Bài tập dài môn Cao Áp trong hệ thống điện

Để nâng cao mức độ cung cấp điện, giảm chi phí thiệt hại và nâng cao độ an toàn khi vận hành chúng ta phải tính toán và bố trí bảo vệ chống sét choHTĐ Vì vậy việc thiết kế bảo vệ chống

Lời nói đầu

Sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đấthay giữa các đám mây mang các điện tích trái dấu

Sét không những mang đến hậu quả nghiêm trọng đối với con ngườikhi bị sét tác động mà với các thiết bị phân phối cũng vậy

Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng bao gồm NMĐ

- đường dây - TBA và các hộ tiêu thụ điện Trong đó có phần tử có số lượnglớn và khá quan trọng đó là các TBA, đường dây Trong quá trình vận hànhcác phần tử này chịu ảnh hưởng rất nhiều sự tác động của thiên nhiên nhưmưa, gió, bão và đặc biệt nguy hiểm khi bị ảnh hưởng của sét Khi có sự cốsét đánh vào TBA, hoặc đường dây nó sẽ gây hư hỏng cho các thiết bị trongtrạm dẫn tới việc ngừng cung cấp điện và gây thiệt hại lớn tới nền kinh tếquốc dân

Để nâng cao mức độ cung cấp điện, giảm chi phí thiệt hại và nâng cao

độ an toàn khi vận hành chúng ta phải tính toán và bố trí bảo vệ chống sét choHTĐ

Vì vậy việc thiết kế bảo vệ chống sét là một việc rất quan trọng đối vớinhững sinh viên nghành hệ thống điện.Dưới sự hướng dẫn của thầy TrầnHoàng Hiệp thì em đã hoàn thành bài tập dài Cao áp Tuy nhiên em không thểtránh khỏi những sai sót, do vậy em mong được sự đóng góp cho em về bàitập dài này

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy đã hướng dẫn cho em hoànthành bài tập dài này

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người tadùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng cuả hệ thống này là tập trungđiện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khuvực an toàn bên dưới hệ thống này.

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thusét vào hệ nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trởnối 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 ngược 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 vềyêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật

1.2 Yêu cầu kĩ thuật đối với hệ thống thu sét:

+ Công trình cần bảo vệ an toàn phải được nằm gọn trong phạm vi bảo

vệ của hệ thống thu sét.Hệ thống này có thể đặt ngay trên bản thân công trìnhhoặc đặt cách ly tùy thuộc vào hoàn cảnh và điều kiện cụ thể

Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao củaphạm vi bảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi Nhưng mức cách điệncủa trạm phải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thốngthu sét sang thiết bị Vì đặt kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi cóphóng điện sét, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nốiđất và trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây

khi mà mức cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệthống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộphận 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 cóthể đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và các kết cấu trên đó có đặtcột thu lôi thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắnnhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vào đất theo 3 đến 4 cọc nối đất, mặtkhác 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 làcuộn dây máy biến áp vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thìyêu cầu khoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nốivào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp là phải lớn hơn 15m theo đườngđiện

+Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổnđịnh nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua.Để chống ăn mòn phần dẫn điện cầnphải sơn hoặc tráng kẽm và không nên dùng loại dây xoắn.Các mối nối dọctheo mạch điện của hệ thống thu sét phải đảm bảo có tiếp xúc tốt ,nếu khôngtại các nơi này có thể quá nóng hoặc có phóng điện tia lửa

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điệnphải được cho vào ống chì và chôn trong đất

1.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và bố trí cột thu sét

Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thuhút phóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau

đó dẫn dòng điện sét xuống đất

Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào mộtđiểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào trên côngtrình Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó cóvật cần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ

1.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi phương trình:

Trong đó:

0,75h

1,5h

R

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

Bán kính được tính toán theo công thức sau:

1.3.2 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét

a Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao.

Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai đỉnh cột và điểm có độ cao h0 - phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa haicột được xác định theo công thức:

h 0,2h

Hình 1.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao giống nhau.

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai châncột là r0x và được xác định như sau:

Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì có các hiệu chỉnh hệ số

P = 5,5

√h , trên hoành độ lấy các giá trị 0,75h.p và 1,5h.p; khi đó h0 lấy theo côngthức:

b Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.

Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo vệ được xác định như sau:

Vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao (cột 1) có độ cao h1 và cột thấp (cột 2) có

độ cao h2 riêng rẽ Qua đỉnh cột thấp (cột 2) vẽ đường thẳng ngang gặp

đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của một cột thu sét giả định Cột 2 và cột 3 hình thành đôi cột có độ cao bằngnhau và bằng h2 với khoảng cách a’ Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h2 Điểm này được xem như đỉnh của một cột thu sét giả định

Ta xác định được các khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h2 là a’ và x như sau:

Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau h2

c Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột thu sét ( số cột > 2 ).

Khi công trình cần bảo vệ chiếm một diện tích rộng lớn thì người ta thường dùng một hệ thống nhiều cột thu sét để bảo vệ Để xác định phạm vi bảo vệ, ta chia hệ thống cột thu sét thành từng nhóm ba hoặc bốn cột thu sét ởgần nhau.

Bên ngoài diện tích của đa giác đi qua chân các cột thu sét, phạm vi bảo

vệ được xác định như giữa hai cột thu sét với nhau

Hình1.4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ nhật.

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cột thu lôi phải thoả mãn:

Trong đó: D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b,c có:

Với p là nửa chu vi:

Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật:

Với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật

Chiều cao tác dụng của cột thu sét ha phải thoả mãn điều kiện:

B Tính toán

1.1 Bố trí cột thu sét

Theo sơ đồ kết cấu của trạm thì ta biết được mặt bằng mà chưa biết cụ thể vị trí đặt các thiết bị trong trạm Với thông tin này ta chỉ cần bố trí cột chống sét sao cho các cột có thể bảo vệ được phần diện tích mặt bằng của trạm với độ cao hX là được.Với hx là chiều cao của trạm cần được bảo vệ

Đối với trạm 220 kV xà cao: 16,5m và 11,5m nên chọn độ cao cần bảo

Điện trở suất của đất 85 .cm

Với kết cấu của trạm ta có 2 phương án bố trí các cột có khoảng cách giữa các cột như 2 hình vẽ sau

Phương án 1

Trạm 220 kV

Đường kính của vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm cột 1, 2, 6, 7 là:

Chiều cao cần bảo vệ hx = 16,5 m

Nên chiều cao tối thiểu của cột chống sét là:

Trạm 110 kV

Đường kính của vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm cột 3, 4, 9, 8 là:

Chiều cao cần bảo vệ hx = 11 m

Nên chiều cao tối thiểu của cột chống sét là:

Phương án 2

Trạm 220 kV

Đường kính của vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm cột 1, 2, 6,7 là:

Chiều cao cần bảo vệ hx = 16,5 m.

Nên chiều cao tối thiểu của cột chống sét là:

Trạm 110 kV

Đường kính của vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm cột 3,4,8,9 là:

Chiều cao cần bảo vệ hx = 11 m

Nên chiều cao tối thiểu của cột chống sét là:

Vậy phương án 2 có:

Cột 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 h(m) 24 24 24 18 18 24 24 24 18 18 24 24 24 18 18 24 24 24 18 18 Tổn

1.2 Tính toán và vẽ phạm vi bảo vệ của các cột thu sét

2.1 Phương án 1

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kv cao 26m.

+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 16,5m:

Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi ở độ cao hX = 16,5 m

h 0 (m)

2/3*h 0 (m)

r 0x (m)

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kv cao 20m.

+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 11m:

h 0 (m)

2/3*h 0 (m)

r 0x (m)

Tính toán cho cặp cột 3-4:

Cột 3 có độ cao 26m,bán kính bảo vệ của cột 3 là: r03=8,06 m

Cột 4 có độ cao 20m, bán kính bảo vệ của cột 4 là: r04=9,375 m

Bán kính bảo vệ của cột 3 cho cột 4

h0=h4

-a '

7=20- 15,29mBán kính bảo vệ giữa hai cột là:

x (m)

a' (m)

ho (m)

r 0x (m)

h x =11 m

1.2.2 Phương án 2

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kv cao 24m.

+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 16,5m:

h 0 (m)

2/3*h 0 (m)

r 0x (m)

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kv cao 18 m.

+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 11m:

Chiều cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi (13,16)ở độ cao

Cột 3 có độ cao 24 m,bán kính bảo vệ của cột 3 là: r03=5,625 m

Cột 4 có độ cao 18 bán kính bảo vệ của cột 4 là: r04=5,25 m

Bán kính bảo vệ của cột 3 cho cột 4

x (m)

a' (m)

ho (m)

r 0x (m)

Phương án 1 có tổng chiều dài cần xây dựng là: 354m

Phương án 2 có tổng chiều dài cần xây dựng là : 432m

Nếu sử dung cùng một loại vật liệu thì tính kinh tế của phương án 1 hơnphương án 2, vì vậy ta chọn phương án 1 làm phương án thi công bảo vệ chotrạm biến áp

I Nối đất làm việc.

Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc một

số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ nối đất trựctiếp.Thường là nối đất điểm trung tính của máy biến áp,trong hệ thống điện

có điểm trung tính trực tiếp nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường và cáckháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện

bị điện và máy biến áp

Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trongthực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ Song hệthống nối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của các thiết bị khi có dòng ngắnmạch chạm đất lớn do vậy yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ

Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tácdụng của nối đất tốt hơn an toàn hơn Nhưng để đạt được trị số điện trở nốiđất nhỏ thì rất tốn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợpđược cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế

III Nối đất an toàn

Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hư hỏng Thựchiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mang điệnnhư vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại Khi cách điện bị hư

hỏng do lão hoá thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhưng do nốiđất nên điện thế này có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho người tiếp xúc

2.2 Một số yêu cầu kỹ thuật điện trở nối đất

Trị số điện trở nối đất của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị sốđiện áp bước và tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không vượt quá giới hạncho phép

- Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điệntrở nối đất phải thoả mãn:

- Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì:

- Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một hệthống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì:

- Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thoả mãn yêucầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì không cần nối đấtnhân tạo nữa Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thoả mãn đối với cácthiết bị cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đấtnhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: Thực tế

dù RTN ≤ 0,5 Ω thì ta vẫn phải nối đất nhân tạo vì RTN có thể xảy ra biến độngnhư đất đây chống sét tại khoảng vượt gần trạm

- Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn cónhư các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chôn trongđất Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất hoàn toàngiống với điện cực hình tia

- Vì đất là môi trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suấtcủa đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất như các loại muối, axít chứa trong đất, độ ẩm, nhiệt độ và điều kiện khí hậu Ở Việt Nam khíhậu thay đổi theo từng mùa độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điệntrở suất cuả đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng Do vậy trong tính toánthiết kế về nối đất thì trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lườngthực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường antoàn

Công thức hiệu chỉnh như sau:

Trong đó:

ρ : là điện trở suất tính toán của đất

ρđo: điện trở suất đo được của đất

Km: hệ số mựa của đất

Hệ số Km phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chụn sõu của điện cực Đối với cỏc thiết bị cú dũng ngắn mạch chạm đất bộ khi điện trở tản của cỏc phần nối đất cú sẵn đạt yờu cầu thỡ khụng cần nối đất bổ xung Với cỏc thiết bị cú dũng ngắn mạch chạm đất lớn thỡ phải đặt thờm nối đất nhõn tạo với trị số điện trở tản khụng quỏ 1Ω

Nối đất chống sột thụng thường là nối đất của cột thu sột, cột điện và nối đất của hệ thống thu sột của trạm biến ỏp và nhà mỏy điện

Do bộ phận nối đất của cột thu sột và cột điện thường bố trớ độc lập (khụng cú liờn hệ bộ phận khỏc) nờn cần sử dụng nối đất tập trung để cú hiệu quả tản dũng điện lớn nhất Hiện nay tiờu chuẩn nối đất cột điện được quy định theo điện trở suất của đất và cho trong bảng:

Bảng Điện trở nối đất cột điện

Điện trở suất của đất

Đối với nối đất của hệ thống thu sột ở cỏc trạm biến ỏp khi bộ phận thu sột đặt ngay trờn xà trạm thỡ phần nối đất chống sột buộc phải nối chung với mạch vũng nối đất an toàn của trạm Lỳc này sẽ xuất hiện nối đất phõn bố dàilàm Zxk lớn làm tăng điện ỏp giỏng gõy phúng điện trong đất Do đú việc nối đất chung này chỉ được thực hiện với cỏc trạm biến ỏp cú cấp điện ỏp ¿

110kV Ngoài ra cũn phải sử dụng một số biện phỏp bổ xung, khoảng cỏch theo mạch dẫn điện trong đất từ chỗ nối đất của hệ thống thu sột phải từ 15m trở lờn.v v

2.3 Lý thuyết tớnh toỏn nối đất

2.3.1 Tớnh toỏn nối đất an toàn.

Với cấp điện ỏp lớn hơn 110kV nối đất an toàn phải thỏa món điều kiện: