Triệu Đạt
Người hướng dẫn	T.S Trần Hoàng Hiệp
Trường học	Trường Đại Học Điện Lực Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện
Thể loại	Đồ án môn học
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	35
Dung lượng	885,75 KB