Bài tập dài môn quá điện áp trong hệ thống điện EE4109

Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ. Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các yêu cầu cụ thể, hệ thống các cột thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn như xà đỡ dây,xà đỡ thanh góp,hoặc được đặt độc lập.

ĐỀ BÀI

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

VÀ NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP

1 Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

1.1 Các yêu cầu

Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của

hệ thống bảo vệ Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các yêu cầu cụ thể, hệ thống các cột thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn như xà đỡ dây,xà đỡ thanh góp,hoặc được đặt độc lập

Khi đặt hệ thống cột thu sét trên kết cấu của trạm sẽ tận dụng được độ cao vốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của cột thu sét Tuy nhiên đặt hệ thống thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có sét đánh 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 sang các phần tử mang điện khi cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện

để đặt cột thu sét trên hệ thống các thanh xà trạm là mức cách điện cao và điện trở tản của

bộ phận nối đất nhỏ

Đối với trạm ngoài trời từ 110kV trở lên do có cách điện cao nên có thể đặt cột thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối Các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối theo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện

IS khuyếch tán vào đất theo 3 - 4 cọc nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất

Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngài trời điện áp 110kV trở lên là cuộn dây của máy biến áp Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối đất trong hệ thống nối đất của cột thu sét và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m

Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm ngoài trời 110kV trở lên cần chú ý nối đất bổ sung ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu sét vào hệ thống nối đất nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4Uf

Khi dùng cột thu sét độc lập đối với phía 35kV phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu sét đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu sét đến vật được bảo vệ.Việc lắp đặt các cột thu sét làm tăng xác suất sét đánh vào diện tích công trình cần bảo vệ, do đó cần chọn vị trí lắp đặt các cột thu sét một cách hợp lý 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 sét thì các dây dẫn điện đến đèn phải được cho vào ống chì và chèn vào

1.2 Phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét.

Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thu hút 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 một điểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào trên công trình Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vật cần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ

1.2.1.1 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 : h: độ cao cột thu sét

hX: độ cao cần bảo vệ

ha=h-hX: độ cao hiệu dụng cột thu sét

rX: bán kính của phạm vi bảo vệ

Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ dạng dạng đơn giản hoá đường sinh của hình chóp có dạng đường gẫy khúc như hình sau:

Rx

0,2h

a b

c

0,75h 1,5h

0,8h h

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

Bán kính được tính toán theo công thức sau:

Nếu thì (1.2) Nếu thì (1.3) Các công thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dưới 30m Hiệu quả của cột thu sét cao trên 30m giảm đi do độ cao định hướng của sét giữ hằng số Có thể dùng các công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh và trên hoành độ lấy các giá trị 0,75hp và 1,5hp

1.2.1.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau.

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vi bảo vệ các cột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a ≤ 7h (trong đó h là độ cao của cột thu sét) 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 hai cột được xác định theo công thức:

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là rx0 và được xác định như sau:

Nếu thì (1.5) Nếu thì (1.6) Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì có các hiệu chỉnh hệ số trên hoành độ lấy các giá trị 0,75hp và 1,5hp khi đó h0 tính theo công thức:

R

rox

rx

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

1.2.1.3 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) và cột thấp (cột 2) 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 bằng nhau 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:

0,2h1

0,8h1 h1 ho

2

1

3

0,8h2

0,2h2

h2

Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.

Nếu thì (1.8) Nếu thì (1.9) Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ cột 1

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

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

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

D a

b

c

D

a

b

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

1.2.2 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét.

1.2.2.1 Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng Chiều rộng của phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như sau :

0,2h 0,8h h

a b

a' c

1,2h 2bx

Hình1.5 : Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

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

Nếu thì (1.16) Nếu thì (1.17) Khi độ cao cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p

1.2.2.2 Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữa hai dây thu sét phải thoả mãn điều kiện S ≤4h

Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao h0

Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của một dây, còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm là hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao h0

0,2h 0,8h h ho

Hình 1.6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

1.3 Các phương án bảo vệ của hệ thống thu sét

1.3.1 Phương án 1

1.3.1.1 Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét

13

Hình 1.7: Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét

1.3.1.2 Tính toán cho phương án 1

a Tính độ cao tác dụng của cột thu sét

Để tính được độ cao tác dụng ha của các cột thu sét ta cần xác định đường kính D của đường tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác) qua ba (hoặc bốn) đỉnh cột Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hoặc bốn) đó được bảo vệ thì phải thoả mãn điều kiện :

Ta xét nhóm cột hình chữ nhật:

Ta xét nhóm cột hình tam giác:

Từ bảng trên ta thấy hamax = 7,567 m Ta chọn ha = 8,7 m ở phía cao áp và ha = 8,2 m ở phía hạ áp, hx là độ cao xà đón dây

Do đó độ cao thực tế cột thu sét phía 110kV là:

h = hx + ha = 11,3 + 8,7 = 20 m

Do đó dộ cao thực tế cột thu sét phía 35kV là:

h = hx + ha = 8,8 + 8,2 = 17 m

b Phạm vi bảo vệ của từng cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của cột 1:

Do:

Vậy:

Tương tự ta có bảng sau:

c Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên

• Xét cặp cột (1-2),(2-3) có độ cao bằng nhau với khoảng cách a = 23,2 m

Độ cao h0 mà các cặp cột bảo vệ được :

Do:



• Xét cặp cột 7-10 với khoảng cách a = 49 m có độ cao khác nhau

h7 = 20 m và h10 = 17 m Do:

Page

Ta xét cột giả tưởng cách cột 7 một khoảng :

Do:



• Các cặp cột khác ta xét tương tự:

Ta có bảng sau:

Nhóm cột có độ cao bằng nhau

110kV

(1-2),(2-3),(4-7),(6-9) 20 23,2 8,6 16,7 11,1 8,9

20 23,2 11,3 16,7 11,1 4,0

20 28,6 11,3 15,9 10,6 3,5 35kV

(15-16),(16-17),(18-19),(13-14) 17 28,8 6,8 12,9 8,6 6,6

Nhóm cột có độ cao khác nhau

1.3.1.3 Phạm vi bảo vệ của phương án 1

13

Hình 1.8 Phạm vi bảo vệ phương án 1

Vậy phương án 1 thỏa mãn yêu cầu đặt ra

Tổng số cột là 19 cột trong đó có 9 cột cao 19,3 m và 10 cột cao 16,8 m

Page

1.3.2 Phương án 2

1.3.2.1 Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét

11

13 10

15

Hình 1.9: Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét

1.3.2.2 Tính toán cho phương án 2

a Tính độ cao tác dụng của cột thu sét

Để tính được độ cao tác dụng ha của các cột thu sét ta cần xác định đường kính D của đường tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác) qua ba (hoặc bốn) đỉnh cột Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hoặc bốn) đó được bảo vệ thì phải thoả mãn điều kiện :

Ta xét nhóm cột hình chữ nhật:

4-5-8-7 23,2 23,2 32,810 4,101

Ta xét nhóm cột hình tam giác:

Từ bảng trên ta thấy hamax = 7,567 m Ta chọn ha = 8 m , hx là độ cao xà đón dây

Do đó độ cao thực tế cột thu sét phía 110kV là:

h = hx + ha = 11,3 + 8 = 19,3 m

Do đó dộ cao thực tế cột thu sét phía 35kV là:

h = hx + ha = 8,8 + 8 = 16,8 m

b Phạm vi bảo vệ của từng cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của cột 1:

Do:

Page

Vậy:

Tương tự ta có bảng sau:

c Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên

• Xét cặp cột (1-2),(2-3) có độ cao bằng nhau với khoảng cách a = 23,2 m

Độ cao h0 mà các cặp cột bảo vệ được :

Do:



• Xét cặp cột 7-10 với khoảng cách a = 49 m có độ cao khác nhau

h7 = 19,3 m và h10 = 16,8 m

Do:

Ta xét cột giả tưởng cách cột 7 một khoảng :

Do:



• Các cặp cột khác ta xét tương tự:

Ta có bảng sau:

Nhóm cột có độ cao bằng nhau

(1-2),(2-3),(4-7),(6-9) 19.3 23.2 8.6 16.0 10.7 5.5

19.3 23.2 11.3 16.0 10.7 3.5

19.3 28.6 11.3 15.2 10.1 2.9 35kV

(10-15),(14-19) 16.8 46.8 6.8 10.1 6.7 2.5

16.8 46.8 8.8 10.1 6.7 1.0 (15-16),(16-17),(18-19),(13-14) 16.8 28.8 6.8 12.7 8.5 4.4

16.8 28.8 8.8 12.7 8.5 2.9 (12-13),(17-18) 16.8 38.4 6.8 11.3 7.5 3.4

16.8 38.4 8.8 11.3 7.5 1.9

Nhóm cột có độ cao khác nhau

Page

1.3.2.3 Phạm vi bảo vệ của phương án 2

13

Hình 1.10 Phạm vi bảo vệ phương án 2

Vậy phương án 2 thỏa mãn yêu cầu đặt ra

Tổng số cột là 19 cột trong đó có 9 cột cao 19,3 m và 10 cột cao 16,8 m

TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN TỪ ĐƯỜNG DÂY PHÍA ĐIỆN CAO ÁP VÀO TRẠM BIẾN ÁP

MBA

C SV

TG 0

1

2

3

Hình 2.1 Sơ đồ thay thế của quá trình truyền sóng

Với các thông số đã biết trước:

Biên độ sóng tới là: U = 640 kV

Thời gian đầu sóng: τđs = 2,8 s

Khoảng cách giữa thanh góp với chống sét van là: l1 = 45 m

Khoảng cách giữa thanh góp với máy biến áp là: l2= 66 m

Đặc tính của chống sét van là: U = 258.I0,03 kV

Sóng tới có dạng xiên góc cho bởi:

Giả thuyết tại thời điểm t = 0, sóng vừa đến điểm 1

Thời gian để sóng đi từ điểm 1 đến 2 là:

Page