Luận văn Thiết kế trạm biến áp 110 /22KV

h nhiệt: F ≥ Fmin = Trong đó: BN: xung nhiệt tính toán được xác định theo công thức : BN = I2nh.(tN + Tkck). Với tN = 0,015 (s) và Tkck = 0,05 (s). C là hằng số tùy thuộc vào loại vật liệu dây dẫn A2s/mm2 chọn thanh dẫn nhôm BN =(13,63 .103 )2 .(0,015+0,05) =12.106 A2 .s Fmin = = 39,4mm2 < F =185mm2 Do đó thoả mãn điều kiện ổn định nhiệt . III. CHỌN THANH GÓP MỀM CẤP 110 kV CHO TRẠM Chọn thanh góp mềm theo điều kiện phát nóng : Điều kiện: Icp .K1.K2≥ Icbmax Icp ≥ Trong đó: K1 = 0,95 là hệ số hiệu chỉnh khi thanh dẫn nằm ngang. K2 =0,82 hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ đến 400 C theo môi trường xung quanh . Icp ≥ = = 508,6 A Ta tra trong tài liệu “ Thiết kế NMĐ và Trạm Biến Áp “ của NGUYỄN HỮU KHÁI trang 130 chọn thanh góp mềm bằng dây nhôm lõi thép 300 / 66 mm2 có mã hiệu AC do Nga sản xuất có các thông số sau : + Tiết diện dây ( nhôm / thép ) : 300 / 66 mm2 + Tiết diện dây nhôm : 288 mm2 + Tiết diện thép : 65,8 mm2 + Đường kính nhôm : 24,5 mm + Đường kính thép : 10,5 mm + Dòng điện cho phép khi đặt ngoài trời Icp = 690 A > 508,6 A + Nhiệt độ môi trường xung quanh = 40 o C + Nhiệt độ cho phép lâu dài = 80 o C + Điện trở ơ’ 20 o C : r = 0,096/ km . Kiểm tra: Theo điều kiện vầng quang: Uvq ≥ Udm Trong đó: Uvq: điện áp phát sinh vầng quang , được xác định theo công thức : Uvq = 84.m.r.lg (kV) Với : Uvq: tính theo trị hiệu dụng điện áp dây. m = 0,84 hệ số xét đến độ xù xì của bề mặt dây dẫn. r: bán kính ngoài của dây dẫn và r = = (cm) a: khoảng cách giữa các trục dây dẫn, a = 3(m) = 300(cm) Uvp = 84. 0,84.1,225.lg = 208 kV >110 kV Theo điều kiện ổn định nhiệt: F ≥ Fmin = Trong đó: BN: xung nhiệt tính toán được xác định theo công thức : BN = I2nh.(tN + Tkck). Với tN = 0,015 (s) và Tkck = 0,05 (s). C là hằng số tùy thuộc vào loại vật liệu dây dẫn A2s/mm2 chọn thanh dẫn nhôm BN =(7,7 .103 )2 .(0,015+0,05) =3,9.106 A2 .s Fmin = =22,5 mm2 < F =300 mm2 Thỏa điều kiện cho phép. Theo điều kiện ổn định lực điện động: δtt ≤ δcp Trong đó: - δcpA l = 700 (KG/cm2) Ta có: + Lực điện động tác động lên thanh góp khi ngắn mạch: Ftt = 1,76. 10-8. .i2xk. kG Trong đó: l là khoảng cách giữa 2 sứ đỡ l = 200 a là khoảng cách giữa các pha , với cấp 110 kV chọn a = 300 cm + Ta xác định khoảng vượt giữa hai sứ đặt thanh dẫn có thể kiểm tra theo biểu thức l ≤ lmax = Với: W = 0,1xD3 = 0,1.2,453 = 1,47 (cm3). f = 1,76.10-8..i2xk = 1,76.10-8..(19,6.103)2 = 0,0225 (KG/cm2) lmax = = 696,6 (cm) Ftt = 1,76.10-8. .(19,6.103)2 = 2,123 (KG/cm2) Mômen uốn M tác động lên thanh góp: M = = = 42,46 (KG.cm) Ứng suất tính toán: δtt = = = 28,88 (KG/cm2) Ta nhận thấy: δtt = 28,88 (KG/cm2) < δcp = 700 (KG/cm2) Thỏa điều kiện cho phép. CHƯƠNG 9 TỰ DÙNG TRONG TRẠM BIẾN ÁP I. KHÁI NIỆM: Để sản xuất và truyền tải điện năng, ngoài phần cung cấp cho các hộ tiêu thụ, bản thân trạm biến áp cũng tiêu thụ một lượng điện năng. Phần điện năng này gọi là điện tự dùng của trạm biến áp. Ví dụ: Trong trạm biến áp cần cung cấp cho các động cơ bơm nước, thắp sáng, cung cấp cho các bộ phận tự động hóa, bảo vệ rơle. Ngoài ra, trong trạm biến áp còn có tổn hao trong máy biến áp. 1. Lượng điện tự dùng: Phần điện tự dùng phụ thuộc vào loại trạm biến áp (trạm khu vực, trạm địa phương) và có hay không có nhân viên trực thường xuyên không phụ thuộc vào tổng công suất trạm. Lượng điện tự dùng phụ thuộc vào loại trạm biến áp ( trạm khu vực , trạm địa phương ) .Lượng điện tự dùng tuy khối lượng không lớn nhưng thuộc loại phụ tải quan trọng vì nếu mất tự dùng sẽ ảnh hưởng lớn làm giảm lượng điện phát ra và có thể gây mất điện toàn bộ cho nên khi thiết kế chọn phương án cung cấp theo sơ đồ phải bảo đảm làm việc liên tục. 2. Điện áp điện tự dùng: Trong trạm chỉ dùng một cấp điện áp 0,4 KV chung cho cả động cơ điện và thắp sáng. 3 Nguồn cung cấp điệän tự dùng: Trong trạm biến áp điện tự dùng được cung cấp từ hai máy biến áp tự dùng và dự phòng lẫn nhau qua bộ tự động đóng nguồn dự trữ. II. SƠ ĐỒ TỰ DÙNG CỦA TRẠM BIẾN ÁP: Tự dùng của trạm biến áp nhỏ và chỉ có một cấp điện áp 0,4 KV cho nên người ta thường dùng các sơ đồ sau: Nếu có cấp 0,4 KV thì tự dùng có thể kết hợp lấy từ thanh góp 0,4 KV; khi chọn công suất máy biến áp cho phụ tải 0,4 KV cần cộng cả công suất tự dùng. Nếu không có cấp 0,4 KV; dùng hai máy biến áp tự dùng, mỗi máy chọn theo tổng công suất tự dùng và dự phòng lẫn nhau. Nếu trên cấp 0,4 KV điện áp cao U ≥ 110 KV, không có máy biến áp từ lớn hơn 110 KV xuống 0,4 KV, có thể dùng máy biến điện áp, điện áp thứ cấp là 100 V và sử dụng công suất cực đại cho phép của máy biến điện áp hoặc lấy điện áp từ trạm biến áp ở gần nhất. Tự dùng dự phòng có thể lấy từ trạm ở gần dự phòng lẫn nhau. III. CHỌN CÔNG SUẤT MÁY BIẾN ÁP TỰ DÙNG: Máy biến áp tự dùng không cho phép sử dụng qui tắc quá tải sự cố vì nói chung thời gian quá tải quá 6 giờ/ngày, cho nên công suất máy biến áp tự dùng chọn theo điều kiện: SđmBtd ≥ Smax td = 0,5 ( MVA) = 500 ( kVA) Chọn MBA ba pha hai cuộn dây do ABB chế tạo công suất 500 (kVA). Công suất máy biến áp tự dùng SđmB.td 500 (kVA) Điện áp định mức 22 / 0,4 kV Điện áp ngắn mạch UN% 4 % Tổn thất công suất không tải P0 1000 W Tổn suất công suất ngắn mạch PN 7000 W Kích thước Chiều dài : 1620 mm Chiều rộng :1055 mm Chiều dài : 1500 mm Trọng lượng 1695 kG Số lượng máy 2 IV. CHỌN CÁP, CHỌN (CB) PHÍA HẠ ÁP: 1. Chọn cáp từ thanh góp 22 KV đến máy biến áp tự dùng: Dòng điện làm việc bình thường: Ibtmax = = = 13,12(A) Do đoạn cáp ngắn nên ta không chọn cáp theo điều kiện mật độ dòng kinh tế. Ta chọn cáp theo điều kiện phát nóng bình thường: ICP. ICP. => Icp ≥ = = 15,1 (A) Chọn cáp cách điện và vỏ PVC loại ba lõi đồng, cáp được chọn có thông số: + Tiết diện 30 mm2 + Đường kính D =6,9 mm +Dòng điện phụ tải cho phép Icp = 97 A + Chiều dày vỏ bọc PVC 1,7 mm Kiểm tra theo điều kiện ổn định nhiệt: Fmin = = = = 13,71 mm2 => F = 30 mm2 > Fmin = 13,71 mm2 : thỏa điều kiện ổn định nhiệt. Vậy cáp đã chọn thỏa yêu cầu. 2. Chọn cáp từ máy biến áp tự dùng đến thanh góp 0,4 KV: Dòng điện làm việc bình thường: Ibtmax = == 721,6 (A) Tương tự ta chọn cáp theo điều kiện phát nóng bình thường: ICP. ICP. => Icp ≥ = = 833,2 (A) Chọn dây cáp cách điện và vỏ PVC nửa mềm loại một lõi đồng dẫn điện có thông số sau : + Tiết diện 630 mm2 + Đường kính D =32,25 mm +Dòng điện phụ tải cho phép Icp = 950 A + Chiều dày vỏ bọc PVC 2,2 mm Kiểm tra theo điều kiện ổn định nhiệt: Fmin = = = = 13,71 mm2 => F = 630 mm2 > Fmin = 13,71 mm2 : thỏa điều kiện ổn định nhiệt. Vậy cáp đã chọn thỏa yêu cầu. 3. Chọn CB hạ áp cho phần thứ cấp của máy biến áp tư dùng: Chọn CB cho cấp 0,4 kV theo các điều kiện sau : + Uđm .CB UHT + Iđm.CB Icb.max + Icắt.CB IN Dòng cưỡng bức Icb max = == 721 (A) Dòng ngắn mạch qua CB : IN = 36,08 (kA) Dòng xung kích qua CB : Ixk = 91,84 (kA) Ta chọn CB cho cấp 0 ,4 kV có thông số sau : Hãng sản suất MERIN GERIN Mã hiệu CM 1250N Điện áp định mức 690 V Dòng điện định mức 1250 A Dòng cắt định mức 50 kA Số cực 4 Kiểm tra lại CB: + Uđm .CB = 690 V > UHT = 400 V + Iđm.CB =1250 A > Icb.max = 721 A + Icắt.CB = 50 kA > IN =36,08 kA Do đó CB đã chọn thoả mãn các điều kiện . PHẦN II THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT VÀ NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP . CHƯƠNG 1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT ĐÁNH TIẾP VÀO TRẠM BIẾN ÁP . I. TỔNG QUAN VỀ SÉT VÀ THIỆT HẠI DO SÉT GÂY RA. 1. Nguồn gốc gây ra sét Sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa đám mây dông mang điện tích với đất hoặc giữa các trung tâm điện tích của một đám mây lưỡng cực . Tuy nhiên quá điện áp trong hệ thống điện làm hỏa hoạn hoặc hư hỏng các công trình trong trạm biến áp chỉ xảy ra khi có phóng điện sét về phía mặt đất Điện áp giữa mây dông và đất có thể đạt tới trị số hàng chục, thậm chí hàng trăm triệu volts. Khoảng cách của khe sét khoảng 3 – 5 km. Phần lớn chiều dài này phát triển trong các đám mây dông. Quá trình phóng điện của sét tương tự như quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn Thông thường phần dưới của các đám mây chủ yếu chứa điện tích âm, do đó cảm ứng trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện không khí khổng lồ. Hiện tượng phóng điện sét gồm các giai đoạn sau: + Giai điện phóng điện tiên đạo (1). + Giai đoạn tia tiên đạo đến gần mặt đất,hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt (2). + Giai đoạn phóng điện ngược (phóng điện chủ yếu) (3). + Giai đoạn phóng điện ngược kết thúc, dòng điện đạt giá trị cực đại (4). Kết thúc quan trắc sét cho thấy rằng một cơn sét thường gồm nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là 3 lần, nhiều nhất có thể đến vài chục lần. Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục, không phân nhánh và theo quĩ đạo lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn (2.106 mm/s); thường gọi là tiên đạo hình kim(needle leader) hay tiên đạo hình mũi tên .Mỗi lần phóng điện tạo nên một xung dòng sét. Các xung sét sau có biên độ nhỏ hơn nhưng độ dốc đầu sóng cao hơn nhiều so với xung đầu tiên. Một cơn sét có thể kéo dài tới 1,33 (s). Cường độ dòng sét thường được đánh giá qua hai thành phần: + Biên độ dòng sét. + Độ dốc đầu sóng dòng sét Kết quả đo đạt cho thấy biên độ dòng điện sét biến thiên trong phạm vi rất rộng, từ vài kA đến vài trăm kA nhưng phần lớn dưới 50 KA và rất hiếm khi vượt quá 100 KA. Trong tính toán chống sét có thể dùng quy luật phân bố xác suất biên độ dòng điện sét gần đúng sau: + Vùng đồng bằng : vI = e-is/16 = 10-is/60 + Vùng đồi núi : vI = e-is/13 = 10-is/30 Trong đó va : xác suất xuất hiện phóng điện sét có độ dốc đầu sóng dòng điện lớn hơn hoặc bằng a (a = : độ dốc dòng điện sét). 2 .Những thiệt hại do sét gây ra: Khi sét đánh trực tiếp vào dây dẫn của đường dây tải điện,vào các thiết bị và bộ phận mang điện của trạm phân phối sẽ gây nên quá điện áp nguy hiểm làm ngắn mạch , trường hợp gây sự cố nghiêm trọng, phá hủy các thiết bị, gián đoạn việc cung cấp điện cho các xí nghiệp , nhà máy và các hộ tiêu thụ, làm thiệt hại lớn cho nền kinh tế .Vì vậy trạm biến áp phải đựơc bảo vệ một cách có hiệu quả chống sét đánh trực tiếp . 3. Biện pháp bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp . Hình 1 Việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp được thực hiện bằng các cột thu sét hoặc dây thu sét bao gồm các bộ phận sau như hình 1 + Bộ phận thu sét của cột thu sét (1) được làm bằng thép ống hoặc thép thanh (có tiết diện không nhỏ hơn 100 mm2 ) đặt thẳng đứng được gọi là kim thu sét hoặc bằng dây thép căng ngang giữa các cột trong trường hợp dây chống sét. + Bộ phận dẫn dòng điện sét (2) được tạo thành bởi bản thân kết cấu thép của cột thép hoặc bê tông cốt thép hay bằng dây thép có tiết diện không nhỏ hơn 50 mm2 trong trường hợp kim thu sét đặt trên ống khói, cột gỗ , mái nhà . + Bộ phận nối đất (3) được tạo thành bởi một hệ thống cọc và thanh bằng đồng hoặc thép nối liền với nhau , chôn trong đất , có điện trở tản bé để dòng điện sét tản một cách dễ dàng trong đất . Tác dụng bảo vệ của cột thu sét hoặc dây chống sét diễn ra trong giai đoạn phóng điện tia tiên đạo của sét , dòng tiên đạo của sét phát triển theo phương có cường độ điện trường lớn nhất . Khi còn ở trên cách xa mặt đất thì phương này chỉ do điện trường của dòng tiên đạo xác định . Khả năng sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây thép sẽ tăng và khả năng đánh vào các vật dẫn thấp ở xung quanh cột sẽ giảm đi. Nếu cột thu sét cao vượt quá giới hạn so với các vật được bảo vệ thì hầu như các lần sét đánh đều vào đỉnh cột. 4.Các yêu cầu kỹ thuật kinh tế khi thiết kế hệ thống chống sét cho trạm Dựa trên bảng vẽ mặt bằng , mặt cắt của trạm mà ta xác định được phạm vi và độ cao cần được bảo vệ , trước khi bố trí hệ thống thu sét ta cần phải thảo mãn các yêu cầu sau : + Yêu cầu về kỹ thuật Phạm vi bảo vệ phải phủ kín toàn bộ các trang thiết bị và các thiết bị mang điện của trạm , bố trí cột thu sét để xác xuất sét đánh vào trạm không thể xảy ra . Hệ thống nối đất phải được thiết kế sao cho không xảy ra phóng điện ngược lên cách điện của trạm. + Yêu cầu về kinh tế: Ở các trạm biến áp trong những điều kiện nhất định , cột thu sét có thể đặt ngay trên các kết cấu của trạm và nhà máy như cột xà , mái nhà , ống khói , cột đèn pha , chiếu sáng .... nhờ lợi dụng các độ cao có sẵn của trạm mà tận dụng phạm vi bảo vệ và giảm được giá thành xây dựng cột thu sét. + Yêu cầu khác: Cần lưu ý đến mỹ quan của công trình. Hệ thống thu sét phải được xây dựng không gây trở ngại cho sự vận hành bình thường của trạm, cho sự lưu thông của xe cộ và người vận hành trong trạm. II. PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRẠM TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP. Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp, ta dùng hệ thống cột thu sét được đặt trên kết cấu của trạm, đồng thới bố trí dây thu sét bảo vệ chống sét cho trạm , để đảm bảo an toàn tuyệt đối các công trình , khí cụ ..... Thực hiện bảo vệ theo từng nhóm, ứng với các cấp điện áp của trạm. Mỗi nhóm ta xác định độ cao tối thiểu (h0) sao cho ứng với độ cao này các thiết bị nằm trong khu vực bảo vệ an toàn của nhóm cột thu sét tương ứng. Trên cơ sở bố trí các cột thu sét, được chia thành từng nhóm và lần lượt tính độ cao của cột thu sét theo các trường hợp sau: 1. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là một hình chóp tròn xoay có đường sin dạng hyperbol. Hình.2: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét rx = 1,6.h.().p Với: - p = 1 khi h ≤ 30 (m). - p = khi 30 < h ≤ 60 (m). Độ cao hiệu dụng của kim thu sét: ha = h - hx Chiều cao kết cấu cần bảo vệ: hx Chiều cao đỉnh kim thu sét: h Phạm vi bảo vệ: rx Vậy: - Khi hx ≤ h0 thì r0x = 1,5.h0.p.(1 - ) - Khi hx ≥ h0 thì r0x = 0,75.h0.p.(1 - ) 2. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét: + Phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau: Hình 3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét bằng nhau Hai cột thu sét có cùng chiều cao h, và được bố trí cách nhau một khoảng là a. Nếu khoảng cách a = 7h thì mọi điểm trên mặt đất giữa hai cột thu sét sẽ được bảo vệ. Nếu khoảng cách a < 7h chúng có thể bảo vệ được một vật đặt giữa chúng có độ cao h0 được xác định: h0 = h - phải thỏa điều kiện a ≤ 7p.(h – h0). Bán kính lớn nhất của vật cần bảo vệ khi đặt giữa hai cột thu sét được xác định: r0x = 1,6.h0.() Nếu: - hx ≤ h0 thì r0x = 1,5.h0.p. (1 - ) -hx > h0 thì r0x = 0,75.h0.p.(1 - ) + Phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao khác nhau: Hai cột thu sét lần lượt có độ cao là h1 và h2 (h1 > h2), và được bố trí cách nhau một khoảng là a. Phạm vi bảo vệ ở phía ngoài hai cột thu sét giống như phạm vi bảo vệ của từng cột riêng lẽ. Phạm vi bảo vệ giữa hai cột có được bằng cách qua đỉnh cột thấp (h2) vẽ một đường thẳng ngang, nó cắt đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột h1 ở điểm 3, điểm này được xem như là đỉnh của một cột thu sét giả tưởng h1’ = h2 và khu vực bảo vệ giữa cột thấp h2 và h1’ cách nhau a’ như đã trình bày ở trường hợp hai cột thu sét có độ cao bằng nhau. Hình 4: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau 3. Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét: Khi công trình có diện tích lớn người ta thường hệ thống nhiều cột thu sét để bảo vệ. Để xác định phạm vi bảo vệ, người ta chia hệ thống thu sét thàng từng nhóm ba hoặc bốn cột thu sét. Bên ngoài điện tích của đa giác đi qua các cột thu sét (hình tam giác hoặc hình chữ nhật) thì phạm vi bảo vệ được xác định như giữa từng đôi cột thu sét với nhau. Còn tấtt cả các thiết bị có độ cao lớn nhất hx đặt trong diện tích hình chữ nhật sẽ được bảo vệ an toàn nếu điều kiện sau được thỏa mãn: D ≤ 8(h – hx).p Với: - D: đường kính ngoại tiếp của h tam giác hay hình chữ nhật chạy qua đỉnh các cột thu sét. - hx: chiều cao lớn nhất cần bảo vệ. + Phạm vi bảo vệ của ba cột thu sét: Hình 5 : Phạm vi bảo vệ của ba cột thu sét D = Với a12, a23, a13 là ba cạnh của tam giác ngoại tiếp ba cột thu sét p = → Chiều cao cột thu sét được chọn phải thỏa điều kiện: h ≥ + hx Nếu khoảng cách a = 7h thì mọi điểm trên mặt đất giữa hai cột thu sét sẽ được bảo vệ +. Phạm vi bảo vệ của bốn cột thu sét: Cách xác định hoàn toàn giống như ba cột thu sét. Trong đó D là đường chéo của hình chữ nhật hay đường kính của đường tròn đi qua bốn đỉnh của bốn cột thu sét. Hình 6: Mặt bằng bảo vệ của bốn cột thu sét có độ cao bằng nhau đặt tại bốn đỉnh của một hình chữ nhật. III. TÍNH TOÁN CHI TIẾT THIẾT KẾ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP. 1.Các số liệu ban đầu : + Diện tích toàn trạm 70 m x 46 m = 3220 mm2 + Cột anten có độ cao : 35 m. + Cột cộng 110 KV có độ cao : 16 m . + Đường dây 110 KV vào trạm : 13 m. + Thanh góp ,xà đỡ dây biến áp có độ cao : 8,5 m. + Độ cao của các khí cụ điện như máy cắt , biến dòng : 6m. + Độâ cao tòa nhà gồm phòng điều khiển và phòng chứa tủ hợp bộ : 5 m. 2.Các khu vực và cao độ cần được bảo vệ chống sét. + Độ cao xà đỡ dây cột cổng trạm 110KV : 13 m. + Thanh góp , xà đỡ dây biến áp có độ cao : 8,5 m. + Tòa nhà điều khiển , và các khí cụ như máy cắt , máy biến điện áp , máy biến dòng , dao cách ly có độ cao chung là : 6 m . Riêng đối với đường dây 110 KV vào trạm được bảo vệ sét đánh bằng 2 đường dây đặt trên đỉnh cột có độ cao 16 m . 3. Bố trí và chọn độ cao cột thu sét . Để giảm chi phí đầu tư cho hệ thống chống sét, người ta thường tận dụng các kết cấu công trình có độ cao có sẵn để lắp các kim thu sét. Các kết cấu đó là : + Độ cao của cột cổng trạm 110KV : 16m. + Độ cao của nhịp xà đỡ thanh góp 110KV : 11,5 m. + Độ cao cột anten là: 35 m. Dựa vào bản vẽ mặt bằng và mặt cắt của trạm biến áp ta đặt 9 kim thu sét được bố trí như sau : + Ta đặt 4 kim thu sét A ,D ,E, F trên đỉnh xà đỡ cột cổng trạm, cao 16m. + Ta đặt 4 kim thu sét B ,C ,G ,H trên đỉnh xà đỡ thanh góp, cao 11,5 m. + Ta đặt 1 kim thu sét I trên đỉnh cột anten , cao 35m. Từ đó ta dễ dàng xác định khoảng cách giữa các cột với nhau : + Khoảng cách cột A và C bằng khoảng cách cột F và H :aAC = aFH =22 m. + Khoảng cách cột A và F bằng khoảng cách cột C và H :aAF = aCH =32 m. + Khoảng cách cột A và E : aAE = 21 m. + Khoảng cách aAD = aEF = aAB = aBC = aFG = aGH =11 m. + Khoảng cách cột H và I : aHI = 23 m. + Khoảng cách cột C và I .Xét tam giác IHC vuông tại H . Áp dung định lý Pitago ,ta xác định CI = ==39,4 m * Các cột A,C ,H ,F tạo thành hình chữ nhật nên ta tính D đường tròn ngoại tiếp D = ==38,84 m Ta xác định độ cao hiệu dụng tương ứng với các độ cao cần bảo vệ , đồng thời đảm bảo yêu cầu + Chiều cao cần bảo vệ hX = 13 m : Điều kiện: h ≤ 30 m => p = 1 Vậy ta chọn độ cao cột A , F , E , D là hA = hF = hE= hD =19,5 m Do đó độ cao mỗi kim thu sét của 4 cột A , F ,E ,D : ha =19,5 -16 = 3,5 m + Chiều cao cần bảo vệ hX = 8,5 m : Điều kiện: h ≤ 30 m => p = 1 Vậy ta chọn độ cao cột B ,C là hB = hC =15,5 m Do đó độ cao mỗi kim thu sét của 2 cột B , C : ha =15,5 -11,5 = 4 m * Các cột C, H, I tạo thành hình tam giác nên ta tính D đường tròn ngoại tiếp . Trong đó : + Chiều cao cần bảo vệ hX = 6 m : Điều kiện: h ≤ 30 m => p = 1 Độ cao cột B ,C là hB = hC =15,5 m > 10,97 m Ta chọn độ cao kim thu sét trụ anten cột G : ha = 3,5m , do đó hG = 38,5 m 4.Tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu sét. a. Phạm vi bảo vệ của cột A ,D ,E , F : Vùng cần bảo vệ có độ cao hX = 13m Phạm vi bảo vệ của từng cột là : + Cột A, D ,E ,F có cùng độ cao với h = hA= hD = hE = hF =19,5m . Ta có hx = 13 h + Bán kính bảo vệ mỗi cột : rA = rE = rF = rD =1,5.h.p. (1 - ) =1,5 .19,5 ( 1 -) = 5,58 m Phạm vi bảo vệ nhỏ nhất của 2 cột A và D + Khoảng cách giữa 2 cột là : aAD = 11 m < 7 .19,5 =136,5 m. + Độ cao tối đa của vật được bảo vệ giữa 2 kim thu sét A và D + Bán kính bảo vệ vật có độ cao h0 : Ta có hx =13 > h0 r0x = 0,75.h0.(1 - ) =0,75 .17,94 (1-) =3,7 m Việc đặt 4 kim thu sét tại đỉnh cột cổng trạm cao 16m đã phủ kín toàn bộ xà đỡ dây cột cổng trạm 110KV cao 13 m. Vùng cần bảo vệ có độ cao hX = 6 m . Phạm vi bảo vệ của từng cột là : + Cột A, D, E , F có cùng độ cao với h = hA = hD = hE = hF =19,5m . Ta có hx = 6 <h rA = rD = rE= rF =1,5.h.p. (1 - ) Điều kiện: h ≤ 30 m => p = 1 = 1,5 .19,5 ( 1 -) = 18 m Phạm vi bảo vệ nhỏ nhất của 2 cột A và D + Khoảng cách giữa 2 cột là : aAD = 11 m < 7 .19,5 =136,5 m. + Độ cao tối đa của vật được bảo vệ giữa 2 kim thu sét A và D + Bán kính bảo vệ vật có độ cao h0 : Ta có hx = 6 < h0 r0x = 1,5.h0.(1 - ) = 1,5 . 17,94 .( 1 - ) =15,6 m Vậy 2 cột A và D cũng như cột E và F sẽ phối hợp bảo vệ hoàn toàn các thiết bị có độ cao 6m , nằm trong khu vực bán kính bảo vệ của mỗi cột là 18 m và cả những thiết bị nằm trong bán kính bảo vệ ở giữa hai cột là 15,6 m. b. Phạm vi bảo vệ của cột B, C, H ,G : Vùng cần bảo vệ có độ cao hX = 8,5 m . Phạm vi bảo vệ của từng cột là : + Cột B ,C , H , G có cùng độ cao với h = hB = hC = hH = hG =15,5 m . Ta có hx = 8,5 <h rB = rC = rH = rG = 1,5.h.p. (1 - ) = 1,5 .15,5 ( 1 -) = 7,3 m Phạm vi bảo vệ nhỏ nhất của 2 cột C và H + Khoảng cách giữa 2 cột là : aBC = 32 m < 7 .15,5 =108,5 m. + Độ cao tối đa của vật được bảo vệ giữa 2 kim thu sét C và H + Bán kính bảo vệ vật có độ cao h0 : Ta có hx = 8,5 > h0 r0x = 0,75h0(1 - ) = 0,75.11.(1 - ) = 4,95 m Vậy 2 cột C và H cũng như cột B và G sẽ phối hợp bảo vệ hoàn toàn các thiết bị có độ cao 8 ,5m , nằm trong khu vực bán kính bảo vệ của mỗi cột là 7,3 m và cả những thiết bị nằm trong bán kính bảo vệ ở giữa hai cột là 4,95 m. Vùng cần bảo vệ có độ cao hX = 6 m . Phạm vi bảo vệ của từng cột là : + Cột B , C, H ,G có cùng độ cao với h = hB= hC =hH= hG = 15,5m . Ta có hx = 6 <h rA = rE = rF = rD =1,5.h.p. (1 - ) = 1,5 .15,5 ( 1 -) = 12 m Phạm vi bảo vệ nhỏ nhất của 2 cột C và H . + Khoảng cách giữa 2 cột là : aAD = 32 m < 7 .15,5 =108,5 m. + Độ cao tối đa của vật được bảo vệ giữa 2 kim thu sét B và C + Bán kính bảo vệ vật có độ cao h0 : Ta có hx = 6 < h0 r0x = 1,5.h0.(1 - ) = 1,5 . 11 .( 1 - ) = 5,25 m Vậy 2 cột C và H cũng như cột B và G sẽ phối hợp bảo vệ hoàn toàn các thiết bị có độ cao 6m , nằm trong khu vực bán kính bảo vệ của mỗi cột là 12 m và cả những thiết bị nằm trong bán kính bảo vệ ở giữa hai cột là 5,25 m. c. Phạm vi bảo vệ của cột A và B như cột F và G : + Độ cao của 2 cột không bằng nhau với hA =19,5m, hB =15,5m + Khoảng cách giữa 2 cột là : a AB = 22m. Từ đỉnh cột thu sét C ta kẻ đường thẳng ngang cắt đường sinh giới hạn phạm vi bảo vệ của cột thu sét I tại điểm N . Điểm này được xem như là đỉnh của một cột thu sét giả tưởng , khoảng cách giữa chúng là 0’’0’ . Do đó ta phải xác định khoảng cách 0’’0’ . - Xét 2 tam giác đồng dạng 0MK 0’’NK . Ta có: ( 0K = 1,5. hA = 1,5. 19.5 =29,25 m) 00’’ = 0K – 0’’K = 29,25 – 28,3 =0,95 m - Khoảng cách giữa 2 cột giả tưởng : a’ = 0’’0’ = 00’ - 00’’ = 22 – 0,95 = 21,05 m . Vùng cần bảo vệ có độ cao hX = 8,5 m . Phạm vi bảo vệ của từng cột là : + Cũng giống như phạm vi bảo cột B , C rB = rN =1,5.h.p. (1 - ) = 1,5 .15,5 ( 1 -) = 7,3 m Phạm vi bảo vệ nhỏ nhất của 2 cột giả tưởng : + Khoảng cách giữa 2 cột là : a’ = 21 ,05 m < 7 .15,5 =108,5 m. + Độ cao tối đa của vật được bảo vệ giữa 2 kim thu sét giả tưởng : + Bán kính bảo vệ vật có độ cao h0 : Ta có hx = 8,5 > h0 r0x = 0,75h0(1 - ) = 0,75.12,5.(1 - ) = 3 m Vùng cần bảo vệ có độ cao hX = 6 m . Phạm vi bảo vệ của từng cột là : + Cũng giống như phạm vi bảo cột B , C Ta có hx = 6 <h rB = rN =1,5.h.p. (1 - ) = 1,5 .15,5 ( 1 -) = 12 m Phạm vi bảo vệ nhỏ nhất của 2 cột giả tưởng : + Khoảng cách giữa 2 cột là : a’ = 21 ,05 m < 7 .15,5 =108,5 m. + Độ cao tối đa của vật được bảo vệ giữa 2 kim thu sét giả tưởng : + Bán kính bảo vệ vật có độ cao h0 : Ta có hx = 6 < h0 r0x = 1,5.h0(1 - ) =1,5.12,5.(1 - ) = 9,75 m d.Phạm vi bảo vệ của các 2 cột H ,I . + Độ cao của 2 cột H và I không giống nhau hH =15,5 m , còn cột anten có độ cao là hI = 38,5 m + Ta thấy độ cao cột I tương đối lớn so với H . , khoảng cách giữa 2 cột aHI = 23 m , nên phạm vi bảo vệ bao trùm lên cột H + Do đó ta chỉ xét phạm vi bảo vệ của cột I so với độ cao máy biến áp , tòa nhà điều khiển ,và một phần độ cao các khí cụ điện . và phần xà đỡ dây biến áp. Vùng cần bảo vệ có độ cao hX = 8,5 m . Phạm vi bảo vệ của cột anten là : Ta có hx = 8,5 <h trong đó p = = khi 30 < h ≤ 60 m. rG =1,5.h.p. (1 - ) = 1,5 .38,5.0,88 ( 1 -) = 36,8 m Vùng cần bảo vệ có độ cao hX = 6 m . Phạm vi bảo vệ của cột anten là : Ta có hx = 6 <h trong đó p = = khi 30 < h ≤ 60 m. rG =1,5.h.p. (1 - ) = 1,5 .38,5.0,88 ( 1 -) = 40 ,92 m e. Phạm vi bảo vệ của cột C và I + Độ cao của 2 cột không bằng nhau với hC =15,5m, hI = 38,5m + Khoảng cách giữa 2 cột là : a CI = 39,4 m. Từ đỉnh cột thu sét C ta kẻ đường thẳng ngang cắt đường sinh giới hạn phạm vi bảo vệ của cột thu sét I tại điểm N . Điểm này được xem như là đỉnh của một cột thu sét giả tưởng , khoảng cách giữa chúng là 0’’0’ . Do đó ta phải xác định khoảng cách 0’’0’ . - Xét 2 tam giác đồng dạng 0IK 0’’NK . Ta có: ( 0K = 0,75. hI = 0,75. 38,5 =28,875 m) 00’’ = 0K – 0’’K = 28,875 – 11,625 = 17,25 m - Khoảng cách giữa 2 cột giả tưởng : a’ = 0’’0’ = 00’ - 00’’ = 39,4 – 17,25 = 22,15 m . Vùng cần bảo vệ có độ cao hX = 8,5 m . Phạm vi bảo vệ của từng cột là : + Cũng giống như phạm vi bảo cột B , C rB = rN =1,5.h.p. (1 - ) = 1,5 .15,5 ( 1 -) = 7,3 m Phạm vi bảo vệ nhỏ nhất của 2 cột giả tưởng : + Khoảng cách giữa 2 cột là : a’ = 22,15 m < 7 .15,5 =108,5 m. + Độ cao tối đa của vật được bảo vệ giữa 2 kim thu sét giả tưởng : + Bán kính bảo vệ vật có độ cao h0 : Ta có hx = 8,5 > h0 r0x = 0,75h0(1 - ) = 0,75.12,33.(1 - ) = 2,875 m Vùng cần bảo vệ có độ cao hX = 6 m . Phạm vi bảo vệ của từng cột là : + Cũng giống như phạm vi bảo cột B , C Ta có hx = 6 <h rB = rN =1,5.h.p. (1 - ) = 1,5 .15,5 ( 1 -) = 12 m Phạm vi bảo vệ nhỏ nhất của 2 cột giả tưởng : + Khoảng cách giữa 2 cột là : a’ = 22 ,15 m < 7 .15,5 =108,5 m. + Độ cao tối đa của vật được bảo vệ giữa 2 kim thu sét giả tưởng : + Bán kính bảo vệ vật có độ cao h0 : Ta có hx = 6 < h0 r0x = 1,5.h0(1 - ) =1,5.12,33.(1 - ) = 9,495 m 5. Tính toán phạm vi bảo vệ của dây chống sét . + Để đảm bảo an toàn tuyệt đối chống sét đánh vào trạm , ngoài bố trí kim thu sét trên các đỉnh cột đỡ ta còn bố trí các dây chống sét bao quanh . + Việc tính toán phạm vi bảo vệ của dây chống sét cũng tương tự đối với cột thu sét. Ta có các công thức tính toán: - Phạm vi bảo vệ của một dây chốâng sét: bx = 1,2h..p - Phạm vi bảo vệ của 2 dây chống sét: khi hai dây chống sét cách nhau: S = 2B = 4h thì mọi điểm trên mặt đất nằm giữa hai dây chống sét sẽ được bảo vệ an toàn. Nếu S < 4h thì giữa hai dây chống sét có thể bảo vệ được độ cao: ho = h - + Tính toán phạm vi bảo vệ của 2 dây chống sét : Độ cao của dây chống sét là :11,5m. Khoảng cách giữa 2 dây là: S = 11 m. ho = h - = 14 - = 11,25 m bx = 1,2h.().p = 1,2.11,5.()= 2,07 m Ngoài để đảm bảo chống sét trực tiếp vào trạm ta dùng thêm 2 dây chống sét , nối từ đỉnh của trụ cột anten đến 2 điểm A và F trên đỉnh xà đỡ cột cổng trạm, cao 16m. Như vậy phạm vi bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm an toàn tuyệt đối . Kết luận: Với việc thiết kế và xây dựng hệ thống thu sét bằng cột thu sét có kết hợp với dây chống sét dựa vào kết cấu của công trình như đã tính toán ở trên, thì việc vận hành của trạm khi có sét sẽ được đảm bảo an toàn tuyệt đối . CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM I .KHÁI QUÁT CHUNG . Nhiệm vụ của nối đất là để tản vào đất dòng điện sự cố (rò cách điện, ngắn mạch chạm đất hoặc dòng điện sét) và giữ cho điện thế trên các phần tử được nối đất thấp. Theo chức năng của nó, nối đất trong hệ thống điện chia làm ba loại: + Nối đất làm việc: Có nhiệm vụ bảo đảm cho sự làm việc bình thường của trang thiết bị điện trong điều kiện bình thường và sự cố theo cac chế độ qui định. Đó là nối đất điểm trung tính các cuộn dây máy phát, máy biến áp công suất và máy bù, nối đất máy biến áp đo lường, nối đất trong hệ thống pha – đất (đất được dùng như một dây dẫn). + Nối đất an toàn hay nối đất bảo vệ: Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người phục vụ khi cách điện của trạm, thiết bị điện bị hư hỏng gây rò điện. Đó là nối đất vỏ máy phát, máy biến áp, vỏ thiết bị điện, vỏ cáp, nối đất các kết cấu kim loại của trang thiết bị phân phối điện Nói chung, đó là nối đất các bộ phận kim loại, bình thường có điện thế bằng không, nhưng khi cách điện bị hư hỏng do phóng điện xuyên thủng hay phóng điện mặt sẽ có điện thế khác không. + Nối đất chống sét: Nhằm tản dòng điện sét vào trong đất và giữ cho điện thế của các phần tử được nối đất không quá cao để hạn chế phóng điện ngược từ các phần tử đó đến các bộ phận mang điện và các trang thiết bị điện khác. Đó là nối đất cột thu sét, dây chống sét, các thiết bị chống sét, nối đất các kết cấu kim loại có thể bị sét đánh II.NHỮNG YÊU CẦU KINH TẾ KỸ THUẬT TRONG NỐI ĐẤT AN TOÀN: Hệ thống nối đất của trạm biến áp đóng vai trò rất quan trọng trong việc bảo vệ các trang thiết bị của trạm. Nếu hệ thống nối đất không đạt yêu cầu sẽ gây ra các hậu quả rất nghiêm trọng (hư hỏng các trang thiết bị), bới vì hệ thống thu sét được thiết kế với độ cao vượt hẳn so với độ cao của công trình có tác dụng câu sét đánh vào đây là rất lớn. Do đó tổng trở xung của hệ thống thu sét khi tản dòng sét là rất lớn, điện áp giáng trên hệ thống nối đất cao đủ để gây phóng điện lên các bộ phận mang điện tạo nên dạng sóng cắt có biên độ lớn gây hỏng cách điện của các thiết bị và đặc biệt là MBA. Đối với lưới điện áp 110 KV trở lên thuộc hệ thống có trung tính trực tiếp nối đất (có dòng ngắn mạch chạm đất tới trên 500A). Theo quy phạm về nối đất các trang thiết bị điện hiện hành, thì điện trở nối đất an toàn của trạm này phải thoả yêu cầu: R £ 0,5W . Yêu cầu trên rất khó thoả mãn do đó để có thể phần nào thỏa mãn yêu cầu trên và giảm chi phí xây dựng hệ thống nối đất, trong thiết kế ta cần tận dụng các kết cấu kim loại chôn trong đất như: móng, cọc, xem như là loại nối đất sẵn có hay là nối đất tự nhiên, có điện trở tản là Rtn. Phần nối đất thiết kế là nối đất nhân tạo có điện trở tản là Rnt thì theo quy phạm trên điện trở tản của toàn bộ hệ thống nối đất phải thỏa mãn yêu cầu sau: R = ≤ 0,.5 Ω Với Rnt ≤ 1 Ω Quy định Rnt ≤ 1 Ω nhằm tăng cường an toàn và dự phòng cho các trường hợp khi nối đất tự nhiên thay đổi. III. TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT TỰ NHIÊN : Điện trở nối đất tự nhiên là điện trở tản, do tận dụng các bộ phận bằng thép sẵn có trong khu vực trạm, móng bê tông của cột và xà trong trạm và nối đất của hệ (dây chống sét – cột điện). Do cách thiết kế mang tính chất giả định, không có đầy đủ các số liệu về các loại nối đất tự nhiên khác, nên thường chỉ có thể xét đến sự tham gia của điện trở nối đất của hệ (dây chống sét – cột) của các đường dây truyền tải nối vào trạm, ký hiệu RCS-C, đó là điện trở đầu vào của mạch điện thông số tập trung tạo nên bởi điện trở nối đất của các cột điện, điện trở tác dụng của đoạn dây chống sét giữa hai cột. Điện trở nối đất tự nhiên của hệ ( dây chống sét – cột ) : RCS-C = Trong đó: RC: điện trở nối đất của cột điện ở đoạn nối tới trạm. Điện trở suất của đất: ρđk =100 Ωm do đất khô. Do rđất , nên chọn RC = 10. RSC = k.r0.l : điện trở tác dụng đoạn dây chống sét trong một khoảng vượt (giả sử các khoảng vượt đều bằng nhau). Với: r0: điện trở một đơn vị dài của dây chống sét. Đối với đường dây 110 KV dùng loại dây TK50 làm dây chống sét có r0 = 0,003 / m l: chiều dài trung bình của khoảng vượt , đối với đường dây 110KV , l =200m k: hệ số phụ thuộc số dây chống sét trên đường dây, do lộ kép nên k = 0,5 RSC = k.r0.l = 0,5 .0,003 .200 = 0,3 Ta thay các giá trị vào công thức trên xác định được RCS-C : RCS-C = = 1,59 Trạm có 2 đường dây vào , nên ta có điện trở nối đất tự nhiên : Rtn = Nhận xét do Rtn = 0,795 > Rmax = 0,5 W nên ta phải thiết kế thêm phần nối đất nhân tạo cho trạm . IV. TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT NHÂN TẠO . Nối đất nhân tạo gồm một mạch vòng nối đất chạy ven chu vi trạm (Rmv), bản thân là một mạch vòng thanh thuần túy (Rt) (do điện trở suất của đất bé và chu vi của trạm lớn) hay đôi khi là mạch vòng thanh kết hợp nhiều cọc lại đều ven chu vi trạm. Trong phạm vi trạm có một hệ thống các thanh đặt ngang và dọc tạo thành một lưới nốùi đất có nhiệm vụ cân bằng thế trong khu vực trạm và để các thiết bị điện tiếp đất thuận lợi hơn. Ngoài ra, theo yêu cầu của qui phạm chống sét cho trạm phân phối điện, dưới chân các cột thu sét và dưới chân các xà đỡ các dây chống sét còn phải có nối đất bổ sung (Rbs) để tản nhanh dòng điện sét và nhằm giảm nhỏ tổng trở tản xung của hệ thống nối đất. Toàn bộ các nối đất bổ sung này (RbsS) cũng tham gia tản dòng điện ngắn mạch chạm đất tần số công nghiệp. Ta có : Rđ = Rtn ⁄ ⁄ Rnt Rnt = Do đó điện trở của hệ thống nối đất nhân tạo : Rnt = Ta thấy Rnt = 1,35 >1 không thoả mãn theo tiêu chuẩn cho phép , nên ta phải thiết kế sao cho Rnt = 1 , bằng 2 biện pháp là nối đất bổ sung () và mạch vòng nối đất ( Rmv) , giả sử bỏ qua điện trở tản của lưới cân bằng thế , lúc đó điện trở nối đất nhân tạo là Rnt = ⁄ ⁄ Rmv . 1.Điện trở nối đất bổ sung. Yêu cầu của qui phạm chống sét cho trạm phân phối điện: mọi trường hợp khi nối đất chống sét nối chung với nối đất an toàn, thì dưới chân các cột thu sét và xa đỡ các dây chống sét phải có nối đất bổ sung (Rbs). Nối đất bổ sung có tác dụng chính là để tản dòng điện sét một cách thuận lợi, nên được thực hiện theo hình thức nối đất tập trung (dưới chân các cột thu sét và chân các xà đỡ dây chống sét), toàn bộ nối đất bổ sung nhằm tải dòng điện chạm đất . Ta thực hiện nối đất bổ sung gồm 5 cọc , mỗi cọc dài 3 m, đường kính 30 mm , được hàn với thanh ngang dạng tròn đường kính 20 mm dài 12 m . + Điện trở một cọc nối đất : RC = Trong đó : = = 100 .1,4 = 140 Ωm = 100 Ωm điện trở suất đo lúc đất khô Km =1,4 hệ số mùa ( Tra trong bảng phụ lục PL03 trong sách bài tập “ Kỹ Thuật Cao Áp “ của tác giả Hồ Văn Nhật Chương ) t : độ chôn sâu trung bình t = t0 + = 0,8 + d = 0,03 m đường kính cọc RC == 41,8Ω + Điện trở một thanh nối đất : Rt = Trong đó : = = 100 .1,6 = 160 Ωm = 100 Ωm điện trở suất đo lúc đất khô Km =1,6 hệ số mùa ( Tra trong bảng phụ lục PL03 trong sách bài tập “ Kỹ Thuật Cao Áp “ của tác giả Hồ Văn Nhật Chương ) d =0,02 m, đường kính thanh ngang . t0 = 0,8 m , độ chôn sâu . lt = 12 m chiều dài thanh ngang . Rt = =19,3 Ω + Như vậy điện trở nối đất bổ sung của tổ hợp : Rbs = Trong đó : với và số cọc n = 5 Tra bảng phục lục PL05 và PL07 trong sách bài tập “ Kỹ Thuật Cao Áp “ của Hồ văn Nhật Chương ta có : và a : khoảng cách giữa các cọc l : chiều dài cọc Rbs = + Điện trở nối đất bổ sung toàn trạm : Với m = 9 là số cột đặt kim thu sét . 2. Điện trở mạch vòng nối đất . Ta thực hiện nối đất mạch vòng bằng thanh dạng tròn có đường kính d= 20mm kết hợp nối đất cọc dài 3 m , có đường kính d =30 mm , cách nhau một khoảng 6m ven theo chu vi của trạm , đồng thời cách tường rào trạm 1 m, thanh cọc được chôn sâu 0,8 m so với mặt đất . + Xác định số cọc thẳng đứng : Chiều dài trạm là 68 m , chiều rộng là 44 m Do đó chu vi trạm L = ( 68+44) = 224m , ta chọn chiều dài bước lưới là 6 m Vậy số cọc phải đóng xung quanh mạch vòng : 37,3 Ta lấy 40 cọc đóng xung quanh mạch vòng của trạm . + Điện trở của cọc : RC == 41,8Ω = 1,73 Ω + Điện trở của điện cực nằm ngang . Rt = Trong đó : = = 100 .1,6 = 160 Ωm = 100 Ωm điện trở suất đo lúc đất khô Km =1,6 hệ số mùa ( Tra trong bảng phụ lục PL03 trong sách bài tập “ Kỹ Thuật Cao Áp “ của tác giả Hồ Văn Nhật Chương ) L = ( 68+44) = 224m lt = 68+44 = 112 m và ( Ta tra bảng phụ lục PL19 trong sách bài tập “ Kỹ Thuật Cao Áp “ của tác giả Hồ Văn Nhật Chương ) cho K = 5,81 Rt = = = 3,8 Ω Với và n = 40 tra bảng phụ lục PL05 và PL07 trong sách bài tập “ Kỹ Thuật Cao Áp “ của tác giả Hồ Văn Nhật Chương ) và + Điện trở tản của mạch vòng : Rmv =1,5 Ω NHẬN XÉT : Tuy nhiên thực tế người ta ít làm điện trở tản mạch vòng chỉ có ở miền Bắc vì mưa nhiều còn ở miền Nam có 6 tháng mùa khô nên người ta thường 1 cọc khoan sâu 15 m và tiến hành đo điện trở đất gần bằng 10 Ω , muốn điện trở đất đạt 0,5 Ω ta khoan chừng 15 cọc như vậy xung quanh chu vi trạm . - Điện trở nối đất nhân tạo Rnt = = 0,56 < 1 Ω Do đó đảm bảo an toàn kỹ thuật . - Điện trở tản xoay chiều của hệ thống < 0,5 Ω Do đó đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho toàn trạan8 Kết luận: Hệ thống nối đất của trạm : + Mạch vòng hình chữ nhật ven chu vi có dạng thanh tròn với d = 0,02 m và độ chôn sâu h0 = 0,8 m so với mặt đất trạm . + Nối đất bổ sung dưới chân các cột thu sét sử dụng dạng thanh tổ hợp gồm thanh và cọc , thanh ngang dạng tròn có d = 0,02 m dài 12 m và cọc dạng tròn có d = 0,03 m , gồm có 5 cọc , được hàn với thanh ngang , chiều dài mỗi cọc là 3 m . Và được chôn sâu h0 = 0,8 m so với mặt đất trạm . + Với hệ thống nối đất như trên sẽ đảm bảo được điều kiện nối đất an toàn. V. KIỂM TRA NỐI ĐẤT THEO YÊU CẦU CHỐNG SÉT 1. Nguyên tắc kiểm tra: + Do hệ thống nối đất an toàn được dùng chung làm hệ thống nối đất chống sét. + Với hệ thống nối đất an toàn vừa tính ở phần trên, mặc dù thỏa điều kiện an toàn nhưng ta phải kiểm tra điều kiện chống sét. + Khi sét đánh vào hệ thống thu sét, dòng điện sét sẽ gây ra một điện áp giáng trên hệ thống nối đất. Nếu điện áp này vượt quá mức giới hạn cách điện xung của trạm sẽ gây ra phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến các thiết bị trạm gây hư hỏng thiết bị. + Dòng sét tản qua hệ thống nối đất của trạm sẽ tạo nên một điện áp giáng trên tổng trở xung của nó, có trị số cực đại bằng ISZå(0,tds). Để không xảy ra phóng điện ngược đến các bộ phận mang điện của trạm thì điện áp giáng phải thoả mãn điều kiện: U(x,t) = ISmax.Z(0, t) < U0,5 Trong đó: I S: biên độ của dòng sét. Z(0,t): tổng trở xung đầu vào của hệ thống nối đất sẽ có giá trị lớn nhất tại đầu vào x ≈ 0 và tại thời điểm t = t. Khoảng cách từ nối đất của cột thu sét và dây chống sét đến nối đất trung tính máy biến áp lớn hơn 15 m, do đó chỉ kiểm tra với U0.,5 của cách điện ngoài chuỗi sứ của trạm (U0,5: điện áp phóng điện xung kích bé nhất của công trình) Với cấp điện áp 110 KV thì U0,5 = 660 KV 2. Xác định tổng trở xung của hệ thống nối đất : + Tổng trở xung của hệ thống nối đất được tính gần đúng theo các giả thiết sau: - Coi như chỉ có nối đất bổ sung dưới chân cột thu sét trực tiếp bị sét đánh và mạch vòng nối đất ven chu vi tham gia vào việc tản dòng điện sét (bỏ qua tác dụng của nối đất bổ sung ở các cột khác không bị sét đánh, bỏ qua tác dụng của lưới nối đất cân bằng, bỏ qua tác dụng của nối đất tự nhiên). - Bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng màn che giữa nối đất bổ sung và hệ thống nối đất mạch vòng. - Bỏ qua hiện tượng phóng tia lửa điện trong đất. Chỉ kể đến ảnh hưởng của điện cảm mạch vòng nối đất. + Với các giả thiết trên, thì việc tính toán tổng trở xung của hệ thống nối đất sẽ đơn giản hơn, có thể thực hiện bằng phương pháp giải tích . Mạch vòng nối đất trong quá trình tải dònd điện sét biểu hiện như một dạng phân bố dài và được thay thế bằng điện cảm L’ và điện dẫn G’ phân bố theo toàn bộ chu vi mạch vòng . Công thức xác định điện cảm L’ và điện dẫn G’ L’ = 0,2(ln- 0,31) () L’ : điện cảm trên một đơn vị chiều dài ghép song song hai nhánh của mạch vòng. G’ = () G’: điện dẫn trên một đơn vị chiều dài ghép song song hai nhánh của mạch vòng. Trong đó : l’ = l1 + l2 = 68+44 = 112 m r = ( bán kính thanh ngang ) là điện trở tản của mạch vòng nối đất quy đổi về mùa mưa . Qui đổi các điện trở nối đất an toàn theo hệ số mùa sang nối đất chống sét, trong mùa mưa: ( Tra trong bảng phụ lục PL03 trong sách bài tập “ Kỹ Thuật Cao Áp “ của tác giả Hồ Văn Nhật Chương , ta có hệ số mùa của nối đất chống sét trong mùa mưa) * Điện trở nối đất mạch vòng quy về mùa mưa : =1,73. =1,6 =3,3. =2,99 Do đó : ==1,04 * Điện trở nối đất bổ sung quy về mùa mưa : =11,94. =11,08 =19,3. =17,4 Do đó : == 7,08 Thay các giá trị vào biểu thức L’ và G’ : L’= 0,2(ln- 0,31) =0,2(ln = 1,8 () G’ = = () Khi đó điện cảm và điện dẫn tổng sẽ là: L = L’ .l’ = 1,8 .112 = 201,6 (μH) G = G’.l’ = 0,961 () Khi có dòng điện sét truyền vào thanh, phân bố áp và dòng trong thanh theo hệ phương trình truyền sóng: - = L’. - = G’.u Lấy đạo hàm của u và i theo x và t, ta sẽ có hệ phương trình vi phân bậc hai tương đương: - = L’.G’. - = L’.G’. Để giải hệ phương trình trên ta dùng phương pháp toán tử Laplace, hệ phương trình trên được viết dưới dạng toán tử: = L’.G’.p.Ů(p) = L’.G’.İ(p) Nghiệm của hệ trên có dạng: Ů(p) = . İ(p) = Từ đó ta tính được tổng trở xung của mạch vòng nối đất theo công thức: Z(x,p) = = . Nếu chỉ xét tổng trở xung đầu vào (x = 0) thì: Z(0,p) = . Tổng trở xung đầu vào của mạch vòng nối đất có dạng: Z(0,p) = . = .= R’mv. Tổng trở xung của toàn bộ hệ thống nối đất dưới dạng toán tử: Z(0,p) = = Để biến đổi về dạng gốc cần viết nghiệm dưới dạng khai triển Heaviside: ZS(0,p) = = => ZS(0,t) = + Lần lượt xác định các thành phần của ZS(0,t) = = = R’bs // R’mv : là thành phần ổn định của tổng trở xung (t → ∞) pk là nghiệm thứ k của phương trình: F(0,p) = Th + = 0 Để giải phương trình này ta đặt ẩn số phụ: pLG = -x2 => = jx => Th = Th(jx) = j.tg(x) Phương trình F(0,p) = 0 sẽ tương đương với: j.tg(x) + j..x = 0 tg(x) + .x = 0 tgx + .x = 0 tgx + 0,14689 x = 0 Các nghiệm xk của phương trình trên có thể được giải bằng phương pháp đồ thị hoặc giải tích với sai số chấp nhận được. pk = - T1 = = = 19,63 (μs) F’(pk) = .+ . pk.F(pk) = ( + ) = ( + ) Cuối cùng tổng trở xung đầu vào của toàn hệ thống nối đất có dạng: Zk(0,t) = + Zk(0,t) = + 2.R'mv Tổng trở xung đầu vào đạt giá trị cực đại gần đúng vào lúc dòng sét qua biên độ tức là lúc t = t. ZS(0,t) = + 2.R'mv ZS(0,t) = + 2.R'mv Chuỗi trong biểu thức trên chỉ cần tính đến số hạng thứ i sao cho: ()2.= 3 => xk = π= = 10,8 Với: Thông số dòng sét tính toán theo qui phạm tđs = 5 μs IS = 150 kA. T1 =19,63 μs: hằng số thời gian. Bảng kết quả tính toán k xk A=()2. B = e-A C = cosxk D = F = 1 2,76 0,1968 0,8213 0,9988 1,0024 0,7146 2 5,6 0,8092 0,4452 0,9952 1,0096 0,3849 3 8,53 1,8777 0,1529 0,9889 1,0225 0,1331 =1,2326 => Tổng trở xung đầu vào lúc dòng sét qua biên độ: ZS(0,t) = + 2.R'mv = 3,4638(Ω). 3. Kiểm tra hệ thống nối đất theo điều kiện chống sét: Dòng sét tản qua hệ thống nối đất của trạm sẽ tạo nên một điện áp giáng trên tổng trở xung của nó, mà trị số cực đại bằng Is.ZS(0, tđs). Is là biên độ của dòng sét ở đầu của hệ thống nối đất để không xảy ra hư hỏng trang thiết bị hoặc gây phóng điện ngược đến bộ phận mang điện thì Is.ZS(0,tđs) < U0,5. Với U0,5 là điện áp phóng điện xung cách điện bé nhất của trạm Cấp điện áp 110KV, ta chỉ cần kiểm tra với U0,5 của cách điện chuỗi sứ. Điều kiện: ISmax.ZS(0,t) < U0,5 sứ = 660 KV Ta có: ISmax = 150 (KA) => ISmax.ZS(0,t) = 150.3,4638= 519,5 KV Thỏa mãn điều kiện chống sét: ISmax.ZS(0,t) = 519,5 KV < U0,5 sứ = 660 KV Kết luận: + Sau khi tính toán, thiết kế hệ thống nối đất an toàn cho trạm dựa trên cơ sở là tận dụng hệ thống nối đất tự nhiên và thiết kế thêm phần nối đất nhân tạo, ta có trị số điện trở tản của nối đất an toàn thỏa điều kiện cho phép. + Với hệ thống nối đất an toàn ta kiểm tra theo điều kiện chống sét thì kết quả vẫn thỏa mãn được điều kiện chống sét này. Vậy hệ thống nối đất của trạm thỏa yêu cầu về mặt an toàn và chống sét.