Bài tập dài đề tài thiết kế bảo vệ chống sét trạm biến áp 220 110kv

Ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào các thiết bị trong trạm ta cũng phải chú ý đến việc bảo vệ cho các đoạn đường dây gần trạm và đoạn dây dẫn nối từ xà cuối cùng của trạm ra

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BỘ MÔN HỆ THỐNG ĐIỆN ====o0o====

BÀI TẬP DÀI

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRẠM BIẾN ÁP 220/110kV

Giảng viên hướxng dẫn: PGS.TS TRẦN VĂN TỚP Sinh viên thực hiện: TRẦN ANH TUẤN

Lớp: Điện 02 – K63 MSSV: 20181294

Hà Nội, 11-2021

Mục Lục

A Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp………3

I, Khái quát chung………3

II, Các yêu cầu kĩ thuật……….3

III, Phạm vi bảo vệ của cột thu sét ……… 4

1, Phạm vi bảo vệ của cột thu sét độc lập……… 4

2, Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột thu sét có độ cao giống nhau………5

3, Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột thu sét có độ cao khác nhau……… 5

4, Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột ( số cột >2 )……….6

5, Phạm vi bảo vệ của dây thu sét……… 7

IV, Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh cho trạm biến áp………8

1, Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ………8

2, Sơ đồ mặt bằng ………10

3, Sơ đồ mạch đường dây……….10

4, Sơ đồ mạch máy biến áp……… 11

5, Sơ đồ mặt bằng đơn giản ……….11

6, Tính toán các phương án chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp………11

B Thiết kế hệ thống nối đất………22

I, Khái quát chung……… 22

II, Các yêu cầu kĩ thuật……… 22

III, Lý thuyết tính toán nối đất……… 24

1, Tính toán nối đất an toàn……… 24

2, Tính toán nối đất chống sét……… 27

IV, Tính toán nối đất an toàn……….30

1, Nối đất tự nhiên………30

2, Nối đất nhân tạo ……… 31

V, Tính toán nối đất chống sét ……… 32

1, Tính toán nối đất chống sét và kiểm tra điều kiện phóng điện……….32

2, Nối đất bổ sung………33

A Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp

I Khái quát chung

Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây và trạm biến áp là 1 thể thống nhất Trong đó trạm biến áp là 1 phần tử hết sức quan trọng, nó thực hiện nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng Do đó khi các thiết bị của trạm bị sét đánh trực tiếp thì sẽ dẫn đến những hậu quả rất nghiêm trọng không những làm hỏng các thiết bị trong trạm mà còn ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ hệ thống điện Do đó việc tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp rất quan trọng Qua đó, ta có thể đưa ra những phương án bảo vệ trạm một cách an toàn và kinh tế Nhằm đảm bảo toàn bộ thiết bị trong trạm được bảo vệ an toàn khỏi sét đánh trực tiếp

Ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào các thiết bị trong trạm ta cũng phải chú ý đến việc bảo vệ cho các đoạn đường dây gần trạm và đoạn dây dẫn nối từ xà cuối cùng của trạm ra cột đầu tiên của đường dây

Do đó tùy từng trạm cụ thể mà ta thiết kế hệ thống thu sét phù hợp và đáp ứng nhu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế của trạm

II Các yêu cầu kỹ thuật

Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải được nằm trong phạm vi an toàn của hệ thống bảo vệ Tùy thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp mà hệ thống các cột thu sét có thể được đặt trên độ cao có sẵn của công trinhg như xà, cột đèn chiếu sáng… hoặc được đặt độc lập

Khi đặt hệ thống cột thu sét trên bản thân công trình, sẽ tận dụng được độ cao vốn

có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của hệ thống thu sét Tuy nhiên điều kiện đặt hệ thống thu sét trên các công trình mang điện là phải đảm bảo mức cách điện cao

và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ:

- Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110kV trở lên do có cách điện cao (khoảng cách các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể đặt cột thu sét trên các kết cấu của trạm Tuy nhiên các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối Theo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện I, khuếch tán vào đất theo 3 – 4 cọc nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất nhằm đảm bảo điện trở không quá 4𝛺

- Nơi yếu nhất của trạm biến áp 110 kV trở lên là cuộn dây của máy biến áp Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa

2 điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m

- Khi đặt cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình phải có khoảng cách nhất troPhần dẫn điện của hệ thống thu sét phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt độ khi có dòng điện sét đi qua

III Phạm vi bảo vệ của cột thu sét

1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét độc lập

- Phạm vi bảo vệ của cột thu sét là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi công thức

𝑟𝑥= 1,6

1+ℎ𝑥

ℎ

(ℎ − ℎ𝑥) trong đó h: độ cao cột thu sét

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

3 h thì 𝑟𝑥 = 1,5h(1 −0,8ℎℎ𝑥 )

+ Nếu ℎ𝑥 > 2

3 h thì 𝑟𝑥 = 1,75h (1 −ℎℎ𝑥)

 Công thức chỉ áp dụng đúng với cột thu sét cao dưới 30m

2 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét có độ cao giống nhau

- Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét kết hợp thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệ của 2 cột đơn Nhưng để 2 cột thu sét có thể phối hợp được thì khoảng

cách a giữa 2 cột phải thỏa mã điều kiện a < 7h (h là chiều cao của cột)

- Khi 2 cột thu sét có cùng độ cao h, đặt cách nhau 1 khoảng là a (a<7h) thì độ

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

3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau

- Giả sử có 2 cột thu sét, cột 1 có chiều cao ℎ1, cột 2 có chiều cao ℎ2 và ℎ1 > ℎ2Hai cột cách nhau 1 khoảng là a

- Trước tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao ℎ1, sau đó qua đỉnh cột thấp ℎ2 vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao tại điểm 3 Điểm này được xem là đỉnh của cột thu sét giả định, nó sẽ cùng với cột thấp ℎ2hình thành đôi cột ở độ cao bằng nhau và cách ℎ2 một đoạn a’ Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ của cột 1 với a’ = a – x

- Một nhóm cột sẽ hình thành 1 đa giác và phạm vi bảo vệ toàn bộ miền đa giác

và phần giới hạn bao ngoài giống như của từng đôi cột

- Sơ đồ phạm vi bảo vệ của nhóm cột

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

D ≤ 8ℎ𝑎 = 8(h - ℎ𝑥)

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

- Khi độ cao của cột thu sét lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh

- Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét độc lập là 1 dải rộng Chiều rộng của phạm

vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao ℎ𝑥 được biểu diễn như hình vẽ

- 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 + Nếu ℎ𝑥 ≤ 2

3 ℎ0 thì 𝑏𝑥 = 1,2h(1- ℎ𝑥

0.8ℎ ) + Nếu ℎ𝑥 > 2

b) Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét

- Để phối hợp bảo vệ bằng 2 dây thu sét thì phải đảm bảo khoảng cách giữa 2 dây

𝑠 < 4ℎ Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ các điểm ở độ cao

ℎ0 = ℎ − ℎ

4

- Sơ đồ phạm vi bảo vệ của 2 dây thu sét

- Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống của một dây còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai 2 điểm treo dây thu sét và điểm có

độ cao ℎ0 = ℎ − 𝑠

4 so với đất

IV Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh cho trạm biến áp

1 Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ

Trạm biến áp: Trạm 220/110kV

- Số lượng MBA: 2 máy

- Sơ đồ nối điện chính:

Phía 220kV: sơ đồ 2 thanh góp, 6 đường dây 220kV Phía 110kV: sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng, 9 đường dây 110kV

- Độ cao xà đón dây 220 kV: 16,7m; độ cao xà thanh góp 220 kV: 10,4m

- Độ cao xà đón dây 110 kV: 11,4m; độ cao xà thanh góp 110 kV: 7,7m

- Khoảng cách pha phía 220kV: 4,3m

- Khoảng cách pha phía 110kV: 2,3m

- Khoảng cách sân 220/110kV: 24m

- Tổng diện tích trạm: 22418,24𝑚2

2 Sơ đồ mặt bằng

3 Sơ đồ mạch đường dây 220kV

4 Sơ đồ mạch máy biến áp

5 Sơ đồ mặt bằng đơn giản

6 Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp

a) Phương án 1:

- Phía 220kV dùng 15 cột trong đó cột 1 → 5 đặt trên xà đón dây cao 16,7m, cột

6 → 15 đặt trên xà thanh góp cao 10,4m

- Phía 110kV dùng 15 cột trong đó cột 16 → 25 đặt trên xà thanh góp cao 7,7m, cột 26 → 30 đặt trên xà đón dây cao 11,4m

- Cột 31 được xây thêm

 Chiều cao tính toán bảo vệ trạm 220kV là ℎ𝑥= 16,7m và ℎ𝑥= 10,4m Chiều cao tính toán bảo vệ trạm 110kV là ℎ𝑥= 11,4m và ℎ𝑥= 7,7m

Sơ đồ bố trí cột thu sét phương án 1

- Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi:

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi tam giác hoặc tứ giác nào đó thì

độ cao cột thu lôi phải thỏa mãn:

D ≤ 8ℎ𝑎 hay ℎ𝑎 ≥ 𝐷

8Trong đó: D là đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ giác

ℎ𝑎 là độ cao hữu ích của cột thu lôi Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo vệ của 1 cột Điều kiện để hai cột thu lôi phối hợp được với nhau là a ≤ 7h Trong đó: a là khoảng cách giữa 2 cột

h là chiều cao toàn bộ cột thu sét

Xét nhóm cột (1,2,7,6) tạo thành hình chữ nhật có đường chéo là

D = √34,42+ 182 = 38,825 (m) Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi là ℎ𝑎 ≥ 38,825

8 = 4,853(m) Xét nhóm cột (11,12,16) tạo thành hình tam giác có độ dài các cạnh lần lượt

là a=34,4m; b=37,952m; c=24,515m Nửa chu vi của tam giác p = 34,4+37,952+24,515

2 = 48,434(m) Đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác là

2√𝑝(𝑝−𝑎)(𝑝−𝑏)(𝑝−𝑐) = 38,765(m) Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi là ℎ𝑎 ≥ 38,765

8 = 4,846(m) Tính toán tương tự các đa giác còn lại ta có bảng sau

Đa giác

Đường kính vòng tròn ngoại tiếp (m)

ℎ𝑎 tối thiểu

Phía 220kV

Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp

ℎ𝑎 = max{4.853; 6,831; 6,081; 7,752; 4,416; 3,252; 4,188; 3,306; 4,846; 3,643; 6,548; 6,654; 4,614; 4,652; 5,689} = 7,752 (m)

- Chiều cao của cột thu sét Phía 220kV: h = ℎ𝑎 + ℎ𝑥 = 7,752 + 16,7 = 24,452 (m) ➔ h = 25m Phía 110kV: h = ℎ𝑎 + ℎ𝑥 = 7,752 + 11,4 = 19,152 (m) ➔ h = 20m

- Bán kính bảo vệ của cột thu sét ở các độ cao bảo vệ tương ứng:

Bán kính bảo vệ của các cột 25m (cột 1 → 15 ở phía 220kV):

Bán kính bảo vệ của các cột 20m ( cột 16 → 31 bên phía 110kV) Bán kính bảo vệ ở độ cao 11,4m:

Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là

ℎ0 = h - 𝑎

7 = 25 -

34,4

7 = 20,1(m) Bán kính của khu vực giữa 2 cột thu sét là:

a= √42,42+ 2,62 = 42,48(m) ℎ11= 25𝑚 ℎ31 = 20𝑚

Vì ℎ31 = 20 > 2

3 ℎ11 = 2

3 25 = 16,7m Do vậy ta sẽ vẽ 1 cột giả định 11’ cao 20m và cách cột 11 một khoảng

x = 0,75(ℎ11− ℎ31) = 0,75(25-20) = 3,75m

Vậy khoảng cách từ cột giả định 11’ đến cột 31 là:

a’ = a – x = 42,48 – 3,75 = 38,73(m) Phạm vi bảo vệ của 2 cột 11’ và 31 là

Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là

ℎ0 = h - 𝑎′

7 = 20 -

38,73

7 = 14,46(m) Bán kính của khu vực giữa 2 cột thu sét là:

Tính toán cho các cặp còn lại tương tự ta có bảng Cặp cột a(m) h(m) ℎ0(𝑚) ℎ𝑥(m) 𝑟0𝑥(m) ℎ𝑥(m) 𝑟0𝑥(m)

Chiều cao tính toán bảo vệ trạm 220kV là ℎ𝑥= 16,7m và ℎ𝑥= 10,4m Chiều cao tính toán bảo vệ trạm 110kV là ℎ𝑥= 11,4m và ℎ𝑥= 7,7m

Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi

ℎ𝑎 = max{6,152; 7,808; 4,146; 3,253; 4,188; 3,306; 4,614; 6,339; 6,922; 5,917; 6,101; 7,307; 7,405} = 7,808(m)

- Chiều cao của cột thu sét Phía 220kV: h = ℎ𝑎 + ℎ𝑥 = 7,808 + 16,7 = 24,508 (m) ➔ h = 25m Phía 110kV: h = ℎ𝑎 + ℎ𝑥 = 7,808 + 11,4 = 19,208 (m) ➔ h = 20m

- Bán kính bảo vệ của cột thu sét ở các độ cao bảo vệ tương ứng:

Bán kính bảo vệ của các cột 25m (cột 1 → 10 ở phía 220kV):

Cột Chiều cao Bán kính bảo vệ tương ứng 𝑟𝑥 (m)

Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu sét tương tự như phương án 1 ta có bảng Cặp cột a(m) h(m) ℎ0(m) ℎ𝑥(m) 𝑟0𝑥(m) ℎ𝑥(m) 𝑟0𝑥(m)

+ Phía 110kV dùng 16 cột chống sét 20m trong đó 10 cột đặt trên xà thanh góp cao 7,7m; 5 cột đặt trên xà đón dây cao 11,4m và 1 cột xây thêm

 Tổng chiều dài cột là:

L= 5.(25-16,7) + 10.(25-10,4) + 10.(20-7,7) + 5.(20-11,4) + 20 = 373,5 (m)

- Phương án 2 + Phía 220kV dùng 10 cột chống sét 25m trong đó 5 cột đặt trên xà đón dây cao 16,7m; 5 cột đặt trên xà thanh góp cao 10,4m

+ Phía 110kV dùng 16 cột chống sét 20m trong đó 10 cột đặt trên xà thanh góp cao 7,7m; 5 cột đặt trên xà đón dây cao 11,4m và 1 cột xây thêm

 Tổng chiều dài cột là:

L= 5.(25-16,7) + 5.(25-10,4) + 10(20-7,7) + 5.(20-11,4) + 20 = 300,5 (m)

Vì phương án 2 có số cột thu sét ít và tổng chiều dài cột nhỏ hơn Vậy ta chọn phương án 2 làm phương án tính toán thiết kế chống sét cho trạm biến áp

B Thiết kế hệ thống nối đất

I.Khái quát chung

Nối đất là nối các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ tiếp xúc với dòng điện

do hư hỏng cách điện đến một hệ thống nối đất Trong HTĐ có 3 loại nối đất:

- Nối đất an toàn có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện của

thiết bị bị hư hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi

bộ phân kim loại bình 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 được nối đất nên mức điện thế thấp Do

đó đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc với chúng

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

hoặc một số bộ phận của thiết bị theo chế độ đã được quy định sẵn Loại nối đất 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 dây tải điện đi xa

- Nối đất chống sét là loại nối đất có nhiệm vụ tản dòng điện sét trong đất

(khi có sét đánh vào cột thu sét hoặc trên đường dây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn… do đó cần hạn chế các phóng điện ngược trên các công trình cần bảo vệ

II Các yêu cầu kỹ thuật

Bộ phận nối đất có trị số điện trở tản càng bé càng tốt Tuy nhiên việc giảm thấp điện trở tản đòi hỏi phải tốn nhiều kim loại và khối lượng thi công Do đó

việc xác định tiêu chuẩn nối đất và lựa chọn phương án nối đất phải sao cho

hợp lý về mặt kinh tế và đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật

Điện trở nối đất cho phép của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số điện áp bước và tiếp xúc trong mọi trường hợp không vượt qua giới hạn cho

phép

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 mạch chạm đất lớn) trị số điện trở nối đất cho phép là: R ≤ 0,5𝛺

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

Nếu chỉ dùng cho các thiết bị cao áp

Trong khi thực hiện nối đất, cần tận dụng các hình thức nối đất có sẵn ví

dụ như các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chôn trong đất,

móng bê tông cốt thép Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn

trong đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia

Đối với các thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất bé khi điện trở tản của các phần nối đất có sẵn đạt yêu cầu thì không cần nối đất bổ sung Với các

thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì phải đặt thêm nối đất nhân tạo với

trị số điện trở tản không quá 1 𝜴

Trong thực tế đất là một môi trường phức tạp và không đồng nhất về thành phần Điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần, nhiệt độ, độ ẩm, v.v.Do khí hậu của các mùa thay đổi nên độ ẩm, nhiệt độ của đất luôn thay đổi Vì vậy trong khi thiết kế hệ thống nối đất thì với mỗi loại điện cực nối đất khác nhau ta phải hiệu chỉnh  theo hệ số mùa msmv

K Khi đó điện trở suất tính toán:

tt

mv do.Kmsmv

 =Với nối đất an toàn và làm việc: