Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp chương 4

Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp, do đó việc nối đất của trạm biến áp, các cột thu lôi, các đ-ờng dây, các thiết bị chống sét phải đợc tính toán cụ t

Ch ơng 4

Tính toán nối đất cho trạm 110/35 kv

4.1- Giới thiệu chung và một số vần đề kỹ thuật khi tính toán nối đất trạm biến áp.

Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện xuống đất để

đảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện

áp, do đó việc nối đất của trạm biến áp, các cột thu lôi, các đ-ờng dây, các thiết bị chống sét phải đợc tính toán cụ thể trong khi thiết kế

Nối đất làm việc

Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm việc bình thờng của thiết bị, hoặc một số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ nối đất trực tiếp Thờng là nối đất điểm trung tính máy biến áp Trong hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất, nối đất của máy biến áp đo lờng và các kháng điện dùng trong bù ngang trên các đờng dây cao áp truyền tải điện

Nối đất chống sét

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất (khi sét

đánh vào cột thu lôi hay đờng dây) để giữ cho điện thế mọi

điểm trên thân cột không quá lớn tránh trờng hợp phóng điện ngợc từ cột thu lôi đến các thiết bị cần đợc bảo vệ

Nối đất an toàn

Có tác dụng đảm bảo an toàn cho con ngời khi cách điện bị

h hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mang điện nh vỏ máy, thùng dầu máy biến

áp, các giá đỡ kim loại để khi cách điện bị h hỏng do lão hoá

thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhỏ không nguy hiểm (nếu không nối đất thì điện thế này sẽ làm nguy hiểm đến con ngời khi chạm vào chúng) Do đó nối đất các bộ phận này là để giữ điện thế thấp và bảo đảm an toàn cho con ngời khi tiếp xúc với chúng.Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhng trong thực tế 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 trở nối đất phải nhỏ

Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng của nối đất tốt hơn an toàn hơn Nhng

để đạt đợc trị số điện trở nối đất nhỏ thì rất tốn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp đợc cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế

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

+ Đối với các thiết bị điện nối đất trực tiếp, yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mãn: R  0,5.(Theo tiêu chuẩn nối đất

an toàn trang 189 giáo trình kỹ thuật điện cao áp)

+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính không trực tiếp nối đất thì:

+ Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một hệ thống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp

và hạ áp thì:

Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 2

+ Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên

đã thoả mãn yêu cầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm

đất bé thì khong cần nối đất nhân tạo nữa 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

Bất kỳ một hệ thống nối đất nào cũng phải có các điện cực chôn trong đất và nối với thiết bị mà ta cần nối đất (điện cực thờng sử dụng là các cọc sắt thẳng đứng hay các thanh dài nằm ngang) các điện cực này đợc chôn trong đất

có mức tản dòng điện sét phụ thuộc vào trạng thái của đất (vì đất là môi trờng không đồng nhất, khá phức tạp, nó phụ thuộc vào thành phần của đất nh các loại muối, a xít chứa trong đất ) Điều kiện khí hậu cũng ảnh hởng đến độ dẫn

điện của đất

ở Việt nam khí hậu thay đổi theo từng mùa độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất cuả 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 l-ờng thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục

đích là tăng cờng an toàn

Công thức hiệu chỉnh nh sau: tt = đ.Km

Trong đó:

tt: là điện trở suất tính toán của đất

đ: điện trở suất đo đợc của đất

Km : hệ số mùa của đất

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

Đối với trạm biến áp ta thiết kế có cấp điện áp 110/35kV và các cột thu lôi độc 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 với mạch vòng nối đất của trạm

4.2- Các số liệu dùng để tính toán nối đất

Điện trở suất đo đợc của đất: đ = 1,3.104 /cm =1,3.102

/m

Điện trở nối đất cột đờng dây: Rc = 20 

Dây chống sét sở dụng loại C- 70 có điện trở đơn vị là: Ro

=2,38/km

Chiều dài khoảng vợt đờng dây là:

Đối với 110kV: l = 150m

Dạng sóng tính toán của dòng điện sét:

Trong đó:

a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/s

I: biên độ dòng điện sét I = 150kA

đs: thời gian đầu sóng lấy bằng 5s =

Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 4

4.3- trình tự tính toán

Trạm điện thiết kế có điện áp là 110/35kV, phía 110kV là mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất nên yêu cầu của nối

đất an toàn là: R  0,5 

Thành phần điện trở nối đất R gồm hai thành phần:

+ Điện trở nối đất tự nhiên (Rtn)

+ Điện trở nối đất nhân tạo (Rnt)

Đối với các thiết bị có điểm trung tính trực tiếp nối đất (có dòng chạm đất lớn) thì yêu cầu điện trở nối đất nhân tạo phải có trị số nhỏ hơn 1

Vậy điều kiện nối đất là:

Từ đó rút ra:

4.3.1- Điện trở nối đất tự nhiên

Rt.n = 1,25  (đã cho trớc)

4.3.2- Điện trở nối đất nhân tạo

(4 – 1 ) (4 – 2 )

Ta sẽ tính toán thiết kế hệ thống nối đất theo điều kiện

điện trở nối đất

nhân tạo là: Rn.t.yc  0,833 

4.3 3 - Tính nối đất nhân tạo của trạm 110kV

Đối với trạm biến áp 110kV khi thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo ta sử dụng hình thức nối đất theo mạch vòng có chôn cọc

Mạch vòng bao quanh trạm có hình chữ nhật ABCD có kích thớc nh sau:

Chiều dài l1 = 57m ; Chiều rộng l2 = 56,55m

Sơ đồ nối đất mạch vòng có chôn cọc của trạm nh hình (4 –

2 ):

Hệ thống nối đất mạch vòng của trạm ta chọn cọc loại thép góc 50x50x5, chiều dài l =2,5m với lý do là để thuận lợi cho việc thi công mà vẫn đảm bảo độ dẫn điện tốt Mạch vòng nối giữa các cọc dùng loại sắt dẹt có kích thớc 50x5

Sơ đồ bố trí mạch vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm nh hình (4 – 3 ):

a: là khoảng cách giữa các cọc theo chu vi mạch vòng

Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 6

B

C

Hình (4 – 2 ): Sơ đồ nối đất mạch vòng có chôn

cọc của trạm.

l1

l

2

l: chiều dài cọc l = 2,5m.

t: độ chôn sâu cọc t =0,8m

Điện trở tản nhân tạo đối với mạch vòng có chôn cọc đợc xác

định theo công thức sau:

Trong đó:

Rc : là điện trở tản nối đất của cọc ()

Rm.v : là điện trở tản nối đất của mạch vòng ()

n : là số cọc sử dụng

m.v và c : tơng ứng là hệ số sử dụng mạch vòng, sử dụng cọc phụ thuộc vào số cọc và tỷ số

Tính điện trở của mạch vòng quanh trạm Rm.v :

Trong đó:

 = đo.Kmùa (thanh) là điện trở suất tính toán của mạch vòng.Tra bảng (2–1)

sách “hớng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có:

t

a

l=2,5 m

Hình (4 – 3 ): Sơ đồ bố trí mạch vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm

L là chu vi mạch vòng: L = 2.(l1 + l2) = 2.(57+56,55) = 227,1m

d là đờng kính thanh nối: d = b/2 = 50/2 = 25 (m.m) = 2,5.10-2 m

t là độ chôn sâu (để đảm bảo cho  ổn định ) : t = 0,8m

k là hệ số phụ thuộc hình dạng của hệ thống nối đất Ta có:

Tra bảng (2 – 5) sách “hớng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA”

đợc k = 5,53

Thay số vào biểu thức (4 – 3) ta có:

Ta nhận thấy điện trở của mạch vòng xung quanh trạm lớn hơn điện trở nhân tạo cho phép để tính toán thiết kế (Rnđ = 0,833 ).Vậy phải dùng thêm số cọc vào hệ thống mạch vòng

để giảm trị số điện trở nối đất của hệ thống Qua kết quả tính toán Rm.v chứng tỏ rằng ta chọn hình thức nối đất an toàn bằng mạch vòng có chôn cọc là hợp lý

Tính điện trở nối đất của một cọc (dùng cọc sắt góc  )

Đối với cọc điện trở tản xoay chiều đợc xác định theo công thức sau:

Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 8

t'

0,8 m l

Hình (4 – 4): Các kích th ớc nối

đất cọc

Trong đó:

Cọc có kích thớc: l = 2,5m

 là điện trở suất của đất đối với cọc:  = đo.Kmùa (cọc)

đo =1,3.102 (.m) Kmùa (cọc) = 1,4

(Tra bảng (2-1) sách “hớng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA”)

  = 1,3.102.1,4 = 1,82.102 (.m)

d là đờng kính cọc (m) đợc tính nh sau:

d = 0,95.b = 0,95.50 10-3 = 4,75 10-2m

t là độ chôn sâu: t = 0,8m Giá trị t/ đợc tính:

Thay số liệu vào (4 – 5 ) ta có:

Vậy điện trở của một cọc là 57,6 

Sau khi tính đợc Rc và Rmv ta tính điện trở nhân tạo theo công thức (4–3)

Trong công thức này ta chỉ mới biết Rc và R mv vậy ta phải tìm số cọc để Rnt đạt giá trị nhỏ nhất và phải đảm bảo nhỏ hơn hoặc bằng giá trị tính toán cho phép Rnt  0,833  mv và

c phụ thuộc số cọc ta sử dụng trong mạch vòng

Ta xét từng trờng hợp theo tỷ số với các thông số là:

L (chu vi mạch vòng) = 227,1m

l (chiều dài cọc) = 2,5m

* Khi (có nghĩa là khoảng cách giữa các cọc a = l

=0,75m

Ta có số cọc chôn theo chu vi mạch vòng là:

cọc

Tra bảng 4 phần phụ lục sách “hớng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có:

c = 0,21

Theo bảng 6 trong phần phụ lục sách “hớng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có:

Điện trở nhân tạo trong trờng hợp này là:

Khi (Có nghĩa là khoảng cách giữa hai cột a = 0,625m)

Ta có số cọc chôn theo chu vi là:

cọc Tra bảng 4 và bảng 6 trong phần phụ lục sách “hớng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” kết hợp với phơng pháp nội suy nh hình (4 – 5) ta có :

c = 0,19 ; thanh = 0,17

Điện trở nhân tạo trong trờng hợp này là:

Từ kết quả tính toán có:

Phơng án này không đảm bảo do giá trị điện trở nối đất lớn hơn giá trị điện trở yêu cầu nên bị loại

Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 10

Phơng án này đảm bảo yêu cầu do giá trị điện trở nối đất nhỏ hơn giá trị điện trở yêu cầu

Vậy ta chọn Rn.t(2) = 0,786  Số cọc là 364 cọc Khoảng cách giữa các cọc là a = 0,625 m

4.4- tính toán nối đất chống sét

Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất, nếu tốc độ biến thiên của dòng điện theo thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu điện cảm sẽ ngăn cản không cho dòng điện đi tới các phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không

đều, sau một thời gian, ảnh hởng của điện cảm mất dần và

điện áp phân bố sẽ đều hơn

Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng

số thời gian

T =L.g.l2 (4 – 6 )

Từ (4–6) ta thấy: T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng L.l và

điện dẫn tổng của điện cực

Từ biểu thức (4–6) ta thấy khi dòng điện tản trong đất là dòng điện một chiều hoặc xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh hởng của L không đáng kể và bất kỳ hình thức nối

đất nào ( thẳng đứng hoặc nằm ngang ) cũng đều biểu thị bởi trị số điện trở tản

Khi dòng điện tản trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất tuỳ thuộc vào tơng quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng của dòng điện Khi T<< đ.s

(khi dòng điện đạt trị số cực đại) thì cần xét quá trình quá

độ đã kết thúc và nối đất thể hiện nh một điện trở tản Tr-ờng hợp này ứng với các hình thức nối đất dùng cọc hoặc thanh

có chiều dài không lớn lắm và goị là nối đất tập trung

Nếu điện cực dài, hằng số thời gian có thể đạt tới mức đ.s

và tại thời điểm dòng điện đạt trị số cực đại, quá trình quá

độ cha kết thúc và nh đã phân tích tác dụng của điện cảm, nối đất sẽ thể hiện nh một tổng trở Z có giá trị rất lớn so với

điện trở tản Trờng hợp này gọi là nối đất phân bố dài

Trong tính toán thiết kế trạm biến áp 110kV, thờng thì phần nối đất nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm Nh vậy sẽ gặp trờng hợp nối đất phân bố dài, tổng trở xung kích Zx.k có thể lớn gấp nhiều lần so với điện trở tản xoay chiều làm tăng điện áp giáng trên bộ phận nối đất và có thể gây phóng điện ngợc đến các phần mang điện của trạm Do

đó ta phải tính toán, kiểm tra theo yêu cầu của nối đất chống sét trong trờng hợp có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất

4.4.1- Dạng sóng tính toán của dòng điện sét

Trong tính toán thiết kế ta chọn sóng tính toán của dòng

điện sét là dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi (xem hình 4-1)

Dạng sóng tính toán của dòng điện sét: + Is = a.t khi t < đs

+ Is = I khi t  đs

Trong đó: + a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/s

+ I: biên độ dòng điện sét I = 150kA

+ đs: thời gian đầu sóng lấy bằng 5s ;

4.4.2- Yêu cầu kiểm tra

Ta kiểm tra theo điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cho cách điện của máy biến áp : I.Z(0, đ.s )  U0,5

Trong đó:

I : là trị số dòng điện sét lấy bằng 150kV

Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 12

Z(0, đ.s ): là tổng trở xung kích nối đất tại thời điểm ngay chỗ dòng điện sét đi vào điện cực

U0,5 : trị số điện áp phóng điện xung kích bé nhất của máy biến áp

U0,5 (MBA) = 460kV

yêu cầu nối đất chống sét

Do việc dùng hệ thống nối đất an toàn làm hệ thống nối

đất chống sét nên ta phải tính toán lại trị số điện trở nối đất nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét

Tra bảng 19- 2 sách kỹ thuật điện cao áp ta chọn hệ số mùa sét là:

Km.v = 1,2 ; Kcoc = 1,15

Dựa vào công thức (4–4) và (4–5) ta thấy Rm.v và Rcoc. sẽ tỷ lệ thuận với kmùa , do  đo không đổi

Vậy điện trở của mạch vòng là:

Điện trở của cọc là:

Điện trở nối đất nhân tạo tính cho nối đất chống sét là:

Trong đó:

Rm.v và Rcọc ta vừa tính đợc

n là số cọc đã tính đợc n = 364 cọc

cọc và m.v đã tính đợc ở phần nối đất nhân tạo ứng với n

= 364 cọc ta có cọc = 0,19 ; m.v = 0,17

Vậy:

Vậy điện trở nối đất nhân tạo tính cho nối đất chống sét là:

sét Z(0;  đ.s)

Để tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét ta xét các

điều kiện sau:

+ Bỏ qua nối đất t nhiên

+ Bỏ qua các thanh nối cân bằng điện áp trong trạm biến

áp

+ Trong tính toán, để đơn giản ta bỏ qua quá trình phóng

điện tia lửa trong đất và giả thiết điện trở suất của đất không đổi

+ Bỏ qua thành phần điện trở, điện dung của điện cực nối

đất vì trở rất nhỏ so với thành phần điện kháng và điện dẫn ứng với tần số dòng điện sét

Ta xem mạch nối vòng đất gồm hai tia dài ghép song song với nhau

Hình (4 – 6): Mạch vòng nối đất gồm hai tia dài ghép song

song

Ta có sơ đồ thay thế:

Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 14

l

=L/2

L 0 L 0 L 0

I s /2

Hình (4–7): Sơ đồ thay thế của mỗi tia.

Với L và g là điện cảm và điện dẫn trên một đơn vị dài

R là điện trở nối đất ổn định của cực nối đất R = 0,647

Với r là bán kính cực nối đất:

Thay số vào ta có:

Vì điện dẫn ghép song song nên ta có:

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

Từ sơ đồ thay thế có thể thành lập đợc hệ phơng trình vi phân:

Giải hệ phơng trình trên ta đợc điện áp tại điểm bất kỳ và thời điểm bất kỳ trên điện cực

Với hằng số thời gian

Ta có nên Từ đó suy ra tổng trở xung kích

ở hai đầu vào nối đất:

Tổng trở xung kích của nối đất ở đầu vào thời điểm t =

đ.s và xét tới hai tia ghép song song là:

Để tính Z(0, đ.s) xét chuỗi:

Vì : e-3 =0,05 ; e-4 =0,018 ; e-5 = 0,0067 ; e-6 = 0,00247 Nên ta chỉ xét đến e-4 Từ e-4 rất bé so với số hạng trớc nên ta

có thể bỏ qua, tức là tính với k sao cho

Hệ số K là nguyên dơng nên ta có:

Với:

đ.s = 5s, ta có:

Nh vậy ta sẽ tính toán với K lớn nhất là 3, tức là K =13

Ta có các kết quả nh bảng (4 – 1 ):

Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 16