BTL Thiết kế chống sét cho trạm biến áp_kỹ thuật cao áp 2

Bài tập lớn thiết kế chống sét cho trạm biến áp  Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên do có cách điện cao (khoảng cách các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể đặt cột thu sét trên các kết cấu của trạm. Tuy nhiên 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 nhằm đảm bảo điện trở không quá 4.

CHƯƠNG I: THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

TRẠM BIẾN ÁP 220/110 KV.

1.1 Mở đầu:

Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện đường dây và trạm biến áp là một thể thốngnhất Trong đó trạm biến áp là một phần tử hết sức quan trọng, nó thực hiện nhiệm vụtruyền tải và phân phối điện năng Khi các thiết bị của trạm bị sét đánh trực tiếp sẽ dẫnđến những hậu quả rất nghiêm trọng không những làm hỏng các thiết bị trong trạm màcòn có thể dẫn đến việc ngừng cung cấp điện trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đếnviệc sản suất điện năng và các ngành kinh tế quốc dân khác Do vậy việc tính toán bảo vệchống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp đặt ngoài trời là rất quan trọng Qua đó ta cóthể đưa ra những phương án bảo vệ trạm một cách an toàn và kinh tế nhằm đảm bảo toàn

bộ thiết bị trong trạm được bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

Ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào các thiết bị trong trạm ta cũng phảichú ý đến việc bảo vệ cho các đoạn đường dây gần trạm và đoạn đây dẫn nối từ xà cuốicùng của trạm ra cột đầu tiên của đường dây

1.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh trực tiếp:

 Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải được nằm trọn trong phạm vi an toàn của hệthống bảo vệ Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp mà hệ thống cáccột thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn của công trình như xà, cột đèn chiếusáng hoặc được đặt độc lập

o Khi đặt hệ thống cột thu sét trên bản thân công trình, sẽ tận dụng được độ caovốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của hệ thống thu sét Tuy nhiên điều kiệnđặt hệ thống thu sét trên các công trình mang điện là phải đảm bảo mức cách điện cao vàtrị số điện trở tản của bộ phận nối đất bé

 Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên do có cách điện cao(khoảng cách các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể đặt cột thu sét trên cáckết cấu của trạm Tuy nhiên các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đấtvào 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 nốiđất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất nhằm đảm bảo điện trở không quá 4

 Nơi yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời điện áp 110 kV trở lên là cuộn dâyMBA Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ MBA thì yêu cầu khoảng cách giữa haiđiểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA theo đường điện phảilớn hơn 15m.

o Khi đặt cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình phải có khoảng cách nhấtđịnh, nếu khoảng cách này quá bé thì sẽ có phóng điện trong không khí và đất

 Phần dẫn điện của hệ thống thu sét có phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo thoảmãn điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua

1.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét:

1.3.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét:

1.3.1.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập:

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hìnhchóp tròn xoay có đường kính xác định bởi công thức:



(1.1)Trong đó

Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau được tính toán theo công thức sau

Nếu

23

Nếu

23

x

h  h

thì 1,5 1

x x

c

a

h 0,8h

0,2h

0,75h

1,5h

R

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

Chú ý: Các công thức trên chỉ đúng với cột thu sét cao dưới 30m Hiệu quả của cộtthu sét cao quá 30m có giảm sút do độ cao định hướng của sét giữ hằng số Khi tính toán

phải nhân với hệ số hiệu chỉnh h

5,5

p 

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

1.3.1.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét kết hợp thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo

vệ của 2 cột đơn Để hai cột thu sét có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa 2 cột

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

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

Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cách a a 7h

thì độcao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là h0 được tính như sau:

Sơ đồ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau.

h 0,2h

1,5h

r x R

x

h  h

0, 75 1 x x

Chú ý: Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì ngoài việc hiệu chỉnh như

phần chú ý của mục 1.3.1.1 thì còn phải tính h0 theo công thức: 0 7

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

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

Trước tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h1, sau đó qua đỉnh cột thấp h2 vẽđường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao tại điểm 3 Điểm nàyđược xem là đỉnh của cột thu sét 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’ Phần còn lại giống phạm vi bảo vệcủa cột 1 với a'

h  h

thì

2 1

h  h

thì

2 1 1

2

0,75h2

0,75h1

1,5h 1

Hình 1.3 - Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau

x

1.3.2 Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột (số cột > 2):

Khi công trình cần được bảo vệ chiếm một khu vực rộng lớn nếu chỉ dùng một vàicột thì cột phải rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công và lắp ráp Trong trường hợpnày ta dùng phối hợp nhiều cột với nhau để bảo vệ Phần ngoài của phạm vi bảo vệ sẽđược xác định cho từng đôi cột một ( với yêu cầu khoảng cách là a  7h ) Còn phần bêntrong đa giác sẽ được kiểm tra theo điều kiện an toàn

Một nhóm cột sẽ hình thành 1 đa giác và phạm vi bảo vệ được xác định bởi toàn

bộ miền đa giác và phần giới hạn bao ngoài giống như của từng đôi cột:

r ox

r x

c

b a

 

8 .a 8 x

D h p h h p

(1.11)

1.4 Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ:

Trạm biến áp 220/110 kV ngoài trời (Phủ Lý)

Chiều cao cần bảo vệ phía điện áp 220kV h  x 17,5 và 12 (m)Chiều cao cần bảo vệ phía điện áp 110kV h  x 12 và 8 (m)

Sơ đồ mặt bằng trạm biến áp:

II Đề xuất các phương án bảo vệ chống sét

1 Phương án 1

Phía điện áp 110kV: bố trí 14 cột thu sét với số thứ tự từ 14 đến 27 như hình vẽ.Trong đó các cột 14, 15, 16, 17, 18, 19 nằm trên xà cao 12m, cột 20, 21, 22, 23, 24, 25nằm trên xà cao 8m Riêng cột 26 được đặt độc lập trên xà có độ cao 8m, cột 27 đặt trên

xà cao 8m

Phía điện áp 220kV: bố trí 10 cột thu sét với số thứ tự từ 1 đến 10 như hình vẽ.Trong đó các cột 6, 7, 8 nằm trên xà cao 17,5m Các cột 1, 2, 3, 4, 5 nằm trên xà cao12m Cột 9 và 10 được đặt độc lập, cao 12m, Cột 11, 12, 13 đặt trên xà các MBA AT1

và AT2 cao 12m, vị trí như trên hình vẽ

Tính toán cho phương án 1

Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi

Nửa chu vi tam giác là

49,88 38,95 55,5

72,17( ) 2

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

b, Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp:

Qua tính toán độ cao tác dụng của các cột thu lôi, có thể lấy chung một giá trị độcao tác dụng lớn nhất của cột thu lôi cho toàn trạm là hamax = 7,14 m

Vậy chọn ha = 8 m

c, Tính độ cao của cột thu sét:

Độ cao cột thu lôi dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp được xácđịnh bởi: h = ha + hx

Trong đó: + h: độ cao cột thu lôi

+ hx: độ cao của vật được bảo vệ

+ ha: độ cao tác dụng của cột thu lôi

Đối với phía 220 kV của đề bài các thanh xà cần bảo vệ có độ cao lớn nhất là 17,5m(hx = 17,5 m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là:

- Tổ hợp các đường tròn ngoại tiếp các đa giác phía 220kV- phương án 1

- Tổ hợp các đường tròn ngoại tiếp các đa giác phía 220/110 kV-phương án 1

d, Bán kính bảo vệ của các cột thu sét:

- Bán kính bảo vệ của các cột 25,5 m (phía 220kV)

25,5

x x

e, Phạm vi bảo vệ của các cặp cột thu lôi:

* Xét cặp cột 8, 7:

Độ cao các cột h8 = h7 = 25,5 m

Khoảng cách giữa hai cột là: a = 34 m

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

Tương tự với các cặp cột còn lại ta có bảng tổng kết sau

Hình 2.1 – Sơ đồ mặt bằng và bố trí cột thu lôi trong trạm

- Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi

- Tổ hợp các đường tròn ngoại tiếp các đa giác phía 110kV-phương án 2

- Tổ hợp các đường tròn ngoại tiếp các đa giác phía 220kV-phương án 2

- Tổ hợp các đường tròn ngoại tiếp các đa giác phía 220/110kV-phương án 2

b, Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp:

Qua tính toán độ cao tác dụng của các cột thu lôi, có thể lấy chung một giá trị độcao tác dụng lớn nhất của cột thu lôi cho toàn trạm là hamax = 8,14 m

Vậy chọn ha = 9 m

c, Tính độ cao của cột thu sét:

Độ cao cột thu lôi dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp được xácđịnh bởi: h = ha + hx

Trong đó: + h: độ cao cột thu lôi

+ hx: độ cao của vật được bảo vệ

+ ha: độ cao tác dụng của cột thu lôi

Đối với phía 220 kV của đề bài các thanh xà cần bảo vệ có độ cao lớn nhất là 17,5m (hx = 17,5 m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là:

h = hx + ha =17,5 + 9 = 26,5 m

Phía 110 kV các thanh xà độ cao lớn nhất 12 m do đó độ cao tối thiểu cột thu lôi là:

h = hx + ha =12 + 9 = 21 m

 Bán kính bảo vệ của các cột đơn ở các độ cao:

3 Bảng so sánh giữa hai phương án

- Về mặt kỹ thuật: cả 2 phương án đều đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật

Tổng sốCTL Tổng độcao cần thi

công (m)

Vậy ta chọn phương án 2 để bố trí cột thu sét.

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN VÀ NỐI ĐẤT

CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110 kV.

2.1 Khái niệm chung

Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện thế trên vậtnối đất có trị số bé Trong hệ thống điện có 3 loại nối đất khác nhau:

Nối đất điểm trung tính máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất

Nối đất của máy biến áp đo lường và của kháng điện bù ngang trên đường dây tải điện

2 Nối đất an toàn: Nối đất an toàn có nhiệm vụ bảo đảm an toàn cho người khicách điện của thiết bị điện bị hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi

bộ phận kim loại bình thường không mang điện (vỏ máy,thùng máy biến áp,máy cắt điện,các giá đỡ kim loại ,chân sứ ) khi cách điện bị hư hỏng trên các bộ phần này xuất hiệnđiện thế nhưng do đã được nối đất nên giữ được mức điện thế thấp do đó đảm bảo được

an toàn cho người khi tiếp xúc với chúng

3 Nối đất chống sét: Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét trong đất (khi cósét đánh vào cột thu sét , hoặc trên đường dây ) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thâncột không quá lớn, hạn chế được các phóng điện ngược tới các công trình cần bảo vệ

* Nhìn chung ở các nhà máy điện và trạm biến áp về nguyên tắc là phải tách rờicác hệ thống nối đất nói trên để đề phòng khi có dòng điện ngắn mạch lớn hay dòng điệnsét đi vào hệ thống nối đất làm việc sẽ không gây điện thế cao trên hệ thống nối đất an

toàn Tuy nhiên trong thực tế điều đó khó thực hiện vì nhiều lí do, cho nên ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ 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 trởnối đất phải nhỏ Điện trở nối đất của hệ thống này yêu cầu không được vượt quá 0,5 

Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng của nốiđất tốt hơn an toàn hơn Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏ thì rất tốn kém do

vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹthuật và hợp lý về kinh tế

4 Các số liệu dùng để tính toán nối đất

Theo đề tài điện trở suất đo được của đất:

đ = 77 .m.

Điện trở nối đất cột đường dây: Rc = 12 

Trong thực tế đất là một môi trường phức tạp không đồng nhất về kết cấu cũng như vềthành phần, do đó điện trở suất của đất sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, thành phần ,độ

ẩm, nhiệt độ Do khí hậu các mùa thay đổi nên độ ẩm, nhiệt độ của đất luôn thay đổi

Do đó trong quá trình tính toán nối đất, giá trị điện trở suất của đất cần phải được hiệuchỉnh theo hệ số mùa

Công thức hiệu chỉnh như sau:

tt = đ.Km

Km- Hệ số mùa

(Được xác định theo bảng tương ứng với các dạng nối đất và các loại cọc)

Bảng 2–1: Hệ số K mùa

An toàn và làm việc Thanh ngang, chôn sâu 0,8 m 2

Cọc dài 23 m,chôn sâu 0,8 m 1,4Chống sét Thanh ngang chôn sâu 0,8 m 1,25

Cọc dài 23 m,chôn sâu 0,8 m 1,15

Dây chống sét sử dụng loại C-70 có điện trở đơn vị là: Ro =2,38/km

Chiều dài khoảng vượt đường dây là: Đối với 110kV: l = 195 m

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

Trị số điện trở nối đất càng bé thì tác dụng của nối đất càng cao Nhưng việc giảm trị

số điện trở nối đất sẽ làm tăng giá thành xây dựng vì số lượng kim loại tăng do đó phảiqui định trị số cho phép của điện trở nối đất

Đối với hệ thống nối đất làm việc thì trị số của nó phải thoả mãn các yêu cầu của tìnhtrạng, làm việc theo quy trình thì:

- Đối với các thiết bị điện nối đất trực tiếp, yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mãn:

nhưng không được vượt quá 10

Khi lưới điện không đặt cuộn dập hồ quang thì dòng điện I sẽ là dòng điện điệndung của toàn lưới:

I = 3Uph..C

Uph: điện áp pha

C: điện dung của pha với đất

Nếu trong hệ thống có thiết bị bù thì dòng điện tính toán I là phần dòng điện ngắnmạch chạm đất trong mạng khi đã có bù công suất lớn nhất nhưng chú ý là phần dòngđiện đó không được vượt quá 50A.

Dòng điện tính toán trong hệ thống nối đất mà trong đó có nối thiết bị bù được lấybằng 125% dòng điện định mức của thiết bị bù ấy

Ngoài việc đảm bảo trị số điện trở nối đất đã quy định và giảm nhỏ trị số điện trở nốiđất của trạm và của nhà máy điện còn phải chú ý đến việc cải thiện sự phân bố thế trêntoàn bộ diện tích trạm

Đối với trạm biến áp ta thiết kế bảo vệ có cấp điện áp > 110kV và có các cột thu lôiđộc lập do đó ta sử dụng hình thức nối đất tập trung để có hiệu quả tản dòng điện tốt nhất.Mặt khác do đặt các cột thu lôi trên xà nên phần nối đất chống sét ta nối chung vớimạch vòng nối đất của trạm

Trong đó : RTN- Là điện trở nối đất tự nhiên

RNT- Là điện trở nối đất nhân tạo + Nối đất tự nhiên:

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

Điện trở chống sét cột:

Rcsc =

1

C TN

C CS

R R

n R

R



Trong đó:

RCS -Là điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt

RC -Là điện trở nối đất của cột

n - Là số lượng đường dây đi ra

Tính điện trở tác dụng của dây chống sét RCS

Với đường dây 220kV ta sử dụng dây chống sét loại C-70 có r0 =2,38 / km vàkhoảng vượt của đường dây là lkv =200 m

Ta giả thiết rằng các khoảng vượt có độ dài như nhau

C TN

C CS

R R

n R

Chiều dài l1 = 189 m ; Chiều rộng l2 = 130 m

Ta lấy lùi lại mỗi đầu 1 m để cách xa móng tường trạm

Sơ đồ nối đất mạch vòng thanh dẹt của trạm như hình 2 – 1:

K L R

- ρdo theo đề tài cho ρdo =77m

- Kmùa Đối với thanh ngang chôn sâu 0,8 m chọn Kmùa = 2

=> ρ tt

= 77.2 = 154m + d - Đường kính của thanh làm mạch vòng, với thanh dẹt có bề rộng b = 4 cm

2 .

tt MV

K L R

2.2.2 Nối đất chống sét

2.2.2.1 Tính toán điện trở nối đất xung kích

Khi cường độ điện trường trong đất đạt đến một trị số nào đó thì trong đất phát sinhcác quá trình lý hoá làm cho điện trở suất của đất thay đổi, và nếu cường độ trường đạtđến trị số tới hạn thì trong đất sẽ có hiện tượng phóng điện Kết quả là xung quanh cựchình thành khu vực có hồ quang, có tia lửa điện do đó có thể xem là kích thước cực tănglên và điện trở nối đất sẽ giảm Điều này xảy ra khi dòng điện đi vào hệ thống nối đất lớn

cụ thể là khi có dòng sét đi vào đất

Điện trở nối đất ứng với trường hợp ấy gọi là điện trở nối đất xung kích và quan hệcủa nó với điện trở tần số công nghiệp như sau:

Rxk = .RTrong đó:

R - điện trở nối đất ổn định (tần số công nghiệp)

 - Hệ số xung kích phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại cực nối đất, điệntrở suất, cường độ dòng điện sét, cách bố trí các điện cực…

Việc tính toán điện trở nối đất xung kích sẽ dựa vào điện trở nối đất ổn định