bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm biến áp 110/35 kV Châu Khê - Bắc Ninh

Đối với trạm biến áp 110/35kV Châu Khê - Bắc Ninh thì các thiết bị điện của trạm đợc đặt ngoài trời nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề không những chỉ

ơng 1:

bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm biến áp 110/35 kV Châu Khê - Bắc Ninh.

1.1-Khái niệm chung.

Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện

Đối với trạm biến áp 110/35kV Châu Khê - Bắc Ninh thì các thiết bị điện của trạm đợc đặt ngoài trời nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề không những chỉ làm hỏng đến các thiết bị trong trạm mà còn gây nên những hậu quả cho những ngành công nghiệp khác do bị ngừng cung cấp điện Do vậy trạm biến áp thờng có yêu cầu bảo vệ khá cao

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp ngời ta dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng cuả hệ thống này là tập trung điện tích để

định hớng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên

d-ới hệ thống này

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào

hệ nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của

bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi có dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn

để gây phóng điện ngợc đến các thiết bị khác gần đó

Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo về yêu cầu về

kỹ thuật, mỹ thuật

1.2- Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp.

Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải đợc nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ Hệ thống bảo vệ trạm 110/35kV ở đây ta dùng hệ thống cột thu lôi, hệ thống này có thể đợc đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt độc lập tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể

Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng đợc độ cao của phạm vi bảo vệ và sẽ giảm đợc độ cao của cột thu lôi Nhng mức cách điện của trạm phải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngợc từ hệ thống thu sét sang thiết bị Vì đặt kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ng ợc

từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ

Đối với trạm phân phối có điện áp từ 110kV trở lên có mức cách điện khá cao (cụ thể khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) do đó có thể đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đờng ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vào đất theo 3 đến 4 cọc nối đất, mặt khác mỗi trụ phải có nối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất

Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời điện áp từ 110kV trở lên là cuộn dây máy biến áp vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp là phải lớn hơn 15m theo đờng điện

Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn

điện phải đợc cho vào ống chì và chôn trong đất

1.3- Tính toán thiết kế, các ph ơng án bố trí cột thu lôi.

Với yêu cầu thiết kế hệ thống chống sét cho trạm 110kV và dựa vào độ cao của các thiết bị ta có thể bố trí đợc các cột thu lôi và tính đợc độ cao của chúng

1.3.1 Công thức tính chiều cao của cột thu lôi

h = hx + ha Trong đó :

h-Là chiều cao cột thu lôi

hx-Là độ cao cần đợc bảo vệ

ha-Là độ cao tác dụng của cột thu lôi

ha:Xác định theo nhóm cột với điều kiện là ha  D/8

D-Là đờng kính đờng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các cột

1.3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập

Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là miền giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đờng sinh xác định bởi phơng trình :

rx =  x

x

h h h

h 1

6 , 1





Trong đó :

rx-Là phạm vi bảo vệ ở mức cao hx của cột thu lôi

Để dễ dàng thuận tiện trong việc tính toán thiết kế thờng dùng phạm vi bảo vệ dạng đơn giản hoá Đợc tính toán theo công thức :

- Nếu hx 3h

2



thì 0 , 8 h)

h 1 (

h 5 , 1

- Nếu hx h

3

2

h

h 1 (

h 75 , 0

* Các công thức trên chỉ đúng với những cột thu lôi cao dới 30 m Hiệu quả của cột thu lôi hơn 30 m sẽ giảm do độ cao định hớng của sét là hằng số

h

r x

h

x

2/3h

0,75h 1,5h 0,75h

1,5h

0,2h

Hình 1.1.Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi

Khi cột có chiều cao trên 30m thì ta vẫn dùng công thức trên nhng phải nhân

thêm với hệ số hiệu chỉnh p =

h

5 , 5

Và trên hình vẽ ta sử dụng các hoành độ 0,75.h.p

1,5.h.p

1.3.3 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi

Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi thì lớn hơn nhiều so với tổng số phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột đơn Nhng để hai cột thu lôi có thể phối hợp bảo vệ đợc khoảng giữa chúng thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn điều kiện a 7.h

a) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có cùng độ cao

Khi hai cột thu lôi có cùng độ cao h đặt cách nhau một khoảnh a(a  7.h) thì độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là h0đợc xác

định :

h0 = h -

7

a

; rox = 1,6  

o

h h



 Bán kính phạm vi bảo vệ tại khoảng giữa hai cột đợc tính gần đúng nh sau :

- Nếu hx h0

3

2

h 8 , 0

h 1 (

h 5 , 1

0

x

0 

- Nếu hx h0

3

2

h

h 1 (

h 75 , 0

0

x

0 

Trong đó :

h0-Là độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi

r0x-Là bán kính phạm vi bảo vệ tại khoảng giữa hai cột thu lôi

Khi độ cao của cột thu lôi lớn hơn 30 m thì ta cũng phải thêm hệ số hiệu chỉnh p nh mục 1.3.2 và tính h0 theo

h0 = h -

p 7

a

; p =

h

5 , 5

b) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau

Đợc xác định nh sau :

Giả sử có hai cột thu lôi : Cột 1 có độ cao h1

Cột 2 có độ cao h2 Khoảng cách giữa hai cột la a và h1 > h2 Trớc tiên ta vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h1sau đó từ đỉnh của cột thấp h2 gióng đờng thẳng ngang sang cột h1 Cắt đờng sinh của phạm vi bảo vệ của cột 1 tại điểm 3

Điểm này đợc coi là đỉnh của cột thu lôi giả định (cột 3) Cột thu lôi giả

định này có cùng độ cao với cột 2 và hình thành đôi cột có chiều cao bằng nhau, cách nhau một khoảng a,

Hình 1.3.Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau.

Dễ dàng nhận thấy khoảng cách x từ h1 (cột 1) đến cột giả tởng (cột 3) chính là bán kính bảo vệ của cột cao h1 đối với chiều cao cần bảo vệ bằng h2

Do đó tính khoảng cách x theo :



















8 , 0

h h 5 , 1 x h / 2

h2 2 / h1 x  0 , 75h1 h2

Từ đó ta tính đợc a’ = a - x và h0 = h2 - a’/7

Từ đó ta tính đợc bán kính bảo vệ r0x



















0

x 0

x 0 x

h , 0

h 1 h 5 , 1 r h / 2 h

h 0

a'

2

h

2

1

h1

3 R

a

r 0x

r 1x

r2x

h x

1,5h

2 0,75h

1

x





















0

x 0

x 0 x

h

h 1 h 75 , 0 r h / 2 h

c) Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét

Khi công trình cần đợc bảo vệ chiếm một khu vực rộng lớn nếu chỉ dùng một vài cột thì cột phải rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công và lắp ráp Trong trờng hợp này ta dùng phối hợp nhiều cột với nhau để bảo vệ Phần ngoài của phạm vi bảo vệ sẽ đợc xác a nằm trong đa giác sẽ đợc bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:

D  8.(h - hx) = 8.ha

Trong đó :

D - đờng kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét

ha = h - hx là độ cao hiệu dụng của cột thu sét

Nếu độ cao cột vợt quá 30 m thì điều kiện an toàn sẽ đợc hiệu chỉnh là

D  8.(h - hx).p = 8.ha.p ; p =

h

5 , 5

1.3.4- Các số liệu dùng để tính toán thiết kế cột thu lôi bảo vệ trạm biến áp 110/35kV Châu Khê - Bắc Ninh.

- Trạm có diện tích là: 57 x 58,35m và bao gồm:

+ Hai máy biến áp T1 và T2

+ 2 lộ 110kV và 6 lộ 35kV

- Độ cao các thanh xà phía 110kV là 10m và 8m

- Độ cao các thanh xà phía 35kV là 9m và 7m

- Ngoài ra trạm còn có 3 cột chiếu sáng cao 21m

Ta có sơ đồ trạm:

Hình 1 4 Trạm biến áp 110

35 KV

1.4- Trình tự tính toán.

Trạm biến áp Châu Khê đợc hai đờng 110kV cấp, đó là lộ đờng dây mạch kép Phả Lại đi Đông Anh, hai đờng 110kV này đợc nối với nhau qua máy cắt liên lạc giữa hai hệ thống thanh góp

Trạm có cấp điện áp 110/35kV và có hai máy biến áp T1 ; T2 đợc nối với hai

lộ đờng dây vào 110kV và sáu lộ đờng dây 35kV

Phía 110kV có hai hệ thống thanh góp và có máy cắt liên lạc

Sau khi khảo sát sơ bộ sơ đồ mặt bằng trạm, vị trí bố trí các thiết bị trong trạm và yêu cầu bảo vệ của mỗi thiết bị, ta đa ra hai phơng án đặt cột thu lôi nh sau:

- Ph ơng án 1.

+ Bố trí 4 cột thu lôi bên phía 110kV, phía 35kV ta bố trí 2 cột thu lôi nh hình

vẽ (1 – 5) Các cột có cùng độ cao

- Ph ơng án 2

+ Bố trí 2 cột thu lôi bên phía 110kV, phía 35kV ta bố trí 2 cột thu lôi nh hình

vẽ (1 – 7) Các cột có cùng độ cao

1.4.1- Xét phơng án I.

+ 6 cột đợc bố trí nh hình vẽ (1 – 5):

Hình 1 5 Sơ đồ bố trí cột thu sét của PAI

+ Khoảng cách giữa các cột:

1 – 2: 57 m; 5 – 6: 57 m;

2 – 3: 29,175 m; 4-5: 29,175 m;

3 – 4: 57 m; 1-4: 29,175 m;

3 – 6: 29,175 m;

1.4.1.1- Tính toán phạm vi bảo vệ của các nhóm cột.

Nhóm cột (1, 2, 3, 4) và (3, 4, 5, 6) tạo thành hình chữ nhật có kích thớc 29,175 x57 m2 do đó ta có:

Đờng kính vòng tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này là:

D = 572 29,1752 = 64,033 m

 Chiều cao tác dụng tối thiểu để các cột 1, 2, 3, 4 bảo vệ đợc toàn bộ diện tích của nó là:

ha =

8

D

= 64,033

8 = 8 m Vì độ cao cực đại của vật đợc bảo vệ trong trạm là 10m nên độ cao của cột thu lôi là:

h = hx + ha = 10 + 8 = 18 m

Để thuận tiện cho việc chế tạo và tránh cho cột phải làm việc ở trạng thái căng, mặt khác do các cột chiếu sáng có chiều cao là 21m nên ta chọn độ cao của các cột đều là h = 21 m

1.4.1.2- Tính toán và kiểm tra phạm vi bảo vệ của các cột thu sét.

 Với h x = 10 m

Bán kính bảo vệ của cột thu sét cao 21 (m )khi độ cao cần đợc bảo vệ hx =

10 m:

rx =

h

hx 1

6 , 1

 (h – hx) =

1,6 10 1 21

 (21 – 10) = 11,923 m

*Bán kính bảo vệ dọc theo đờng trung trực nối giữa các cột xung quanh trạm:

Xét cặp cột 1 – 2 chúng đều có cùng độ cao h = 21 m và các cặp cột đều cách nhau a = 57 m

h0 = h -

7

a

= 21 - 57

7 = 12,857 m

 r0x =

0

h

hx 1

6 , 1

 (h0 – hx) =

1,6 10 1

12,857

 (12,857 – 10)= 2,571 m

Xét cặp cột 1 – 4 và 2 – 3; chúng đều cách nhau a = 29,175 m và các cột

có cùng độ cao h = 21 m

h0 = 21 - 29,175

7 = 16,832 m

 r0x =

1,6 10 1

16,832

 (16,832 – 10) = 6,857 m

 Với h x = 9 m

Bán kính bảo vệ của cột thu sét cao 21 (m )khi độ cao cần đợc bảo vệ hx = 9m:

rx =

1,6 9 1 21

 (21 – 9) = 13,44 m

*Bán kính bảo vệ dọc theo đờng trung trực nối giữa các cột xung quanh trạm:

Xét cặp cột 5 – 6 chúng đều có cùng độ cao h = 21 m và các cặp cột đều cách nhau a = 57 m

h0 = h -

7

a

= 21 - 57

7 = 12,857 m

 r0x =

1,6 9 1

12,857

 (12,857 – 9) = 3,63 m

Xét cặp cột 5 – 4 và 6 – 3; chúng đều cách nhau a = 29,175 m và các cột

có cùng độ cao h = 21 m

h0 = 21 - 29,175

7 = 16,832 m

 r0x =

1,6 9 1

16,832

 (16,832 – 9) =8,165 m

 Với h x = 8 m.

Bán kính bảo vệ của cột thu sét cao 21 (m )khi độ cao cần đợc bảo vệ hx =

8 m:

rx =

h

hx 1

6 , 1

 (h – hx) =

1,6 8 1 21

 (21 – 8) = 15,062 m

*Bán kính bảo vệ dọc theo đờng trung trực nối giữa các cột xung quanh trạm:

Xét cặp cột 1 – 2 chúng đều có cùng độ cao h = 21 m và các cặp cột đều cách nhau a = 57 m

h0 = h -

7

a

= 21 - 57

7 = 12,857 m

 r0x =

0

h

hx 1

6 , 1

 (h0 – hx) =

1,6 8 1

12,857

 (12,857 – 8)= 4,79 m

Xét cặp cột 1 – 4 và 2 – 3; chúng đều cách nhau a = 29,175 m và các cột

có cùng độ cao h = 21 m

h0 = 21 - 29,175

7 = 16,832 m

 r0x =

1,6 8 1

16,832

 (16,832 – 8) = 9,579 m

 Với h x = 7 m

Bán kính bảo vệ của cột thu sét cao 21 (m )khi độ cao cần đợc bảo vệ hx = 7m:

rx =

1,6 7 1 21

 (21 – 7) = 16,8 m

*Bán kính bảo vệ dọc theo đờng trung trực nối giữa các cột xung quanh trạm:

Xét cặp cột 5 – 6 chúng đều có cùng độ cao h = 21 m và các cặp cột đều cách nhau a = 57 m

h0 = h -

7

a

= 21 - 57

7 = 12,857 m

 r0x =

1,6 7 1

12,857

 (12,857 – 7) = 6,068 m

Xét cặp cột 5 – 4 và 6 – 3; chúng đều cách nhau a = 29,175 m và các cột

có cùng độ cao h = 21 m

h0 = 21 - 29,175

7 = 16,832 m

 r0x =

1,6 7 1

16,832

 (16,832 – 7) =11,111 m

1.4.1.3- Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét đợc vẽ trên hình 1 – 6:

Hình 1 6 Sơ đồ bảo vệ của cột thu sét của PAI

Từ hình vẽ 1 - 6 ta thấy toàn bộ thiết bị của trạm đều nằm trong phạm vi bảo

vệ của cột thu sét Vậy với cách bố trí cột thu sét nh phơng án I là đảm bảo yêu cầu về mặt kĩ thuật

Bảng (1 – 1) trình bày kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi trong phơng án I:

(m)

h (m) h x (m)

r 0x (m)

h x (m)

r 0x (m)

h x (m)

r 0x (m)

h x (m)

r 0x (m)

-Bảng1-1

Bảng (1 – 2) trình bày kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của 1 cột thu lôi trong phơng án I:

(m) h x (m)

r x (m)

h x (m)

r x (m)

h x (m)

r x (m)

h x (m)

r x (m)

1 21 10 11,923 9 13,44 8 15,062 7 16,8

2 21 10 11,923 9 13,44 8 15,062 7 16,8

3 21 10 11,923 9 13,44 8 15,062 7 16,8

4 21 10 11,923 9 13,44 8 15,062 7 16,8

5 21 10 11,923 9 13,44 8 15,062 7 16,8

6 21 10 11,923 9 13,44 8 15,062 7 16,8

Bảng1-2 1.4.2- Xét phơng án iI.

+ 4 cột đợc bố trí nh hình vẽ (1 –7):

Hình 1 7 Sơ đồ bố trí cột thu sét của PAII

+ Khoảng cách giữa các cột:

1 – 2: 57 m; 2 – 3: 58,35 m;

3 – 4: 57 m; 4 – 1: 58,35 m;

1.4.2.1- Tính toán phạm vi bảo vệ của các nhóm cột.

Nhóm cột (1, 2, 3, 4) tạo thành hình chữ nhật có kích thớc 57x58,35 m2

do đó ta có:

Đờng kính vòng tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này là:

D = 572 58,352 = 81,57 m

 Chiều cao tác dụng tối thiểu để các cột 1, 2, 3, 4 bảo vệ đợc toàn bộ diện tích của nó là:

ha =

8

D

= 81,57

8 = 10,196 m Vì độ cao cực đại của vật đợc bảo vệ trong trạm là 10m nên độ cao của cột thu lôi là:

h = hx + ha = 10 + 10,196 = 20,196 m

Để thuận tiện cho việc chế tạo và tránh cho cột phải làm việc ở trạng thái căng, mặt khác do các cột chiếu sáng có chiều cao là 21m nên ta chọn độ cao của các cột đều là h = 22 m

1.4.2.2- Tính toán và kiểm tra phạm vi bảo vệ của các cột thu sét.

 Với h x = 10 m

Bán kính bảo vệ của cột thu sét cao 22 (m )khi độ cao cần đợc bảo vệ hx =

10 m:

rx =

h

hx 1

6 , 1

 (h – hx) =

1,6 10 1 22

 (22 – 10) = 13,2 m

*Bán kính bảo vệ dọc theo đờng trung trực nối giữa các cột xung quanh trạm:

Xét cặp cột 1 – 2 và 3 - 4 chúng đều có cùng độ cao h = 22 m và các cặp cột đều cách nhau a = 57 m

h0 = h -

7

a

= 22 - 57

7 = 13,857 m

 r0x =

0

h

hx 1

6 , 1

 (h0 – hx) =

1,6 10 1

13,857

 (13,857 – 10)= 3,584 m

Xét cặp cột 1 – 4 và 2 – 3; chúng đều cách nhau a = 58,35 m và các cột

có cùng độ cao h = 22 m

h0 = 22 - 58,35

7 = 13,664 m

 r0x =

1,6 10 1

13,664

 (13,664 – 10) = 3,385 m

 Với h x = 9 m