Tài liệu Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm biến áp 110/35KV doc

Để nâng cao tác dụng của hệ thống nμy 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

Chương 3

bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

trạm biến áp 110/35 kV

3.1-Khái niệm chung

Trạm biến áp lμ một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải vμ phân phối điện

Đối với trạm biến áp 110/35kV thì các thiết bị điện của trạm được đặt ngoμi trời nên khi có sét đánh trực tiếp vμo trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề không những chỉ lμm hỏng đến các thiết bị trong trạm mμ còn gây nên những hậu quả cho những ngμnh công nghiệp khác do bị ngừng cung cấp điện Do vậy trạm biến áp thường có yêu cầu bảo vệ khá cao

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng cuả hệ thống nμy lμ tập trung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vμo đó, tạo

ra khu vực an toμn bên dưới hệ thống nμy

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vμo hệ nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống nμy 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 ngược đến các thiết bị khác gần

đó

Ngoμi ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vμo trạm

ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý vμ 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 vμo trạm biến áp

Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ

an toμn của hệ thống bảo vệ Hệ thống bảo vệ trạm 110/35kV ở đây ta dùng

hệ thống cột thu lôi, hệ thống nμy có thể được đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt độc lập tùy thuộc vμo các yêu cầu cụ thể

Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm vi bảo vệ vμ sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi Nhưng mức cách

điện của trạm phải đảm bảo an toμn trong điều kiện phóng điện ngược từ

hệ thống thu sét sang thiết bị Vì đặt kim thu sét trên các thanh xμ của trạm thì khi có phóng điện sét, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên

điện trở nối đất vμ trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp nμy khá lớn vμ có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mμ mức cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện

để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xμ của trạm lμ mức cách điện cao

vμ 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 vμ độ dμi chuỗi sứ lớn)

do đó có thể đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm vμ các kết cấu trên

đó có đặt cột thu lôi thì phải nối đất vμo hệ thống nối đất của trạm theo

đường ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vμo 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 ngoμi trời điện áp từ 110kV trở lên

lμ 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 vμo hệ thống của cột thu lôi vμ điểm nối vμo hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp lμ phải lớn hơn 15m theo

đường 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 lμm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn

điện phải được cho vμo ống chì vμ chôn trong đất

3.3- Tính toán thiết kế, các phương án bố trí cột thu lôi

Với yêu cầu thiết kế hệ thống chống sét cho trạm 110kV vμ dựa vμo độ cao của các thiết bị ta có thể bố trí được các cột thu lôi vμ tính được độ cao của chúng

3.3.1- Các công thức sử dụng để tính toán

- Độ cao cột thu lôi:

h =h x + h a (3 1)

Trong đó: + h x : độ cao của vật được bảo vệ

+ h a : độ cao tác dụng của cột thu lôi, được xác định theo từng nhóm cột (h a ≥ D/8 m)

(với D lμ đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột)

- Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập lμ:

) 2 3 ( )

h h ( h

h 1

6 , 1

h 1 (

h 5 , 1

r x = ư x (3 3)

- Nếu h x > 2/3h thì: )

h

h 1 (

h 75 , 0

r x = ư x (3-4) Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn từng cột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a ≤ 7h ( trong đó h lμ 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 lμ h o vμ được xác định theo công thức:

) (

a h

h

, r

o x

(Hình 3 2 ): Trường hợp hai cột thu lôi có chiều cao khác

a

- Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi C có độ cao h 2 , khi đó các khoảng cách AB = a; BC = a' Khi đó xác định được các khoảng cách x vμ a'như

sau:

) ( )

h h (

h h

, - a x - a a'

) h h (

h h

, x

731

611

61

2 1 1 2

2 1 1 2

ư

ư+

=

=

ư+

Tương tự ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột B vμ C lμ:

) h h (

h h

, a h 7

a' h

1 2 2

h h

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 lμ: 57 x 58,350m vμ bao gồm:

+ Hai máy biến áp T 1 vμ T 2

+ 2 lộ 110kV vμ 6 lộ 35kV

- Độ cao các thanh xμ phía 110kV lμ 10m vμ 8m

- Độ cao các thanh xμ phía 35kV lμ 9m vμ 7m

- Ngoμi ra trạm còn có 3 cột chiếu sáng cao 21m

3.3.3- Trình tự tính toán

Trạm biến áp E35 Phủ Lý được hai đường 110kV cấp, một đường từ Hμ

Đông cấp về, một đường từ Ninh Bình cấp lên, hai đường 110kV nμy được nối với nhau qua máy cắt liên lạc giữa hai hệ thống thanh góp

Trạm có cấp điện áp 110/35kV vμ có hai máy biến áp T 1 ; T 2 được nối với hai lộ đường dây vμo 110kV vμ sáu lộ đường dây 35kV

Phía 110kV có hai hệ thống thanh góp vμ 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 vμ yêu cầu bảo vệ của mỗi thiết bị, ta đưa ra hai phương án đặt cột thu lôi như sau:

3.3.3.1- Phương án 1

- Các cột thu lôi phía trạm 110kV được bố trí độc lập lμ cột số 5 có độ cao lμ 21m; các cột số 1 đến số 4 được bố trí trên các thanh xμ có độ cao 10m vμ các cột nμy có độ cao lμ 21m ( tính từ xμ đến kim thu sét lμ 6m, kim thu sét cao 5m)

- Các cột thu lôi phía 35kV được bố trí trên các thanh xμ có độ cao 9m, cột cao thêm 7m, kim thu sét cao 5m lμ các cột số 6;7;8;9 Ngoμi ra còn hai cột thu lôi độc lập cao 21m lμ cột số 10 vμ 11 Hình ( 3 3 )

5

1 0 2

Hình (3 3): Đường tròn ngoại tiếp tam giác đi qua 3 chân cột thu Tính độ cao tác dụng của cột thu lôi:

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một tam giác (hoặc tứ giác) thì

độ cao của cột thu lôi phải thoả mãn: D ≤ 8h a

Trong đó:

- D: Lμ đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác ( hoặc tứ giác), tạo bởi các chân cột đó lμ phạm vi mμ nhóm cột có thể bảo vệ được

- h a : Lμ 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 được với nhau để bảo vệ được vật có độ cao h x nμo đó lμ: a ≤ 7h

Với a lμ khoảng cách giữa hai cột thu lôi

- Xét nhóm cột 1;2;5

Phạm vi bảo vệ của nhóm cột nμy lμ đường tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột 1;2;5 (1 ữ 2 = 26m; từ điểm giữa 1ữ2 với 5 = 8,5m ) Vμ đường kính vòng tròn lμ:

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 ( )

) ( )

c p ).(

b p ).(

a p (

p

c b a

5315531526

, ,

,

) , ,

).(

, ,

).(

, (

,

, ,

531553285315532826532853284

5315531526

8

428

2724920

p

m , ) , ).(

, ).(

.(

.

, ,

272431920311731314

272492017

m , , D

8

125

6252

2211515

,

,

m , ) , ,

).(

, ).(

, (

,

,

22162515625156256254

2211515

8

221

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 đ−ợc hoμn toμn diện tích giới hạn bởi chúng lμ:

m , , D

8

221

8 = =

=

Các cột 2;5;3 Có: (2 ữ 5) = 19m; (3ữ5) = 24m ); (2ữ3) = 28,85m

9352

85282419

,

,

m , ) , ,

).(

, ).(

, (

,

,

852893524935199359354

852824

m ,

Tính độ cao cột thu lôi chọn kim thu sét:

Độ cao cột thu lôi dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vμo trạm biến

áp đ−ợc xác định bởi:

Trong đó: + h: độ cao cột thu lôi

+ h x : độ cao của vật đ−ợc bảo vệ

+ h a : độ cao tác dụng của cột thu lôi

Đối với phía 110kV các thanh xμ cao 10m (h x = 10m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi lμ: h = h x + h a =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 lμ 21m, nên ta chọn loại cột 16m Kim thu sét ta chọn loại sắt ống có chiều cao lμ 5m Do đó độ cao cột thu lôi lμ:

h = 16 + 5 = 21m

Vậy độ cao bảo vệ phía 110kV lμ: 21m

Đối với phía 35kV các thanh xμ cao 9m (h x = 9m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi lμ: h = h x + h a =9 + 3,55 = 12,6m

Ta cũng chọn độ cao bảo vệ phía 35kV lμ: 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: h x =10 m < 2/3 h = 14 m Nên:

m ,

,

, h ,

h h

,

2180

101

21518

015

m ,

,

, h ,

h h

,

2180

91

21518

015

,

, h ,

h h

,

2180

8121518

015

,

, h ,

h h

,

2180

71

21518

015

* Ph¹m vi b¶o vÖ cña c¸c cÆp cét thu l«i:

- XÐt cÆp cét 1;2 Kho¶ng c¸ch gi÷a hai cét lμ: a = 26m

§é cao lín nhÊt cña khu vùc b¶o vÖ gi÷a hai cét thu l«i lμ:

m ,

a h

7

2621

,

, , h

,

h h

, r

o

x o

31780

101

317518

015

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

31780

81

317518

015

a h

7

531521

m , ,

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

781880

101

7818518

015

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

781880

81

7818518

015

- XÐt cÆp cét 3;4: kho¶ng c¸ch gi÷a hai cét lμ: a =17m

§é cao lín nhÊt cña khu vùc b¶o vÖ gi÷a hai cét thu l«i lμ:

m ,

a h

7

1721

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

571880

81

5718518

015

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

571880

81

5718518

015

§é cao lín nhÊt cña khu vùc b¶o vÖ gi÷a hai cét thu l«i lμ:

m , ,

a h

7

272421

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

531780

101

5317518

015

m , ,

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

531780

81

5317518

015

a= 42 +2052 =2088

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

m ,

a h

7

882021

,

, h

,

h

h , r

o

x o

1880

101

18518

015

,

, h

,

h

h , r

o

x o

1880

81

18518

015

- Xét cặp cột 2;3: khoảng cách giữa hai cột lμ: a =28,85m

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

m , ,

a h

7

852821

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

8781680

101

87816518

015

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

8781680

81

87816518

015

- Xét cặp cột 6;7: khoảng cách giữa hai cột lμ: a = 15m

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

m ,

a h

7

1221

7 = − =

−

=

ở độ cao 9m: h x = 9m < 2/3h o = 12,85m

, m

, ,

, , h

,

h h

, r

o

x o

281980

91

2819518

015

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

281980

71

2819518

015

- Xét cặp cột 6;11: khoảng cách giữa hai cột lμ: a = 15m

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

m ,

a h

7

1221

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

m , ,

a h

7

212121

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

9691780

91

96917518

015

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

9691780

71

96917518

015

- Xét cặp cột 8;9: khoảng cách giữa hai cột lμ: a = 15m

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

m ,

a h

7

1221

7 = ư =

ư

=

Tương tự cặp cột 6;7 ta có: - ở độ cao 9m: r xo = 12,045m

- ở độ cao 7m: r xo = 15,795m

- Xét cặp cột 9;10: khoảng cách giữa hai cột lμ: a = 15m

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

m ,

a h

7

1221

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

m , ,

a h

7

212121

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

9691780

91

96917518

015

,

, , h

,

h

h ,

r

o

x o

9691780

71

96917518

015

- Xét cặp cột 7;8: khoảng cách giữa hai cột lμ: a = 10m

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

m ,

a h

7

1021

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

571980

91

5719518

015

m , ,

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

571980

71

5719518

015

thu lôi cho toμn trạm Cụ thể được trình bμy ở hình (3 5 )

Từ hình vẽ (3 5 ) ta thấy rằng toμn bộ các thiết bị của trạm đều nằm trong phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi

Vậy với cách bố trí thu lôi như phương án I lμ đảm bảo về mặt kỹ thuật Bảng (3 1) vμ bảng (3-2) trình bμy kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi ở phương án I

Bảng 3-1 : Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi

- Các cột thu lôi phía 35kV đ−ợc bố trí trên các thanh xμ có độ cao 9m, cột cao thêm 7m, kim thu sét cao 5m lμ các cột số 6;7;8;9 Ngoμi ra còn hai cột thu sét độc lập cao 21m lμ cột số 10 vμ 11 ta đặt ở vị trí mới nh− hình ( 3

giác (D)

Độ cao tối thiểu để nhóm cột bảo vệ

đ−ợc hoμn toμn diện tích giới hạn bởi

chúng (h a )

, ,

,

m , ) , ,

).(

, ,

).(

, (

,

.

771627247716272415272427244

77167716

D

8

7518

8 = =

=

Tương tự ta có nhóm cột (8;9;10) có các giá trị như nhóm cột (6;7;11):

h a =2,34m

Tính độ cao của cột thu lôi kim thu sét:

- Độ cao cột thu lôi dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vμo trạm biến áp được xác định bởi:

Trong đó: + h: độ cao cột thu lôi

+ h x : độ cao của vật được bảo vệ

+ h a : độ cao tác dụng của cột thu lôi

- Đối với phía 110kV các thanh xμ cao 10m (h x = 10m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi lμ: h = h x + h a =10 + 3,6 = 13,6m

Vì chủng loại chung của cột ly tâm cốt sắt có độ cao 12m; 16m, mặt khác

do có các cột chiếu sáng có độ cao lμ 21m, nên ta chọn loại cột 16m Kim thu sét ta chọn loại sắt ống có chiều cao lμ 5m Do đó độ cao cột thu lôi lμ:

h = 16 + 5 = 21m

Vậy độ cao bảo vệ phía 110kV lμ: 21m

- Đối với phía 35kV các thanh xμ cao 9m (h x = 9m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi lμ: h = h x + h a =9 + 3,6 = 12,6m

Ta cũng chọn độ cao bảo vệ phía 35kV lμ: 21m

Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi:

* Bán kính bảo vệ của cột thu lôi cao 21m:

ở các độ cao (10;9;8;7)m nh− đã tính ở phần 1 ta có bảng (3 4 )

* Phạm vi bảo vệ của các cặp cột (1;2), (1;5), (2;5), (3;4), (3;5), (4;5), (2;3) nh− bảng (3 5 )

Xét cặp cột (6;11) khoảng cách giữa hai cột lμ: a = 16,77m

Độ cao lớn nhất của khu vực đ−ợc bảo vệ giữa hai cột thu lôi lμ:

m , ,

a h

7

771621

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

81680

91

816518

015

,

, , h

,

h

h , r

o

x o

81680

71

816518

015

Qua tính toán ở trên ta có các bảng ( 3 7) vμ ( 3 8 ) vẽ phạm vi bảo

vệ của hệ thống cột thu lôi cho toμn trạm Cụ thể được trình bμy ở hình (3 7)

Từ hình vẽ (3 7) ta thấy rằng toμn bộ các thiết bị của trạm đều nằm trong phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi

Vậy với cách bố trí thu lôi như phương án I lμ đảm bảo về mặt kỹ thuật

Bảng (3 6): Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi ở phương

tạo không gian thông thoáng Ngoμi ra do nằm gần tường bao xung quanh trạm nên ta có thể lợi dụng lắp đặt hệ thống chiếu sáng cho trạm Do vậy ta chọn phương án I