Đồ án tốt nghiệp ngành hệ thống điện trịnh bá mạnh

 Đường dây trên không II – NỘI DUNG TÍNH TOÁN Phần I: Tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và nối đất trạm biến áp và đường dây Chương 1: Hiện tượng giông sét và ảnh hưởng của n

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4

PHẦN I : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 220/110kV 8

HIỆN TƯỢNG GIÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ TỚI HỆ CHƯƠNG 1 : THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 8

1.1 Hiện tượng giông sét 8

1.2 Tình hình giông sét ở Việt Nam 8

1.3 Ảnh hưởng của giông sét đến hệ thống điện Việt Nam 10

TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM BIẾN ÁP CHƯƠNG 2 : 12

2.1 Lý thuyết chung 13

2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống sét 13

2.1.2 Cách xác định, công thức tính phạm vi bảo vệ của cột 15

2.2 Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ 21

2.3 Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 22

2.3.1 Phương án 22

2.3.2 Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi: 24

2.3.3 Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp 25

THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 31

CHƯƠNG 3 : 3.1 Mở đầu 31

3.2 Các yêu cầu kĩ thuật 31

3.3 Lý thuyết tính toán nối đất 33

3.3.1 Tính toán nối đất an toàn 33

3.3.2 Nối đất tự nhiên 33

3.3.3 Nối đất nhân tạo 34

3.3.4 Tính toán nối đất chống sét 35

3.4 Tính toán nối đất an toàn 38

3.4.1 Nối đất tự nhiên 38

3.4.2 Nối đất nhân tạo 39

3.4.3 Nối đất chống sét 41

3.4.4 Nối đất bổ sung 44

BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY 51

CHƯƠNG 4 : 4.1 Mở đầu 51

4.2 Chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây 51

4.2.1 Cường độ hoạt động của sét 51

4.2.2 Số lần sét đánh vào đường dây 51

4.2.3 Số lần phóng điện do sét đánh 53

4.3 Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây 54

4.3.1 Mô tả đường dây cần bảo vệ 54

4.3.2 Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây 56

4.3.3 Tính số lần sét đánh vào đường dây 60

4.3.4 Suất cắt do sét đánh vào đường dây 60

PHẦN 2: QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP VẬN HÀNH Ở CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI 82

CHƯƠNG 1: TRUYỀN TẢI ĐIỆN ĐI XA 82

1.1 Đặc điểm của truyền tải điện đi xa 82

1.1.1 Tổng quan về hệ thống điện hợp nhất 82

1.1.2 Các vấn đề về truyền tải điện đi xa 82

1.2 Mô hình đường dây siêu cao áp 83

1.2.1 Mô hình đường dây ngắn 83

1.2.2 Mô hình đường dây trung bình 84

1.2.3 Mô hình đường dây dài 86

1.3 Vấn đề quá điện áp trên đường dây cao áp vận hành ở chế độ không tải 90

1.3.1 Giới hạn quá điện áp bằng kháng điện bù ngang 90

1.3.2 Giới hạn quá điện áp bằng tụ bù dọc 91

CHƯƠNG 2: QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP VẬN HÀNH Ở CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI 92

Đề bài :Quá điện áp trên đường dây siêu cao áp vận hành ở chế độ không tải 92

2.1 Quá điện áp trên đường dây cao áp vận hành ở chế độ không tải Error! Bookmark not defined. 2.2 Giới thiệu Matlab 93

2.3 Phân bố điện áp khi chưa có kháng 93

2.4 Phân bố điện áp khi có kháng 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

LỜI MỞ ĐẦU

Là một sinh viên đang học tập và rèn luyện tại trường đại học Đại Học Điện Lực,

em cảm thấy một niềm tự hào và động lực to lớn cho sự phát triển của bản thân trong tương lai Sau năm năm học đại học, dưới sự chỉ bảo, quan tâm của các thầy

cô, sự nỗ lực của bản thân, em đã thu được những bài học rất bổ ích, đựơc tiếp cận các kiến thức khoa học kĩ thuật tiên tiến phục vụ cho lĩnh vực chuyên môn mình theo đuổi Có thể nói, những đồ án môn học, bài tập lớn hay những nghiên cứu khoa học mà một sinh viên thực hiện chính là một cách thể hiện mức độ tiếp thu kiến thức và vận dụng sự dạy bảo quan tâm của thầy cô

Chính vì vậy em đã dành thời gian và công sức để hoàn thành đồ án tốt nghiệp

“ Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110kV và đường dây 220kV ”

này như một cố gắng đền đáp công ơn của thầy cô cũng như tổng kết lại kiến thức thu được sau một quá trình học tập và rèn luyện tại trường đại học Điện Lực

Trong thời gian học tập cũng như thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp em luôn nhận được sự chỉ bảo, động viên tận tình của các thầy cô, gia đình và các bạn, đặc biệt là sự hướng dẫn của thầy giáo Trần Anh Tùng đã giúp em hoàn thành tốt bản

đồ này

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn TS.Trần Anh Tùng và các thầy, các cô cùng toàn thể các bạn trong bộ môn Hệ thống điện

Sinh viên TRỊNH BÁ MẠNH

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: TRỊNH BÁ MẠNH

+ Phía 110 kV có 4 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng, được cấp điện từ 2 MBA tự ngẫu (AT1, AT2) + Độ cao xà cần bảo vệ phía 220 kV là 11m và 16m

+ Độ cao xà cần bảo vệ phía 110 kV là 8m và 11m

- Các kích thước hình học khác được cho trên bản vẽ :

 Đường dây trên không

II – NỘI DUNG TÍNH TOÁN

Phần I: Tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và nối đất trạm biến áp và

đường dây

Chương 1: Hiện tượng giông sét và ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện Việt Nam Chương 2: Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp

Chương 3: Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp

Chương 4: Bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện

Phần II: Chuyên đề tính toán quá điện áp và lựa chọn công suất kháng điện cho

đường dây vận hành không tải trong chế độ xác lập

III – CÁC BẢN VẼ: 6 – 8 bản vẽ Ao

 Các phương án bảo vệ chống sét đánh trực tiếp Phạm vi bảo vệ của cột thu sét trong các phương án khác nhau

 Các kết quả tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét cho trạm biến áp

 Phương pháp và kết quả tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện

 Các kết quả tính toán quá điện áp và công suất kháng bù ngang cho đường dây tải điện 500kV

………

Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 22/10/2013

Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

Trưởng khoa

TS TRẦN THANH SƠN

Ngày 20 tháng 10 năm 2013 Người hướng dẫn

TS TRẦN ANH TÙNG

PHẦN I : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 220/110kV

HIỆN TƯỢNG GIÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ CHƯƠNG 1 :

TỚI HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

Giông sét là hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi khoảng

cách ra các điện cực khá lớn Hiện tượng phóng điện của giông sét bao gồm hai loại chính đó là:

+ Phóng điện giữa các đám mây tích điện với nhau

+ Phóng điện giữa các đám mây tích điện xuống đất

Trong phạm vi đồ án này chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất Hiện tượng này gây nhiều trở ngại cho con người Các đám mây được tính điện với mật độ điện tích lớn có thể tạo ra cường độ điện lớn sẽ hình thành giông sét phát triển về phía mặt đất Giai đoạn này là giai đoạn phóng điện tiên đạo

và dòng gọi là tia tiên đạo

Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5.107 cm/s, của các lần sau nhanh hơn và đạt đến 2.108cm/s (trong một đợt), sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là 3 lần Điều này được giải thích bởi cùng lớp mây điện có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lợt phóng điện xuống đất

Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất, vì ở đấy cường độ điện trường có trị số lớn nhất và nhanh vậy là địa điểm sét đánh trên mặt đất đã định sẵn Tính chất chọn lọc của phóng điện đã được vận dụng trong việc bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình Cột thu sét có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất bé sẽ thu hút các phóng điện sét về phía mình, do đó tạo nên khu vực an toàn quanh nó

Việt Nam là một nước khí hậu nhiệt đới, có cường độ sét khá mạnh Theo tài liệu nghiên cứu trên mỗi miền đất nước có những đặc điểm giông sét khác nhau:

Miền Bắc: có số ngày giông sét dao động từ 70/100 ngày trong một năm Như vậy mỗi ngày có thể xảy ra 2 cơn giông Vùng giông nhiều nhất là Móng Cái, ở đây có tới 250/300 lần giông tập trung trong khoảng 100/110 ngày, tháng có nhiều giông nhất là tháng 7 và 8.Ở một số vùng có địa hình thuận lợi là vùng chuyển tiếp giữa vùng núi và vùng đồng bằng, số trờng hợp giông cũng lên tới 100 ngày trong năm

Số vùng còn lại có số cơn giông lên từ 150/200 lần trong năm tập trung trong

khoảng 90 đến 100 ngày Nơi ít giông nhất la Quảng Bình chỉ có dưới 880 ngày giông

Nếu xét dạng diễn biến của giông trong năm ta có thể nhận thấy mùa giông không hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nhìn chung ở Bắc Bộ tập trung vào tháng 5 và tháng 9

Trên vùng duyên hải Trung Bộ, ở phía Bắc là khu vực tương đối nhiều giông vào tháng 4, từ tháng 5 đến tháng 8 có số ngày giông là 10 ngày/tháng Tháng nhiều giông nhất là tháng 5 ta quan sát được 12/15 ngày Những ngày đầu tháng 4 và cuối tháng 10 giông còn lại ít, từ 2/5 ngày giông

Ở phía nam duyên hải Trung Bộ, khu vực nhiều giông nhất là đồng bằng Nam Bộ

từ 120/140 ngày/năm Như ở thành phố Hồ Chí Minh là 138ngày/năm Mùa đông ở miền Nam kéo dài hơn miền Bắc từ tháng 4 đến tháng 11.Khu vực Tây Nguyên mùa đông ngắn hơn và do vậy số lần sét đánh cũng ít hơn.Tháng nhiều giông nhất là tháng 5 mà cũng chỉ quan sát đợc khoảng 15 ngày giông ở miền Bắc Tây Nguyên,

10 đến 12 ngày ở phỉa Nam Tây Nguyên Các tỉnh như Kon-Tum 14 ngày, Đà Lạt

10 ngày, Plây-ku 17 ngày

Số ngày dông trên các tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem bảng 1.1

Bảng 1.1 Số ngày giông trong tháng

Tháng

Địa điểm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Cả năm Phía Bắc

Cao bằng 0,2 0,6 4,2 5,9 12 17 20 19 10 11 0,5 0,0 94 Bắc Cạn 0,1 0,3 3,0 7,0 12 18 20 21 10 2,8 0,2 0,1 97 Lạng Sơn 0,2 0,4 2,6 6,9 12 14 18 21 10 2,8 0,1 0,0 90 Móng Cái 0,0 0,4 3,9 6,6 14 19 24 24 13 4,2 0,2 0,0 112 Hồng Gai 0,1 0,0 1,7 1,3 10 15 16 20 15 2,2 0,2 0,0 87

Hà Giang 0,1 0,6 5,1 8,4 15 17 22 20 9,2 2,8 0,9 0,0 102

Sa Pa 0,6 2,6 6,6 12 13 15 16 18 7,3 3,0 0,9 0,3 97 Lào Cai 0,4 1,8 7,0 10 12 13 17 19 8,1 2,5 0,7 0,0 93 Yên Bái 0,2 0,6 4,1 9,1 15 17 21 20 11 4,2 0,2 0,0 104 Tuyên Quang 0,2 0,0 4,0 9,2 15 17 22 21 11 4,2 0,5 0,0 106 Phú Thọ 0,0 0,6 4,2 9,4 16 17 22 21 11 3,4 0,5 0,0 107 Thái Nguyên 0,0 0,3 3,0 7,7 13 17 17 22 12 3,3 0,1 0,0 97

Hà Nội 0,0 0,3 2,9 7,9 16 16 20 20 11 3,1 0,6 0,9 99 Hải Phòng 0,0 0,1 7,0 7,0 13 19 21 23 17 4,4 1,0 0,0 111 Ninh Bình 0,0 0,4 8,4 8,4 16 21 20 21 14 5,0 0,7 0,0 112 Lai Châu 0,4 1,8 13 12 15 16 14 14 5,8 3,4 1,9 0,3 93 Điện Biên 0,2 2,7 12 12 17 21 17 18 8,3 5,3 1,1 0,0 112 Sơn La 0,0 1,0 14 14 16 18 15 16 6,2 6,2 1,0 0,2 99 Nghĩa Lộ 0,2 0,5 9,2 9,2 14 15 19 18 10 5,2 0,0 0,0 99 Thanh Hoá 0,0 0,2 7,3 7,3 16 16 18 18 13 3,3 0,7 0,0 100 Vinh 0,0 0,5 6,9 6,9 17 13 13 19 15 5,6 0,2 0,0 95

Tháng

Địa điểm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Cả năm Con Cuông 0,0 0,2 13 13 17 14 13 20 14 5,2 0,2 0,0 103 Đồng Hới 0,0 0,3 6,3 6,3 15 7,7 9,6 9,6 11 5,3 0,3 0,0 70 Cửa Tùng 0,0 0,2 7,8 7,8 18 10 12 12 12 5,3 0,3 0,0 85 Phía Nam

Huế 0,0 0,2 1,9 4,9 10 6,2 5,3 5,1 4,8 2,3 0,3 0,0 41,8

Đà Nẵng 0,0 0,3 2,5 6,5 14 11 9,3 12 8,9 3,7 0,5 0,0 69,5 Quảng Ngãi 0,0 0,3 1,2 5,7 10 13 9,7 1,0 7,8 0,7 0,0 0,0 59,1 Quy Nhơn 0,0 0,3 0,6 3,6 8,6 5,3 5,1 7,3 9,6 3,3 0,6 0,0 43,3 Nha Trang 0,0 0,1 0,6 3,2 8,2 5,2 4,6 5,8 8,5 2,3 0,6 0,1 39,2 Phan Thiết 0,2 0,0 0,2 4,0 13 7,2 8,8 7,4 9,0 6,8 1,8 0,2 59,0 Kon Tum 0,2 1,2 6,8 10 14 8,0 3,4 0,2 8,0 4,0 1,2 0,0 58,2 Playcu 0,3 1,7 5,7 12 16 9,7 7,7 8,7 17 9,0 2,0 0,1 90,7

Đà Lạt 0,6 1,6 3,2 6,8 10 8,0 6,3 4,2 6,7 3,8 0,8 0,1 52,1 Blao 1,8 3,4 11 13 10 5,2 3,4 2,8 7,2 7,0 4,0 0,0 70,2 Sài Gòn 1,4 1,0 2,5 10 22 19 17 16 19 15 11 2,4 138 Sóc Trăng 0,2 0,0 0,7 7,0 19 16 14 15 13 1,5 4,7 0,7 104

Hà Tiên 2,7 1,3 10 20 23 9,7 7,4 9,0 9,7 15 15 4,3 128

Từ bảng 1.1 ta thấy Việt Nam là nước phải chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét, đây

là điều bất lợi cho H.T.Đ Việt nam, đòi hỏi ngành điện phải đầu tư nhiều vào các thiết bị chống sét Đặc biệt hơn nữa nó đòi hỏi các nhà thiết kế phải chú trọng khi tính toán thiết kế các công trình điện sao cho HTĐ vận hành kinh tế, hiệu quả, đảm bảo cung cấp điện liên tục và tin cậy

1.3 Ảnh hưởng của giông sét đến hệ thống điện Việt Nam

Như đã trình bày ở phần trước biên độ dòng sét có thể đạt tới hàng trăm kA, đây là nguồn sinh nhiệt vô cùng lớn khi dòng điện sét đi qua vật nào đó Thực tế đã có dây tiếp địa do phần nối đất không tốt, khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị nóng chảy và đứt, thậm chí có những cách điện bằng sứ khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch, phóng điện sét còn kèm theo việc di chuyển trong không gian lượng điện tích lớn, do đó tạo ra điện từ trường rất mạnh, đây là nguồn gây nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử , ảnh hưởng của nó rất rộng, ở cả những nơi cách xa hàng trăm km

Khi sét đánh thẳng vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần đường dây sẽ sinh ra

sóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện

của đường dây Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây nên ngắn mạch

pha - đất hoặc ngắn mạch pha – pha buộc các thiết bị bảo vệ đầu đường dây phải

làm việc Với những đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể

gây mất ổn định cho hệ thống, nếu hệ thống tự động ở các nhà máy điện làm việc

không nhanh có thể dẫn đến rã lưới Sóng sét còn có thể truyền từ đường dây vào

trạm biến áp hoặc sét đánh thẳng vào trạm biến áp đều gây nên phóng điện trên

cách điện của trạm biến áp , điều này rất nguy hiểm vì nó tương đương với việc

ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng Mặt khác, khi có phóng điện

sét vào trạm biến áp, nếu chống sét van ở đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu

quả thì cách điện của máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn

Qua đó ta thấy rằng sự cố do sét gây ra rất lớn, nó chiếm chủ yếu trong sự cố lưới

điện, vì vậy giông sét là mối nguy hiểm lớn nhất đe doạ hoạt động của lưới điện

*Kết luận:

Sau khi nghiên cứu tình hình giông sét ở Việt Nam và ảnh hưởng của giông sét tới

hoạt động của lưới điện Ta thấy rằng việc tính toán chống sét cho lưới điện và trạm

biến áp là rất cần thiết để nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện

TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO CHƯƠNG 2 :

TRẠM BIẾN ÁP

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

Đối với nhà máy điện và các trạm biến áp ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào thiết bị điện còn phải chú ý đến việc bảo vệ các công trình khác nữa như

 Đoạn dây dẫn nối từ xà cuối cùng của trạm ra cột đầu tiên của đường dây

 Đoạn dây dẫn hay thanh dẫn nối giữa máy phát điện và máy biến áp

 Gian máy của các loại nhà máy kiểu hở, các gian đựng khí hidro, các thiết bị đựng khí hidro ngoài trời, các thiết bị đựng dung dịch điện phân ngoài trời

 Kho dầu, các thùng dầu để ngoài trời, kho xăng

Đối với các công trình dẽ cháy nổ thì không những cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp mà còn phải đề phòng sự phát sinh tia lửa điện do điện áp gây nên, vì vậy khi tiến hành thiết kế bảo vệ đối với phần này cần nghiên cứu them quy trình đối với các công trình dễ cháy nổ

Để bảo vệ sét đánh trực tiếp ở các nhà máy điện và trạm biến áp cần dùng cột thu lôi Các cột thu lôi có thể được đặt độc lập hoặc trong những điều kiện cho phép có thể lắp đặt trên các kết cấu của trạm và nhà máy

Thông thường để giảm vốn đầu tư và cũng để tận dụng các độ cao ở các trạm biến

áp và nhà máy điện người ta cố gắng đặt các cột thu lôi trên các kết cấu trong trạm, trên các cột đèn pha dùng để chiếu sang, trên mái nhà… Cột thu lôi độc lập thường đắt hơn nên chỉ dùng khi không tận dụng được các độ cao khác

Nếu đặt các cột thu lôi trên các trạm phân phối điện ngoài trời và dùng dây chống sét để bảo vệ cho đoạn dây dẫn nối tù xà cuối cùng của trạm đến cột đầu tiên của đường dây thì chú sẽ được nối đất chung vào hệ thống nối đất chung của trạm vì vậy khi sét đánh vào cột thu lôi hay dây chống sét ấy thì toàn bộ dòng sét sẽ đi vào

hệ thống nối đất của trạm và do đó làm tăng thế của các thiết bị được nối đất chung với hệ thống nối đất của trạm Độ tăng đó lớn thì có thể gây nguy hiểm cho các thiết

bị ấy do vậy chỉ trong điều kiện cho phép mới được đặt côt thu lôi trên các công trình trong trạm hoặc dùng dây chống sét ở trong trạm

2.1 Lý thuyết chung

2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống sét

- Với mục đích giảm vốn đầu tư khi thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào nàh

máy điện và trạm phân phối ngoài trời thường cố gắng bố trí cột thu lôi trên các độ cao có sẵn như xà, cột đèn…nhưng cũng có những trường hợp phải dùng cột thu lôi độc lập tùy theo đặc điểm của từng tram và nhà máy

Khi thiết kế cần so sánh về mặt kinh tế kỹ thuật và mỹ thuật phải chú ý đến vấn đề nối đất của cột thu lôi

- Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ 110kV trở lên do có mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối Các trụ cột của các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và soa cho dòng điện sét ISkhuếch tán vào đất thei 3÷4 thanh cái của hệ thống nối đât Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện chỉ số điện trở nối đất

- Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời điện áo 110kV trở lên là cuộn dây máy biến áp, vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối vào hệ thống nối đất của cột thu lôi và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m

- Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110kV trở lên phải thực hiện các điểm 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 được quá 4Ω ( ứng với dòng điện tần số công nghiệp)

+ 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 của máy biến áp phải đặt các cột chống sét van (CSV), các thiết bị chống sét này có thể đặt ngay trên vỏ máy

+ Để bảo vệ cuộn dây 35 kV cần đặt các cột chống sét van Khoảng cách giữa chỗ nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van (theo đường điện) phải nhỏ hơn 5m Khoảng cách ấy có thể tăng lên nếu điểm nối đất của chống sét van ở vào giữa hai điểm nối đất của vỏ máy biến áp và của kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi

+ 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 độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp điện áp 110kV nếu như các yêu cầu trên được thực hiện

- Không nên đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối20 ÷ 35 kV, cũng như không nên nối các cột thu lôi vào hệ thống nối đất của trạm 20 ÷ 35 kV

- Khi dùng cột thu lôi độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi đến các

bộ phân của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vật được bảo vệ

- Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho các cột thu lôi phải cho dây dẫn điện đến đèn vào ống chì và chôn vào đất

- Đối với các nhà máy điện dung sơ đồ bộ thì chỉ được đặt cột thu lôi trên xà máy biến áp khi máy phát điện và máy biến áp được nối với nhau bằng cầu bọc kín và hai đầu được nối đất Nếu cầu có phân đoạn thì không được phép đặt cột thu lôi trên

xà của máy biến áp Với máy bù đồng bộ cũng áp dụng điều này

- Có thể nối dây chông sét bảo vệ đoạn đến trạm vào hệ thống nối đất của trạm nếu như khoảng cách từ chỗ nối đất của trạm đến điểm nối đất của máy biến áp lơn hơn 15m

- Để đảm bảo về mặt cơ tính ( độ bền cơ học ) và chống ăn mòn cần phải theo đúng quy định về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dung trên mặt dất và dưới đất phải theo bảng sau:

Loại vật liệu Dây dẫn dòng điện sét

dung trên mặt đất

Dây dẫn dòng điện sét dung dưới mặt đất

Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào một điểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào đó trên công trình Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét ( trong đó có vật cần 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 mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính được xác định bởi phương trình:

1,5h 0,75h

(2/3)h0,8h

hx

(a)(b)

rx

Hình 2.1 : phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

Bán kính được tính theo công thức sau:

h r

h

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

5,5

p

h

 và trên các hoành độ lấy câc giá trị là 0,75.h.p và 1,5.h.p

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

Hai cột thu sét có độ cao h1 = h2 đặt cách nhau một khoảng a

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vi bảo vệ của các cột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách

a giữa hai cột phải thỏa mãn a  7 h ( trong đó h là độ cao của cột thu sét) Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột Phần

bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm đỉnh cột và điểm

có độ cao h0 - h0 là độ cao bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột và được xác định theo công thức sau:

0

7

a

h   h (1.4)

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là r0X

và được xác định theo công thức sau:

 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 định phạm vi bảo vệ được xác định như sau:

Vẽ phạm vi bảo vệ của cột thấp (cột 1) và cột cao (cột 2) riêng rẽ Qua đỉnh cột thấp

vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của cột thu sét giả định Cột 1 và cột 3 hình thành đôi cột có

độ cao bằng nhau và bằng h1 với khoảng cách a’ Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h1 Điểm này được xen như đỉnh cột thu sét giả định Ta xác định được khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h1 là a’ và x như sau:

Khi đó khoảng cách giữa cột thấp h1 và cột giả tưởng là :

a’ = a – x (1.9) Phần còn lại tính toán giống phạm vi bảo vệ cột 1

 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cột thu lôi phải thỏa mãn : D ≤ 8.ha (1.10)

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

*/ Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét:

*/ Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét:

D  a  b (1.13) Với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật

Như vậy độ cao hiệu dụng của cột thu sét ha phải thỏa mãn điều kiện :

Hình 2.5 : Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét

2.1.2.2 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 vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao của hx được biểu diễn như sau:

Hình 2.6 : Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta

a'c

(a)(b)

Khi độ cao lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần đƣợc 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 thu sét phải thỏa mãn điều kiện S ≤ 4h

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

h0.8h

bx

h0

hx

Hình 2.7 : Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét

2.2 Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ

2.3 Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 2.3.1 Phương án

- Phía 220kV dùng 9 cột 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9 trong đó cột 1, 2, 3, 4, 5, 6 đƣợc đặt trên xà cao 16 m; cột 7, 8, 9 đƣợc đặt trên xà cao 11m

- Phía 110kV dùng 9 cột 10, 11,12, 13 ,14 ,15 ,16, 17, 18 trong đó cột 10, 11, 12 đƣợc đặt trên xà cao 8 m; cột 13, 14 ,15 , 16, 17, 18 đƣợc đặt trên xà cao 11 m và cột 18 đƣợc xây thêm

Vậy :

- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là hx = 11 m và hx = 16 m

- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110kV là hx =8m và hx = 11m

Hình 2.8 : Sơ đồ mặt bằng trạm

2.3.2 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  8 ha hay ha 

8

D

Trong đó

D: Là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ giác

ha: 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  7 h

Trong đó: a – Khoảng cách giữa 2 cột thu sét

h – Chiều cao toàn bộ cột thu sét

Xét nhóm cột 1-2-5-4 tạo thành hình chữ nhật:

a1-2 = 71 m ; a1-4 = 65 m Nhóm cột này tạo thành hình chữ nhật có đường chéo là:



Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi: 61,8 7, 72( )

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 hmax =12,03m nên ta chọn ha = 13 m

- Phía 110kV có hmax = 9,29m nên ta chọn ha = 10 m

Tính độ cao của cột thu sét

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

Bán kính bảo vệ của các cột 21 m (các cột N10 N18 phía 110kV)

m h

m h

Bán kính bảo vệ của các cột 28 m (các cột N1 N9 phía 220kV)

m h

m h

Phạm vi bảo vệ của hai cột 9’ và 10 là:

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

0

h

(m)

x h

(m)

0 x

r

(m) (1-2) ,(2-3),(4-5),(5-6),

(7-8),(8-9) 71 29 18,86 16 2,15

Hình 2.9 : Bán kính bảo vệ của các cột thu sét cho trạm

THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHƯƠNG 3 :

3.1 Mở đầu

Nối đất có nghĩa 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 khác nhau:

Nối đất an toàn:

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:

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 làm việc 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:

Nhiệm vụ của nối đất chống sét là 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

3.2 Các yêu cầu kĩ 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

* Trị số 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 đều 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0,5 

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

thì: R250()

Nếu chỉ dùng cho các thiết bị cao áp

)(

125

Nếu dùng cho cả cao áp và hạ áp

Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, nối đất làm việc và nối đất an toàn ở các cấp điện áp khác thường được nối thành hệ thống chung Khi nối thành hệ thống chung phải đạt được yêu cầu của loại nối đất nào có trỉ số điện trở nối đất cho phép bé nhất

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

Do nối đất làm việc trong môi trường không đồng nhất (đất - bê tông) nên điện trở suất của nó lớn hơn so với điện trở suất của đất thuần tuý và trong tính toán lấy tăng lên 25%

Vì khung cốt thép là lưới không phải cực đặc nên không phải hiệu chỉnh bằng cách nhân thêm hệ số  1,4 đó là hệ số chuyển từ cực lưới sang cực đặc

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

* Nối đất chống sét thông thường là nối đất của cột thu sét, cột điện và nối đất của

hệ thống thu sét ở trạm biến áp và nhà máy điện

Do bộ phận nối đất của cột thu sét và cột điện thường bố trí độc lập (không có liên hệ với bộ phận khác) nên cần sử dụng hình thức nối đất tập trung để có hiệu quả tản dòng điện tốt nhất Hiện nay tiêu chuẩn nối đất cột điện được quy định theo điện trở suất của đất và cho ở bảng:

Khi đường dây đi qua các vùng đất ẩm ( 3 104  cm) nên tận dụng phần nối đất có sẵn của móng và chân cột bê tông để bổ sung hoặc thay thế cho phần nối đất nhân tạo

Đối với nối đất của hệ thống thu sét ở các trạm biến áp khi bộ phận thu sét đặt ngay trên xà trạm thì phần nối đất chống sét buộc phải nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm Lúc này sẽ xuất hiện nối đất phân bố dài làm Zxk lớn làm tăng điện áp giáng gây phóng điện trong đất Do đó việc nối đất chung này chỉ thực hiện được với các trạm biến áp có cấp điện áp 110kV Ngoài ra còn phải tiến hành một số biện pháp bổ sung, khoảng cách theo mạch dẫn điện trong đất từ chỗ nối đất của hệ thống thu sét phải từ 15m trở lên…

3.3 Lý thuyết tính toán nối đất

3.3.1 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0,5

- 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

RNT 1

3.3.2 Nối đất tự nhiên

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 110kV và 220kV tới trạm

Ta có công thức tính toán như sau

c TN

c

cs

R R

R R



Trong đó:

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

Rc: là điện trở nối đất của cột điện

3.3.3 Nối đất nhân tạo

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

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:

r

I

2

Đối với nối đất chôn nằm ngang có thể dùng công thức chung để tính trị số điện trở tản xoay chiều:

t d

L K

ln 2 R

2





Trong đó: L: chiều dài tổng của điện cực

d: đường kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn Nếu dùng sắt dẹt trị số d thay bằng

2

b

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

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

Khi hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu vi mạch vòng, điện trở tản của hệ thống được tính theo công thức

c t t c

c t R n R

R R

- 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) thì không cần xét quá trình quá

độ mà chỉ cần xét quá trình phóng điện trong đất Ngược lại khi nối đất dùng hình thức tia dài hoặc mạch vòng (phân bố dài) thì đồng thời phải xem xét đến cả hai quá trình, chúng có tác dụng khác nhau đối với hiệu quả nối đất

Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung:

Qua nghiên cứu và tính toán người ta thấy rằng điện trở tản xung kích không phụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực mà nó được quy định bởi biên độ dòng điện I, điện trở suất  và đặc tính xung kích của đất

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

R xk

hoặc ở dạng tổng quát:

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 mọi trường hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng R vì nó bé so với trị số điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét đến phần điện dung C vì ngay cả trong trường hợp sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện 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

o NTSET

G

l R

),( t)(x,Z

t x I

t x U

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

k o

k o

k

L G l T

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

Việc giảm điện áp và cả mật độ dòng điện ở các phần xa của điện cực làm cho quá trình phóng điện trong đất ở các nơi này có yếu hơn so với đầu vào của nối đất Do

đó điện dẫn của nối đất (trong sơ đồ đẳng trị) không những chỉ phụ thuộc vào I,

 mà còn phụ thuộc vào toạ độ Việc tính toán tổng trở sẽ rất phức tạp và chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng.ở đây trong phạm vi của đề tài ta có thể bỏ qua quá trình phóng điện trong đất

3.4 Tính toán nối đất an toàn

c

cs

R R

R R

c

cs

R R

R R

Vậy :

3.4.2 Nối đất nhân tạo

Với trạm bảo vệ có kích thước hình chữ nhật có các chiều là:

l1=332m ; l2=191m

Ta lấy lùi lại mỗi đầu 1 m để cách xa móng tường trạm

Do đó ta sử dụng mạch vòng bao quanh trạm là hình chữ nhật ABCD có kích

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

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

tt

 = 100 1,6 = 160 ( m) + d: đường kính thanh làm mạch vòng (nếu thanh dẹt có bề rộng là b thì :d = b/2

Ta chọn thanh có bề rộng là b = 4cm do đó

d = b/2 = 4/2 =2 (cm) = 0,02 (m) + K: hệ số phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất

tt

 do