Bài Tập Dài Kỹ Thuật Điện Cao Áp

Phần I : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và nối đất Họ và tên : Trần Quốc Anh Lớp : HTĐ3_K47 Số thứ tự của sinh viên : 1 PHẦN 1: Bảo vệ chống sột đỏnh trực tiếp và nối đất A.Thiết kế h

Phần I : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và nối đất

Họ và tên : Trần Quốc Anh

Lớp : HTĐ3_K47

Số thứ tự của sinh viên : 1

PHẦN 1: Bảo vệ chống sột đỏnh trực tiếp và nối đất

A.Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sột đỏnh trực tiếp cho trạm biến ỏp

B.Tớnh toỏn nối đất an toàn và nối đất chống sột của trạm đảm bảo tiờu

chuẩn nối đất an toàn và yờu cầu chống sột khi cú dũng điện sột 150kA, độ dốc 50kA/ μs

PHẦN 2: Bảo vệ chống song quỏ điện ỏp lan truyền

Tớnh điện ỏp tại cỏc điểm nỳt của trạm biến ỏp khi cú song quỏ điện ỏp lan truyền từ đường dõy tới.Súng tới dạng xiờn gúc biờn độ U50% , độ dốc a,

chống sột cấp điện ỏp tương ứng

Kích thớc ngăn lộ 17m đối với cấp điện áp 220kV

9m đối với cấp điện áp 110kV

Độ cao cần bảo vệ 17m đối với cấp điện áp 220kV

11m đối với cấp điện áp 110kV Sơ đồ nối điện chính 2 thanh góp

Khoảng cách

Điện trở suất của đất 65+0,1*N=65+0,1*1=65,1 Ωm

MặT BằNG

MBA 8

1

7

9

13 12

PHẦN 1: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀ NỐI ĐẤT

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, 2đợc bố trí trên xà cao 17m; các cột 3,4, 5, 6, trên xà

cao 11m; các cột 7, 8trên xà cao 8m; các cột 9, 10 trên xà cao 11m

I-Tính độ cao của các cột thu sét

*Xét nhóm cột 1, 2, 3, 4 Đờng kính của vòng tròn ngoại tiếp đa giác này

là:

D = 682 242

Do đó để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi hai đa giác ấy đợc bảo vệ thì:

D ≤ 8 h a

m

D

8

45 , 72

=

*Xét nhóm cột 3,4,6, 5 : Đờng kính của vòng tròn ngoại tiếp đa giác này

là:

D = 682 +352 = 76,48 m

m D

8

48 , 76

=

Nh vậy đối với tất cả các cột thu lôi phía 220kV có thể lấy chung một độ cao tác dụng là:

m

ha= 10

Vì độ cao cực đại của vật đợc bảo vệ phía 220kV là 17m nên độ cao của

các cột thu lôi phía 220kV là:

m h

h

h1= x+ a= 17 + 10 = 27

*Xét nhóm cột5,6, 8, 7:

D = 77,58m

m

D

8

58 , 77

=

*Xét nhóm cột 7,8,10,9:

D =51,32m

m D

8

32 , 51

=

Nh vậy đối với tất cả các cột thu lôi phía 110 kV có thể lấy chung một độ cao tác dụng là ha= 10m Vì độ cao cực đại cần bảo vệ phía 110 kV là 11m nên độ cao của các cột thu lôi phía 110 kV là :

m h

h

h2= x+ a= 11 + 10 = 21

Chọn h2 = 20 m

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

1.Các cột phía 220 kV:

*Độ cao cần bảo vệ 17m:

m

3

2 3

2

17 < 1= =

=

m h

h h

27 8 , 0

17 1 (

27 5 , 1 ) 8 , 0 1 (

.

5

,

1

1 1

)

220

(

1 = − = − =

*Độ cao cần bảo vệ 11m:

m

3

2 3

2

11 < 1= =

=

h

h h

27 8 , 0

11 1 (

27 5 , 1 ) 8 , 0 1 ( 5 , 1

1 1

) 220 (

2.Các cột phía 110 kV:

*Độ cao cần bảo vệ 11m:

m

3

2 3

2

11 < 2= =

=

h

hx h

r x(1101 )=1,5. 2(1−0,8. 2)=1,5.21.(1−0,811.21)=13,984

III- Tính bán kính bảo vệ giữa các cặp cột thu sét liền kề

1.Các cột thu sét phía 110 kV:

*Xét các cặp cột 7-9 và 8-10với khoảng cách a7=9=a8=10= 37m

- Độ cao giả tởng : h h a 15 , 71m

7

37 21 7

2

- Bán kính bảo vệ của cột giả tởng cao h0= 15 , 71m ở độ cao hx= 11m:

m

hx 15 , 71 10 , 47

3

2 3

2

11 > 0= =

=

m h

h h

71 , 115

11 1 (

71 , 15 75 , 0 ) 1 (

75 , 0

0 0

) 110 ( 1

*Xét cặp cột 9-10 với khoảng cách a9−10= 36m:

- Độ cao giả tởng : h h a 15 , 857m

7

36 21 7

2

- Bán kính bảo vệ của cột giả tởng cao h0= 15 , 857m ở độ cao hx= 11m:

m

hx 15 , 857 10 , 57

3

2 3

2

=

m h

h h

857 , 15

11 1 (

857 , 15 75 , 0 ) 1 (

75 , 0

0 0

) 110 ( 2

*Xét các cặp cột 6-8 và 5-7 với khoảng cách a6−8=a5−7= 56 , 79m nhng có độ cao khác nhau h1= 27m (cột 5 và cột 6), h2= 21m(cột 7 và cột 8):

-Xác định khoảng cách cột 6 và cột giả tởng 6’:

(Xác định giống nh bán kính bảo vệ của cột 6 cao 27m ở độ cao 21m)

m

h

3

2 3

2

=

m h

h h

27

21 1 (

27 75 , 0 ) 1 (

75 , 0

1 1

' 6

-Xác định khoảng cách cột 8 và cột giả tởng 6’:

m x

a

a6'=8= 6=8− 6=6'= 56 , 79 − 4 , 495 = 52 , 295

-Bán kính bảo vệ giữa cặp cột 6’ và 8:

(Xác định giống nh bán kính bảo vệ của hai cột đó cao bằng nhau và bằng 18m)

m a

h

7

295 , 52 21 7

8 ' 6 2

Do đó bán kính bảo vệ của cột giả tởng ở độ cao 11m:

m

hx 13 , 55 9 , 03

3

2 3

2

11 > 0= =

=

m h

h h

55 , 13

11 1 (

55 , 13 75 , 0 ) 1 (

75 , 0

0 0

) 110 ( 10 ' 7

2.Các cột thu sét phía 220 kV:

*Xét các cặp cột 1-2 với khoảng cách a1−2= 68m

- Độ cao giả tởng : h h a 17 , 29m

7

68 27 7

1

- Bán kính bảo vệ của cột giả tởng cao h0= 17 , 29m ở độ cao hx= 17m:

m

hx 17 , 29 11 , 53

3

2 3

2

=

m h

h h

29 , 17

17 1 (

29 , 17 75 , 0 ) 1 (

75 , 0

0 0

) 220 ( 2 1

*Xét các cặp cột 1-4 và 2-3 với khoảng cách a1−4=a2−3= 24m

- Độ cao giả tởng : h h a 23 , 57m

7

24 27 7

1

- Bán kính bảo vệ của cột giả tởng cao h0= 23 , 57m ở độ cao hx= 17m:

m

hx 23 , 57 13 , 62

3

2 3

2

=

m h

h h

r

x

57 , 23

17 1 (

57 , 23 75 , 0 ) 1 (

75 , 0

0 0

) 220 ( 3 2 0 ) 220

(

4 1

*Xét các cặp cột 4-6 và 3-5 với khoảng cách a4−6=a3−5= 35m

7

35 27 7

1

- Bán kính bảo vệ của cột giả tởng cao h0=19m ở độ cao hx= 17m:

m

3

2 3

2

17 > 0= =

=

m h

h h

r

x

22

17 1 (

22 75 , 0 ) 1 (

75 , 0

0 0

) 220 ( 9 6 0 ) 220 ( 7 4

Bảng tổng kết

ở độ cao

m

hx= 17

Bán kính bảo vệ

ở độ cao hx= 11m

cột Khoảng cách2 cột Độ cao h0 Bán kính bảo

vệ ở độ cao

m

hx= 17

cột Khoảng cách2 cột Độ cao h0 Bán kính bảo

vệ ở độ cao

m

hx= 11

6 và 8

7 và 9

9 và 10 21m 36m 15,857m 3,64m

PHạM VI BảO Vệ

8

3 1

7

9

13 12

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 0,5Ω (R d≤0,5Ω)

*Chọn hình thức nối đất:

Dùng thanh tròn đờng kính d =20mm làm mạch vòng quanh trạm theo chu

vi hình chữ nhật, chôn sâu 0,2m

1.Tính điện trở nối đất của mạch vòng

) (

ln 2

2

Ω Π

=

d t

L K L

R mv ρtt

Trong đó:

Điện trở suất tính toán của đất đã hiệu chỉnh theo hệ số mùa:

m

K mua d

tt = ρ =1,6.66,4=106,24Ω

ρ

t_là độ chôn sâu của đIện cực làm mạch vòng, t=0,8m

L_là chu vi mạch vòng hình chữ nhật:

L=2.(l1+l2)=2.(68+151)=438m d_là đờng kính thanh tròn làm đIện cực, d=0,02m

K_là hệ số hình dạng, phụ thuộc tỷ số l2/l1

68

151

1

l

Do đó:

Ω

>

Ω

= Π

= ) 0 , 68 0 , 5

02 , 0 8 , 0

438 18 , 6 ln(

438 2

16 ,

Rmv

0

2

4

6

8

10

12

k

Hinh (2-1): do thi k=f(l1/l2)

Nh vậy trị số điện trở nối đất của hệ thống cha đạt yêu cầu Do đó ta cần

thực hiện phơng án bổ sung các cọc đóng dọc theo chu vi của mạch vòng

2.Tính điện trở nối đất của cọc

)]

' 4

' 4 ln(

2

1 2 [ln

l t d

l l

R c tt

−

+ +

Π

= ρ

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

đất (t=0,8m) , hai cột cạnh nhau cách nhau một khoảng là a = 6 m

Điện trở suất tính toán của đất ứng với cọc:

ρ

ρtt=K mua. d =1,4.65,1=91,14 mΩ

Đờng kính cọc:

d = 0,95.b = 0,95.0,06 = 0,057m Độ chôn sâu tính từ đỉnh cọc tới mặt đất: t=0,8m

Độ chôn sâu tính từ giữa cọc tới mặt đất:

t’ = t+

2

3 8 , 0

2l = + = 2,3m Suy ra:

Ω

=

−

+ +

Π

3 3 , 2 4

3 3 , 2 4 ln(

2

1 ) 057 , 0

3 2 [ln(

3 2

14 , 91

Rc

Tính toán đIện trở nối đất tổng hợp mạch vòng_cọc:

R n R

R R R

mv c c

mv

mv c ht

η

=

n_là số cọc sử dụng trong mạch vòng

ηmv, ηc_ là hệ số sử dụng của mạch vòng và của cọc (phụ thuộc vào số

cọc và đợc thể hiện qua tỷ số a/l)

Với L=438m; l=3m; a/l=2 hay a=2.l=2.3=6m

Số cọc :

n= 73

6

438 =

=

a

Tra bảng ta có:

55 , 0

=

ηc

26 , 0

=

ηmv

Ω

<

Ω

= +

= +

55 , 0 68 , 0 73 52 , 19 26 , 0

68 , 0 52 , 19

.

.

R

R R R

R

mv c c

mv

mv c

ht η nη

Mạnh vòng mặt đất

l

t

t

a

II.Nối đất chống sét

Trong tính toán nối đất chống sét ta sử dụng phần nối đất an toàn đã đợc

tính toán ở trên

Trong trạm biến áp, phần tử quan trọng và có mức cách điện yếu nhất là

máy biến áp Vì vậy việc tính toán nối đất chống sét cho mọi trờng hợp phải thoả mãn yêu cầu:

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

) ,

0

(

τds

d I Z

U = phải nhỏ hơn mức cách điện trung bình của cách điện máy

biến áp

Với trạm 220 kV ta phải có: U d<U50%BA=990kV

Với trạm 110 kV ta phải có: U d <U50%BA=660kV

I

Hệ phơng trình truyền sóng cho đờng dây dài:

t

i L x

U

δ

δ δ

0

=

U G x

i

0

=

− δ

Với dạng sóng xiên góc ta tìm đợc điện áp u(x,t) trên hệ thống nối đất:

)]

cos(

)

1 (

1 2 [

) ,

(

1 2 1

l

x k

eT k k

T t t

a t x

k

Π

−

∑ +

= Trong đó:

Π

1

.G l

L

k

T k

l G L

T k 2 2 21

2 0 0

= Π

=

Từ đây suy ra tổng trở xung kích lớn nhất của hệ thống nối đất (x=0, t=

τds):

) , 0 (

) , 0 ( ) , 0 (

τ

τ τ

ds

ds ds

xk

i

u

)]

1 (

1

2 1 [

1 ) , 0

(

1 2

1

0l T k e T k ds G

Z

k ds ds

xk

τ τ

∑ +

Theo bài ra ta có dòng điện sét is có dạng xiên góc (a=50 kA/ sà ):

• Với t≥τds thì is=Is=150kA

Suy ra:

s a

I s

50

150

=

=

=

Để đơn giản hoá, ngời 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

438

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 (àH / m):

L0 = 0,2.[ln

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

01 , 0

219

-0,31] = 1,937àH / m

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

G0 =

l

R ht 2

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

Ω

=

=

6 , 1

25 , 1 68 , 0

K K

R R

mua

ms mv ms mv

Hiệu chỉnh trị số điện trở nối đất của cọc theo hệ số mùa sét:

Ω

=

=

4 , 1

15 , 1 52 , 19

K K

R R

mua

ms c ms c

Ω

= +

= +

53 , 0 55 , 0 73 03 , 16 26 , 0

53 , 0 03 , 16

.

.

R

R R R

R

mv c c mv

mv c

ht η nη

Do đó :

G0 =

l

R ht 2

1

219 333 , 0 2

1

m

Ω

=

Trong phơng trình (*) ta chỉ tính toán với k thoả mãn điều kiện:

4

≤

T k ds

2 2

2 0 0

≤ Π

k

l G L ds

τ

4

2 0 0

2 2

≤

Π

l G

L

3

0068 , 0 937 , 1 219 2

Π

= Π

≤

G L l

Chọn k=1,2,3,…,9

Theo công thức (*) thì tổng trở xung kích chỉ đợc tính cho 1 mạch Do đó

tổng trở xung kích của cả hệ thống đợc tính theo công thức:

)]

1 (

1

2 1 [

.

1 )

, 0

1 0

.

ds

k ds ds

xk

τ

τ

k G 0 L 0 τds T 1 T k

1-e T k ds

τ

−

(1-e T k−τds)/

=

9 1

1 0.0068 1.937 3 63.18804 63.18804 0.046368 0.046368 0.257423 3.678505 551.7758

2 0.0068 1.937 3 63.18804 15.79701 0.172966 0.043241

3 0.0068 1.937 3 63.18804 7.020894 0.34773 0.038637

4 0.0068 1.937 3 63.18804 3.949253 0.532164 0.03326

5 0.0068 1.937 3 63.18804 2.527522 0.694844 0.027794

6 0.0068 1.937 3 63.18804 1.755223 0.818987 0.02275

7 0.0068 1.937 3 63.18804 1.289552 0.902352 0.018415

8 0.0068 1.937 3 63.18804 0.987313 0.952096 0.014876

9 0.0068 1.937 3 63.18804 0.780099 0.978628 0.012082

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

giá trị:

Ud=551,7758kV<U50%BA=660 kV

Do đó ta không cần tiến hành nối đất bổ sung

Phần II – Bảo vệ chống sóng quá điện áp lan truyền

vào TBA

• Khoảng cách : MBA - TG l2 = 15+N (m) = 15+1 = 16 (m)

TG - CSV l1 = 20+N = 20+1 = 21 (m)

• Độ dốc : a = 300+N = 300+1 = 301 (kV/às)

• Tổng trở sóng : Zc = 400Ω

• Chống sét van không có khe hở

• Bảo vệ điện áp phía 110kV

• Điện dung MBA : 1500+10.1=1510(pF)

• Điện dung TG : 8,33(pF/m)

Hãy tính điện áp tại các điểm nút của TBA khi có sóng quá điện áp lan

truyền từ đờng dây tới.Sóng tới có dạng xiên góc biên độ U50%, độ dốc a,

chống sét van cấp điện áp tơng ứng

TG phía 110 kV dài : 9x5=45m

nên C1=45.C0=45.8,33.10-12=374,85.10-12(F)

C2=1640pF=1640.10-12F

Thời gian truyền sóng trên các đoạn đờng dây 1-2 và 1-3:

t12= 0,1 s

300

29 v

l12 = ≈ à

t13= 0,11 s

300

34 v

l13 = = à

Trong quá trình tính toán còn cần kể đến các đặc tính V-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 bớc 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 ớc số chung của các khoảng thời gian truyền

sóng đi và về giữa các nút

Vì vậy ta chọn: t∆ =0,01 sà để tính toán

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

Nút 1 có ba đờng dây đi tới đều có tổng trở sóng là Z=400Ω Nút 1 có

điện dung tập trung C1=374,85pF nên phải áp dụng phơng pháp tiếp tuyến

0

U

U

U

U U

C

U

3

21 13

21

31

31

13

'

' '

1

U10

Gốc thời gian t=0 đợc chọn là thời điểm sóng U'

01 tới nút 1

Đoạn đờng dây 0-1 dài vô hạn, nghĩa là nếu tại nút 1 có sóng phản xạ U10

trở về 0 thì không có sóng phản xạ trở lại

Sơ đồ Petecxen:

2U

Z

C

1

đt1

đt1

1

Trong đó:

U

Z Z

m m

dt dt

' 1

1

667 , 0 3

2 3 / 2

Z

Z Z

Z m dt

∑

=

m m

U 1 0,667 ' 1

2

Do đó: 2 0,667.( ' )

01

' 31

' 21

 Khi t<2t12=0,2às thì : ' 0

31

'

21=U =

U nên 2U dt1=0,667.U'01

 Khi 0,2à ≤s t<2t13=0,22às thì U'31= 0 nên 2Udt1= 0 , 667 (U'21+U'01)

 Khi t≥0,22às thì 2 0,667.( ' )

01

' 31

' 21

Với U'01=a.t= 314 t

' 21( 0,1)

21=U t +

U

) 11 , 0 (

31

'

U

Ω

≈

=

=

3

400 3

//

// 12 13

01 1

Z Z Z Z

Z dt

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

U dt

U d C Z

U dt1 dt1 1 C1 C1

U

U T

C C

dt dt

d

1

1 1

) 2

1

C C

∆

=

∆

.(2 ) 0,2(2 )

05 , 0

01 , 0

1 1 1

Udt − C = dt − C

=

trong đó:

s Z

C

T C dt 374,85.10 12.133 0,05à

1 1

U

U1= C1

Vậy: U1(t+∆t)=U1(t)+∆U C1

U U U U U U

U U U U U U

' 21 1 12 1

' 21 12

' 31 1 13 1

' 31 13

−

=

→

= +

−

=

→

= +

II.Tính điện áp tại nút 2:

Nút 2 chỉ có một đờng dây đi tới có chiều dài l12 hữu hạn, tổng trở sóng

Z=400Ω

U

C

2 1

2 21

Sơ đồ Petecxen:

Z

C

đt2

đt2

2 2

Nút 2 có điện dung tập trung C2 = 1640pF nên ta áp dụng phơng pháp tiếp

tuyến để tính điện áp

Ω

=

2 Z

Z dt

U

U dt2 2 12'

Lại có:

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

+

=

+

=

Hay:

) 2

.(

015 , 0 ) 2

.(

656 , 0

01 , 0 ) 2

2

C C

∆

=

∆

trong đó :

U U

Z C T

C

dt

2 2

12 2

2

=

=

=

Vậy:

U U

t t

U2( +∆ )= 2+∆ C 2

III.Tính điện áp tại nút 3:

U T

t U

U T

t

C C C dt

C

2 2 2 2

2

2

∆

CSV

U

31

Nút 3 có một đờng dây đi tới có chiều dài l13 hữu hạn, tổng trở sóng

Z=400Ω Nút 3 có tổng trở tập trung là điện trở phi tuyến của chống sét

van nên ta áp dụng phơng pháp đồ thị để tính toán điện áp

Sơ đồ Petcxen:

đt3

2U

Z

CSV

3

đt3

U U

Z Z

dt

dt

' 13 3

3

2 2

400

=

Ω

=

=

U U

U13= 1− '31

Khi t<2t13=0,22às thì ' 0

31=

U , do đó : U13=U1

Tính đợc U3 bằng phơng pháp đồ thị (dựa vào U dt , Z dt, đặc tính V-S, V-A

của chống sét van):

U I

Z

U dt = dt csv+ csv

Để bảo vệ cho thiết bị điện của trạm biến áp ta sử dụng chống sét van loại

không có khe hở đợc chế tạo từ ZnO Do đó hệ số phi tuyến α có giá trị :

03 , 0

02

,

=

α Để tính đợc điện áp tại các nút trong mạng điện ta chọn

loại chống sét van không khe hở có đặc tính V-A nh sau:

I

U csv=245 csv0,025

Các b ớc tính điện áp tại nút 3:

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

 Vẽ đờng thẳng U =Z dt3.I csv=400.I csv

 Cộng đồ thị hai đờng vừa vẽ ta đợc đờng cong có phơng trình:

I I

U =245 csv0 , 025+400 csv

 Với mỗi giá trị của U2 dt3 kẻ một đờng thẳng nằm ngang cắt đờng

I I

U =245 csv0 , 025+400 csv tại điểm 1.Từ điểm 1 kẻ một đờng thẳng đứng cắt

đờng U csv =245.I csv0 , 025 tại điểm 2.Từ điểm 2 kẻ một đờng nằm ngang cắt trục

tung tại điểm có giá trị bằng U3 hay U csv

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

khác

2Uđt3

Ucsv+Zc.Icsv

Zc.Icsv

Ucsv=f(Icsv)

0

1

2 U

I t