Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi có dòng điện sét đi qua thì điện
Trang 1ơng 3
bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
trạm biến áp 110/35 kV.
3.1-Khái niệm chung
Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện
Đối với trạm biến áp 110/35kV thì các thiết bị điện của trạm đợc đặt ngoài trời nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề không những chỉ làm hỏng đến các thiết bị trong trạm mà còn gây nên những hậu quả cho những ngành công nghiệp khác do bị ngừng cung cấp điện Do vậy trạm biến áp thờng có yêu cầu bảo vệ khá cao
Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp ngời ta dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng cuả hệ thống này là tập trung điện tích để
định hớng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên
d-ới hệ thống này
Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào
hệ nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của
bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi có dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn
để gây phóng điện ngợc đến các thiết bị khác gần đó
Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo về yêu cầu về
kỹ thuật, mỹ thuật
3.2- Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp
Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải đợc nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ Hệ thống bảo vệ trạm 110/35kV ở đây ta dùng hệ thống cột thu lôi, hệ thống này có thể đợc đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt độc lập tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể
Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng đợc độ cao của phạm vi bảo vệ và sẽ giảm đợc độ cao của cột thu lôi Nhng mức cách điện của trạm phải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngợc từ hệ thống thu sét sang thiết bị Vì đặt kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ng ợc
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 1
Trang 2từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ
Đối với trạm phân phối có điện áp từ 110kV 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 các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đờng ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vào đất theo 3 đến 4 cọc nối đất, mặt khác mỗi trụ phải có nối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất
Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời điện áp từ 110kV 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 đờng điện
Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua
Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn
điện phải đợc cho vào ống chì và chôn trong đất
3.3- Tính toán thiết kế, các ph ơng án bố trí cột thu lôi
Với yêu cầu thiết kế hệ thống chống sét cho trạm 110kV và dựa vào độ cao của các thiết bị ta có thể bố trí đợc các cột thu lôi và tính đợc độ cao của chúng
3.3.1- Các công thức sử dụng để tính toán
- Độ cao cột thu lôi:
h =hx + ha (3 – 1)
Trong đó: + hx : độ cao của vật đợc bảo vệ
+ ha : độ cao tác dụng của cột thu lôi, đợc xác định theo từng nhóm cột (ha D/8 m)
(với D là đờng kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột)
- Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là:
)2 3(
) h h(
h
h
1
6,
x
h 8 , 0
h 1 (
h 5 , 1
rx x (3 –3)
h
h 1 (
h 75 , 0
rx x (3-4)
Trang 3Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn từng cột đơn cộng lại Nhng để các cột thu lôi có thể phối hợp đợc thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a 7h ( trong đó h là độ cao của cột thu lôi )
Khi có hai cột thu lôi đặt gần nhau thì phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho và đợc xác định theo công thức:
) (
a
h
Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đờng nối hai chân cột
là rxo và đợc xác định nh sau:
) ( h
h
,
r
o
x
1
61
Hình (3 – 1 ): Tr ờng hợp hai cột thu lôi có chiều cao bằng nhau
rx
0,2h
h
1,5h
0,75h
rxo
rx
ho=h-a/7
R
hx 0
a
- Trờng hợp hai cột thu lôi có độ cao khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo
vệ đợc xác định nh sau:
- Khi có hai cột thu lôi A và B có độ cao h1 và h2 nh hình vẽ dới đây:
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 3
Trang 4(Hình 3 – 2 ): Tr ờng hợp hai cột thu lôi có chiều cao khác
nhau
a'
2
h2
1
h1
3 R
a
- Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi C có độ cao h2 , khi đó các khoảng cách AB = a; BC = a' Khi đó xác định đợc các khoảng cách x và a' nh sau:
) ( )
h h (
h h
, -a x -a a'
) h h (
h h
, x
7 3 1
6 1
6
2 1 1 2
2 1 1 2
Đối với trờng hợp khi có hai cột thu lôi cao bằng nhau ta có phạm vi bảo vệ ở
độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho :
7
a h
ho
Tơng tự ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột B và C là:
) h h (
h h
, a h 7
a' h
1 2 2
2
1
6 1
) h h (
h h
,
1
2
1
6 1
3.3.2- Các số liệu dùng để tính toán thiết kế cột thu lôi bảo vệ trạm biến áp 110/35kV
- Trạm có diện tích là: 57 x 58,350m và bao gồm:
+ Hai máy biến áp T1 và T2
+ 2 lộ 110kV và 6 lộ 35kV
Trang 5- Độ cao các thanh xà phía 110kV là 10m và 8m.
- Độ cao các thanh xà phía 35kV là 9m và 7m
- Ngoài ra trạm còn có 3 cột chiếu sáng cao 21m
3.3.3- Trình tự tính toán
Trạm biến áp E35 Phủ Lý đợc hai đờng 110kV cấp, một đờng từ Hà Đông cấp về, một đờng từ Ninh Bình cấp lên, hai đờng 110kV này đợc nối với nhau qua máy cắt liên lạc giữa hai hệ thống thanh góp
Trạm có cấp điện áp 110/35kV và có hai máy biến áp T1 ; T2 đợc nối với hai
lộ đờng dây vào 110kV và sáu lộ đờng dây 35kV
Phía 110kV có hai hệ thống thanh góp và có máy cắt liên lạc
Sau khi khảo sát sơ bộ sơ đồ mặt bằng trạm, vị trí bố trí các thiết bị trong trạm và yêu cầu bảo vệ của mỗi thiết bị, ta đa ra hai phơng án đặt cột thu lôi nh sau:
3.3.3.1- Ph ơng án 1
- Các cột thu lôi phía trạm 110kV đợc bố trí độc lập là cột số 5 có độ cao là 21m; các cột số 1 đến số 4 đợc bố trí trên các thanh xà có độ cao 10m và các cột này có độ cao là 21m ( tính từ xà đến kim thu sét là 6m, kim thu sét cao 5m)
- Các cột thu lôi phía 35kV đợc bố trí trên các thanh xà có độ cao 9m, cột cao thêm 7m, kim thu sét cao 5m là các cột số 6;7;8;9 Ngoài ra còn hai cột thu lôi
độc lập cao 21m là cột số 10 và 11 Hình ( 3 – 3 )
5
1 0 2
Tính độ cao tác dụng của cột thu lôi:
Để bảo vệ đợc một diện tích giới hạn bởi một tam giác (hoặc tứ giác) thì độ cao của cột thu lôi phải thoả mãn: D 8ha
Trong đó:
- D: Là đờng kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác ( hoặc tứ giác), tạo bởi các chân cột đó là phạm vi mà nhóm cột có thể bảo vệ đợc
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 5
Hình (3–3): Đờng tròn ngoại tiếp tam giác đi qua 3 chân cột thu lôi
Trang 6- ha : Là độ cao tác dụng của cột thu lôi.
Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo vệ của cột đơn cộng lại Điều kiện để cho hai cột thu lôi có thể phối hợp đợc với nhau để bảo vệ đợc vật có độ cao hx nào đó là: a 7h
Với a là khoảng cách giữa hai cột thu lôi
- Xét nhóm cột 1;2;5
Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đờng tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột 1;2;5 (1 2 = 26m; từ điểm giữa 12 với 5 = 8,5m ) Và đờng kính vòng tròn là:
Xét tam giác (1;2;5) , ta có: (1;2)=26 m ; (0;5)=8,5 m, suy ra :
m 53 , 15 5 , 8 13 )
2
; 0 ( ) 5
; 0 ( )
5
;
2
Ta có công thức để tính đờng kính đờng tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5):
) ( )
c p ).(
b p ).(
a p (
p
.
c b a
Trong đó: + p là nửa chu vi tam giác (1;2;5):
2
c b a
p
+ r là bán kính đờng tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5)
Thay số vào (3 –8 ) ta có:
Bán kính đờng tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5) là:
53 28 2
53 15 53 15 26
, ,
,
p
) , ,
).(
, ,
).(
, (
,
, ,
53 15 53 28 53 15 53 28 26 53 28 53 28 4
53 15 53 15 26
Đờng kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5) là: D =14,2 2 = 28,4m
Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 1;2;5 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là:
m , , D
ha 3 55
8
4 28
8
- Xét nhóm cột (3;4;5) ta có:
Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đờng tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột 3;4;5 (3 4 = 17m; khoảng cách từ 5 đến (34)= 20,35m )
Đoạn (45): 42 20 , 52 20 , 9 m
Đoạn (35): 132 20,52 24,27.m
31 2
27 24 9 20 17
p
m , ) , ).(
, ).(
.(
.
, ,
27 24 31 9 20 31 17 31 31 4
27 24 9 20 17
Đờng kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (3;4;5) là: D =12,55 2 = 25,1m
Trang 7Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 3;4;5 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là:
m , , D
ha 3 14
8
1 25
8
- Xét nhóm cột (6;7;11) ta có:
Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đờng tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột 6;7;11 Có: (6 7) = 15m; (611) = 15m ); (711) = 15.1,41 = 21,2m
6 25 2
2 21 15 15
,
,
p
m , ) , ,
).(
, ).(
, (
,
,
2 21 6 25 15 6 25 15 6 25 6 25 4
2 21 15 15
Đờng kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (6;7;11) là: D = 10,6 2 =21,2m
Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 6;7;11 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là:
m , , D
ha 2 65
8
2 21
8
Vì tam giác (8;9;10)bằng tam giác (6;7;11) nên ta có độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 8;9;10 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là:
m , , D
ha 2 65
8
2 21
8
Các cột 2;5;3 Có: (2 5) = 19m; (35) = 24m ); (23) = 28,85m
9 35 2
85 28 24 19
, ,
p
m , ) , ,
).(
, ).(
, (
,
,
85 28 9 35 24 9 35 19 9 35 9 35 4
85 28 24 19
Đờng kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (6;7;11) là: D = 14,75 2 =29m
Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 2;5;3 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là:
m , D
ha 3 6
8
29
8
Qua tính toán độ cao tác dụng của các cột thu lôi, có thể lấy chung một giá trị độ cao tác dụng tối thiểu của cột thu lôi toàn trạm là chiều cao tác dụng của nhóm cột nào có giá trị lớn nhất Do vậy ta lấy: ha = 3,6m
Tính độ cao cột thu lôi – chọn kim thu sét:
Độ cao cột thu lôi dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp
đợc xác định bởi:
Trong đó: + h: độ cao cột thu lôi
+ hx: độ cao của vật đợc bảo vệ
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 7
Trang 8+ ha: độ cao tác dụng của cột thu lôi.
Đối với phía 110kV các thanh xà cao 10m (hx = 10m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là: h = hx + ha =10 + 3,6 = 13,6m
Vì chủng loại chung của cột ly tâm cốt sắt có độ cao 12m ;16 m, mặt khác do
có các cột chiếu sáng có độ cao là 21m, nên ta chọn loại cột 16m Kim thu sét ta chọn loại sắt ống có chiều cao là 5m Do đó độ cao cột thu lôi là:
h = 16 + 5 = 21m
Vậy độ cao bảo vệ phía 110kV là: 21m
Đối với phía 35kV các thanh xà cao 9m (hx = 9m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là: h = hx + ha =9 + 3,55 = 12,6m
Ta cũng chọn độ cao bảo vệ phía 35kV là: 21m
Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi:
* Bán kính bảo vệ của cột thu lôi cao 21m:
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 10m: hx =10 m < 2/3 h = 14 m Nên:
m ,
,
, h ,
h h
,
21 8 0
10 1
21 5 1 8
0 1 5
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 9m:
m ,
,
, h ,
h h
,
21 8 0
9 1 21 5 1 8
0 1 5
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m:
m ,
,
, h ,
h h
,
21 8 0
8 1 21 5 1 8
0 1 5
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 7m:
m ,
,
, h ,
h h
,
21 8 0
7 1 21 5 1 8
0 1 5
* Phạm vi bảo vệ của các cặp cột thu lôi:
- Xét cặp cột 1;2 Khoảng cách giữa hai cột là: a = 26m
Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là:
m ,
a h
7
26 21
7
Bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là:
ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,5m Nên :
m , ,
, , , h
,
h h
, r
o
x o
3 17 8 0
10 1
3 17 5 1 8
0 1 5
ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3h = 11,5m
Trang 9m , ,
, , , h
,
h
h , r
o
x o
3 17 8 0
8 1
3 17 5 1 8
0 1 5
- Xét cặp cột 1;5: khoảng cách giữa hai cột là :
m , ,
,
;
2
2
Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là:
m , , a
h
7
53 15 21
7
Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là:
ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 12,52m
m , ,
, , , h
,
h
h , r
o
x o
78 18 8 0
10 1
78 18 5 1 8
0 1 5
ở độ cao 8m: hx = 8 < 2/3ho = 12,52m
m , ,
, , , h
,
h
h , r
o
x o
78 18 8 0
8 1
78 18 5 1 8
0 1 5
Tơng tự nh cặp cột 1;5, cặp cột 2;5 có:
ở độ cao 10m: rxo = 9,42m ; ở độ cao 8m : rxo =13,17m
- Xét cặp cột 3;4: khoảng cách giữa hai cột là: a =17m
Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là:
m ,
a h
7
17 21
7
ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 12,38m
m , ,
, , , h
,
h
h , r
o
x o
57 18 8 0
8 1
57 18 5 1 8
0 1 5
ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3ho = 12,38m
m , ,
, , , h
,
h
h , r
o
x o
57 18 8 0
8 1
57 18 5 1 8
0 1 5
- Xét cặp cột 3;5: khoảng cách giữa hai cột là:
m , ,
a 132 20 52 24 27
Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là:
m , ,
a h
7
27 24 21
7
ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,688m
m , ,
, , , h
,
h
h , r
o
x o
53 17 8 0
10 1
53 17 5 1 8
0 1 5
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 9
Trang 10ở độ cao 8m: hx = 8m <2/3 ho = 11 688m.
m , ,
, , , h
,
h
h , r
o
x o
53 17 8 0
8 1
53 17 5 1 8
0 1 5
- Xét cặp cột 4;5: khoảng cách giữa hai cột là:
m , ,
a 42 20 52 20 88
Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là:
m ,
a h
7
88 20 21
7
ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,688m
m ,
, , h
,
h
h , r
o
x o
18 8 0
10 1 18 5 1 8
0 1 5
ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3ho = 11,688m
m
, , h
,
h
h , r
o
x o
18 8 0
8 1 18 5 1 8
0 1 5
- Xét cặp cột 2;3: khoảng cách giữa hai cột là: a =28,85m
Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là:
m , ,
a h
7
85 28 21
7
ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,25m
m , ,
, , , h
,
h
h , r
o
x o
878 16 8 0
10 1
878 16 5 1 8
0 1 5
ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3ho = 11,25m
m , ,
, , , h
,
h
h , r
o
x o
878 16 8 0
8 1
878 16 5 1 8
0 1 5
- Xét cặp cột 6;7: khoảng cách giữa hai cột là: a = 15m
Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là:
m ,
a h
7
12 21
7
ở độ cao 9m: hx = 9m < 2/3ho = 12,85m
, , , , h
,
h h
, r
o
x o
28 19 8 0
9 1
28 19 5 1 8
0 1 5
ở độ cao 7m: hx = 7m < 2/3ho = 12,85m
m , ,
,
, , h
,
h
h , r
o
x o
28 19 8 0
7 1
28 19 5 1 8
0 1 5
- Xét cặp cột 6;11: khoảng cách giữa hai cột là: a = 15m
