thiết kế chống sét cho trạm biến áp 220110 kv

dùng cột thu lôi độc lập khi không thể tận dụng đợc, tuỳ theo đặc điểm và điều kiện kỹ thuật của từng trạm và nhà máy.Nếu đặt các cột thu lôi trên các kết cấu trạm biến áp ngoài trời và

Lời nói đầu

Điện năng trong cuộc sống là một ngành then chốt, mũi nhọn hết sức quan trọng và nó cũng không thể thiếu đợc trớc công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nớc ta

Trải qua nhiều năm, ngày nay dới vận hội mới, thời kì đổi mới của đất

n-ớc, chúng ta lại cần quan tâm hơn nữa trong ngành năng lợng đặc biệt là ngành

điện Đó là nhu cầu cấp thiết của toàn xã hội

Đặc thù của hệ thống nguồn điện thờng đặt ở xa những trung tâm tiêu thụ

điện năng nên phải chuyển qua những máy biến áp tăng hoặc giảm áp Ở nớc ta,

do có thời tiết nhiệt đới gió mùa mà hệ thống điện lại trải dài từ Bắc vào Nam,

do đó phải đi qua nhiều vùng có khí hậu khác nhau và đặc biệt là những nơi có

độ ẩm cao, mật độ giông sét nhiều và thiệt hại do giông sét gây ra cho ngành

điện và các ngành khác trong nền kinh tế quốc dân là rất lớn

Vì vậy chúng ta cần phải đầu t, nghiên cứu và tìm ra những giải pháp tối u nhất để bảo vệ chống giông sét cho những nhà máy điện và cho trạm biến áp Với yêu cầu cấp bách và cần thiết, qua đồ án tốt nghiệp này của em đã đợc hoàn thành gồm bản thuyết minh và bản vẽ thiét kế chống sét cho trạm biến áp 220/110 kV

Trong quá trình làm thiết kế do trình độ và thời gian có hạn nên bản đồ án của em không tránh khỏi sai sót, rất mong đợc sự chỉ bảo của các thầy cô trong

bộ môn Hệ thống điện, trờng đại học Bách Khoa Hà Nội

Cũng qua đồ án này, em xin chân thành cảm ơn sụ tận tình hớng dẫn của cô giáo Nguyễn Minh Chớc cũng nh các thầy, cô giáo trong bộ môn đã giảng dạy em trong suốt quá trình học tập tại trờng và hớng dẫn giúp đỡ em hoàn thành nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp

Hà Nội, ngày tháng năm 2008

Sinh viên

Đỗ Xuân Hạnh

điện, nhà cao tầng hoặc ngay trên mặt đất khi vùng đó trong lòng đất có chứa quặng kim loại

Sét thờng phân bố không đều giữa các vùng, các miền trên lãnh thổ và các thời kỳ theo mùa trong năm Theo thống kê của các nhà nghiên cứu cho thấy mùa hè giông sét nhiều hơn, những vùng có mỏ quặng kim loại tần suất sét đánh nhiều hơn

Sét đánh trực tiếp vào các công trình trên mặt đất gây hậu quả nghiêm trọng

nh cháy, nổ, phá vỡ các kết cấu công trình Đối với các thiết bị điện, nhà máy

điện, nhà phân phối ngoài trời khi bị sét đánh gây h hỏng thiết bị dẫn đến làm ngừng ( giãn đoạn) việc cung cấp điện có thể trong thời gian dài gây ảnh hởng

đến tính ổn định của hệ thống điện, ảnh hởng đến nền kinh tế khác Sét đánh trực tiếp cũng gây nguy hiểm đến tính mạng của các nhân viên sửa chữa, vận hành thiết bị

Xuất phát từ yêu cầu trên, để bảo vệ cho các trạm điện phân phối ngoài trời không bị sét đánh trực tiếp, cần dùng các cột thu lôi Cột thu lôi là thiết bị cao nhất của trạm, đầu cao nhất là mũi nhọn tạo vùng có điện trờng mạnh nhằm thu hút các dòng sét và dẫn dòng điện sét xuống tản vào trong đất theo hện thống nối

đất Cột thu lôi có thể đợc đặt độc lập hoặc trong những điều kiện cho phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm nhng phải đảm bảo các yêu cầu, các điều kiện cho phép về kỹ thuật và đảm bảo kinh tế

1.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét

đến quá trình sửa chữa xử lý sự cố Ngoài ra cần đảm bảo về mỹ quan, số lợng cột ít để giảm vốn đàu t

Với mục đích bảo vệ tốt, giảm vốn đầu t khi thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào nhà máy điện, trạm biến áp ngoài trời, ngời ta thờng cố gắng bố trí cột thu lôi trên các độ cao có sẵn nh xà cột đèn nhng cũng có trờng hợp phải

dùng cột thu lôi độc lập khi không thể tận dụng đợc, tuỳ theo đặc điểm và điều kiện kỹ thuật của từng trạm và nhà máy.

Nếu đặt các cột thu lôi trên các kết cấu trạm biến áp ngoài trời và dùng dây chống sét để bảo vệ cho đoạn dây dẫn nối từ xà cuối cùng của trạm đến cột đầu tiên của đờng dây thì chúng sẽ đợc nối đất chung vào hệ thống nối đất của trạm Vì vậy khi sét đánh vào cột thu lôi hay đoạn đờng dây chống sét ấy thì toàn bộ dòng điện sét sẽ đi vào hệ thống nối đất của trạm, do đó làm tăng thế của các thiết bị đợc nối đất chung với hệ thống nối đất của trạm Độ tăng này đủ lớn có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị ấy Do vậy chỉ trong điều kiện cho phép mới

đợc đặt cột thu lôi trên các kết cấu công trình của trạm hoặc dùng dây chống sét

ở trong trạm

Đối với các trạm biến áp ngoài trời điện áp trên 110kV do có mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên các kết cấu của trạm phân phối, biến áp Các trụ của các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi phải đợc ngắn nhất sao cho dòng sét

IS khuyếch tán vào đất theo 3 ữ 4 thanh cái của hệ thống nối đất Ngoài ra mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất Trạm biến áp ngoài trời điện áp từ 110 kV trở lên nơi yếu nhất 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 2 điểm nối vào hệ thống nối đất của cột thu lôi và điểm nối vào vỏ máy biến áp theo đờng điện phải lớn hơn 15m

Khi bố trí cột thu lôi trên các xà của trạm biến áp ngoài trời 110kV trở lên phải thực hiện các điều kiện sau:

+ Tại vị trí các kết cấu mà trên đó 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 khuyếch tán nhỏ hơn 4Ω (ứng với đờng điện tần số công nghiệp) Khoảng cách trong không khí giã kết cấu của trạm trên đó có đặt cột thu lôi tới bộ phận mang điện không đợc nhỏ hơn chiều dài chuỗi sứ

+ Nếu bố trí cột thu lôi trên xà của trạm 35kV thì phải tăng cờng cách điện của nó lên mức cách điện cấp 110kV

+ Trên đầu ra của cuộn dây 6-10kV của máy biến áp phải đặt các chống sét van, các thiết bị chống sét này có thể đặt ngay trên vỏ máy

+ Để bảo vệ cuộn dây 35kV cần đặt các chống sét van Khoảng cách theo ờng điện giữa chỗ nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van (theo đờng điện) phải nhỏ hơn 5m

đ-+ Khi dùng cột thu lôi độc lập cần chú ý tới khoảng cách giữa cột thu lôi

đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến các vật

đợc bảo vệ

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

- Đối với nhà máy điện dùng sơ đồ bộ thì chỉ đợc đặt cột thu lôi trên xà máy biến áp khi máy phát điện và máy biến áp đợc nối với nhau bằng cầu, bọc kín và hai đầu đợc nối đất Nếu cầu có phân đoạn thì không đợc 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 đoạn bảo vệ đến trạm vào hệ thống nối đất của trạm nếu nh khoảng cách từ chỗ nối đất của trạm đến điểm nối đất của máy biến

áp lớn hơn 15m Để đảm bảo về mặt cơ tính (độ bền cơ học) và để chống ăn mòn, cần phải theo đúng qui định về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dùng trên mặt đất và dới đất theo bảng sau:

Loại vật liệu sét dùng trên mặt đấtDây dẫn dòng điện sét dùng dới đấtDây dẫn dòng điện

( Bảng 1-1 trang 3- hớng dẫn TKĐATN-Nguyễn Minh Chớc-HN 2002)

Kết cấu cột thu lôi:

Trong những điều kiện cho phép, nên tận dụng các độ cao của các công trình trong trạm nh xà, cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho cột thu lôi.…

Đối với cột thu lôi độc lập:

- Độ cao h của cột thu lôi không quá 20m thì dùng các ống kim loại ghép lại

- Độ cao h lớn hơn 20m thì dùng loại kết cấu kim loại kiểu mạng để làm giá đỡ bộ phận thu sét

1.3 Tính toán thiết kế các ph ơng án bố trí cột thu sét

Yêu cầu:

Thiết kế hệ thống chống set cho trạm biến áp ngoài trời 110/220kV,dựa vào các độ cao của các kết cấu trong trạm ta bố trí các vị trí cột thu sét và chọn chiều cao của chúng cho phù hợp

1.3.1 Các công thức tính toán để xác định pham vi bảo vệ của các cột thu lôi:

Tính toán và lạ chọn chiều cao của cột thu sét ,phạm vi bảo vệ của các cột đã chọn

Chiều cao của cột thu sét (m): h=hx+ha

Trong đó : hx –là độ cao cuẩ vật cần bảo vệ

ha –là độ cao tác dụng của cột thu lôi xác định theo nhóm cột (2,3 hay 4cột) với công thức xác định: D≤ 8ha hay ha ≥ D/8 (D là đờng kính của

đờng tròn ngoại tiếp đa giác qua các đỉnh cột của nhóm cột đang xét )

+Lấy chung một độ cao tác dụng lớn nhất của toàn trạm

+Kiểm tra lại khả năng bảo vệ của các vật nằm bên ngoài phạm vi bảo vệ +Đối với cột thu lôi độc lập thì :

hx) (1.1)

Trong đó: h - độ cao cột thu sét

rx- bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức cao hx

h - hx- độ cao hiệu dụng của cột thu sét Các công thức trên chỉ áp dụng khi độ cao các cột thu sét cao dới 30 m Hiệu quả của cột cao quá 30 m có giảm sút do độ cao định hớng của sét giữ hằng số Khi độ cao cột thu sét vợt quá 30 m thì phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh p:

Hình 1.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

1,5h

h0,2h

0,75h 1,5h0,75h

hx

rx

p =

h

5,5

1.3.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột:

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có kích thớc lớn hơn nhiều so với tổng số phạm vi bảo vệ của hai cột đơn.Khu vực có xác suất 100% phóng điện vào cột thu sét có bán kinh là R=3,5h.Nhng để hai cột thu lôi có thể phối hợp bảo vệ cho mọi điểm bất kỳ trên mặt đất không bị sét đánh trong khoảng giũa hai cột thì khoảng cách a giũa hai cột phải thoả mãn điều kiện

a<7h (h là chiều cao của cột )

Khi có hai cột thu sét đặt gần nhau thì phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giũa hai cột là ho đợc xác định theo công thức:

h0 = h -

7

a (1.3)Bán kính phạm vi bảo vệ của cột giả tởng ho này là r0x cũng đợc xác định nh một cột có độ cao h0

Mọi thiết bị cần bảo vệ an toàn bằng hai cột thu sét phải đợc nằm gọn trong phạm vi bảo vệ này, nghĩa là có độ cao thiết bị:

Cách xác định hai cột thu lôi có chiều cao khác nhau:

Giả sử có hai cột thu sét,cột 1 có chiều cao h1,cột 2 có chiều cao h2 và h1>h2,hai cột đặt cách nhau một khoảng là a

0,75h 1,5ha

rx

r0x

h0

h 0,2h

Hình 1.2: Phạm vi bảo vệ của hai cột cao bằng nhau

Trứoc tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột có độ cao h1,sau đó qua đỉnh của cột h2

vẽ đờng ngang gặp đờng sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3, ,điểm này coi nh là đỉnh của cột thu sét giả định Cột 3’và cột 2 tạo thành cặp cột có độ caonh nhau và cách nhau một khoảng a’.Cách xác định phạm vi bảo vệ cột 3’ và cột 2 nh đã trình baỳ ở trên

Ta nhận thất rằng khoảng cách từ cột 1đến cột3’ là b đúng bằng bán kính bảo

vệ của cột h1.Đối với chiều cao cần bảo vệ h2,do đó tính khoảng cách b nhờ việc

so sánh điểm 3’ có độ cao so với 2/3h1.Nếu h3 < 2/3h1 thì b đợc tính

1.3.3.Phạm vi bảo vệ của nhiều cột:

Việc bố trí các cột thu sét thành từng nhóm cột để chúng có thể phối hợp bảo

vệ Các nhóm cột sẽ hình thành các đa giác mà đỉnh của chúng là các chân cột

0,75h2 1,5h2a'

Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của hai cột có chiều cao khác nhau

Các thiết bị có độ cao hx nằm trong đa giác sẽ đợc bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:

D ≤ 8(h - hx) = 8ha (1.6)Trong đó : D : Đờng kính đờng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét

ha = h - hx : Độ cao hiệu dụng của cột thu sét, là phần vợt cao hơn so với độ cao của vật cần bảo vệ

Đối với các cột ở các vị trí bất kỳ, ta sẽ tính toán bảo vệ cho từng ba cột một Nếu độ cao cột vợt quá 30 m, điều kiện bảo vệ đợc hiệu chỉnh theo:

Hai máy biến áp 220/110(kV)

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

Độ cao cần bảo vệ phía 110(kV) là 10,5(m)

Sau khi khảo sát sơ đồ mặt bằng của trạm,vị trí bố trí các thiết bị trong trạm

và yêu cầu cần bảo vệ cho mỗi thiết bị ,ta đa ra các phơng án tính toán ,sau đó chọn phơng án tối u nhất để ứng dụng

Trong đề tài này ta đa ra hai phơng án để tính toán

1.3.5.1 Phơng án 1

Căn cứ vào mặt bằng sơ đồ ta bố trí 19 cột thu sét đợc lắp đặt nh sau :

Cột (1;2;3;4;5;6 ;7;8;9) đợc lắp đặt trễn xà đỡ thanh cái 220(kV)

Cột (10;11;12;13;14;15;16;17;18;19) đợc lắp trên xà đỡ thanh cái 110(kV)

1 Tính độ cao tác dụng của các cột thu lôi.

Độ cao tác dụng của các cột thu lôi đợc ký hiệu là ha.Muốn tính ha thì ta cân xét :

Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hay tứ giác) đợc bảo vệ thì

D ≤ 8ha hay ha ≥ D/8

Khi đã tính đợc các cặp cột có độ cao ha rồi thì ta chọn cột có độ cao ha lớn nhất để tính bảo vệ cho toàn trạm.

2.Phạm vi bảo vệ của các cột có độ cao bằng nhau :

Phía 220(kV)

-Xét nhóm cột:(1;2;5;6) và (2,3,4,5).Phạm vi bảo vệ của nhóm cột là đờng

tròn ngoại tiếp hình chữ nhật đợc tạo bởi các vị trí cột (1;2;5;6), hình chữ nhật này có khoảng cách các cột : a = 34m ; b = 34,5

Vậy đờng kính đờng tròn ngoại tiếp hình chữ nhật là :

D= a2 +a2 = 342 +34,52 =48,44(m)

Độ cao tác dụng hacủa nhóm cột (1;2;5;6) bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng phải thoả mãn điều kiện :

ha≥ D/8 = 48,44/8 = 6,055(m)

-Xét nhóm cột:(5; 6;7;8) và (4,5,8,9) Phạm vi bảo vệ của nhóm cột là đờng

tròn ngoại tiếp hình vuông đợc tạo bởi các vị trí cột (5;6;7;8), hình chữ nhật này

Vậy đờng kính đờng tròn ngoại tiếp tứ giác là đờng chéo hình chữ nhật tạo bởi các cột (13;14;15;16.)

D = a2 +a2 = 302 +30,52 =42,78(m)

Độ cao tác dụng hacủa nhóm cột (13;14;15;16)bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng phải thoả mãn điều kiện:

ha ≥ D/8 = 42,78 / 8 = 5,35(m)

3.Chọn độ cao tác dụng chung cho toàn trạm :

Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung của toàn trạm,cho các nhóm cột thu lôi ta chọn lấy độ cao tác dụng lớn nhất của các nhóm trên

Ta chọn độ cao tác dụng ha chung cho toàn trạm là ha = 6,055 (m)

4 Chọn độ cao của cột thu lôi cho trạm

- Phía 220 (kV):độ cao cần bảo vệ là hx = 16,5 (m),ta chọn độ cao của cột thu lôi h:

h = hx + ha = 16,5 + 6,055 = 22,555 (m).Vậy chọn độ cao h = 23 (m)

Do đó các vị trí cột (1;2;3;4;5;6 ;7;8;9) ta sử dụng cột có độ cao là 23 (m) -Phía 110 (kV).Độ cao lớn nhất cần bảo vệ là 10,5 (m)

Độ cao cột thu lôi phía 110 (kV) là:

h = ha + hx = 10,5 +6,055 = 16,555 (m)

Vậy ta chọn cột cao 17 (m)

Do đó các vị trí cột (10;11;12;13;14;15;16;17;18;19)) ta sử dụng cột có độ cao là h = 17 (m)

1.3.5.2:Tính toán bán kính bảo vệ rx của các cột thu sét:

1.Pham vi bảo vệ của các cột thu sét cao 23 (m) phía 220 (kV)

23

− ) = 4,875 (m)Bán kính bảo vệ của xà ở độ cao hx = 10,5 (m) :

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

ho = h - a

7 =

23-34

7 = 18,14 (m)Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi ở độ cao hx = 16,5 (m)

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

− ) = 0,75 12,71.(1- 10,5

12,71) = 1,66 (m)

Các cặp cột còn lại phía 110kV tính toán tơng tự do chúng đều có khoảng cách giống nh cặp cột trên

4- Xét cặp cột (14-15) có cùng độ cao h14 =h15 =17(m),và khoảng cách cột A14-15 = 30,5 (m)

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

− ) = 0,75 12,64.(1- 10,5

12,64) = 1,605 (m)Cặp cột (10,19) phía 110kV tính toán tơng tự do nó có khoảng cách giống

a’ = a14-7 – b = 24 – 3,33 =20,67 (m)

Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột 14 và cột giả tỏng 14’ là h0 h0 = h14 -

'a

7 = 17 -

20,67

7 =14,05 (m) Bán kính khu vực bảo vệ ở giữa hai cột ở độ cao hx = 10,5(m) là:

So sánh: hx = 10,5(m) > 2

3ho =

2

3.14,05 = 9,37 (m)

a’ = a11-9 – b = 38,42 – 3,33 =35,09 (m).

Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột 11 và cột giả tỏng 11’ là h0 h0 = h -

'a

7 = 17 -

35,09

7 =11,99 (m) Bán kính khu vực bảo vệ ở giữa hai cột ở độ cao h = 10,5(m) là:

So sánh: h = 10,5(m) > 2

3ho =

2

3.11,99 = 7,99 (m)Vậy r10,5

− ) = 1,5 11,99 (1- 7,5

11,99.0,8 )= 3,92 (m)

B¶ng kÕt qu¶ tÝnh to¸n cña ph¬ng ¸n 1.

Tổng số là 19cột thu lôi bao gồm :

- Phía 220(kV) có 9 cột dựng trên xà cao 16,5 (m),do đó chiều dài cột phía 220 (kV) là:

1.3.5.4 Phơng án 2:

Căn cứ vào mặt bằng sơ đồ ta bố trí 13 cột ,trong đó phía 220(kV) bố trí 6 cột và phía 110(kV) bố trí 10 cột

1 Tính độ cao tác dụng của các cột thu lôi

Độ cao tác dụng của các cột thu lôi đợc ký hiệu là ha.Muốn tính ha thì ta cân xét :

Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hay tứ giác) đợc bảo vệ thì

D ≤ 8ha hay ha ≥ D/8

Khi đã tính đợc các cặp cột có độ cao ha rồi thì ta chọn cột có độ cao ha lớn nhất để tính bảo vệ cho toàn trạm

2.Phạm vi bảo vệ của các cột có độ cao bằng nhau :

-Xét nhóm cột:(1;2;5;6) và (2,3,4,5).Phạm vi bảo vệ của nhóm cột là đờng

tròn ngoại tiếp hình chữ nhật đợc tạo bởi các vị trí cột (1;2;5;6), hình chữ nhật này có khoảng cách các cột : a = 34m ; b = 34,5

Vậy đờng kính đờng tròn ngoại tiếp hình chữ nhật là :

D= a2 +a2 = 342 +34,52 =48,44(m)

Độ cao tác dụng hacủa nhóm cột (1;2;5;6) bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng phải thoả mãn điều kiện :

ha≥ D/8 = 48,44/8 = 6,055(m).

-Xét nhóm cột:(5; 6;7;8) và (4,5,8,9) Phạm vi bảo vệ của nhóm cột là đờng

tròn ngoại tiếp hình vuông đợc tạo bởi các vị trí cột (5;6;7;8), hình chữ nhật này

Độ cao tác dụng hacủa nhóm cột (11,13,12) bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng phải thoả mãn điều kiện :

ha≥ D/8 = 48,08/8 = 8,41(m)

-Xét nhóm cột ( 11,9,13)

Là các tam giác có các cạnh lần lợt là 67,31;57,27;60,035 do đó dờng kính

đờng tròn ngoại tiếp tam giác là :

3.Chọn độ cao tác dụng chung cho toàn trạm :

Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung của toàn trạm,cho các nhóm cột thu lôi ta chọn lấy độ cao tác dụng lớn nhất của các nhóm trên

Ta chọn độ cao tác dụng ha chung cho toàn trạm là ha = 10,13 (m)

4.Chọn độ cao của cột thu lôi cho trạm

- Phía 220 (kV):độ cao cần bảo vệ là hx = 16,5 (m),ta chọn độ cao của cột thu lôi h:

h = hx + ha = 16,5 + 10,13 = 26,63 (m).Vậy chọn độ cao h = 27 (m)

Do đó các vị trí cột (1;2;3;4;5;6 ;7;8;9) ta sử dụng cột có độ cao là 23 (m) -Phía 110 (kV).Độ cao lớn nhất cần bảo vệ là 10,5 (m)

Độ cao cột thu lôi phía 110 (kV) là:

h = ha + hx = 10,5 +10,13 = 20,63 (m)

Vậy ta chọn cột cao 21 (m)

Do đó các vị trí cột (10;11;12;13) ta sử dụng cột có độ cao là h = 21(m)

1.3.5.5: TÝnh to¸n b¸n kÝnh b¶o vÖ r x cña c¸c cét thu sÐt:

1- Ph¹m vi b¶o vÖ cña c¸c cét thu sÐt cao 27 (m) phÝa 220 (kV)

− ) = 0,75 12,43.(1 - 10,5

12,43 ) = 1,45 (m)

4- XÐt cÆp cét (12-13)

Bán kính khu vực bảo vệ giữa 2 cột ở độ cao h = 7,5 (m) là

Tổng cộng chiều dài cột dựng của phơng án 2 là

L = l220 + L110 = 94,5 + 42 =136,5(m)

1.4 - Thiết kế kim thu sét:

Các cột thu sét dùng trong trạm 220/110kV, ta chọn kim thu sét là loại thép ống, gồm các ống có đờng kính khác nhau luồn vào

Theo tài liệu hớng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp, hớng dẫn chọn kim thu sét, ta chọn loại kim thu sét tiêu chuẩn có các kích thớc:

φ = φ = φ =

1.5 - Kết luận:

Xét về mặt kỹ thuật thì cả hai phơng án đều chấp thuận đợc.Tuy nhiên phơng

án 1 thì số cột phải dựng nhiều hơn,mặt khác về mỹ quan thì không đợc đẹp.Phơng án 2 số lợng cột dựng ít hơn,nhng chiều dài cột dựng dài hơn so với phơng án 1 một lợng là L= 136 – 123,5 = 12,5 (m).So sánh theo chỉ tiêu kinh

tế ta chọn phơng án 1 là hợp lý hơn,dễ thi công hơn.Đó là phơng án tối u để tính toán cho các phần sau

Chơng Hai

thiết kế hệ thống nối đất chống sét trạm biến áp 2.1 Giới thiệu chung và một số vấn đề kỹ thuật khi tính toán nối đất:

Tác dụng của hệ thống nối đất trong hệ thống điện là để tản dòng điện sét xuống đất,đảm bảo điện thế trên các vật nối đất nhỏ.Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp,do đó việc nối đất của trạm biến

20002000

2000

6000

Kích thước của kim thu sét (mm)

áp,các cột thu sét,các đờng dây,các thiết bị chống sét phảI đợc tính toán cụ thể khi thiết kế.

Trong hệ thống điện có 3 loại nối đất khác nhau:

Nối đất làm việc

Nối đất an toàn

Nối đất chống sét

-Nối đất làm việc: Nối đất có nhiệm vụ đảm bảo sự làm việc bình thờng của

các thiết bị ở trạng thái đã quy định Loại này gồm có : Nối đất của các trung tính của máy biến áp (trong hệ thống có điểm trung tính nối đất), của máy biến

điện áp, của các thiết bị chống sét, của các thiết bị bù ngang trên đờng dây tải

điện đi xa

-Nối đất an toàn : Hay còn gọi là nối đất bảo vệ, có mụch đích là bảo vệ con

ngời bằng cách nối đất các bộ phận kim loại bình thờng không mang điện (vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ ) Khi cách

điện bị h hỏng, trên các bộ phận này sẽ có xuất hiện điện thế nhng do đã đợc nối

đất nên giữ đợc mức điện thế thấp, do đó đảm bảo an toàn cho ngời khi tiếp xúc với chúng

-Nối đất chống sét : Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét trong đất (khi

có sét đánh vào cột thu sét hoặc trên đờng dây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn, do đó hạn chế đợc các phóng điện ngợc tới công trình cần bảo vệ

Bất kỳ một loại nối đất nào cũng đều có các điện cực chôn trong đất và đợc nối với vật cần nối đất Điện cực thờng dùng là loại cọc sắt chôn thẳng đứng hoặc thanh dài đặt nằm ngang trong đất

Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, về nguyên tắc là phải tách rời hai hệ thống nối đất làm việc và bảo vệ để đề phòng khi có dòng điện ngắn mạch lớn (hay dòng điện sét) đi vào hệ thống nối đất làm việc sẽ không gây điện thế cao trên hệ thống nối đất an toàn Nhng trong thực tế, việc cách ly giữa chúng sẽ gặp nhiều khó khăn, nhiều khi không thực hiện đợc, cho nên thờng chỉ dùng một hệ thống nối đất để làm hai nhiệm vụ Do đó, hệ thống nối đất chung ấy phải thoả mãn các yêu cầu của các thiết bị cần có điện trở nối đất bé nhất Đối với nối đất của hệ thống thu sét ở trong trạm biến áp, khi bộ phận thu sét đợc đặt ngay trên

xà trạm thì phần nối đất chống sét buộc phải nối đất chung với mạch vòng nối

đất an toàn của trạm Nh vậy sẽ gặp trờng hợp nối đất phân bố dài, tổng trở xung kích có thể lớn gấp nhiều lần so với trị số điện trở tản xoay chiều làm tăng điện

áp giáng trên bộ phận nối đất và có thể gây nên phóng điện ngợc tới các phần

mang điện của trạm Do đó, việc thực hiện nối đất chung nối đất chống sét và nối

đất an toàn thờng chỉ thực hiện ở trạm biến áp 110kV và điện áp cao hơn Điện trở nối đất của hệ thống này yêu cầu không đợc quá 0,5Ω

Trị số điện trở nối đất càng bé thì tác dụng của nối đất càng cao Nhng việc giảm trị số điện trở nối đất sẽ làm cho giá thành xây dựng tăng lên nhiều vì số l-ợng kim loại tăng Do đó cần phải qui định trị số cho phép của điện trở nối đất.Ngoài việc đảm bảo trị số điện trở nối đất đã qui định và giảm nhỏ điện trở nối đất của trạm và nhà máy điện còn cần phải chú ý đến việc cải thiện sự phân

bố thế trên toàn diện tích của trạm

Nhiệm vụ tính toán thiết kế hệ thống nối đất là làm thế nào để đạt đợc trị số

điện trở nối đất thấp nhất trong điều kiện kinh tế, kỹ thuật cho phép, cụ thể là khối lợng sắt thép sử dụng ít, hệ thống nối đất lắp đặt hợp lý, ít tốn kém mà vẫn

đảm bảo trong quá trình vận hành

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống nối đất

Hệ thống nối đất có trị số điện trở tản càng bé sẽ càng thực hiện đợc tốt

nhiệm vụ tản dòng điện trong đất và giữ đợc mức điện thế thấp Nhng việc giảm nhỏ trị số điện trở nối đất đòi hỏi phải tốn nhiều kim loại và không kinh tế Do

đó, việc xác định tiêu chuẩn nối đất và lựa chọn phơng án nối đất phải hợp lý về kinh tế, kỹ thuật

Đối với nối đất làm việc, trị số điện trở nối đất cho phép quyết định bởi yêu cầu của tình trạng làm việc của từng thiết bị cụ thể Đối với nối đất an toàn, trị số cho phép của điện trở nối đất đợc chọn sao cho các giá trị điện áp bớc và điện áp tiếp xúc trong mọi trờng hợp đều không vợt quá trị số cho phép

Theo quy phạm trang bị điện, tiêu chuẩn nối đất an toàn đợc quy định :

+ Đối với các thiết bị điện có những điểm trung tính trực tiếp nối đất (dòng

điện chạm đất lớn), trị số điện trở nối đất cho phép Rnđ ≤ 0,5Ω

+ Đối với các thiết bị điện có những điểm trung tính không nối đất trực tiếp thì yêu cầu Rnđ ≤ 250/I (Ω) nếu nh hệ thống nối đất ấy chỉ dùng cho các thiết

bị cao áp

+ Nếu hệ thống có điểm trung tính cách điện và hệ thống nối đất cho các thiết bị cao áp và hạ áp thì yêu cầu Rnđ ≤ 125/I (Ω) nhng không đợc quá 10Ω

+ Để giảm chi phí khi thi công hệ thống nối đất có thể sử dụng các loại nối

đất tự nhiên : ống kim loại dẫn nớc, cốt thép trong móng các công trình

Khi dùng nối đất tự nhiên đã thỏa mãn các yêu cầu của thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì vẫn phải cần có nối đất nhân tạo, yêu cầu trị số nối đất nhân tạo là Rnt ≤ 1 (Ω)

Vậy hệ thống nối đất trạm phải đảm bảo yêu cầu sau:

5,0)R//

R(Rnt

tn nt nd

Thực tế đất là một môi trờng phức tạp không đồng nhất về kết cấu cũng nh về thành phần Do đó, điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất, độ ẩm, nhiệt độ.do khí hậu các mùa quanh năm thay đổi nên độ ẩm, nhiệt độ của đất luôn luôn thay đổi, đặc biệt với lớp đất ở trên bề mặt, còn với lớp đất sâu thì sự dao động của độ ẩm ít hơn

Vì vậy khi thiết kế hệ thống nối đất, trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lờng thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa Km:

ρ = ρđo.KmTrong đó : Km : Hệ số mùa

ρđo : Điện trở suất đo đợc của đất

Điện trở của bộ phận nối đất tỉ lệ với hệ số mùa Km, tức là nó phụ thuộc theo mùa trong năm

2.3Các số liệu dùng để tính toán:

+Điện trở suất của đất p= 0,8.104 Ωcm =80Ωm

Với nối đất an toàn và làm việc:

-Khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8(m) thì k mùa=1,6

-Khi dùng cọc dài 2m : -3m chôn sâu 0,8 m thì kmùa=1,4

Với nối đất chống sét ta có:

-Khi dùng thanh chôn sâu 0,8m thì kmùa =1,2

Khi dùng cọc nối 2m:-3m chôn sâu 0,8m thì hệ số kmùa=1,15

2.4.Lý thuyết tính toán nối đất

Việc tính toán nối đất nhằm xác định trị số điện trở tản xoay chiều và điện trở tản xung kích của các hình thức nối đất thông thờng và nối đất chống sét

2.4.1.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 hê thống phải có giá trị R< 0,5Ω.Điều kiện này xuất phát từ việc ở cấp điện áp lớn hơn 110kV dòng ngắn mạch lớn,khi chạm vỏ hoặc rò điện thì dòng điện sẽ rất lớn gây nguy hiểm.Với cấp điện áp lớn Uđm ≥ 110kV do có

độ dự trữ cách điện cao nên ta sử dụng chung nối đất an toàn,nối đất làm việc thành một hệ thống

Điện trở nối đất của hệ thống phải thoả mãn hai điều kiện sau:

-Rnt-làđiện trở nối đất tự nhiên

-Rnt-là điện trở nối đất nhân tạo

* Rnt≤1Ω

2.4.2.Nôí đất tự nhiên

Nối đất tự nhiên bao gồm các dạng sau:

Các hệ thống ống dẫn nớc,các nống kim loại chôn dới đất không chứa các chất dễ cháy, nổ

Hệ thống chống sét cột đờng dây tải điện

Các kết cấu kim loại của trạm nh móng nhà,tờng trạm

Trong phạm vi cuả đề tài ta chỉ xét nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống

chống sét của đờng dây110kV,220kV tới trạm

2.4.2.1 Điện trở nối đất tự nhiên của hệ thống dây chống sét cột

Điện trở nối đất tự nhiên của hệ thống dây chống sét – cột đợc xác định bằng biểu thức:

c cs

c cs

Trong đó: Rc - điện trở nối đất của cột

Rcs - điện trở của dây chống sét

n – số mạch đờng dây Tính Rcs :

Dâychống sét ta sử dụng loại C-70 có r0=2,38(Ω/km) và loại dây C-95 có r0=1,89(Ω/km)

Khoảng vợt của đờng dây 110(kV) là l1=200( m) và đờng dây 220(kV) là l2=300(m)

Giả thiết các khoảng vợt có độ dài nh nhau:

Rcs1=ro.l=2,38.200.10-3=0,476(Ω)

Rcs2=r0.l=1,89.300.10-3=0,567(Ω)

Điện trở nối đất của cột điện Rc:

Với pđo=0,8.104(Ω.cm) thì Rc= 10(Ω),(Tra trong bảng 19-6 trang 191 sách

kỹ thuật điện cao áp)

Do kết cấu của trạm có 4 lộ 110(kV) và 2 lộ 220(kV) nên điện trở nối đất

tự nhiên sẽ là:

Rtn=Rtn1//Rtn2

c tn110

c cs1

Từ đó ta có:

tn110* tn 220 tn

2.4.3 Điện trở nối đất nhân tạo

Đối với nối đất nhân tạo cho trạm biến áp thì có nhiều cách thức khác nhau

nh nối đất kiểu lới và kiểu mạch vòng

Với trạm đã cho ta sử dụng nối đất mạch vòng xung quanh trạm bằng các thanh dẹt

Ta cần xác định điện trở nối đất mạch vòng :

Sơ đồ và kích thớc mạch vòng nối đất đợc thể hiện trên hình 2 – 3

d.t

L.KlnL 2R

2 tt

ρ

= ( 2 – 18 )Trong đó :

L: chu vi của mạch vòng

Theo sơ đồ ta có

L = 2.(136+133) = 538(m)t: độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng, lấy t =0,8 m

kmùa =1,6

⇒ ρtt= 80 1,6 =128(Ω.m)d: đờng 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)K: hệ số phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất

Với sơ đồ mặt bằng trạm đã cho ta cần quy đổi mạch vòng trạm về mạch vòng hình chữ nhật có các cạnh là l1, l2

MV 2

1Sl

l.(l l ) L2

l) đợc cho ở bảng sau :

Bảng 2 – 2: Bảng K = f(

2

1l

l)

2 .L d.t 2.3,14.538 0,02.0,8

ρπ

→ đảm bảo yêu cầu nối đất an toàn

Nh vậy đã đạt yêu cầu

2.4.4.Nối đất chống sét:

2.4.4.1- Dòng điện sét trong hệ thống nối đất:

Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất và nếu tốc độ biến thiên của dòng điện sét theo thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu của điện cảm của khu

vực nối đất sẽ ngăn cản không cho dòng điện đi tới phân cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều.Trong thời gian về sau ảnh hởng của điện cảm mất dần và điện áp phân bố sẽ đều hơn.

Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian T

≡Lgl2.Nh vậy T tỷ lệ với tỷ số điện cảm(L.l) và điện dẫn tổng g.l=1/R của điện cực

Từ công thức trên ta thấy rằng khi dòng điện tản trong đất là dòng một chiều tần số công ngiệp thì ảnh hởng của L không đáng kể và bất kỳ hình thức nối đất nào(thẳng đứng hay nằm ngang) cũng đều biểu thị trị số điện trở tản

Khi dòng điện đi vào trong đất là dòng điện sét,tham số biểu thi của nối

đất tuỳ thuộc vào tơng quan giữa hằng số thời gianT và thời gian đầu sóng của dòng điện

Khi T<< τds thì tới lúc cần xét( khi dòng điện sét đạt trị số cực đại) quá

trình quá độ đã kết thúc và nối đất thể hiện nh một điện trở tản.Trong trờng hợp này ứng với nối đất tập trung

Nếu điện cực dài ,hằng số thời gian có thể đạt tới mứcτds và tại thời điểm dòng diện đạt trị số cực đại,quá trình quá độ cha kết thúc,nối đất thể hiện nh một tổng trở Z và có trị số rất lớn so với trị số điện trở tản,trờng hợp này đợc gọi lầ nối đất phân bố dài

Trong khi ta thiết kế bảo vệ chống sét cho các trạm biến áp thờng thì hệ thông chống sét đợc nối chung với mạch vòng của nối đất an toàn tạo thành một

hệ thống nối đất chung (chỉ áp dụng cho cấp điện áp từ 110 kV trở lên).Vì vậy nối đất chống sét sẽ là nối đất phân bố dài.Khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất,tổng trở xung kích Zxk có thể lớn gấp nhiều lần so với điện trở nối đất và

có thể gây phóng điện ngợc tới các thiết bị của trạm điện.Do đó phải tinh toán kiểm tra yêu cầu của nối đất chống sét khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối

đất

2.4.4.2- Các yêu cầu cần kiểm tra.

Đối với TBA 220/110 kV khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất thì dòng điện sét phải thoả mãn điều kiện :

Uđ=I.Zxk(0,τ ds) < U50%MBA

Trong đó:

I : là biên độ của dòng điện sét

Zxk(0,τ ds): là tổng trở xung kích đầu vào của nối đất.

U50%MBA=460(kV): là trị số phóng điện xung kích nhỏ nhất của MBA

Đối với MBA 110(kV) U50%MBA= 460(kV)

Đối với MBA 220(kV) U50%MBA= 900(kV)

Vậy điều kiện của nối đất chống sét là Uđ < U0,5MBA= 460(kV)

2.4.4.3- Dạng sóng tinh toán của dòng điện sét

Trong tính toán thiết kế ta chọn dạng sóng tính toán của dòng điện sét là sóng xiên góc có biên độ không đổi Dạng sóng tính toán của dòng điện sét đợc biểu diễn :

tat

Khi tính toán ta chọn :

Độ dốc của dòng sét là :a=30(kA/às)

Thời gian đầu sóng là: τds=I/a=150/30=5(às)

Khi tính toán đợc giá trị tại chỗ điện sét đi vào chỗ nối đất Uđ ta phải sơ sánh với U50%MBA=460(kV).Nếu Ud không thoả mãn thì ta phải nối đất bổ xung

2.4.4.4- Tính toán lại trị số điện trở nối đất nhân tạo theo yêu cầu của nối đất bổ xung

Do việc sử dụng một hệ thống nối đất chung cho cả nối đất an toàn và nối

đất chống sét,nên ta phải tính toán lại điện trở nối đất nhân tạo theo yêu cầu của nối đất chống sét

Vì trong nối đất chống sét ,thì khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8(m) thì kmùa = 1,25

Khi dùng cọc dài 2(m)đến 3(m) chôn sâu 0,8(m) thì kmùa =1,15.Do vậy ta

2.4.4.5- Tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét:

Tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét ta xét đến các điều kiện sau:

Bỏ qua nối đất tự nhiên

Trong tính toán để đơn giản ta bỏ qua điện trở tác dụng R.Vì nó rất nhỏ so với điện cảm của nó và vì ảnh hởng của điện dung cũng rất nhỏ nên ta bỏ qua

điện dung C

Không xét quá trình phóng điện trong đất (không xét đến hiện tợng giảm

điện áp và giảm mật độ dòng điện ở các phần xa của điện cực)

Ta coi mạch vòng của hệ thống nối đất là sự ghép song song của hai tia.Chiều dài của một tia là :

l = l/2 với l = 538 (m) là chu vi của mạch vòng ,

l = l/2 = 538 / 2 = 269 (m)

l - chiÒu dµi ®iÖn cùc

r - b¸n kÝnh cña tiÕt diÖn thanh ®iÖn cùc (r = d/2)

ILx

L.g.l.π ; Tk = T1/k

Từ công thức ta thấy tổng trở xung kích gồm hai thành phần: thành phần ổn

định có trị số bằng trị số điện trở tản xoay chiều và thành phần cảm ứng biến thiên theo thời gian Tổng trở tiến tới trị số R ổn định càng nhanh khi chiều dài

điện cực càng ngắn.Chiều dài của điện cực càng lớn thì điện áp ở đầu cuối càng

bé điều này chứng tỏ các phần ở cuối của điện cực phát huy tác dụng kém

Để xác định đợc ZΣ(0,τds),ta xét các chuỗi số sau: