D AN HTD Hệ thống thu sét là một bộ phận công trình quan trọng

GVHD: TRẦN ANH NGUY CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện đường dây trạm biến áp thể thống Trong đó, trạm biến áp phần tử quan trọng, thực nhiệm vụ truyền tải phân phối điện Trạm biến áp dễ bị điện áp q điện áp khí (sét đánh trực tiếp), áp cục Trong đó, q điện áp khí sét đánh trực tiếp nguy hiểm gây thiệt hại nghiêm trọng cho cơng trình trạm mà cịn dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn thời gian dài làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống điện Vì vậy, bảo vệ chống sét đánh trực tiếp yêu cầu hàng đầu thiết kế vận hành mạng điện Hệ thống thu sét phận cơng trình quan trọng nhằm bảo vệ phận hệ thống điện đường dây, trạm biến áp khỏi hư hỏng bị sét đánh Đối với đường dây, để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp người ta sử dụng hệ thống dây chống sét Đối với trạm biến áp nhà máy điện người ta sử dụng cột thu lôi Các cột thu lôi đặt độc lập điều kiện cho phép đặt kết cấu trạm nhà máy Yêu cầu hệ thống thu sét phải có điện trở nối đất đủ nhỏ để đảm bảo tản nhanh dòng điện sét xuống đất, tránh tượng phóng ngược dịng điện sét từ thiết bị sang thiết bị khác, từ cột thu sét hay dây chống sét sang cơng trình mang điện đặt lân cận Khi thiết kế bảo vệ chống sét cần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, kinh tế mỹ thuật GVHD: TRẦN ANH NGUY CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các yêu cầu hệ thống chống sét đánh thẳng a) Tất thiết bị bảo vệ cần phải đặt trọn phạm vi an toàn hệ thống bảo vệ Tùy thuộc vào đặc điểm mặt trạm cấp điện áp mà hệ thống cột thu sét đặt độ cao có sẵn trình xà, cột đèn chiếu sáng…, đặt độc lập Khi đặt hệ thống thu sét thân cơng trình, tận dụng độ cao vốn có cơng trình nên giảm độ cao hệ thống thu sét Tuy nhiên điều kiện đặt hệ thống thu sét cơng trình mang điện phải đảm bảo mức cách điện cao trị số điện trở tản phận nối đất bé Đối với trạm biến áp trời từ 110kV trở lên có cách điện cao (khoảng cách thiết bị đủ lớn độ dài chuỗi sứ lớn) nên đặt cột thu sét kết cấu trạm Tuy nhiên, trụ kết cấu có đặt cột thu sét phải nối đất vào hệ thống nối đất trạm Theo đường ngắn cho dòng điện khuếch tán vào đất theo 3-4 cọc nối đất Ngoài trụ kết cấu phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất nhằm đảm bảo điện trở không 4 Khi đặt cách li hệ thống thu sét cơng trình phải có khoảng cách định, khoảng cách qá bé có phóng điện khơng khí đất b) Phần dẫn điện hệ thống thu sét phải có tiết diện đủ lớn để thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt có dịng điện sét qua 2.2 Cách xác định phạm vi bảo vệ hệ thống thu sét 2.2.1 Phạm vi bảo vệ cột thu sét độc lập Phạm vi bảo vệ cột thu sét có độ cao h tính cho độ cao h x hình chóp trịn xoay có đường sinh xác định sau: GVHD: TRẦN ANH NGUY Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ cho cột thu sét Trong đó: + h: chiều cao cột sét + hx: chiều cao cần bảo vệ + h - hx: chiều cao hiệu dụng Trong tính tốn, đường sinh đưa dạng đường gãy khúc abc xác định sau: Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ cột thu sét (đường sinh gấp khúc) GVHD: TRẦN ANH NGUY Trong đó: ab: đường thẳng nối từ đỉnh cột đến điểm mặt đất cách xa chân cột 0.75h bc: đường thẳng nối điểm có độ cao thân cột 0.8h đến điểm mặt đất cách chân cột 1.5h Các công thức để sử dụng cho hệ thống thu sét có độ cao h ≤ 30m Khi 30m < h ≤ 60m ta cần hiệu chỉnh cơng thức theo hệ sô p 2.2.2 Phạm vi bảo vệ hai cột thu sét a Hai cột thu sét có độ cao nhau: Xét cột thu sét có độ cao h1 = h2 = h, cách khoảng a Hình 2.3 Phạm vi bảo vệ hai cột thu sét có độ cao Khi a = 7h vật nằm mặt đất khoảng cách hai cột không bị sét đánh vào Khi a < 7h khoảng cột bảo vệ cho độ cao lớn h xác định sau: h0 = h Phạm vi bảo vệ: - Phần ngoài: giống cột GVHD: TRẦN ANH NGUY - Phần giữa: cung tròn qa điểm 1,2,3 (điểm điểm đặt cột giả tưởng có độ cao h0 Tính tốn phạm vi bảo vệ: - Bán kính bảo vệ cột: rx1 = rx2 = rx - Bán kính bảo vệ cột: r0x - Độ cao lớn bảo vệ cột: h0 = h Nếu: Thì: Nếu: Thì: - Các cơng thức áp dụng hệ thống chống sét có độ cao nhỏ 30m Nếu hệ thống chống sét có độ cao lớn 30m cơng thức cần hiệu chỉnh theo hệ số p b Hai cột thu sét có độ cao khác Xét cột thu sét có độ cao h h2, cách khoảng a bố trí hình vẽ: Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ cột có độ cao khác Xác định phạm vi bảo vệ: + Phần ngoài: giống cột + Phần trong: từ đỉnh cột h dóng đường thẳng nằm ngang cắt phạm vi bảo vệ cột h2 3’, với 3’ vị trí đặt cột giả tưởng có độ cao h1 GVHD: TRẦN ANH NGUY + Phần giữa: giống hai cột có độ cao h1 (, x: bán kính bảo vệ cột cao h2 cho cột giả tưởng Tính tốn phạm vi bảo vệ: + Tính bán kính bảo vệ cột: rx1, rx2 + Tính bán kính bảo vệ cột: rox + Khoảng cách cột thấp cột giả tưởng 3: + Độ cao lớn bảo vệ cột 3: h01-3 = h1 - 2.2.3 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu sét a Phạm vi bảo vệ cho cột thu sét Phạm vi bảo vệ cho cột thu sét có độ cao h = h2 = h3 = h bảo vệ cho độ hx minh họa hình vẽ sau: Hình 2.5 Bán kính bảo vệ cột có độ cao Đó phần diện tích nằm đường bao mà đường trịn tạo Trong đó: rx1 = rx2 = rx3 = rx : bán kính bảo vệ cột rox1-2 = rox2-3 = rox1-3 : bán kính bảo vệ chung cột 1-2, 2-3, 1-3 b Phạm vi bảo vệ cho cột thu sét GVHD: TRẦN ANH NGUY Phạm vi bảo vệ cho cột thu sét có độ cao h = h2 = h3 = h4 = h bảo vệ cho độ hx minh họa hình vẽ sau: Hình 2.6 Phạm vi bảo vệ bốn cột thu sét có độ cao Phạm vi bảo vệ phần diện tích cơng trình nằm đường bao ngồi hình vẽ Với: rx1 = rx2 = rx3 = rx4 = rx rox1-2 = rox3-4: bán kính bảo vệ chung cột 1-2, 3-4 rox1-4 = rox2-3: bán kính bảo vệ chung cột 1-4, 2-3 Chú ý: Điều kiện để cơng trình nằm miền giới hạn cột thu sét bảo vệ an toàn là: D ≤ 8.(h-hx) Với D: đường tròn ngoại tiếp phần mặt có dạng hình tam giác, chữ nhật; h: chiều cao cột thu sét; hx: chiều cao cần bảo vệ CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110 kV 3.1 Trạm biến áp cần bảo vệ - Trạm biến áp 220/110 kV: Tổng diện tích 47.600 m2 GVHD: TRẦN ANH NGUY - Phía 220 kV: có lộ đường dây, sử dụng sơ đồ góp có góp vịng, cấp điện từ máy biến áp T3 T4 - Phía 110 kV: có lộ đường dây, sử dụng sơ đồ góp có góp vòng, cấp điện từ máy biến áp T1 T2 - Trạm 220 kV có điện tích: 28.000m2 Độ cao xà cần bảo vệ 16m - Trạm 110 kV có diện tích: 16.800m2 Độ cao xà cần bảo vệ 11m 3.2 Tính tốn bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 3.2.1 Tính tốn chiều cao bảo vệ cho trạm biến áp - Phía 220 kV: Dùng 12 cột 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 Trong đó, cột 13 xây thêm, cột 10 đặt nhà điều hành cao 16m - Phía 110 kV: Dùng cột 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, Trong đó, cột xây thêm - Vậy chiều cao tính bảo vệ cho trạm: + 220 kV hx = 16m + 110 kV hx = 11m 3.2.2 Tính tốn độ cao hữu ích cột thu lơi - Để bảo vệ diện tích giới hạn tam giác, tứ giác độ cao cột thu lôi phải thỏa mãn: D ≤ 8.ha hay ≥ Trong đó: độ cao hữu ích cột thu lơi D đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác tứ giác - Phạm vi bảo vệ hai hay nhiều cột lớn phạm vi bảo vệ cột Điều kiện để hai cột thu lôi phối hợp với a ≤ 7.h (Trong đó: a khoảng cách cột thu sét, h chiều cao tồn cột thu sét) - Xét nhóm cột 1-2-5-4 hình chữ nhật: a12 = 50m, a25 = 40m Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật có đường chéo: GVHD: TRẦN ANH NGUY GVHD: TRẦN ANH NGUY Vậy độ cao hữu ích cột thu lơi: ≥ - Xét nhóm cột 9-14-18 tạo thành hình tam giác: Áp dụng cơng thức Pitago: Nửa chu vi tam giác là: Đường kính vịng trịn ngoại tiếp tam giác là: Vậy độ cao hữu ích cột thu lơi là:  Tính tốn tương tự cho đa giác cịn lại, kết trình bày bảng sau: Đa Giác 10-11-15-14 11-12-16-15 12-13-17-16 14-15-19-18 15-16-20-19 16-17-21-20 1-2-5-4 2-3-6-5 5-6-9-8 4-5-8-7 9-14-18 6-14-18 6-10-14 3-10-14 Đường kính đường trịn ngoại tiếp (m) Phía 220 kV 78,102 78,102 78,102 78,102 78,102 78,102 Phía 110 kV 64,031 64,031 64,031 64,031 Phía 220/110 kV 50 53,852 53,852 50 (m) 9,763 9,763 9,763 9,763 9,763 9,763 8,004 8,004 8,004 8,004 6,25 6,732 6,732 6,25 10 GVHD: TRẦN ANH NGUY Trong đó: L chu vi mạch vịng: L = (l1+l2).2 = (339+139).2 = 956 (m) Theo sơ đồ ta có: t: độ chơn sâu làm mạch vịng, lấy t=0,8 m : điện trở suất tính tốn đất làm mạch vịng chơn độ sâu t Tra bảng với ngang chôn sâu 0,8m ta có kmùa=1,6  d: đường kính làm mạch vịng (nếu dẹt có bề rộng b d=b/2) Ta chọn có bề rộng b = (cm) đó: d = b/2 = 4/2 = (cm) = 0,02 (m) K: hệ số phụ thuộc hình dáng hệ thống nối đất, hệ số K phụ thuộc vào (l1/l2): l1/l2 K 5,53 5,81 6,42 8,17 Ta có: Ta dùng phương pháp loại suy được: K = 6,078 Thay công thức vào cơng thức tính RMV ta được: 10,40 Vậy điện trở nối đất hệ thống là:  Hệ thống thiết kế nối đất đảm bảo nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110 kV 4.4.2 Nối đất chống sét - Trong thiết kế nối đất chống sét cho trạm biến áp 220/110kV cho phép nối đất chống sét nối chung với hệ thống nối đất an toàn Do nối đất chống sét nối đất phân bố dài dạng mạch vịng Do sơ đồ thay hình 2-1 - Tính L0: Trong đó: l chiều dài điện cực r: bán kính điện cực - Tính G0: Trong đó: 21 GVHD: TRẦN ANH NGUY kmùa at = 1,6 kmùa set = 1,25 - Tính phân bố điện áp tổng trở xung kích hệ thống nối đất - Trong thiết kế tính tốn ta chọn dạng sóng xiên góc dịng điện sét có biên độ khơng đổi - Phương trình sóng có dạng sau thể hình 4-2: Hình 4-2: Đồ thị dạng sóng dịng điện sét Với biên độ dòng điện sét 150kA Độ dốc dòng điện sét a = 30 kA/µs Nên thời gian đầu sóng Vậy ta có tổng trở xung kích hệ thống nối đất nhân tạo là: Do coi mạch vòng ghép song song hai tia trên: Để xác định , ta xét chuỗi sau: Chuỗi số: 22 GVHD: TRẦN ANH NGUY - Trong chuỗi số ta xét đến số hạng chứa e -4 Từ số hạng e-5 trở có giá trị nhỏ so với số hạng trước nên ta bỏ qua) Tức ta tính đến k cho: Ta có: Ta chọn k khoảng từ 1ữ12 k Tk(às) k 1,000 0,250 0,111 0,062 0,040 0,028 150,12 37,53 16,68 9,383 6,005 4,17 0,033 0,133 0,3 0,533 0,833 1,2 0,967 0,875 0,741 0,587 0,435 0,301 0,967 0,219 0,082 0,037 0,017 0,008 10 11 12 0,02 0,016 0,012 0,01 0,008 0,007 23 GVHD: TRẦN ANH NGUY Tk(µs) 3,064 2,346 1,853 1,501 1,241 1,043 1,632 2,132 2,698 3,33 4,03 4,796 0,196 0,119 0,067 0,036 0,018 0,008 0,004 0,002 0,001 0,000 0,000 0,000 24 GVHD: TRẦN ANH NGUY Từ bảng ta có: 1,56 Vậy: - Kiểm tra điện áp thiết bị: Trong trạm biến áp phần tử quan trọng máy biến áp, phần tử yếu nên ta cần kiểm tra với máy biến áp Đối với trạm biến áp có dịng điện sét vào nối đất để đảm bảo an tồn phải thỏa mãn điều kiện: Trong đó: I biên độ dịng sét tổng trở xung kích đầu vào nối đất dòng điện sét điện áp 50% máy biến áp Đối với MBA 110kV Đối với MBA 220kV  Lấy Kiểm tra điều kiện ta thấy:  Ta thấy phải tiến hành nối đất bổ sung để đảm bảo khơng có phóng điện ngược 4.4.3 Nối đất bổ sung 25 GVHD: TRẦN ANH NGUY - Để giảm điện trở nối đất đồng thời đảm bảo tiêu chuẩn theo yêu cầu nối đất chống sét ta chọn phương án đóng cọc bổ sung tạo thành mạch vịng  Tính điện trở thanh: Sử dụng loại thép dẹt có chiều dài L bề rộng 0,04m chơn sâu 0,8m ( mạch vịng nối đất hình chữ nhật nối đất nhân tạo) Trong đó:  Tính điện trở cọc: Đối với cọc trịn điện trở tản tính theo cơng thức Trong đó: l chiều dài cọc l = 3m d đường kính cọc d = 0,06m điện trở suất đất, cọc ta có Ta lấy Kmc=1,15 Vậy: t’ độ chôn sâu cọc: Thay vào công thức ta có: 26 GVHD: TRẦN ANH NGUY Hình 4-3: Sơ đồ đóng cọc bổ sung  Tính điện trở hệ thống sau đóng cọc Sau tính Rt Rc ta tính điện trở nối đất nhân tạo hệ thống vịng – cọc: Trong đó: điện trở cọc điện trở mạch vòng hệ số sử dụng cọc hệ số sử dụng mạch vòng n số cọc hệ thống - Trong công thức - ta biết Rc Rt ta phải tìm Rnt đạt giá trị nhỏ đảm bảo sau tính tốn nối đất chống sét mà đảo bảo tiêu chuẩn nối đất chống sét Rc Rt phụ thuộc vào số cọc ta xét: - Vậy ta xét theo tỷ số với thông số: Số cọc Số cọc Số cọc 27 GVHD: TRẦN ANH NGUY Số cọc: n1 = 322 cọc t = 0,19 c = 0,35 n2 = 160 cọc t = 0,24 c = 0,52 n3 = 107 cọc t = 0,33 c = 0,62 Để an toàn ta sử dụng trường hợp có điện trở R nt nhỏ Sử dụng trường hợp có = số cọc 322 (cọc) Ta có: Điện trở đất hệ thống sau đóng thêm cọc: Ta tiến hành kiểm tra điều kiện chống sét hệ thống nối đất trên: - Tính L0: - Tính G0: Trong đó: Ta chn k khong t 1ữ15 k Tk(às) 0,111 1,000 0,250 0,062 0,040 0,028 0,02 248,7 62,175 27,606 15,42 9,948 6,964 4,974 0,02 0,08 0,503 0,718 1,005 0,181 0,324 28 GVHD: TRẦN ANH NGUY k Tk(µs) 0,98 0,923 0,834 0,723 0,605 0,488 0,366 0,98 0,231 0,093 0,045 0,024 0,014 0,007 0,016 0,012 3,979 10 11 12 13 14 15 0,01 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 2,984 2,487 1,99 1,74 1,492 1,244 0,995 1,257 1,675 2,01 2,513 2,872 3,351 4,021 5,026 0,285 0,187 0,134 0,081 0,057 0,035 0,018 0,007 0,005 0,002 0,001 0,001 0 0 Từ bảng ta có: 1,56 Vậy:  Ta thấy phải tiến hành nối đất bổ sung để đảm bảo khơng có phóng điện ngược - Trong nối đất bổ sung ta sử dụng dạng nối đất tập trung gồm nhiều cọc chân cột thu sét chân thiết bị 29 GVHD: TRẦN ANH NGUY - Chọn nối đất bổ sung loại thép dẹt có: chiều dài l = 12 m, bề rộng b = 0,04 m - Dọc theo chiều dài có chơn cọc trịn có: chiều dài l = m, đường kính d = 0,04 m - Khoảng cách cọc a = m, độ chôn sâu t = 0,8m - Điện trở nối đất là: Trong đó: K = l = 12m, t = 0,8m, d = b/2 = 0,04/2 = 0,02 (m) - Tính điện trở cọc: Trong đó: l chiều dài cọc l = 3m d đường kính cọc d = 0,04m t’ độ chôn sâu cọc: 30 GVHD: TRẦN ANH NGUY Hình 4-4: Sơ đồ đóng cọc bổ sung Thay vào cơng thức ta có: Điện trở nối đất bổ xung xác định theo công thức: Tra bảng ta được: ; Với: n = 3; - Tính tổng trở xung kích hệ thống nối đất có nối đất bổ sung: - Như ta có sơ đồ thay hệ thống nối đất gồm điện cảm điện dẫn Nhờ phép biến đổi Laplace ta tìm giá trị tổng trở sóng đầu vào hệ thống nối đất bổ sung Đặt: 31 GVHD: TRẦN ANH NGUY Đối với chuỗi B ta tính tới e-4 hay: Giá trị xK xác định theo: Vậy nghiệm phương trình: tgxK = -0,034xK Giải phương trình Matlap sau: 32 GVHD: TRẦN ANH NGUY Nghiệm phương trình y = -0,034.xK đường cong y = tgxK cho bảng: K 3,040 6,085 9,125 12,52 15,22 18,26 21,33 0 -0,995 0,98 -0,995 0,999 -0,883 0,831 -0,792 1,010 1,040 1,096 1,002 1,282 1,447 1,593 33 GVHD: TRẦN ANH NGUY 1,044 1,074 1,129 1,036 1,315 1,481 1,626 0,986 0,947 0,885 0,794 0,711 0,612 0,512 BK 0,378 0,362 0,321 0,314 0,222 0,170 0,129 K 10 11 12 13 14 24,42 27,51 30,60 33,71 36,78 39,90 43,00 0 5 0 0,760 -0,722 0,685 -0,666 0,610 -0,589 0,555 1,732 1,191 2,130 2.257 2,683 2,880 3,246 1,766 1,953 2,163 2,219 2,717 2,914 3,279 0,416 0,328 0,252 0,188 0,137 0,096 0,066 0,097 0,069 0,048 0,034 0,021 0,014 0,008 BK Vậy: Kiểm tra yêu cầu nối đất chống sét:  Vậy thỏa mãn điều kiện nối đất chống sét 34 GVHD: TRẦN ANH NGUY CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Qua tháng thực đề tài đồ án Hệ Thống Điện giúp đỡ tận tình Th.S Trần Anh Nguyện thầy cô môn Kỹ Thuật Điện, cố gắng thân kiến thức sau năm học trường, đến em hồn thành đồ án “ Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110kV” Trong trình nghiên cứu em thực vấn đề sau:  Sự ảnh hưởng dông sét đến hệ thống điện  Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm biến áp  Thiết kế hệ thống nối đất Tuy nhiên, nhiều hạn chế kiến thức thân hiểu biết thực tế cịn nhiều hạn chế Vì vậy, đồ án cịn nhiều thiếu sót có hạn chế định nên em mong thầy bạn đóng góp ý kiến để đồ án hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! 35