Tài liệu Tính toán nối đất cho trạm 110/35 KV pdf

Hệ thống nối đất lμ 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 đường dây, các thiết bị chống sét phải được tính toán cụ

Chương 4

Tính toán nối đất cho trạm 110/35 kv

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

Nhiệm vụ của nối đất lμ tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Hệ thống nối đất lμ 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 đường dây, các thiết bị chống sét phải được tính toán cụ thể trong khi thiết kế

Nối đất lμm việc

Nhiệm vụ chính lμ đảm bảo sự lμm việc bình thường của thiết bị, hoặc một số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải lμm việc ở chế độ nối đất trực tiếp Thường lμ 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 lường vμ các kháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện

Nối đất chống sét

Có tác dụng lμm tản dòng điện sét vμo trong đất (khi sét đánh vμo cột thu lôi hay đường dây) để giữ cho điện thế mọi điểm trên thân cột không quá lớn tránh trường hợp phóng điện ngược từ cột thu lôi đến các thiết bị cần được bảo vệ

Nối đất an toμn

Có tác dụng đảm bảo an toμn cho con người khi cách điện bị hư hỏng Thực hiện nối đất an toμn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại để khi cách điện bị hư 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 nμy sẽ lμm nguy hiểm đến con người khi chạm vμo chúng) Do đó nối đất các bộ phận nμy lμ

để giữ điện thế thấp vμ bảo đảm an toμn cho con người khi tiếp xúc với chúng.Về nguyên tắc lμ phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng

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 cμng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng của nối đất tốt hơn an toμn hơn Nhưng để đạt được trị số điện trở nối

đất nhỏ thì rất tốn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cả hai yếu tố lμ đảm bảo về kỹ thuật vμ 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 ≤ 0,5Ω.(Theo tiêu chuẩn nối đất an toμn trang 189 giáo trình

kỹ thuật điện cao áp)

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

I

R 250

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

I

125 R

+ 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 hμnh nối đất nhân tạo vμ yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo lμ: R ≤ 1Ω Bất kỳ một hệ thống nối đất nμo cũng phải có các điện cực chôn trong

đất vμ nối với thiết bị mμ ta cần nối đất (điện cực thường sử dụng lμ các cọc sắt thẳng đứng hay các thanh dμi nằm ngang) các điện cực nμy được chôn trong đất

có mức tản dòng điện sét phụ thuộc vμo trạng thái của đất (vì đất lμ môi trường không đồng nhất, khá phức tạp, nó phụ thuộc vμo thμnh phần của

đất như các loại muối, a xít chứa trong đất ) Điều kiện khí hậu cũng ảnh hưởng 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 lường thực địa vμ sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích lμ tăng cường an toμn

Công thức hiệu chỉnh như sau: ρ tt = ρ đ K m

Trong đó:

ρtt : lμ điện trở suất tính toán của đất

ρđ : điện trở suất đo được của đất

K m : hệ số mùa của đất

Hệ số K phụ thuộc vμo dạng điện cực vμ độ chôn sâu của điện cực

Đối với trạm biến áp ta thiết kế có cấp điện áp 110/35kV vμ 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 xμ 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 được của đất: ρ đ = 1,3.10 4 Ω/cm =1,3.10 2 Ω/m

Điện trở nối đất cột đường dây: R c = 20 Ω

Dây chống sét sở dụng loại C- 70 có điện trở đơn vị lμ: R o =2,38Ω/km Chiều dμi khoảng vượt đường dây lμ:

Đối với 110kV: l = 150m

Dạng sóng tính toán của dòng điện sét:

⎩

⎨

⎧

τ

≥

=

τ

<

=

ds s

ds s

khi I I

t khi t a I

Trong đó:

a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/μs

I: biên độ dòng điện sét I = 150kA

τđs : thời gian đầu sóng lấy bằng 5μs = s

a

I s

ds = = = μ

30 150

I s

Hình (4 1) : Dạng sóng của dòng sét.

4.3- trình tự tính toán

Trạm điện thiết kế có điện áp lμ 110/35kV, phía 110kV lμ mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất nên yêu cầu của nối đất an toμn lμ: R ≤ 0,5 Ω Thμnh phần điện trở nối đất R gồm hai thμnh phần:

+ Điện trở nối đất tự nhiên (R tn )

+ Điện trở nối đất nhân tạo (R nt )

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 1Ω Vậy điều kiện nối đất lμ:

(4 2 )

(4 1 )

⎩

⎨

⎧

Ω

≤

Ω

≤

) ( R

) ( , R

//

R

t

n

t n n

.

1

5 0

Từ đó rút ra:

) ( , R

, R R

n

n t

ư

≤

5 0

5 0

4.3.1- Điện trở nối đất tự nhiên

R t.n = 1,25 Ω (đã cho trước)

4.3.2- Điện trở nối đất nhân tạo

) ( ,

, ,

, , ,

R

, R R

n

n t

ư

=

ư

5 0 25 1

5 0 25 1 5 0

5 0

Ta sẽ tính toán thiết kế hệ thống nối đất theo điều kiện điện trở nối đất nhân tạo lμ: R n.t.yc≤ 0,833 Ω

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 thước như sau:

Chiều dμi l 1 = 57m ; Chiều rộng l 2 = 56,55m

Sơ đồ nối đất mạch vòng có chôn cọc của trạm như hình (4 2 ):

B

C

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

l 1 l

Hệ thống nối đất mạch vòng của trạm ta chọn cọc loại thép góc 50x50x5, chiều dμi l =2,5m với lý do lμ để thuận lợi cho việc thi công mμ vẫn đảm bảo

độ dẫn điện tốt Mạch vòng nối giữa các cọc dùng loại sắt dẹt có kích thước 50x5

Sơ đồ bố trí mạch vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm như hình (4

3 ):

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

l: chiều dμi cọc l = 2,5m

t: độ chôn sâu cọc t =0,8m

t

a

l=2,5m

Điện trở tản nhân tạo đối với mạch vòng có chôn cọc được xác định theo công thức sau:

) ( R

n

R

R R R

v m c v

m c

v m c t

η + η

=

Trong đó:

R c : lμ điện trở tản nối đất của cọc (Ω)

R m.v : lμ điện trở tản nối đất của mạch vòng (Ω)

n : lμ số cọc sử dụng

ηm.v vμ ηc : tương ứng lμ hệ số sử dụng mạch vòng, sử dụng cọc phụ

thuộc vμo số cọc vμ tỷ số

l a

Tính điện trở của mạch vòng quanh trạm R m.v :

) ( )

( d t

L k ln L

2

2

ư Ω

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡ π

ρ

=

Trong đó:

ρ = ρđo K mùa (thanh) lμ điện trở suất tính toán của mạch vòng.Tra bảng (2 1)

sách hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA ta có:

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

K mùa (thanh) = 1,6 vậy ρ = ρ.1,6 = 2,08.10 2 (Ω.m)

L lμ chu vi mạch vòng: L = 2.(l 1 + l 2 ) = 2.(57+56,55) = 227,1m

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

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

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

1 00795 1

55 56

57 2

, l

l

Tra bảng (2 5) sách hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA được k

= 5,53

Thay số vμo biểu thức (4 3) ta có:

).

( ,

, ,

, , ln , ,

, d

t

L k ln L

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

=

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡ π

ρ

=

10 5 2 8 0

1 227 53 5 1 227 14 3 2

10 08 2

2 2

2

Ta nhận thấy điện trở của mạch vòng xung quanh trạm lớn hơn điện trở nhân tạo cho phép để tính toán thiết kế (R nđ = 0,833 Ω).Vậy phải dùng thêm

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

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

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

) ( l

t

l t ln d

l ln l

4

4 2

1 2

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ư

′

+

′ +

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡ π

ρ

=

t' 0,8m

l

Hình (4 4): Các kích thước nối đất cọc

Trong đó:

Cọc có kích thước: l = 2,5m

ρ lμ điện trở suất của đất đối với cọc: ρ = ρ đo K mùa (cọc)

ρ đo =1,3.10 2 (Ω.m) K mùa (cọc) = 1,4

(Tra bảng (2-1) sách hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA )

ặ ρ = 1,3.10 2 1,4 = 1,82.10 2 (Ω.m)

d lμ đường kính cọc (m) được tính như sau:

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

t lμ độ chôn sâu: t = 0,8m Giá trị t / được tính:

t l , , 0,8 2,05( m )

2

5 2 8 0

=

′

Thay số liệu vμo (4 5 ) ta có:

Ω

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

ư

+ +

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

5 2 05 2 4

5 2 05 2 4 2

1 10

75 4

5 2 2 5

2 14 3 2

10 82 1

2

2

, ,

,

, ,

ln

,

, ln , ,

,

R coc

Vậy điện trở của một cọc lμ 57,6 Ω

Sau khi tính được R c vμ R mv ta tính điện trở nhân tạo theo công thức (4 3)

Trong công thức nμy ta chỉ mới biết R c vμ R mv vậy ta phải tìm số cọc để

R nt đạt giá trị nhỏ nhất vμ phải đảm bảo nhỏ hơn hoặc bằng giá trị tính toán cho phép R nt ≤ 0,833 Ω η mv vμ η c phụ thuộc số cọc ta sử dụng trong mạch vòng

Ta xét từng trường hợp theo tỷ số

l

a

với các thông số lμ:

L (chu vi mạch vòng) = 227,1m

l (chiều dμi cọc) = 2,5m

* Khi 0,3

l

a = (có nghĩa lμ khoảng cách giữa các cọc a = l =0,75m

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

303 75

0

1 227

1

,

, a

L

Tra bảng 4 phần phụ lục sách hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA

ta có:

ηc = 0,21

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

ηthanh = 0,185

Điện trở nhân tạo trong trường hợp nμy lμ:

,

, , ,

,

, , R

) (

t

+

4 2 21 0 303 185

0 6 57

4 2 6 57

1

Khi 0,25

l

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

Ta có số cọc chôn theo chu vi lμ:

364 625

0

1 227

2

,

, a

L

Tra bảng 4 vμ bảng 6 trong phần phụ lục sách hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA kết hợp với phương pháp nội suy như hình (4 5) ta có :

η c = 0,19 ; η thanh = 0,17

Điện trở nhân tạo trong trường hợp nμy lμ:

,

, , ,

,

, , R

) (

t

+

19 0 4 2 364 17

0 6 57

4 2 6 57 2

Từ kết quả tính toán có:

R n.t(1) = 0,846.Ω > R nhân tạo yêu cầu = 0,833 Ω

Phương án nμy không đảm bảo do giá trị điện trở nối đất lớn hơn giá trị

điện trở yêu cầu nên bị loại

R n.t(2) = 0,786 Ω < 0,833 Ω = R nhân tạo yêu cầu

Phương án nμy đảm bảo yêu cầu do giá trị điện trở nối đất nhỏ hơn giá trị điện trở yêu cầu

Vậy ta chọn R n.t(2) = 0,786 Ω Số cọc lμ 364 cọc Khoảng cách giữa các cọc

lμ a = 0,625 m

4.4- tính toán nối đất chống sét

Khi có dòng điện sét đi vμo 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 hưởng của điện cảm mất dần

vμ điện áp phân bố sẽ đều hơn

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

T =L.g.l 2 (4 6 )

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

R

l

.

g = 1 của điện cực

Từ biểu thức (4 6) ta thấy khi dòng điện tản trong đất lμ dòng điện một chiều hoặc xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh hưởng của L không đáng

kể vμ bất kỳ hình thức nối đất nμo ( thẳng đứng hoặc nằm ngang ) cũng đều biểu thị bởi trị số điện trở tản

Khi dòng điện tản trong đất lμ dòng điện sét, tham số biểu thị của nối

đất tuỳ thuộc vμo tương quan giữa hằng số thời gian T vμ thời gian đầu sóng của dòng điện Khi T<< τ đ.s (khi dòng điện đạt trị số cực đại) thì cần xét quá trình quá độ đã kết thúc vμ nối đất thể hiện như một điện trở tản Trường hợp nμy ứng với các hình thức nối đất dùng cọc hoặc thanh có chiều dμi không lớn lắm vμ goị lμ nối đất tập trung

Nếu điện cực dμi, hằng số thời gian có thể đạt tới mức τ đ.s vμ tại thời

điểm dòng điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ chưa kết thúc vμ như đã phân tích tác dụng của điện cảm, nối đất sẽ thể hiện như một tổng trở Z có giá trị rất lớn so với điện trở tản Trường hợp nμy gọi lμ nối đất phân bố dμi Trong tính toán thiết kế trạm biến áp 110kV, thường thì phần nối đất nối chung với mạch vòng nối đất an toμn của trạm Như vậy sẽ gặp trường hợp nối đất phân bố dμi, tổng trở xung kích Z x.k có thể lớn gấp nhiều lần so

với điện trở tản xoay chiều lμm tăng điện áp giáng trên bộ phận nối đất vμ

có thể gây phóng điện ngược đến các phần mang điện của trạm Do đó ta phải tính toán, kiểm tra theo yêu cầu của nối đất chống sét trong trường hợp có dòng điện sét đi vμo 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 lμ dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi (xem hình 4-1)

Dạng sóng tính toán của dòng điện sét: + I s = a.t khi t < τ đs

+ I s = I khi t ≥ τ đs

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

+ I: biên độ dòng điện sét I = 150kA

+ τđs : thời gian đầu sóng lấy bằng 5μs ; ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

s a

I s

30 150

4.4.2- Yêu cầu kiểm tra

Ta kiểm tra theo điều kiện nhằm đảm bảo an toμn cho cách điện của máy biến áp : I.Z(0, τ đ.s ) ≤ U 0,5

Trong đó:

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

Z(0, τđ.s ): lμ tổng trở xung kích nối đất tại thời điểm ngay chỗ dòng

điện sét đi vμo điện cực

U 0,5 : trị số điện áp phóng điện xung kích bé nhất của máy biến áp

U 0,5 (MBA) = 460kV

4.4.3- Tính toán lại trị số điện trở nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét

Do việc dùng hệ thống nối đất an toμn lμm 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 lμ:

K m.v = 1,2 ; K coc = 1,15

Dựa vμo công thức (4 4) vμ (4 5) ta thấy R m.v vμ R coc. sẽ tỷ lệ thuận với

k mùa , do ρ đo không đổi

Vậy điện trở của mạch vòng lμ:

8 , 1 6 , 1

4 , 2 2 , 1 K

.

R K

R

) toμn an (

v m

) toμn an ( v m ) sét (

v m v

.

Điện trở của cọc lμ:

3 , 47 4

, 1

6 , 57 15 , 1 K

.

R K

R

) toμn an (

cọc

) toμn an ( cọc ) sét (

cọc

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

) 7 4 (

R n

R

R R R

cọc v m v

m cọc

v m cọc )

sét

(

t

η +

η

=

Trong đó:

R m.v vμ R cọc ta vừa tính đ−ợc

n lμ số cọc đã tính đ−ợc n = 364 cọc

ηcọc vμ ηm.v đã tính đ−ợc ở phần nối đất nhân tạo ứng với n = 364 cọc

ta có ηcọc = 0,19 ; ηm.v = 0,17

Vậy:

647 , 0 19 , 0 8 , 1 364 17

, 0 3 , 47

8 , 1 3 , 47

R n

R

R R R

cọc v m v

m cọc

v m cọc )

sét

(

t

+

= η +

η

=

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

R n.t sét =0,647Ω

4.4.4- Tính tổng trở đầu vμo của nối đất chống sét Z(0; τđ.s )

Để tính tổng trở đầu vμo 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 vμ giả thiết điện trở suất của đất không đổi