nhà máy nhiệt điện - thiết kế bảo vệ chống sét

Bởi vì HTTS với độ cao vượt hẳn độ cao của côngtrình, có tác dụng câu sét vào công trình nghĩa là xác suất sét đánh phụ thuộc vào độcao, nếu tổng trở xung điện trở xung kích của hệ thống

Đối với vùng có điều kiện thời tiết khắc nghiệt như nước ta thì nên dùng cột thu sét

II THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU SÉT – TÍNH TOÁN PHẠM VI BẢO VỆ :

1 Khu vực trạm 220 kV và hai tổ máy biến áp tự ngẫu :

 Các độ cao cần được bảo vệ :

• Xà đỡ dây MBA và dây vượt có độ cao 16,5m

• Xà đỡ thanh góp và thanh góp có độ cao 11m

• Tất cả 6 máy biến áp tự ngẫu 1 pha có kích thước mỗi máy: cao 8m, rộng 6m, dài10m

Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm và các máy biến áp ta dùng hệ thốngcột thu sét đánh số từ 1 đến 17 cột ( cột 12 được dùng để phối hợp với cột 17 bảo vệ chocác xà treo dây liên lạc giữa các cấp điện áp ) như sơ đồ mặt bằng

Dựa vào sơ đồ mặt bằng ta chọn đa giác có đường kính ngoại tiếp lớn nhất là hìnhchữ nhật ( tạo bởi 4 cột9,10,13,14) có kích thước : 50 x 61,6m2

D= 502 +61,62 = 79,34 mĐộ cao lớn nhất hx= 16,5m đặt trong diện tích hình chữ nhật (tam giác ) được bảovệ hoàn toàn nếu thỏa mãn điều kiện :

Xác định phạm vi bảo vệ bên ngoài các cột thu sét cho độ cao hx= 16,5m

• Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét ở độ cao 16,5m :

r= 1,6hh−h x

=1,6*2727−16,5=10,43 m

• Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét ở độ cao 11m :

r=1,6*h

x

x

h h

h h

+

−

=1,6*26

1126

1126

h h

=27-50

=19,86 m

r04=1,6*19,86

1186,19

1186,10

=17,2 m

r05=1,6*17,21717,,22+−1111=6,05 m

2 Đối với trạm 110kV và khu vực đặt 2 máy biến áp:

 Các độ cao cần được bảo vệ:

• Xà đỡ dây MBA và dây trượt có độ cao 11m

• Xà đỡ thanh góp và thanh góp có độ cao 7,5m

• Hai máy biến áp có kích thước mỗi máy là : cao 5m, rộng 5m, dài 8m

Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm và máy biến áp ta dùng hệ thống cộtthu sét đánh số từ 18 đến 30 như sơ đồ mặt bằng.

Dựa vào sơ đồ mặt bằng ta chọn đa giác có đường kính lớn nhất là hình chữ nhật(tạo bởi 4 cột 25,26,29,30) có kích thước : 27 x 30m2

Độ cao lớn nhất hx = 11m đặt trong diện tích hình chữ nhật (tam giác) được bảo vệhoàn toàn nếu thoảõ mãn điều kiện :

• Xác định phạm vi bảo vệ bên ngoài các cột thu sét ở độ cao h x= 11m:

rx= 1,6h

x

x

h h

h h

+

−

=1,6*17

1117

1117

h h

+

−

=1,6*171717+−77,,55=10,55 m

Ta thấy các cột thu sét như vậy hoàn toàn bảo vệ được các xà đỡ ở độ cao 7,5m

• Phạm vi bảo vệ của đôi cột18-19:

h01

=h-7

a

7

h h

h h

+

−

=1,6*17

517

517

+

−

=14,84 m

• Hình vẽ cho thấy rằng xà đỡ thanh góp có độ cao 7,5m và các máy biến áp đượcbảo vệ hoàn toàn.

Đối với những khu vực đường dây mà các cột thu sét không thể che phủ hết đượcthì ta sẽ đi thêm dây chống sét

 Như vậy với cách bố trí các cột thu sét như hình vẽ thì trạm 220kV, trạm 110kV vàkhu vực đặt MBA được bảo vệ hoàn toàn

3 Khu vực nhà máy:

• Nhà máy có 3 ống khói , các ống khói có độ cao 70m, ta phải bảo vệ cho các ốngkhói này Lợi dụng độ cao của các ống khói ta bố trí bốn kim thu sét tạo thành hìnhvuông trên miệng vành ống khói và đặt vòng (đai) dây kim loại trên 4 kim để liên kếtcác kim lại với nhau

• Chọn kim thu sét có độ cao hkim = 15m, thì độ cao của cột thu sét h= 70 + 15 =85m, nằm trong khoảng (60÷100)m, nên chiều cao của phạm vi bảo vệ của cột thu sétgiảm còn :

h h

+

−

p=1,6*72,57272,,55+−1010* 572,5,5=56,76 m Dựa trên phạm vi bảo vệ của các cột thu sét đặt trên ống khói ta nhận thấyphần nhà máy gần như được bảo vệ toàn bộ Ngoài ra ta cần đặt các kim thu sét ởcác góc đỉnh nhọn, làm đường viền chung quanh mái nhà, nối đất mái nhà làmbằng kim loại

 Vậy với cách bố trí như trên thì khu vực nhà máy được bảo vệ hoàn toàn

CHƯƠNG XII : THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

• Nối đất của hệ thống thu sét (HTTS) đóng vai trò rất quan trọng trong công việcphát huy tac dụng của bảo vệ HTTS Nếu nối đất không đạt yêu cầu thì nhiều khi hậuquả còn xấu hơn khi không đặt HTTS Bởi vì HTTS với độ cao vượt hẳn độ cao của côngtrình, có tác dụng câu sét vào công trình (nghĩa là xác suất sét đánh phụ thuộc vào độcao), nếu tổng trở xung (điện trở xung kích) của hệ thống nối đất (HTNĐ) khi tản dòngsét quá cao, điện áp giáng xung trên HTNĐ đó lớn có thể sẽ gây nguy hiểm, làm phóngđiện xuyên thủng cách điện các trang thiết bị của trạm hoặc gây nên phóng điện ngượctrong trạm (và cả trên đoạn đường dây gần trạm) sẽ tạo nên dạng sóng cắt có biên độ,nhất là độ dốc rất lớn, rất nguy hiểm cho cách điện dọc của máy biến áp

I TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT :

1 Tính toán nối đất tự nhiên:

a Đối với trạm 220kV:

•Điện trở suất của đất đo vào lúc khô ráo : pđo =182Ωm

Do đó điện trở tính toán : ptt= pđo* km = 184*1,6=294,4 mΩ

•Đối với trạm 220kV :

Có 7 đường dây đấu vào trạm 220kV và có đặt DSC trên toàn tuyến, nen :

Rcs_c =

4

12

Rcs Rc

Rc

Do: ρtt=294,4 < 500Ωm

Điện trở tác dụng của đoạn DCS trong một khoảng vượt : Rcs = k.ro.l

• Đường dây 220kV sử dụng dây chống sét TK – 70 nên ro = 2,38Ω/km

• Chiều dài trung bình của khoảng vượt : 1kv = 300m (= 0,3km)

•Đường dây 220kV có hai DCS nên k = 0,5

102

1

10

++ = 1,72 Ω

Có 7 đường dây đấu vào : Rtn_ 220 =

n

Rcs

=7

72,1 =0,246 Ω

b.Đối với trạm 110kV :

• Có 6 đường dây đấu vào trạm 110kV và có đặt DCS trên toàn tuyến,nên :

Do : ptt = 294,4Ωm < 500Ωm, nên chọn Rc = 10Ω

•Điện trở tác dụng của đoạn DCS trong một khoảng vượt Rcs= k.ro.l

•Đường dây 110kV sử dụng dây chống sét TK – 50 nên ro=3,7Ω/km

•Chiều dài trung bình khoảng vượt : 1kv =200m (0,2km)

•Đường dây 110kV có một DCS nên k= 1

Rcs= k.ro.l= 1*3,7*0,2 =0,74 Ω

⇒Rcs_c=

4

12

Rcs Rc

Rc

=

4

174,0

102

375,2

= 0,396Ω

 Vậy điện trở nối đất tự nhiên của toàn nhà máy là :

Rtn =

110 220

110 220

_

*_

Rtn Rtn

Rtn Rtn

+ =00,,246246++00396,396=0,162Ω

2 Thiết kế nối đất nhân tạo:

a Nối đất mạch vòng :

Mặc dù nối đất tự nhiên nên đã đạt yêu cầu Rtn=0,162Ω< 0,5Ω nhưng nhằm tăngcường an toàn và dự phòng cho các trường hợp khi nối đất tự nhiên có thay đổi, ta phảiđặt thêm bộ phận nối đất nhân tạo có điện trở tản Rnt ≤1Ω

Mạch vòng nối đất chạy ven chu vi nhà máy (Rmv) có dạng thanh

Mặt bằng theo thiết kế của toàn nhà máy có kích thước (280 x 250)m2

Chu vi nhà máy : l = 2(l1 + l2) = (280+ 250) = 1060m

Tỷ số l1/l2 = 280/245 = 1,12 bằng cách nội suy tuyến tính ta được hệ số hình dáng củamạch vòng :

K=11,12,5−−11(5,81-5,53)+ 5,53 =5,59

•Ta chọn thép tròn có đường kính d=20mm để tạo mạch vòng :

•Độ chôn sâu của thanh là to=0,8m

•Điện trở suất của chất đo vào lúc khô ráo pđo=184Ωm

•Với nối đất an toàn, tra bảng ta được : km=1,6 ⇒ptt = pđokm=184*1,6=294,4 ΩmVậy điện trở tản xoay chiều của mạch vòng thanh là :

*

*

0 2

=2*3,14*1060

4,294

ln 0.02*0,8

1060

*59,

=0,87

Do Rmv = 0,87Ω 〈1Ω nên ta vẫn sẽ sử dụng nối đất bổ sung.

b Nối đất bổ sung :

Ta chỉ xét nối đất bổ sung cho trạm, bỏ qua nối đất bổ sung cho khu vực nhà máy.Nối đất bổ sung có nhiều dạng và kích thước khác nhau

• Chọn nối đất bổ sung dạng 2 tia 3 cọc như hình vẽ, chiều dài mỗi tia lt =10m,có đường kính dt=20mm, chiều dài mỗi cọc là lc=2m, đường kính dc=20mm, độ chônsâu t0 =0,8m

• Điện trở tản xoay chiều của hệ 2 tia K – hệ số phụ thuộc vào cách bố trí thanhngang có tính đến hiệu ứng màn che (phụ thuộc hình dáng) : tra bảng ta được K = 1 t= t0+lc/2=1,8+

L k

lc t

lc t Ln dc

lc Ln

*4

*42

12

=0,53Ω

Rnt=

R

R Rbs R mv

bs mv

+

Σ Σ

*

=00,.8787+*00,,5353=0,33Ω ≤1(Ω) thỏa ĐK nối đất nhân tao

• Điện trở tản tổng của toàn bộ HTNĐ :

Rt=

Rnt Rtn

Rnt Rtn

+

*

=00,,162162**00,,33330,11Ω ≤0,5Ω

Vậy thoả điều kiện về quy phạm nối đất an toàn

3 Tính tổng trở xung của HTNĐ có nối đất bổ sung (NĐBS) :

•Nhiệm vụ chủ yếu của NĐBS là tản dòng sét một cách thuận lợi, để có hiệu quảtốt cần sử dụng các dạng nối đất tập trung Vì là nối đất tập trung, nên khi dòng điệnđạt trị số cực đại ( t=τds) thì quá trình quá độ đã kết thúc(τds ≤T ) Trị số điện trở tản

ổn định của NĐBS ( '

bs

R ) như trong phần nối đất an toàn nhưng được quy đổi về mùamưa

Tổng trở xung của HTNĐ được tính một cách gần đúng theo các tiên đề, giả thiết sau:

 Coi như chỉ có nối đất bổ sung dưới chân cột bị sét đánh trực tiếp và mạchvòng nối đất ven chu vi của trạm tham gia vào việc tản dòng sét

 Bỏ qua hiệu ứng màn che giữa nối đất bổ sung và mạch vòng nối đất của trạm(do mạch vòng của trạm tải trên một khu vực rộng)

 Bỏ qua hiện tượng phóng tia lửa điện trong đất (nẹt lửa trong đất), chỉ kể đến

ảnh hưởng của mạch vòng nối đất

• Các giả thiết này làm cho việc tính toán tổng trở tản xung của HTNĐ sẽ đơngiản hơn, kết quả sẽ tương đối chính xác, tuy nhiên có thể thực hiện bằng phươngpháp gỉai tích, như vậy kết quả sẽ lớn hơn thực tế và sẽ nghiêng về phía an toàn.Nghiệm có dạng tổng quát có dạng : với Z(0,τds)=

ds bs

ds bs

),0(

*'

*21

31.0

'ln2,0

m l mv R Go

r

l Lo

R=d/2=0,02/2=0,01 m

Do đó :

t

i L x u

t

u G L x u

''

2 2 2 2

⇒ZΣ(0,τds)=

mv R bs R

mv R bs R

''

'

*'

=

n k

mv R

1

'

*2

Xk bs

R

mv R

T

Xk e

mv R

'

'X=0⇒tg X+ 120,,7401X=0

⇒tgX +0,0616X =0Chuỗi số hạng (1) chỉ cần tính đến số hạng thứ k – mà tại đó,

*

Giải phương trình:(bằng chương trình MATLAB) với điều kiện: XK ≤ 20,19 rad

ta được các nghiệm gần đúng :

X1= 3.1419 , X2= 6.3210 , X3 = 9.4120

mv R bs R

''

'

*'

=

n k

F

1 =1212,,0101*+o0,,77 + 2*0,7*2,48776222=4,38Ω

III KIỂM TRA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT THEO ĐIỀU KIỆN CHỐNG SÉT:

Dòng sét tản qua HTNĐ của trạm sẽ tạo nên một điện áp giáng xung trên tổng trởxung của nó, mà trị số cực đại bằng : U =I S Z∑(0,τds), với Is là biên độ dòng sét ở đầuvào của HTNĐ

• Để không xảy ra phóng điện làm hư hỏng cách điện của các trang thiết bị điệntrong trạm, hoặc phóng điện ngược đến các bộ phận mang điện thì điện áp giáng xungphải nhỏ hơn mức cách điện xung bé nhất của trạm, tức là: U x =I S Z∑(0,τds)<U0 , 5, (U0,5 –

mức cách điện xung bé nhất của thiết bị – cho bởi thực nghiệm)

• Theo thiết kế, điểm nối đất của cột thu sét cách điểm nối đất trung tính củaMBA lớn hơn 15m theo đường thanh dẫn nên ta chỉ kiểm tra với U0,5 của cách điện ngoàicủa chuỗi sứ mà không cần kiểm tra với U0,5 của cách điện trong của MBA

• Tra bảng U0,5 của mỗi chuỗi sứ ở cấp điện áp 110kV là 660kV, 220kV là1140kV

• Theo yêu cầu phải kiểm tra với dòng sét I = a*t có các thông số là:

• Từ đó tính được điện áp xung kích cực đại là:

Ux =Is*Z∑ (0,τ ) = 150*4,38 = 657 (KV) ≤ 660 KVVậy HTNĐ đã thiết kế thoả mãn yêu cầu theo điều kiện chống sét.

CHƯƠNG XIII:

CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY 110kV

• Đường dây tải điện nêu trên không là phần tử có chiều dài lớn nhất tronghệ thống điện nên có khả năng (xác suất) bị sét đánh cao nhất và chịu tác dụng củaquá trình điện áp Sóng quá điện áp không chỉ gây nên phóng điện trên cách điệnđường dây, đưa đến cắt điện mà còn mà còn có thể truyền vào trạm theo đường dâygây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bị trong trạm, đặc biệt khi sét đánh trựctiếp vào dây dẫn hoặc vào cột gây nên phóng điện ngược ở các đoạn đường dây gầntrạm

• Quá điện áp khí quyển xuất hiện trên đường dây theo hai khả năng: hoặc

do sét đánh trực tiếp vào đường dây, hoặc do sét đánh gần đướng dây gây nên quáđiện áp cảm ứng (điện áp ngẫu hợp) Trường hợp đầu nguy hiểm nhất vì đường dâychịu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét, việc bảo vệ chống sét cho đường dâychính là nhằm để hạn chế quá điện áp trong trường hợp này

• Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, cường độ hoạt động của séttương đối lớn, số ngày sét trong năm có thể lên đến trên dưới 100, do đó hầu hết cácđường dây tải điện trên không điện áp từ 110kV trở lên đều được bảo vệ bằng dâychống sét (DCS) Số DCS và góc bảo vệ ( )α tuỳ thuộc vào tính chất quan trọng của

đường dây và công suất truyền tải, và có ảnh hưởng đáng kể đến chỉ tiêu kinh tế – kỹthuật của đường dây.

• Đường dây có DCS có thể bị sét đánh trực tiếp theo ba khả năng:

 Sét đánh vào đỉnh cột hay vào DCS ở gần đỉnh cột

 Sét đánh vào DCS ở giữa khoảng vượt

 Sét đánh vòng qua DCS vào dây dẫn

 Chiều dài khoảng vượt : 1kv=200m

 Độ võng của dây dẫn : fDD =2,20m

 Độ võng của dây chống sét : fDCS =1,84m

 Cỡ dây chống sét : TK – 50

 Bán kính của dây chống sét : rCS = 4,6mm

 Trong chương này ta sẽ xác định chỉ tiêu chống sét cho đường dây tải điện 110kV.(vị trí của sét có ảnh hưởng đến sự phân bố dòng sét trên các phần tử của đường dây, ảnhhưởng đến các thành phần điện áp do sét gây ra trên cách điện của đường dây Đối vớiđường dây có U 110≥ KV có thể bỏ qua trường hợp quá điện áp cảm ứng do sét đánh gầnđường dây, vì trị số quá điện áp bé so với mức cách điện xung của đường dây (mức cáchđiện xung của đường dây 110KV là 660KV) nên ít có khả năng gây phóng điện trên cáchđiện dẫn đến cắt điện)

II TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CẦN THIẾT :

1 Các thông số của đường dây:

Dạng trụ thép dùng cho đường dây tải điện 110kV như hình XIII-1 trong đó :

• Chiều dài khoảng vượt : 1kv=200m

• Độ võng của dây dẫn : fDD =2,24m

• Độ võng của dây chống sét : fDCS =1,84m

• Cỡ dây chống sét : TK – 50

• Bán kính của dây chống sét : rCS = 4,6mm

• Kích cỡ tối thiểu của đường dây : dmin=11,3mm

• Loại sứ thường dùng và số sứ : 7*Π−4,5

• U0,5 của chuỗi sứ : U0,5 =660kV

• Chiều dài toàn bộ chuỗi sứ :1cs =1,3m

• Chiều dài phần cách điện của chuỗi sứ : 1cđ = 1,2m

• Hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của vầng quãng xung (đường dây có mộtDCS):λ =1,3

• Điện áp làm việc : U1v =57kV

• Số ngày có sét trong năm : n = 100 ngày

• Mật độ sét trung bình : m = 0,1 lần/km2 ngày sét

• Hệ số phóng điện ngược : β =0,3.

• Điện trở nối đất của cột : R c =10Ω

3 Các thông số cần thiết trong tính toán :

• Xác định pha dùng cho toàn bộ quá trình tính toán: ta nhận thấy rằng pha A có gócbảo vệ lớn nhất:

αA= tan− 1(2+2,11,3) =32,470

1,43,12

1,4

+

αc= tan− 1(2+12,3,1+4,1) = 16,50

Nên pha A sẽ được chọn dùng trong tính toán

• Độ treo cao trung bình của DCS:

hcs – độ treo cao của DCS tại cột : hcs =25m

fcs – độ võng của DCS : fcs =1,84m

• Độ treo cao trung bình của DD:

hDD – độ treo của dây dẫn tại cột;

fDD – độ võng của dây dẫn(2,40m)

h− DDA=hDD

-32

fDD

= 20,1 m Hệ số ngẫu hợp k giữa dây dẫn và DCS :

Đường dây có một DCS, hệ số ngẫu hợp hình học tính theo :

K=

CS

r cs a a

h d

D

_ _

2ln1

1ln

Trong đó : D1a - là khoảng cách trung bình giữa ảnh của DCS và dây dẫn pha A :

77,23

*2ln

796,2

915,43ln

= 0,299

Hệ số ngẫu hợp động (khi xét đến ảnh hưởng vầng quang) kvq :k vq =λk

Hệ số hiệu chỉnh theo ảnh hưởng của vầng quang xung = λ

Đường dây có một DCS thì :

Điện cảm của cột tính đến độ treo cao của dây dẫn :

LDD

c = 0,2hDDA(ln 2H(c)+2∆*H h *ln∆H h−1

dd td

*8,2

=

58 ,

3,3

7,467,21

*2

3.358

,1

7,46

*2

−

+

+

)1(

Trong đó : β - là hệ số phóng điện ngược : β =0,3

v - là vận tốc phóng điện ngược : v =β*c =0,3*300 =90m/µs

−

+

+

)1(

Hỗ cảm giữa khe sét và mạch vòng kín “DCS – đất” :

*2

β

+1)

• Tổng trở sóng của DCS có xét đến ảnh hưởng của vầng quang xung : vq

cs

Z đượctính bởi

*2

lkv –chiều dài khoảng vượt : lkv=200m.

c –vận tốc ánh sáng trong môi trường không khí : c = 300m/µs

⇒ LCS =554,596300*200=369,731µH

III XÁC SUẤT PHÓNG ĐIỆN VP TRÊN ĐƯỜNG DÂY :

1 Khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc DCS gần đỉnh cột :

Sơ đồ phân bố dòng sét như hình vẽ :

Do Rx << ZDCS nên dòng sét chủ yếu đi qua cột bị sét đánh vào nối đất của cộtđiện, còn phần nhỏ theo DCS đến các cột kế cận và vào nối đất của chúng Trong trườnghợp này chuỗi sứ của cột bị sét đánh chịu quá điện áp nặng nề nhất.

Quá điện áp gồm các thành phần sau :

• Điện áp giáng trên điện trở tản xung của nối đất cột điện bị sét đánh: UR= iC*R X

Với Rx = 10 Ω,

i

iC = S-2*iDCS = at -2*iiDCS

Do đó : UR= iC*R X =10(at -2*iiDCS) (1)

Điện áp cảm ứng từ :

∂

∂

+

S DD