BÀI TẬP DÀI MÔN KĨ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP (ĐỀ 5)

Bài tập môn học kĩ thuật điện cao áp bước đầu giúp sinh viên ngành hệ thống điện làm quen với việc thiết kết bảo vệ, tính toán bảo vệ, đánh giá các tiêu chuẩn kĩ thuật của công trình điện. Thông qua ba nhiệm vụ cơ bản là thiết kế hệ thống chống sét cho trạm biến áp, thiết kế và đánh giá hệ thống nối đất an toàn và hệ thống nối đất chống sét và cuối cùng là tính toán sóng quá điện áp lan truyền vào trạm.

Bµi tËp dµi Kü thuËt ®iÖn cao ¸p

Hä vµ tªn : TrÇn Xu©n Quúnh

Líp : HTĐ_Vĩnh Phóc

Sè thø tù sinh viªn : 29

 m

12 11

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

B.Tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét của trạm đảm bảo tiêu chuẩn nối đất an toàn và yêu cầu chống sét khi có dòng điện sét 150 kA, độ dốc 50 kA/s

Kích th-ớc ngăn lộ 10m đối với cấp đIện áp 110kV

4m đối với cấp điện áp 35kV

Độ cao cần bảo vệ 11 m đối với cấp điện áp 110kV

8,5m đối với cấp đIện áp 35kV Sơ đồ nối điện chính 2 thanh góp

Khoảng cách TG-MBA 30 m

Điện trở suất của đất 63,4 Ω/m

đất của cột thu lôi và vỏ máy biến áp phải lớn hơn 15m

Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110 kV trở nên thì phải thực hiện các điều kiện sau: ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ sung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không quá 4

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

Không nên đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối 10  35kV

Theo kết cấu của trạm, ta bố trí các cột thu lôi từ 1 đến 10 nh- trên hình vẽ Trong đó các cột 1, 2, 3 đ-ợc bố trí trên xà cao 11m; các cột 4, 6, trên xà cao 7,5m ; các cột 5,7,8,9,10,11,12 bố trí độc lập

Bảo vệ chống sột đỏnh trực tiếp cho trạm biến ỏp và nhà mỏy điện là việc phải làm và cú ý nghĩa quan trọng để bảo vệ cỏc cụng trỡnh điện và trỏnh

những hậu quả nghiêm trọng do sét đánh gây ra từ đó đảm bảo an toàn tin cậy trong sản xuất, phân phối và cung cấp điện năng

Trước khi đi vào thiết kế hệ thống chống sét cho trạm biến áp nêu ta xác định các yêu cầu thiết kế như sau:

- Nhằm đảm giảm thấp nhất vốn đầu tư khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm biến áp ta cố gắng đặt các cột thu sét trên các kết cấu cao có sẵn của trạm mà không ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kĩ thuật cần thiết Ngoài các tiêu chuẩn kĩ thuật cũng cần xem xét mặt

mỹ thuật của công trình

- Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ cấp 110kV trở lên do mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi ngay trên kết cấu của trạm phân phối Phải đặt để các cột thu lôi thấp nhất và cho dòng điện sét khuếch tán vào đất nhanh và phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị

số điện trở nối đất

- Khi bố trí cột thu lôi trên xà cần chú ý:

+ Các kết cấu có cột thu lôi cần có nối đất bổ sung ngay trụ của các kết cấu này nhằm đảm bảo điện trở nối đất

không vượt quá 4Ω

+ Khi dùng cột thu lôi phải đảm bảo khoảng cách đến các phần mang điện của trạm để tránh rò điện và chạm chập qua cột thu lôi Đồng thời phải đảm bảo cho dòng điện sét được thông thoát nhanh chóng và tránh hiện tượng phóng điện từ cột thu lôi đến các vật cần được bảo

vệ

- Nếu không thể tận dụng được các kết cấu trạm thì bố trí các cột thu lôi nối đất độc lập

Theo yêu cầu của đề bài thì ở đây ta quan tâm đến bào vệ chống sét đánh thẳng vào trạm, tạm thời không sét đến quá điện áp lan truyền vào trạm

- Ta sẽ bố trí cho các thiết bị cần bảo vệ nằm trọn trong phạm vi bảo

vệ của hệ thống cột thu lôi

- Phần thứ 2 không kém quan trọng là thiết kế nối đất để tản dòng điện sét vào đất một cách an toàn

1.2 Tính toán:

I – Lý thuyÕt

- Độ cao cột thu lôi:

h =hx + ha+ hx : độ cao của vật được bảo vệ

+ ha : độ cao tác dụng của cột thu lôi, được xác định theo từng nhóm cột (ha (D/8 m) , với D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột)

- Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là:

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn từng cột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a < 7h ( trong đó h là độ cao của cột thu lôi ) Khi có hai cột thu lôi đặt gần nhau thì phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho và được xác định theo công thức

Đối với trường hợp khi có hai cột thu lôi cao bằng nhau ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho :

1,6 1

xo

x o

r

h h

- Khi có hai cột thu lôi A và B có độ cao h1 và h2

- Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi C có độ cao h2 , khi đó các khoảng cách AB = a; BC = a' Khi đó xác định được các khoảng cách x và a' như sau:

1 2 2

1

1 2 2

h h



Tương tự ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột B và C là:

1,5h 0

0,75h 0

h 0

0,2h 0

hh

,a

h7

a'h

1 2 2

2

1

61

hh

61

II-Tính độ cao của các cột thu sét

*Xét nhóm cột 1, 2, 5, 4 và 2, 3, 6, 5 Đ-ờng kính của vòng tròn ngoại tiếp

hai đa giác này là:

05,398

D

ha    Nh- vậy đối với tất cả các cột thu lôi phía 110kV có thể lấy chung một

độ cao tác dụng là:

ha=4,9 Vì độ cao cực đại của vật đ-ợc bảo vệ phía 110kV là 11m nên độ cao của các cột thu lôi phía 110kV là:

h1=hx+ha=11+4,9 =15,9m Chọn h1= 16m

*Xét nhóm cột 7,8,12,11:

D = 27,2 x 2 = 54,4m

8

4,548

328D

ha  

Nh- vậy đối với tất cả các cột thu lôi phía 35 kV có thể lấy chung một độ cao tác dụng là ha 6,8m Vì độ cao cực đại cần bảo vệ phía 35 kV là 8,5m nên độ cao của các cột thu lôi phía 35 kV là :

m3,158,65,8h h

h2 x a   Chọn h216m

III-Tính bán kính bảo vệ của các cột thu sét

3

2.16 = 10,67

h) = 0,75.16.(1-

16

11) =3,75m

*Độ cao cần bảo vệ 8,5 m :

hx= 8,5m <

3

2 h1 =

3

2.16 = 10,67

h) = 1,5.16.(1-

16 x 8 , 0

5 , 8) =8,06 m

hx=11m >

3

2.h0 = 3

2.12,43 =8,29 m

r110 1 x

0 =0,75.h0(1-

0h

hx) = 0,75.12,43.(1-

43 , 12

11) =1,07m

*XÐt cÆp cét 1-4 , 2-5,vµ 3-6 víi kho¶ng c¸ch: a1-4=a2-5=a3-6=30m

- §é cao gi¶ t-ëng : h0 = h1-

7

a = 16 -

2x11,71 =7,81 m

r110 1 x

0 =0,75.h0(1-

0

hx

) = 0,75.11,71.(1-

71 , 11

11) =0,53m

*XÐt c¸c cÆp cét 4-11 vµ 6-12; víi kho¶ng c¸ch a4-11=a6-12=35m

- §é cao gi¶ t-ëng : h0 = h1-

7

a = 16 - 35

2x11=7,33 m

r110 1 x

0 =0,75.h0(1-

0

2x13,14 =8,76 m

r35

10 7 x

0 =0,75.h0(1-

0h

hx) = 0,75x13,14.(1- 8,5

hx=8,5m >

3

2.h0 = 3

2x12,43 =8,29 m

r35

8 7 x

0 =0,75.h0(1-

0h

hx) = 0,75 x12,43.(1- 8,5

2

x 10,7 = 7,13 m

r35

7 x

0 11 =0,75.h0(1-

0h

hx) = 0,75 x 10,7.(1- 8,5

B – tính toán nối đất chống sét

I.Tính toán nối đất an toàn

*Yêu cầu đối với nối đất an toàn:

Tiêu chuẩn quy định trị số điện nối đất lớn nhất là 0,5 (R d  50, )

.Kln.L.Π.2

R

2 tt

2.Tính điện trở nối đất của cọc

)]

l't.4

l't.4ln(

.2

1d

l.2.[lnl 2

tt c

ở đây ta dùng cọc sắt góc L60x60x6 dài l=3m, chôn sâu 0,8m cách mặt

Độ chôn sâu tính từ giữa cọc tới mặt đất:

t’ = t+

2

3+8,0

=2

l

= 2,3m

Suy ra:

88,76 2 3 1 4 2,3 3 [ln( ) ln( )] 24,14

R R R

mv c c

mv

mv c

L



 ; làm tròn thành 119 cọc Tra bảng 4 và bảng6 -Phụ lục sách h-ớng dẫn thiết kế tốt nghiệp Kỹ thuật

c mv ht

Vừa đạt yêu cầu

Điện áp nối đất tại chỗ có dòng đIện sét isđi vào hệ thống nối đất

),

ở phía 110 kV có mức cách điện cao và các cột thu sét đ-ợc bố trí trên

xà nên ta có thể nối đất chống sét chung với nối đất an toàn

l

xkcos(

)

1(

1 2t.[

t

a)t,x(

k

t 1





2

2 0 0

T . . ;

k

T k

l G L

2 0 0 k

),0(u),0(

ds

ds ds

1

21.[

l

1),0

k

T G

150a

Is

 Để đơn giản ta bỏ qua quá trình phóng điện tia lửa trong đất và giả thiết

bỏ qua nối đất tự nhiên, bỏ qua các thanh cân bằng áp

Lúc này ta xem nh- mạch vòng chỉ có 2 tia có chiều dài l ghép song song với nhau:

2

3562

và có tham số là G0 và L0

r_ là bán kính của tiết diện thanh điện cực: r = d/2=0,01m

L0_là điện cảm của 1 đơn vị dài của đIện cực nối đất (H / m):

L0 = 0,2.[ln

r

l-0,31] = 0,2.[ln

01,0178

-0,31] = 1,895H / m

G0_là điện dẫn của 1 đơn vị dài (1/ ): m

G0 =

l

R ht 21

Hiệu chỉnh trị số điện trở nối đất mạch vòng theo hệ số mùa sét:

0,63 1,6

2 2

2 0 0





k

l G L

ds



4

2 0

L

k ds

, suy ra: k 2 0 0 2 178 1,895 0,0076

7,85 3

Theo công thức (*) thì tổng trở xung kích chỉ đ-ợc tính cho 1 mạch Do

đó tổng trở xung kích của cả hệ thống đ-ợc tính theo công thức:

)]

1(

1

21.[

l

1)

,0

k

T G

2

L0= 1,895 H/m

G0 =0,0076 (1/.m)

Nh- vậy điện áp nối đất tại chỗ có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất

có giá trị:

Ud=2,92150 =438 kV< U50%BA=660 kV

Do đó ta không cần tiến hành nối đất bổ sung

2 Nối đất chống sét phía 35 kV :

Phía 35kV có cách điện yếu do đó ta phải tách riêng nối đất chống sét với nối đất an toàn Trị số điện trở tản yêu cầu của mạch vòng nối đất chống sét  5

Hệ thống nối đất chống sét phải cách hệ thống nối đất an toàn  1m.và phải không đ-ợc phóng điện ng-ợc vào các thiết bị đặt gần

Ta bố trí cách nối đất chống sét nh- sau

Sử dụng cọc tròn dài 2m , đ-ờng kính d=50mm và cách nhau 5m Thanh thép dẹt 40x4 cm2 , chôn sâu trong đất 0,8m Tra bảng 2-1 (Sách h-óng dẫn thiết kế TN KTĐCA ) ta có:

L.KlnL2

t4

]

= 79, 25

2 3.14 2x x [ ln0,05

2x2 + 0,5.ln

2)8,01(x4

2)8,01(x4

IC = 150 3,04

83,1 3,04 2, 45 

XKt

.R.nR

RR

PhÇn II – B¶o vÖ chèng sãng qu¸ ®iÖn ¸p

lan truyÒn vµo TBA

Bảo vệ điện áp phía 35Kv

Hãy tính điện áp tại các điểm nút của TBA khi có sóng quá điện áp lan truyền từ đường dây tới

Sóng tới có dạng xiên góc biên độ U50%, độ dốc:

a=334kV/s Chống sét van cấp điện áp tương ứng.(35kV)

Sơ đồ mô hình mạch để tính sóng truyền :

CC

 Điểm đặt máy biến áp : Điểm 2

 Điểm dặt chống sét van: Điểm 3

54 0,18 300

l t v

13 12

49 0,16 300

l t v

Trong quá trình tính toán còn cần kể đến các đặc tính S, đặc tính

V-A của CSV Các đặc tính này cần tra trong các sổ tay và phải phù hợp với cấp điện áp đang xét

Để tiến hành tính toán, cần chọn bước thời gian tính t  Khoảng chia t càng nhỏ thì kết quả tính toán càng chính xác Việc tính toán sẽ đỡ phức

tạp hơn nhiều nếu chọn t là ướcc số chung của các khoảng thời gian truyền sóng đi và về giữa các nút

Vì vậy ta chọn: t  =0,01 s để tính toán

Bây giờ lần lượt xét biểu thức tính toán điện áp tại các nút 1, 2, 3

Z

m dt

Do đó: 2 0,667.( ' )

01

' 31

' 21

667,0

01

' 31

U dt   (U'

667,0

01

' 31

' 21

1 U U U

U dt   Với '

21 21 (t 0,15)

U U  '

31 31 (t 0,1)

U U 

Theo sơ đồ Petecxen, phương trình vi phân với điện áp tại nút 1 là:

U dt

U d C Z

U dt1 C1 C1 C1

Tính theo sai phân ta được :

U T

t U

U T

t

C C C dt

C

1 1 1 1

1

.2

U U U U U U

U U U U U U

' 21 1 12 1

' 21 12

' 31 1 13 1

' 31 13

12

12 '

2 21

U dt

U d T U

U dt

U d C Z U

C

C C

dt

C

C dt

dt

2

2 2

2

2

2 2

2 2

.2

2

=)UU.2(60,0

05,0

=)UU.2.(

T

tΔ

=U

2 2

trong đó :

12 - 2

dt 2

t t

Sơ đồ Petcxen:

U T U U

2 C 2 C 2

dt 2

C

.tΔ+Δ

=2

.tΔ

Z Z

dt

dt

' 13 3

3

22

Các bước tính điện áp tại nút 3:

 Vẽ đường đặc tính V-A dựa vào đặc tính đã chọn U csv245.I csv0 , 025

Kết quả tính đợc ghi vào bảng tính điện áp tại các nút để tính các giá trị

I t

3.4 Kết quả tính toán: (bảng số liệu đi kèm)