Luận văn Hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Việt Nam

ÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN110KV HÀ ĐÔNG –PHỦ LÝ – NINH BÌNH. Chỉ tiêu chống sét cho đường dây là số năm vận hành an toàn giữa hai lần sự cố liên tiếp, ta đã tính được suất cắt đường dây khi bị sét đánh. Chỉ tiêu chống sét cho đường dây Hà Đông – Phủ Lý – Ninh Bình có l = 150km là: 04,15,1.77,0 100 150 . 44,1 1 100 150 . n 1 m ==== (Năm / lần sự cố ) Nhận xét: Sau khi tính toán suất cắt cho đường dây tải điện 110kV ta thấy: - Suất cắt của đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn không phụ thuộc vào trị số điện trở nối đất của cột điện, nhưng lại phụ thuộc vào góc bảo vệ α, do đó để giảm số lần cắt điện do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn thì phải giảm góc bảo vệ α. - Khi sét đánh vào khoảng vượt thì khả năng phóng điện trên cách điện của đường dây phụ thuộc vào trị số của điện trở nối đất. Nếu điện trở nối đất nhỏ thì khả năng phóng điện là rất ít vì khi sét đánh vào dây chống sét trong khoảng vượt sẽ gây ra các sóng quá điện áp truyền về cột điện, sóng này gặp điện trở nối đất nhỏ nên điện áp đi vào bộ phận nối đất được giảm thấp. đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 44 - Khi sét đánh vào đỉnh cột thì phần lớn dòng điện sét sẽ đi vào hệ thống nối đất của cột điện. Phần còn lại sẽ theo dây chống sét đi vào hệ thống nối đất của cột điện bên cạnh. Do vậy trị số của điện trở nối đất ảnh hưởng lớn đến trị số điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây. Vậy để giảm số lần cắt điện đường dây do sét thì phải giảm điện trở nối đất của cột điện và tăng cường cách điện cho đường dây. Chương 3 BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP TRẠM BIẾN ÁP 110/35 KV. đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 45 3.1-KHÁI NIỆM CHUNG. Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện. Đối với trạm biến áp 110/35kV thì các thiết bị điện của trạm được đặt ngoài trời nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề không những chỉ làm hỏng đến các thiết bị trong trạm mà còn gây nên những hậu quả cho những ngành 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 này là tập trung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên dưới hệ thống này. Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ nối đất. Để nâng cao tác dụng của hệ thống này 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. Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và 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 VÀO TRẠM BIẾN ÁP. Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ. Hệ thống bảo vệ trạm 110/35kV ở đây ta dùng hệ thống cột thu lôi, hệ thống này có thể được đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt độc lập tùy thuộc vào 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 và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi. Nhưng mức cách điện của trạm phải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thống thu đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 46 sét sang thiết bị. Vì đặt kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện không đủ lớn. Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và 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 và độ dài chuỗi sứ lớn) do đó có thể đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vào 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 ngoài trời điện áp từ 110kV trở lên là 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 vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp là 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 làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện phải được cho vào ống chì và 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 và dựa vào độ cao của các thiết bị ta có thể bố trí được các cột thu lôi và tính được độ cao của chúng. 3.3.1- Các công thức sử dụng để tính toán. - Độ cao cột thu lôi: h =hx + ha (3 – 1) đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 47 Trong đó: + hx : độ cao của vật được bảo vệ. + ha : độ cao tác dụng của cột thu lôi, được xác định theo từng nhóm cột. (ha ≥ D/8 m). (với D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột) - Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là: )23()hh( h h 1 6,1 r x x x −− + = - Nếu hx ≤ 2/3h thì: ) h8,0 h 1.(h5,1r xx −= (3 –3) - Nếu hx > 2/3h thì: ) h h 1.(h75,0r xx −= (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 là 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 là ho và được xác định theo công thức: )( a hho 537 −−= Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là rxo và được xác định như sau: )( h h , r o x xo 63 1 61 − + = đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 48 H×nh (3 – 1 ): Tr−êng hîp hai cét thu l«i cã chiÒu cao b»ng nhau . rx 0,2h h 1,5h 0,75h rxo rx ho=h-a/7 R hx 0 a - Trường hợp hai cột thu lôi có độ cao khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo vệ được xác định như sau: - Khi có hai cột thu lôi A và B có độ cao h1 và h2 như hình vẽ dưới đây: (H×nh 3 – 2 ): Tr−êng hîp hai cét thu l«i cã chiÒu cao kh¸c nhau a' 2 h2 1 h1 3 R a - Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi C có độ cao h2 , khi đó các khoảng cách AB = a; BC = a'. Khi đó xác định được các khoảng cách x và a' như đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 49 sau: )()hh.( h h , -ax-aa' )hh.( h h , x 73 1 61 1 61 21 1 2 21 1 2 −− + == − + = Đối với trường hợp khi có hai cột thu lôi cao bằng nhau ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho : 7 a hho −= Tương tự ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột B và C là: )hh.( h h , ah 7 a' hho 21 1 2 22 1 61 − + +−=−= )hh.( h h , r xoxo − + = 1 21 61 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 là: 57 x 58,350m và bao gồm: + Hai máy biến áp T1 và T2 + 2 lộ 110kV và 6 lộ 35kV. - Độ cao các thanh xà phía 110kV là 10m và 8m. - Độ cao các thanh xà phía 35kV là 9m và 7m. - Ngoài 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 Hà Đông cấp về, một đường từ Ninh Bình cấp lên, hai đường 110kV này được nối với nhau qua máy cắt liên lạc giữa hai hệ thống thanh góp. đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 50 Trạm có cấp điện áp 110/35kV và có hai máy biến áp T1 ; T2 được nối với hai lộ đường dây vào 110kV và sáu lộ đường dây 35kV. Phía 110kV có hai hệ thống thanh góp và 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 và 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 là cột số 5 có độ cao là 21m; các cột số 1 đến số 4 được bố trí trên các thanh xà có độ cao 10m và các cột này có độ cao là 21m ( tính từ xà đến kim thu sét là 6m, kim thu sét cao 5m) - Các cột thu lôi phía 35kV được bố trí trên các thanh xà có độ cao 9m, cột cao thêm 7m, kim thu sét cao 5m là các cột số 6;7;8;9. Ngoài ra còn hai cột thu lôi độc lập cao 21m là cột số 10 và 11. Hình ( 3 – 3 ) 5 1 0 2 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 ≤ 8ha Trong đó: - D: Là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác ( hoặc tứ giác), tạo bởi các chân cột. đó là phạm vi mà nhóm cột có thể bảo vệ được. Hình (3–3): Đường tròn ngoại tiếp tam giác đi qua 3 chân cột thu lôi đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 51 - ha : Là 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 hx nào đó là: a ≤ 7h Với a là khoảng cách giữa hai cột thu lôi. - Xét nhóm cột 1;2;5. Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đường tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột 1;2;5. (1 ÷ 2 = 26m; từ điểm giữa 1÷2 với 5 = 8,5m ) Và đường kính vòng tròn là: Xét tam giác (1;2;5) , ta có: (1;2)=26 m ; (0;5)=8,5 m, suy ra : m53,155,813)2;0()5;0()5;2( 2222 =+=+= Ta có công thức để tính đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5): )( )cp).(bp).(ap.(p. c.b.a r 83 4 − −−− = Trong đó: + p là nửa chu vi tam giác (1;2;5): 2 cba p ++ = + r là bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5). Thay số vào (3 –8 ) ta có: Bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5) là: 5328 2 5315531526 , ,, p = ++ = m., ),,).(,,).(,.(,. ,.,. r 214 531553285315532826532853284 5315531526 = −−− = Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5) là: D =14,2. 2 = 28,4m. Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 1;2;5 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: m., ,D ha 5538 428 8 === - Xét nhóm cột (3;4;5) ta có: đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 52 Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đường tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột 3;4;5. (3 ÷ 4 = 17m; khoảng cách từ 5 đến (3÷4)= 20,35m ). Đoạn (4÷5): m.,, 9205204 22 =+= Đoạn (3÷5): m.,, 272452013 22 =+= 31 2 272492017 = ++ = ,, p m., ),).(,).(.(. ,.,. r 5512 272431920311731314 272492017 = −−− = Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (3;4;5) là: D =12,55. 2 = 25,1m. Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 3;4;5 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: m., ,D ha 1438 125 8 === - Xét nhóm cột (6;7;11) ta có: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đường tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột 6;7;11. Có: (6 ÷ 7) = 15m; (6÷11) = 15m ); (7÷11) = 15.1,41 = 21,2m 625 2 2211515 , , p = ++ = m., ),,).(,).(,.(,. ,.. r 610 22162515625156256254 2211515 = −−− = Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (6;7;11) là: D = 10,6. 2 =21,2m. Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 6;7;11 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: m., ,D ha 6528 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 được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: m., ,D ha 6528 221 8 === Các cột 2;5;3. Có: (2 ÷ 5) = 19m; (3÷5) = 24m ); (2÷3) = 28,85m đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 53 935 2 85282419 , , p = ++ = m., ),,).(,).(,.(,. ,.. r 7514 852893524935199359354 85282419 = −−− = Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (6;7;11) là: D = 14,75. 2 =29m. Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 2;5;3 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: m., D ha 638 29 8 === Qua tính toán độ cao tác dụng của các cột thu lôi, có thể lấy chung một giá trị độ cao tác dụng tối thiểu của cột thu lôi toàn trạm là chiều cao tác dụng của nhóm cột nào có giá trị lớn nhất. Do vậy ta lấy: ha = 3,6m. Tính độ cao cột thu lôi – chọn kim thu sét: Độ cao cột thu lôi dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp được xác định bởi: Trong đó: + h: độ cao cột thu lôi. + hx: độ cao của vật được bảo vệ. + ha: độ cao tác dụng của cột thu lôi. Đối với phía 110kV các thanh xà cao 10m (hx = 10m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là: h = hx + ha =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 là 21m, nên ta chọn loại cột 16m. Kim thu sét ta chọn loại sắt ống có chiều cao là 5m. Do đó độ cao cột thu lôi là: h = 16 + 5 = 21m. Vậy độ cao bảo vệ phía 110kV là: 21m. Đối với phía 35kV các thanh xà cao 9m (hx = 9m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là: h = hx + ha =9 + 3,55 = 12,6m. Ta cũng chọn độ cao bảo vệ phía 35kV là: 21m. Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi: đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 54 * Bán kính bảo vệ của cột thu lôi cao 21m: - Bán kính bảo vệ ở độ cao 10m: hx =10 m < 2/3 h = 14 m. Nên: m, ., ., h., h h.,r xx 75122180 1012151 80 151 =      −=      −= - Bán kính bảo vệ ở độ cao 9m: m, ., ., h., h h.,r xx 625142180 912151 80 151 =      −=      −= - Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m: m, ., ., h., h h.,r xx 5162180 812151 80 151 =      −=      −= - Bán kính bảo vệ ở độ cao 7m: m, ., ., h., h h.,r xx 375182180 712151 80 151 =      −=      −= * Phạm vi bảo vệ của các cặp cột thu lôi: - Xét cặp cột 1;2. Khoảng cách giữa hai cột là: a = 26m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: m, a hho 3177 2621 7 =−=−= Bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: Ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,5m. Nên : .m, ,., .,., h., h h.,r o x oxo 2731780 10131751 80 151 =      −=      −= Ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3h = 11,5m .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 951031780 8131751 80 151 =      −=      −= - Xét cặp cột 1;5: khoảng cách giữa hai cột là : .m,,, ; a ; 53155813582 21 222 2 51 =+=+      = đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 55 Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: m, ,a hho 78187 531521 7 =−=−= Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: Ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 12,52m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 429781880 101781851 80 151 =      −=      −= Ở độ cao 8m: hx = 8 < 2/3ho = 12,52m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 1713781880 81781851 80 151 =      −=      −= Tương tự như cặp cột 1;5, cặp cột 2;5 có: Ở độ cao 10m: rxo = 9,42m ; Ở độ cao 8m : rxo =13,17m. - Xét cặp cột 3;4: khoảng cách giữa hai cột là: a =17m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: m, a hho 57187 1721 7 =−=−= Ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 12,38m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 85512571880 81571851 80 151 =      −=      −= Ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3ho = 12,38m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 85512571880 81571851 80 151 =      −=      −= - Xét cặp cột 3;5: khoảng cách giữa hai cột là: .m,,a 272452013 22 =+= Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: .m, ,a hho 53177 272421 7 =−=−= Ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,688m. đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 56 .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 5457531780 101531751 80 151 =      −=      −= Ở độ cao 8m: hx = 8m <2/3 ho = 11 688m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 29511531780 81531751 80 151 =      −=      −= - Xét cặp cột 4;5: khoảng cách giữa hai cột là: .m,,a 88205204 22 =+= Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: .m ,a hho 187 882021 7 =−=−= Ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,688m. .m, ., .., h., h .h.,r o x oxo 2581880 1011851 80 151 =      −=      −= Ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3ho = 11,688m. .m ., .., h., h .h.,r o x oxo 121880 811851 80 151 =      −=      −= - Xét cặp cột 2;3: khoảng cách giữa hai cột là: a =28,85m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: .m, ,a hho 878167 852821 7 =−=−= Ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,25m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 56768781680 1018781651 80 151 =      −=      −= Ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3ho = 11,25m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 3108781680 818781651 80 151 =      −=      −= - Xét cặp cột 6;7: khoảng cách giữa hai cột là: a = 15m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 57 .m, a hho 28197 1221 7 =−=−= Ở độ cao 9m: hx = 9m < 2/3ho = 12,85m. m, ,., .,., h., h h.,r o x oxo 04512281980 91281951 80 151 =      −=      −== Ở độ cao 7m: hx = 7m < 2/3ho = 12,85m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 79515281980 7 1281951 80 151 =      −=        −= - Xét cặp cột 6;11: khoảng cách giữa hai cột là: a = 15m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: .m, a hho 28197 1221 7 =−=−= Tương tự như cặp cột 6;7 ta có: - Ở độ cao 9m: rxo =12,045m. - Ở độ cao 7m: rxo =15,795m. - Xét cặp cột 7;11: khoảng cách giữa hai cột là: m21,212.152.aa )76( === − Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: .m, ,a hho 969177 212121 7 =−=−= Ở độ cao 9m: hx = 9m < 2/3ho = 11,979m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 07109691780 919691751 80 151 =      −=      −= Ở độ cao 7m: hx = 9m < 2/3ho = 11,979m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 83139691780 719691751 80 151 =      −=      −= - Xét cặp cột 8;9: khoảng cách giữa hai cột là: a = 15m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: .m, a hho 28197 1221 7 =−=−= đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 58 Tương tự cặp cột 6;7 ta có: - Ở độ cao 9m: rxo = 12,045m. - Ở độ cao 7m: rxo = 15,795m. - Xét cặp cột 9;10: khoảng cách giữa hai cột là: a = 15m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: .m, a hho 28197 1221 7 =−=−= Tương tự cặp cột 6;7 ta có: - Ở độ cao 9m: rxo = 12,045m. - Ở độ cao 7m: rxo = 15,795m. - Xét cặp cột 8;10: khoảng cách giữa hai cột là: .m21,212.152.aa )98( === − Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: .m, ,a hho 969177 212121 7 =−=−= Ở độ cao 9m: hx = 9m < 2/3ho = 11,979m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 07109691780 919691751 80 151 =      −=      −= Ở độ cao 7m: hx = 9m < 2/3ho = 11,979m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 83139691780 719691751 80 151 =      −=      −= - Xét cặp cột 7;8: khoảng cách giữa hai cột là: a = 10m Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: .m, a hho 57197 1021 7 =−=−= Ở độ cao 9m: hx = 9m < 2/3ho = 13m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 4812571980 91571951 80 151 =      −=      −= Ở độ cao 7m: hx = 7m < 2/3ho = 13m. .m, ,., .,., h., h .h.,r o x oxo 2316571980 71571951 80 151 =      −=      −= đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 59 Nhận xét: Quá tính toán ở trên ta vẽ phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu lôi cho toàn trạm. Cụ thể được trình bày ở hình (3 – 5 ). Từ hình vẽ (3 – 5 ) ta thấy rằng toàn 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 là đảm bảo về mặt kỹ thuật. Bảng (3–1) và bảng (3-2) trình bày 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 Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rxo (m) ho (m) 1-2 21 10 11 7,2 17,3 1-2 21 8 13 10,95 17,3 1-5 21 10 11 9,42 18,78 1-5 21 8 13 13,17 18,78 2-5 21 10 11 9,42 18,78 2-5 21 8 13 13,17 18,78 2-3 21 10 11 6,567 16,878 2-3 21 8 13 10,3 16,878 3-4 21 10 11 9,1 18,57 3-4 21 8 13 12,855 18,57 3-5 21 10 11 7,545 17,53 3-5 21 8 13 11,295 17,53 4-5 21 10 11 8,25 18,0 4-5 21 8 13 12,0 18,0 6-7 21 9 12 12,045 19,28 6-7 21 7 14 15,595 19,28 6-11 21 9 12 12,045 19,28 6-11 21 7 14 15,595 19,28 7-11 21 9 12 10,07 17,969 đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 60 7-11 21 7 14 13,83 17,969 8-9 21 9 12 12,045 19,28 8-9 21 7 14 15,595 19,28 9-10 21 9 12 12,045 19,28 9-10 21 7 14 15,595 19,28 8-10 21 9 12 10,07 17,969 8-10 21 7 14 13,83 17,969 Bảng 3–2 : Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi phương án I Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rx (m) 1 21 10 11 12,75 1 21 8 13 16,5 2 21 10 11 12,75 2 21 8 13 16,5 3 21 10 11 12,75 3 21 8 13 16,5 4 21 10 11 12,75 4 21 8 13 16,5 5 21 10 11 12,75 5 21 8 13 16,5 6 21 9 12 14,625 6 21 7 14 18,375 7 21 9 12 14,625 7 21 7 14 18,375 8 21 9 12 14,625 8 21 7 14 18,375 9 21 9 12 14,625 đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 61 9 21 7 14 18,375 10 21 9 12 14,625 10 21 7 14 18,375 11 21 9 12 14,625 11 21 7 14 18,375 3.3.3.2- Phương án 2. - Các cột thu lôi phía trạm 110kV được bố trí độc lập là cột số 5 có độ cao là 21m; các cột số 1 đến số 4 được bố trí trên các thanh xà có độ cao 10m và các cột này có độ cao là 21m ( tính từ xà đến kim thu sét là 6m, kim thu sét cao 5m) - Các cột thu lôi phía 35kV được bố trí trên các thanh xà có độ cao 9m, cột cao thêm 7m, kim thu sét cao 5m là các cột số 6;7;8;9. Ngoài ra còn hai cột thu sét độc lập cao 21m là cột số 10 và 11 ta đặt ở vị trí mới như hình ( 3 – 6 ). Tính độ cao tác dụng của cột thu lôi: Cách tính được tiến hành tương tự như ở phương án 1. Xét nhóm cột (1;2;5) (2;3;5) (3;4;5): Tương tự như ở phương án 1 ta có bảng ( 3 – 3 ): Nhóm cột Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (D) Độ cao tối thiểu để nhóm cột bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng (ha) (1;2;5) 28,4m 3,55m (3;4;5) 25,1m 3,14m (2;3;5) 29m 3,6m Xét nhóm cột (6;7;11) ta có: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đường tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột (6;7;11). Đoạn (6÷7) = 15m. Đoạn (6÷11) = (7÷11) .m.,, 77161557 22 =+= đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 62 2724 2 7716771615 , ,, p = ++ = .m, ),,).(,,).(,.(,. .... r 379 771627247716272415272427244 7716771615 = −−− = Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (6;7;11)là: D =9,37.2 = 18,75m. Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột (6;7;11) bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: .m, ,D ha 3428 7518 8 === Tương tự ta có nhóm cột (8;9;10) có các giá trị như nhóm cột (6;7;11): ha =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 vào trạm biến áp được xác định bởi: Trong đó: + h: độ cao cột thu lôi. + hx: độ cao của vật được bảo vệ. + ha: độ cao tác dụng của cột thu lôi. - Đối với phía 110kV các thanh xà cao 10m (hx = 10m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là: h = hx + ha =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 là 21m, nên ta chọn loại cột 16m. Kim thu sét ta chọn loại sắt ống có chiều cao là 5m. Do đó độ cao cột thu lôi là: h = 16 + 5 = 21m. Vậy độ cao bảo vệ phía 110kV là: 21m. - Đối với phía 35kV các thanh xà cao 9m (hx = 9m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là: h = hx + ha =9 + 3,6 = 12,6m. Ta cũng chọn độ cao bảo vệ phía 35kV là: 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 như đã tính ở phần 1 ta có bảng (3 –4 ). đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 63 * Phạm vi bảo vệ của các cặp cột (1;2), (1;5), (2;5), (3;4), (3;5), (4;5), (2;3) như bảng (3 – 5 ). Xét cặp cột (6;7) và (8;9) có: Ở độ cao 9m như ở phương án1 ta có bảng ( 3 – 4 ) : Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rxo (m) ho (m) 6-7 21 9 12 12,045 19,28 6-7 21 7 14 15,595 19.28 8-9 21 9 12 12,045 19,28 8-9 21 7 14 15,595 19.28 Xét cặp cột (6;11) khoảng cách giữa hai cột là: a = 16,77m. Độ cao lớn nhất của khu vực được bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: .m, ,a hho 6187 771621 7 =−=−= Ở độ cao 9m: hx = 9m < 2/3ho = 12,4m. .m, ,., .,., h., h .h,r o x oxo 325881680 9181651 80 151 =      −=      −= Ở độ cao 7m: hx = 7m < 2/3ho = 12,4m. .m, ,., .,., h., h .h,r o x oxo 0751281680 7181651 80 151 =      −=      −= Vì cặp cột (6;11), (7;11), (8;10), (9;10) như nhau nên ta có bảng (3 – 5 ): Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rxo (m) ho (m) 6-11 21 9 12 8,325 16,8 6-11 21 7 14 12,075 16,8 7-11 21 9 12 8,325 16,8 7-11 21 7 14 12,075 16,8 8-10 21 9 12 8,325 16,8 8-10 21 7 14 12,075 16,8 9-10 21 9 12 8,325 16,8 đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 64 9-10 21 7 14 12,075 16,8 Nhận xét: Qua tính toán ở trên ta có các bảng ( 3 – 7) và ( 3 – 8 ) vẽ phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu lôi cho toàn trạm. Cụ thể được trình bày ở hình (3 – 7). Từ hình vẽ (3 – 7) ta thấy rằng toàn 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 là đảm bảo về mặt kỹ thuật. Bảng (3–6): Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi ở phương án 2 Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rx (m) 1 21 10 11 12,75 1 21 8 13 16,5 2 21 10 11 12,75 2 21 8 13 16,5 3 21 10 11 12,75 3 21 8 13 16,5 4 21 10 11 12,75 4 21 8 13 16,5 5 21 10 11 12,75 5 21 8 13 16,5 6 21 9 12 14,625 6 21 7 14 18,375 7 21 9 12 14,625 7 21 7 14 18,375 đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 65 8 21 9 12 14,625 8 21 7 14 18,375 9 21 9 12 14,625 9 21 7 14 18,375 10 21 9 12 14,625 10 21 7 14 18,375 11 21 9 12 14,625 11 21 7 14 18,375 Bảng(3–7): Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi ở phương án 2 Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rxo (m) ho (m) 1-2 21 10 11 7,2 17,3 1-2 21 8 13 10,95 17,3 1-5 21 10 11 9,42 18,78 1-5 21 8 13 13,17 18,78 2-5 21 10 11 9,42 18,78 2-5 21 8 13 13,17 18,78 2-3 21 10 11 6,567 16,878 2-3 21 8 13 10,3 16,878 3-4 21 10 11 9,1 18,57 3-4 21 8 13 12,855 18,57 3-5 21 10 11 7,545 17,53 3-5 21 8 13 11,295 17,53 4-5 21 10 11 8,25 18,0 4-5 21 8 13 12,0 18,0 đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 66 6-7 21 9 12 12,045 19,28 6-7 21 7 14 15,595 19,28 6-11 21 9 12 8,325 16,8 6-11 21 7 14 12,075 16,8 7-11 21 9 12 8,325 16,8 7-11 21 7 14 12,075 16,8 8-9 21 9 12 12,045 19,28 8-9 21 7 14 15,595 19,28 9-10 21 9 12 8,325 16,8 9-10 21 7 14 12,075 16,8 8-10 21 9 12 8,325 16,8 8-10 21 7 14 12,075 16,8 3.4 -KẾT LUẬN. Qua quá trình tính toán trên ta thấy cả hai phương án đều đảm bảo yêu cầu về mặt kỹ thuật, nhưng phương án I do các cột 10 ;11 nằm ra ngoài gần tường bao trạm nên đảm bảo về mỹ quan và cách xa các thiết bị mang điện tạo không gian thông thoáng. Ngoài 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. đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 67 Chương 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 đường dây, các thiết bị chống sét phải được tính toán cụ thể trong khi thiết kế. Nối đất làm việc. Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị, hoặc một số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ nối đất trực tiếp. Thường 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 lường và các kháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện. đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 68 Nối đất chống sét. Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất (khi sét đánh vào 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 toàn. Có tác dụng 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 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 này sẽ làm nguy hiểm đến con người 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 người khi tiếp xúc với chúng.Về nguyên tắc là 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 càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng của nối đất tốt hơn an toàn 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 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 ≤ 0,5Ω.(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: Ω≤ I R 250 + 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: đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 69 Ω≤ 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 hành nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R ≤ 1Ω. 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 thường sử dụng là các cọc sắt thẳng đứng hay các thanh dài nằm ngang) các điện cực này được chôn trong đất có mức tản dòng điện sét phụ thuộc vào trạng thái của đất (vì đất là môi trường không đồng nhất, khá phức tạp, nó phụ thuộc vào thành 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 và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn. Công thức hiệu chỉnh như sau: ρtt = ρđ.Km Trong đó: ρtt: là điện trở suất tính toán của đất. ρđ: điện trở suất đo được 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. đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 70 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 được của đất: ρđ = 1,3.104 Ω/cm =1,3.102 Ω/m. Điện trở nối đất cột đường dây: Rc = 20 Ω. Dây chống sét sở dụng loại C- 70 có điện trở đơn vị là: Ro =2,38Ω/km. Chiều dài khoảng vượt đường dây là: Đối với 110kV: l = 150m. Dạng sóng tính toán của dòng điện sét:    τ≥= τ<= dss dss khiII tkhit.aI 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 Is ds µ===τ 530 150 Is τ®s I t H×nh (4–1) : D¹ng sãng cña dßng sÐt. 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 Ω. Thành phần điện trở nối đất R gồm hai thành phần: đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 71 + 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 1Ω. Vậy điều kiện nối đất là:    Ω≤ Ω≤ )(R )(,R//R t.n t.nn.t 1 50 Từ đó rút ra: )( ,R ,.R R n.t n.t t.n Ω − ≤ 50 50 4.3.1- Điện trở nối đất tự nhiên. Rt.n = 1,25 Ω (đã cho trước). 4.3.2- Điện trở nối đất nhân tạo. )(, ,, ,., ,R ,.R R n.t n.t t.n Ω= − = − ≤ 8330 50251 50251 50 50 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 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 dài l1 = 57m ; Chiều rộng l2 = 56,55m. Sơ đồ nối đất mạch vòng có chôn cọc của trạm như hình (4 –2 ): A D l (4 – 1 ) (4 – 2 ) đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 72 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 thước 50x5. Sơ đồ bố trí mạch vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm như hình (4 – 3 ): a: là khoảng cách giữa các cọc theo chu vi mạch vòng. 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 được xác định theo công thức sau: )( R..n.R R.R R v.mcv.mc v.mc t.n 34 −η+η = Trong đó: Rc : là điện trở tản nối đất của cọc (Ω). Rm.v : là điện trở tản nối đất của mạch vòng (Ω). t a l=2,5m Hình (4 – 3 ): Sơ đồ bố trí mạch vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 73 n : là số cọc sử dụng. ηm.v và ηc : tương ứng là hệ số sử dụng mạch vòng, sử dụng cọc phụ thuộc vào số cọc và tỷ số l a Tính điện trở của mạch vòng quanh trạm Rm.v : )()( d.t L.k ln L.. R v.m 442 2 −Ω    pi ρ = Trong đó: ρ = ρđo.Kmùa (thanh) là điện trở suất tính toán của mạch vòng.Tra bảng (2–1) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có: Kmùa (thanh) = 1,6 vậy ρ = ρ.1,6 = 2,08.102 (Ω.m). L là chu vi mạch vòng: L = 2.(l1 + l2) = 2.(57+56,55) = 227,1m. d là đường 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 ρ ổn định ) : t = 0,8m. k là hệ số phụ thuộc hình dạng của hệ thống nối đất . Ta có: 1007951 5556 57 2 1 ≈== , ,l l Tra bảng (2 – 5) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” được k = 5,53. Thay số vào biểu thức (4 – 3) ta có: ).(, .,., ,., ln ,.,. ., d.t L.k ln L.. R v.m Ω=         =    pi ρ = − 42 105280 1227535 12271432 10082 2 2 222 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 Ω).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 √ ). đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 74 Đối với cọc điện trở tản xoay chiều được xác định theo công thức sau: )( lt. lt. ln. d l. ln. l.. Rcoc 544 4 2 12 2 −      − ′ +′ +    pi ρ = Trong đó: Cọc có kích thước: l = 2,5m. ρ là điện trở suất của đất đối với cọc: ρ = ρđo.Kmùa (cọc) . ρđo =1,3.102 (Ω.m). Kmùa (cọc) = 1,4. (Tra bảng (2-1) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA”)
ρ = 1,3.102.1,4 = 1,82.102 (Ω.m). d là đường kính cọc (m) được tính như 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/ được tính: )m(,, , , l t 05280 2 5280 2 =+=+=′ Thay số liệu vào (4 – 5 ) ta có: Ω=         − + +         = − 657 520524 520524 2 1 10754 522 521432 10821 2 2 , ,,. ,,. ln. ., ,. ln. ,.,. ., Rcoc Vậy điện trở của một cọc là 57,6 Ω. Sau khi tính được 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 Ω. ηmv và ηc phụ thuộc số cọc ta sử dụng trong mạch vòng. t' 0,8m l Hình (4 – 4): Các kích thước nối đất cọc đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 75 Ta xét từng trường hợp theo tỷ số l a với các thông số là: L (chu vi mạch vòng) = 227,1m. l (chiều dài cọc) = 2,5m. * Khi 30, l a = (có nghĩa là khoảng cách giữa các cọc a = l =0,75m. Ta có số cọc chôn theo chu vi mạch vòng là: 303 750 1227 1 1 === , , a L n cọc. 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 này là: ., ,.,.,., ,., R )(t.n Ω= + = 8460 422103031850657 42657 1 Khi 250, l a = (Có nghĩa là khoảng cách giữa hai cột a = 0,625m) Ta có số cọc chôn theo chu vi là: 364 6250 1227 2 2 === , , a L n cọc Tra bảng 4 và 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 : ηc = 0,19 ; ηthanh = 0,17 Điện trở nhân tạo trong trường hợp này là: ., ,.,.,., ,., R )(t.n Ω= + = 7860 19042364170657 42657 2 Từ kết quả tính toán có: Rn.t(1) = 0,846.Ω > Rnhân tạo yêu cầu = 0,833. Ω. đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 76 Phương án này không đảm bảo do giá trị điện trở nối đất lớn hơn giá trị điện trở yêu cầu nên bị loại. Rn.t(2) = 0,786 Ω < 0,833 Ω = Rnhân tạo yêu cầu Phương 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 Ω. 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 hưởng 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 R l.g 1 = 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 hưởng 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 tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng của dòng điện. Khi T<< τđ.s (khi dòng điện đạt trị số cực đại) thì cần xét quá trình quá độ đã kết thúc và nối đất thể hiện như một điện trở tản. Trường 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. đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 77 Nếu điện cực dài, hằng số thời gian có thể đạt tới mức τđ.s và tại thời điểm dòng điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ chưa kết thúc và 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 này gọi là nối đất phân bố dài. Trong tính toán thiết kế trạm biến áp 110kV, thường thì phần nối đất nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm. Như vậy sẽ gặp trường 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 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 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 < τđs + Is = I khi t ≥ τđs 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 ;       µ===τ s a I s ds 530 150 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, τđ.s ) ≤ U0,5. Trong đó: I : là trị số dòng điện sét lấy bằng 150kV. Z(0, τđ.s ): là tổng trở xung kích nối đất tại thời điểm ngay chỗ dòng điện sét đi vào điện cực. đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 78 U0,5 : trị số điện áp phóng điện xung kích bé nhất của máy biến áp U0,5 (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 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 ρ đo không đổi. Vậy điện trở của mạch vòng là: .8,1 6,1 4,2.2,1 . . ) .(. ) (.).(. . Ω=== toµnanvm toµnanvmsÐtvm vm K RK R Điện trở của cọc là: .3,47 4,1 6,57.15,1 K. R.K R )toµn an.(cäc )toµn an(cäc)sÐt.(cäc cäc Ω=== Điện trở nối đất nhân tạo tính cho nối đất chống sét là: )74( .R.n.R R.R R cäcv.mv.mcäc v.mcäc )sÐt(t.n −η+η = Trong đó: Rm.v và Rcọc ta vừa tính được. n là số cọc đã tính được n = 364 cọc. ηcọc và ηm.v đã tính được ở phần nối đất nhân tạo ứng với n = 364 cọc ta có ηcọc = 0,19. ; ηm.v = 0,17. Vậy: .647,0 19,0.8,1.36417,0.3,47 8,1.3,47 .R.n.R R.R R cäcv.mv.mcäc v.mcäc )sÐt(t.n Ω=+ = η+η = Vậy điện trở nối đất nhân tạo tính cho nối đất chống sét là: Rn.t sét =0,647Ω. đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 79 4.4.4- Tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét Z(0; τđ.s). Để tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét ta xét các điều kiện sau: + Bỏ qua nối đất tư 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: L0 L0 L0Is/2 g0 g0g0 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.       Ω = m. 1 l.R 1 g0 R là điện trở nối đất ổn định của cực nối đất R = 0,647Ω. .)m/H(3,0 r l ln.2,0L 0 µ      −= l =L/2 đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 80 Với r là bán kính cực nối đất: .m.,mm, b r 210251512 4 50 4 − ==== Thay số vào ta có: .m/H,, ., , ln.,L µ=         −= − 761310 10251 5511320 20 Vì điện dẫn ghép song song nên ta có:       Ω === − m. 1 10.8,6 55,113.647,0.2 1 l.R,2 1 g 3 t.n 0 Tính toán phân bố dài khi không xét quá trình phóng điện trong đất. Từ sơ đồ thay thế có thể thành lập được hệ phương trình vi phân: )( t I L x U 84 − ∂ ∂ = ∂ ∂ Giải hệ phương trình trên ta được điện áp tại điểm bất kỳ và thời điểm bất kỳ trên điện cực. )94( l x.k cos.e1 k 1 .T2t l.g a )t,x(U 1k T t 21 0 k −           ∑       pi           −+= ∞ = − Với hằng số thời gian 22 2 00 k .k l.g.L T pi = Ta có 2 2 00 1 l.g.L T pi = nên 2 1 k T Tk = . Từ đó suy ra tổng trở xung kích ở hai đầu vào nối đất: )104(e1 k 1 . T.2 l l.g a )t,0(Z 1k T t 2 ds 1 0 k −           ∑           − τ += ∞ = − Tổng trở xung kích của nối đất ở đầu vào thời điểm t = τđ.s và xét tới hai tia ghép song song là: )114(e1 k 1 . T.2 l l.g a . 2 1 ),0(Z 1k T t 2 ds 1 0 ds k −           ∑           − τ +=τ ∞ = − Để tính Z(0, τđ.s) xét chuỗi: đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 81 ∑ ∑∑ ∞ = ∞ = τ − τ − −= − 1 1 222 11 k k TT k e kk e k ds k ds 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 trước nên ta có thể bỏ qua, tức là tính với k sao cho 4≤τ k ds T Ta có 2 1 k T Tk = nên 4 2 1 ≤ τ k T ds . Vậy: ds .T k τ ≤ 412 Hệ số K là nguyên dương nên ta có: ds T. K τ ≤ 1 4 Với: ).s(65,15 14,3 55,11310.8,6.76,1l.g.L T 2 23 2 2 00 1 µ== pi = − τđ.s = 5µs, ta có: 5335 65154 , ,. K =≤ Như vậy ta sẽ tính toán với K lớn nhất là 3, tức là K =1÷3. Ta có các kết quả như bảng (4 – 1 ): k 1 2 3 )s(T k µ 15,65 3,9125 1,738 k ds T τ 0,32 1,278 2,876 k ds Te τ − 0,726 0,2786 0,056 2k e kT/ds τ− 0,726 0,06965 0,006 Từ bảng (4 – 1 ) ta tính được: 80 3 1 2 , k e k ds T =∑ τ − đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 82 Thay các giá trị vào (4 – 11) ta được: 361 3 1 2 111 22 3 1 2 , k =++=∑ .,,,( ,. ,.., .),(Z ds Ω=    −+=τ − 27280361 5 651521 551131086 1 2 10 3 Kiểm tra điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cách điện cho máy biến áp với các giá trị : I =m .150kA ; Z(0, τđ.s) = 2,27Ω. Ứng với 2 giá trị trên tại thời điểm dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất thì thế tại điểm dòng điện sét đi vào là: Usét = I. Z(0, τđ.s) = 150.2,27= 340,5kV. Vậy Usét = 340,5kV < U50% = 460kV. Nhận xét: Do điện trở nối đất đạt yêu cầu nên không phải nối đất bổ xung cho hệ thống chống sét. 4.5- KẾT LUẬN. Hệ thống nối đất nhân tạo mạch vòng có chôn cọc như phương án đã chọn là 364 cọc, khoảng cách giữa các cọc là 0,625m, Rn.t = 0,786 Ω < 0,833 Ω = Rn.t.y.c . Mạch vòng nhân tạo đảm bảo an toàn cách điện cho máy biến áp khi có dòng điện sét. Sau khi kiểm tra lại nối đất theo yêu cầu chống sét đã đảm bảo điện áp giáng trên máy biến áp khi dòng sét đi vào Usét = 340,5kV < U50% = 460kV, ta không phải tính toán nối đất bổ xung nữa.