Đồ án hệ thống điện hoàng chung nam

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 sét một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi dòng điện sét đi qua thì điện

PHẦN I

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

220kV VĨNH YÊN

CHƯƠNG I HIỆNTƯỢNG DÔNGSÉTVÀẢNHHƯỞNGCỦANÓ ĐẾN HỆ THỐNG

Để nâng cao mức độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu 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 cho

Trong giai đoạn đầu phát triển của cơn dông, khối không khí nóng ẩm chuyển động thẳng đứng trong đám mây Sự phân bố điện tích trong mây dông khá phức tạp Khảo sát thực nghiệm cho thấy, thông thường mây dông có kết cấu như sau: vùng điện tích âm chính nằm ở khu vực độ cao 6 km, vùng điện tích dương ở phần trên đám mây ở độ cao 8-12km và một khối điện tích dương nhỏ phía dưới chân mây Khi các vùng điện tích đủ mạnh sẽ xảy ra phóng điện sét

Quá trình phóng điện sét có thể là phóng điện giữa các đám mây với nhau hoặc giữa đám mây với đất, hiện tượng phóng điện từ đám mây mang điện tích âm sang đám mây mang điện tích dương Quá trình phóng điện sét mây – mây sẽ dừng khi hai đám mây trung hòa hết điệntích

Khoảng 80% số trường hợp phóng điện sét mây – đất thì các đám mây đều tích điện âm

Khi các đám mây được tích điện với mật độ điện tích lớn, có thể tạo ra cường độ điện trường lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất Giai đoạn này là giai đoạn phóng điện tiên đạo Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích lớn Tốc

độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo ở lần phóng đầu tiên khoảng 1,5.107

cm/s

Ở các lần phóng điện tiếp theo sẽ nhanh hơn có thể đạt tới 20.108

cm/s, trung bình mỗi đợt sét có khoảng 3 lần phóng điện liên tiếp bởi trong đám mây có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích Dưới mặt đất do hiệu ứng bề mặt mà tập trung nhiều điện tích dương Nếu điện tích ở dưới mặt đất đồng đều (điện trở suất tại mọi điểm đều như nhau) thì tia tiên đạo phát triển theo hướng vuông góc với mặt đất Nếu điện trở suất ở các vị trí khác nhau thì điện tích dương tập trung ở những nơi có điện trở suất nhỏ và đây cũng là mục tiêu của tia tiên đạo, đó cũng là tính chọn lọc của phóng điệnsét

Hình 1.1Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét

Tia tiên đạo càng gần mặt đất thì cường độ điện trường càng lớn, quá trình ion hóa càng mãnh liệt tạo nên nhiều thác điện tử và có thể có dòng phóng điện ngược

từ mặt đất lên với tốc độ 1,5.109 – 1,5.1010 cm/s Trong giai đoạn này điện tích của mây sẽ theo dòng Plasma xuống đất tạo nên dòng ở nơi sét đánh Như vậy quá trình phóng điện chuyển từ phóng điện tiên đạo sang phóng điện ngược và dòng điện tích dương sẽ giảm dần điện thế đám mây tới trị số 0 và lúc này quá trình phóng điện kết thúc

1.1.2 Tình hình dông sét ở ViệtNam

Việt Nam là một trong những nước khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét khá mạnh Theo tài liệu thống kê cho thấy trên mỗi miền đất nước Việt Nam có một đặc điểm và mùa dông sét khác nhau:

Ở miền Bắc mùa dông sét tập trung trong khoảng từ tháng 5 đến tháng 9, số ngày dông dao động từ 70 đến 110 ngày trong một năm và số lần dông từ 150 đến

300 lần, như vậy trung bình một ngày có thể xảy ra từ 2 đến 3 cơn dông Vùng dông sét nhiều nhất ở miền Bắc là Móng Cái Tại đây hàng năm có từ 250 đến 300 lần dông tập trung trong khoảng 100 đến 110 ngày Tháng nhiều dông sét nhất là các tháng 7, tháng 8 Một số vùng có địa hình thuận lợi thường là khu vực chuyển tiếp giữa vùng núi và vùng đồng bằng, số trường hợp dông sét cũng lên tới 200 lần, số ngày dông sét lên đến 100 ngày trong một năm Các vùng còn lại có từ 150 đến 200 cơn dông mỗi năm, tập trung trong khoảng 90 đến 100 ngày

Vùng phía Bắc duyên hải Trung Bộ là khu vực tương đối nhiều dông sét trong tháng 4, từ tháng 5 đến tháng 8 số ngày dông khoảng 10 ngày/tháng, tháng nhiều dông sét nhất (tháng 5) quan sát được 12 đến 15 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng ), những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) dông sét còn ít, mỗi tháng chỉ gặp từ 2 đến 5 ngày dông sét

tia tiên đạo

Địa điểm phụ thuộc điện trở suất

Hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt

Hoàn thành phóng điện sét

Dòng của phóng điện ngược

Phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) là khu vực ít dông sét nhất, thường chỉ có trong tháng 5, số ngày dông sét khoảng 10 ngày/tháng như Tuy Hoà 10 ngày/tháng, Nha Trang 8 ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng

Ở miền Nam, khu vực nhiều dông sét nhất là ở đồng bằng Nam Bộ từ 120 đến

140 ngày/năm, như ở thành phố Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/năm Mùa dông sét ở miền Nam dài hơn mùa dông sét ở miền Bắc đó là từ tháng 4 đến tháng 11 trừ tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 11) có

số ngày dông sét đều quan sát được trung bình có từ 15 đến 20 ngày/tháng, tháng 5

là tháng nhiều dông sét nhấttrung bình gặp trên 20 ngày dông/tháng như ở thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23ngày

Ở khu vực Tây Nguyên, mùa dông sét ngắn hơn và số lần dông sét cũng ít hơn, tháng nhiều dông sét nhất là tháng 5 cũng chỉ quan sát được khoảng 15 ngày dông ở Bắc Tây Nguyên, 10 đến 12 ngày ở Nam Tây Nguyên, KonTum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, Plêiku 17 ngày

Bảng 1.1: Thông số dông sét của một số vùng

Vùng

Số ngày dông trung bình

(ngày/năm)

Số giờ dông trung bình(

giờ/năm)

Mật độ sét trung bình

Tháng nhiềudôngsétnhất

Đồng bằng ven biển Nam

1.2.Ảnhhưởngcủadôngsétđếnhệthốngđiện

Khi có sét, biên độ dòng sét có thể đạt tới hàng trăm kA, đây là nguồn sinh nhiệt

vô cùng lớn khi dòng điện sét đi qua Thực tế đã có dây tiếp địa do phần nối đất không tốt, khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị nóng chảy và đứt, thậm chí có cách điện bằng sứ khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch Phóng điện sét còn kèm theo việc di chuyển trong không gian lượng điện tích lớn, do đó tạo ra điện từ trường rất mạnh, đây là nguồn gây nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử, ảnh hưởng của nó rất rộng, ở cả những nơi cách xa hàng trămkm

Bảng 1.3 Tình hình sự cố lưới điện miền Bắc từ năm 1987-2009

Khi sét đánh thẳng vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần khu vực đường dây

có đi qua sẽ sinh ra sóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây nênngắnmạchpha-đấthoặcngắnmạchpha-phabuộccácthiếtbịbảovệđầuđường dây phải làm việc Với nhữngđường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt cắt có thể gây mất ổn định cho hệ thống, nếu hệ thống tự động ở các nhà máy điện làm việc không nhanh có thể dẫn đến rã lưới Sóng sét còn có thể truyền từ đường dây vào trạm biến áp hoặc sét đánh thẳng vào trạm biến áp đều gây nên phóng điện trên cách điện của trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm vì nó tương đương với việc ngắn mạch

trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng Mặt khác, khi có phóng điện sét vào trạm biến áp, nếu chống sét van ở đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùnglớn

Trong tổng số sự cố vĩnh cửu của đường dây 220kV Phả Lại - Hà Đông nguyên nhân do sét là 8/11 chiếm 72% Vì đường dây Phả Lại-Hà Đông là đường dây quan trọng của miền Bắc nên lấy kết quả trên làm kết quả chung cho sự cố lưới điện toàn miền Bắc

Qua đó ta thấy rằng sự cố do sét gây ra rất lớn, nó chiếm chủ yếu trong sự cố lưới điện, vì vậy dông sét là mối nguy hiểm lớn nhất đe doạ hoạt động của hệ thống điện

1.3 Vấn đề chốngsét

Ảnh hưởng của sét là rất lớn tới các công trình xây dựng nói chung và các công trình điện nói riêng Do đó vấn đề chống sét cho các công trình là đặc biệt cần thiết

và quan trọng, nhằm hạn chế ảnh hưởng do sét gây ra Để làm được điều đó, người

ta đặt các cột thu sét cho các công trình để thu dòng sét xuống đất Đối với các đường dây tải điện trên không, do khoảng cách đường dây là rất lớn, trải dài trên nhiều vùng địa hình nên ta sử dụng dây chống sét để chống sét cho đường dây tải điện Ngoài ra ta còn sử dụng các thiết bị chống sét như chống sét van, chống sét ống để hạn chế tác động của dòng sét cho các thiết bị, tránh được các hậu quả nghiêm trọng có thể xảy ra

Kết luận: Sau khi nghiên cứu tình hình dông sét ở Việt Nam và ảnh hưởng của

dông sét tới hệ thống điện, ta thấy rằng việc tính toán chống sét cho đường dây tải điện và trạm biến áp là rất cần thiết Vì vậy, việc đầu tư nghiên cứu chống sét đúng mức rất quan trọng nhằm giảm thiểu thiệt hại do dông sét gây ra, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trong vận hành hệ thống điện

CHƯƠNG II BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP

220KV VĨNH YÊN

2.1 Khái niệmchung

Đối với trạm biến áp 220 kV thì với các thiết bị đặt ngoài trời, khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nghiêm trọng, làm hư hỏng các thiết bị điện, có thể phải ngừng cung cấp điện năng trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến sản xuất và gây ra những chi phí tốn kém cho ngành điện, ảnh hưởng đến nền kinh tế quốc dân Do vậy, trạm biến áp thường có yêu cầu bảo vệ khácao

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta thường dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng của hệ thống này là tập trung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra các khu vực an toàn bên dưới hệ thống này

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ thống 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 sét một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi 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 gầnđó

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 các yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trựctiếp

Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm gọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ Ở đây, hệ thống bảo vệ trạm 220 kV ta dùng hệ thống cột thu lôi hoặc dây thu lôi, hệ thống này có thể đặt ngay trên bản thân công trình hoặc độc lập tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể

Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm

vi bảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi Nhưng mức cách điện của trạm phải đảmbảoantoàntrongđiềukiệnphóngđiệnngượctừhệthốngthusétsangthiếtbị, 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 ngược từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi 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

Đối với trạm biến áp có điện áp từ 110 kV 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 có thể đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và trên các kết cấu đó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét khuếch tán vào đất theo 3 đến 4 thanh cái của hệ thống nối đất, mặt khác phải có nối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nốiđất

Khâu yếu nhất trong trạm biến áp ngoài trời điện áp từ 110 kV trở lên là cuộn dây máy biến áp, vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào 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 ổn định nhiệt

khi có dòng điện sét chạyqua

Đối với cấp điện áp 110 kV trở lên cần phải chú ý:

 Ở nơi các kết cấu đó có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ sung (dùng nối đất bổ sung) nhằm đảm bảo điện trở khuyếch tán không được quá 4𝛺 (ứng với tần số côngnghiệp)

lôi và bộ phận mang điện không được bé hơn độ dài chuỗisứ

Có thể nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp điện

áp 110kV nếu như các yêu cầu trên được thực hiện Khi dùng cột thu lôi độc lập thì cần phải chú ý đến 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 cần được bảovệ

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện phải được cho vào ống chì và chôn trong đất.Có thể nối dây chống sét vào hệ thống nối đất của trạm nếu như khoảng cách từ chỗ nối đất của điểm nối đất ấy đến điểm nối đất của máy biến áp lớnhơn15m

2.3 Lý thuyết để tính phạm vi bảovệ của cột thu sét và dây chống sét

2.3.1 Tính toán chiều cao cột thulôi

Trong đó:

hx : là độ cao công trình cần bảo vệ

ha : là độ cao tác dụng của cột thu lôi, được xác định theo từng nhóm cột cụ thể

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thulôi

Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi có độ cao là h tính cho độ cao hx là một hình chóp tròn xoay có đường sinh được xác định như sau:



Hình 2.1: Phạm vi bảo vệ cho một cột thu lôi

Trongđó: h: chiều cao cột thulôi

hx: chiều cao cần được bảovệ

(h-hx) = ha: chiều cao hiệudụng

Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc ABC được xác định như sau:

Hình 2.2: Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi (đường sinh gấp khúc)

Bán kính bảo vệ rx được tính như sau:

Các công thức trên chỉ để sử dụng cho hệ thống thu sét có độ cao h < 30m Khi h>30mtacần hiệuchỉnh cáccôngthứcđótheo hệsốp,vớip 5, 5

h



2.3.3 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi

2.3.3.1 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi

a Hai cột thu lôi có độ cao bằngnhau

Xét 2 cột thu lôi có độ cao bằng nhau h1 = h2 = h, cách nhau 1 khoảng a

- Khi a = 7h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa 2 cột không bị sét đánhvào

- Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h0được xác định như sau:

 Phần giữa: cung tròn đi qua 3 đỉnh cột 1, 2, 3 (điểm 3 là điểm đặt cột giả tưởng có độ caoh0)

Tính toán phạm vi bảovệ:

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

b Hai cột thu lôi có độ cao khácnhau

Xét 2 cột thu lôi có độ cao là h1 và h2, cách nhau 1 khoảng a được bố trí như

hình vẽ:

h0

rx2

a a‟

vệ của cột h2 tại 3‟, với 3‟ là vị trí đặt cột giả tưởng có độ cao làh1

Tính toán phạm vi bảovệ:

a‟ = a – x ( trong đó x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giả tưởng có độ caoh1)

+ Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1,3‟: h01-3‟ = h1 - 𝑎′

7

2.3.3.2 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu lôi

Với những công trình có mặt bằng rộng lớn, nếu chỉ sử dụng một hoặc một vài cặp cột thì sẽ gây khó khăn cho việc thi công lắp đặt vì độ cao của cột sẽ rất lớn Do

đó ta cần sử dụng nhiều cột thu sét để giảm độ cao của cột Phần ngoài của phạm vi bảo vệ được xác định như từng đôi cột (yêu cầu khoảng cách a<7h) Không cần vẽ phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét mà chỉ cần kiểm tra điều kiện antoàn

Hình 2.5: Phạm vi bảo vệ của nhóm 3 và 4 cột thu lôi có độ cao bằng nhau

Vật có độ cao hx nằm trong đa giác được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:

D 8(h - hx ) = 8ha

Trong đó:

- D: đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác được tạo bởi các cột

thulôi

- ha = h – hx: là độ cao hiệudụng

Ta cũng cần phải kiểm tra điều kiện an toàn cho từng cặp cột đặt gần nhau và nếu độ cao cột thu sét vượt quá 30m thì phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh p

2.3.4 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

2.3.4.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

Phạm vi bảo vệ của dây chống sét là một dải rộng Chiều rộng của phạm vi bảo

vệ phụ thuộc vào mực cao hx được biểu diễn như hình vẽ:

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây chống sét tương tự cột thu sét ta có các hoành độ 0,6h và 1,2h

 Nếu hx ≤ 2

3ho thì bx = 1,2 h ( 1-

hx 0,8 h)

 Nếu hx ≥ 2

3ho thì bx =0,6 h (

1-hx

ℎ ) Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p

2.3.4.2 Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây chống sét thì khoảng cách giữa hai dây chống sét sẽ phải thỏa mãn điều kiện s ≤ 4h

Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao:

ho = h - s

4 Phạm vi bảo vệ như hình vẽ

Hình 2.7:Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét

Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống của một dây còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm treo dây chống sét và điểm có độ cao

ho = h - 𝑠

4so với đất

2.4 Các phương án bố trí cột thu lôi và dây thu sét

- Trạm bién áp 220kV/110kV Vĩnh Yên gồm 4 máy biến áp TN1, TN2, AT1, AT2

- Các xà phía 110kV cao 11m, các xà phía 220kV cao 17 m

Hình 2.8:Mặt bằng trạm và sơ đồ bố trí thiết bị trạm 220kV Vĩnh Yên

+ Khảo sát mặt bằng trạm và chọn vị trí đặt cột thu lôi hoặc dây thu sét

+ Tính chiều cao hiệu dụng lớn nhất của từng phía: ha max

+ Tính chiều cao cột thu lôi các phía: h = hx + ha max

+ Tính phạm vi bảo vệ và kiểm tra

2.4.1 Phương án 1: sử dụng cột thu lôi

2.4.1.1 Bố trí các cột thu lôi

Phương án bố trí các cột thu lôi được thể hiện như hình vẽ 2.9

+ Phía 110kV bố trí 15 cột, trong đó có 4 cột độc lập (cột 1, cột13, cột 14, cột 24) và còn lại 12 cột trên xà 11m (từ cột 2†12)

+ Phía 220kV bố trí 9 cột, cột 15÷23

Hình 2.9: Sơ đồ bố trí các cột thu sét Phương án 1 2.4.1.2 Tínhtoánchophươngán1

a Tính độ cao tác dụng của các cột thusét

Để tính được độ cao tác dụng của các cột thu sét ta phải xác định được đường

kính đường tròn ngoại tiếp các đa giác đi qua chân các cột là D

Độ cao tác dụng phải thỏa mãn điều kiện:

Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột trên là: ha ≥ 𝐷

8 = 40,746

8 = 5,093m Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:

Đa giác a(m) b(m) c(m) p(m) D (m) ℎ𝑎(m) ℎ𝑎𝑚𝑎𝑥

Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của nhóm cột này là ha max = 5,810m

Do độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 110kV là hx = 11m nên chiều cao của các cột thu sét là: h = hx + ha max = 11 + 5,810 = 16,810m

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị ta nâng cột lên 17m

Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại, ta có bảng sau:

Đa giác a (m) b (m) c (m) p (m) D (m) h a (m) h a max

Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là ha max = 6,055 m

Do độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 220kV là hx = 17m nên chiều cao của các cột thu sét là:

h = hx + ha max = 17 + 6,055 = 23,055 (m)

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị, ta tăng cột lên độ cao 24m

b Tính toán phạm vi bảo vệ của các cột thulôi

Ta chỉ xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo chu vi của trạm do phần diện tích bên trong đã được bảo vệ Chiều cao các

cột thu sét đều nhỏ hơn 30m nên trong công thức tính ta không cần nhân thêm

hệ số hiệuchỉnh

 Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 17m là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m :

Bán kính bảo vệ của cột h15cho phần có độ cao h14là:

Do h14 = 17m >2

3.24 = 16m nên x = 0,75.(24 – 17) = 5,25m Khoảng cách từ cột h6 đến cột giả tưởng có cùng độ cao là:

+ Xét cặp cột (15-18) có độ cao bằng nhau h1 = h2 = 24m và đặt cách nhau một khoảng a = 34m

Do a =34m < 7 h1 = 7.24 = 168m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột là: h015-18 = h –𝑎

7= 24–

34

7 = 19,142m Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 17m là:

Do hx = 17m >2

319,142 = 12,761m nên r015-18(17) = 0,75.(19,142 – 17) = 1,606m Tính toán tương tự cho các cặp cột còn lại của cả hai phía, ta có bảng sau:

22_23 24 34 19.143 12.762 1.607

Bảng 2.3: Phạm vi bảo vệ của các cặp cột phương án 1 Đơn vị (m)

Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được thể hiện trong hình 2.10 sau:

Hình 2.10: Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án1

Đường màu xanh: Phạm vi bảo vệ cho độ cao 17m

Đường màu đen : Phạm vi bảo vệ cho độ cao 11m

Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra

Tổng số cột là 24 cột gồm 15 cột bên phía 110kV cao 17 m và 9 cột bên phía

220kV cao 24m

+ Phía 220kV bố trí 9 cột giống như phương án 1 bao gồm cột từ 10÷18

+ Phía 110kV treo 3 dây chống sét C70 đặt trên các cột (1,2,3); (4,5,6); (7,8,9) mỗi dây dài 140m chia làm 2 khoảng dài 60m và 80m, khoảng cách giữa hai dây

S=22,5mvà S= 25m

Hình 2.11: Sơ đồ bố trí cột thu sét và dây thu sét phương án 2 2.4.2.2 Tínhtoánchophươngán2

a Tính phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV

Do các nhóm cột phía 220kV ở phương án này được bố trí giống với phía

220kV của phương án 1 nên theo tính toán ở phương án 1 ta có:

 Chiều cao các cột thu sét phía 220kV là 24m

 Bán kính bảo vệ của một cột 24m cho đô cao hx = 17m là rx = 5,25m

 Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên như bảng sau:

b Tính phạm vi bảo vệ của phía 110kV

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét

- Tính độ cao treo dây thu sét

Ta thiết kế hai dây thu sét có độ cao bằng nhau Để cho toàn bộ diện tích nằm trong hai dây được bảo vệ an toàn thì:

h‟≥ho + 𝑆

4 Trong đó: S là khoảng cách giữa hay dây thu sét

h0 là chiều cao lớn nhất được bảo vệ

h là độ cao treo dây thu sét

Ta có: h‟ ≥ hx + 𝑆𝑚𝑎𝑥

4 = 11 + 25

4= 17,25m

 Độ võng của dây thu sét:

Độ võng của dây được tính theo công thức:

2 1 max

g 8

kv l f

 l kv : chiều dài khoảng vượt của dây thu sét, l kv = 150 m

 𝜎max : ứng suất lớn nhất dây thu sét

Dây thu sét sử dụng ở đây là C-70 nên ta có các thông số để tính max:

- Nhiệt độ ứng với trạng thái bão: bao25 0C

- Nhiệt độ ứng với trạng thái min: min 5 C0

- Tỷ tải do áp lực gió lên dây: 3 P v N/m.mm2

g F

Trong đó: + F là tiết diện dây chống sét, F = 70 mm2

+

9,81 .10

N/m16

v

C d v

+ d là đường kính dây dẫn, với dây C-70 chọn d = 11mm

+ v là tốc độ gió, tính với áp lực gió cấp 3 có v = 30 m/s

+ α là hệ số biểu thị sự phân bố không đồng đều của gió lên khoảng cột Với v =

9,81.0,85.1,1.11.30 10

0,081 N/m.mm16.70

Thay số vào phương trình ta có:

- Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét cao 19m:

Chiều rộng của phạm vi bảo vệ ở độ cao hx = 11m :

Do hx = 11m <2

3 h = 2

319 =12,667m nên bx = 1,2.h.(1 - ℎ𝑥

0,8 ℎ )

= 1,2.19.(1 – 11

0,8.19)

= 6,3m

- Phạm vi bảo vệ giữa hai dây thu sét cao 19m:

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai dây:

Phạm vi bảo vệ của các cột đỡ dây

Chiều cao của các cột đỡ là 19m

- Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là:

Do a = 22,5m< 7h = 7.19 = 133m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột là:

Do a = 25m < 7h = 7.19 = 133m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột là:

h04-7 = h –𝑎

7= 19–

25

7= 15,429m Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là:

Hình 2.12: Phạm vi bảo vệ của phương án 2

Đường màu đen : Phạm vi bảo vệ của phía 110kV

Đường màu xanh: Phạm vi bảo vệ của phía 220kV

Kết luận: Phương án thỏa mãn yêu cầu đặt ra

- Phía 220kV dùng 9 cột cao 24m đặt trên xà cao 17m

- Phía 110kV treo 3 dây chống sét C70 dài 140m chia làm 2 khoảng dài 80m và 60m đặt trên 9 cột đỡ cao 19m trong đó 5 cột đặt trên xà cao 11m và 4 cột độc lâp

+ Tổng chiều dài cột là:L220 = 9.(24 – 17) = 63m

L110 = 5.(19 – 11) + 4.19 = 116m LpaII = L110 + L220 = 63 + 116 = 179m

+ Tổng chiều dài dây thu sét: LDCS = 3.140 = 420m

2.4.3.Phương án 3: sử dụng dây thu sét

2.4.3.1.Bố trí dây thu sét

Phương án bố trí các dây chống sét được thể hiện trên hình vẽ 2.13

+ Phía 220kV treo 3 dây thu sét C70 mỗi dây dài 68,5m và khoảng cách giữa hai dây S = 17m

+ Phía 110kV treo 3 dây thu sét C70 mỗi dây dài 140m chia làm 2 khoảng, 1 khoảng 60m, 1 khoảng 80m, khoảng cách giữa 2 dây S = 22,5m và S = 25m

hình 2.13: Sơ đồ bố trí dây thu sét phương án 3 2.4.3.2 Tính toán cho phương án 3

a Tính độ cao treo dây thu sét

h0 là chiều cao lớn nhất được bảo vệ

h là độ cao treo dây thu sét

= 16,625 + 0,965

= 17,59 m

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn bảo vệ cho thiết bị ta nâng cột đỡ dây lên 18m

b Tính phạm vi bảo vệ của các dây thu sét

Ta xét phần bên ngoài phạm vi bảo vệ của dây thu sét được xác định giống như trường hợp một dây và phạm vị bảo vệ của các cột đỡ hai bên đầu mút dây thu sét, còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung qua ba điểm: hai điểm treo dây thu sét và điểm giữa có độ cao h0 = h - 𝑆

4

Tính phạm vi bảo vệ của một dây thu sét

- Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét phía 220kv cao 23m:

Ta có: hx = 17m >2

3h =

2

323 = 15,34m nên bx = 0,6.h.( 1 - ℎ𝑥

Ta có: hx = 11m <2

3h =

2

318 = 12m nên bx = 1,2.h.( 1 - ℎ𝑥

0,8ℎ)

= 1,2.18.( 1 - 11

0,8.18) = 5,1m

Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét

- Phạm vi bảo vệ giữa hai dây có độ cao 23m:

Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa 2 dây:

S = 17m : h0 = h - 𝑆

4= 23 -

17

- Phạm vi bảo vệ giữa hai dây có độ cao 18m:

Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa 2 dây:

Chiều cao của các cột đỡ phía 220kV là 23m

- Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:

Bán kín bảo vệ cho độ cao hx = 17m:

hx = 17m >2

3h =

2

323 = 15,34m nên rx = 0,75.(h – hx) = 0,75.(23 – 17) = 4,5m Bán kín bảo vệ cho độ cao hx = 11m:

hx = 11m <2

3h =

2

323 = 15,34m nên rx = 1,5h – 1,875 hx = 1,5.23 – 1,875.11 = 13,875m

- Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên:

Xét cặp cột (13-14) có độ cao bằng nhau h13 = h14= 23 và đặt cách nhau một khoảng là a = 17m

Do a = 17m < 7h = 7.23 = 161m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữahai cột:

nên r0x = 0,75.(20,571 – 17)

= 2,678m

Phía 110kV:

Chiều cao các cột đỡ phía 110kV là 18m

- Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét cao 18m phía 110kV:

Bán kín bảo vệ cho độ cao hx = 11m:

hx = 11m <2

3h =

2

317 = 12m nên rx = 1,5h – 1,875hx

= 1,5 18 – 1,875 11

= 6,375m

- Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên:

+Xét cặp cột (1-4) và (3-6) có độ cao bằng nhau h1 = h4 = 19m và đặt cách nhau một khoảng là a = 22,5m

Do a = 22,5m < 7h = 7.19 = 133m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột là:

h01-4 = h – 𝑎

7= 19 –

22,57

= 15,786m Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là:

Do hx = 11m >2

3h01-4 = 2

315,786

= 10,524m nên r0x = 0,75.(15,786 – 11) = 3,59m +Xét cặp cột (4-7) và (6-9) có độ cao bằng nhau h4 = h7 = 19m và đặt cách nhau một khoảng là a = 25m

Do a = 25m < 7h = 7.19 = 133m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột là:

h04-7 = h – 𝑎

7= 19 –

257

= 15,429m Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là:

Hình 2.14: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét phương án 3

Đường màu đỏ: Phạm vi bảo vệ của phía 110kV

Đường màu xanh: Phạm vi bảo vệ của phía 220kV

Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra

+Phía 220kV treo 3 dây thu sét C70 mỗi dây dài 68,5m đặt trên 6 cột đỡ cao 23m trong đó 9 cột đặt trên xà cao 17m

+ Phía 110kV treo 3 dây thu sét C70 mỗi dây dài 140m chia làm 2 khoảng 60m

và 80m đặt trên 9 cột đỡ cao 18m có 5 cột đặt trên xà cao 11m, 4 cột độc lập

2.4 Chọn phương án tối ưu

Phương án tối ưu là phương án đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, có tổng

chiều dài cột và chiều dài dây chống sét nhỏ nhất Ta có bảng so sánh các phương

án như sau:

Từ bảng so sánh trên ta thấy phương án 1 đạt yêu cầu về mặt kỹ thuật và có tổng chiều dài cột lớn hơn phương án 2 và 3 nhưng không cần dùng dây chống sét nên chi phí xây dựng thấp hơn Vậy ta chọn phương án 1 là phương án tính toán thiết kế chống sét cho trạm biến áp

Phương án

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP

3.1 Khái niệm chung

Một vật bằng kim loại có hình dạng bất kỳ, kích thước bất kỳ chôn sâu xuống đất, có liên hệ về dẫn điện cùng với đất và tạo nên điện trở đều có thể gọi là bộ phận nối đất Một tập hợp nhiều bộ phận nối đất được gọi là hệ thống nối đất Nhiệm vụ của hệ thống nối đất là tản dòng điện sét xuống đất để đảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Trong việc bảo vệ quá điện áp khí quyền thì nối đất của trạm, các cột thu lôi, đường dây và thiết bị chống sét là rất quan trọng Trong hệ thống điện có ba loại nối đất:

+ Nối đất làm việc: Có nhiệm vụ đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị

điện hoặc của một số bộ phận thiết bị theo một chế độ làm việc đã được định sẵn Loại nối đất này gồm nối đất điểm trung tính máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất cuộn thứ cấp của máy biến áp đo lường, các kháng điện

bù ngang dùng trong tải điện đi xa và nối đất của thiết bị chống sét

+ Nối đất an toàn (bảo vệ): Có nhiệm vụ bảo vệ an toàn cho người khi cách

điện bị hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất tất cả các bộ phận kim loại bình thường không mang điện như: vỏ máy biến áp, vỏ động cơ, vỏ máy cắt, các giá đỡ kim loại,… Khi cách điện bị hỏng, các bộ phận này sẽ có điện nhưng do nối đất nên giữ được mức điện thế thấp đảm bảo không gây nguy hiểm đến tính mạng con người khi tiếp xúc với chúng

+ Nối đất chống sét: Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét xuống đất khi

có sét đánh vào cột thu lôi hoặc đường dây để giữ điện thế tại mọi điểm trên cột không quá lớn Do đó hạn chế được phóng điện đến công trình cần bảo vệ

Ở nhà máy điện và trạm biến áp về nguyên tắc phải tách riêng hai hệ thống nối đất làm việc và nối đất an toàn, để phòng khi có dòng ngắn mạch lớn (hay dòng điện sét) đi vào hệ thống nối đất làm việc, không gây điện thế cao trên hệ thống nối đất an toàn Nhưng trong thực tế rất khó thực hiện vì nhiều lý do khác nhau nên thường dùng một hế thống nối đất làm hai nhiệm vụ Do đó hệ thống nối đất chung của các thiết bị cần có điện trở nối đất bé nhất, điện trở của hệ thống nối đất này yều cầu không vượt quá 0,5 Ω Để đảm bảo yêu cầu về nối đất cũng như khối lượng kim loại trong việc xây dựng hệ thống nối đất là ít nhất, cần tận dụng các loại nối đất tự nhiên như:

+ Hệ thống dây chống sét, cột,…

+ Kết cấu kim loại của các công trình như: rằng móng nhà bằng sắt, ống nước chôn dưới đất hay các ống kim loại khác (không chứa các chất dễ gây cháy nổ)… Khi tận dụng nối đất tự nhiên phải tuân theo các qui trình của qui phạm Nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thỏa mãn các yêu cầu của thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì không cần làm thêm nối đất nhân tạo nữa Nhưng đối với các thiết

bị có dòng ngắn mạch lớn thì cần phải làm thêm nối đất nhân tạo với điện trở nhỏ hơn 1Ω

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

3.2.1 Trị số cho phép của điện trở nối đất

Trị số của điện trở nối đất về căn bản phụ thuộc vào điện trở lớp đất bề mặt tiếp xúc với bộ phận nối đất khi có dòng điện đi qua Có nghĩa là phụ thuộc vào trị số điện trở suất của đất ρ (Ωm), ngoài ra còn phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và cách bố trí bộ phận nối đất trong đất Mức độ an toàn của hệ thống chống sét hay nói một cách khác là việc làm nhanh chóng tiêu tán dòng điện sét vào đất phụ thuộc vào trị số điện trở nối đất Nếu trị số điện trở nối đất này càng bé thì mức độ bảo vệ

an toàn của hệ thống bảo vệ chống sét càng cao

Nhưng khi giảm điện trở nối đất xuống thì giá thành xây dựng cao hơn nhiều do tốn nhiều kim loại, do đó cần phải qui định về trị số cho phép của điện trở nối đất Đối với hệ thống nối đất làm việc thì nó phải thỏa mãn yêu cầu làm việc của mỗi thiết bị theo qui phạm:

+ Đối với các thiết bị có điểm tung tính trực tiếp nối đất, yêu cầu điện trở nối đất là: R ≤ 0,5Ω

+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện nối đất thì yêu cầu điện trở nối đất là: R ≤ 250

𝐼 Ω ( nếu như phần nối đất này chỉ dùng cho thiết bị cao áp)

+ Nếu hệ thống có điểm trung tính cách điện và hệ thống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì yêu cầu điện trở nối đất là: R ≤ 125

𝐼 < 10Ω

Với I là dòng điện chạm đất, I tùy thuộc vào mỗi trường hợp chạm đất nó có giá trị khác nhau

3.2.2 Hệ số mùa

Đất là môi trường phức tạp không đồng nhất về kết cấu cũng như thành phần,

do đó điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần muối, axit, nhiệt độ, độ ẩm…của đất Do khí hậu các mùa thay đổi nên độ ẩm, nhiệt độ của đất luôn luôn thay đổi, đặc biệt với lớp đất ở trên, còn với lớp đất sâu ở dưới độ dao động về độ ẩm ít hơn Vì vậy khi thiết kế hệ thống nối đất cần chú ý tới trị số điện trở suất tính toán của đất Điện trở suất của đất được tính theo công thức:

ρtt = ρd kmua Trong đó:

+ρtt: điện trở suất tính toán của đất

+ ρd : điện trở suất đo được của đất

+ kmua : hệ số mùa, phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của hệ thống nối đất khi đo đất khô hay ẩm

Bảng 3.1 Bảng hệ số k mua

Loại nối

Hệ số mùa k ứng với các trạng thái

An toàn

Làm việc

Chống sét

3.3 Trình tự tính toán

Các số liệu dùng để tính toán nối đất:

Điện trở suất đo được của đất: ρ đ = 94 Ωm

Điện trở nối đất của cột đường dây: Rc = 8 Ω

Dây chống sét sử dụng loại C70, có điện trở đơn vị là r0 = 2,38 Ω/km

Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220kV là l220 = 150 m

Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110kV là l110 = 150 m

Điện trở tác dụng của dây chống sét trên một khoảng vượt là:

RNT là điện trở nối đất nhân tạo, yêu cầu: RNT≤ 1Ω

R R R Trong đó: n là số lộ đường dây

Rcs là điện trở tác dụng của dây chống sét trên một khoảng vượt

Rc là điện trở nối đất của cột điện

Vậy ta có điện trở nối đất tự nhiên của toàn trạm là:

RTN = RTN110 // RTN220 = 0,76.0,19

0,76+0,19= 0,152 Ω

Ta thấy RTN ≤ 0,5 Ω đã đạt yêu cầu về lý thuyết Tuy vậy nối đất tự nhiên có thể

có nhiều thay đổi, vì vậy để đảm bảo an toàn ta vẫn phải nối đất nhân tạo

3.3.2 Nối đất nhân tạo

Nối đất nhân tạo ở đây ta sử dùng hình thức nối đất bằng thanh ngang, vòng quanh chu vi trạm và lùi vào phía trong tường bao 1m

Hình 3.1: Sơ đồ nối đất nhân tạo mạch vòng

65000

69000 500

00

10 40

00 154

000

134000

Ta đưa sơ đồ nối đất trên về dạng hình chữ nhật tương đươn như sau:

Chu vi và diện tích mạch vòng hình chữ nhật tương đương bằng chu vi và diện

Độ chôn sâu của mạch vòng là: t = 0.8m

Điện trở suất của đất: ρ đ= 94 Ωm

Điện trở mạch vòng của trạm là: RMV = 



2

.ln

L t d Trong đó:

L: là chu vi mạch vòng, L = 572m

t: là độ chôn sâu của thanh, t = 0,8m

ρ tt : là điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở độ

K: là hệ số hình dáng phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất

Giá trị của K phụ thuộc vào kích thước mạch vòng và được cho ở bảng sau:

l1 = 201,915m

l2

= 84,085

m

+ Quá trình phóng điện trong đất

Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung) thì không cần xét quá trình quá

độ mà chỉ cần xét quá trình phóng điện trong đất Ngược lại khi nối đất dùng hình thức phân bố dài (tia dài hoặc mạch vòng) thì đồng thời phải xét cả hai quá trình có

ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả nối đất Vì hình thức nối đất chúng ta chọn cho trạm biến áp là nối đất dài (mạch vòng theo chu vi trạm) nên sẽ đồng thời xét cả hai quá trình Vì hệ thống nối đất của chúng ta được dùng cho cả ba nhiệm vụ nên ta sẽ dùng nối đất an toàn và làm việc để tính toán cho nối đất chống sét

Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong đất

Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:

Hình 3.3: Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất

Trong mọi trường hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng R vì nó bé so với trị

số điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét tới phần điện dung C vì ngay cả trong trường hợp sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện trở tản

Hình 3.4: Sơ đồ đẳng trị rút gọn

Trong đó:

L0: là điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài

G0: là điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài

0,01− 0,31

= 1,990 µH/m

Điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài:

Với: + R: là điện trở tản xoay chiều tính cho mùa sét

Trong nối đất chống sét khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8m thì mset

ua

k = 1,25,

R = MV set

mua mua

R k k

Vì ta thực hiện việc nối đất bằng cách dùng một mạch vòng bao quanh trạm mà không đóng thêm cọc nên giá trị điện trở nhân tạo mùa sét được tính theo công thức:

set

NT

R = R = MV set

mua mua

R k

k =

0,551.1,25 1,6 = 0,430 Ω