Điện, điện tử - Bài tập cao áp

Bài 1: Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho TBA 220/110 kV I, Số liệu ban đầu * Phía TBA - Trạm phân phối 220kV có diện tích: 100m2 - Trạm phân phối 110kV có diện tích:80 m2 * Điện trở suất của đất: ρ = 100Ωm * Dây dẫn - Dây dẫn: ACO-240 - Dây chống sét: C-50 * Chiều dài khoảng vượt - Phía 220kV: l= 200m - Phía 110kV: l=200m * Khi tính nối đất chọn Rc=6Ω II, Nội dung bài tập A, Lý thuyết chung 1, Cách xác định phạm vi bảo vệ cuả cột thu sét 1.1, Phạm vi bảo vệ của một cột hu sét - Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là hình chóp tròn xoay cso đường sinh dạng hyperbol. Ở độ cao hx, rx được xác định: rx= 1.6hh-hxh+hxp Trong đó: rx- bán kính phạm vi bảo vệ h- chiều cao CTS hx- chiều cao của vật được bảo vệ p - hệ số phụ thuộc vào h p=1 khi h≤30m.p=30h khi 30<h<60m ha= h-hx : độ cao hiệu dụng của cột thu sét. - Trong thiết kế đơn giản người ta thường thay thế đường sinh dạng hyperbol giới hạn khu vực bảo vệ bởi 2 đoạn thẳng. rx=1.5h(1-hxh Khi hx≤2h3 ↔rx= 1.5h-1.875hx.prx=0.75h1-hxh.p khi hx>2h3 ↔rx=0.75h-0.75hx.p 1.2, Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét * Trường hợp hai cột có độ cao bằng nhau ho= h- a7.p Khi đó bán kính bảo vệ của cột giả tưởng ho là: rox=1.5ho1-hx0.8hop khi hx≤23horox=0.75ho1-hxhop khi >23ho * Trường hợp hai cột có độ cao khác nhau r'ox=1.5h'o1-hx0.8h'op khi hx≤23h'or'ox=0.75h'o1-hxh'op khi hx>23h'o a'=a-1.5h1-h20.8 khi h2≤23h1a'=a-0.75h1-h2 khi>23h1 c, Phạm vi bảo vệ 3 cột thu sét Cho h1=h2=h3=h, được bảo vệ ở độ cao hx qua hình vẽ: 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 từng cột. - r0x-1=r0x-2=r0x-3 : bán kính bảo vệ chung các cột 1-2, 2-3, 3-1. * Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét Cho h1=h2=h3=h, được bảo vệ ở độ cao hx qua hình vẽ: 2, Tính Toán Theo sơ đồ kết cấu của trạm, ta mới chỉ biết diện tích mặt bằng của trạm mà chưa biết các vị trí các thiết bị trong trạm. Vì vậy chỉ cần bố trí các cột thu sét sao cho bảo vệ được mặt bằng của trạm có độ cao hx. Phía 220kV có độ cao hx=17m Phía 110kV có độ cao hx= 13m - Phương án này sử dụng 15 cột được bố trí bảo vệ mặt bằng. * Phạm vi bảo vệ phía 220kV Điều kiệ bảo vệ an toàn : D ≤ 8(h-hx) => h≥ hx + D8 - Xét độ cao nhóm cột ( 5,8,9,6) có độ cao hx=17m Cạnh 6-9: a=50m Cạnh 5-6 : b=40m è D=a2+b2 = 502+402 = 64.03m ha=64.038 = 8m Độ cao cột thu lôi: h=hx + ha= 17+8= 25m * Phạm vi bảo vệ phía 110kV - Xét nhóm cột (11,14,15,12) có độ cao hx= 13m Cạnh (11-14): c=40m Cạnh (14-15): d=40m => D=c2+d2 = 402+402 = 56.6m ha= 56.68 = 7.07m = 7m Độ cao cột thu lôi: h= hx + ha = 13+7 = 20m * Tính toán bán kính bảo vệ cột thu lôi - Xét cột 5: cột 220kV có hx = 17m Ta có: hx > 23h à hx > 23 x 25= 16.67m (t/m) Bán kính bảo vệ cột thu lôi hx=17m: rx5= 0.75h.(1- hxh)= 0.75 x 25 x (1- 1725) = 6 m - Xét cột 14: cột 110kV có hx= 13m Ta có: hx < 23h à hx < 23 x 20=13.33m (t/m) Bán kính bảo vệ cột thu lôi hx= 13m: rx14= 1.5h.(1- hx0.8h)= 1.5x20x (1- 130.8x20)= 5.625m * Bán kính bảo vệ giữa 2 cột thu lôi -Hai cột có chiều cao như nhau * Phía 220kV có chiều cao hx=17m + Xét 2 cột ( 5-8) có khoảng cách giữa 2 cột là 50m. Ta có ho= h- a7 = 25 - 507 = 17.86m hx=17 > 23h = 23x 17.86= 11.91m à Bán kính bảo vệ giữa 2 cột thu lôi: rx5-8= 0.75h0.(1- hx0.8ho)= 0.75x 17.86x(1 - 1717.86 )= 0.645m + Xét 2 cột ( 2-3) có khoảng cách giữa 2 cột là 40m. Ta có ho= h- a7 = 25 - 407 = 19.3m hx=17 > 23h = 23x 19.3= 12.87m à Bán kính bảo vệ giữa 2 cột thu lôi: rx2-3= 0.75h0.(1- hx0.8ho)= 0.75x 19.3 x(1 - 1719.3 )= 1.725m + Xét 2 cột ( 1-2) có khoảng cách giữa 2 cột là 30m. Ta có ho= h- a7 = 25 - 307 = 20.71m hx=17 > 23h = 23x 20.71= 13.81m à Bán kính bảo vệ giữa 2 cột thu lôi: rx1-2= 0.75h0.(1- hxh)= 0.75x 20.71x(1 - 1720.71 )= 2.7825m *Phía 110kV có chiều cao hx=13m + Xét 2 cột ( 11-14) có khoảng cách giữa 2 cột là 40m. Ta có ho= h- a7 = 20 - 407 = 14.3m hx=13 > 23h = 23x 14.3= 9.53m à Bán kính bảo vệ giữa 2 cột thu lôi: rx11-14 = 0.75h0.(1- hxh)= 0.75x 14.3 x(1 - 1314.3 )= 0.975m + Xét 2 cột ( 13-14) có khoảng cách giữa 2 cột là 30m. Ta có ho= h- a7 = 20 - 307 = 15.71m hx=12 > 23h = 23x 15.71= 10.473m à Bán kính bảo vệ giữa 2 cột thu lôi: rx13-14= 0.75h0.(1- hxho)= 0.75x 15.71 x(1 - 1315.71 )= 2.0325m - Hai cột có chiều cao khác nhau + Xét 2 cột ( 7-10) có khoảng cách giữa 2 cột là 40m. Có chiều cao: h10= 25m h13= 20m Ta tính bán kính bảo vệ từng cột cho độ cao 13m. Cột đã tính ở trên r13= 5.625m Tính cột 7 có hx= 13m hx=13< 23h = 23x 25= 16.67m rx10= 1.5h0.(1- hx0.8ho)= 1.5x 25x(1 - 130.8x25 )= 13.125m Bán kính bảo vệ của cột cao h10 = 20m hx= h10 = 20 > 23h = 23x 25= 16.67m x0 = 0.75h.(1- hxh)= 0.75x 25 x(1 - 2025 )= 3.75m à a= 40-3.75= 36.25m ho7-10 = h- a7 = 20 - 36.257 = 14.82m hx=13 > 23h = 23x 14.82= 9.88 m à Bán kính bảo vệ khu vực cột thu lôi có độ cao hx=13m rx10-13= 0.75h010-13.(1- hxh07-10)= 0.75x 14.82x(1 - 1314.82 )= 1.365m - Tính toán tương tự cho các nhóm cột còn lại kết quả được ghi vào bảng: Nhóm cột có chiều cao bằng nhau Phía 220kV có độ cao hx=17m Cặp cột Độ cao cột (m) a (m) ho (m) 23h0 (m) rox (m) 1-2 25 30 20.71 13.81 2.7825 2-3 25 40 19.3 12.78 1.725 1-4 25 50 17.86 11.91 0.645 4-7 25 50 17.86 11.91 0.645 6-9 25 50 17.86 11.91 0.645 3-6 25 50 17.86 11.91 0.645 Phía 110kV có độ cao hx= 13m Cặp cột Độ cao cột (m) a (m) ho (m) 23h0 (m) rox (m) 13-14 20 30 15.71 10.473 2.0325 10-13 20 40 14.3 9.53 0.975 14-15 20 40 14.3 9.53 0.975 12-15 20 40 14.3 9.53 0.975 Nhóm cột có chiều cao khác nhau với hx=13m Cặp cột Độ cao cột (m) a (m) ho (m) 23h0 (m) rox (m) 7-10 20 40 14.82 9.88 1.365 9-12 20 40 14.82 9.88 1.365 Phạm vi bảo vệ cột thu sét: - Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra. - Tổng số cột là 15 trong đó có 9 cột cao 25m và 6 cột cao 20m. - Tổng chiều dài là L1= 9 x (25-17) + 6 x (20-13) = 114m. 3. Tính toán nối đất chống sét * Số liệu tính toán: - Điện trở suất của đất: ρ = 100Ωm. - Dây dẫn: ACO-240. - Dây chống sét: C-50 có điện trở đơn vị ro= 2.6 Ω/km. - Chiều dài khoảng vượt, + Phía 220kV: l= 200m, + Phía 110kV: l=200m . - Khi tính nối đất chọn Rc=6Ω. - Với τds = 3.5 μs - Điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt: Rcs.220 = ro . l220= 2.6 x 200.10-3 = 0.572 Ω Rcs.110 = ro . l110= 2.6 x 250.10-3 = 0.572 Ω - Số lộ trong trạm: + Trạm 220kV: n = 3 lộ + Trạm 110kV: n = 4 lộ 3.1 Nối đất an toàn Điện trở nối đất của hệ thống: RHT =RTN // RNT = RTN . RNTRTN + RNT * Điện trở nối đất tự nhiên - Phía 220kV: RTN.220 = 1n .RcRCRC.220 + 1n = 13 .612+ 60.572 + 13 = 0.378 Ω - Phía 110 kV: RTN.110 = 1n .Rc12+RCRC.110 + 1n = 14 .612+ 60.572 + 14 = 0.284 Ω è RHT =RTN // RNT = RTN . RNTRTN + RNT = ( 10.378+10.284)-1 = 0.162 Ω < 6Ω(t/m) Do nối đất tự nhiên có nhiều thay đổi nên ta phải đảm bảo an toàn ta phải nối đất nhân tạo. * Điện trở nối đất nhân tạo - Nối đất có các hình thức cọc dài 2-3m bằng sắt tròn hay sắt họn dài thẳng đứng. - Thanh dài chọn nằm ngang ở độ sâu 0.5 ÷ 8m đặt theo hình tia, mạch vòng hoặc tổ hợp của 2 hình trên. Điện trở mạch vòng: RMV = ρtt2πl . ln( Kl2d . t ) Chu vi mạch vòng: L = 2.(l1+l2)=2 . (70 + 180) = 500 m Chọn độ sâu thanh t=0.8m. Tra bảng với thanh ngang chôn sâu 0.8m có kmua = 1.6 à ρtt = ρd.kmua = 100 x 1.6 = 160 Ω/m Chọn bề rộng là 5 cm d = d2 = 5.10-22 = 0.025m ta có : l1l2=18070 = 2.57 à công thức nội suy: k= 8.17 - 8.17-6.4710 x 4.3 = 7.44 ( dựa vào bảng tra trong sách) à RMV = ρtt2πl . ln( Kl2d . t ) = 1602π . 500 . ln( 7.44 x 50022.5x10-2 x 0.8 ) = 0.9345Ω < 1Ω Điện trở nối đất nhân tạo đạt yêu cầu nên không cần phải thêm cột. è RHT =RTN // RNT = RTN . RNTRTN + RNT = 0.162 x 0.93450. 162+ 0.9345 = 0.138Ω < 0.5Ω à Hệ thống nối đất đã chọn thỏa mãn nhu cầu và làm việc an toàn. 3.2, Nối đất chống sét l – chiều dài điện cực với l=L= 500m r- là bán kính cực ở phần trước nếu cực là thép dẹt có bề rộng b (m). Do đó r = b4 = 64 = 0.015m - Điện cảm điện cực trên một đơn vị dài: L0 = 0.2lnlr-0.31 = 0.2 x (ln5000.015 – 0.31 ) = 2.1 μH/m -Tính điện dẫn trên một đơn vị dài: Trong nối đất chống sét dùng thanh ngang chôn sâu 0.8m thì kmùa = 1.25 Vì thực hiện nối đất bằng cách dùng 1 mạch vòng bao quang trạm mà không đóng cọc nên giá trị điện trở nhân tạo của sét được tinh: Rmvsét = RmcatKmcat . kmuasét = 0.9345x 1.251.6 = 0.73 Ω à Go = 1R.l = 10.73 x 500 = 2.74x10-3 (1/Ωm) T1 = LoGoI2π2 = 2.1 x 2.74x10-3 .(5002)23.142 = 36.5 (μm) Chọn τds= 5 μs Tổng trở tiến tới trị số ổn định: tTk ≤ 4 è 5T1k2 ≤ 4 à k ≤ 5.4 nên chọn k= 5 k=1∞1k2 . ( 1-e-1Tk ) = π25 - k=151k2 . ( 1-e-tTk) = π25 – ( 1. e-536.5 + 14. e-5x436.5 + 19. e-5x936.5 + 116. e-5x1636.5 + 125. e-5x2536.5 )= 0.63 à Tổng trở sóng đầu vào: Z{0,τds} = 12.74x10-3x500 . (1+2x36.55 x 0.63 ) = 6.81Ω Tổng trở sóng xung kích: Zxk = 12 . Z{0,τds} = 3.405 Ω - Ta có điều kiện chống sét phải thõa mãn: Uxk = Is . Zxk < U50% + Trong đó: dòng điện sét Is = 150kA và điện áp U50% = 530kV nên ta tính được Uxk = 3.405 x 150 = 510.75 < U50% è Điện trở nối đất đã thỏa mãn yêu cầu nên không cần phải nối đất bổ sung. Bài 2: Thiết kế hệ thống chống sét theo phương pháp quả cầu lăn cho công trình. I. Cơ sở lý thuyết - Theo TCVN 9835 – 2012 khuyến cáo Nên sử dụng bán kính của quả cầu R = 20 đến 60m, đối với R=20m áp dụng cho công trình có nguy cơ cháy cao, còn thông thường lấy R=60m. - Theo IEC: Bán kính quả cầu lăn được chọn theo cấp bảo vệ Cấp bảo vệ ( mức bảo vệ ) Bán kính quả cầu lăn R (m) I 20 II 30 III 45 IV 60 - Khi tính toán có thể tính bán quả cầu lăn theo công thức: R= kI0.8 Trong đó: I- cường độ dòng điện sét, kV; R- khoảng cách phóng điện, m; k- hệ số có giá trị 6.7 ÷ 10. Khi thiết kế bằng phương pháp phải xét đến tất cả các hướng để đảm bảo không có điểm nào của công trình nằm ngoài vùng được bảo. II. Tính toán Thiết kế hệ thống chống sét theo phương pháp quả cầu lăn cho tòa nhà cao 30m và có mặt bằng như hình vẽ. - Theo TCVN 9385-2012 ta sẽ chọn bán kính quả cầu rcầu = 25m do là công trình có chiều cao hơn 20m. - Độ sâu nhất của quả cầu lăn so với mặt lưới được tính: P = r - r2-a22 = = 25 - 252-522 = 12.5cm Độ sâu của quả cầu so với bề mặt lưới - Chọn khoảng cách giữa các kim thu sét là c = 5 m - Ta có ô lưới 10m x 5m à chiều cao tối thiểu lưới so với mái công trình d= 5 cm = 0.05m à chiều cao của kim thu sét: h = r - r2- a- 2rd- d2 2+ c24 = 40 - 402- (5- 2 x 40 x 0.05- 0.052)2+ 524 = 11cm è Để đảm bảo an toàn cho công trình với ô lưới 5m x 10m có quả cầu r = 25m Với độ sâu nhất quả cầu lăn so với mặt lưới P = 12.5 cm, khoảng cách giữa các kim là c =5m, chiều cao tối thiểu của lưới so với mái công trình d = 5 cm có chiều cao kim thu sét h = 11 cm. 2. Tính toán nối đất Số liệu tính toán: - Điện trở suất của đất: ρ = 100 Ωm. - Số cọc n= 12 cọc mỗi cọc dài 5 m đường kính 40 mm đóng cọc thanh dạng tròn theo đường kính 20mm dài 30m chôn sâu 0.8 mét trong đất. -Cho ꚍds =4 μs * Tính toán điện trở tản xoay chiều của hệ thống nối đất Ta có t = to + l2 = 0.8 + 52 = 3.3 m Rc = ρtt2πl . ln2ld+12ln4t+l4t-l = 1002πx3 . ln2x50.04+12ln4x3.3+54x 3.3-5= 29.3 Ω Rt = ρtt2πL . lnl2dto = 1002πx30 . ln520.02 x 0.8 = 3.9 Ω al=55=1 và n = 12 à ηc = 0.47 và ηt = 0.27 è Rth = Rc . RtRc . ηt+ Rt .n. ηc = 29.3x3.929.3x 0.27+3.9 x 12 x 0.47 = 3.82 Ω * Tính toán điện trở xung kích đầu vào của thanh nối đất Ta có : Rt = ρtt2πL . lnl2dto = 1002πx30 . ln520.02 x 0.8 = 3.9 Ω Điện trở tản xoay chiều: L0 = 0.2 lnlr-0.31 = 0.2 x ( ln300.01-0.31 ) = 1.54 μH/m è Điện trở xung kích đầu vào thanh nối: Z{0,τds} = R∞ + L0l3τds = 3.9 + 1.54 x 303x 4 = 7.75 Ω