Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110kV

BÀI TẬP DÀI MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Họ và tên sinh viên: Nguyễn Tiến Hùng Lớp: Đ1-H2 Khoa: Hệ Thống Điện Giáo viên hướng dẫn: Th.S Trần Hoàng Hiệp TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110KV I. SỐ LIỆU BAN ĐẦU: * Trạm biến áp: Phía 220 kV có diện tích: (120.90) m2 Phía 110 kV có diện tích: (100.90) m2 * Điện trở suất của đất: ρđ =100 Ωm * Đường dây: - Trạm 220 kV có 3 lộ - Trạm 110 kV có 5 lộ - Dây dẫn: ACO – 240 - Dây chống sét: C-70 * Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110 kV: l = 300 m * Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220 kV: l = 300 m * Khi tính nối đất: Rc = 6 Ω II. NỘI DUNG BÀI TẬP DÀI Phần I: * Chương I: Tính toán bảo vệ sét đánh trực vào trạm biến áp 220/110 kV A. Lý thuyết chung + Các yêu cầu đối với hệ thống thu sét + Cách xác định, tính toán PVBV của hệ thống thu sét ( 1 cột, 2 cột …) B. Tính toán * Chương II: Tính toán hệ thống nối đất trạm biến áp 220/110 kV Phần II: Các bản vẽ liên quan 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 ứng hay lan truyền trên đường dây), hoặc quá điện áp nội bộ. Trong đó, sự quá điện áp khí quyển do sét đánh là rất nguy hiểm và gây những thiệt hại nghiêm trọng cho các công trình trong hệ thống điện. Vì vậy, bảo vệ chống sét đánh trực tiếp là một trong 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 bộ phận 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 thống dây chống sét. Đối với trạm biến áp và nhà máy điện người ta sử dụng các cột thu lôi. Các cột thu lôi có thể đặt độc lập hoặc trong điều kiện cho phép có thể đặt trên các 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 để đảm bảo tản nhanh dòng điện sét xuống đất, tránh hiện tượng phóng ngược dòng điện sét từ thiết bị này sang thiết bị khác, hoặc từ cột thu sét hay dây chống sét sang các công trình mang điện đặt lân cận. Khi thiết kế bảo vệ chống sét thì cần đảm 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 cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối. Các trụ cột của các 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 trụ của 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 thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối vào hệ thống nối đất của cột thu lôi và vỏ máy 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 lên phải thực hiện các điểm sau: + Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ sung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán 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 cách điện 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 cột chống 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 cách giữa chỗ nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van (theo đường điện) phải nhỏ hơn 5m. Khoảng cách ấy có thể tăng lên nếu điểm nối đất của chống sét van ở vào giữa hai điểm nối đất của vỏ máy biến áp và của kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi. + Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột thu lôi 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 cấp điện 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 lôi đến các bộ phân của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vật được bảo vệ. - Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho các cột thu lôi phải cho dây 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 bọc kín và hai đầu được nối đất. Nếu cầu có phân đoạn thì không được phép đặt cột thu 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 của trạm 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 phải theo đúng quy định về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dùng trên mặt dất và dưới đất 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 Thép tròn mạ kẽm 8 mm 10 mm Thép dẹt mạ kẽm 20 x 2,5 mm2 30 x 3,5 mm2 Cáp thép Không được dùng Không được dùng Thanh đồng tròn 8 mm 8 mm Thanh đồng dẹt 20x2,5 mm2 20x2,5 mm2 Dây đồng xoắn Không được dùng Không được dùng Thanh nhôm tròn Không được dùng Không được dùng 1.2 Cách xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét: 1.2.1 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 một hình chóp tròn xoay có đường sinh được xác định như sau: rx 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 được xác định như sau: Hình 1.2. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (đường sinh gấp khúc). Trong đó: ab: đường thẳng nối từ đỉnh cột đến điểm trên mặt đất cách xa chân cột một khoảng là 0,75h. bc: là đường thẳng nối 1 điểm có độ cao trên thân cột là 0,8h đến 1 điểm trên mặt đất cách chận cột là 1,5h. Khi: hx Thì: rx = 1,5h(1-) = 1,5h – 1,875hx Khi: hx Thì: rx = 0,75h(1-) = 0,75h – 0,75hx Các công thức chỉ để sử dụng cho HTTS có độ cao h < 30m. Khi h30m ta cần hiệu chỉnh các công thức đó theo hệ số p. p 1.2.2 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. 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 sét đánh vào. + Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h0 được xác định như sau: h0 = h - 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 - Nếu: hx Thì: r0x = 1,5h0.(1 - ) Nếu: hx Thì: r0x = 0,75h0.(1 - ) Các công thức trên được áp dụng khi hệ thống chống sét có độ cao nhỏ hơn 30m. Nếu hệ thống chống sét có độ cao lớn hơn hoặc bằng 30m thì các công thức cũng 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 trí như hình vẽ: Hình 1.4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột có độ cao khác nhau. + Xác định phạm vi bảo vệ: - 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. (, x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giả tưởng . + 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 giả tưởng có độ cao h1). - Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1, 3’: = h1 - 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 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 vệ cho độ cao hx được minh họa như hình vẽ dưới đây. 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 ngoài cùng 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 được bảo vệ an toàn là: D8.(h-hx)) - trong đó: D là đường tròn ngoại tiếp phần mặt bằng có dạng hình tam giác, chữ nhật; h: chiều cao cột thu sét; hx: chiều cao cần bảo vệ. II. Tính toán: 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 sét sao cho bảo vệ được phần diện tích mặt bằng có độ cao hx. Đối với phía 220 kV: hx = 16,5m Đối với phía 110 kV: hx = 11m Ta thực hiện tính toán cho các phía. Ta sẽ xét 2 phương án đặt vị trí cột thu sét cho trạm biến áp. *) Phương án A Trong phương án này, ta sử dụng 15 cột thu sét được bố trí trên mặt bằng trạm biến áp như hình vẽ. A-1. Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 220 kV: Điều kiện cần để công trình được bảo vệ an toàn là: D8.(h-hx) Suy ra: hhx+ *)Xét nhóm cột (5,8,9,6) tạo thành hình chữ nhật bảo vệ cho độ cao 16,5m. + Cạnh (5-8) = 60m = a + Cạnh (5-6) = 50 m =b Đường kính D1 của đường tròn ngoại tiếp qua các đỉnh cột là: D=m Độ cao tác dụng tổi thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: ha = = 9,763 m Độ cao của cột thu lôi là: h = hx + ha = 16,5 + 10 = 26,5 m A-2. Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 110 kV: Xét nhóm cột (11,14,12,15) tạo thành hình chữ nhật bảo vệ cho độ cao 11m. + Cạnh (11-14) = 50m = c + Cạnh (11-12) = 50 m = d Đường kính D của đường tròn ngoại tiếp đi qua các đỉnh cột là: D = = 70,71 m Độ cao tác dụng tối thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: ha = 8,84 m Độ cao của cột thu lôi là: h = hx + ha = 11 + 9 = 20 m *)Tính bán kính bảo vệ của cột thu lôi được bố trí như hình vẽ: - Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi +Xét cột 5: Ta có: hx=16,5(m) < h= .26,5=17,667(m) Vậy bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi với độ cao cần bảo vệ hx=16,5m rx5=1,5.h(1- )=1,5.26,5.(1- )=8,812 (m) +Xét cột 11: Ta có: hx=11(m)<h= .20=13,33(m) Vậy bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi với độ cao cần bảo vệ hx=11m rx11=1,5.h(1- )=1,5.20.(1- )= 9,375 (m) -Tính bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi: Hai cột có chiều cao như nhau: Phía 220kV:chiều cao cần bảo vệ hx=16,5m +Xét 2 cột (5-8):khoảng cách giữa 2 cột 60m Ta có: h0=h- =26,5-= 17,928 (m) hx=16,5(m) > h0= .17,928=11,952(m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: rx5-8=0,75.h0(1- )=0,75.17,928.(1- )=1,071 (m) +Xét 2 cột (2-3): khoảng cách giữa 2 cột là 50 m Ta có: h0=h- =26,5-= 19,357 (m) hx=16,5(m) > h0= .19,357=12,905(m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: rx2-3=0,75.h0(1- )=0,75.19,357.(1- )=2,143 (m) +Xét 2 cột (1-2): khoảng cách giữa 2 cột là 40 m Ta có: h0=h- =26,5-= 20,786 (m) hx=16,5(m) > h0= .20,786=13,857(m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: rx1-2=0,75.h0(1- )=0,75.20,786.(1- )=3,215 (m) Phía 110kV:chiều cao cần bảo vệ hx=11m +Xét 2 cột (11-14): khoảng cách giữa 2 cột là 50 m Ta có: h0=h- =20-= 12,857 (m) hx=11(m) > h0= .12,857=8,571(m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: rx11-14=0,75.h0(1- )=0,75.12,857.(1- )=1,393 (m) +Xét 2 cột (10-11): khoảng cách giữa 2 cột là 40 m Ta có: h0=h- =20-= 14,286 (m) hx=11(m) > h0= .14,286=9,524(m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: rx10-11=0,75.h0(1- )=0,75.14,286.(1- )=2,464 (m) Hai cột cột chiều cao khác nhau: +Xét hai cột (7-10) với khoảng cách giữa 2 cột a=50m Chiều cao cột cao h7=26,5m Chiều cao cột thấp h10 =20m. Ta tính bán kính bảo vệ của từng cột cho độ cao 11 m. Cột 10 theo kết quả phần trên ta tính được là rx10 = 9,375 m. Ta tính cho cột 7. - Bán kính bảo vệ của cột 7 là rx7. Ta có: hx = 11m <m. Nên: Bán kính bảo vệ của cột 7 là: rx7 = 1,5.h(1- )=1,5.26,5(1- )= 19,125 m. Bán kính bảo vệ của cột cao h7=26,5m cho độ cao cần bảo vệ là chiều cao của cột thấp h10 =20m. Ta có: hx=h7=20m >.26,5=17,67m x=0,75.h(1- )=0,75.26,5.(1- )=4,875 (m) Ta có: a’= 50-4,875=45,125m =h10- =20-= 13,553(m) hx=11(m) > = .13,553=9,035 (m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi có độ cao hx=11m là: rx7-10=0,75. (1- )=0,75.13,553.(1- )=1,915 (m) Tính toán tương tự cho các cột còn lại ta có kết quả ghi trong bảng sau: NHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO BẰNG NHAU PHÍA 220KV hx = 16,5m Cặp cột Độ cao cột (m) a (m) h0 (m) .h0 (m) r0x (m) 3-6 26,5 60 17,928 11,952 1,071 2-3 26,5 50 19,357 12,905 2,143 4-5 26,5 40 20,786 13,857 3,215 PHÍA 110KV hx = 11m Cặp cột Độ cao cột (m) a (m) h0 (m) .h0 (m) r0x (m) 13-14 20 40 14,286 9,524 2,464 11-12 20 50 12,857 8,571 1,393 NHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO KHÁC NHAU hx = 11m Cặp cột Độ cao cột (m) a (m) x (m) a’ (m) h0’ (m) r0x (m) 8-11 20 50 4,875 45,125 13,553 1,915 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét trong phương án 1 Kết luận. Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra. Tổng số cột là 15 cột, trong đó có 9 cột cao 26,5m và 6 cột cao 20m Tổng chiều dài : L1 = 9.(26,5 – 16,5) + 6.(20 – 11) =144 (m). *) Phương án B Trong phương án này, ta sử dụng 21 cột thu sét được bố trí trên mặt bằng trạm biến áp như hình vẽ. B-1 Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 220 kV: Điều kiện cần để công trình được bảo vệ an toàn là: D8.(h-hx) Suy ra: hhx+ Xét nhóm cột (2,3,5,6) tạo thành hình chữ nhật để bảo vệ cho độ cao 16,5 m +Cạnh (2-3)=50m=e +Cạnh (3-6)=40m=f Đường kính D của đường tròn ngoại tiếp đi qua các đỉnh cột là: D = = 64,031 m Độ cao tác dụng tối thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: ha = 8,004 m Độ cao của cột thu lôi là: h = hx + ha = 16,5 + 8 = 24,5 m B-2 Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 110 kV: Xét nhóm cột (17,18,20,21) tạo thành hình chữ nhật để bảo vệ cho độ cao 11 m +Cạnh (17-18)=50m=k +Cạnh (18-21)=40m=l Đường kính D của đường tròn ngoại tiếp đi qua các đỉnh cột là: D = = 64,031 m Độ cao tác dụng tối thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: ha = 8,004 m Độ cao của cột thu lôi là: h = hx + ha = 11 + 8 = 19 m *)Tính bán kính bảo vệ của cột thu lôi được bố trí như hình vẽ: - Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi +Xét cột 6: Ta có: hx=16,5(m) > h= .24,5=16,33(m) Vậy bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi với độ cao cần bảo vệ hx=16,5m rx6=0,75.h(1- )=0,75.24,5.(1- )=6 (m) +Xét cột 20: Ta có: hx=11(m)<h= .19=12,667(m) Vậy bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi với độ cao cần bảo vệ hx=11m rx20=1,5.h(1- )=1,5.19.(1- )= 7,875 (m) -Tính bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi: Hai cột có chiều cao như nhau: Phía 220kV:chiều cao cần bảo vệ hx=16,5m +Xét 2 cột (2-3):khoảng cách giữa 2 cột a=50m Ta có: h0=h- =24,5-= 17,357 (m) hx=16,5(m) > h0= .17,357=11,571(m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: rx2-3=0,75.h0(1- )=0,75.17,357.(1- )=0,643 (m) +Xét 2 cột (3-6): khoảng cách giữa 2 cột là a=40 m Ta có: h0=h- =24,5-= 18,786 (m) hx=16,5(m) > h0= .18,786=12,524(m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: rx3-6=0,75.h0(1- )=0,75.18,786.(1- )=1,714 (m) Phía 110kV:chiều cao cần bảo vệ hx=11m +Xét 2 cột (20-21): khoảng cách giữa 2 cột là a=50 m Ta có: h0=h- =19-= 11,857 (m) hx=11(m) > h0= .11,857=7,905(m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: rx20-21=0,75.h0(1- )=0,75.11,857.(1- )=0,643 (m) +Xét 2 cột (18-21): khoảng cách giữa 2 cột là a=40 m Ta có: h0=h- =19-= 13,286 (m) hx=11(m) > h0= .13,286=8,857(m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: rx18-21=0,75.h0(1- )=0,75.13,286.(1- )=1,714 (m) +Xét 2 cột (15-18): khoảng cách giữa 2 cột là a=30 m Ta có: h0=h- =19-= 14,714 (m) hx=11(m) > h0= .14,714=9,809(m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: rx15-18=0,75.h0(1- )=0,75.14,714.(1- )=2,785 (m) Hai cột cột chiều cao khác nhau: +Xét hai cột (10-13) với khoảng cách giữa 2 cột a=30m Chiều cao cột cao h10=24,5m Chiều cao cột thấp h13 =19m. Ta tính bán kính bảo vệ của từng cột cho độ cao 11 m. Cột 13 theo kết quả phần trên ta tính được là rx13 =7,875 m. Ta tính cho cột 10. - Bán kính bảo vệ của cột 10 là rx10. Ta có: hx = 11m <m. Nên: Bán kính bảo vệ của cột 10 là: rx10 = 1,5.h(1- )=1,5.24,5(1- )= 16,125 m. Bán kính bảo vệ của cột cao h10=24,5m cho độ cao cần bảo vệ là chiều cao của cột thấp h13 =19m. Ta có: hx=h10=19m >.24,5=16,33m rx=0,75.h(1- )=0,75.24,5.(1- )=4,125 (m) Ta có: a’= 30-4,125=25,875m =h10- =19-= 15,303(m) hx=11(m) > = .15,303=10,202 (m) Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi có độ cao hx=11m là: rx10-13=0,75. (1- )=0,75.15,303.(1- )=3,227 (m) Tính toán tương tự cho các cột còn lại ta co kết quả ghi trong bảng sau: NHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO BẰNG NHAU PHÍA 220KV hx = 16,5m Cặp cột Độ cao cột (m) a (m) h0 (m) .h0 (m) r0x (m) 5-6 24,5 50 17,357 11,571 0,643 1-2 24,5 40 18,786 12,524 1,714 PHÍA 110KV hx = 11m Cặp cột Độ cao cột (m) a (m) h0 (m) .h0 (m) r0x (m) 20-21 19 50 11,857 7,905 0,643 18-21 19 40 13,286 8,857 1,714 15-18 19 30 14,714 9,809 2,785 NHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO KHÁC NHAU hx = 11m Cặp cột Độ cao cột (m) a (m) x (m) a’ (m) h0’ (m) r0x (m) 10-13 24,5-19 30 4,125 25,875 15,303 3,227 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét trong phương án 2 Kết luận. Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra. Tổng số cột là 21 cột, trong đó có 12 cột cao 24,5m và 9 cột cao 19m Tổng chiều dài : L1 = 12.(24,5 – 16,5) + 9.(19 – 11) =168 (m). Tổng kết 2 phương án. Cả hai phương án trên đều thỏa mãn nhu cầu kỹ thuật đề ra. Qua tính toán ta thấy phương án A có chiều dài cột tính toán nhỏ hơn do vậy chi phí xây dựng cũng nhỏ hơn vì vậy ta chọn phương án A làm phương án thiết kế. CHƯƠNG II TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110kV 2.1 YÊU CẦU KĨ THUẬT KHI NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP. Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúc với dòng điện(hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất. Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng 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 theo nhiệm 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 định sẵn. + 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 ngang trên 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 mang điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại. Khi cách điện bị hư hỏng do lão hóa thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhưng do nối đất nên 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 lôi hay đường dây. Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng điện áp do phóng điện sét gây nên. Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ trên cột điện và đất. Nếu không, mỗi khi co sét đánh vào cột chống sét 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 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 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. Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏ thì rất tổn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cả hai được 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 điện trở nối đất phải thỏa mãn : R ≤ 0,5 Ω. + Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì: + 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 : + Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thỏa mãn yêu cầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì không cần nối đất nhân tạo nữa. Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thỏa 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 ≤ 1 Ω. Thực tế dù RTN ≤ 0,5 Ω thì vẫn phải nối đất nhân tạo vì RTN có thể xảy ra biến động như đứt dây chống sét tại khoảng vượt gần trạm. + Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn có như các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chộn trong đất… Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chon trong đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia. + Vì đất là một trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suất của 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 đổi theo từng mùa, độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất của đất cũng 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 chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn. Công thức hiệ chỉnh như sau: Trong đó: là điện trở suất tính toán của đất. là điện trở suất đo được của đất. là hệ số mùa của đất. Hệ số của đất phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chộn sâu của điện cực. 2.2 CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT. Điện trở suất đo được của đất =100 Ωm. Điện trở nối đất cột đường dây : Rc = 6 Ω. Dây chống sét sử dụng loại C-70 có điện trở đơn vị là r0 = 2,38 Ω/km. Chiều dài khoảng vượt đường dây: Phía 220kV: l220 = 300m. Phía 110kV: l110 = 300m. Điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt là: Số lộ trong trạm: Trạm 220kV : n = 3 lộ. Trạm 110kV : n = 5 lộ. 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: : Điện trở nối đất tự nhiện. : Điện trở nối đất nhân tạo, ≤ 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 và 220kV tới trạm. Ta có công thức sau: Trong đó: n : là số lộ dây. Rcs:là điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt. Rc : là điện trở nối đất của cột điện. Phía 220 kV. Phía 110 kV. Ta thấy giá trị điện trở RTN < 0,5Ω đạt yêu cầu về lý thuyết. Tuy vậy nối đất tự nhiên có nhiều thay đổi vì vậy để đảm bảo an toàn ta phải nối đất nhân tạo. b/ Điện trở nối đất nhân tạo. Nối đất có các hình thức cọc dài 2-3m bằng sắt tròn hay sắt chọn thẳng đứng. Thanh dài chon nằm ngang ở độ sâu 0,5 ÷ 0,8 m đặt theo hình tia, mạch vòng hoặc tổ hợp của hai hình thức trên. Trạm biến áp khi thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo ta sử dụng hình thức nối đất mạch vòng xung quanh trạm bằng các thanh dẹt. Điện trở mạch vòng của trạm là: Trong đó L là chu vi mạch vòng L=2.(l1+l2)=2.(90+220)=620(m) t : độ chon sâu của thanh lấy t = 0,8m. ρtt : điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chon ở độ sâu t: Tra bảng với thanh ngang chộn sâu 0,8m ta có kmua = 1,6 d: đường kính thanh làm mạch vòng. Chọn thanh có bề rộng 4cm. K : hệ số hình dạng phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất. Giá trị của K phụ thuộc vào kích thước mạch vòng và được cho ở bảng sau: L1/L2 1 1,5 2 3 4 K 5,53 5,81 6,42 8,17 10,4 Đồ thị Từ đồ thị ứng với tỉ số l1/l2 =220/90=2,444 ta nội suy đựơc K=7,144 Như vậy điện trở mạch vòng là : như vậy điện trở của hệ thống nối đất nhân tạo đạt yêu cầu. Nên không phải đóng thêm cọc vào hệ thống nối đất Ta có điện trở nối đất của hệ thống: Nên hệ thống nối đất đã chọn là thỏa mãn yêu cầu của nối đất làm việc và an toàn. Nối đất chống sét. Ở đây đề cập đến cả hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất : - 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 phân bố dài (tia dài hoặc mạch vòng) thì đồng thời phải xét cả hai quá trình có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả nối đất. Vì hình thức nối đất chúng ta chọn cho trạm biến áp là nối đất dài (mạch vòng theo chu vi trạm) nên sẽ đồng thời xét cả hai quá trình. Vì hệ thống nối đất của chúng ta được dùng cho cả ba nhiệm vụ nên ta sẽ dùng nối đất an toàn và làm việc để tính toán cho nối đất chống sét. *)Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong đất. Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau: Hình 2.2 : Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất. Trong mọi trường hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng R vì nó bé so với trị số điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét tới phần điện dung C vì ngay cả trong trường hợp sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện trở tản. Hình 2.3: Sơ đồ đẳng trị rút gọn. Trong đó: L0 - điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài. G0 - điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài. Với: l - chiều dài điện cực, l = L=620m (nối đất mạch vòng theo chu vi của trạm) r - bán kính cực ở phần trước nếu cực là thép dẹt có bề rộng b (m). Do đó r = b/4 = 0,01m Thay số ta có : Khi đó ta được điện dẫn của điện cực: Trong đó: R: điện trở xoay chiều tính cho mùa sét: Trong nối đất chống sét khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8 m thì kmùa = 1,25. Vì ta thực hiện việc nối đất bằng cách dùng một mạch vòng bao quanh trạm mà không đóng thêm cọc nên giá trị điện trở nhân tạo mùa sét được tính theo công thức: Thay số vào ta được điện dẫn của điện cực là: *)Tính tổng trở xung kích của hệ thống nối đất. Từ sơ đồ đẳng trị ta có: Gọi Z(x,t) là điện trường xung kích của nối đất kéo dài, nó là hàm số của không gian và thời gian: Trong đó U(x,t) ; I(x,t) là dòng điện và điện áp xác định từ hệ phương trình vi phân: Giải hệ phương trình vi phân trên với dạng sóng của dòng điện ở đầu vào của hệ thống nối đất có dạng sóng xiên góc i(o,t) = a.t ta sẽ được điện áp tại điểm bất kỳ trên điện cực: Suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất: Trong đó Thay số: Tổng trở tiến tới trị số ổn định khi: lấy k = 6 Do đó tổng trở sóng đầu vào sẽ được tính bằng: Tổng trở sóng xung kích Zxk = Điều kiện nối đất chống sét thỏa mãn khi Uxk = IS. Zxk < U50% Trong đó, dòng điện sét IS = 150kA, và điện áp 50% của trạm U50% = 460kV Ta có điện áp xung kích : Uxk = 3,592. 150 = 538,8kV > U50%. Tức là giá trị điện trở nối đất này chưa đạt nên ta cần tiến hành tính toán nối đất bổ sung Nối đất bổ sung: Việc tiến hành nối đất bổ sung nhằm đảm bảo cho giá trị điện trở nối đất đạt trị số yêu cầu và để đảm bảo an toàn. Chúng ta thực hiện việc này bằng cách đặt thêm một điện trở nối đất ở ngay chân cột thu lôi, chân máy biến áp. Về hình thức thì nối đất bổ sung là loại nối đất tập trung (gồm thanh hay thanh và cọc). Do việc xác định Zbs là phức tạp nên để thuận tiện cho quá trình tính toán ta chọn hình thức nối đất bổ sung như sau: - Thanh nối đất bổ sung là thép dẹt tròn có chiều dài là 10 m, bề rộng b = 0,04 m.; dọc theo chiều dài thanh có chôn ba điện cực tròn có kích thước: chiều dài cọc là 2,5 m; đường kính d = 0,04 m, khoảng cách giữa hai cọc là 5 m. Cọc và thanh được chôn ở độ sâu 0,8 m. Ta có trong nối đất chống sét: - Với thanh ngang chôn ở độ sâu 0,8 m thì hệ số kmùa = 1,25. - Với cọc dài 2,5 m chôn sâu 0,8 m thì hệ số kmùa = 1,15. Như vậy, điện trở của thanh nối đất bổ xung bằng: = 17,388 Ω Điện trở nối đất của cọc bổ sung: 36,246 Ω. Điện trở nối đất bổ sung của hệ thống thanh cọc được xác định theo công thức: trong đó: hệ số sử dụng của thanh và cọc. Với n = 3; lcọc = 2,5 m; a = 5 m => . Tra bảng 3 và 5 phần phụ lục sách “Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp của Nguyễn Minh Chước”, ta được ; Thay các giá trị vào công thức ta tính được: Rbs = 8,134 Ω. * Ta tính tổng trở của hệ thống khi có nối đất bổ sung: Ta công thức tính toán giá trị tổng trở nối đất khi có nối đất bổ xung là: = A + B Trong đó: A Ω. Xét chuỗi số: Ta chỉ xét đến giá trị e-4 (vì từ e-5 trở đi có trị số rất nhỏ). Điều này tương đương với việc tính xk sao cho: xk > 0 Do có nối đất bổ sung nên ta xét ảnh hưởng của nối đất bổ sung lên điện trở xung kích. Ta coi mạch vòng của hệ thống là sự ghép song song 2 tia có cùng độ dài là 614/2 = 307 m và ta có sơ đồ thay thế cho một tia: Trong đó: - L’: điện cảm tương đương của một đơn vị dài L’ = L/2. - g’: điện dẫn tương đương của một đơn vị dài g’ = 2.g. Do đó, ta tính được: T1 => xk = 20,916 td/s = 5ms. Trong đó: xk là nghiệm của phương trình: tgxk Phương trình này tương đương với hệ sau: y = tgxk y = - 0,075.xk Ta dùng phương pháp đồ thị (vẽ bằng phần mềm matlab) để giải phương trình này: Ta được các nghiệm: X1 = 0,023 rad suy ra cos X1 =0,999 X2 = 1,473 rad suy ra cos X2 = 0,097 X3 = 3,015 rad suy ra cos X3 = -0,992 X4 = 4,33 rad suy ra cos X4 = -0,373 X5 = 5,962 rad suy ra cos X5 = 0,949 X6 = 7,232 rad suy ra cos X6 = 0,583 X7 = 8,955 rad suy ra cos X7 = -0,892 X8 = 9,997 rad suy ra cos X8 = -0,84 X9= 11,947 rad suy ra cos X9 = 0,814 Khi k = 10 thì xk = 21,015 > 20,916 nên ta chỉ lấy 9 nghiệm như trên. Sau đó ta lập bảng để tính các giá trị của chuỗi số với các xk trên. Ta có T1 = 55,41 => Và: Rbx = 8,134 Ω => Ta có bảng tính chuỗi số như sau: Bảng . Bảng tính các chuỗi số K 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Xk 0,023 1,473 3,015 4,33 5,962 7,232 8,955 9,997 11,947 CosXk 0,999 0,097 -0,992 -0,373 0,949 0,583 -0,892 -0,84 0,814 1,002 106,281 1,016 7,187 1,11 2,942 1,257 1,417 1,509 1,077 106,356 1,091 7,262 1,185 3,017 1,332 1,492 1,584 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,31 1,011 1,989 3,691 5,389 8,215 10,216 14,552 Ta có: Từ bảng trên ta có: = 1,496 Do đó, tổng trở xung kích: Zxk = A + B = 1,496 + 0,566 = 2,062 Ω Vậy điện áp khi có dòng điện sét đi vào hệ thống tại thời điểm t = là: U = Zxk.IS = 2,062.150 = 309,3 kV < U50%MBA=460kV.Như vậy hệ thống có nối đất bổ xung như trên là thỏa mãn.