Đồ án môn học Kỹ thuật điện Cao áp

Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 110/35 Kv

Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho

* Điện trở suất của đất: ρđ =86 Ωm

* Độ cao max của vật trong trạm hx= 13m

* Chiều dài khoảng vượt đường dây: l=150m

* Mức độ ô nhiễm:Trung bình

II NỘI DUNG TÍNH TOÁN

Chương I: Tính toán bảo vệ sét đánh trực vào trạm biến áp

Chương II: Tính toán hệ thống nối đất cho trạm

Phần II: Các bản vẽ liên quan

PHẦN I CHƯƠNG I TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO

TRẠM BIẾN ÁP 220/110 kV

I.1 Cơ sở lý thuyết chung:

I.1.1 Những yêu cầu đối với hệ thống thu sét:

Các thiết bị phân phối điện đặt ngoài trời như đường dây, trạm biến áp rất

dễ bị quá điện áp có thể là do quá điện áp khí quyển (sét đánh trực tiếp, cảm ứnghay lan truyền trên đường dây), hoặc quá điện áp nội bộ Trong đó, sự quá điện ápkhí quyển do sét đánh là rất nguy hiểm và gây những thiệt hại nghiêm trọng chocác công trình trong hệ thống điện Vì vậy, bảo vệ chống sét đánh trực tiếp là mộttrong những yêu cầu hàng đầu khi thiết kế và vận hành một mạng điện

Hệ thống thu sét là một bộ phận công trình quan trọng nhằm bảo vệ các bộphận của hệ thống điện như đường dây, trạm biến áp khỏi hư hỏng khi bị sét đánh.Đối với đường dây, để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp người ta sử dụng hệ thốngdây chống sét Đối với trạm biến áp và nhà máy điện người ta sử dụng các cột thulôi Các cột thu lôi có thể đặt độc lập hoặc trong điều kiện cho phép có thể đặt trêncác kết cấu của trạm và của nhà máy

Yêu cầu chính đối với hệ thống thu sét là phải có điện trở nối đất đủ nhỏ đểđảm bảo tản nhanh dòng điện sét xuống đất, tránh hiện tượng phóng ngược dòngđiện sét từ thiết bị này sang thiết bị khác, hoặc từ cột thu sét hay dây chống sétsang các công trình mang điện đặt lân cận Khi thiết kế bảo vệ chống sét thì cầnđảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, kinh tế và mỹ thuật

- Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ 110 kV trở lên do có mức cáchđiện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối Các trụ cột củacác kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét

IS khuếch tán vào đất theo 3÷4 thanh cái của hệ thống nối đất Ngoài ra ở mỗi trụcủa kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện chỉ số điện trở nối đất

- Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời với điện áp từ 110 kV trở lên

là cuộn dây máy biến áp, vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thìyêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối vào hệ thống nối đất của cột thu lôi và vỏmáy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m

- Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110 kV trở lênphải thực hiện các điểm sau:

+ Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cầnphải có nối đất bổ sung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở khuếchtán không được quá 4Ω (ứng với dòng điện tần số công nghiệp)

+ Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm 35kV phải tăng cường cáchđiện của nó lên đến mức cách điện của cấp 110 kV.

+ Trên đầu ra của cuộn dây 6 – 10kV của máy biến áp phải đặt các cộtchống sét van (CSV), các thiết bị chống sét này có thể đặt ngay trên vỏ máy

+ Để bảo vệ cuộn dây 35 kV cần đặt các cột chống sét van Khoảng cáchgiữa chỗ nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van (theođường điện) phải nhỏ hơn 5m Khoảng cách ấy có thể tăng lên nếu điểm nối đấtcủa chống sét van ở vào giữa hai điểm nối đất của vỏ máy biến áp và của kết cấutrên đó có đặt cột thu lôi

+ Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột thulôi và bộ phận mang điện không được bé hơn chiều dài của chuỗi sứ

- Có thể nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấpđiện áp 110kV nếu như các yêu cầu trên được thực hiện

- Không nên đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối20 ÷ 35 kV,cũng như không nên nối các cột thu lôi vào hệ thống nối đất của trạm 20 ÷ 35 kV

- Khi dùng cột thu lôi độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôiđến các bộ phân của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vậtđược bảo vệ

- Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho các cột thu lôi phải chodây dẫn điện đến đèn vào ống chì và chôn vào đất

- Đối với các nhà máy điện dùng sơ đồ bộ thì chỉ được đặt cột thu lôi trên

xà máy biến áp khi máy phát điện và máy biến áp được nối với nhau bằng cầu bọckín và hai đầu được nối đất Nếu cầu có phân đoạn thì không được phép đặt cộtthu lôi trên xà của máy biến áp Với máy bù đồng bộ cũng áp dụng điều này

- Có thể nối dây chống sét bảo vệ đoạn đến trạm vào hệ thống nối đất củatrạm nếu như khoảng cách từ chỗ nối đất của trạm đến điểm nối đất của máy biến

áp lớn hơn 15m

- Để đảm bảo về mặt cơ tính (độ bền cơ học) và chống ăn mòn cần phảitheo đúng quy định về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dùng trên mặt dất và dướiđất phải theo bảng sau:

Bảng 1.1 Bảng qui định qui cách loại dây dẫn dùng để dẫn dòng điện sét

Loại vật liệu Dây dẫn dòng điện sét

dùng trên mặt đất

Dây dẫn dòng điện sét dùng dưới mặt đất

Thanh nhôm tròn Không được dùng Không được dùng

I.2 Cách xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét:

I.2.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét có độ cao là h tính cho độ cao hx là mộthình chóp tròn xoay có đường sinh được xác định như sau:

rx

) h h ( h

h 1

6 , 1

x x







hxr

rx

h

Hình 1.1 Phạm vi bảo vệ cho một cột thu sét.

Trong đó:

- h: chiều cao cột thu sét

- hx: chiều cao cần được bảo vệ

- h – hx: chiều cao hiệu dụng

Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc abc đượcxác định như sau:

h 0,8h

h x

2

3 h

0,75h 1,5h

a b

p 5,h5

I.2.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét:

a Hai cột thu sét có độ cao bằng nhau:

Xét 2 cột thu sét có độ cao bằng nhau h1 = h2 = h, cách nhau 1 khoảng a

r 0

h0h

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

+ Khi a = 7h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa 2 cột không bị sétđánh vào

+ Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h0được xác định như sau: h0 = h - 7a

Phạm vi bảo vệ:

- Phần ngoài: giống như của từng cột

- Phần giữa: cung tròn đi qua 3 điểm 1,2,3 (điểm 3 là điểm đặt cột giả tưởng

có độ cao h0

+) Tính toán phạm vi bảo vệ:

- Bán kính bảo vệ của từng cột: rx1 = rx2 = rx

- Bán kính bảo vệ giữa hai cột: r0x

- Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa hai cột: h0 = h - 7a

h

)Nếu: hx h 0

h)Các công thức trên được áp dụng khi hệ thống chống sét có độ cao nhỏ hơn30m Nếu hệ thống chống sét có độ cao lớn hơn hoặc bằng 30m thì các công thứccũng cần được hiệu chỉnh theo hệ số p đã nêu ở mục

b Hai cột thu sét có độ cao khác nhau:

Xét 2 cột thu sét có độ cao là h1 và h2, cách nhau 1 khoảng a được bố trínhư hình vẽ:

1

2 3

- Phần ngoài: giống như của từng cột

- Phần trong: từ đỉnh cột h1 dóng đường thằng nằm ngang cắt phạm vi bảo

vệ của cột h2 tại 3’, với 3’ là vị trí đặt cột giả tưởng có độ cao là h1

- Phần giữa: giống như của hai cột có độ cùng độ cao h1

(O O a O O O O 2 a x

' 3 2 1 ' ' 3

1      , x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 chocột giả tưởng '

1

h + Tính toán phạm vi bảo vệ:

- Tính bán kính bảo vệ từng cột rx1, rx2

- Tính bán kính bảo vệ giữa hai cột rox

- Khoảng cách giữa cột thấp và cột giả tưởng 3

a’ = a – x ( trong đó x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giảtưởng có độ cao h1)

- Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1, 3’: h 013 ' = h1 - a7'

I.1.2.3.Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu sét:

+) Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét có độ cao h1 = h2 = h3 = h cùng bảo vệ cho

độ cao hx được minh họa như hình vẽ dưới đây

r 0 x2-3

r 0x1-3 r 0x1-2

r x1

Hình 1.5 Bán kính bảo vệ của 3 cột có độ cao bằng nhau

Đó là phần diện tích nằm trong đường bao mà các đường tròn tạo ra

Trong đó:

- rx1 = rx2 = rx3 = rx: bán kính bảo vệ của từng cột

- rox1-2 = r0x1-3 = r0x3-2: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 2-3, 3-1

+) Phạm vi bảo vệ cho 4 cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét có độ cao h1 = h2 = h3 = h4 = h cùng bảo vệcho độ cao hx được minh họa như hình vẽ dưới đây

3 4

r 0 x1-2

r x1

Hình 1.6 Phạm vi bảo vệ của bốn cột thu sét có độ cao bằng nhau

Phạm vi bảo vệ là phần diện tích công trình nằm trong đường bao ngoàicùng của hình vẽ

Với: rx1 = rx2 = rx3 = rx4 = rx

rox1-2 = r0x3-4: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 3-4

rox1-4 = r0x2-3: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-4, 2-3

Điều kiện để công trình nằm trong miền giới hạn bởi các cột thu sét đượcbảo vệ an toàn là:

Theo sơ đồ kết cấu của trạm, ta mới chỉ biết diện tích mặt bằng trong trạm

mà chưa biết vị trí của các thiết bị trong trạm Vì vậy chỉ cần bố trí các cột thu sétsao cho bảo vệ được phần diện tích mặt bằng có độ cao hx

Đối với phía 110 kV: hx = 13m

Ta sẽ xét 2 phương án đặt vị trí cột thu sét cho trạm biến áp

*) Phương án 1

Trong phương án này, ta sử dụng 45 cột thu sét được bố trí trên mặt bằngtrạm biến áp như hình vẽ

I.1 Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 110 kV:

Điều kiện cần để công trình được bảo vệ an toàn là:

D 8.(h-hx) Suy ra: h hx+D8

Vì các cột tạo thành các hình chữ nhật bằng nhau nên ta chỉ cần tính chomột nhóm cột

Độ cao tác dụng tối thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạnbởi chúng là:

ha = 98,593

8  12,324 m

Độ cao của cột thu lôi là:

h = hx + ha = 13 + 12,324 = 25,324 m

I.1.1 Xác định phạm vi bảo vệ của cột thu lôi được bố trí như hình vẽ:

- Phạm vi bảo vệ của từng cột riêng rẽ:

Trạm 110/35 kV được bảo vệ bởi 9 cột có đọ cao bằng nhau, vì thế ta chỉ cầntính bán kính bảo vệ cho một cột, là cột 1

Ta có: rx là bán kính bảo vệ của một cột

h = 25,324m là chiều cao của một cột thu lôi

hx = 13m là độ cao công trình cần bảo vệ

do hx=11(m)<2

3 h=

2

3 .25,324=16,883(m) Vậy bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi với độ cao cần bảo vệ hx=13m là:

rx =1,5.h(1- hx

0,8.h)=1,5.25,324.(1-

130,8.25,324)= 13,611 (m)

Phạm vi bảo vệ giữa các cặp cột:

Ta có 8 cặp cột: (1,2); (2,3);(3,4);(4,5); (5,10);(10,15); (15,20); (20,25);(25,30);(30,35);(35,40);(40,45);(45,44);(44,43);(43,42);(42,41);(41,36);(36,31);(31,26);(26,21);(21,16);(16,11);(11,6);(6,1)

3h0=

2

3.13,895 =9,264 (m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi (1 – 4) là:

Ta có: h0 = h - a

7 = 25,324 -

57,625

7 = 17,092 (m) hx=13(m) > 2

3 h0=

2

3.17,092 = 11,395 (m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi (7-8) là:

Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét trong phương án 1 Hình vẽ ở phía sau

Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúc với dòngđiện(hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất Nhiệm vụ của nối đất là tảndòng điện xuống đất để dảm 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 Tùy theonhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia là ba loại.

- Nối đất làm việc

- Nối đất an toàn

- Nối đất chống sét

*)Nối đất làm việc

Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự là việc bình thường của thiết bị, hoặc một số

bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ làm việc đã được quy địnhsẵn

+ Nối đất điểm trung tính máy biến áp

+ Hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất

+ Nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dùng trong bù ngangtrên các đường dây cao áp truyền tải điện

*)Nối đất an toàn.

Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hư hỏng.Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phần kim loại không mangđiện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại Khi cách điện bị hưhỏng do lão hóa thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhưng do nối đấtnên điện thế này có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho người tiếp xúc

*)Nối đất chống sét.

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi sét đánh vào cột thu lôihay đường dây Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng điện áp do phóng điệnsét gây nên Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa haiđiểm bất kỳ trên cột điện và đất Nếu không, mỗi khi co sét đánh vào cột chốngsét hoặc trên đường dây, sóng điện áp có khả năng phóng điện ngược tới các thiết

bị và công trình cần bảo vệ, phá hủy các thiết bị điện và máy biến áp

Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trongthực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ Song hệ thốngnối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm đất

Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tácdụng của nối đất tốt hơn an toàn Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏ thìrất tổn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cả haiđược cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế.

- Một số yêu cầu kỹ thuật của điện trở nối đất.

Trị số điện trở nối đất của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số điện

áp bược và tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không vượt quá giới hạn cho phép

+ Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điệntrở nối đất phải thỏa mãn : R ≤ 0,5 Ω

+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì:

áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất nhân tạo và yêucầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R ≤ 1 Ω Thực tế dù RTN ≤ 0,5 Ω thì vẫnphải nối đất nhân tạo vì RTN có thể xảy ra biến động như đứt dây chống sét tạikhoảng vượt gần trạm

+ Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn cónhư các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chộn trong đất… Việctính toán điện trở tản của các đường ống chon trong đất hoàn toàn giống với điệncực hình tia

+ Vì đất là một trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suấtcủa đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất như các loại muối, axit…chứa trong đất, độ ẩm, nhiệt độ và điều kiện khí hậu Ở Việt Nam khí hậu thay đổitheo từng mùa, độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất của đấtcũng biến đổi trong phạm vi rộng Do vậy trong tính toán thiết kế về nối đất thì trị

số điện trở của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnhtheo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn.

Công thức hiệu chỉnh như sau:  tt d.kmua

Trong đó: tt là điện trở suất tính toán của đất

d là điện trở suất đo được của đất

kmualà hệ số mùa của đất

Hệ số kmua của đất phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chộn sâu của điện cực.Bảng hệ số kmùa

Loại nối đất Hình thức nốiđất Độ sâu (m) Hệ số mùa

II.2 CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT.

Điện trở suất đo được của đất d= 86 Ωm

Điện trở nối đất cột đường dây : Rc = 14 Ω

Chiều dài khoảng vượt của đường dây: l=150m

Dây chống sét sử dụng loại C-70 có điện trở đơn vị là r0 = 2,38 Ω/km

 

3 cs.110 o 110

Số lộ trong trạm: n = 5 lộ

II.2.1 Nối đất an toàn.

Cho phép sử dụng nối đất an toàn với nối đất làm việc thành một hệ thống Điện trở nối đất của hệ thống là :

Trong đó: RTN: Điện trở nối đất tự nhiện.

RNT: Điện trở nối đất nhân tạo, RNT ≤ 1 Ω.

a/ Điện trở nối đất tự nhiên.

Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đường dây và cột điện 110kV tới trạm.

Ta có công thức sau:

c TN

c cs

R1

R c : là điện trở nối đất của cột điện

R cs :là điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt.

 

c TN.110

c cs.110