KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối 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

BTD - KTĐ Cao áp Trang 1

Phần 1

bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

trạm biến áp 35 kV.

1.1-Khái niệm chung.

Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện

Đối với trạm biến áp 35kV thì các thiết bị điện của trạm đợc đặt ngoài trời nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề không những chỉ làm hỏng đến các thiết bị trong trạm mà còn gây nên những hậu quả cho những ngành công nghiệp khác do bị ngừng cung cấp điện Do vậy trạm biến áp thờng có yêu cầu bảo vệ khá cao

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp ngời ta dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng cuả hệ thống này là tập trung điện tích để

định hớng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên

d-ới hệ thống này

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào

hệ nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối 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 ngợc 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 về yêu cầu về

kỹ thuật, mỹ thuật

1.2- Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp.

Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải đợc nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ Hệ thống bảo vệ trạm 35kV ở đây ta dùng hệ thống cột thu lôi, hệ thống này có thể đợc đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt độc lập tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể

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

từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện

không đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ

Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn

điện phải đợc cho vào ống chì và chôn trong đất

1.3- Tính toán thiết kế bố trí cột thu lôi.

Với yêu cầu thiết kế hệ thống chống sét cho trạm 110kV và dựa vào độ cao của các thiết bị ta có thể bố trí đợc các cột thu lôi và tính đợc độ cao của chúng

1.3.1- Các công thức sử dụng để tính toán.

- Độ cao cột thu lôi:

h = hx + ha Trong đó:

+ hx : độ cao của vật đợc bảo vệ

+ ha : độ cao tác dụng của cột thu lôi, đợc xác định theo từng nhóm cột (ha ≥ D/8 m)

(với D là đờng kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột)

- Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là:

) ( 1

6 , 1

x x

h h

+

=

- Nếu hx≤ 2/3h thì: 1,5 .(1 0,8h)

h h

x = −

- Nếu hx > 2/3h thì: 0,75 .(1 h)

h h

x = −

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn từng cột đơn cộng lại Nhng để các cột thu lôi có thể phối hợp đợc thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a ≤ 7h ( trong đó h là độ cao của cột thu lôi )

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

) (

a h

−

=

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đờng nối hai chân cột

là rxo và đợc xác định nh sau:

) 6 3 ( 1

6 ,

+

=

o x xo

h h r

BTD - KTĐ Cao áp Trang 3

- Trờng hợp hai cột thu lôi có độ cao khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo

vệ đợc xác định nh sau:

- Khi có hai cột thu lôi A và B có độ cao h1 và h2 nh hình vẽ dới đây:

(Hình 1 – 2 ): Tr ờng hợp hai cột thu lôi có chiều cao khác

nhau

a'

2

h2

1

h1

3

R

a

- Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi C có độ cao h2 , khi đó các khoảng cách AB = a; BC = a' Khi đó xác định đợc các khoảng cách x và a' nh sau:

) (

1

6 , 1 -a x -a a'

) (

1

6 , 1

2 1

1 2

2 1

1 2

h h h h

h h h h x

− +

=

=

− +

=

Đối với trờng hợp khi có hai cột thu lôi cao bằng nhau ta có phạm vi bảo vệ ở

độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho :

7

a h

ho = −

Tơng tự ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột B và C là:

) h h (

h h

, a

h 7

a' h

1 2 2

2

1

6 1

− +

+

−

=

−

=

) h h (

h h

,

+

=

1

2

1

6 1

1.3.2/Bố trí cột thu sét.

Theo sơ đồ kết cấu của trạm thì mới chỉ biết diện tích mặt bằng mà cha 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 đợc phần diện tích mặt bằng của trạm với

độ cao hX là đợc

Với kết cấu của trạm ta bố trí các cột N1ữ N6 có khoãng cách giữa các cột

nh hình 1:

BTD - KTĐ Cao áp Trang 5

Hình 1

• Đờng kính của vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm cột 1245 và 2356 là:

26 67 45

50 2 2 m

Do đó để chọn toàn bộ diện giới hạn bởi các nhóm tứ giác ấy đợc bảo vệ thì

D ≤ 8.ha Vậy độ cao hiệu dụng của nhóm cột này là:

8 8.4 .

28 67

m

h a = =

Nh vậy đối với tất cả các cột thu sét có thể lấy chung một độ cao tác dụng lớn nhất là : ha = 8.4m Từ độ cao tác dụng ha ta có độ cao cột thu sét để bảo vệ đợc trạm có độ cao hX

Theo đề bài ta có độ cao hx = 7.4m

Để tính toán đơn giản ta chọn toàn bộ 6 cột có độ cao bằng nhau.Nh hình vẽ cao cho thoả mãn điều kiện

D ≤ 8( h – hX)

Ta bố trí các cột thu sét với khoãng cách nh hình 2:

Với cách bố trí này ta chọn độ cao của 6 cột là: h = 20 m Kiểm tra lại điều kiện bảo vệ của các vùng tứ giác

Ta có: D =67.26m ≤ 8(h – hX) = 8(20– 7.4 ) =100.8m Vậy cột cao 20 m thỏa mãn điều kiện

Vậy: Ta chọn cột thu sét cao h = 20m

a./Tính toán và vẽ phạm vi bảo vệ của các cột thu sét.

+ Bán kính của khu vực bảo vệ của các cột thu sét bảo vệ cho độ trạm cao

hX = 7.4m là:

Vì hX≤ 2/3h nên :

12 16 ) 20 8 , 0

4 7 1 (

20 5 , 1 ) 8 , 0 1 (

5 ,

h

h h

+ Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi ở độ cao hX =7.4 m với khoảng cách a = 45m là:

BTD - KTĐ Cao áp Trang 7

57 13 7

45 20

a h

h o = − = − =

Nh vậy bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét ở hX = 7.4 m với

khoảng cách a = 45m là :

h h r

o

x o

57 13

4 7 1 ( 57 13 75 , 0 ) 1 ( 75 ,

=

+ Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi ở độ cao hX =7.4 m với khoảng cách a = 45m là:

85 12 7

50 20

a h

h o = − = − =

Nh vậy bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét ở hX = 7.4m với

khoảng cách a = 50m là :

h h r

o

x o

85 12

4 7 1 ( 85 12 75 , 0 ) 1 ( 75 ,

=

Từ các số liệu tính toán phạm vi bảo vệ của các cột thu sét ở trên ta có bản vẽ phạm vi bảo vệ sau: (hình 3.)

Hình 3: Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét.

Phần 2 Tính toán nối đất.

2.1- Giới thiệu chung và một số vần đề kỹ thuật khi tính toán nối

Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp, do đó việc nối đất của trạm biến áp, các cột thu lôi, các đờng dây, các thiết bị chống sét phải đợc tính toán cụ thể trong khi thiết kế

Nối đất làm việc.

Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm việc bình thờng của thiết bị, hoặc một số

bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ nối đất trực tiếp Thờng là nối đất điểm trung tính máy biến áp Trong hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất, nối đất của máy biến áp đo lờng và các kháng điện dùng trong bù ngang trên các đờng dây cao áp truyền tải điện

Nối đất chống sét.

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất (khi sét đánh vào cột thu lôi hay đờng dây) để giữ cho điện thế mọi điểm trên thân cột không quá lớn tránh tr-ờng hợp phóng điện ngợc từ cột thu lôi đến các thiết bị cần đợc bảo vệ

Nối đất an toàn.

Có tác dụng đảm bảo an toàn cho con ngời khi cách điện bị h hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mang điện

nh vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại để khi cách điện bị h hỏng do lão hoá thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhỏ không nguy hiểm (nếu không nối đất thì điện thế này sẽ làm nguy hiểm đến con ngời khi chạm vào chúng) Do đó nối đất các bộ phận này là để giữ điện thế thấp và bảo

đảm an toàn cho con ngời khi tiếp xúc với chúng.Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhng trong thực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ đối với các cấp điện áp từ 110 kV trở lên Song hệ thống nối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của các thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm đất lớn do vậy yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ

Đối với trạm biến áp từ 35kV trở xuống thì hệ thống nối đất an toàn và nối

đất chống sét phải tách rời nhau

Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng của nối đất tốt hơn an toàn hơn Nhng để đạt đợc trị số điện trở nối đất nhỏ

BTD - KTĐ Cao áp Trang 9 thì rất tốn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp đợc cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế

Một số yêu cầu về kỹ thuật của điện trở nối đất:

+ Đối với các thiết bị điện nối đất trực tiếp, yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mãn: R ≤ 0,5Ω.(Theo tiêu chuẩn nối đất an toàn trang 189 giáo trình kỹ thuật điện cao áp)

+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính không trực tiếp nối đất thì:

Ω

≤

I

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

Ω

≤

I

R 125

+ Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thoả mãn yêu cầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì khong cần nối đất nhân tạo nữa Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thoả mãn đối với các thiết bị cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R ≤ 1Ω

Bất kỳ một hệ thống nối đất nào cũng phải có các điện cực chôn trong đất và nối với thiết bị mà ta cần nối đất (điện cực thờng sử dụng là các cọc sắt thẳng

đứng hay các thanh dài nằm ngang) các điện cực này đợc chôn trong đất

có mức tản dòng điện sét phụ thuộc vào trạng thái của đất (vì đất là môi trờng không đồng nhất, khá phức tạp, nó phụ thuộc vào thành phần của đất nh các loại muối, a xít chứa trong đất ) Điều kiện khí hậu cũng ảnh hởng đến độ dẫn điện của đất

ở Việt nam khí hậu thay đổi theo từng mùa độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất cuả đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng Do vậy trong tính toán thiết kế về nối đất thì trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo l-ờng thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cl-ờng an toàn

Công thức hiệu chỉnh nh sau: ρtt = ρđ.Km

Trong đó:

ρtt: là điện trở suất tính toán của đất

ρđ: điện trở suất đo đợc của đất

Km : hệ số mùa của đất

Hệ số K phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực.

Đối với trạm biến áp ta thiết kế có cấp điện áp 35kV và các cột thu lôi độc lập do đó ta sử dụng hình thức nối đất tập trung để có hiệu quả tản dòng điện tốt nhất

2.2- Các số liệu dùng để tính toán nối đất

Điện trở suất đo đợc của đất: ρđ =0.8.104Ω/cm =0.8.102 Ω/m

Điện trở nối đất cột đờng dây: Rc = 12 Ω

Dạng sóng tính toán của dòng điện sét:







τ

≥

=

τ

<

=

ds s

ds s

khi I I

t khi t

a I

Trong đó:

a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/às

I: biên độ dòng điện sét I = 150kA

Is

ds = = = à

30 150

Is

τđs I t

Hình (4–1) : Dạng sóng của dòng sét.

- Yêu cầu đối với nối đất an toàn của trạm 35kV là điện trở yêu cầu nhỏ hơn 4

Ôm

a Tính toàn nối đất mạch vòng quanh trạm.

ln 2

2

d h

L k L R

T MV

Π

=

Trong đó:

− RT: điện trở của thanh nối đất

−ρtt : điện trở suất tính toán

BTD - KTĐ Cao áp Trang 11

cm

k at mt do

tt = ρ = 0.8.104ì ,16=1.28104Ω

− h: độ chôn sâu h = 0,8 m

− L: chu vi mạch vòng nối đất L = 2( l1 + l2 ) = 2( 90+50 ) =280m

− d: đờng kính thanh Sử dụng thanh có tiết diện tròn với d = 2 cm

− k: hệ số hình dáng k = f(l1/ l2) = f(90/50) = f(1.8) = 6.1 Với các số liệu trên ta có giá trị điện trở nối đất mạch vòng là

27 , 1 2 10 8 , 0

10 280 1 6 ln 10 280 2

10 28 1

2

4 2 2

4

Ω

=

ì

= π

MV

R

Ta có: RMV ≤ Ryc = 4 W nên ta không cần phải đóng cọc vào hệ thống nối đất

2./Nối đất chống sét:

Sơ đồ đẳng trị của nối đất chống sét đợc biểu thị ở hình sau:

Điện áp tại điểm trên thân cột cách bộ phận nối đất đoạn dài l đợc tính theo công thức U1= Is * Rxk + L(dis/dt)

Trong đó :

-Is biên độ dòng điện sét,kV

- L điện cảm của phần nối đất dài l,àH.

- Rxkđiện trở nối đất xung kích của bộ phận nối, Ω

- (dIs/dt) độ dốc trung bình của phần đầu sóng dòng điện sét kA/às Trong tính toán thờng lấy Is = 150 kA và (dIs/dt) = 30 kA/às

Lo= 1.7àH/m; Rxk=12Ω và l=10m

Từ đó ta tính đợc :

U1=Is*Rxk + L(dis/dt)= 150 Rxk + 50*l=2000kV

Và điện áp trên bộ phận nối đất bằng :

Uđ=Is*Rxk=1500kV

LO

GO

IS

Do đó để không xảy ra phóng điện từ hệ thống thu sét tới công trình, khoảng cách không khí (Sk) và khoảng cách trong đất (Sđ) phải đủ lớn để có mức cách điện không thấp hơn so với các trị số điện áp nói trên

Cờng độ cách điện trong không khí thờng lấy bằng 500kV/m, trị số trờng phóng điện trong đất lấy bằng 300kV/m Từ đó ta có các khoảng cách an toàn tính bằng m:

Sk =U1/500= 0.3*Rxk+0.1*l= 0.3*12+0.1*30= 6.6 lớn hơn giới hạn nhỏ nhất là 5m vậy Sk thoả mãn yêu cầu

S đ = U đ /300=150* Rxk /300=150*12/300= 6m lớ hơn giới hạn nhỏ

nhất là 3m vậy khoản cách chọn các cột nối đất là l = 10m