TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220110 KV

Các yêu cầu đối với hệ thống thu sét: 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 k

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN

ÁP 220/110 KV

A LÝ THYẾT CHUNG:

1 Các yêu cầu đối với hệ thống thu sét:

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 đặt lên trên các kết cấu của trạm và nhà máy

Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ 110 kV trở lên có mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi lên trên kết cấu của trạm phân phối Các trụ của các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét I s

khuyếch tán vào đất theo 3- 4 thanh cái của hệ thống nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất

Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời điện áp 110 kV trở lên là cuộn dây của 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 110 kV trở lên phải thực hiện theo các điều sau:

- Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nói đất cần phải

có nối đất bổ xung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở khuyếch tán không được quá 4 (ứng với dòng điện tần số công nghiệp)

- Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm 35 kV phải tăng cường cách điện của nó lên mức cách điện của cấp 110 kV

- Trên đầu ra của cuộn dây 6 – 10 kV của máy biến áp phải đặt các 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 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 thu lôi

- Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột thu lôi

và bộ phận mang điện không đựơc bé hơn chiều dài chuỗi sứ

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

Không nên đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối 20 – 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 các cột thu lôi đến các bộ phận bảo vệ 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 cột thu lôi phải cho dây dẫn điện đến đèn vào ống chì và chôn sâu xuống đất

Đối với nhà máy điện dùng sơ đồ bộ thì chỉ được đặt cột thu lôi trên xà máybiến áp khi máy phát điện và máy biến áp được nối với nhau bằng cầu bọc kín và hai đầu đựơc nối đất Nếu cầu có phân đoạn thì không được phép đặt cột thu lôi trên xà máy biến áp Với máy bù đồng bộ cũng áp dụng điều này

Có thể nối dây chống 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 lớn hơn 15 m

2 Cách xác định phạm vi bảo vệ của một, hai hay nhiều cột thu sét

a Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là miền giới hạn bởi mặt ngoài của hìnhchóp tròn xoay có đường sinh xác định bởi phương trình:



 1,5 .

Trong đó:

- h là chiều cao cột thu sét.

- hx là chiều cao cần bảo vệ

- rx là bán kính của phạm vi bảo vệ cho độ cao hx

x 1,5. . 1 0 , 8

x 0 , 75 1

Trường hợp cột thu sét cao hơn 30m có thể dùng công thức trên nhưng phải

nhân với hệ số hiệu chỉnh p =

h

5 , 5

và trên hình vẽ dùng các hoành độ 0,75h.p và1,5h.p

x 0 , 75 1

b Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét:

Hai cột cao bằng nhau:

Giả sử có hai cột thu sét có cùng độ cao h1 = h2 = h đặt cách nhau mộtkhoảng là a

Khi a = 7h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa hai cột không bị sétđánh vào.

Khi a < 7h thì giữa hai cột thu sét bảo vệ được cho độ cao lớn nhất ho = h

-7

a

Phạm vi bảo vệ gồm hai phần:

+ Phần ngoài phạm vi bảo vệ xác định như đối với một cột

+ Phần trong phạm vi bảo vệ xác định như đối với phạm vi bảo vệ của

cột có độ cao ho cho độ cao hx.Cách xác định phạm vi bảo vệ của hai cột cao bằng nhau

+ Bán kính bảo vệ của từng cột: rx1 = rx2 = rx

+ Bán kính bảo vệ giữa hai cột: rox

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột: ho = h - 7a

h

h h

8 , 0 1 5 , 1

h

h

h 1 75 , 0

Hai cột có độ cao khác nhau

Giả sử có hai cột có độ cao khác nhau với h1 > h2 và cách nhau một khoảng

là a

Cách xác định phạm vi bảo vệ:

- Xác định phạm vi bảo vệ của cột cao h1

- Từ đỉnh cột h2 gióng đường thẳng nằm ngang cắt phạm vi bảo vệ của h1 tại3’ Tại 3’ ta đặt một cột giả tưởng với độ cao h2

- Xác định phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao h2

2O a O O a

O1O3 x là bán kính bảo vệ của cột h1 cho cột h2

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột 2 và 3’: ho = h2 -

c Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ của ba cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của bốn cột thu sét

Điều kiện cần để công trình nằm trong miền giới hạn của các cột thu sétđược bảo vệ an toàn:

- hx là chiều cao cần bảo vệ

Cách xác định đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác:

2

.

2

.

c b a p

c p b p a p p

c b a D

Với a, b,c là ba cạnh của tam giác

Sau đó xác định phạm vi bảo vệ của từng cặp cột biên tương tự như xácđịnh phạm vi bảo vệ của hai cột

B NỘI DUNG TÍNH TOÁN:

Chương I Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp vào trạm

biến áp 220/110 kV:

Theo sơ đồ kết cấu của trạm thì thì mới chỉ biết diện tích mặt bằng mà chưabiết cụ thể vị trí đặt các thiết bị trong trạm Với thông tin này ta chỉ cẩn bố trí cộtchống sét sao cho các cột có thể bảo vệ được phần diện tích mặt bằng của trạm với

độ cao hx

Diện tích mặt bằng phía 110 kV là 87x95 m và phía 220 kV là 121x95 m

Độ cao lớn nhất cần bảo vệ phía 110 kV là 11 m và phía 220 kV là 16,5 m

1 Phương án 1:

a, Tính toán chiều cao cột:

Phía 220 kV:

Các cột (1, 2, 3, 6, 7, 8, 11, 12, 13) tạo thành bốn hình chữ nhật có kíchthước bằng nhau (chiều dài a =47,5 m, chiều rộng b = 43,5 m) Do đó ta chỉ cầntính cho nhóm cột (1, 2, 6, 7)

Đường kính đường tròn ngoại tiếp:

D =  a2b2  47,5243,52 64, 409 (m)Điều kiện để công trình nằm trong miền giới hạn của các cột thu sét đượcbảo vệ an toàn là:

Phía 110 kV:

Các cột (3, 4, 5, 8, 9, 10) tạo thành bốn hình chữ nhật có kích thước bằngnhau (a = 60,5 m; b = 47,5 m)

Ta chỉ cần tính cho nhóm cột (3, 4, 9, 8)

Đường kính đường tròn ngoại tiếp:

D = 60,5247,52 76,919 mĐiều kiện để phần trong các cột thu sét được bảo vệ an toàn là:

Độ cao cần bảo vệ phía 220 kV là 16,5 m

Bán kính bảo vệ của các cột (1, 2, 3, 6, 11, 12, 13) có cùng độ cao 25m cho

x h h

h h

o

h h

Bán kính bảo vệ của cột 3 và cột 13 (có cùng độ cao 25 m) cho độ cao hx =

11 (m) là: rx3 và rx13

Do hx < 3

2

3 h nên:

rx3 =1,5 3

3

11 1 1,5.25 1 16,875

x h h

Bán kính bảo vệ của các cột (4, 5,10, 14, 15), (có cùng độ cao 21 m) cho độcao hx = 11 (m) là: rx4

Do hx < 4

2

3 h nên:

rx4 =1,5 4

4

11 1 1,5.21 1 10,875

x h h

3 h nên:

3

210,75 1 0,75.25 1 3

3 h o  nên:

rox4-3’ = 0,75 4 3'

4 3'

11 1 0,75.12,78 1 1,34

12,78

x o

o

h h

nên:

rox4-5 = 0,75 1 0,75.12,36 1 11 1,02

12,36

x o

o

h h

o

h h

Tính toán tương tự cho cặp cột (10, 15)

Theo kết quả tính toán ở trên, ta có bảng tổng kết:

2 Phương án 2:

a, Tính toán chiều cao cột:

Phía 220 kV:

Các cột (1, 2, 3, 4, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 16) tạo thành sáu hình chữ nhật cókích thước bằng nhau (chiều dài a =47,5 m, chiều rộng b = 29 m) Do đó ta chỉ cầntính cho nhóm cột (1, 2, 7, 8)

D =  a2b2  47,52 292 55,65 (m)Điều kiện để công trình nằm trong miền giới hạn của các cột thu sét được bảo vệ an toàn là:

(a = 60,5 m; b = 47,5 m)

Ta chỉ cần tính toán cho nhóm cột (4, 5, 10, 11)

D = 60,5247,52 76,919 m Điều kiện để phần trong các cột thu sét được bảo vệ an toàn là:

11 9, 645 20,615

x a

Các nhóm cột (5, 6, 12, 11), (10, 11, 17, 16), và (11, 12, 18, 17) ta tính toántương tự

Từ kết quả tính toán ở trên, ta có thể chọn chiều cao thi công của các cột là:

1 2 3 7 8 9 10 13 14 15

5 6 11 12 17 18

23,521

Độ cao cần bảo vệ phía 220 kV là 16,5 m

Bán kính bảo vệ của các cột (1, 2, 3, 4, 7, 13, 14, 15, 16) có cùng độ cao23,5 (m) cho độ cao hx = 16,5 (m) là:

Do hx > 1

2

3 h nên:

1

16,50.75 1 0,75.23,5 1 5, 25

23,5

x h h

o

h h

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột là:

ho1-7 = 17

1

47,523,5 16,71

o

h h

Bán kính bảo vệ của cột 4 và cột 16 (có cùng độ cao 23,5 m) cho độ cao hx

= 11 (m) là: rx4 và rx16

Do hx < 3

2

3 h nên:

rx4 = 1,5 4

4

11 1 1,5.23,5 1 14, 625

x h h

3 h nên:

rx5 = rx4’ =1,5 5

5

11 1 1,5.21 1 10,875

x h h

3 h nên:

4 4' 5

4

210,75 1 0,75.23,5 1 1,875

3 h o  nên:

rox5-4’ = 0,75 5 4'

5 4'

11 1 0,75.12,625 1 1, 22

12,625

x o

o

h h

o

h h

o

h h

Tính toán tương tự cho cặp cột (12, 18)

Theo kết quả tính toán ở trên, ta có bảng tổng kết:

Dựa vào tổng chiều cao cột sắt mà ta sử dụng làm cột thu sét cho trạm, ta sẽchọn phương án tối ưu là phương án có tổng chiều cao cột sắt nhỏ hơn.

Chương II: Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp 220/110 kV

- Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện sét xuống đất để đảm bảo cho thếtrên vật nối đất có giá trị bé

- Trong việc bảo vệ quá điện áp, nối đất của trạm, của các cột thu sét, củađường dây và của thiết bị chống sét rất quan trọng Vì trạm trạm biến áp có cấpđiện áp từ 110kV và 220kV nên nối đất an toàn và nối đất chống sét chung nhau

1.Nối đất an toàn:

- Nối đất an toàn với mục đích bảo vệ con người bằng cách nối đất các bộphận kim loại có thể mang điện áp khi ngắn mạch Ví dụ như: nối đất vỏ máy điện,cột sắt của đường dây tải điện

- Nối đất an toàn với trạm có điện áp từ 110kV trở lên phải thỏa mãn 2 điềukiện sau:

5 , 0 //

NT

NT TN

HT

R

R R

R

Trong đó: - RTN: điện trở nối đất tự nhiên

- RNT: điện trở nối đất nhân tạo

Với nối đất tự nhiên (RTN) ta lợi dụng hệ thống dây chống sét - cột:

4

12

c TN

R R

R n

R

Trong đó: - n: số tuyến đường dây của trạm

- Rcs: điện trở của đường dây chống sét trong một khoảng vượt

Dây chống sét C-70 có Ro = 2,38 Ω/km

Rcs = Ro.l = 2,38 l

- Rc: điện trở nối đất của cột Rc = 6 Ω

- l: chiều dài khoảng vượt

Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110 kV: l = 300 m = 0,3 km Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220 kV: l = 300 m = 0,3 km

Với các giá trị trên, ta có điện trở nối đất của từng cấp điện áp:

(110) (220) (110) (220)

TN NT

R R

R R

ln 2

2

d h

L k L R

T MV









Trong đó: - RT: điện trở của thanh nối đất

- ρtt : điện trở suất tính toán

Với các số liệu trên, ta có giá trị điện trở nối đất mạch vòng là:

2 2

128 6,75.606.ln 0,634

2 .606 0,8.2.10

MV R

chống sét cho cấp 110 kV là được Ở cấp điện áp này, nối đất an toàn và nối đấtchống sét chung nhau nên ta dùng nối đất an toàn kiểm tra lại cho nối đất chốngsét

a Xét quá trình phóng điện trong đất:

Quy đổi các điện trở nối đất an toàn sang mùa sét:

Trong đó: - Rt: điện trở tảncủa thanh vào mùa khô

- km’ và km lần lượt là hệ số mùa của thanh chôn sâu 0,8 m trongloại nối đất chống sét, nối đất an toàn, làm việc vào mùa khô

Với: Rt = RMV = 0,634 Ω

km’ = 1,25

km = 1,6Vậy Rt’ = 0,634 1, 251,6 0,495 Ω

b Xét quá trình quá độ:

Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất:

Các tham số L, G được xác định theo công thức:

/ ln

r

L

μH/mH/mTrong đó: - L: chiều dài điện cực L = 606 m

- r: bán kính tiết diện thanh điện cực

4

40 4

b

10 mm = 0,01 m

' ' . m

Suy ra:

Lo = 0,2

6062

ln 0,310,01

1

1/ΩmTrong đó: - R: điện trở nối đất ổn định của cực

- L: chiều dài điện cực

Suy ra:

Go = 0, 495.6061 = 0,003 (1/Ωm)

Từ sơ đồ đẳng trị có thể thành lập được hệ phương trình vi phân:

.

1

2 1

t Tk T

Trong chuỗi số này, ta chỉ xét đến số hạng chứa e-4 (từ số hạng chứa e-5 trở

đi có giá trị rất nhỏ so với các số hạng trước nên ta có thể bỏ qua) Tức là ta tínhvới k sao cho:





k

T T

ds k

Vậy hệ thống nối đất an toàn cũng thỏa mãn cho nối đất chống sét của trạm.

Do đó ta không cần nối đất bổ sung