Đồ án Bảo vệ chống sét cho đường dây và trạm biến áp

Phần mở đầu Đất nước việt nam ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới. Do đó số ngày có dông sét rất cao trong một năm. ở miền Bắc, dông phát triển trong nội bộ không khí chủ yếu là không khí nhiệt đới khi mới thâm nhập vào đất liền. Xét trong một năm số ngày có dông sét trên miền Bắc nước ta thường dao động trong khoảng từ 70 đến 110 ngày và số lần dông từ 150 đến 300 lần. ở các vùng miền Bắc số lần dông sét cũng khác nhau nhưng nói chung những nơi có số ngày dông sét ít nhất cũng không có cũng không dưới 50 ngày. Phần lớn dông sét tập trung trong khoảng từ tháng 5 đến tháng 9. ở miền Nam cũng có nhiều dông sét, hàng năm trung bình số ngày có dông sét từ 40 đến 100 ngày tuỳ theo từng nơi. Đặc biệt có nơi số ngày dông sét nên tới 140 ngày. ở miền Trung số ngày có dông sét ít hơn, số ngày có dông sét trung bình từ 40 đến 90 ngày. Khi có dông là có sự phóng điện giữa các đám mây với nhau hay giữa các đám mây với đất gọi là phóng điện sét và kèm theo mưa to gió lớn. Dòng điện sét này rất có thể lên tới vài trăm KA, dòng điện này rất nguy hiểm khi nó phóng vào các công trình, nhà cửa .... Để đảm bảo an toàn trong hệ thống điện, tránh những tổn thất khi có sét đánh vào đường dây hoặc trạm biến áp. Người ta thường dùng các hệ thống thu sét như : Cột thu sét, dây thu sét để bảo vệ các công trình điện để giảm tới mức thấp nhất những thiệt hại do sét gây nên. Để thiết kế hệ thống chống sét cho trạm biến áp và đường dây tải điện, cần phải hiểu biết cơ bản các hiện tượng phóng điện trong khí quyển cũng như các hiện tượng phóng điện từ các đám mây xuống các công trình hay những vùng lân cận. Phải nắm được phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây thu sét. Tác dụng của dòng điện sét có ảnh hưởng như thế nào đối với các công trình điện. Hệ thống nối đất có tác dụng gì đối với dòng điện sét ... Trong nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp bảo vệ chống sét cho đường dây và trạm biến áp khi mà đất nước ta có số ngày dông sét rất lớn. Để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện là một điều không thể thiếu được nếu để xẩy ra mất điện do sét thì sẽ làm ảnh hưởng đến việc sản xuất điện năng, đồng thời làm ảnh hưởng đến an ninh, quốc phòng và các nghành kinh tế quốc dân khác. Được sự dạy bảo, hướng dẫn của các thầy giáo, cô giáo khoa hệ thống điện , Trường Đại Học Bách Khoa- Hà Nội. Đặc biệt là được sự dạy bảo trực tiếp của cô giáo Nguyễn Thị Minh Chước dậy môn cao áp và thầy giáo Đinh Quốc Trí. Đã trực tiếp hướng dẫn em làm đồ án tốt nghiệp này. Trong tính toán thiết kế gồm ba phần: Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp . Hệ thống nối đất của trạm biến áp . Bảo vệ chống sét cho đường dây 110Kv. Mặc dù đã được các thầy, cô giáo tận tình chỉ bảo nhưng bản thân em nhận thấy trong tính toán thiết kế của em hãy còn nhiều thiếu sót, nhiều chỗ trình bầy chưa được rõ ràng... Em rất mong được các thầy, cô giáo chỉ bảo cho em những thiếu sót trong tính toán thiết kế để em được hoàn chỉnh kiến thức của mình hơn nữa. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo khoa hệ thống điện đã dậy bảo, hướng dẫn em hoàn thành đồ án thiết kế này. Em rất mong được sự dậy bảo của các thầy cô giáo. Chương I Bảo vệ sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp110kv Bài1-1: Khái niệm chung Khi các thiết bị điện của trạm phân phối điện ngoài trời bị sét đánh trực tiếp sẽ dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng: Làm hư hỏng các thiết bị điện dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn bộ trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc sản xuất điện năng, đồng thời làm ảnh hưởng đến an ninh, quốc phòng và các nghành kinh tế quốc dân khác. Để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình người ta thường dùng các hệ thống thu sét như : Cột thu sét, dây thu sét. Hệ thống thu sét gồm có : Kim thu sét hoặc dây thu sét, bộ phận nối đất và các dây dẫn liên hệ giữa hai bộ phận này với nhau. Tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét là tập trung điện tích ở đỉnh bộ phận thu sét tạo lên trường lớn nhất giữa nó với tia điện đạo ... Do đó thu hút các phóng điện sét và hình thành khu vực an toàn ở bên dưới hệ thống thu sét. Bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trong nối đất bé để việc tập trung điện tích cảm ứng phía mặt đất được rễ ràng và khi có dòng điện sét đi xa, điện áp trên các bộ phận của hệ thống thu sét sẽ không đủ gây lên phóng điện ngược từ nó tới các công trình đặt gần. Đối với nhà mấy điện và trạm biến áp ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào các thiết bị điện mà cần phải chú ý bảo vệ cho các công trình khác như : Đoạn dây dẫn nối từ xà cuối cung của trạm ra trạm đầu tiên của đường dây. Nhà phân phối, nhà đặt các thiết bị điều khiển. Đối với các công trình dễ cháy dễ nổ thì không những cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp mà còn phải đề phòng sự phát sinh tia lửa do điện áp gây nên. Vì vậy khi tiến hành thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp cần phải nghiên cưú thêm quy trình đối với các công trình dễ nổ, dễ cháy . Để bảo vệ chống sét đánh trực ở các nhà máy điện và các trạm biến áp người ta thường dùng các cột thu sét. Các cột thu sét này có thể đặt độc lập hoặc trong những điều kiện cho phép có thể đặt trên kết cấu của trạm. Thông thường để giảm vốn đầu tư và cũng để tận dụng các độ cao có sẵn như : Các kết cấu trong trạm trên các cột đèn pha dùng để chiếu sáng, trên mái nhà... Mặt khác nếu đặt các cột thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối điện ngoài trời và dùng dây chống sét để bảo vệ cho đường dây nối từ xà cuối cùng của trạm đến cột đầu tiên của đường dây thì chúng sẽ được nối chung vào hệ thống nối đất của trạm. Vì vậy khi sét đánh vào cột thu sét hay dây chống sét thì toàn bộ dòng điện sét sẽ đi vào hệ thống nối đất của trạm. Độ tăng thế lớn thì có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị ấy, do vậy chỉ trong điều kiện cho phép mới được đặt cột thu sét ở trên các công trình trong trạm hoạc dùng dây chống sét cho trạm. bài 1-2 : các yêu cầu kỹ thuật của bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp. Khi thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp phải cần chú ý đến các yêu cầu kỹ thuật kinh tế và mỹ thuật phải lập được một số phương án có thể đặt được các cột thu sét ở các vị trí khác nhau, sau đó do dánh các phương án để tìm ra một phương án đảm bảo về mặt kỹ thuật và kinh tế nhất để thiết kế. Toàn bộ các thiết bị trong trạm được bảo vệ phải nằm trong hoàn toàn phạm vi của hệ thống thu sét. Đối với trạm phân phối ngoài trời với điện áp từ 110Kv trở nên do có mức điện áp cao nên có thể đặt cột thu sét trên kết cấu của trạm. Các trụ của các kết cấu có đặt các cột thu sét trên đó phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét phân tán vào đất theo 3 đến 4 thanh của hệ thống nối đất. Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất. Nơi yếu nhất của trạm phân phối điện ngoài trời điện áp 110kv trở nên là cuộn dây của máy biến áp. Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ cho máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nôí đất của hệ thống nối đất của cột thu sét và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m. Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110Kv trở nên phải thực hiện một số điều sau. ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu sét vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ xung ( dùng nối đất tập trung ) nhằm đảm bảo điện trở phân tán 4. Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm 35Kv thì phải tăng cường cách điện của nó nên đến mức cách điện của cấp điện áp 110Kv. Trên đầu ra của cuộn dây 6 đến 10Kv của máy biến áp phải đặt các chống sét van, các thiết bị chống sét này có thể đặt ngay trên vỏ máy biến áp. Để bảo vệ cuộn dây 35Kv của máy biến áp cần đặt các chống sét van, khoảng cách giữa chỗ nối vào hệ nối đất của trạm vào vỏ máy biến áp và chỗ nối đất của chống sét van theo đường điện phải nhỏ hơn 5m. Khoảng cách ấy có thể tăng nên nếu điểm nối đất của chống sét van ở vào giữa hai điểm nối đất cuả vỏ máy biến áp và của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét. Có thể nối cột thu sét độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp điện áp 110Kv nếu như các yếu cầu trên được thực hiện. Không nên đặt các cột thu sét trên kết cấu của trạm phân phối 35Kv trở xuống và cũng không nên nối đất các cột thu sét vào hệ thống nối đất của trạm 35Kv trở xuống. Khi cột thu sét độc lập thì phải chú ý đến khoảng cách giữa các cột thu sét đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện ngược từ cột thu sét đến vật cần bảo vệ. Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho cột thu sét phải cho dây dẫn điện đến đèn vào ống chì và chôn vào trong đất các kim thu sét và các dây dẫn nối từ kim thu sét xuống hệ thống nối đất phải bảo đảm đung tiêu chuẩn về loại vật liệu, tiết diện để chống ăn mòn và để đảm bảo ổn định nhiệt. Bài1-3: lựa chọn các phương án đặt cột thu sét Trạm biến áp thiết kế là trạm có cấp điện áp 110 Kv toàn bộ khu trạm nằm trong một diện tích 120m x 95m. Để cho toàn bộ các thiết bị, nhà điều khiển của trạm nằm trong phạm vi bảo vệ của các cột thu sét ta phải tìm các phương án để đặt các cột thu sét ở những vị trí để vừa bảo vệ được toàn bộ công trình và giảm được toàn bộ công trình và giảm được độ cao của cột mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Các thiết bị trong trạm được dặt theo hai khu vực. Khu vực điện áp phía 110 Kv gồm có: Các xà đỡ thanh góp 110 Kv dài 9m ở độ cao11m Hai máy biến áp, mỗi máy có công suất 25000 MVA cao 6,5m Ba máy cắt 110 Kv cao 6m Tám bộ dao cách ly cao 5m Hai bộ chống sét van cao 5,5m Sáu biến điện áp ở độ cao 4,5m Khu vực phía 35 Kv Các xà đỡ thanh góp ở độ cao từ 6 đến 8m Bẩy máy cắt 35 Kv ở độ cao 4m Bốn bộ biến điện áp ở độ cao 3,5m Hai bộ chống sét van ở độ cao 4,5m Ngoài ra còn có khu nhà để các tủ điều khiển và nhà ở cho cán bộ công nhân viên có độ cao 5m. Căn cứ vào mặt bằng trạm và công trình, thiết bị trong trạm ta có các phương án sau: I/ phương án I: ở phương án này ta sử dụng 6 cột thu sét đặt ở các vị trí như hình vẽ (hình -1) ở vị trí số 2 và số 8 lợi dụng 2 cột đèn chiếu sáng có độ cao 15m làm giá đỡ cho cột thu sét còn các vị trí số 1,3,4,5,7,6 ta chồng các cột thu sét riêng. Tính toán sơ bộ độ cao hiệu dụng ha : Khoảng cách giữa 2 cột thu sét aij ( a là khoảng cách giữa hai cột thu sét i và j ) Yêu cầu giữa khoảng cách hai cột thu sét đó là: aij < 7h Trong đó : h là chiều cao cột thu sét Căn cứ vào kích thước của trạm ta đặt các cột thu sét có khoảng cách a như sau: a13= a34 = a57 = a68 =59m a23=a14 =31m a35=a47 =43m a56=a78 = 48m a24=a13==66,6m a35=a46==73m a58=a76==76m Độ cao tác dụng của các cột thu sét ha vì các tứ giác 2,4,1,3 và tứ giác 3,4,5,7, Và 5,7,6,8 là hình chữ nhật ta có : D =a24=a13==66,6m Theo công thức: D8ha ị ha== D35=D46=a35=a46= D8ha ị ha= Chọn ha=10m để tính độ cao của cột thu sét theo công thức: h=hx+ha Trong đó: h là độ cao của cột thu sét hx là độ cao của vật cần bảo vệ ha là độ cao hiệu dụng của cột thu sét . Trong thiết kế ta lấy hx là độ cao của vật cần bảo vệ cho trạm có độ cao hx là 11m. h=hx+ha=11+10=21m II/ phương án II: Trong phương án này ta thiết kế 5 cột thu sét ở các vị trí như hình vẽ 2 ở phương án này ta cũng lợi dụng 2 cột đèn làm giá đỡ cho cột thu sét có độ cao 15m. Tính toán chiều cao hiệu dụng ha. Khoảng cách giữa 2 cột thu sét i và j là aij yêu cầu khoảng cách giữa 2 cột này là: aij 7h. Trong đó : h là chiều cao của cột thu sét . Căn cứ vào vị trí đặt các cột thu sét, ta xác định được khoảng cách aij trên mặt bằng trạm. a12=a34=58m a15=a25=58,7m a35=a45=58,7m a14=a23=102m Tam giác 1,2,5 và 3,4,5 có D1=D2=74,3m ha= ị ha1=ha2==9,28m Tam giác 1,5,4 và 2,5,3 có D3=D4=120m ha= ị ha3=ha4==15m Chọn hamax= 15m để tính độ cao của cột thu sét : h=hx+ha Trong đó : hx là độ cao của vật cần bảo vệ hx=11m h=11+15=26m Độ cao của cột thu sét h=26m. bài 1-4. Tính toán phạm vi bảo vệ của các cột thu sét trong phương án I I/ phạm vi bảo vệ của một cột thu sét : Phương án I: tính toán thiết kế, toàn bộ gồm có 6 cột thu sét, các cột thu sét có độ cao bằng nhau h=21m bán kính bảo vệ Rx của các cột ở độ cao hx như sau: cột thu sét cao 21m, vật cần bảo vệ ở độ cao hx=11m bán kính bảo vệ như sau: < áp dụng công thức: Cột thu sét cao 21m, vật cần bảo vệ ở độ cao hx=8m bán kính bán kính bảo vệ như sau: áp dụng công thức: Cột thu sét cao 21m, vật cần bảo vệ ở độ cao hx=6,5m bán kính bảo vệ như sau: áp dụng công thức: d) Cột thu sét cao 21m, vật cần bảo vệ ở độ cao hx=5m bán kính bảo vệ như sau: áp dụng công thức: II/ phạm vi bảo vệ giữa 2 cột thu sét: Xác định chiều cao giới hạn giữa 2 cột thu sét theo công thức: Trong đó: h0 là độ cao giới hạn giữa 2 cột thu sét. a là khoảng cách giữa 2 cột thu sét. Xác định bán kính bảo vệ giữa 2 cột thu sét : R0x Điều kiện R0x0 thì mới đạt yêu cầu Bán kính bảo vệ của các cặp cột thu sét số: 1,2; 3,6; 4,5 có độ cao h0=12,7m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: Bán kính bảo vệ giữa các cặp cột thu sét số: 2,3; 6,1 có độ cao h0=14,3m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: Bán kính bảo vệ của các cột thu sét số 3,4 và 5,6 có độ cao h0=13,1m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: Bán kính bảo vệ của các cột thu sét số 1,3 và 2,6 có độ cao h0=10,3m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: e) Bán kính bảo vệ giữa các cột thu sét số 3,5 và 4,6 có độ cao h0=9,58m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: Qua tính toán ở trên ta thấy bán kính Rox của toàn bộ các cặp thu sét có độ cao h0 có một vài cột nằm ngoài phạm vi bảo vệ của cột thu sét cho nên ta chọn cột thu sét có độ cao h=25m để tính toán. bài 1-4-1. Tính toán phạm vi bảo vệ của các cột thu sét có độ cao 25m I/ phạm vi bảo vệ của một cột thu sét : Phương án I: tính toán thiết kế, toàn bộ gồm có 6 cột thu sét, các cột thu sét có độ cao bằng nhau h=25m bán kính bảo vệ Rx của các cột ở độ cao hx như sau: Cột thu sét cao 25m, vật cần bảo vệ ở độ cao hx=11m bán kính bảo vệ như sau: < áp dụng công thức: Cột thu sét cao 25m, vật cần bảo vệ ở độ cao hx=8m bán kính bán kính bảo vệ như sau: < áp dụng công thức: Cột thu sét cao 25m, vật cần bảo vệ ở độ cao hx=6,5m bán kính bảo vệ như sau: áp dụng công thức: d) Cột thu sét cao 25m, vật cần bảo vệ ở độ cao hx=5m bán kính bảo vệ như sau: áp dụng công thức: II/ phạm vi bảo vệ giữa 2 cột thu sét: Xác định chiều cao giới hạn giữa 2 cột thu sét theo công thức: Trong đó: h0 là độ cao giới hạn giữa 2 cột thu sét. a là khoảng cách giữa 2 cột thu sét. Xác định bán kính bảo vệ giữa 2 cột thu sét : R0x Điều kiện R0x0 thì mới đạt yêu cầu Bán kính bảo vệ của các cặp cột thu sét số: 1,2; 3,6; 4,5 có độ cao h0=16,7m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: Bán kính bảo vệ giữa các cặp cột thu sét số: 2,3; 6,1 có độ cao h0=18,3m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: Bán kính bảo vệ của các cột thu sét số 3,4 và 5,6 có độ cao h0=17,1m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: Bán kính bảo vệ của các cột thu sét số 1,3 và 2,6 có độ cao h0=14,3m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: e) Bán kính bảo vệ giữa các cột thu sét số 3,5 và 4,6 có độ cao h0=13,6m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: Qua tính toán ở phần trên ta nhận thấy bán kính R0x của toàn bộ các cặp thu sét có độ cao h0 đều đạt yêu cầu R0x>0 . Bài 1-5: tính toán phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án II I/ Phạm vi bảo vệ của cột thu sét. Phương án II ta tính toán thiết kế, toàn bộ gồm có 5 cột thu sét, các cột đều có độ cao bằng nhau h=26m. Bán kính bảo vệ Rx của các cột ở độ cao hx như sau. Cột thu sét cao 26m, vật cần bảo vệ ở độ cao hx=11m bán kính bảo vệ như sau: áp dụng công thức: Cột thu sét cao 26m vật cần bảo vệ ở độ cao hx=8m bán kính bảo vệ như sau: áp dụng công thức: Cột thu sét cao 26m vật cần bảo vệ ở độ cao hx=6,5m bán kính bảo vệ như sau: áp dụng công thức: Cột thu sét cao 26m vật cần bảo vệ ở độ cao hx=5m bán kính bảo vệ như sau: áp dụng công thức: II/ Phạm vi bảo vệ giữa 2 cột thu sét: Theo công thức: Trong đó: h0 là độ cao giới hạn giữa 2 cột thu sét a là khoảng cách giữa 2 cột thu sét 2) Xác định bán kính bảo vệ giữa 2 cột thu sét : R0x Điều kiện R0x0 thì mới đạt yêu cầu Bán kính bảo vệ của các cặp cột thu sét số: 1,2; 3,4 có độ cao h0=17,7m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: Bán kính bảo vệ giữa các cặp cột thu sét số: 1,5; 2,5 và3,5; 4,5 có độ cao h0=17,6m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: Bán kính bảo vệ của các cột thu sét số 1,4 và 2,3 có độ cao h0=11,4m Khi hx=11m áp dụng công thức: Khi hx=8m áp dụng công thức: Khi hx=6,5m áp dụng công thức: Khi hx=5m áp dụng công thức: Qua tính toán ở phần trên ta nhận thấy bán kính Rox của toàn bộ các cặp thu sét có độ cao h0 đều đạt yêu cầu R0x>0. *) Kết luận: Qua tính toán 2 phương án trên ta thấy cả 2 phương án đều đạt yêu cầu về bảo vệ các thiết bị và công trình trong khu vực trạm. Nhưng xét về mặt kinh tế và kỹ thuật thì ở phương án II có số lượng cột ít hơn số cột ở phương án I nhưng lại có độ cao lớn hơn các cột ở phương án I là: Các cột ở phương án II cao hơn các cột ở phương án I là 1m xét về mặt kinh tế thì sẽ tốn kém hơn phương án I mặc dù ở phương án I nhiều hơn 1 cột. Về mặt kỹ thuật thì ở phương án II có cột số 5 nằm ở vị trí giữa trung tâm trạm có nhiều thiết bị xung quanh, do vậy khi có dòng điện sét đi vào sẽ ảnh hưởng rất lớn tới các thiết bị gần đó. Khoảng cách về điện giữa nối đất của cột thu sét và nối đất của các thiết bị gần nhau. Như vậy có thể xẩy ra phóng điện ngược đến các thiết bị. Vì vậy ta chọn phương án I làm phương án tối ưu. Sau đây ta tiếp tục kiểm tra khả năng bảo vệ của các cột thu sét. Bài 1-6: kiểm tra khả năng bảo vệ của các cột thu sét. I/ Kiểm tra sự bảo vệ các xà đỡ thanh góp 110Kv. Xà đỡ thanh góp 110 Kv có độ cao hx=11m Theo tính toán phần 2 mục b bán kính bảo vệ của 2 cột thu sét số 1 và số 6 ở độ cao hx=11m có Rx=16,87m và bán kính bảo vệ giữa 2 cột thu sét số 1 và số 6 có R0x=6,8m. Các cặp cột số 1 và 3 số 2 và 6 có R0x =2,3m. Theo hình vẽ toàn bộ 6 bộ xà đỡ thanh góp 110Kv đều nằm trong phạm vi bảo vệ của các cột thu sét số 1,2,3,6. Nhận xét: Qua tính toán và trên hình vẽ ta thấy các xà đỡ thanh góp 110 Kv đều nằm trong vùng bảo vệ của các cột thu sét. Còn các thiết bị khác như các máy biến áp, máy cắt điện, dao cách ly, chống sét van... có độ cao từ 5á6,5m thì cũng phải nằm hoàn toàn trong vùng bảo vệ của các cột thu sét. II/ Kiểm tra khoảng cách giữa các cột thu sét và các bộ phận của trạm. Để kiểm tra được ta cần có số liệu sau đây: Biên độ dòng điện sét Độ dốc của dòng điện sét lấy bằng Điện cảm của đơn vị độ dài cột thu sét Cường độ diện trường cho phép trong không khí Cường độ điện trường cho phép trong đất *) Cách kiểm tra: Ta phải tính khoảng cách trong không khí Sk và khoảng cách trong đất Sđ cho là sóng dòng điện có dạng xiên góc với độ dốc trung bình là Khi sét đánh vào cột thu sét thì điện thế tại điểm cách mặt đất một đoạn l ( bằng chiều cao của vật được bảo vệ ) là Trong đó: Is là biên độ dòng sét lấy Is=150KA Rxk là điện trở nối đất xung kích của cột thu sét L là điện cảm của phần dây dẫn có chiều dài l L=L0.l Để tránh hiện tượng phóng điện từ cột thu sét sang vật bảo vệ thì Upđ>U1 Trong đó Upđ là điện áp phóng điện xung kích của cách điện của vật được bảo vệ. Để thực hiện được yêu cầu trên thì khoảng cách trong không khí Sk giữa cột thu sét và vật được bảo vệ phải có : Ngoài ra khi có dòng điện sét Is đi vào trong đất, Rđ của cột thu sét sẽ có thể là Is.Rđ và để tránh sự phóng điện ngược từ hệ thống nối đất của cột thu sét đến vật ở trong đất thì yêu cầu: Điện áp trên thân cột tại điểm cách bộ phận nối đất đoạn dài là Theo công thức: ở đây lấy Rxk=Rht=0,5 ( vì là trạm 110Kv có Rđ0,5 ) Vậy ta có : Theo sơ đồ ta thấy khoảng cách giữa các cột thu sét và công trình gần nhất có Skk =5m. ở các cột thu sét số 1,2,3,6. Do vậy khoảng cách giữa các cột thu sét và công trình đạt yêu cầu: Điện áp trên bộ phận nối đất. Theo công thức: Uđ =Is.Rxk Uđ=150.0,5=75Kv Do vậy khoảng cách từ dây tiếp đất đến công trình đạt yêu cầu. Kết luận: Trạm biến áp 110Kv có diện tích 120m x 95m với yêu cầu bảo vệ các xà đỡ thanh góp 110Kv có độ cao hx=11m. Bảo vệ các xà đỡ thanh góp 35Kv có độ cao hx=8m bảo vệ các máy biến áp, máy cắt, dao cách ly, nhà điều khiển có độ cao từ 5á6,5m. Qua phần chọn phương án và tính toán trên ta thấy toàn bộ trạm có cột thu sét với độ cao h=25m sẽ bảo vệ được hoàn toàn các thiết bị, nhà điều khiển nằm hoàn toàn trong vùng bảo vệ của cột thu sét. Mọi yêu cầu về mặt kinh tế, kỹ thuật và mỹ thuật đều đạt yêu cầu. Do vậy trạm biến áp 110Kv dùng 6 cột thu sét là hoàn toàn hợp lý Quy cách cột thu sét : Dùng cột LT –20 có độ cao 20m, chôn sâu 1,5m, còn lại 18,5m hc=18,5m Phần kim thu sét dài 6,5m, hk=6,5m Độ cao toàn bộ của cột thu sét. h3 h=hc+hk=18,5+6,5=25m Quy cách kim thu sét: h2 h1 Kim thu sét làm bằng thép ống tròn có mạ kẽm được chế tạo từ ống thép có đường kính khác nhau luồn vào nhau. h1=2500mm =75mm h2=2000mm =50mm h3=2000mm =32mm h=h1+h2+h3=6500mm=6,5m Dây dẫn dòng điện sét trên mặt đất nối từ kim thu sét tới hệ thống nối đất của trạm ta chọn loại thép tròn mạ kẽm có đường kính 8mm, để đảm bảo ổn định nhiệt khi có dòng điện sét. Chương II. Tính toán nối đất Bài 2-1. Khái niệm chung Trong hệ thống điện, nối đất là một phần rất quan trọng không thể thiếu được. Nếu không có hệ nối đất này thì toàn bộ các thiết bị không thể đảm bảo vận hành an toàn được. Tác dụng của nối đất là để tản dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các vật được nối đất trong hệ thống nối đất có ba loại nối đất là: Nối đất an toàn: Là loại nối đất có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện bị hư hỏng. Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối mọi bộ phận kim loại bình thường không mang điện như: vỏ máy biến áp, vỏ máy cắt điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ...khi cách điện bị hư hỏng, trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế, nhưng do đã được nối đất nên giữ được mức điện thế thấp, đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc với chúng. Nối đất làm việc: Là loại nối đất có nhiệm vụ là đảm bảo cho sự làm việcbình thường của thiết bị hoặc của một số bộ phận thiết bị theo chế độ đã được quy định sẵn như nối đất điểm trung tính của máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường, của kháng điện... Nối đất chống sét: Là loại nối đất có nhiệm vụ tản dòng điện sét trong đất để đảm bảo cho thể trên vật nối đất có trị số bé. Khi có sét đánh vào cột thu sét hay trên đường dây thì dòng điện sét này sẽ tản xuống đất theo hẹe thống nối đất chống sét, để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn, do đó hạn chế được phóng điện ngược tới công trình cần bảo vệ. Trong các nhà máy điện và trạm biến áp về nguyên tắc là phải tách rời hai hệ thống nối đất an toàn và hệ thống nối đất làm việc để đề phòng khi có dòng điện ngắn mạch lớn hay có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất làm việc sẽ không gây điện thế cao trên hệ thống nối đất an toàn. Nhưng trong thực tế điều đó khó thực hiện được vì nhiều lý do cho nên người ta chỉ thường dùng một hệ thống nối đất để làm tất cả các nhiệm vụ trên kể cả trong một trạm có nhiều cấp điện áp khác nhau. Do đó hệ thống nối điện chung ấy phải thoả mãn các yêu cầu của các thiết bị,phải cần có điện trở nối đất bé nhất, điện trở nối đất của hệ thống này yêu cầu không được quá 0,5. Bất kỳ loại nối đất nào cũng đều có các điện cực chôn trong đất và được nối với vật cần nối. Điện cực thường là cọc sắt chôn thẳng đứng hoặc thanh dài đặt nằm ngang trong đất. Khi trong trạm biến áp chỉ có một loại nối đất chung thì sẽ gập phải trường hợp nối đất phân bố dài, tổng trở xung kích có thể lớn gấp nhiều lần so với trị số điện trở tản xoay chiều. Muốn làm giảm trị số điện trở tới bằng trị số điện trở cho phép thì phải thực hiện nối đất bổ xung ở các chỗ đi vào trong đất của hệ thống thu sét . Ngoài ra khi lắp đặt hệ thống nối đất chung cho toàn bộ trạm thì phải chú ý một số điểm sau: Không được đặt bộ phận thu sét lên trên xà của máy biến áp. Khoảng cách theo mạch dẫn điện trong đất từ chỗ nối đất của máy biến áp tới chỗ nối đất của hệ thoóng chống sét phải từ 15m trở nên. Để giảm khối lượng kim loại trong việc xây dựng hệ thống nối đất nên tận dụng các loại nối đất tự nhiên như: Kết cấu kim loại công trình, hệ thống dây chống sét của cột, ống nước chôn dưới đất hay các ống kim loại khác không chứa chất rễ nổ, rễ cháy. bài 2-2: yêu cầu chung của hệ thống nối đất. Khi thiết kết hệ thống nối đất thì phải chú ý một số yêu cầu sau: Kích thước của các bộ phận thiết bị nối đất nhân tạo phải đảm bảo khả năng phân bố đều điện áp đối với đất trên diện tích đặt thiết bị điện. Trong thiết bị có dòng trạm đất lớn nhất thiết phải đặt mạch vòng nối đất xung quanh thiết bị. Phải chọn các phương án nối đất sao cho hợp lý về mặt kỹ thuật và kinh tế nhất. Đối với các thiết bị có điểm trung tính trực tiếp nối đất thì yêu cầu điện trở nối đất Đối với các thiết bị có điểm trung tính không trực tiếp nối đát thì yêu cầu . Nếu như hệ thống nối đất ấy chỉ dùng cho các thiết bị cao áp. Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện và hệ thống nối đất cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì yêu cầu .Nhưng không được vượt quá 10, dòng điện I này tuỳ theo mỗi trường hợp sẽ có trị số khác nhau. Ngoài việc đảm bảo trị số điện trở nối đất đã quy định, khi tính toán phải chú ý đến hệ số mùa (Kmùa). Trong tính toán thiết kế về nối đất, trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa, ( công tác đo lường trong mùa mưa vào lúc tạnh ráo ) và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa Kmùa nhằm tăng cường độ an toàn cho thiết bị . Trong đó Kmùa là hàm phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của nối đất và khi đó đất khô hay ẩm. Bài 2-3: tính toán nối đất Trạm biến áp thiết kế với cấp điện áp 110Kv là mạng điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất nên yêu cầu của nối đất . Thiết kế nối đất cho trạm chỉ có một hệ thống nối đất chung cho cả nối đất an toàn và nối đất làm việc. Để tận dụng được nối đất tự nhiên sẵn có như hệ nối đất của đường dây 110Kv dẫn điện về trạm. Do vậy hệ thống nối đất của trạm gồm hi thành phần Điện trở nối đất tự nhiên Điện trở nối đất nhân tạo I/ Tính điện trở nối đất tự nhiên: Do có dây chống sét dùng để bảo vệ đường dây được kéo vào cột -xà trạm nên hệ thống (( dây chống sét – cột )) được coi như là phần nối đất tự nhiên. Trạm biến áp có hai lộ đường dây110Kv dẫn điện vào trạm, loại dây chống sét là loại dây C- 70, có tiết diện là70mm2,điện trở r0= 2,38/km. Đường dây có điện trở nối đất các cột Rc=15. Để tính điện trở nối đất tự nhiên ta lấy phạm vi chiều dài trong một khoảng cột Theo công thức: Trong đó : Rc là điện trở nối đất của cột Rc=15W Rcs là điện trở của dây chống sét ở mỗi khoảng vượt Rcs=0,48W. Vì có 2 lộ đường dây 110Kv nên công thức tính. Điều kiện : II/ tính toán hệ thống nối đất nhân tạo: Tính điện trở nối đất cho mạch vòng Theo đầu bài ra toàn bộ khu trạm có diện tích mà Bố trí mạch vòng nối đất cách mỗi cạnh hàng rào là 1m. Do vậy ta có toàn bộ mạch vòng có chu vi là: Dùng sắt dẹt có mạ kẽm với tiết diện 40x4mm để làm dây nối đất cho mạch vòng và được chôn sâu 0,8m. Theo công thức: Trong đó : L là chu vi mạch vòng: L=2(l1+l2), mạch vòng được đặt cách mỗi cạch hàng rào của trạm là 1m. d là đường kính thanh nối đất với sắt dẹt ( b là bề rộng thanh nối, b=40mm t là độ chôn sâu của thanh nối đất t=0,8m km là hệ số mùa, trong bảng ta lấy km=1,6 là điện trở suất của đất đo được ( theo đầu bài ) k là hệ số phụ thuộc vào tỷ số với Tra bảng ta có: k=5,7 Theo yêu cầu của nhiệm vụ thiết kế, điện trở nối đất nhân tạo do vậy ta phải đóng thêm cọc theo chu vi mạch vòng để giảm điện trở nối đất. b)Tính toán điện trở nối đất của hệ thống ((mạch vòng-cọc)) để đóng thêm cọc vào mạch vòng, thông thường người ta chọn loại cọc bằng sắt tròn hay sắt góc có chiều dài từ 2,5á3m và chôn sâu cách mặt đất là 0,8m. Trong thiết kế ta chọn cọc bằng sắt góc L60x60x6 chiều dài của cọc là 2,5m. Điện trở nối đất của một cọc được xác định theo công thức: Trong đó : là chiều dài của một cọc d: là đường kính của cọc, với sắt góc d=0,95b ( b là chiều rộng của 1 cạnh) d=0,95.60=57mm d=57mm=0,057m. t : là độ chôn sâu của cọc t=0,8m là điện trở suất của đất Tra bảng với nối đất an toàn, cọc chôn sâu thẳng đứng có km=1,4 Điện trở nối đất của ((mạch vòng- cọc)) Mạch vòng có chu vi là 422m Các cọc được gắn theo chu vi mạch vòng, khoảng cách giữa các cọclà a, cọc dài 2,5m , d=0,057m Cho các tỷ lệ sau: số cọc cọc số cọc cọc số cọc cọc 118m a Ta vẽ đồ thị ra và tính được hệ số sử dụng mạch vòng, cọc như sau: cọc cọc cọc Điện trở nối đất của hệ thống ứng với số cọc: áp dụng công thức: Với n1=169 cọc Với số cọc n2=85 cọc Với số cọc n3=56 cọc Với các giá trị tính được của điện trở nối đất ứng với số cọc n1,n2,n3. Ta vẽ được đường cong quan hệ điện trở nối đất theo số cọc. Từ đồ thị ta thấy để có thì số cọc cần phải có là 160 chiếc. Điện trở nối đất của hệ thống là: bài 2-3: Tính toán theo yêu cầu của nối đất chống sét. I/ Mục đích tính toán nối đất chống sét. Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất và nếu tốc độ biến thiên của dòng điện sét theo thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu điện cảm sẽ ngăn không cho dòng điện sét đi tới phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều và trong thời gian về sau ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp phân bố đều đặn hơn. Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian. T=Lgl2 ( T: tỷ số với điện cảm tổng và điện dẫn tổng của điện cực). Từ biểu thức trên ta thấy khi dòng điện tản trong đất là dòng một chiều hay dòng xoay chiều có tânf số công nghiệp, ảnh hưởng của L không đáng kể và bất kỳ hình thức nối đất nào 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 phụ thuộc vào tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng dòng điện . Khi T<< thì tới lúc cần xét ( khi dòng điện đạt tri số cực đại) quá trình quá độ đã kết thúc và nối đất có thể hiện như một điện trở tản. Trường hợp này ứng với các hình thức nối đất dùng cọc hoặc thanh nằm ngang có chiều dài không lớn lắm được gọi là nối đất tập trung. Nếu điện cực dài, hằng số thời gian có thể đạt tới mức và tại thời điểm dòng điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ chưa kết thúc và như đã phân tích về tác dụng của điện cảm, nối đất sẽ thể hiện như một tổng trở Z có trị số lớn so với trị số điện trở tản. Trường hợp này gọi là nối đất tương đối dài. Đối với nối đất chống sét vì mật độ dòng điện tản trong đất rất lớn, thường tăng cao và dẫn đến phóng điện trong đất . Tương đương với việc tăng kích thước điện cực và tăng điện dẫn của đất khiến cho điện trở tản xung kích (Rxk) có trị số thấp hơn so với điện trở tản xoay chiều. Trong thiết kế hệ thống nối đất trạm biến áp 110Kv có hệ thống nối đất phân bố dài, tổng trở Z có trị số rất lớn có thể lớn gấp nhiều lần điện trở tản xoay chiều, dẫn đến làm tăng điện áp giáng trên các bộ phận nối đất và có thể gây phóng điện ngược lên các bộ phận mang điện của trạm. Do vậy ta phải tính toán theo yêu cầu của nối đất chống sét. II/ Tính toán trị số điện trở nhân tạo theo yêu cầu của nối đất chống sét: Trong nối đất chống sét thì hệ số kmùa thay đổi so với nối đất an toàn. Tra bảng 19-2 sách (( kỹ thuật điện cao áp)) Đối với cọc chôn sau 0,8m thì kmùa=1,15 Đối với mạch vòng chôn sâu 0,8m thì kmùa=1,2 Trị số điện trở của mạch vòng và cọc được tính lại. Trị số Rntvới số cọc là 160 và hệ số sử dụng III/ Tính toán tổng trở đầu vào của nối đất chống sét: Để tính toán Z (0; ) với điều kiện: Bỏ qua nối đất tự nhiên Bỏ qua các thanh cân bằng áp Xem mạch vòng là một tia tương đương Dạng sóng tính toán của dòng điện sét. is H t Trong tính toán thiết kế ta chọn dạng sóng tính toán dòng điện sét là sóng xiên góc có biên độ không đổi. Dạng sóng tính toán của dòng điện sét được biểu diễn như hình trên. khi tính toán ta chọn Yêu cầu kiểm tra: Kiểm tra theo điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cho cách điện của máy biến áp. Điều kiện: IZ (0;5) U0,5 Trong đó: I là dòng điện sét I=150KA Z(0;5) là tổng trở xung kích nối đất kéo dài tại điểm ngay chỗ dòng điện sét đi vào điện cực U0,5 là trị số điện áp phóng điện xung kích bé nhất của máy biến áp, với trạm 110Kv U0,5=460Kv 3)Sơ đồ thay thế của một tia nối đất. is/2 L0 L0 L0 G0 G0 G0 l=L/2 Từ sơ đồ thay thế trên ta thành lập được hệ phương trình vi phân: Trong đó: L0 là điện cảm với một đơn vị dài của điện cực G0 là điện dẫn với một đơn vị dài của điện cực Chiều dài tia Bán kính điện cực Giải hệ phương trình trên ta được điện áp tại điểm bất kỳ trên nối đất của hệ thống. Hằng số thời gian: với k=1áƠ Với k=1 ta có: Với k=2 ta có: Với k=3 ta có: Với k=4 ta có: Ta chỉ tính đến T4=0,75, nếu tính nữa giá trị có giá trị rất nhỏ lên bỏ qua. *) Tính tổng trở nối đất xung kích ở đầu vào tại thời điểm . Tính chuỗi: ( Tra sổ tay toán học ) Điện áp đầu vào của nối đất Ta thấy điện áp đầu vào của nối đất quá lớn . Nên phải làm thêm nối đất bổ xung IV/ Tổng trở xung kích của nối đất bổ xung: Nối đất bổ xung là loại nối đất tập trung gồm thanh hay kết hợp thanh và cọc và được bố trí ở chỗ đi vào mạch vòng nối đất ở đầu tia nối đất của cột thu sét, ta gọi phần điện trở bổ xung này là R1. nối đất bổ xung sơ đồ hệ thống nối đất bổ xung. Ta chọn loại nối đất bổ xung có hình dáng như trên thanh nối là loại sắt dẹt có mạ kẽm, chiều dài toàn bộ: .Tiết diện 40.4mm.Cọc được dùng là loại sắt góc L60x60x60 (mm) được chôn sâu cách mặt đất 0,8m, mỗi tia gồm 5 cọc,mỗi cọc dài 2,5m và dặt cách nhau 2,5m Điện trở của cọc: Rc=52,587W Điện trở của thanh: k hình dáng theo bảng k=1,46 Điện trở nối đất bổ xung R1 gồm cọc và thanh được tính theo công thức: Trong đó: Rc , Rt là điện trở của cọc và thanh n là số cọc n=5 ( tính 1 tia ) là hệ số sử dụng cọc và thanh, tra sách kỹ thuật điện cao áp có Vì có 2 tia lên Tổng trở nối đất bổ xung Zbx(0;) được tính theo công thức sau: Trong đó: Rnt=1,52W R1=5,303W Xk là nghiệm của phương trình tgxk= Ta thấy e-4=0,018 là rất nhỏ, do đó ta chỉ tính đến e-4 và tính được k sao cho. Ta tính với Có Thay vào phương trình: Giải phương trình: Để tìm nghiệm của xk ta giải phương trình trên bằng đồ thị của các hàm một biến sau: Giao điểm của các hàm số này sẽ là nghiệm của phương trình: Đồ thị ở hình bên.(Hình 2-1) Căn cứ vào kết quả trên đồ thị ta xác định được: x1=3,06 Rad đổi ra độ x1=175,410 ị cos=- 0,996 x2=6,123 Rad đổi ra độ x2=3510 ị cos= 0,987 x3=9,184 Rad đổi ra độ x3=526,870 ị cos=- 0,973 x4=12,324 Rad đổi ra độ x4=706,470 ị cos= 0,972 x5=15,386 Rad đổi ra độ x5=8820 ị cos=- 0,951 Ta chỉ tính đến xk13,022 nên chỉ tính đến x5 Đã tính: Điện áp tại đầu vào của nối đất. Us=Is.Zbx=150.3,048=457,2 KV Us=457,2 KV Theo điều kiện: UsU0,5 Us=457,2<U0,5=460 KV. Hệ thống nối đất đạt yêu cầu. Kết luận: Trạm biến áp 110KV có diện tích 120m x 95m với hệ thống nối đất gồm mạch vòng có chu vi là 422m, số cọc đóng theo mạch vòng là 160 chiếc khoảng cách giữa các cọc . Bỏ qua nối đất tự nhiên, bỏ qua các thanh cân bằng điện áp, không tính nối đất bổ xung thì hệ thống tiếp đất của trạm theo yêu cầu của nối đất an toàn có R=1W, theo yêu cầu của nối đất chống sét có R=1,52W. Khi có nối đất bổ xung tổng trở của hệ thống Z (0,5)=3,048W. Điện áp đầu vào của nối đất nhỏ hơn U0,5 của trạm, cho nên căn cứ vào sơ đồ bố trí hệ thống nối đất của trạm ta thấy các thiết bị trong trạm kể cả các thiết bị có điện áp 35 KV đều đảm bảo an toàn khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất. Sơ đồ hệ thống nối đất (Hình 2-2).