Đồ án ngành hệ thống điện hoàng văn phong

Mật độ phóng điện xuống các khu vực Số ngày dông Đồng bằng ven biển Miền núi trung du phía bắc Cao nguyên miền trung Ven biển trung bộ Đồng bằng miền nam 1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA GIÔNG SÉT Ở

MỤC LỤC

Trang

PHẦN I : TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNHTRỰC TIẾP VÀ NỐI

ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP 220 KVVÀ BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY 110 KV 1

CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH DÔNG SÉT Ở VIỆT NAM VÀẢNH HƯỞNG CỦA DÔNG SÉT TỚI LƯỚI ĐIỆN 2

1.1 HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT 2

1.1.1 Khái niệm chung 2

1.1.2 Cường độ hoạt động của sét 4

1.1.3 Tình hình dông sét ở Việt Nam 4

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA GIÔNG SÉT 6

1.3 VẤN ĐỀ CHỐNG SÉT 6

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110KV 7

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG 7

2.2 CÁC YÊU CẦU KĨ THUẬT ĐỐI VỚI HỆ THỐNG CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG 7

2.2.1 Các công thức sử dụng để tính toán 8

Độ cao cột thu lôi 8

2.2.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập 8

2.2.3 Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột thu lôi 9

2.4 MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG ĐƯỢC BẢO VỆ 12

2.4.1 Phương án 1: 14

2.4.1.1 Bố trí các cột thu lôi: 14

2.4.1.2 Tính toán cho phương án 1 14

2.4.1.3 Phạm vi bảo vệ của phương án 1 20

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 24

3.1 Yêu cầu nối đất cho trạm biến áp 24

3.2 Tính toán nối đất 26

3.2.1 Nối đất an toàn 26

3.2.2 Nối đất chống sét 30

CHƯƠNG 4: BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY 110KV 42

4.1 KHÁI NIỆM VÀ YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY 42

4.2 CÁC CHỈ TIÊU BẢO VỆ CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY 42

4.2.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét 42

4.2.2 Cường độ hoạt động của sét 43

4.2.3 Số lần sét đánh vào đường dây 43

4.2.4 Số lần phóng điện do sét đánh vào đường dây 44

4.2.5 Số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây 45

4.2.6 Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng 45

4.3 TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU BẢO VỆ CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY 46

4.3.1 Thông số đường dây cần bảo vệ 46

4.3.2 Xác định độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở của dây chống sét và đường dây 47

4.3.3 Tính số lần sét đánh vào đường dây 50

4.3.4 Suất cắt do sét đánh vào đường dây 51

4.3.4.1 Suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 51

4.3.4.2 Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt 52

4.3.4.3 Tính suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 56

CHƯƠNG 5: BẢO VỆ SÓNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY VÀO TRẠM 78

5.1 KHÁI NIỆM CHUNG 78

5.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP TRÊN CÁCH ĐIỆN CỦATHIẾT BỊ KHI CÓ SÓNG TRUYỀN VÀO TRẠM 79

5.2.1 Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp lập bảng 79

5.2.2 Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp đồ thị 82

5.2.3 Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp tiếp tuyến 85

5.3 TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRUYỀN VÀO TRẠM 86

5.3.1 Lập sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất của trạm 86

5.3.2 Thiết lập phương pháp tính điện áp nút trên sơ đồ rút gọn 90

5.3.3 Đặc tính cách điện tại các nút cần bảo vệ 93

5.3.3.1Đặc tính điện áp chịu đựng của máy biến áp 220 kV 93

5.3.3.2 Đặc tính V-S của thanh góp 220 kV 94

5.3.3.3 kiểm tra dòng điện qua chống sét van 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Số ngày sét trong một năm 4

Bảng 1.2 Số liệu về sét trong năm 2012 tại các địa phương 5

Bảng 1.3 Mật độ phóng điện xuống các khu vực 6

Bảng 1.4 Tình hình sự cố lưới điện ở miền bắc 6

Bảng 2.1 Độ cao tối thiểu các cột phía 110kV phương án 1: 15

Bảng 2.2 Độ cao hiệu dụng của các cột thu lôi phía 220kV phương án 1 16

Bảng 2.3 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên 18

Bảng 3 1 Bảng ( ) 2 1 l l f K  29

Bảng 3.2 Bảng tính toán chuỗi số    1 2 1 k T K ds e k  33

Bảng 3.3 Bảng tính toán chuỗi số    1 2 1 k T K ds e k  36

Bảng 3.4 Hệ số sử dụng của thanh khi nối cọc theo dãy 38

Bảng 3.5 Kết quả tính toán các giá trị Bk 40

Bảng 4.1 Bảng xác suất hình thành hồ quang   f(E lv) 45

Bảng 4.2.Giá trị Ucd(t) tác dụng lên chuỗi sứ 54

Bảng 4.3 Đặc tính phóng điện của chuỗi sứ 54

Bảng 4.4.Đặc tính xác suất phóng điện 55

Bảng 4.5.Tính u cu đ (a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột 69

Bảng 4.6.Tính u cu t (a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột 70

Bảng 4.7.Tính i c(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột 71

Bảng 4.8.Tính di (a,t) c dt khi sét đánh vào đỉnh cột 72

Bảng 4.9.Tính U ( , )c a t khi sét đánh vào đỉnh cột 73

Bảng 4.10 Tính Udcs( , )a t khi sét đánh vào đỉnh cột 74

Bảng 4.11.TínhUcd(a,t) kV khi sét đánh vào đỉnh cột 75

Bảng 4.12 Đặc tính xác suất phóng điện pd 76

Bảng 5.1 Bảng điện dung tương đương của các thiết bị trong trạm 87

Bảng 5.2 Điện áp chịu đựng của máy biến áp theo thời gian 94

Bảng 5.3 Đặc tính V-S của thanh góp 94

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển của dòng điện sét 3

Hình 1.2 Dạng tổng quát của sóng sét 3

Hình 1.3 Dạng xiên góc của sóng sét 4

Hình 1.4 Dạng hàm số mũ của sóng sét 4

Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét 8

Hình 2.2.Phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau 9

Hình 2.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau 10

Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu lôi 11

Hình 2.5 Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu lôi 11

Hình 2.6 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 12

Hình 2.7 Mặt bằng trạm 220kV 13

Hình 2.8 Bố trí các cột thu lôi của phương án 1 14

Hình 2.9 Phạm vi bảo vệ của phương án 1 20

Hình 3.1 Hệ số hình dạng ( ) 2 1 l l f K  29

Hình 3.2 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất 30

Hình 3.3 Sơ đồ đẳng trị rút gọn 30

Hình 3.4 Hình thức nối đất bổ sung 37

Hình 3.5 Đồ thị T 39

Hình 3.6 Xác định nghiệm của phương trình tgX k  0, 053X k 40

Hình 4.1 Góc bảo vệ của dây thu sét 43

Hình 4.2 Đồ thị   f(E lv) 45

Hình 4.3 Kết cấu của cột điện 46

Hình 4.4 Sơ đồ xác đinh hệ số ngẫu hợp 49

Hình 4.5 Sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét 52

Hình 4.6 đồ thị Ucd(a,t) và Upd(t) 54

Hình 4.7 Đường cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vào khoảng vượt 56

Hình 4.8 Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét 56

Hình 4.9 Sơ đồ tương đương mạch đẫn dòng sét khi chưa có sóng phản xạ tới 59

Hình 4.10 Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện khi có sóng phản xạ tới 60

Hình 4.11 Điện áp đặt lên cách điện của đường dây khi sét đánh vào đỉnh cột 76

Hình 4.12 Đường cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vào đỉnh cột 77

Hình 5.1 Sóng truyền trên đường dây 80

Hình 5.2 Sơ đồ tương đương với thông số tập trung 80

Hình 5.3 Quy tắc sóng đẳng trị 81

Hình 5.4 Đặc tính V – A của chống sét van ZnO 83

Hình 5.5 Sóng tác dụng lên điện trở phi tuyến đặt cuối đường dây 83

Hình 5.6 Đồ thị xác định U(t), I(t) của chống sét van từ đặc tính V-A 84

Hình 5.7 Sóng tác dụng lên điện dung đặt cuối đường dây 85

Hình 5.8 Xác định điện áp UC(t) bằng phương pháp tiếp tuyến 86

Hình 5.9 Sơ đồ nguyên lý trạng thái sóng nguy hiểm nhất 88

Hình 5.10 Sơ đồ thay thế rút gọn của trạng thái sóng nguy hiểm 89

Hình 5.11 Nguyên tắc momen lực 89

Hình 5.12 Sơ đồ Petersen tại nút 1 90

Hình 5.13 Sơ đồ Petersen tại nút 2 92

Hình 5.14 Sơ đồ Petersen tại nút 3 93

Hình 5.15 kiểm tra điện áp tác dụng lên cách điện máy biến áp 94

Hình 5.16 kiểm tra an toàn cách điện thanh góp 220 kV 95

Hình 5.17 Dòng điện qua chống sét van 95

PHẦN I

TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀ NỐI ĐẤT TRẠM

BIẾN ÁP 220/110 KV VÀ BẢO VỆ

ĐƯỜNG DÂY 220 KV

1.1 HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT

1.1.1 Khái niệm chung

Dông là hiện tượng thời tiết kèm theo sấm, chớp xảy ra Cơn dông được hình thành khi có khối không khí nóng ẩm chuyển động thẳng Cơn dông có thể kéo dài 30 phút đến 12 giờ, trải rộng từ vài chục đến hàng trăm kilomet

Sét là một hiện tượng phóng điện tia lửa khi khoảng cách giữa các điện cực rất lớn (trung bình khoảng 5km) Quá trình phóng điện của sét giống như quá trình xảy ra trong trường không đồng nhất

Quá trình hình thành sét

Các quá trình khí quyển sẽ tạo nên các đám mây mang điện tích:

Các điện tích âm (-) tập trung thành từng nhóm, các điện tích dương (+) rải đều trong đám mây Quá trình phóng điện từ điện tích (+) sang điện tích (-) tạo nên hiện tượng trung hòa về điện Các điện tích (-) còn lại phát triển về phía mặt đất và hình thành tia tiên đạo (dòng plasma có điện dẫn lớn) Tia tiên đạo càng phát triển về phía mặt đất thì trường đầu dòng càng tăng làm ion hóa mãnh liệt môi trường xung quanh

nó tạo nên thác điện tử chứa nhiều điện tích Càng gần mặt đất số điện tích càng lớn tạo nên dòng phóng điện ngược phát triển về phía đám mây, sẽ hoàn thành một phóng điện sét

Tốc độ dòng sét xuôi từ đám mây đến mặt đất:

1,5.10 2.10 /

x

Tốc độ dòng sét ngược từ mặt đất đến đám mây:

Tia tiên đạo

Địa điểm phụ thuộc điện trở suất của đất

Hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt

Dòng của phóng điện ngược

Hoàn thành phóng điện sét

s max

i I e

s

TT

0, 7



Hình 1.4 Dạng hàm số mũ của sóng sét

1.1.2 Cường độ hoạt động của sét

Số ngày sét trong một năm n ng

Bảng 1.1 Số ngày sét trong một năm

Vùng nhiệt đới 60 ÷ 150 ngày ( Việt Nam)

Số lần phóng điện xuống đất trong một năm:N  m ns ngs   0,1 0,15 n   ngs

1.1.3 Tình hình dông sét ở Việt Nam

Theo đề tài KC–03-07của viện năng lượng, trong một năm số ngày sét ở miền bắc khoảng từ 70 đến 100 ngày và số lần có dông là từ 150-300 lần

Bảng 1.2 Số liệu về sét trong năm 2012 tại các địa phương

Vùng

Ngày dông trung bình (ngày / năm)

Giờ dông trung bình ( giờ / năm)

Mật độ sét trung bình

Tháng dông cực đại

Trên vùng duyên hải trung bộ từ phía bắc đến Quảng Ngãi là khu vực tương đối nhiều dông trong tháng Số ngày có dông xấp xỉ 10 ngày / tháng, tháng có nhiều dông nhất là tháng 5, có thể có từ 12–15 ngày

Miền nam cũng có khá nhiều dông, hàng năm quan sát được từ 40 đến 50 ngày

và đến trên 100 ngày tùy nơi Khu vực nhiều dông sét nhất là đồng bằng nam bộ, số ngày dông sét có thể lên đến 120 – 140 ngày/năm

Qua số liệu khảo sát ta thấy rằng trung bình dông sét trên 3 miền Bắc – Trung – Nam, những vùng lân cận lại có mật độ sét tương đối giống nhau Theo kết quả nghiên cứu người ta đã lập được bản đồ phân vùng dông sét toàn Việt Nam

Từ các số liệu về ngày giờ dông, số lượng đo lường nghiên cứu đã thực hiện các giai đoạn có thể tính toán đưa ra các số liệudự kiến về mật độ phóng điện xuống các khu vực

Bảng 1.3 Mật độ phóng điện xuống các khu vực

Số ngày

dông Đồng bằng ven biển

Miền núi trung du phía bắc

Cao nguyên miền trung

Ven biển trung bộ

Đồng bằng miền nam

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA GIÔNG SÉT

Ở Việt Nam trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước KC–03–07 đã lắp đặt các thiết bị ghi sét và bộ ghi tổng hợp trên các đường dây tải điện trong nhiều năm liên tục, kết quả thu thập tình hình sự cố lưới điện 220 kV ở miền bắc từ năm 1987 đến năm

1992 được ghi trong bảng

Bảng 1.4 Tình hình sự cố lưới điện ở miền bắc

Loại sự cố Dưới 220 kV Đường dây Phả Lại – Hà Đông

Tổng số Vĩnh cữu Tổng số Vĩnh cửu Do sét

Qua những nghiên cứu tình hình dông sét ở Việt Nam và những tác hại của sét

gây nên đối với lưới điện, cho nên việc bảo vệ chống sét cho đường dây và trạm biến

áp là điều không thể thiếu được Vì vậy việc đầu tư nghiên cứu chồng sét là cần thiết

để nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện của nước ta

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO

TRẠMBIẾN ÁP 220 KV

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG

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

Đối với trạm biến áp thì các thiết bị phân phối của trạm thường được đặt ngoài trời, nên khi bị sét đánh trực tiếp có thể sẽ gây ra nhưng hậu quả nặng nề (phóng điện, phá hủy cách điện, gây cắt điện…) nếu không được bảo vệ Sự cố mất điện ở trạm còn ảnh hưởng đến các ngành công nghiệp khác do hậu quả của việc mất điện Do vậy trạm biến áp có yêu cầu bảo vệ cao

Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng cột thu lôi và dây chống sét bởi vì dùng như vậy sẽ đảm bảo về mặt kỹ thuật , kinh tế và mỹ thuật 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 khu vực an toàn bên dưới hệ thống này

Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải đảm bảo về mặt kỹ thuật và quan tâm tới các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý

2.2 CÁC YÊU CẦU KĨ THUẬT ĐỐI VỚI HỆ THỐNG CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG

Yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đánh trực tiếp của trạm biến áp là tất cả các thiết

bị cần bảo vệ phải nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ Đối với trạm cắt 220 kV ta dùng cột thu lôi, còn đối với đường dây ta dùng dây chống sét

Đối với trạm biến áp từ 110 kV trở lên có mức cách điện cao, do đó có thể đặt các thiết bị thu lôi trên các kết cấu của trạm gắn vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vào hệ thống nối đất theo 3 đến 4 thanh nối đất với hệ thống, mặt khác phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số của điện trở nối đất

Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời 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 cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp phải lớn hơn 15m

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

Đối với các dây chống sét ta treo dọc theo chiều dài của đường dây cần bảo vệ

và đặt cao hơn các đường dây được bảo vệ

2.2.1 Các công thức sử dụng để tính toán

Độ cao cột thu lôi

h = hx + ha (2.1) Trong đó:

h: Độ cao cột thu lôi

hx: Độ cao của vật cần được bảo vệ

ha: Độ cao tác dụng của cột thu lôi xác định theo nhóm cột

ha≥ D8(Với D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột)

2.2.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập

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

Biểu diễn trên hình vẽ như sau: (Hình 2-1)

Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

 Chú ý:

Các công thức trên chỉ đúng trong trường hợp cột thu lôi cao dưới 30m Khi cột thu lôi cao quá 30m thì các công thức trên phải nhân với hệ số hiệu chỉnh p

a b

c

h 0.2h

0,8h

R

1,75h 0,75h

Với 5,5

p

h

 và trên các hình vẽ dùng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp

2.2.3 Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột thu lôi

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệ của hai cột đơn Nhưng để hai cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa

2 cột thì phải thỏa mãn điều kiện a < 7h ( h là chiều cao của cột )

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

Khi 2 cột thu lôi có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cánh a (a < 7h) thì độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi h0 được tính như sau:

h0 = h −a

7Tính rox : Nếu hx≤2

Chú ý: nếu độ cao của cột thu lôi vượt quá 30 (m) thì ngoài phần hiệu chỉnh như

trong phần chú ý mục 2.3.2 thì còn phải tính h0 theo công thức:h0 = h − a

7p

Hình 2.2.Phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau

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

Phạm vi bảo vệ vủa hai cột thu lôi có độ cao khác nhau được xác định như sau:

O

a R

h

7 a ho=h- 0,2.h

0,75h 1,5h

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

Trước tiên, vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h1, sau đó qua đỉnh cột thấp h2 vẽ đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao tại điểm 3 Điểm này được xem là đỉnh của cột thu lôi giả định, nó sẽ cùng với cột thấp h2, hình thành đôi cột ở độ cao bằng nhau

và bằng h2 với khoảng cách là a’

Hình 2.3.phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau

Xác định được khoảng cách x và a’ như sau :

- Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa cột 1 và cột giả tường (cột 3)

1

1 2 2

1

1, 6

h1h

1, 6

h1h





c Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét ( số cột > 2)

Phạm vi bảo vệ của ba cột thu lôi

Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu lôi Phạm vi bảo vệ của bốn cột thu lôi

Hình 2.5 Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu lôi

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

hx là chiều cao cần bảo vệ

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

2

.

2

.

c b a p

c p b p a p p

c b a D

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

d.Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

Phạm vi bảo vệ của dây chống sét được thể hiện như hình vẽ (Hình 2-4)

hx 1,2h 0,6h

hx

h

0,2h

Dây chống sét

Hình 2.6.Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

2.4 MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG ĐƯỢC BẢO VỆ

-Trạm biến áp 220 kV có:

-Chiều rộng trạm 85m, chiều dài trạm 162m

-Các xà cao 11m và 17m

-Mặt bằng trạm như hình vẽ:

c o

2.4.1 Phương án 1:

2.4.1.1 Bố trí các cột thu lôi:

Phương án bố trí các cột thu sét được thể hiện trên hình vẽ 2.8 :

Hình 2.8.Bố trí các cột thu lôi của phương án 1

Ta bố trí tổng cộng 35 kim thu sét trong đó về phía 110kV có 9 KTS đặt trên xà 8m, 4 KTS đặt trên xà 11m Về phía 220kV ta đặt 9 KTS trên xà 11m và 13 KTS trên

xà 17m

2.4.1.2 Tính toán cho phương án 1

a) Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét

Để tính được độ cao tác dụng của các cột thu sét ta phải xác định được đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đi qua các chân cột D Độ cao tác dụng thoả mãn điều kiện: ha

8 9

10

14 15

16 17

18 19

22 23

24

35 34

33 32

c o

Với nhóm cột này ta có nửa chu vi 30 41, 210 26 48, 605

Tương tự với các cột còn lại ta có bảng tính độ cao tối thiểu như sau

Bảng 2.1 Độ cao tối thiểu các cột phía 110kV phương án 1:

5-8-12 21,94 37,47 33,055 46,23 37,73 4,716 7-8-13 31,308 34,392 36,001 50,85 39,329 4,916 8-12-13 37,47 34,392 50,243 61,05 50,258 6,282 12-13-15 24,936 43,475 50,243 59,33 50,244 6,280 13-14-15 39,226 43,475 19,134 50,92 43,477 5,435 12-15-16 19,107 24,026 33,755 38,44 34,561 4,320 11-12-16 50,061 39,585 19,107 54,38 54,109 6,764 2-11-18 43,522 43,048 42,51 64,54 49,69 6,211 11-16-17 39,585 49,864 19,071 54,26 53,629 6,704 18-11-17 43,048 19,071 29,466 45,79 51,655 6,457 2-10-18 41,21 42,51 24,875 54,30 43,889 5,486

Độ cao cột thu lôi phía 110kV là: h=hx+hamax=11+6,764=17,764 (m)

*Phía 220 kV

Tương tự với phía 220kV ta có:

Bảng 2.2 Độ cao hiệu dụng của các cột thu lôi phía 220kV phương án 1

18-19-20 20 45,029 33,638 49,33 48,442 6,055 18-17-20 29,465 33,638 31,275 47,19 36,494 4,562 17-20-24 34,254 41,881 31,275 53,71 42,621 5,328

16-23-24 32,064 39,098 52 61,58 52,09 6,511 16-22-23 31,922 39,098 48,75 59,89 48,865 6,108 15-16-22 33,755 39,385 48,75 60,95 49,094 6,137 15-21-22 34,288 39,385 38,516 56,09 43,387 5,423 14-15-21 39,226 29,224 38,516 53,48 41,956 5,245 21-22-26; 20-24-25 34,288 23,455 33,874 45,81 36,302 4,538 22-26-28; 24-25-30 33,568 39,208 33,874 53,33 41,445 5,181 26-27-28 22,456 39,208 32 46,83 39,209 4,901 25-30-31 35,583 38 39,169 56,38 43,497 5,437 30-31-32 35,583 32 15,484 41,53 35,583 4,448

Xét hình chữ nhật (29;30;32;33 ) có: cạnh 30-32: 15,5 m, cạnh 29-30 : 32 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật (29;30;32;33) là:

Xét hình chữ nhật (23-24-30-29) có: cạnh 24-23: 32 m, cạnh 24-30: 33,6 m

Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật (23;24;30;29) là:

Độ cao cột thu lôi phía 220kV là: h=hx+hamax=17+7,001=24,001 (m)

Để dễ dàng trong việc tính toán và thi công ta nâng cột phía 110kV lên độ cao 19m và nâng cột phía 220kV lên độ cao 25m

b) Phạm vi bảo vệ của từng cột:

* Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 25 m

- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m

Do hx=11m <

3

2h=

3

2.25 = 16,667m Nên r11=1,5.ho- 1,875.hx = 1,5.25- 1,875.11= 16,875 (m) -Bán kính bảo vệ ở độ cao 17m

Do hx=17m >

3

2h=

3

2.25=16,667 m Nên r17= 0,75(h0-hx )= 0,75.(25-17)= 6 (m)

* Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 19 m

- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m

Do hx= 11m <

3

2h=

3

2.19 = 12,667 m Nên r11= 1,5.ho- 1,875.hx = 1,5.19- 1,875.11= 7,875 (m)

c) Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên

- Xét cặp cột (1-2):

Khoảng cách giữa hai cột là: a = đoạn (1-2) = 30 m

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

- Tính toán tương tự cho các cặp cột biên còn lại ta có kết quả như bảng sau:

Bảng 2.3 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột h5 và cột giả tưởng có cùng độ cao là:

Phạm vi bảo vệ của cột 25m cho phần có độ cao 19m là: x=4,5m

Khoảng cách từ cột h13 đến cột giả tưởng có cùng độ cao là:

2.4.1.3 Phạm vi bảo vệ của phương án 1

Hình 2.9.Phạm vi bảo vệ của phương án 1 Nhận xét: Ta thấy tất cả các thiết bị trong trạm đều được bảo vệ

+Khoảng cách giữa hai dây: S=9,045m

+Chiều cao cần bảo vệ: hx= 11m

+Giả sử ta thiết kế 2 dây có độ cao bằng nhau để cho toàn bộ diện tích nằm trong hai dây được bảo vệ an toàn thì: S≤ 4ha ha: là độ cao tác dụng của dây

Vậy độ cao tác dụng tối thiểu để đảm bảo phạm vi bảo vệ là 2,261m

→Độ cao tối thiểu của dây thu sét là: h= ha + hx= 2,261+ 11= 13,261m

Tương tự với các cặp cột khác ta có bảng như sau:

3 2

8 9

10

14 15

16 17

18 19

22 23

24

35 34

33 32

Phía Cặp dây Khoảng cách giữa hai dây

(m)

Độ cao cần bảo vệ (m)

Độ cao tác dụng tối thiểu (m)

Độ cao tối thiểu của DCS (m)

Từ bảng trên ta có nhận xét như sau:

-Phía 110kV ta cần phải sử dụng DCS có độ treo cao 17m

-Phía 220kV ta cần sử dụng DCS có độ treo cao 25m

Vậy ta bố trí 6 cột đỡ dây phía 110kV cao 17m và 10 cột đỡ dây phía 220kVcao 25m *Tính phạm vi bảo vệ

- Phạm vi bảo vệ của một dây cao 17m:Ta có: 11 2 217 11, 333

*Phạm vi bảo vệ tại các cột biên:

Bán kính bảo vệ của cột cao h0=17m cho độ cao 11m:

Bán kính bảo vệ của cột cao h0= 25m cho độ cao hx=11m là:

Bán kính bảo vệ của 2 cột có độ cao khác nhau :

-Phạm vi bảo vệ của cột 7 có độ cao 25m cho cột 5 có độ cao 17m là :

Khoảng cách giữa hai cột: a= 19,345m

Khoảng cách từ cột 11 đến cột giả tưởng có cùng độ cao là: ' 19, 345 6 13, 345

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP

3.1 Yêu cầu nối đất cho trạm biến áp

Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện áp trên vật nối đất có trị số bé Hệ thống nối đất là một bộ phận quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp, Tuỳ theo nhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia làm 3 loại

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 làm việc đã được quy định sẵn

Nối đất an toàn

Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện bị hư hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mang điện như 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 nối đất nên điện thế này nhỏ không gây nguy hiểm cho người

Nối đất chống sét

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi có sét đánh vào cột thu lôi hay dây chống sét Hạn chế sự hình thành và lan truyền của sóng quá điện áp do phóng điện sét gây nên Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa hai điểm bất kì trên cột điện và đất

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

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

+ Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mãn: R 0 , 5 

+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì:  

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 1 

+ Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn có như các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chôn trong đất Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia + Vì đất là môi trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suất của 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 khí hậu thay đổi theo từng mùa

độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất của 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 lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích

là tăng cường an toàn

Công thức hiệu chỉnh như sau:

m do

TT  K

  (3.1) Trong đó: tt: điện trở suất tính toán của đất

đo: điện trở suất đo được của đất

Km: hệ số mùa của đất

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

Loại nối đất Dạng cực

Hệ số mùa K ứng Với các trạng thái Đất khô Đất ẩm

An toàn

Làm việc

Thanh ngang chôn sâu 0,5 m 4,5 6,5 Thanh ngang chôn sâu 0,8 m 1,6 3,0 Cọc dài 2-3m chôn sâu 0,8m 1,4 2,0

3.2 Tính toán nối đất

Điện trở suất đo được của đất: d  90 m

Điện trở nối đất cột đường dây ta xét với giá trị:R c 10

Dây chống sét sử dụng loại C- 70,điện trở của 1km đường dây là 2,38/km

Chiều dài khoảng vượt đường dây ta chọn là: l500m phía 220kV và l300m phía 110kV

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

TN NT TN

NT HT

R R

R R R

R

Với RTN: điện trở nối đất tự nhiên

RNT: điện trở nối đất nhân tạo R NT 1

a- Điện trở nối đất tự nhiên

Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đường dây và cột điện 220kV tới trạm

c cs

R R

Rcs: điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt

Rc : điện trở nối đất của cột điện, với Rc= 10()

TN kV TN kV TN

b Điện trở nối đất nhân tạo

Nối đất có các hình thức cọc dài 2-3m bằng sắt tròn hay sắt chôn thẳng đứng Thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu 0,5-0,8m đặt theo hình tia; mạch vòng hoặc tổ hợp của hai hình thức trên

- Đối với nối đất chôn nằm ngang có thể dùng công thức chung sau:

t d

L K l

R

.ln 2

L: chiều dài tổng của điện cực

d: đường kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn Nếu dùng sắt dẹt

thì trị số d thay bằng b2 với b là chiều rộng của sắt dẹt

t: độ chôn sâu

K: hệ số hình dạng phụ thuộc sơ đồ nối đất

- Hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu vi mạch vòng:

C T T

C

C T HT

R n R

R R R

Đối với trạm biến áp này thì ta thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo sử dụng hình thức nối đất mạch vòng xung quanh trạm bằng các thanh dẹt chôn sâu 0.8m Mạch vòng cách móng tường bao quanh trạm mỗi chiều 1m

Mạch vòng bao quanh trạm có thể biến đổi về dạng hình chữ nhật tương đương

có kích thước (l1l2) bằng chu vi và diện tích mạch vòng của trạm

MV

K L R

t: Độ chôn sâu của thanh, t= 0,8m

ρtt: điện trở suất tính toán của đất với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t

mua d

tt  k

Tra bảng với thanh ngang chôn sâu t=0,8m ta có kmùa=1,6

K  được cho ở bảng sau:

Vì R MV 0.579  1 đạt yêu cầu.Nên ta không phải đóng cọc vào hệ thống nối đất

Ta có điện trở nối đất của hệ thống:

0,154.0, 579

0,154 0, 579

3.2.2 Nối đất chống sét

Ở đây phải đề cập đến cả hai quá trình đồng thời xẩy ra khi có dòng điện tản

trong đất:

- Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực

- 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

Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung:

Điện trở tản xung kích không phụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực mà nó

được quy định bởi biên độ dòng điện I, điện trở suất ρ và đặc tính xung kích của đất

Vì trị số điện trở tản xoay chiều nối đất tỷ lệ với ρ nên hệ số xung kích có giá trị

R xk

xk   (3.7) hoặc ở dạng tổng quát: xk  f(I,)

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 3.2 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

Trong đó:

L: điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài

G: điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài

t

I L x U

cos.1

1 2.),(

k

T t

l

x k e

k T t l G

a t x

(3.12) Tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất:

.2.),0(

k

T t

K

e k

t

T t l G

a t

Với:

2 2 2



k

l G L

2

1



l G L

K

T

T K 

Tính toán cho trạm thiết kế:

Đây là trạm 220 kV nên cho phép nối đất chống sét nối chung vào với nối đất an toàn Do đó nối đất chống sét là nối đất phân bố dài dạng mạch vòng gồm hai tia nối song song Chiều dài của mỗi tia là L t 696 348( )

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

0, 2 ln l 0, 31 H

L

m r

) ( ) (

) (

.

toan an MV

toan an MV set MV set

MV

K

R K

Phương trình sóng có dạng sau:

ds S

1

1 21

1),0(

k

T ds

ds

K ds

e k

T l

G Z

.21 2

1)

,0(

k

T ds

MV ds

K ds

e k

T l

G Z





Để xác định được Z∑(0,τds) ta xét chuỗi số sau:

2

2 2

2

6

1

2

1 1

1 1

2 2

2

21

k

T T

T T

k

e e

e e

k

K

ds ds

k

T K

ds

e k

T

e K

2 1

1 1, 319

ds K

T k

e k

ZXK(0,τds): Tổng trở xung kích ở đầu vào nối đất của dòng điện sét

U50%220 kV: Mức phóng điện xung kích nhỏ nhất của trạm 220 kV

Tổng trở nhân tạo của hệ thống được tính theo công thức:

mvsét cocsét NTsét

Trong đó: Rmvset : điện trở nối đất chống sét của một thanh mạch vòng

Rcocset : điện trở nối đất chống sét của một cọc

n : số cọc

ηc : hệ số sử dụng của cọc

ηt : hệ số sử dụng của thanh

Với a là khoảng cách giữa hai cọc, l là chiều dài mỗi cọc ta xét đến tỉ số a

l : a

l =3 → a1=lcoc.3=3.3=9m→ Số cọc: n1=

1

69677,3339

l

a   cọc Tra bảng 4 và 6 sách “Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp cao áp” ta có:

Ta tiến hành kiểm tra điều kiện chống sét của hệ thống nối đất trên :