Thiết kế đường dây và trạm biến áp

Cθmax = 48, 725 (N/mm2) Nhận xét: Nếu ta chọn chiều dài khoảng cột ngắn thì độ võng của dây dẫn trong một khoảng cột cũng giảm đi và ngược lại nếu ta chọn tăng chiều dài khoảng cột thì độ võng trong khoảng cột cũng tăng theo, do có độ võng f nên chiều dài thực tế của dây dẫn sẽ lớn hơn chiều dài khoảng cột và chiều dài thực tế được tính theo công thức: lthực tế = l + l fl .3 8 2+ (m) (4-16) • lthực tế = 90 + 34,9090.3 67,0.890 2 =+ (m) Vậy chiều dài dây dẫn tăng lên 0,34 (m) II. TÍNH TOÁN CỘT: 1. Lựa chọn loại cột Trong đồ án tốt nghiệp này, đường dây cấp điện từ trạm biến áp trung tâm 110/6 KV về trạm biến áp của trạm cấp nước có chiều dài 1900m. Trong đó có 100m cáp ngầm và 1800m đường dây không, rải dọc đường bộ. Trên đường dây hệ thống cấp điện từ 35 KV trở xuống dùng hai loại cột bê tông cốt thép: cột li tâm (cột tròn) và cột vuông. Sơ bộ có thể lựa chọn loại cột cho các loại dây dẫn theo bảng sau: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 45 Bảng 4-3: Phạm vi sử dụng các loại cột Loại cột Trung áp, KV Hạ áp 0,4KV 22 ≈ 35 6 ≈ 10 Trục chính Xóm ngõ LT10, LT12 x x - - H8.5 - x x - Dự tính bố trí dây dẫn 3 pha trên cột đặt trên đỉnh tam giác đều, khoảng cách hình học giữa các pha phụ thuộc điện áp đường dây. Với đường dây 6KV khoảng cách hình học giữa các pha: Dtb = 1m. Vì vậy, ta chọn cột li tâm. Loại cột này được chế tạo tại nhà máy, nhờ các máy li tâm với cốt thép kéo trước hoặc không kéo trước. Loại này được chế tạo 2 cỡ cột 10m và 12m (LT10; LT12). Chiều cao của các cột tính toán sao cho đúng với quy định đã cho phép về khoảng cách an toàn: Hc ≥ HM + H’ + λ + f (4 -17) Trong đó: HM - CHIỀU XAO MÓNG CỘT, HM = 0,15; HC = 2M Hmin - độ cao an toàn tối thiểu tính từ nơi thấp nhất, Hmin = 6,1m f - độ võng của dây nơi thấp nhất, f = 0,67m λ - chiều cao chuỗi sứ, λ = 0,35m H’ - khoảng cách tối thiểu giữa các pha, H’ = 1m Thay số vào biểu thức (4 -17), ta được: Hc ≥ 2 + 6,1 + 1 + 0,35 + 0,67 = 10,12 (m) Từ thông số đã tính ở trên ta sẽ chọn loại cột li tâm LT12. Tại các vị trí trung gian đặt 1 cột ly tâm LT12B; tại vị trí đầu tuyến và cuối tuyến đặt hai cột ly tâm LT12C, cột chôn sâu 2m. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 46 Cột mua tại Xí nghiệp bê tông Đông Anh có các thông số: Bảng 4-4: Thông số kỹ thuật của cột ly tâm LT12 của nhà máy bê tông Đông Anh. Loại Quy cách D1D2 - H, m Mác bê tông V,m3 M, Kg Lực đầu cột Pcp, kg LT12B 193/3 - 10000 400 0,44 1200 720 LT12C 190/300 - 10000 400 0,44 1200 900 HÌNH 4.1. CHIỀU CAO CỘT ĐỠ DÂY DẪN 2. Chọn xà, sứ: a. Chọn xà: Các cột trung gian dùng xà đơn X1 vì xà cột trung gian chỉ đỡ dây. Các cột đầu cuối dùng xà kép X2, do phải chịu lực lớn hơn. Xà làm bằng thép góc L73 x 73 x 7, dài 2m. Kèm xà và chống xà dùng thép góc L60 x 60 x 6 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 47 b. Chọn sứ: Tại tất cả các vị trí chọn dùng sứ đứng thủy tinh do Xí nghiệp thủy tinh cách điện Hải Phòng sản xuất. Bảng 4 - 5: Thông số của sứ cách điện. Ký hiệu Chiều cáo sứ (m) Điện áp định mức an toàn (kV) Trọng lượng (kg) Các phụ kiện Sứ đứng VHO - 10 0,35 10 5 Ty côn mạ kẽm thép CT5 -φ22 3. Chọn móng cột: Móng cột đường dây trong các hệ thống cấp điện từ 35KV trở xuống thường dùng hai loại móng: móng chống lật (cho tất cả các vị trí cột) và móng chống nhỏ (cho dây néo). Để tiện thi công ta chọn dùng móng không cấp. Toàn tuyến có: móng cột trung gian, móng cột góc, móng cột cuối. Móng cột trên toàn tuyến được tổ bê tông và có chiều sâu so với mặt đất 2m. Với cột trung gian móng có kích thước: 1 x 1,2 x 2m. Với cột đầu cuối móng có kích thước: 1,2 x 1,4 x 2m Địa hình tuyến 6KV đi qua nằm trong vùng đồi núi, nên dùng cột kép ở cột đầu và cột cuối không cần làm dây néo cho cột, tất cả móng cột được đổ bê tông tại chỗ. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 48 4. Sơ đồ tính toán cột: Lực uốn của cột phụ thuộc vào lực kéo của dây dẫn lên cột, áp lực gió tác dụng lên mặt cột, áp lực gió tác dụng lên dây dẫn và độ cao của cột. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 49 Bảng 4-6: Sơ đồ tính toán cột. 5. Kiểm tra khả năng chịu lực (uốn) của cột trung gian: Cột trung gian khi làm việc chịu lực gió bão tác động lên thân cột và tác động lên dây dẫn 3 pha AC-35 trong khoảng cột: Các tải trọng tác động lên cột: a) Lực gió tác động lên mặt cột: PC = )(96645,2.25.7,0.85,0.16 81,9.... 16 81,9 22 NFVC ==α (4-18) Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 50 α - hệ số biểu thị sự phân bố không đều của gió trên khoảng cột. V = 25m/s α = 0,85 C- Hệ số động lực của không khí phụ thuộc vào bề mặt chịu gió. • Với cột tròn C = 0,7 F - tiết diện mặt cột chịu gió: F = 45,2)212(. 2 3,0190,0).(. 2 21 =−+=−+ MC HHDD (m2) Với: • Quy cách D1/ D2 (theo bảng 4.4 - thông số kỹ thuật của cột LT12) • HC: Chiều cao cột li tâm, HC = 12m • HM: Chiều cao móng, HM = 2m b) Lực gió tác động lên dây: Pđ = g2. F.l = 134.10-3 . 35.90 = 422 (N) g2 - tải trọng của dây lúc gió, g2 = 134.10-3 (N/mm2) (bảng 4.1) F - tiết diện định mức của dây dẫn, F = 35 (mm2) l- chiều dài khoảng cột, l = 90 (m) c) Lực gió đặt vào cột ở độ cao 9m, 10m: • Lực gió đặt vào cột ở độ cao 10m: H = 63,4 3 10. 3,019,0 3,019,0.2 3 . 2 21 21 =+ +=+ + h DD DD (m) d) Tổng mô men tác động lên tiết diện sát mặt đất của cột: Mtt = n. MΣ = n. ∑n M 1 1 (Nm) (4-21) Trong đó: n- hệ số quá tải (tra bảng 7.8 - TL2), n = 1,2 MΣ - tổng mô men ngoại lực tác dụng lên cột, với cột trung gian. MΣ = MPD + MPC • MPd: mô men do lực gió tác dụng lên dây dẫn gây ra. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 51 • MPc: mô men do lực gió tác dụng lên cột gây ra. Các tải trọng thẳng đứng (trọng lượng cột, xà, xứ, dây, tải trọng xây lắp) bình thường không gây ra mô men chịu uốn với cột, nhưng nếu quá trình làm việc cột bị uốn cong thì các tải trọng này cũng gây ra một mô men uốn với cột. Trong trường hợp cần thiết kể đến mô men này, người ta lấy tăng trị số Mtt lên 10%. Do vậy: Mtt = n. [ΣMi + 10%ΣMi] (Nm) ΣMi = 2.Pdh1 + Pd.h + PC.H = 2.422.9 + 422.10 + 966.4,63 = 16289 (Nm) • Mtt = 1,2. (16289 + 10%.16289) = 21500 (Nm) Quy đổi mô men tính toán về lực đầu cuối: PTT = )(2,219)(215010 21500 KgN h M tt === Ptt = 219,2 Kg < PCP = 720 Kg: cột làm việc an toàn. 6. Tính toán khả năng chịu uốn của cột đầu và cột cuối: Có hai khả năng làm việc nặng nề với cột đầu và cột cuối. Lực kéo dây lớn nhất, lúc này tải trọng đặt lên cột gồm lực gió và lực kéo của dây. a) Xét trường hợp lực kéo của dây lớn nhất: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 52 Cột đầu và cột cuối luôn bị kéo về một phía bởi lực kéo của dây: Td ≈ σACθmin. FAC = 100. 35 = 3500 (N) Với: FAC = 35 mm2 Mô men tính toán đặt lên cột sát mặt đất: Mtt = n. (2.T.h1 + 1. T.h) (Nm) Trong đó: n- hệ số quá tải Td - lực kéo của dây dẫn, Td = 3500 N h1, h - chiều cao ứng với từng vị trí h1 = 9m, h = 10m. • Mtt = 1,3. (2.3500.9 + 1.3500.10) = 127400 (Nm) Lực quán tính quy về đầu cột: PTT = )(6,1298)(1274010 127400 KgN h M tt === Cột đầu và cột cuối cùng dùng 2 cột li tâm LT12C, có ứng lực đầu cột cho phép của mỗi cột là 900 Kg. Vậy ứng lực cho phép của hai cột cuối đã chọn: PCP = 2.900 = 1800 (Kg) Ta có: Ptt < PCP (Ptt = 1298.6 Kg; PCP = 1800 Kg). Nên cột đầu và cột cuối làm việc an toàn. b) Xét trường hợp gió bão lớn nhất: Lấy hướng gió nguy hiểm nhất, thổi dọc hướng dây (Pd =0) • Lực gió tác dụng lên 2 cột: PC = 2. 966 = 1932 (N) • Lực kéo của dây: Td = σACbão. FAC = 106,25. 35 = 3718,75 (N) Lúc bão: θ = 250C; Với: σACbão = 106,25 (N/mm2) (công thức 4-12) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 53 • Tổng mô men tính toán đặt lên tiết diện sát mặt đất: Mtt = n’. (Td.h+ 2. Td.h1) +n. PC. H (4-22) Trong đó: n’ - hệ số quá tải, tải trọng ngang do lực kéo của dây, n’ = 1,3 (bảng 4-8- TL2) h; h1 - chiều cao của cột tương ứng với từng vị trí của dây, h1 = 9m; h=10m H- độ cao lực gió đặt vào cột, H = 4,6m Pc - lực gió lên cột, Pc = 1932N Td- lực kéo của dây lúc bão, Td = 106,25. 35 = 3718, 75 (N) Thay số vào (4-22), ta được: Mtt = 1,3. (3718,75.10+2.3718,75.9)+1,2.1932.4,6 = 146027 (Nm) • Lực tính toán quy đổi về đầu cột: Ptt = )(6,1488)(7,1460210 146027 KgN h M tt === • Ptt < PCP (với Ptt = 1488,6 Kg < PCP = 1800 Kg). Vậy cột đầu và cột cuối làm việc an toàn. 7. Tính toán kiểm tra cột góc: a. Xét trường hợp lực kéo dây lớn nhất: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 54 Dây tạo với trục mặt chịu lực của cột một góc 600 nên lực kéo dây đặt vào cột Td = T. • Lực kéo của dây: Td ≈ σACθmin. FAC = 100. 35 = 3500 (N) Với: FAC = 35mm2 Mô men tính toán đặt lên cột sát mặt đất: Mtt = n. (2. T.h1+ 1.T.h ) (Nm) Trong đó: n’ - hệ số quá tải Td - lực kéo của dây dẫn, Td = 3500 (N) h1, h - chiều cao ứng với từng vị trí h1 = 9m, h = 10m. Mtt = 1,3. (2. 3500.9 + 1.3500.10) = 127400 (Nm) • Lực quán tính quy đổi về đầu cột: Ptt = )(6,1298)(12740010 127400 KgN h M tt === • Ptt < PCP (với Ptt = 1298,6 Kg; PCP = 1800 Kg). Nên cột góc làm việc an toàn. b. Xét trường hợp gió bão lớn nhất: • Lực gió tác dụng lên dây: Pd = g2. F. l. sin600 (N) (4-23) Pd = 134.10-3. 35. 90. 2 3 = 365,5 (N) • Mô men tính toán tổng: Mtt = n. (2. Pd.h1 + 1.Pd.h +Pc.H)+ n’. (2.Td.h1 + 1.Td.h) = 1,2. (2.365,5.9+1.365,5.10+1932.4,6)+ 1,3. (2.3718,75.9 + 3718,75.10) = 158308 (Nm) • Lực quán tính quy đổi về đầu cột: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 55 Ptt = )(7,1613)(8,1583010 158308 KgN h M tt === Vì Ptt < PCP (với Ptt = 1613,7 Kg; PCP = 1800 Kg). Nên cột góc làm việc an toàn. III. TÍNH TOÁN KIỂM TRA MÓNG CỘT: 1. Tính toán, kiểm tra khả năng chống lật của móng cột trung gian: Công thức kiểm tra móng ngắn (TL2) k. S ≤ 1 1 F . (F2. En + F3. Q0) Với hệ số an toàn cho móng cột trung gian: k = 1,5 F1, F2, F3 - hệ số tính toán cho từng loại đất. H- độ cao trung bình đặt các lực ngang vào cột. Đã tính được lực gió tác động lên cột PC = 966N đặt ở độ cao 4,6m; lực gió tác dụng lên dây Pd = 422N đặt ở độ cao 9m và 10m. Vậy: H = m28,7 422.1422.2966 422104229.26,4.966 =++ ++ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 56 F1 = 1,5. [ 5,0]).1( 2 +++ ϕtgh H h H => F1 = 1,5. [ 86,105,0]839,0).12 28,7( 2 28,7 2 =+++ F2 = (1 + tg2ϕ). (1 + 1,5. ). ϕtgh d => F2 = (1 + 0.8392). (1 + 1,5. 99,2)839,0.2 2,1 2 = F3 = (1 + tg2ϕ). )ϕtgh d + => F3 = (1 + 0,8392). 86,1)839,02 2,1 =+ En = )]1(..5,0.[)(. .. 20 θγθθθ +++ Chtg khb => En = 39,65)]218,01(39,02.7,14.5,0.[)839,0467,0.(467,0 32,1.2.1 2 =+++− Ta có: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 57 + θ, θ2, k0, C - tra bảng PL5.10 và PL5.11 - TL1: + θ = 0,467; θ2 = 0,218 (PL5.10 - TL1) • k0 = 1,32; (PL5.10 - TL1) S - tổng lực ngang đặt lên cột. • Tổng cục ngang tác dụng lên cột: S= Hmin. Pd + PC Trong đó: Hmin - độ cao an toàn tối thiểu tính từ nơi thấp nhất của dây dẫn, Hmin = 6,1m. Pd - Tải trọng của gió tác động lên dây dẫn, Pd = 422 (N) Pc - Tải trọng gió tác dụng lên cột, PC = 966 (N) Thay vào (4-25) ta được: S = 6,1. 422 + 966 = 3540,2 (N) = 3,54 (kN) Với móng cột 1 x 1,2 x 2m tra bảng với vùng đất sét pha cát ẩm tự nhiên, tính được các trị số F1, F2, F3, En . Q0 - tổng trọng lượng đặt lên nền kể cả trọng lượng móng Q0 = QC + Qm + Qd + Qx Trong đó: • Trọng lượng cột: QC = 0,44.24,5 = 10,78 KN; • Móng bê tông tỷ trọng 24,5 => Qm = 1.1,2.2.24,5 = 58,8 kN • Trọng lượng dây trong khoảng cột: Qd = g1.l.3F = 32,2.10-3. 90.3. 35 = 304,29N = 0,304 kN • Trọng lượng xà, sứ: Qx = 0,3 kN (nếu dùng 3 xà thì Qx= 0,5kN (TL2) Thay vào biểu thức (4-26), ta được: Q0 = 10,78 + 58,8 + 0,304 + 0,3 = 70,18 (kN) Thay vào biểu thức (4-23), ta được: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 58 1,5. 3,54 ≤ )18,71.18639,65.99,2( 86,10 1 + • 5,31 ≤ 30 Vậy móng làm việc an toàn 2. Kiểm tra khả năng chống lật của móng cột đầu và cột cuối: Móng cột đầu và móng cột cuối có kích thước 1,2 x 1,4 x 2m. Kiểm tra theo điều kiện gió bão lớn nhất. Độ treo trung bình các lực đặt ngang vào cột: H = 75,3718.175,3718.21932 10.75,3718.19.75,3718.26,19324 ++ ++ = 8,1 m Với: • Lực gió tác dụng lên cột là PC = 1932N, đặt ở độ cao 4,6m; • Lực kéo dây là Td = 3718,75N đặt ở độ cao 9m đến 10m. Kích thước móng 1,2 x 1,4 x 2m tra bảng với vùng đất sét, cát pha ẩm tự nhiên, tính được các trị số F1, F2, F3, En. F1 = [ 5,0]).1( 2 +++ ϕtgh H h H => F1 = [ 73,125,0]839,0).12 75,8( 2 75,8 2 =+++ F2 = (1 + tg2ϕ). (1 + 1,5. ). ϕtgh d => F2 = (1 + 0.8392). (1 + 1,5. 2,3)839,0.2 4,1 2 = F3 = (1 + tg2ϕ). )ϕtgh d + => F3 = (1 + 0,8392). 03,2)839,02 4,1 =+ En = )]1(..5,0.[)(. .. 20 θγθθθ +++ Chtg khb Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 59 => En = 47,78)]218,01(39,02.7,14.5,0.[)839,0467,0.(467,0 32,1.2.2.1 2 =+++− Ta có: + θ, θ2, k0, C - tra bảng PL5.10 và PL5.11 - TL1: + θ = 0,467; θ2 = 0,218; (PL5.10 - TL1) • k0 = 1,32; (PL5.11 - TL1 Q0 - tổng trọng lượng đặt lên nền kể cả trọng lượng móng Q0 = QC + Qm + Qd + Qx Vì cột kép nên: • Trọng lượng cột: QC = 2.10,78 = 21,56 kN; • Móng bê tông tỷ trọng 24,5 => Qm = 1,2. 1,4. 2. 24,5 = 82,32 kN • Trọng lượng dây trong khoảng cột: Qd = g1.l.3F = 32,2.10-3. 90.3. 35 = 304,29N = 0,304 kN • Trọng lượng xà, sứ: Qx = 0,5 kN (TL2) Thay vào biểu thức (4-26), ta được: Q0 = 21,56 + 82,32 + 0,304 + 0,5 = 104, 684 (kN) Thay vào biểu thức (4 - 23), ta được: 1,5. (1,932 + 3,718) ≤ 73,12 1 (3,2.78,47 + 104,684) • 9,76 ≤ 36,41 Vậy móng làm việc an toàn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 60 CHƯƠNG V TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO TRẠM BIẾN ÁP I. ĐẶT VẤN ĐỀ Lựa chọn thiết bị cho trạm biến áp là một vấn đề hết sức quan trọng trong công việc thiết kế và tính tóan hệ thống cung cấp điện. Trạm biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhất của hệ thống cung cấp điện. Trạm biến áp dùng để biến đổi điện năng từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác. Các trạm biến áp, trạm phân phối, đường dây tải điện cùng các nhà máy phát điện làm thành một hệ thống phát và truyền tải điện năng thống nhất. Các thiết bị điện, sứ cách điện và các bộ phận dẫn điện khác của hệ thống điện trong điều kiện vận hành có thể ở một trong ba chế độ cơ bản sau: • Chế độ làm việc lâu dài. • Chế độ quá tải (đối với một số thiết bị điện có thể cho phép quá tải đến 1,4 định mức). • Chế độ chịu dòng điện ngắn mạch. Trong chế độ làm việc lâu dài các khí cụ điện, sứ cách điện và các bộ phận cách điện sẽ làm việc tin cậy nếu quá trình lựa chọn chúng có các thông số theo đúng điều kiện ổn định nhiệt và ổn định động. Tất nhiên khi xảy ra ngắn mạch, để hạn chế tác hại của nó cần phải nhanh chóng loại trừ tình trạng ngắn mạch. Như vậy trong dòng điện ngắn mạch là số liệu quan trọng để chọn và kiểm tra các thiết bị điện. Đối với máy cắt, máy cắt phụ tải và cầu chì khi lựa chọn phải kiểm tra khả năng cắt của chúng. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 61 Tóm lại, việc lựa chọn đúng đắn các thiết bị điện có ý nghĩa quan trọng là đảm bảo cho hệ thống cung cấp điện vận hành an toàn tin cậy và kinh tế. II. LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHO TRẠM BIẾN ÁP: Căn cứ vào các điều kiện như: đất đai, môi trường, mỹ quan, kinh phí... ta lựa chọn trạm biến áp thích hợp. Chọn trạm biến áp kiểu kín (trạm trong nhà). Ưu điểm của trạm kín là độ an toàn cao, thiết bị chịu ảnh hưởng xấu do khí hậu như: gió mưa, nóng ẩm, hóa chất ăn mòn... Trạm biến áp được phân làm 4 phòng: 2 phòng đặt máy biến áp, 1 phòng đặt các thiết bị phân phối hạ áp, 1 phòng cao áp đặt các thiết bị cao áp. Các thiết bị được đặt trong tủ có vẻ che chắn an toàn. Cửa ra vào có khóa chắc chắn và kín để đề phòng rắn, chim, chuột. Đặt cửa thông gió cho phòng cao áp, dưới hệ máy có xây hố dầu sự cố. Kết cấu của trạm biến áp (hình 5 - 1) 1. Lựa chọn các thiết bị điện phía cao áp: a. Lựa chọn cầu chì tự rơi: Cầu trì tự rơi là một thiết bị đóng cắt đơn giản, rẻ tiền hơn máy cắt. Nó gồm hai bộ phận tạo thành: bộ phận đóng cắt điều khiển bằng tay và cầu chì. Chọn cầu trì tự rơi (CCTR) với Uđm = 6KV; Itt = 38,5A, do hãng CHANGE (Mỹ) chế tạo (PLIII.3-TL2). Bảng 5-1: Thông số kỹ thuật của CCTR Loại CCTR Uđm (KV) Iđm (A) IN (A) Trọng lượng (Kg) C710 - 112PB 15 100 10 7,88 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 62 hình 5.1: Sơ đồ đấu nối trong trạm biến áp Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 63 hình 5.2: Trạm biến áp kiểu kín ( xây, trong nhà) hai máy biến áp b. Chống sét van (CSV) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 64 Các đường dây trên không dù có được bảo vệ chống sét hay không thì các thiết bị điện nối với chúng đều phải chịu tác động của sóng sét truyền từ đường dây đến. Biên độ của quá trình điện áp khí quyển có thể lớn hơn điện áp của thiết bị, dẫn đến chọc thủng cách điện phá hoại thiết bị và mạch điện bị cắt ra. Vì vậy để bảo vệ thiết bị điện trong trạm biến áp tránh sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm, ta dùng thiết bị chống sét van. Thiết bị chống sét van sẽ hạ thấp biên độ sóng quá điện áp xuống đến trị số an toàn cho cách điện cần bảo vệ (cách điện của máy biến áp và các thiết bị khác đặt trong trạm). Thiết bị chống sét chủ yếu cho trạm biến áp là chống sét van (CSV) và chống sét ống (CSO). Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm biến áp đạt được bằng cách đặt chống sét van và các biện pháp bảo vệ đoạn dây gần trạm. Chọn thiết bị chông sét van do hãng Cooper (Mỹ) chế tạo loại ALZP6 (PLIII.13 - TL2). Chọn tủ cao áp loại 8DH10 do SIEMENS chế tạo có các thông số kỹ thuật sau: (PLIII.1-TL2). Bảng 5 - 2: Thông số kỹ thuật của tủ cao áp do SIEMENS chế tạo: Loại Cách điện Uđm (KV) Iđm (A) INBA (KA) INmax (KA) 8DH10 SF6 7,2 1250 25 63 2. Lựa chọn các thiết bị điện phía hạ áp: Tất cả các thiết bị điện phía hạ áp đều được đặt trong tủ phân phối điện áp, bao gồm: 2 áptomat tổng và một áptomat phân đoạn, 8 áptomat nhánh cấp cho 8 động cơ và một áptomat cho chiếu sáng. Ngoài ra trong tủ còn lắp thêm các thiết bị đo lường dùng để đo đếm. Do thiết kế trạm 2 máy biến áp để cung cấp cho khu cấp nước của nhà máy xi măng nên khi chọn dây dẫn cáp tủ máy biến áp đến tủ phân phối và Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 65 thanh cái hạ áp ta chỉ cần tính cho một máy để tính luôn cho máy kia (vì 2 máy có công suất bằng nhau và cùng cung cấp điện phụ tải có công suất như nhau). a. Chọn cáp hạ áp từ máy biến áp đến tủ phân phối: Tiết diện cáp được chọn theo điều kiện phát nóng cho phép: Dòng điện tính toán: Itt = dm BA U S 3 = 4,0.3 200 = 288,67 (A) Chọn cáp đồng 3 lõi cách điện PVC do LENS chế tạo. Với tiết diện F = 3 x 95 + 50 mm2; Icp = 301 A. (PLV.12-TL12) Theo PL4.7 - TL1 ta có: Điện trở và điện kháng của dây dẫn và cáp lõi đồng: x0 = 0,06 (Ω/km) r0 = 0,21 (Ω/km) Cáp từ MBA đến tủ phân phối dài 6m nên: Rc = r0. l = 0,21. 6.103 = 1,26 (Ω) XC = x0. l = 0,06. 6.103 = 0,36 (Ω) b. Chọn tủ phân phối hạ áp: Áptomat được chọn theo dòng làm việc lâu dài, cũng chính là dòng tính toán xác định được: Iđm ≥ Ilmax = Itt = dm tt U S .3 UđmA ≥ Uđmmax = 0,4 (KW) Với áptomát tổng để dự trữ có thể theo dòng điện định mức của biến áp: Itt = IđmA ≥ IđmB = dm tt U S .3 = 4,0.3 200 = 288,67 (A) Theo PLIV. 2 - TL2 ta có áptomat do hãng Merlin Gerin (Pháp) chế tạo có: Iđm = 400 (A) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 66 Bảng 5 - 3: Thông số kỹ thuật của áptomát NS400E: Loại Uđm (KV) Iđm (A) Icắt (KA) NS400E 0,5 400 18 Do công suất phụ tải như nhau, công suất máy bằng nhau, dây dẫn như nhau nên 2 áptomát tổng và 1 áptomát phân đoạn là như nhau. Vì vậy ta chỉ cần tính chọn 1 áptomát thì tính được 2 áptomát còn lại. Chọn áptomát cấp điện cho máy bơm với điều kiện chọn: Itt = IđmA = Iđm = ϕcos..3 dm dco U P = )(56 85,0.4,0.3 33 A= Với: Pđcơ = 33W; cosϕ = 0,85 UđmA ≥ Uđmmax = 0,4 (KW) Theo PLIV. 2 - TL2 ta chọn áptomát do hãng Merlin Gerin (Pháp) chế tạo có: Iđm = 100 (A) Bảng 5 - 4: Thông số kỹ thuật của áptomát C100A: Loại Uđm (KV) Iđm (A) Icắt (KA) C100A 0,5 100 15 Theo PLIV. 2 - TL2 ta chọn áptomát do hãng Merlin Gerin (Pháp ) chế tạo có: Iđm = 15 (A) Bảng 5- 5: Thông số kỹ thuật của áptomát C100E Loại Uđm (KV) Iđm (A) Icắt (KA) C100E 0,5 15 15 • Chọn thanh cái tủ phân phối: Chọn thanh cái đồng 3 thanh 3 pha và1 thanh trung tính có kích thước thanh là (30 x 4) mm2 có: x0 = 0,167 (Ω/km); r0 = 0,206 (Ω/km) (PLIV.11 - TL1) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 67 Thanh cái đồng đặt lên 2 sứ cách điện gắn vào khung tủ, cách nhau 70cm đặt nằm ngang. • Chọn dây chiếu sáng từ tủ phân phối đến bảng điện: Chọn dây bọc cách điện 4M (1 x 2,5) do Việt Nam chế tạo: • Chọn các đồng hồ đo đếm: Trên tủ phân phối đặt 3 đồng hồ Ampe 600/5 A, đồng hồ Vônkế (0÷600)V, một công tơ hữu công 380/200V, 5A, 50Hz. Đồng hồ và công tơ do nhà máy thiết bị điện Trần Nguyên Hãn chế tạo, có tỷ số biến đổi 600/5 A cấp chính xác 0,5A để cấp dòng cho các đồng hồ trên. • Chọn vỏ tủ phân phối hạ áp: Chọn tủ phân phối hạ áp do hãng SAREL (Pháp) chế tạo (PL3.14 - TL1): Chọn 2 vỏ tủ có kích thước (cao 2200mm, rộng 1200mm, sâu 600mm). Bảng 5 - 6: Thông số kỹ thuật của tủ phân phối hạ a ps SAREL: Kích thước khung tủ (mm) Số cánh tủ Cánh tủ phẳng Cao Rộng Sâu 2200 1200 600 2 61386 c. Chọn cáp từ tủ phân phối động cơ: Chọn cáp theo điều kiện mật độ đòng điện kinh tế: FCkt = kt kt J l (mm2) Với Tmax = 6000h, có Jkt = 2,7 mm2 • FCkt = 7,2 56 = 20,7 (mm2) Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 68 ITT = IĐM = ϕcos..3 dm dco U P = )(56 85,0.4,0.3 33 A= => Chọn cáp đồng 3 lõi do LENS sản xuất cách điện PVC ( 3x6)mm2, với Icp= 127 (A). SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ NỐI BI VỚI CÁC DỤNG CỤ ĐO Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 69 CHƯƠNG VI TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH I. ĐẶT VẤN ĐỀ: Ngắn mạch là tình trạng sự cố nghiêm trọng và thường xảy ra trong hệ thống cung cấp điện. Các số liệu về tình trạng ngắn mạch là căn cứ quan trọng để giải quyết một loạt vấn đề như: lựa chọn thiết bị điện, thiết kế hệ thống bảo vệ rơle, định phương thức vận hành. Vì vậy tính toán ngắn mạch là một phần không thể thiếu của thiết kế cung cấp điện. Các dạng ngắn mạch thường xảy ra trong hệ thống cung cấp điện là ngắn mạch 3 pha và một pha chạm đất. Trong đó ngắn mạch 3 pha là nghiêm trọng nhất. Vì vậy, người ta thường căn cứ vào đòng điện ngắn mạch 3 pha để lựa chọn các thiết bị điện. Nguyên nhân gây ra ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện chủ yếu là do cách điện bị hư hỏng. Cách điện bị hư hỏng là do: vận hành lâu ngày nên cách điện bị già hóa mà không phát hiện kịp thời bằng cách thử nghiệm định kỳ; do sét đánh vào các đường dây tải điện hoặc sét đánh trực tiếp vào thiết bị phân phối điện bị đổ, khi đào đất chạm phải đường dây cáp.... Ngắn mạch xảy ra đôi khi còn do thao tác nhầm của nhân viên vận hành. Ngắn mạch xảy ra càng lâu thì hậu quả của ngắn mạch gây ra càng lớn. Hậu quả của ngắn mạch: • Làm gián đoạn cung cấp điện cho các bộ phận. • Điện áp mạch điện sụt xuống có thể làm ngưng động cơ điện, ngưng trệ sản xuất. • Ngắn mạch tạo ra lực điện động phá hỏng các thiết bị điện, làm cong dây dẫn. • Phá hoại sự làm việc đồng bộ của nhà máy phát điện trong hệ thống, làm hệ thống mất ổn định và tan rã. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 70 Vì vậy để đạt yêu cầu về cung cấp điện thì khi thiết kế chúng ta phải có biện pháp ngăn ngừa ngắn mạch xảy ra. Tính toán ngắn mạch nhằm kiểm tra các thiết bị điện và khí cụ điện như: máy ngắt điện, máy cắt phụ tải, dao cách ly, sứ thanh dẫn... và lựa chọn các biện pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch. II. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH VÀ KIỂM TRA LẠI CÁC THIẾT BỊ ĐÃ LỰA CHỌN 1. Tính toán ngắn mạch phía cao áp: a) Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế: SƠ ĐỒ TÍNH NGẮN MẠCH PHÍA CAO ÁP b) Tính toán ngắn mạch tại điểm N1: Khi tính toán phía cao áp, vì không biết cấu trúc cụ thể của hệ thống điện nên cho phép tính gần đúng điện kháng qua công suất ngắn mạch: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 71 Điện kháng của hệ thống điện được tính theo công thức 6 -1. TL1: XHT = NS U 2 (Ω) • XHT = 36,0100 62 = (Ω) Dây AC-35 có các thông số điện trở và điện kháng theo phần IV - chương III. RDAC = 1, 53 (Ω) XDAC = 0,689 (Ω) Với cáp đồng ta tính được điện trở và điện kháng theo phần V, chương III: RCAC = 0,147 (Ω); XCAC = 0,017 (Ω) Tổng trở từ hệ thống tới điểm ngắn mạch N1: ZΣ = =++ 22)( DDHT RXX 22 )()( CACDACCACDACHT RRXXX ++++ = 97,1)147,053,1()017,0689,036,0( 22 =++++ (Ω) Trị số ngắn mạch tại N1: IN1 = I” = I∞ = 97,1.3 6 .3 = ∑Z U = 1,76 (KA) Trị số dòng điện xung kích tại điểm N1: IXK = 1,8. 48,476,1.2.8,1.2 1 ==Nl (KA) Bảng 6 - 1: Kiểm tra CCTR Các đại lượng kiểm tra Kết quả kiểm tra Điện áp định mức (KV) Dòng điện định mức (A) Dòng điện cắt định mức (KA) Công suất cắt định mức (MVA) Uđmcc = 15 > Uđm.m = 6 Iđmcc = 100 > Ilvmax = 34,39 Iđmcắt = 10 > IN = 1,73 Sđmcc = 48,473,1.10.310.10.3 => Nếu trên ta đã thiết kế trạm biến áp của khu cấp nước nhà máy với hai trạm máy biến áp có cùng công suất và cấp điện cho phụ tải có công suất bằng nhau Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 72 nên khi tính toán ngắn mạch của trạm biến áp và đường dây thì ta chỉ cần t tính cho một máy là để tính luôn cho máy còn lạu. 2. Tính ngắn mạch phía hạ áp: a) Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 73 b) Tính toán ngắn mạch tại N2: Xác định điện trở và điện kháng của máy biến áp 200 - 6/0,4 KV có: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 74 ΔP0 = 530 (W) ΔPN = 3450 (W) UN% = 4% Từ công thức: RB = 32 2 10. dm dmN S UPΔ (mΩ) • RB = 32 2 10 200 4,0.3450 = 13,8 (mΩ) XB = dm dmN S UU 23 %..10 (mΩ) • XB = 200 4,0.4.10 23 = 32 (mΩ) Trong đó: ΔPN - tổn thất ngắn mạch của máy biến áp, kW, tra được trong lí lịch máy. UN% - trị số tương đối của điện áp ngắn mạch của máy biến áp. Sđm - dung lượng định mức của máy biến áp, KVA Uđm - điện áp định mức của máy biến áp, KV • Điện trở và điện kháng của cáp từ máy biến áp đến tủ phân phối hạ áp (theo phần 2 - chương V): RCAP = 1,26 (mΩ) XCAP = 0,36 (mΩ) • Điện trở và điện kháng của áptomát tổng (AT). Với áptomát có dòng định mức bằng 400 (A). Theo PLIV . 14 và PLIV.15 - TL2 ta có: RAT = 0,15 (mΩ) XAT = 0,1 (mΩ) RtxAT = 0,4 (mΩ) • Xác định điện trở và điện kháng của thanh góp hạ áp đặt tại tủ phân phối: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 75 Thanh góp hạ áp có chiều dài l = 0,45m; r0 = 0,167 (Ω/km); x0 = 0,206 (Ω/km). RTG = r0. l (mΩ) • RTG = 0,45. 0,167 = 0,075 (mΩ) XTG = x0. l (mΩ) • XTG = 0,206. 0,45 = 0,093 (mΩ) Điện trở tổng: RΣ = 13,8 + 1,26 + 0,15 + 0,4 = 15, 62 (mΩ) Điện kháng tổng: XΣ = XB + XCAP + XAT (mΩ) • XΣ = 32 + 0,36 + 0,1 = 32,46 (mΩ) Tổng trở từ máy biến áp đến thanh góp hạ áp: ZΣ = 22 ΣΣ + XR (mΩ) • ZΣ = 22 46,3262,15 + = 36 (mΩ) Trị số dòng điện ngắn mạch tại điểm N2: IN2 = I’ = 36.3 400 .3 = ∑Z U = 6,4 (KA) Trị số ngắn mạch xung kích tại điểm N2: ixk = 2..2 Nxk lk = )(3,114,6.25,1.2 KV= Trong đó: kxk = 1,25 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 76 Bảng 6-2: Bảng kiểm tra áptomát tổng Đại lượng kiểm tra Điều kiện kiểm tra Điện áp định mức (KV) UđmA ≥ Uđmmax 0,5 > 0,4 Dòng điện định mức (A) IđmA ≥ Ilvmax 400 > 288,67 Dòng điện cắt định mức (KA) Iđmcắt ≥ I” 18 > 6,4 c) Tính toán ngắn mạch tại N3 = ....= N6 Ta chỉ cần tính toán ngắn mạch tại N3. Xác định điện trở điện kháng tại áptomát nhánh (AN) 100A, tra PLIV. 14 và IV. 15-TL2, có: RAN = 1,3 (mΩ) XAN = 0,86 (mΩ) RtxAN = 0,75 (mΩ) Chiều dài dây dẫn từ máy biến áp đồng tới trạm bơm là 100m, với tiết diện 25mm2 tra PLIV.7 - TL1, ta có: RCAP (BA ÷ bơm) = r0 . l (mΩ) XCAP (BA ÷ bơm) = x0. l (mΩ) Trong đó: r0 = 0,8 (Ω/km) x0 = 0,07 (Ω/km) Điện trở của đoạn cáp từ máy biến áp tới trạm bơm: RCAP (BA ÷ bơm) = 80 (mΩ) Điện kháng của đoạn cáp từ máy biến áp tới trạm bơm: XCAP (BA ÷ bơm) = 7 (mΩ) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 77 Điện trở tổng: RΣ = RB + RCAP + RAT + RtxAT + RTG + RAN + RtxAN + RCAP (BA÷ bơm) = 13,8 + 1,26 + 0,15 + 0,4 + 0,75 + 1,3 + 80 + 0,75 + 96,99 + 0,75 = 97,74 Điện kháng tổng: XΣ = XB + XCAP + XAT + XTG + XAN + XCAP (BA÷ bơm) = 31,99 + 0,36 + 0,1 + 0,093 + 0,086 + 7 = 40,4 (mΩ) Tổng trở máy biến áp tới trạm bơm: ZΣ = 22 ΣΣ + XR = 22 4,4074,97 + =105,76 (mΩ) Trị số dòng ngắn mạch tại N3: IN3 = I” = I∞ = 76,105.3 400 .3 = ∑Z U = 2,18 (KA) Trị số ngắn mạch xung kích tại điểm N3: ixk = 3..2 Nxk lk = =18,2.25,1.2 )(85,3 KA Trong đó: kxk = 1,25 Bảng 6-3: Bảng kiểm tra áptomát tổng Đại lượng kiểm tra Điều kiện kiểm tra Điện áp định mức (KV) UđmA ≥ Uđmmax 0,5 > 0,4 Dòng điện định mức (A) IđmA ≥ Ilvmax 100 > 56 Dòng điện cắt định mức (KA) Iđmcắt ≥ I” 15 > 2,18 d) Kiểm tra thanh góp hạ áp: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 78 Kiểm tra thanh góp đã chọn theo điều kiện phát nóng lâu dài, cho phép khả năng ổn định nhiệt và ổn đinh động. Thanh góp hạ áp sử dụng thanh dẫn cứng đặt nằm ngang. Tiết diện thanh góp được đặt theo điều kiện cho phép. k1. k2. Icp ≥ Itt Trong đó: ITT = 288,67A VÀ ICP = 400A k1 - hệ số điều chỉnh khi đặt thanh góp. Do thanh góp đặt nằm ngang nên lấy: k1 = 0,95 k2 - hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường k2 = 0,9 • 0,95. 0,9. 400 = 342 A > 288,67A thỏa mãn. Lực tính toán do tác động của dòng điện ngắn mạch: Ftr = 1,76.10-2.70/7.11,32 = 22,470 (N) Mô men uốn tính toán: M = 10 70.47,22 10 . =lFtt = 157,29 (kG.cm) Mô men chống uốn của thanh góp: W = 3 22 6,0 6 3.4,0 6 . cmhb == Ứng suất tính toán xuất hiện trong thanh góp khi ngắn mạch: σtt = 15,2626,0 29,157 ¦ == W M (kG/cm2) Với: Thanh đồng có σtt = 1400 (kG/cm2) Vậy σtt < σcp Kiểm tra ổn định nhiệt: F ≥ α.I∞. qdt Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 79 α - hệ số nhiệt độ, với ống đồng α = 6 tqd - thời gian tính toán quy đổi, tqd = 0,8 • F = 30.4 = 120 mm2 > 6.6,4. 8 . Thỏa mãn Bảng 6-4: Bảng kiểm tra thanh góp hạ áp: Đại lượng kiểm tra Điều kiện kiểm tra Dòng diện phát nóng lâu dài cho phép (A) k1.k2.Icp ≥ Itt 342 > 288,67 Khả năng ổn định động (kG/cm2) σtt ≥ σcp Khả năng ổn định nhiệt (mm2) F ≥ α.I∞. qdt 120 > 34,35 d) Kiểm tra cáp từ máy biến áp đến tủ phân phối hạ áp: Ta kiểm tra ổn định nhiệt của cáp, tiết diện cáp đã chọn theo điều kiện ổn định nhiệt: F ≥ α.I∞. qdt Do ngắn mạch trong cung cấp điện được coi là ngắn mạch ở xa nguồn nên I∞ = I” = IN. Trong đó: α - hệ số nhiệt độ, α = 6 Chọn thời gian I cắt = 1s, tra đồ thị thời gian với tỷ số β = ∞l l" ta được: tqđ = 0,8. • F = 95 mm2 > 6.6,4. 8,0 = 34,35mm2. Thỏa mãn. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 80 CHƯƠNG VII NỐI ĐẤT VÀ CHỐNG SÉT ĐẢM BẢO AN TOÀN CHO ĐƯỜNG DÂY I. ĐẶT VẤN ĐỀ: Hệ thống cung cấp điện làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng đến các hộ tiêu dùng điện. Vì vậy đặc điểm của hộ tiêu thụ dùng điện là phân bố trên diện tích rộng và thường xuyên có người làm việc với các thiết bị điện. Cách điện của các thiết bị điện bị chọc thủng, người vận hành không tuân theo các quy tắc an toàn.... đó là những nguyên nhân chủ yếu dẫn đến tai nạn điện giật. Sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp vào các thiết bị điện không những làm hỏng các thiết bị điện mà còn gây nguy hiểm cho người vận hành. Vì thế trong hệ thống cung cấp điện nhất thiết phải có các biện pháp an toàn, có hiệu quả và tương đối đơn giản là thực hiện nối đất và đặt các thiết bị chống sét. Mức độ tổn thương do điện giật phụ thuộc vào cường độ, thời gian tác dụng và đường đi của dòng điện chạy qua người, đồng thời cũng phụ thuộc vào tình trạng sức khỏe và tính chất cách điện của cơ thể người bị điện giật. Nói chung dòng điện có trị số khoảng 100mA đã có thể chết người, song cũng có trường hợp người bị chết khi ở dòng điện chỉ khoảng 5 - 10mA mà thôi, đó là vì còn phụ thuộc vào sức khỏe của nạn nhân. Để tránh điện giật trước tiên phải chấp hành nghiêm chỉnh quy tắc vận hành các thiết bị điện, thứ nữa, người ta thực hiện nối đất các bộ phận có thể bị mang điện khi cách điện bị hỏng: thông thường các vỏ máy bằng kim loại đều phải nối đất. Trong hệ thống cung cấp điện có ba loại nối đất: • Nối đất an toàn: thiết bị nối đất loại này được nối vào vỏ thiết bị điện. Nó có nhiệm vụ bảo đảm sự làm việc bình thường không mang diện tích (vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, các gá đỡ kim loại, chân sứ). Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 81 Khi cách điện hư hỏng, trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế nhưng do đã được nôíi đất nên giữ được mức điện thế thấp. Do đó, đảm bảo an toàn co người tiếp xúc với điện. • Nối đất chống sét: thiết bị nối đất này được nối vào cột thu lôi. Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét trong đất (khi có sét đánh vào cột thu lôi hoặc đường dây) để giữ cho điện thế trên thân cột không quá lớn... Do đó hạn chế được các dòng điện ngược tới công trình bảo vệ. • Nối đất làm việc: thiết bị nối đất này được nối vào vỏ thiết bị điện. Nó có nhiệm vụ là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc một số bộ phận làm việc đã định sẵn. Loại nối đất này gồm có nối đất điểm trung tính máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường và của kháng điện trong các đường dây tải điện đi qua. II. TÍNH TOÁN TRANG BỊ NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP CỦA TRẠM CẤP NƯỚC: Để các thiết bị điện như: xà, sứ, cột làm việc an toàn trong điều kiện khi có cả giông bão, lúc này có thể sét đánh trực tiếp vào đường dây tải điện, dẫn đến sự cố đường dây tải điện, làm ngưng trệ cấp điện cho trạm cấp nước nhà máy. Vì vậy phải nối đất trực tiếp cho xà, sứ. Chọn điểm cao nhất của xà, sứ làm điểm cần đấu dây để tránh xác suất của sét đánh vào xà, ta nối dây tiếp địa cho cả xà trên và xà dưới. Dùng thép góp L60x60x6 dài 2,5cm để làm cọc thẳng đứng của thiết bị nối đất. Với tham số cọc như trên. Xác định điện trở nối đất của một cọc (TL2) R1c = 0,0298. ρmax = 0,0298. 0,3. 104 = 9 Ω Với: ρmax - Điện trở suất lớn nhất: ρmax = k. 1,5. 0,2.104 = 0,3.104 Ω/ cm Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 82 k - hệ số mùa. K = 1,5 (PLVII.15 - TL2) Với vùng đất có ρ ≤ 104 Ω/ cm, chỉ cần Rđ= ≤ 10Ω (bảng 3.1 - TL2) Ta có: R1c = 9Ω < Rđ = 10Ω, thỏa mãn điều kiện. Vậy chỉ cần dùng 1 cọc bằng thép L60 x 60 x 6 dài 2,5m, nối đất cho mỗi một cột đường dây là đảm bảo an toàn cho cột, xà, sứ làm việc bình thường ngay cả khi có sét tác động. Hình: 7.1: Sơ đồ nối đất III. TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP CỦA TRẠM CẤP NƯỚC: Tiếp đất là để đảm bảo khi có sự cố xảy ra ở vùng điều khiển như: đoản mạch giữa dây và dây trung tính của máy biến áp rất nguy hiểm đối với con Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 83 người và súc vật khi ở gần trạm, do có điện trở rất nhỏ nên dễ dàng tạo điều kiện cho dòng điện đi qua. Khi có sự cố dòng diện sẽ chạy từ dây tiếp địa của các thiết bị điện tới các cực nối đất của trạm biến áp qua môi trường đất. Ở các Thành phố lớn trạm phân phối thường dùng cáp ngầm, lớp bọc cáp có thể tiếp đất trực tiếp và tạo nên một điện trở tiếp đất rất nhỏ, sự có mặt của các mặt kim loại như ống nước dưới lòng đất sẽ hỗ trợ giúp làm giảm điện trở tiếp đất giữa nơi tiêu thụ và trạm biến áp. Ở các vùng nông thôn, Thành phố nhỏ và các nhà máy không lớn thường dùng cáp tải điện trên không. Vì vậy nếu một trong 3 pha có sự cố trạm đất chạy dọc theo mạng dây điện trên không thì người ta thấy không đảm bảo an toàn bởi vì nếu chiều dài quá lớn (hàng chục km) thì điện trở tiếp đất khó đạt thấp được. Do đó người ta đặt tiếp đất ngay tại trạm biến áp để đảm bảo an toàn cho các thiết bị có sự cố và tiếp xúc với trạm. Mặt khác, khi đường dây tải điện phân phối có chiều dài lớn thì cứ mỗi chặng 1,6 km thì có 4 tiếp địa dây trung tính để đảm bảo an toàn. 1. Tiếp đất, điện trở suất của tiếp đất: Tiếp đất là tạo ra các đầu nối các điện cực tiếp đất, thực hiện theo các phương pháp an toàn của ngành điện. Từ đó người thiết kế đưa ra các dự kiến về thông số tiếp đất phù hợp với từng điều kiện địa hình, địa lý có tiếp đất. Trở kháng của một điện cực có kích thước đã cho phụ thuộc vào điện trở suất của đất. Độ dẫn điện của đất cơ bản là độ dẫn điện li trong điều kiện tự nhiên, do vậy nó ảnh hưởng bởi khí hậu, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ muối trong đất. Để điện trở giảm xuống, người ta đào một hố sâu chôn quanh cột tiếp địa với đường kính 1m sâu 0,3m và đổ đầy NaCl vào sau đó tưới nước vài lần để giữ cho hố ẩm liên tục. 2. Cách điện cực tiếp đất: Những nơi có hệ thống cáp ngầm các điểm tiếp đất trên vỏ kim loại bọc cáp, lớp vỏ này sẽ làm việc như điện cực tiếp đất. Ở những nơi không có mạng cáp Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 84 ngầm chạy qua thì phải chọn vật liệu nối đất sao cho có thể chịu được ăn mòn của loại đất nơi đặt điện cực tiếp đất. 3. Dây tiếp đất: Dây tiếp địa cần phải đủ cứng, chịu ăn mòn tốt. Mọi tiếp địa và các dây dẫn liên tục đất phải được chế tạo bằng đồng, sắt, sắt mạ. Các dây tiếp địa nối với nhau theo phương pháp hàn hồ quang. Khoảng cách an toàn giữa dây tiếp đất và người càng lớn càng tốt.Dây trung tính không được dùng là dây nối đất. Tính toán nối đất cho trạm biến áp: Hệ thống nối đất cho trạm biến áp làm việc theo 3 chức năng: • Nối đất làm việc. • Nối đất an toàn. • Nối đất chống sét. Chọn sơ bộ 6 cọc thép góc có kích thước L60x60x6, mỗi cọc dài 2,5m được nối với nhau bằng thanh thép dẹt 40 x40 đặt nằm ngang, tạo thành mạch vòng nối đất xung quanh trạm biến áp. Khoảng cách cọc cách nhau 4m, chôn sâu 0,7m và thanh thép dẹt được hàn chặt với cọc ở độ sâu 0,8m. Điện trở nối đất của một cọc: R1c = 0,0298. ρ (Ω) Trong đó: ρ - điện trở suất của đất. ρ = 0,4.104 Ω/cm Nếu ρ là số liệu đo trong mùa mưa thì phải tìm giá trị ρmax: ρmax = kmax. ρ = 1,5. 0,4.104 = 0,6.104 Ω/cm Với: kmax - hệ số mùa . kmax = 1,5 (PL6.4-TL1) • R1c = 0,0298. 0,6.104 = 17,88 Ω Điện trở khuếch tán của 6 cọc thẳng đứng: Rc = 073.6 88,17 . 1 = c c n R η = 4,08 Ω Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 85 Trong đó: ηc - hệ số sử dụng cọc (PL6.6 - TL1). ηc = 0,73 Điện trở của thanh nối đất nằm ngang: Rt = tb l l . .2lg.36,0 2 maxρ Ω ρmax - điện trở suất của đất, ρmax = 0,6.104 Ω/cm l - chiều dài mạch vòng tạo nên bởi các thanh nối, cm. l = 4.6 = 24m = 2400 cm b) Chiều rộng thanh nối, cm. Thường lấy: b = 40cm. • Rt = 17,48.4 2400.2lg.10.6,0. 2400 36,0 24 = Ω Điện trở của thanh nối đất thực tế cần phải xét đến hệ số sử dụng thanh ηt: Rt = 48,0 17,4= t tR η = 8,68 Ω Với ηt = 0,48 (PL 6.6 - TL1) Số cọc cần phải đóng là: n = 08,4.37,0 88,17 . 1 = cc c R R η = 6 cọc. Vậy thiết bị nối đất đã đạt yêu cầu Cách thực hiện nối đất trạm biến áp của trạm cấp nước: Từ hệ thống tiếp địa làm sẵn 3 đầu nối. Trung tính 0,4 KV nối với đầu số 2 bằng dây thép φ = 10mm Các phần bằng sắt ở trạm như: cổng trạm, vỏ máy biến áp, vỏ tủ phân phối... nối với đầu số 3 bằng thép φ = 10mm. IV. SÉT VÀ THIẾT BỊ CHỐNG SÉT: Sét là sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây tích điện và đất hay giữa các đám mây mang điện tích trái dấu. Các công trình về điện như đường Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 86 dây, các cột vượt sông, vượt đường quốc lộ, đường sắt, các trạm biến áp, trạm phân phối.... là những nơi dễ bị sét đánh. Vì vậy phải có biện pháp bảo vệ chống sét để tránh cho các công trình bị sét đánh trực tiếp. 1. Bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện: Trong vận hành, sự cố cắt điện do sét đánh vào các đường dây tẳi điện trên không chiếm tỷ lệ lớn trong toàn bộ hệ thống điện. Vì vậy, bảo vệ chống sét cho đường dây có tầm quan trọng rất lớn trong việc đảm bảo vận hành an toàn và cung cấp điện liên tục. Để đảm bảo chống sét cho đường dây, tốt nhất là đặt dây chống sét trên toàn bộ tuyến đường dây. Song biện pháp này rất đắt, nên nó chỉ được dùng cho các đường dây 110KV và 220KV cột sắt và cột bê tông cốt sắt. Đường dây điện áp đến 35 KV cột sắt và cột bê tông cốt sắt ít được bảo vệ toàn tuyến. Tuy nhiên, các cột của đường dây này cũng như cột của đường dây 110KV đến 220 KV đều phải nối đất. Trang bị nối đất được tính như ở mục 8 -2. Điện trở nối đất được quy định: Rđ ≤ 10Ω. Để tăng cường khả năng chống sét các đường dây có thể đạt chống sét ống hoặc tăng thêm bát sứ ở những nơi cách điện yếu, những cột vượt cao, chỗ giao chéo với đường dây khác, những đoạn tới chạm. Còn ở những yêu cầu mức an toàn cung cấp điện rất cao tốt nhất là dùng đường dây cáp. Dây chống sét: Tùy theo cách bố trí dây dẫn trên cột có thể treo một hoặc hai dây chống sét. Các dây chống sét được treo trên đường dây tải điện sao cho dây dẫn của cả ba pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của các dây chống sét. 2. Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp: a) Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp: Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các thiết bị điện và các công trình khác đặt trong trạm biến áp thực hiện bằng các cột thu lôi. Cột thu lôi gồm kim lôi Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 87 bằng kim loại đặt trên cột cao hơn vật được bảo vệ để thu sét và dây dẫn sét xuống đất cùng với trang thiết bị nối đất. Khoảng không gian gần cột thu lôi mà vật được bảo vệ đặt trong đó rất ít khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi của cột thu lôi. Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi là hình nón cong cong tròn xoáy có tiết diện ngang là những hình tròn ở độ cao hx, có bán kính Rx. Trị số của bán kính bảo vệ Rx được xác định theo công thức đơn giản sau: - Ở độ cao hx < 2/3h; Rx = 1,5 (1- ph hx ). 8,0 - Ở độ cao hx < 2/3h; Rx = 0,75 (1- ph hx ). Trong đó: Hx - chiều cao của đối tượng được bảo vệ nằm trong vùng bảo vệ của cột thu lôi. p- hệ số, với h 30m thì P = h 5,5 Nếu diện tích của trạm biến áp lớn, người ta phải đặt nhiều trạm thu lôi sao cho cả trạm biến áp nằm trong phạm vi bảo vệ. b) Bảo vệ chống sét từ đường dây truyền vào trạm: Các đường dây trên không dù có được bảo vệ chống sét hay không thì các thiết bị điện có nối với chúng đều phải chịu tác động từ sóng sét truyền từ đường dây đến. Biên độ của quá điện áp khí quyển có thể lớn hơn điện áp cách điện của thiết bị, dẫn đến chọc thủng cách điện, phá hoại thiết bị và mạch điện bị cắt ra. Vì vậy để bảo vệ các thiết bị trong trạm biến áp tránh sóng quá điện áp truyền hạ thấp đường dây vào phải dùng các thiết bị chống sét. Các thiết bị chống sét này sẽ hạ thấp biên độ sóng qua điện áp đến trị số an toàn cho cách điện cần được bảo vệ (cách điện của máy biến áp và các thiết bị khác đặt trong trạm). Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 88 Thiết bị chống sét chủ yếu cho trạm biến áp là chống sét van (CSV) kết hợp với chống sét ống (CSO) và khe hở phóng điện. Khe hở phóng điện là thiết bị chống sét đơn giản nhất gồm hai điện cực, trong đó một điện cực mối với mạch điện còn điện cực kia nối đất. Khi làm việc bình thường khe hở cách li những phần tử mang điện với đất. Khi có sóng quá điện áp chạy trên đường dây, khe hở phóng điện và truyền xuống đất. Ưu điểm của loại thiết bị này là đơn giản, rẻ tiền. Song vì nó không có bộ phận dập hồ quang nên khi nó làm việc bảo vệ rơle có thể sẽ cắt mạch điện. Vì vậy khe hở phóng điện thường chỉ làm bảo vệ phụ (bảo vệ máy biến áp) cũng như làm một bộ phận trong các loại chống sét khác. Chống sét ống gồm 2 khe hở phóng diện S1, S2. Trong đó khe hở phóng điện được đặt trong ống làm bằng vật liệu sinh khí. Khi có sóng quá điện áp S1 và S2 đều phóng điện. Dưới tác dụng của hồ quang, chất sinh khí phát nóng và sản sinh ra nhiều khí làm cho áp suất trong ống tăng tới hàng chục atm và thổi tắt hồ quang. Khả năng dập hồ quang của CSO rất hạn chế, ứng với một trị số dòng điện giới hạn nhất định, nếu dòng điện lớn, hồ quang không bị dập ắt gây ngắn mạch tạm thời làm cho bảo vệ rơle có thể cắt mạch điện. CSO chủ yếu dùng để bảo vệ chống sét cho các đường dây không treo các đường dây chống sét cũng như làm phần tử phụ trong các sơ đồ bảo vệ biến áp. Chống sét van gồm có 2 phần tử chính là khe hở phóng điện và điện trở làm việc. Khe hở làm việc của CSV là một chuỗi các khe hở làm nhiệm vụ như đã xét ở trên. Điện trở làm việc là điện trở phi tuyến có tác dụng hạn chế dòng điện kế tục (dòng ngắn mạch chạm đất) qua CSV khi sóng quá điện áp chọc thủng các khe hở phóng điện. Dòng diện này được duy trì bởi điện áp định mức của mạng điện. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 89 Cần hạn chế dòng điện kế tục để dập tắt hồ quang trong khe hở phóng điện sau khi chống sét van làm việc. Nếu tăng điện trở làm việc sẽ làm cho dòng kế tục giảm xuống. Nhưng cần chú ý là khi sóng quá điện áp tác dụng lên CSV, dòng xung kích có thể đạt tới vài ngàn ampe đi qua điện trở làm việc, tạo nên trên điện trở đó một điện áp xung kích gọi là điện áp dư của CSV. Để bảo vệ cách điện phải giảm điện điện dư, nên cần phải giảm điện trở làm việc. Trị số của điện trở làm việc phải thỏa mãn hai yêu cầu: cần phải có trị số lớn để hạn chế dòng kế tục và lại cần có trị số nhỏ để hạn chế điện áp dư. Chất vilít thỏa mãn được hai yêu cầu này nên nó được chọn làm điện trở của CSV. Điện trở của nó giảm khi tăng điện áp đặt vào và điện trở của nó tăng khi điện áp giảm xuống bằng điện áp của mạng. Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây biến áp đạt được bằng cách đặt CSV và các biện pháp bảo vệ đường dây gần trạm. Đoạn trần trạm từ 1 - 2km được bảo vệ bằng dây chống sét để ngăn ngừa sét đánh trực tiếp vào đường dây. Nhằm hạn chế biên độ sóng sét CSO1 được đặt ở đầu đoạn dây. Nếu đường dây được bảo vệ bằng dây chống sét toàn tuyến thì không cần đặt CSO1. CSO2 dùng để bảo vệ máy cắt khi nó ở vị trí cắt. Với trạm 3 - 10 KV được bảo vệ theo sơ đồ đơn giản hơn, không cần đặt dây chống sé ở gần trạm mà chỉ cần đặt CSO ở cách trạm khoảng 200m, trên thanh góp của trạm hay sát máy biến áp đặt CSV. Để bảo vệ chống quá điện áp cho trạm cần phải phối hợp cách điện của trạm biến áp. Nối đất cho trạm cần đảm bảo quy định sau: • Với trạm có công suất bé (< 100 KVA) điện trở nối đất cho phép là 10Ω • Với trạm có trung tính cách điện, U < 110 KV điện trở nối đất cho phép là 4Ω. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 90 • Với trạm có trung tính trực tiếp nối đất điện áp từ 110KV trở lên thì điện trở nối đất cho phép là 0,5Ω.