Bài tập dài Kỹ Thuật Điện Cao Áp 2

Tuy nhiên đặthệ thống thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có sét đánh sẽ gây nên mộtđiện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột.. Do đó điều kiện để đặtc

LỜI MỞ ĐẦU

Giông sét là hiện tượng tự nhiên, là sự phóng tia lửa điện khổng lồ trongkhí quyển giữa các đám mây và mặt đất, khi sét đánh trực tiếp hay gián tiếp vàocác công trình điện, không những gây thiệt hại về mặt kinh tế mà còn đe doạ đếntính mạng của con người .Mà nước ta lại nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùathường xuyên xảy ra mưa dông, sét hay còn gọi là quá điện áp khi quyển,nó cóthể gây ra các sự cố trên đường dây hay làm tê liệt các trạm biến áp ảnh hưởngtới độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống Vì thế cần thiết phải có các hệ thốngchống sét và biện pháp để bảo vệ an toàn

Em xin cảm ơn thầy Trần Văn Tớp và thầy Nguyễn Đoàn Quyết đã tậntình giúp đỡ em hoàn thành bài tập dài này Trong quá trình tính toán có thể xảy

ra sai sót , và một số phần em chưa làm thật sự hoàn hảo , e mong thầy sau khiđọc bài có thể gửi đánh giá cho em Em xin cảm ơn!

Sinh viênNguyễn Đình Thanh

NỘI DUNG PHẦN 1 Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và nối đất trạm biến áp

1.1 Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

phía 110kv phía 35kv

Hình chiếu bằng trạm biến áp 110/35 kV

Sơ đồ đơn giản hóa

Khi đặt hệ thống cột thu sét trên kết cấu của trạm sẽ tận dụng được độ caovốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của cột thu sét Tuy nhiên đặt

hệ thống thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có sét đánh sẽ gây nên mộtđiện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột Phầnđiện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sangcác phần tử mang điện khi cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện để đặtcột thu sét trên hệ thống các thanh xà trạm là mức cách điện cao và điện trởtản của bộ phận nối đất nhỏ

Đối với trạm ngoài trời từ 110kV trở lên do có cách điện cao nên có thểđặt cột thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối Các trụ của kết cấu trên

đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phốitheo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện IS khuyếch tán vào đất theo 3 - 4cọc nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cảithiện trị số điện trở nối đất

Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngài trời điện áp 110kV trở lên là cuộndây của máy biến áp Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến ápthì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối đất trong hệ thống nối đất của cộtthu sét và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m

Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm ngoài trời 110kV trở lên cần chú ýnối đất bổ sung ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu sét vào hệ thống nốiđất nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4Ù

Khi dùng cột thu sét độc lập đối với phía 35kV phải chú ý đến khoảngcách giữa cột thu sét đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện

từ cột thu sét đến vật được bảo vệ

Việc lắp đặt các cột thu sét làm tăng xác suất sét đánh vào diện tích côngtrình cần bảo vệ, do đó cần chọn vị trí lắp đặt các cột thu sét một cách hợp lý Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn địnhnhiệt khi có dòng điện sét chạy qua

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu sét thì các dây dẫnđiện đến đèn phải được cho vào ống chì và chèn vào

1.1.2 Phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét

a Phạm vi bảo vệ của cột thu sét.

Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thu hútphóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫn dòng điện sét xuống đất

Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào mộtđiểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào trên côngtrình.Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vậtcần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ

+ Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập.

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặtngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi phương trình

) (

1

6 , 1

X X

h h

+

=

(1-1)Trong đó : h: độ cao cột thu sét

hX: độ cao cần bảo vệ.

ha=h-hX: độ cao hiệu dụng cột thu sét

rX: bán kính của phạm vi bảo vệ

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

vệ dạng dạng đơn giản hoá đường sinh của hình chóp có dạng đường gẫy khúcnhư hình sau:

Rx

0,2h

a b

c

0,75h 1,5h

0,8h h

Hình 1.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.

Bán kính được tính toán theo công thức sau:

h

h h

h

h h

(1.3)

Các công thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dưới 30m Hiệu quả của cột thusét cao trên 30m giảm đi do độ cao định hướng của sét giữ hằng số Có thể dùngcác công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân thêm hệ số hiệu

chỉnh h

p= 5,5

và trên hoành độ lấy các giá trị 0,75hpvà 1,5hp

+ Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau.

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vibảo vệ các 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 thusét) Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như củamột cột Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai đỉnhcột và điểm có độ cao h0 - phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột đượcxác định theo công thức:

7

0

a h

h = −

(1.4) Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai châncột là rx0 và được xác định như sau:

0 0

0

h

h h

0 0

0

h

h h

(1.6)

Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì có các hiệu chỉnh hệ số

Hình 1.2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao giống nhau.

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

Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác địnhphạm vi bảo vệ được xác định như sau:

Vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao (cột 1) và cột thấp (cột 2) riêng rẽ Quađỉnh cột thấp (cột 2) vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ

cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của một cột thu sét giả định Cột 2

và cột 3 hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau và bằng h2 với khoảng cách a’.Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h2 Điểm này được xemnhư đỉnh của một cột thu sét giả định Ta xác định được các khoảng cách giữahai cột có cùng độ cao h2 là a' và x như sau:

0,2h1

0,8h1 h1ho

2

1 3

1

2 1

h

h h

Nếu

1 2

1

2

1 h

h h

(1.8)

x a

a' = −

(1.9)Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ cột 1

+ Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột thu sét (số cột >2).

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cộtthu lôi phải thoả mãn:

h

D 8≤

(1.10)Trong đó: D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột

Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b,c có: +

) )(

)(

( 4 2 2

c p b p a p p

abc R

p= + +

(1.12)Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật:

2

2 b a

(1.13)với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật

Độ cao tác dụng của cột thu sét ha phải thoả mãn điều kiện:

b

c

D a

b

Hình1.4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ nhật.

b Phạm vi bảo vệ của dây thu sét.

+ Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng Chiều rộng của phạm vibảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như sau :

0,6h

0,2h0,8h h

ab

a'c

1,2h

2bx

Hình1.5 : Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

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

h

h h

h

h h

(1.16)Khi độ cao cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p

+ Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữa hai dây thusét phải thoả mãn điều kiện S ≤4h

Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao h0

4

0

S h

h = −

(1.17)Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của một dây, cònphần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm là hai điểm treo dâythu sét và điểm có độ cao h0

0,2h

0,8h hho

tới 15, bên phía 35 kV được đánh số từ 16 tới 27) đồng thời đặt các cộtchống sét cho trạm biến áp như hình vẽ:

Ta sẽ tính toán độ cao cột chống sét cần thiết để bảo vệ được các thiết bịtrong trạm biến áp:

Bên sân phía 110kv ta có thể đặt cột thu sét trên xà thanh góp, tuy nhiênbên sân 35kv thì ta cần đặt riêng cột thu sét

Chọn chiều cao hiệu dụng cảu nhóm cột này là: ha= 5,404 m

Hoàn toàn tượng tự ta cũng tính toán được chiều cao hiệu dụng cho cácnhóm cột còn lại, kết quả cho ta vào bảng sau:

Cạnh c (m)

P(m)

S(m)

R=4.s/abc ( m)

D=2.R(m)

ha(m)11-12-

62.797

593.49

55.09

8 6.88712-13-

67.752

722.40

59.05

4 7.38213-17-

65.367

593.40

60.72

9 7.59113-14-

70.478

722.40

65.11

3 8.13914-18-

68.466

593.38

67.99

6 8.50014-19-

62.151

705.64

48.92

8 6.11615-19-

63.602

Ta sẽ xác định được chiều cao của các cột thu lôi như sau:

+ Phía cao áp 110 kV có chiều cao của cột chống sét sẽ là:

Nếu ta vẫn giữ độ cao các cột như tính toán trên thì ta vẽ được vùng bảo

vệ như sau

1.2.1 Tính toán và vẽ phạm vi bảo vệ của cột thu sét:

a) Tính phạm vi bảo vệ cho 1 cột đơn:

* Bên phía 110 kV bảo vệ bằng cột thu lôi cao 20 m và các độ cao cần bảo

vệ là 11,2 m và 8,5 m

Ta có:

3 , 13 20 3

2 3

2,111(205,1)8,01(5,

=

h

h h

5,81(205,1)8,01(5,

2 3

2h= =

(m)

- Bán kính bảo vệ ở độ cao hx = 8,7 m < 12 m là:

688,10)18.8,0

7,81(185,1).8,01(5,

=

h

h h

x

(m)

- Bán kính bảo vệ ở độ cao hx = 6,7 m < 12 m là:

7,61(185,1)8,01(5,

6,33207

23

23

2 , 11 1 ( 2 , 15 75 , 0 ) 1 ( 75 , 0

0 0

h

h h

Nên

863,6)2,158,0

5,81

(2,155,1)8,01(5,

x

(m)Các cặp cột khác là (2-3), (3-4), (4-5) cũng giống như cặp cột (1-2)

2,27207

23

2

h

m Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là:

+ Độ cao 11,2 m:

hx = 11,2 m >

03

2,111(114,1675,0)1(75,0

0 0

h

h h

5,81

(114,165,1)8,01(5,1

x

(m)

4 , 22 20 7

2 3

2

h

m Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là:

+ Độ cao 11,2 m:

hx = 11,2 m =

03

2 , 11 1 ( 8 , 16 5 , 1 ) 8 , 0 1 ( 5 , 1

0 0

h

h h

5,81(8,165,1)8,01(5,1

x

(m)Bên phía 35kv 2 độ cao cần bảo vệ là 8,7 và 6,7m

+ Xét cặp cột (16-17), (17-18), (18-19), (19-20)

h = 18 m, a = 27,6 m

Độ cao lớn nhất(độ cao giả tưởng) của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sétlà:

057,147

6,27187

2 3

2

h

m Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là:

+ Độ cao 8,7 m:

hx = 8,7 m <

03

7 , 8 1

( 057 , 14 5 , 1 ) 8 , 0 1 ( 5 , 1

0 0

h

h h

7 , 6 1

( 057 , 14 5 , 1 ) 8 , 0 1 ( 5 , 1

6 , 46 18 7

0 =h−a = − =

h

(m)

562,7343,113

23

7 , 8 1 ( 343 , 11 75 , 0 ) 8 , 0 1 ( 75 , 0

0 0

h

h h

7 , 6 1

( 343 , 11 5 , 1 ) 8 , 0 1 ( 5 , 1

x

(m)Xét 2 cột có độ cao khác nhau

+ Xét cặp cột (11-16)

h1= 20 m h2 = 18m a = 43 m

Hai cột này có chiều cao khác nhau và h2 > 3

2h1 nên ta có :

a' = a

)h

h1(h75,0

1

2

1 −

−

5 , 41 ) 20

18 1 ( 20 75 , 0

(m)

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

071 , 12 7

5 , 41 18 7

'

0 =h−a = − =

h

(m)Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là:

+ Độ cao 8,5 m:

hx = 8,5 m >

048 , 8 071 , 12 3

2 3

5 , 8 1 ( 071 , 12 75 , 0 ) 1 ( 75 , 0

0 0

h

h h

2 3

7 , 6 1

( 071 , 12 5 , 1 ) 8 , 0 1 ( 5 , 1

x

(m)

-tươg tự với cặp cột 15-20

Kết quả được tính trong bảng sau

Phạm vi bảo vệ của một cột đơn:

Cặp cột a h hxđd hxTG h0 2h0/3 r01 r02110k

10.74

3 3.686 8.234(6-11) (10-15)

11.20

0 4.200 9.26335kv (16-17) (19-

14.05

7 9.371 4.773 8.523(16-21) (20-

11.34

3 7.562 1.982 4.452Phạm vi bảo vệ các cặp cột có độ cao khác nhau:

hx TGhạ

Cạnh c (m)

P(m)

S(m)

R=4.s/abc ( m)

D=2.R(m)

ha(m)11-12-

62.797

593.49

55.09

8 6.88712-13-

67.752

722.40

59.05

4 7.38213-17-

65.367

593.40

60.72

9 7.59113-14-

70.478

722.40

65.11

3 8.13914-18-

68.466

593.38

67.99

6 8.50014-19-

62.151

705.64

48.92

8 6.11615-19-

63.602

600.76

56.21

9 7.027Nhìn vào bảng trên ta cũng chọn được hamax = 8.5m nên ta chọn độ cao hiệudụng của tất cả các cột chống sét là ha = 8,5 m

Ta sẽ xác định được chiều cao của các cột thu lôi như sau:

+ Phía cao áp 110 kV có chiều cao của cột chống sét sẽ là:

Kết quả được tính trong bảng sau

Phạm vi bảo vệ của một cột đơn:

11.34

3 7.562 1.982 4.452Phạm vi bảo vệ các cặp cột có độ cao khác nhau:

hx TGhạ

2h0’/3 r01’ r02’

15-20 55,53 20 18 1,5 54,03 10,281 8,5 6,7 6,85 7,125 8,246

1.2 Tính toán nối đất trạm biến áp

a) Một số khái niệm cơ bản:

Nối đất là nối các thiết bị với trang bị nối đất

Có 3 loại nối đất là:

+ Nôí đất làm việc: đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị, một

số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã được quy định sẵn.+ Nối đất an toàn: đảm bảo an toàn cho người và thiết bị khi cách điện

bị hư hỏng Ta thực hiện bằng cách nối đất mọi bộ phận kim loại bìnhthường không mang điện để đảm bảo an toàn

+ Nối đất chống sét: để tản dòng sét xuống đất khi có sét đánh vào cột,dây để điện áp tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn, hạn chế phóngđiện ngược tới các bộ phận trên công trình cần bảo vệ

b) Tính toán nối đất:

• Nối đất an toàn:

Ta chọn hình thức: dùng hệ thống thanh cọc để nối đất

+ Đối với bên cấp điện áp 35 kV: sử dụng hệ thống thanh cọc với kíchthước các cọc có đường kính là d=20 mm chôn sâu 0,8 m xung quanh trạm vàcách hệ thống chống sét 3m.

Điện trở nối đất yêu cầu Rnd ≤ 4 Ω

Khi đó điện trở của hệ thống nối đất an toàn được tính theo công thức:

Rmv=

) ( ln 2

2 Ω

KL L tt

ρ

Điện trở đất của đất đã được hiệu chỉnh theo mùa như sau:

tt = đo.kmùa = 81,8.1,6 = 130,88 ΩmL1=110,4m

Thỏa mãn điều kiện bài ra

+ Bên phía 110 kV yêu cầu:

Rnt< 1 Ω đồng thời Rht<RTN//RNT<0,5

RTN =

Rc là điện trở chân cột (tra bảng lấy Rc = 10Ω)

Dây chống sét dùng loại dây C-70 có Ro = 2,38 Ω/km

Rdcs = R0.Lkhoảng vượt = 2,38.0,2= 0,476 Ω

Thay số vào phương trình trên ta tính được RTn = 0,245 Ω.

Vậy ta tính được Rht = < 0,5 Ω nên Rnt< 1 Ω

Vậy yêu cầu Rht cần đáp ứng là Rht = 1 Ω

Hoàn toàn tương tự với bên 35 kV cũng sử dụng mạch vòng nối đất vớiđiện trở của mạch được tính theo công thức trên Trong đó:

Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất:

Từ sơ đồ dẳng trị trên ta có hệ phương trình vi phân sau:

Gải phương trình trên với dạng sóng của dòng điện ở đầu vào bộ phậnnối đất là dạng song xiên góc i(0,t) = at, sẽ được điện áp bất kỳ tại điện cực:

t

T Gol

at t

x

U

k

T t k

1

2 1 )

,

(

1

1 1

2

Ta có phương trìnhtính điện áp tại điểm bất kỳ như sau:

T

2 2

l G L T l G

L

k o

=

ππ

0

1

2 1

1 ) , 0 (

) , 0 ( ) ,

0

k

T t k

t

T l

G t I

t U

Z τ

Tổng trở xung kích của nôíđất kéo dài tại chỗ dòng sét đi vào điện cực là :

+ Nối đất chống sét bên 35 kV: do cấp điện áp 35 kV nên cần làm cột

thu sét cách xà thanh góp và xà đỡ dây Đảm bảo không xảy ra phóng điện trongkhông khí và trong đất giữa cột thu sét với cột của xà

Nếu Skk>

Trong đó:

Is là dòng điện sét, ta lấy giá trị tính bằng 150 kA

là độ dốc đầu sóng của dòng điện sét, với giá trị a= 30 kA/

thì cần Rxk = = =7,042m

Với khoảng cách cho phép trong đất Sđ = 3m

Rxk = = = 6 ΩTrong đó: Is ta lấy giá trị là 150 kA

Vậy hệ thống nối đất khi có sét xảy ra phải đảm bảo Rnd = 6 Ω

Sử dụng hệ thanh hình tia có chôn thêm các cọc, số tia là 3 với chiều dàitia là 10m

Điện trở của thanh được tính theo công thức:

Rt = ln Thay số ta được: Rt = ln = 6,4 Ω>6Ω nên cần thêm các cọc hình chữ Lkích thước 60 mm chôn sâu 0,8 m và dài 2m

Rc= (ln +ln )= 33,96 Ω

Dùng số cọc là 10, nên a= 30/10 = 3m nên a/l = 1,5

Tra hệ số sử dụng ηt = 0,335 và hệ số sử dụng cọc ηc = 0,65

Vậy Rht = = 4,1 Ω thỏa mãn yêu cầu

+ Nối đất chống sét bên 110 kV: sử dụng hệ thống nối đất an toàn với

nối đất chống sét

Hệ số mùa thay đổi nên Rmv = = 0,887 Ω

Rc = = 33,96 Ω

Ta tính được: Rht = = 0,51 Ω

Kiểm tra điều kiện nối đất khi có sét truyền qua

Nếu không thỏa mãn cần nối đất bổ sung

Tính các giá trị Lo và Gotheo công thức sau:

Lo = 0,2.(ln – 0,31) H/m

Lo là điện cảm trên một đơn vị chiều dài của cực nối đất