TÍNH TOÁN THIẾT kế bảo vệ CHỐNG sét CHO TRẠM BIẾN áp và ĐƯỜNG dây 220 110 KV VĨNH TƯỜNG

Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điệnvà các thiết bị khác như thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ… được nối liền vớinhau thành hệ thống làm

Là một sinh viên đang học tập và rèn luyện tại trường đại học Mỏ - Địa Chất HàNội, em cảm thấy đó là một niềm tự hào và động lực to lớn cho sự phát triển của bảnthân trong tương lai Sau năm năm đại học dưới sự chỉ bảo, quan tâm của các thầy côcùng với sự nỗ lực của bản thân em đã thu được những bài học bổ ích, được tiếp cậncác kiến thức khoa học kỹ thuật tiên tiến phục vụ cho lĩnh vực chuyên môn mình theođuổi Có thể nói, những đồ án môn học hay bài tập lớn mà một sinh viên thực hiệnchính là một cách để chúng em vận dụng kiến thức đã được học đồng thời giúp chúng

em tiếp cận với thực tế công việc sau này

Chính vì vậy em đã dành thời gian và công sức để hoàn thành đề tài tốt nghiệp

“TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 220/110 KV VĨNH TƯỜNG” này như một mốc quan trọng để tổng kết kiến thức

đã có được trong suốt quá trình học tập tại trường đại học Mỏ - Địa Chất

Trong thời gian học tập cũng như thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp em luônnhận được sự chỉ dẫn, động viên tận tình của các thầy cô, gia đình và các bạn, đặc biệt

là sự hướng dẫn của PGS TS Đỗ Như Ý đã giúp em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệpnày

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn PGS TS Đỗ Như Ý và các thầy, các côtrong khoa kỹ thuật điện trường đại học Mỏ - Địa Chất

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2020

Sinh viên

Vũ Hữu Tùng

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2020

Giảng viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên)

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2020

Giảng viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU viii

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220/110 KV VĨNH TƯỜNG 5

1.1 Vị trí địa lý, địa chất và khí hậu huyện Vĩnh Tường 5

1.1.1 Vị trí địa lý và địa hình 5

1.1.2 Khí hậu và tài nguyên 6

1.2 Giới thiệu chung về nhiệm vụ của trạm 7

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM BIẾN ÁP 8

2.1 Khái niệm chung 8

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật 8

2.3 Các công thức sử dụng để tính toán 9

2.3.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét 9

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét 9

2.3.3 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét 10

2.3.4 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 12

2.4 Mô tả trạm phân phối 220/110 kV cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 12

2.5 Các phương án thiết kế hệ thống chống sét cho trạm 13

2.5.1 Phương án 1 13

2.5.2 Phương án 2 18

2.5.3 Phương án 3 21

2.6 Kết luận 26

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 27

3.1 Yêu cầu kỹ thuật khi nối đất trạm biến áp 27

3.2 Nối đất an toàn cho trạm 27

3.2.1 Lý thuyết nối đất an toàn 27

3.2.2 Tính toán nối đất an toàn 30

3.3 Kết luận 44

CHƯƠNG 4: BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 45

4.1 Mở đầu 45

4.2 Lý thuyết tính toán 45

4.3 Các thông số cơ bản 46

4.3.1 Thông số đường dây cần bảo vệ 46

4.3.2 Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây .47 4.4 Tính toán suất cắt cho đường dây 51

4.4.1 Tính số lần sét đánh vào đường dây 51

4.4.2 Suất cắt của đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn .52

4.4.3 Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét 53

4.4.4 Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 58

4.5 Kết luận 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 76

Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện

và các thiết bị khác (như thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) được nối liền vớinhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng Điệnnăng truyền tải đến hộ tiêu thụ phải thỏa mãn các tiêu chuẩn chất lượng phục vụ (baogồm chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện) và có chi phí sản xuất, truyềntải và phân phối nhỏ nhất

Điện năng được sản xuất từ thủy năng và các loại nguyên liệu sơ cấp như: than

đá, dầu, khí đốt, nguyên liệu hạt nhân… trong các nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điệnnguyên tử sau đó được truyền tải nhờ hệ thống lưới điện đến các phụ tải

Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ ngày càng cao, điện năng ngày càngđóng vai trò quan trọng trong tất cả các ngành kinh tế, sự phát triển của nhu cầu tiêuthụ điện năng đánh giá sự phát triển của xã hội và nâng cao đời sống của một khu vực,một quốc gia Do đó, hệ thống điện cũng ngày càng phát triển cả về quy mô lẫn côngnghệ Ngày nay đã hình thành nhiều hệ thống điện lớn trong phạm vi quốc gia hoặcliên quốc gia, xuất hiện nhiều đường dây truyền tải điện cao áp và siêu cao áp làmnhiệm vụ liên lạc và truyền tải công suất Trong những năm qua, cùng với sự phát triển

về kinh tế, nhu cầu điện năng của Việt Nam là rất lớn, xuất hiện nhiều đường dâytruyền tải 220 kV, 500 kV Các đường dây cao áp và siêu cao áp đóng vai trò rất quantrọng, nó có khả năng truyền tải công suất lớn và có thể tải điện năng đi rất xa Côngsuất và độ dài tải điện năng càng lớn thì điện áp sử dụng càng cao, giá thành tải điện sẽthấp hơn Với những đặc tính trên nhưng điện cao áp và siêu cao áp cũng gây ra nhiềuảnh hưởng và khó khăn cho thi công lắp đặt, tổn thất công suất, điện năng lớn, gây ảnhhưởng rất lớn đối với con người, chi phí lắp đặt và vận hành lớn… Trong đó vấn đềđiều chỉnh điện áp trên đường dây siêu cao áp rất quan trọng, mức điện áp trong hệthống điện ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong hệ thốngđiện

Điện áp quá thấp làm giảm ổn định tĩnh của hệ thống tải điện, giảm khả năng ổnđịnh động và ổn định tổng quát nếu thấp quá có thể gây mất ổn định phụ tải Điện ápquá cao gây nguy hiểm cho người và thiết bị, ví dụ điện áp trên đường dây dài trongchế độ không tải điện áp tăng rất cao gây nguy hiểm cho thiết bị và làm quá tải máyphát điện, đặc biệt trong trường hợp quá điện áp khí quyển vì song điện áp do sét gây

ra rất lớn nếu truyền vào lưới điện có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị điện, trạmbiến áp… Vì thế, cần phải nghiên cứu chế độ không tải trên đường dây siêu cao áp vàquá điện áp khí quyển để điều chỉnh điện áp liên tục trong quá trình vận hành, bảo vệchống sét cho các trạm biến áp nhằm nâng cao khả năng cung cấp điện liên tục với

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220/110 KV

VĨNH TƯỜNG 1.1 Vị trí địa lý, địa chất và khí hậu huyện Vĩnh Tường

1.1.1 Vị trí địa lý và địa hình

1 Vị trí địa lý

Vĩnh Tường là huyện nằm ở đỉnh tam giác đồng bằng Bắc Bộ, nằm bên tả ngạnsông Hồng ở về phía Tây Nam của tỉnh Vĩnh Phúc Bắc giáp huyện Lập Thạch và TamDương; Tây Bắc giáp thành phố Việt Trì, tỉnh Phú Thọ, tây giáp huyện Ba Vì, thị xãSơn Tây (thành phố Hà Nội); đông giáp huyện Yên Lạc

Vị trí địa lý của Vĩnh Tường nhìn chung rất thuận lợi cho phát triển kinh tế VĩnhTường tiếp giáp với thành phố công nghiệp Việt Trì, thị xã Sơn Tây, cận kề với thànhphố tỉnh lị Vĩnh Yên…Huyện có 9 tìm đường Quốc lộ 2A và 14 km đường Quốc lộ 2Cchạy qua; đồng thời có hai ga hàng hoá đường sắt tuyến Hà Nội - Lào Cai (Bạch Hạc

và Hướng Lại); về đường sông có hai cảng trên sông Hồng tại xã Vĩnh Thịnh và xãCao Đại, có hai khu công nghiệp Chấn Hưng, Đồng Sóc và cụm KT-XH Tân Tiếnđang được triển khai; có Đầm Rưng rộng khoảng 80 ha là trung tâm du lịch đầy tiềmnăng trong tương lai…Những yếu tố đó mang lại cho Vĩnh Tường một vị trí khá quantrọng trong chiến lược phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh, là điều kiện thuận lợi đểnhân dân Vĩnh Tường tiếp cận, giao lưu, trao đổi hàng hoá, phát triển kinh tế, văn hoá

xã hội với các vùng lân cận

2 Địa hình và thổ nhưỡng

Vĩnh Tường là huyện đồng bằng, lại có hệ thống đê trung ương (đê sông Hồng

và sông Phó Đáy với tổng chiều dài 30 km) che chắn cả ba bề bắc - tây - nam, địa hìnhcủa huyện được chia thành 3 vùng khá rõ rệt…

Vùng đồng bằng phù sa cổ: ở các xã phía bắc và một phần phía tây bắc huyện Đây làvùng tiếp nối của đồng bằng trước núi với đồng bằng châu thổ lớn đất màu mỡ ở đâytương đối mỏng, đa số đã bạc màu Địa hình không bằng phẳng, ruộng cao xen ruộngthấp làm cho việc canh tác gặp nhiều khó khăn

Vùng đất bãi nằm ngoài các con đê sông Hồng và sông Phó Đáy: chạy dọc suốt mộtdải phía bắc, tây bắc và phía tây của huyện Đất ở đây màu mỡ do hàng năm được phù

sa của các con sông bồi đắp tạo nên một vùng bãi rộng lớn và trù phú, rất phù hợp vớicác loại cây dâu, mía, cỏ voi, ngô, đậu và các cây rau màu khác

Vùng đất phù sa châu thổ bên trong đê: nối liền miền đất phù sa cổ, kéo dài xuống phíanam, giáp huyện Yên Lạc Địa hình khá bằng phẳng, thuận lợi cho điều tiết thuỷ lợi,tạo điều kiện để nhân dân thâm canh cây lúa ở trình độ cao

Sự phân chia địa hình, thổ nhưỡng huyện Vĩnh Tường có ý nghĩa thực tiễn trong việcxác định hướng chuyển dịch cơ cấu của từng vùng, từng địa phương theo hướng sản

xuất hàng hoá, đẩy mạnh công nghiệp hoá nông nghiệp, hiện đại hoá nông thôn ởhuyện Vĩnh Tường hiện nay Sự phân chia ấy tạo cho ta một cách nhìn tổng thể địahình, địa vật rất phong phú của một vùng quê với những xóm làng đông đúc, cây láxanh tươi bốn mùa, với nhiều cảnh sắc tự nhiên tươi đẹp, một vùng đất "Sơn chầu thủytụ”, "Địa linh nhân kiệt", tạo ra ấn tượng khó quên đối với những ai có dịp ghé thămVĩnh Tường.

1.1.2 Khí hậu và thủy văn

1 Khí hậu

Vĩnh Tường thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa, nắng lắm mưa nhiều Nhưng donằm khá sâu trong đất liền, đồng thời có sự che chắn của hai dãy núi: dãy Tam Đảo(phía Đông Bắc) và dãy Ba Vì (phía Tây) nên khí hậu ở Vĩnh Tường không quá khắcnghiệt và ít bị bão lốc đe dọa Nhiệt độ trung bình trong năm là 23,60c.Giữa nhiệt độtrung bình tháng cao nhất với nhiệt độ trung bình tháng thấp nhất chênh lệch 120C (cótháng nhiệt độ lên tới 28,80C nhưng có tháng nhiệt độ chỉ 16,80C

Độ ấm trung bình trong năm là 82% Lượng mưa trung bình 1.500 mm/năm với sốngày mưa trung bình là 133 ngày/năm Mùa mưa thường từ tháng 4 đến tháng 10 vớilượng mưa trung bình là 189 mm/tháng; mùa khô từ tháng 11 năm trước đến tháng 3năm sau với lượng mưa trung bình là 55 mm/tháng

Một phần sông Phó Đáy chảy qua huyện Vĩnh Tường, tạo ranh giới tự nhiên giữa VĩnhTường và Lập Thạch Sông Phó Đáy có lưu lượng bình quân 23m3 giây; lưu lượng caonhất là 833m3/giây; mùa khô kiệt, lưu lượng nước chỉ 4 m3/giây, có tác dụng cung cấpnước cho sản xuất nông nghiệp

Sông Phan thuộc hệ thống sông Cà Lồ, chảy trong nội tỉnh Sông Phan bắt nguồn từnúi Tam Đảo phục vụ cho sản xuất nông nghiệp và một phần giao thông trong huyện

Về mùa khô, mực nước sông rất thấp, nhưng về mùa mưa, nước từ Tam Đảo đổ xuốngnên mực nước khá cao, gây ngập úng nhiều nơi

Nằm xen giữa những cánh đồng lúa, rau, màu là những đầm, ao, hồ khá rộng và đẹpmắt Tiêu biểu là: Đầm Rưng, đầm Kiên Cương, đầm Phú Đa, vực Xanh, vực QuảngCư…Ngoài tác dụng cho giá trị kinh tế từ nuôi thả cá, tôm, đầm ao hồ còn là nơi điềuhòa nước, điều hòa khí hậu, hòa sắc với làng, xóm và cánh đồng lúa xanh, tạo nên bứctranh quê đẹp đẽ, hiền hòa

1.2 Giới thiệu chung nhiệm vụ của trạm

Trạm biến áp Vĩnh Tường có diện tích 328 × 189 m2 nằm trên địa bàn huyện VĩnhTường, Tỉnh Vĩnh Phúc

Trạm biến áp 220/110kV Vĩnh Tường và các đường dây đấu nối 220kV, 110kV sẽđáp ứng nhu cầu tăng trưởng phụ tải của hệ thống điện miền Bắc Tiếp nhận nguồnđiện năng từ lưới điện khu vực phía Bắc và hỗ trợ các Trạm biến áp 220kV hiện có củakhu vực tỉnh Vĩnh Phúc, về lâu dài sẽ là một nút 220/110kV quan trọng trong hệ thốngđiện miền Bắc, tạo ra mối liên kết mạch vòng cho lưới điện 110kV, góp phần giảm tổnthất, nâng cao độ tin cậy lưới điện, đảm bảo cung cấp điện an toàn, ổn định và liên tụccho nhân dân và các phụ tải khách hàng trên địa bàn tỉnh

Trạm biến áp 220/110kV Vĩnh Tường

Thông số đường dây cần bảo vệ

- Dây dẫn là dây nhôm lõi thép AC-150

- Dây chống sét dùng dây C-70

- Điện trở suất đo được của đất: d 142 ( m)

- Điện trở cột: R c 15 ( )

- Khoảng vượt đường dây 220 kV: L KV 150 ( )m .

- Số ngày sét đánh: n ngs 98 (ngày/năm).

DCS

A

B C

Hình 4.1: Kích thước cột

- Loại cột: cột kim loại, mạch đơn

Chiều cao cột: hcot 28 ( )m .

- Độ dài xà pha A: l xaA = 3 (m)

- Độ dài xa pha B: l xaB = 4,5 (m)

VÀO TRẠM BIẾN ÁP 1.1 Khái niệm chung

TBA là một phần tử quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng.Với TBA 220/110 kV, các thiết bị điện của trạm đặt ngoài trời nên khi có sét đánh trựctiếp vào trạm sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng (phóng điện, phá hủy cách điện,gây hư hỏng các thiết bị…) nếu không được bảo vệ Sự cố mất điện ở trạm làm ảnhhưởng đến việc sản xuất điện năng và các ngành kinh tế quốc dân khác… Do đó, việctính toán bảo vệ chống sét cho trạm là rất quan trọng

Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta dùng hệ thống cột thu lôi Tác dụngcủa hệ thống này là định hướng các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực antoàn bên dưới hệ thống này

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệthống nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở của bộ phậnthu sét phải nhỏ để tản dòng điện sét một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi códòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóngđiện ngược đến các thiết bị khác ở gần đó

Ngoài ra, khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bên cạnh vấn đềđảm bảo về yêu cầu kỹ thuật, ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế và mỹ quancủa công trình

1.2 Các yêu cầu kỹ thuật

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

Tùy thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các yêu cầu cụ thể, hệ thống các cộtthu lôi có thể được đặt trên các độ cao có sẵn như xà, cột đèn chiếu sáng hoặc được đặtđộc lập

Khi đặt hệ thống cột thu lôi trên bản thân công trình, sẽ tận dụng được độ caovốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi Tuy nhiên, cách điệncủa trạm phải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thống thu sétsang thiết bị

Khi đặt thanh thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét sẽ gâynên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột Phầnđiện 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 lôi trên hệthống các thanh xà trạm là mức cách điện cao và điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ

Đối với trạm phân phối ngoài trời từ 110kV trở lên do có cách điện cao (khoảngcách các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể đặt cột thu lôi trên các kếtcấu của trạm phân phối Tuy nhiên, các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thìphải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối theo đường ngắn nhất và sao chodòng điện is khuếch tán vào đất theo 34 cọc nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấyphải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất.

Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời điện áp 110kV trở lên là cuộn dâycủa MBA Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ MBA thì yêu cầu khoảng cáchgiữa hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của cột thu lôi và vỏ MBA theo đường điệnphải lớn hơn 15m

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

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điệnđến đèn phải được cho vào ống chì và chèn vào đất

1.3 Các công thức sử dụng để tính toán

1.3.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét

Theo tài liệu [1]/ trang 171 ta có các công thức được sử dụng để tính toán

- Độ cao của cột thu sét:

x a

Trong đó:

 h: Độ cao cột thu sét

 hx: Độ cao của vật cần được bảo vệ

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

1.3.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

- Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoàicủa hình chóp tròn xoay như hình 18-5 (Trang 171/Tài liệu [1]) có đường kínhxác định bởi phương trình:

- Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệdạng đơn giản hóa với đường sinh của hình chóp có dạng đường gãy khúc đượcbiểu diễn như hình 18-6 (Trang 171/Tài liệu [1])

+Nếu

23

x

h  h

thì 0,75 1

x x

 Chú ý: Các công thức trên chỉ đúng trong trường hợp cột thu sét cao dưới 30m.

Hiệu quả của cột thu sét cao quá 30m có giảm sút do độ cao định hướng của sétgiữ hằng số Có thể dùng các công thức trên để tính phạm vi bảo vệ nhưng phải

nhân với hệ số hiệu chỉnh p Với

5,5

p h



và trên hình vẽ dùng các hoành độ0,75hp và 1,5hp

1.3.3 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệcủa hai cột đơn Nhưng để hai cột thu sét có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữahai cột phải thỏa mãn điều kiện a < 7h (h là chiều cao của cột)

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

- Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cách a (a < 7h) cóphạm vi bảo vệ như hình 18-7 (Trang 172/Tài liệu [1]) thì độ cao lớn nhất củakhu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét h0 được tính như sau:

Giả sử có hai cột thu sét có độ cao là h1 và h2 và h1 < h2 Hai cột cách nhau mộtkhoảng a được bố trí như hình 18-8 (Trang 173/Tài liệu [1]).

 Cách xác định phạm vi bảo vệ được trình bày chi tiết ở trang 173/Tài liệu [1]

2

1,6.( )1

h h

- Từ đó tính được:

2 1 1

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

bộ miền đa giác đó và phần ngoài phạm vi bảo vệ được xác định như của từng đôi cộtnhư hình 18-9 (Trang 173/Tài liệu [1])

Vật có độ cao hx nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét sẽ được bảo vệnếu thỏa mãn điều kiện:

8 a 8.( x)

Với D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét

 Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnhtheo p

8 .a 8.( x)

1.3.4 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

a Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng Chiều rộng của phạm vi bảo vệphụ thuộc vào độ cao hx được biểu diễn như hình 18-10 (Trang 174/Tài liệu [1])

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

Chiều rộng của phạm vi bảo vệ ở mức cao hx được xác định theo công thức sau:

+ Nếu

23

x

h  h

thì 0,6 1

x x

b Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữa hai dây thu sétphải thỏa mãn điều kiện S < 4h

Với khoảng cách S trên thì dây có thể bảo được các điểm có độ cao:

và điểm có độ cao h0 như hình 18-11 (Trang 174/Tài liệu [1])

1.4 Mô tả trạm phân phối 220/110 kV cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

- Trạm biến áp 220/110 kV:

+Phía 220 kV 4 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng, được cấp điện từ máy biến áp (T3,T4).

+Phía 110 kV 4 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng, được cấp điện từ 2 máy biến áp tự ngẫu (AT1, AT2)

+Độ cao xà cần bảo vệ phía 220 kV: h x 17 ( )m .

+Độ cao xà cần bảo vệ phía 110 kV: h x 11 ( )m .

1.5 Các phương án thiết kế hệ thống chống sét cho trạm

7

6 5

Hình 2.2: Mặt bằng bố trí cột thu sét phương án 1

a Tính độ cao tác dụng và độ cao của cột thu sét

Để tính được độ cao tác dụng ha của các cột thu sét, trước hết cần xác định đườngkính D của đường tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác) qua 3 (hoặc 4) đỉnh cột

Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hoặc tứ giác) đó được bảo vệ thì:

8 a

D h hay a 8

D

h 

Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo vệ củamột cột Điều kiện để hai côt thu sét phối hợp đươc với nhau là a7h.

Trong đó:

 a: Khoảng cách giữa 2 cột thu sét

 h: Chiều cao toàn bộ cột thu sét

 h: Độ cao của cột tạo thành đa giác; h29 ( )m

 hx: Độ cao của vật cần bảo vệ; h x 17 ( )m .

60,47 8.(29 17) 96

D

Do đó, toàn bộ diện tích bên trong tam giác (9-12-6) được bảo vệ

Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại Ta được kết quả tính toán được trìnhbày trong bảng 2.1

Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét như ở trên tachọn độ cao tác dụng cho toàn trạm như sau:

- Độ cao tác dụng phía 220 kV: hamax = 11,86 (m) nên ta chọn ha = 12 (m)

Do đó, độ cao của các cột thu sét phía 220 kV là: h h a h x 12 17 29 ( )  m

- Độ cao tác dụng phía 110 kV: hamax = 9,88 (m) nên ta chọn ha = 10 (m)

Do đó, độ cao của các cột thu sét phía 110 kV là: h h a h x 10 11 21 ( )  m

- Để dễ tính toán kiểm tra khả năng bảo vệ của các nhóm cột cho khu vực giữa củaphía 220 kV và 110 kV ta nâng độ cao các cột 12, 15, 18 phía 110 kV lên bằng

độ cao với các cột phía 220 kV Hay h12 h15 h18 29 ( )m .

Bảng 2.1: Bảng tính toán độ cao tác dụng của cột thu sét

Độ cao tác dụng phía 110 kVNhóm cột Chú thích a (m) b (m) D (m) ha (m) hamax (m)12-13-16-15

Kiểm tra khả năng bảo vệ khu vực 220/110 kVNhóm cột Chú thích a (m) b (m) c (m) p (m) D(m) D<=969-12-6 Tam giác 33,54 54,08 60 73,81 60,47

b Tính phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

 Bán kính bảo vệ của các cột cao 21 (m)

x x

x x

21

x x

x x

12

210,75 1 0,75.29 1 6 ( )

x x

Tính toán tương tự ta có kết quả được ghi trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Bán kính bảo vệ của các nhóm cột thu sétNHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO BẰNG NHAUBán kính bảo vệ phía 220 kV (hx = 17m)

NHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO KHÁC NHAU (hx = 11m)Cặp cột a (m) h1

(m)

h2(m)

x(m) a' h0 (m) r0x (m)12-21, 18-22 57,58 21 29 6 51,58 13,63 1,97

7 6

22

23

Hình 2.3: Mặt bằng bố trí cột thu sét phương án 2

a Tính độ cao tác dụng và tính độ cao của cột thu sét

Cách tính tương tự như phương án 1, kết quả tính toán được trình bày chi tiếttrong bảng 2.3

Bảng 2.3: Bảng tính toán độ cao tác dụng của cột thu sét

Độ cao tác dụng phía 110 kVNhóm cột Chú thích a (m) b (m) D (m) ha(m) hamax(m)16-17-20-19

Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét như ở trên tachọn độ cao tác dụng cho toàn trạm như sau:

- Độ cao tác dụng của cột thu sét phía 220kV: hamax = 11,86 (m) nên ha = 12 (m)

Do đó, độ cao của các cột thu sét phía 220kV là: h h a h x 12 17 29 ( )  m .

- Độ cao tác dụng của cột thu sét phía 110kV: hamax = 9,88 (m) nên ha = 10 (m)

Do đó, độ cao của các cột thu sét phía 110kV là: h h a h x 10 11 21 ( )  m .

- Để dễ tính toán kiểm tra khả năng bảo vệ của các nhóm cột cho khu vực giữa củaphía 220kV và 110kV ta nâng độ cao các cột 14, 18, 21 phía 110kV lên bằng độcao với các cột phía 220kV Hay h14 h18 h21 29 ( )m .

b Tính phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

Tính toán bán kính bảo vệ của một cột thu sét tương tự như phương án 1 ta có kếtquả ở bảng 2.4

c Tính phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét

Tính toán bán kính bảo vệ của hai cột thu sét có hai cột thu sét có độ cao bằngnhau và khác nhau tương tự như phương án 1 ta có kết quả ở bảng 2.4

Bảng 2.4: Bán kính bảo vệ của các nhóm cột thu sétNHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO BẰNG NHAUBán kính bảo vệ phía 220 kV hx = 17 (m)

Cặp cột a(m) h1(m) h2(m) x(m) a'(m) h0(m) r0x(m)14-22, 21-24 57,58 21 29 6 51,5

6 5

19 18

Hình 2.4: Mặt bằng bố trí dây chống sét và cột thu sét phương án 3

a Tính độ cao cột

 Tính độ cao cột treo dây thu sét phía 220 kV

Để bảo vệ toàn bộ xà trong trạm thì độ cao dây chống sét cần thỏa mãn:

Vậy ta chọn độ cao treo dây thu sét phía 220 kV là 29 (m)

 Tính độ cao của cột thu sét phía 110 kV

a

- Như vậy phía 110 kV ta có thể lấy độ cao tác dụng cho các cột là:h a 10 ( )m .

Độ cao cột thu sét phía 110 kV là: h h x h a 11 10 21 ( )  m .

b Tính phạm vi bảo vệ

 Tính phạm vi bảo vệ phía 220 kV

 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

 Tại điểm treo cao nhất của dây thu sét

- Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 dây:

22, 43

x x

 Bán kính bảo vệ của một cột có độ cao h = 21 (m)

- Bán kính bảo vệ cho độ cao h x 11 ( )m là:

x x

21

x x

13, 29

x x

 Hai cột có chiều cao khác nhau

Xét cặp cột (9-18) có chiều cao khác nhau

- Ta có:

 Khoảng cách giữa 2 cột là: a9 18 57,58 ( )m .

 Chiều cao cột cao: h9 29 ( )m .

210,75 1 0,75.29 1 6 ( )

x x

Tính toán tương tự ta có kết quả được ghi trong bảng 2.5

Bảng 2.5: Bán kính bảo vệ của các nhóm cột thu sétNHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO BẰNG NHAUBán kính bảo vệ phía 220kV hx = 17 (m)Cặp cột a (m) h (m) h0 (m) r0x (m)

NHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO KHÁC NHAU hx = 11 (m)Cặp cột a (m) h1 (m) h2 (m) x(m) a'(m) h0 (m) r0x (m)

9-18,15-19 57,58 21 29 6 51,58 13,63 1,97

c Kết luận

Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra.

- Tổng số cột là 19 cột và 4 dây chống sét

Trong đó:

 Phía 220 kV: có 8 cột được đặt trên xà cao 17m

 Phía 110 kV: có 11 cột Gồm 3 cột biên 9,12,15 có độ cao 29m được đặt trên xà 11m; 4 cột cao 21m được đặt trên xà 11m và 4 cột độc lập

P/A

Số cột thu sét(cột)

Số dây

thu sét(dây)

Tổng chiều dàicần sử dụng (m)

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM

BIẾN ÁP 2.1 Yêu cầu kỹ thuật khi nối đất trạm biến áp

Tác dụng của nối đất trong hệ thống điện là để tản dòng điện xuống đất để đảmbảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Hệ thống nối đất là một phần quan trọngtrong việc bảo vệ quá điện áp Tùy theo nhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đấtđược chia làm ba loại:

Đối với hệ thống nối đất làm việc, trị số của nó phải thỏa mãn các yêu cầu củatình trạng làm việc của mỗi thiết bị Theo quy trình ghi trong trang 11/Tài liệu [1].Ngoài việc đảm bảo trị số điện trở nối đất đã qui định và giảm nhỏ điện trở nốiđất của trạm và nhà máy điện, còn cần phải chú ý đến việc cải thiện sự phân bố thếtrên toàn diện tích của trạm

Nối đất chống sét thông thường là nối đất của cột thu sét, cột điện và nối đất của

hệ thống thu sét ở trạm biến áp và nhà máy điện

Do bộ phận nối đất của cột thu sét và cột điện thường bố trí độc lập (không cóliên hệ với bộ phận khác) nên cần sử dụng hình thức nối đất tập trung để có hiệu quảtản dòng điện tốt nhất Hiện nay tiêu chuẩn nối đất cột điện được quy định theo điệntrở suất của đất và cho ở bảng:

Khi đường dây đi qua các vùng đất ẩm ( ρ ¿ 3 104 Ω cm) nên tận dụngphần nối đất có sẵn của móng và chân cột bê tông để bổ sung hoặc thay thế cho phầnnối đất nhân tạo

Đối với nối đất của hệ thống thu sét ở các trạm biến áp khi bộ phận thu sét đặtngay trên xà trạm thì phần nối đất chống sét buộc phải nối chung với mạch vòng nốiđất an toàn của trạm Lúc này sẽ xuất hiện nối đất phân bố dài làm Zxk lớn làm tăngđiện áp giáng gây phóng điện trong đất Do đó việc nối đất chung này chỉ thực hiệnđược với các trạm biến áp có cấp điện áp ¿ 110kV Ngoài ra còn phải tiến hành một

số biện pháp bổ sung, khoảng cách theo mạch dẫn điện trong đất từ chỗ nối đất của hệthống thu sét phải từ 15m trở lên…

Do vậy trong tính toán thiết kế về nối đất thì trị số điện trở của đất dựa theo kếtquả đo lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăngcường an toàn.

- Công thức hiệu chỉnh như sau:

tt d k m

Trong đó:

 tt: Điện trở suất tính toán của đất.

 d: Điện trở suất đo được của đất.

 k : Hệ số mùa của đất m

Hệ số k của đất phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực Hệ m

số này được tra trong bảng 2-1 (Trang 12/Tài liệu [2])

2.2 Nối đất an toàn cho trạm

2.2.1 Lý thuyết nối đất an toàn

Với cấp điện áp lớn hơn 110kV nối đất an toàn phải thỏa mãn điều kiện là: điệntrở nối đất của hệ thống phải có giá trị R0,5 ( ) Điều kiện này xuất phát từ việc ởcấp điện áp lớn hơn 110kV dòng điện ngắn mạch lớn, khi chạm vỏ hoặc khi rò rỉ điệnthì dòng điện rất lớn sẽ gây nguy hiểm cho con người và thiết bị khác

Ở cấp điện áp U dm 110 kV do có trị số điện trở tản nhỏ và có mức cách điện

cao nên có thể thực hiện nối đất an toàn và nối đất chống sét chung

Điện trở nối đất của hệ thống phải thỏa mãn các điều kiện sau:

./ / NT TN 0,5 ( )

 RTN: điện trở nối đất tự nhiên

 RNT: điện trở nối đất nhân tạo, R NT 1 ( )

a Điện trở nối đất tự nhiên

Trong phạm vi của đề tài ta chỉ xét nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chốngsét đường dây và cột điện 110kV và 220kV tới trạm

Ta có công thức tính toán sau:

c TN

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

b Điện trở nối đất nhân tạo.

Từ cơ sở lý thuyết điện trở tản của nối đất hình bán cầu (Trang 182/Tài liệu [1])

Ta xây dựng được công thức tính toán điện trở nối đất của cọc và thanh

Trong thực tế nối đất có các hình thức cọc dài 2 ÷ 3m bằng sắt tròn hay sắt gócchôn thẳng đứng; thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu 0,5 ÷ 0,8m đặt theo hình tia hoặcmạch vòng và hình thức tổ hợp của các hình thức trên Trị số điện trở tản của hình thứcnối đất cọc được xác định theo các công thức đã cho trước

- Đối với nối đất chôn nằm ngang có thể dùng công thức chung để tính trị số điệntrở tản xoay chiều:

2.ln

 RMV (hay Rt): Điện trở tản xoay chiều của mạch vòng thanh

 L: Chiều dài toàn bộ thanh nối (chu vi mạch vòng)

 t: Độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng

 K: Hệ số hình dáng phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất

 d: Đường kính thanh nối khi điện cực dùng sắt tròn, nếu dùng sắt

dẹt trị số d thay bằng 2

b

d  (b – chiều rộng của thanh dẹt )

 ttT: điện trở suất tính toán của đất đối với thanh mạch vòng chôn ở

độ sâu t

Giá trị của K hình dáng được lấy từ bảng 2-6/Tài liệu [2]

Bảng 3.7: Bảng hệ số K theo hình dạng của hệ số nối đất

- Điện trở một cọc được chôn thăng đứng theo mạch vòng:

t c NT

R R R

- Điện trở suất đo được của đất: d 142 ( m)

- Điện trở nối đất cột đường dây ta xét với giá trị: R c 15 ( )

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

3

0 2,38.150.10

0,357 ( )1

KV cs

r L R

c cs

R R

c cs

R R

TN TN TN

b Nối đất nhân tạo

Với trạm bảo vệ có kích thước hình chữ nhật có các chiều là:

1 328 ( ); 2 189 ( )

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

- Do đó ta sử dụng mạch vòng bao quanh trạm là hình chữ nhật ABCD có kíchthước như sau: L1326 ( );m L2 187 ( )m Chu vi L1026 ( )m .

+t: Độ chôn sâu của thanh; t = 0,8 (m)

+ρttT: Điện trở suất tính toán của đất với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t

Tra bảng 3.1 với thanh ngang chôn sâu t = 0,8 (m) ta có k mt at 1,6.

+K : Hệ số phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất

Tính toán nội suy ta tìm được hàm số phụ thuộc

1 2

3261,7433 6,079187

a Dòng điện sét trong hệ thống nối đất

Ở đây phải đề cập tới cả hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trongđất

- 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 tiadài hoặc mạch vòng (phân bố dài) thì đồng thời phải xem xét đến cả hai quá trình,chúng có tác dụng khác nhau đối với hiệu quả nối đất

Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung:

Qua nghiên cứu và tính toán người ta thấy rằng điện trở tản xung kích không phụthuộc vào kích thước hình học của điện cực mà nó còn được quy định bởi biên độdòng điện I, điện trở suất  và đặc tính xung kích của đất

Vì trị số điện trở tản xoay chiều của nối đất tỉ lệ với  nên hệ số xung kích có trị

số là:

1

xk xk

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

Trong mọi trường hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng R vì nó bé so với trị sốđiện trở tản, đồng thời cũng không cần xét đến phần điện dung C vì ngay cả trongtrường hợp sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện qua điện trởtản

Sơ đồ đẳng trị khi bỏ qua R và C có dạng:

Trong hình 3.1 thay thế, ta biết:

+L0: Điện cảm của điện cưc trên một đơn vị dài

+G0: Điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài

Hình 3.5: Sơ đồ đẳng trị thu gọnTheo trang 186/tài liệu [1] ta có công thức:

L

l  (Với L là chu vi mạch vòng)

 r: Bán kính cực ở phần trước nếu cực là thép dẹt có bề rộng b (m),

do đó: 4

b

r .Điện áp tại điểm bất kỳ và tại thời điểm t trên điện cực: (Trang 187/Tài liệu [1] )

1 2 1 0

k

L G l T

k 



(Hằng số thời gian) ( 3.0)2

Từ công thức trên ta thấy tổng trở xung kích của nối đất gồm:

+Thành phần biến thiên theo thời gian t

+Thành phần ổn định có trị số bằng trị số bằng trị số điện trở xoay chiều.Việc giảm điện áp và cả mật độ dòng điện ở các phần xa của điện cực làm choquá trình phóng điện trong đất ở các nơi này có yếu hơn so với đầu vào nối đất Do đóđiện dẫn của nối đất (trong sơ đồ đẳng trị) không những chỉ phụ thuộc vào I,  mà cònphụ thuộc vào tọa độ Việc tính toán tổng trở sẽ phức tạp và chỉ có thể giải bằngphương pháp gần đúng Ở đây trong phạm vi của đề tài ta có thể bỏ qua quá trìnhphóng điện trong đất

Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất và tốc độ biến thiên của dòng điệnsét theo thời gian rất lớn trong thời gian đầu điện cảm của khu vực nối đất rất lớn sẽngăn cản không cho dòng điện sét đi tới phần cuối của điện cực khiến cho điện ápphân bố không đều Trong thời gian về sau ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện

áp phân bố đều hơn

Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian2

T L g l Như vậy T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng (L.l) và điện dẫn tổng (g.l) của