TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 220/110kV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 220/110kV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 220/110kV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 220/110kV
HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN
Hiện tượng dông sét
Dông sét là hiện tượng tự nhiên xảy ra khi có sự phóng tia lửa điện giữa các điện cực, thường cách nhau khoảng 5km Hiện tượng này bao gồm hai loại chính: phóng điện giữa các đám mây tích điện và phóng điện giữa đám mây tích điện với mặt đất Bài viết này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu phóng điện giữa đám mây tích điện và mặt đất.
Hiện tượng phóng điện có tác động trực tiếp đến hệ thống điện, khi các đám mây tích điện với mật độ cao tạo ra cường độ điện trường lớn Điều này dẫn đến sự hình thành dòng điện phát triển hướng về mặt đất, giai đoạn này được gọi là phóng điện tiên đạo.
Tia tiên đạo trong lần phóng điện đầu tiên có tốc độ di chuyển trung bình khoảng 1,5 x 10^7 cm/s, và tốc độ này tăng lên khoảng 2 x 10^8 cm/s trong các lần phóng điện tiếp theo Trong một đợt sét, có thể xảy ra nhiều lần phóng điện liên tiếp do sự hình thành nhiều trung tâm điện tích trong cùng một đám mây, và chúng sẽ lần lượt phóng điện xuống đất Tia tiên đạo là môi trường plasma với điện tích rất lớn, đầu tia được kết nối với một trong các trung tâm điện tích của đám mây, cho phép một phần điện tích từ trung tâm này đi vào tia tiên đạo.
Phần điện tích được phân bố đều dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất Dưới tác động của điện trường từ tia tiên đạo, điện tích khác dấu sẽ tập trung trên mặt đất, với vị trí tập kết phụ thuộc vào khả năng dẫn điện của đất Nếu vùng đất có tính dẫn điện đồng nhất, điểm tập trung này sẽ nằm ngay dưới đầu tia tiên đạo.
Khi vùng đất có điện dẫn không đồng nhất, điện tích sẽ tập trung tại các khu vực có điện dẫn cao, dẫn đến việc phóng điện phát triển theo đường sức nối giữa đầu tia tiên đạo và nơi tập trung điện tích trên mặt đất Để định hướng cho các phóng điện sét, cần tạo ra khu vực có mật độ điện tích lớn, từ đó bảo vệ các công trình khỏi sét đánh trực tiếp Tốc độ phát triển của phóng điện ngược và mật độ điện trường của điện tích trong tia tiên đạo có thể được mô tả bằng công thức is = , áp dụng cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt Dòng điện sét có biên độ và độ dốc phân bố rộng, từ vài kA đến vài trăm kA, với dạng sóng xung kích Khi sét đánh vào thiết bị phân phối trong trạm, có thể gây ra quá điện áp khí quyển, dẫn đến các hậu quả nghiêm trọng như ngắn mạch, cháy nổ và mất điện trên diện rộng.
Để đảm bảo độ tin cậy và an toàn trong cung cấp điện, việc tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho hệ thống điện là rất cần thiết Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét mạnh, đặc biệt là ở miền Bắc, nơi có từ 70 đến 110 ngày dông mỗi năm, với 150 đến 300 lần dông Móng Cái là khu vực có số lần dông cao nhất, với khoảng 250 đến 300 lần trong 100 đến 110 ngày, chủ yếu vào tháng 7 và tháng 8 Một số vùng địa hình thuận lợi cũng ghi nhận tới 200 lần dông và 100 ngày dông mỗi năm, trong khi Quảng Bình là nơi ít dông nhất với dưới 80 ngày dông hàng năm Mùa dông ở Bắc Bộ thường diễn ra từ tháng 5 đến tháng 9, cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các vùng.
Khu vực phía Bắc, đặc biệt là đến Quảng Ngãi, có lượng dông tương đối cao trong tháng 4, với khoảng 10 ngày dông mỗi tháng từ tháng 5 đến tháng 8 Tháng 5 là tháng có số ngày dông nhiều nhất, ghi nhận từ 12 đến 15 ngày, trong đó Đà Nẵng có 14 ngày và Bồng Sơn có 16 ngày.
10) dông còn ít, mỗi tháng chỉ gặp từ 25 ngày dông Phía Nam duyên hải Trung
Khu vực từ Bình Định trở vào là nơi có ít dông nhất, với khoảng 10 ngày dông mỗi tháng vào tháng 5, như Tuy Hòa 10 ngày, Nha Trang 8 ngày và Phan Thiết 13 ngày Trong khi đó, miền Nam, đặc biệt là đồng bằng Nam Bộ, có số ngày dông nhiều hơn, từ 120 đến 140 ngày mỗi năm, với thành phố Hồ Chí Minh ghi nhận 138 ngày và Hà Tiên 129 ngày Mùa dông ở miền Nam cũng kéo dài hơn so với miền Trung.
Từ tháng 4 đến tháng 11, miền Bắc Việt Nam trải qua 4 tháng dông, với trung bình khoảng 15 ngày dông có thể quan sát được, ngoại trừ tháng 4 và tháng 11 là những tháng đầu và cuối mùa.
20 ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dông nhất trung bình gặp trên 20 ngày/tháng như ở thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày…
Số ngày dông trên các tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem Bảng 1.1
Bảng 1.1: Thông số về các ngày dông sét ở các khu vực
Khu vực ven biển miền Bắc
Khu vực trung du miền Bắc
Khu vực cao nguyên miền Trung
Khu vực ven biển miền Trung
Khu vực ven biển miền
Việt Nam chịu nhiều ảnh hưởng từ dông sét, điều này gây bất lợi cho hệ thống điện quốc gia Do đó, ngành điện cần đầu tư vào các thiết bị chống sét để bảo vệ hệ thống Hơn nữa, các nhà thiết kế cần chú trọng trong việc tính toán và thiết kế các công trình điện nhằm đảm bảo hoạt động kinh tế, hiệu quả, cũng như cung cấp điện liên tục và tin cậy.
Ảnh hưởng của dông sét tới hệ thống điện
Dòng sét có thể đạt biên độ hàng trăm kA, tạo ra nhiệt lượng lớn khi đi qua vật liệu Nhiều trường hợp dây tiếp địa bị nóng chảy do kết nối kém, và cách điện bằng sứ bị vỡ khi chịu tác động của dòng sét Phóng điện sét còn mang theo lượng điện tích lớn, tạo ra điện từ trường mạnh, gây nhiễu loạn cho thiết bị điện tử và ảnh hưởng ở khoảng cách xa hàng trăm km Khi sét đánh vào đường dây hoặc gần mặt đất, sóng điện từ sẽ truyền dọc theo đường dây, gây quá điện áp làm hỏng cách điện, dẫn đến ngắn mạch và yêu cầu thiết bị bảo vệ hoạt động Đối với các đường dây truyền tải công suất lớn, sự cố có thể gây mất ổn định hệ thống và rã lưới nếu không được xử lý kịp thời Sét cũng có thể gây phóng điện tại trạm biến áp, tương đương với ngắn mạch trên thanh góp, gây ra sự cố nghiêm trọng Nếu chống sét van không hoạt động hiệu quả, cách điện của máy biến áp có thể bị chọc thủng, gây thiệt hại lớn Tại Việt Nam, các thiết bị ghi sét và bộ ghi tổng hợp đã được lắp đặt trên các đường dây tải điện trong nhiều năm.
5 liên tục, kết quả thu thập tình hình sự cố lưới điện 220kV miền Bắc từ năm 1987-
2009 được cho trong bảng sau:
Bảng 1.2: Tình hình sự cố lưới điện 220kV miền Bắc từ năm 1987-2009
Dưới 220 kV ĐDK Phả Lại-Hà Đông
Tổng số Vĩnh cửu Tổng số Vĩnh cửu Do sét
Trong tổng số sự cố vĩnh cửu của đường dây 220kV Phả Lại-Hà Đông, nguyên nhân do sét chiếm tới 72% với 8/11 sự cố Đường dây này là một phần quan trọng của lưới điện miền Bắc, do đó, kết quả này phản ánh tình trạng chung của sự cố lưới điện trong khu vực Điều này cho thấy sự cố do sét gây ra là rất lớn, trở thành mối nguy hiểm hàng đầu đe dọa hoạt động của lưới điện.
Vấn đề chống sét
Nghiên cứu về tình hình dông sét tại Việt Nam cho thấy ảnh hưởng của hiện tượng này đối với hoạt động của lưới điện Do đó, việc tính toán và thiết kế hệ thống chống sét cho lưới điện và trạm biến áp là cần thiết nhằm nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện.
VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM
Đặc điểm về kết cấu cột thu lôi
Trong các điều kiện cho phép, việc tận dụng độ cao của các công trình trong trạm để làm giá đỡ cho cột thu lôi là rất hiệu quả Đối với các trạm biến áp 110 kV trở lên, cột thu lôi thường được đặt trên các xà, và để kết nối với hệ thống nối đất, có thể sử dụng xà sắt hoặc cốt sắt bên trong cột bê tông cốt sắt Đối với cột thu lôi độc lập, cần có các biện pháp lắp đặt phù hợp.
Đối với cột thu lôi có độ cao h không quá 20 m, nên sử dụng các ống kim loại ghép lại Nếu độ cao h lớn hơn 20 m, cần áp dụng kết cấu kim loại kiểu mạng để làm giá đỡ cho bộ phận thu sét Tuy nhiên, giải pháp kinh tế nhất là sử dụng cột thu lôi với giá đỡ bằng gỗ nếu độ cao h không vượt quá 20 m, trong khi giá đỡ bằng cột bê tông cốt thép là lựa chọn thích hợp hơn cho các cột cao hơn.
Khi cột thu lôi cao hơn 20m, nên sử dụng cốt thép của cột để dẫn dòng điện sét từ phần thu sét đến hệ thống nối đất.
Khi sử dụng giá đỡ bằng gỗ, cần thiết phải lắp đặt dây dẫn riêng theo chiều dọc của giá đỡ Cột thu lôi được thiết kế để hoạt động trong trạng thái tự do và không nên hoạt động khi bị căng.
Khi lựa chọn tiết diện cho các phần tử của cột thu lôi, cần dựa trên sự phát nóng của chúng và có thể bỏ qua sự tản nhiệt ra môi trường xung quanh trong tính toán Dưới đây là kích thước tiêu chuẩn của một số loại kim thu sét.
Chiều cao có ích ha (mm) Đường kính nhỏ nhất (mm)
Bảng 2.3 Chiều cao có ích ha
(mm) Đường kính nhỏ nhất (mm)
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét
2.2.1: Phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu sét a,Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét cao h đối với độ cao hx được mô tả bằng hình chóp tròn xoay, với đường sinh được xác định là rx = 1,6.
Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ cho một cột thu sét
- h : chiều cao cột thu sét
- hx : chiều cao cần được bảo vệ
- h – hx :chiều cao hiệu dụng
Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc abc được xác định như sau:
Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (đường sinh gấp khúc) Trong đó:
- ab: đường thẳng nối từ đỉnh cột đến điểm trên mặt đất cách xa chân cột một khoảng là 0,75h
- bc: là đường thẳng nối 1 điểm có độ cao trên thân cột là 0,8h đến 1 điểm trên mặt đất cách chận cột là 1,5h
Các công thức chỉ để sử dụng cho HTTS có độ cao h < 30m Khi h30m ta cần hiệu chỉnh các công thức đó theo hệ số p = 5,5
√h b, Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau
Xét 2 cột thu sét có độ cao bằng nhau h1 = h2 = h, cách nhau 1 khoảng a
Hình 2.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau
- Khi a = 7h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa 2 cột không bị sét đánh vào
- Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h0 được xác định như sau: h0 = h - a/7
- Phần ngoài: giống như của từng cột
- Phần giữa: cung tròn đi qua 3 điểm 1,2,3 (điểm 3 là điểm đặt cột giả tưởng có độ cao h0
Tính toán phạm vi bảo vệ:
- Bán kính bảo vệ của từng cột: rx1 = rx2 = rx
- Bán kính bảo vệ giữa hai cột: r0x
- Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa hai cột: h0 = h - a/7
Các công thức trên được áp dụng khi hệ thống chống sét có độ cao nhỏ hơn
Nếu hệ thống chống sét có chiều cao từ 30m trở lên, các công thức tính toán cần được điều chỉnh theo hệ số p đã đề cập ở mục a Đồng thời, phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét với chiều cao khác nhau cũng cần được xem xét.
Xét 2 cột thu sét có độ cao là h1 và h2, cách nhau 1 khoảng a được bố trí như hình vẽ:
Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột có độ cao khác nhau
- Phần ngoài: giống như của từng cột
Phần trong của cấu trúc thiết kế được xác định bởi đường thẳng nằm ngang cắt qua phạm vi bảo vệ của cột h2 tại vị trí 3’, trong đó 3’ biểu thị vị trí của cột giả tưởng có độ cao h1.
- Phần giữa: giống như của hai cột có độ cùng độ cao h1
(O1O3' = a' = O1O2 − O3' O2 = a − x) - x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giả tưởng h1'
Tính toán phạm vi bảo vệ:
- Tính bán kính bảo vệ từng cột rx1, rx2
- Tính bán kính bảo vệ giữa hai cột rox
- Khoảng cách giữa cột thấp và cột giả tưởng 3 a' = a – x ( trong đó x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giả tưởng có độ cao h1)
- Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1, 3’: h01 - 3' =h1 - a′
7 d, Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét
+) Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét:
Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét có độ cao h1 = h2 = h3 = h cùng bảo vệ cho độ cao hx được minh họa như hình vẽ dưới đây
Hình 2.5 Bán kính bảo vệ của 3 cột có độ cao bằng nhau Đó là phần diện tích nằm trong đường bao mà các đường tròn tạo ra
- rx1 = rx2 = rx3 = rx: bán kính bảo vệ của từng cột
- rox1-2 = r0x1-3 = r0x3-2: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 2-3, 3-1
+) Phạm vi bảo vệ cho 4 cột thu sét:
Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét có độ cao h1 = h2 = h3 = h4 = h cùng bảo vệ cho độ cao hx được minh họa như hình vẽ dưới đây
Hình 2.6 Phạm vi bảo vệ của bốn cột thu sét có độ cao bằng nhau
Phạm vi bảo vệ là phần diện tích công trình nằm trong đường bao ngoài cùng của hình vẽ
Bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2 và 3-4 được xác định là rx1 = rx2 = rx3 = rx4 = rx và rox1-2 = r0x3-4 Tương tự, bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-4 và 2-3 là rox1-4 = r0x2-3 Để đảm bảo công trình nằm trong miền giới hạn bảo vệ an toàn của các cột thu sét, điều kiện cần thiết là D ≤ 8.(h - hx).
D là đường tròn ngoại tiếp phần mặt bằng có dạng hình tam giác,chữ nhật; h: chiều cao cột thu sét; hx: chiều cao cần bảo vệ
2.2.2,Phạm vi bảo vệ của dây chống sét
Phạm vi bảo vệ cả dây chống sét được thể hiện như hình vẽ:
Hình 2.7 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét
3.Các phương án cột thu sét cho sơ đồ trạm theo yêu cầu
- Trạm biến áp 220/110kV có kích thước 172,5 x 120,5 (m)
- Các xà phía 110 kV cao 8m và 11m
- Các xà phía 220 kV cao 11m và 17m
- Ta chia trạm thành hai phần:
+ Khu vực chứa các xà phía 220kV có độ cao cần bảo vệ là hx = 17m và hx 11m
+ Khu vực chứa các xà phía 110kV và giữa 2 khu vực có độ cao cần bảo vệ là hx = 11m và hx = 8m
+ Bước 1: Chọn vị trí đặt cột thu lôi
+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng lớn nhất của từng phía ha max.
+ Bước 3: Tính chiều cao của cột thu lôi các phía: h = hx + ha max
+ Bước 4: Tính và vẽ phạm vi bảo vệ và kiểm tra
- Ta xét hai phương án như sau:
Phương án 1
+ Bước 1: Ta bố trí 34 cột thu lôi ở các vị trí như hình vẽ sau:
Phía 220kV bố trí 19 cột, trong đó có 9 cột trên xà đón dây cao 17m (số 1 đến 5, số 16 đến 19), 10 cột trên xà thanh góp cao 11m (số 6 đến 15)
Phía 110kV bố trí 15 cột, trong đó có 6 cột trên xà đón dây cao 11 m (số
29 đến 34), 9 cột trên xà thanh góp cao 8 m (số 20 đến 28)
Hình 2.8: Bố trí các cột thu lôi của phương án 1 + Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:
Do các cột thu lôi tạo thành lưới cột, chúng ta sẽ phân chia lưới này thành các nhóm đa giác đỉnh Sau đó, cần tính toán độ cao hiệu dụng \( h_a \) của từng nhóm cột theo điều kiện \( a \cdot 8h \geq D \).
Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh
Ta chia 15 cột thành 8 hình chữ nhật
Xét nhóm cột (1-2-7-6) là hình chữ nhật với kích thước:
- Chiều rộng cạnh 2-7: b = 16m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:
D = a 2 + b 2 = 34 2 + 16 2 = 37,577( ) m Độ cao tối thiểu của các cột trên là:
Xét nhóm cột (12-13-16) là hình tam giác có kích thước:
+ Nửa chu vi tam giác trên là: p = 44,806 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là:
− − − Độ cao hiệu dụng của nhóm cột là: 2 2 35,183 4, 392( )
8 8 a h D = = m Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:
Bảng 2.4 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 1
Tên đa giác a( m) b(m) c(m) P( m) D(m) ha(m) ha, max 12-13-16 27,784 34,000 27,827 44,806 35,138 4,392
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là: h a m − ax = 6, 010( ) m
Chiều cao tối đa cần bảo vệ ở phía 220kV là 17 m, do đó chiều cao của các cột thu lôi được tính theo công thức h = h x h a m − ax 6, 010 + #, 010( )m Để thuận tiện cho thi công và tăng cường an toàn bảo vệ thiết bị, cột được nâng lên tới 24 m.
Ta chia 15 cột phía 110kV thành 6 hình chữ nhật và kết hợp với phía 220kV ta chia thành 9 hình tam giác
Xét nhóm cột (20-21-23-24) là hình chữ nhật có kích thước:
+ Chiều rộng: b = 16 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là:
D 1 = a 2 + b 2 = 20 2 + 16 2 = 25, 612( ) m Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột là:
Xét nhóm cột (11-20-21) là hình tam giác có kích thước:
+ Cạnh 11-20: a = 27,373m + Cạnh 20-21: b = 20 m + Cạnh 11-21: c = 36,459 m + Nửa chu vi tam giác trên là: p = 41,916 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là:
− − − Độ cao hiệu dụng của nhóm cột là: 2 2 36, 962 4, 620( )
Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:
Bảng 2.5 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1
Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m ha, max
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là: h a − max = 4,831( ) m
Chiều cao tối đa cần bảo vệ cho hệ thống điện 110kV là 11m, do đó chiều cao của các nhóm cột thu sét được tính toán là 15,831m Để đảm bảo thuận tiện trong thi công và tăng cường độ an toàn cho thiết bị, chiều cao cột được nâng lên tới 16m.
+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi
Chúng tôi chỉ xem xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo đa giác đỉnh, vì diện tích bên trong đã được bảo vệ Do chiều cao của các cột thu lôi đều nhỏ hơn 30m, nên trong công thức tính toán, không cần thiết phải nhân với hệ số hiệu chỉnh p.
Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi:
- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 24 m
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 17 m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là:
-Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 16 m:
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11 m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8m là:
Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên:
+ Xét cặp cột (1-2) có cùng độ cao 24m và đặt cách nhau một khoảng là a 34m
Do a = 34 7 h 28 = 7 24 168( ) = m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 17m và hx = 11m là:
+ Xét cặp cột (20-23) có độ cao 16m và đặt cách nhau một khoảng là a = 16 m
Do a = 16 m < 7×16 = 112 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là: h 01 2 − = h -
7 = = 13,714 (m) Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 11m và h x = 8m là:
+ Xét cặp cột (11-20) có độ cao 24m và 16m và đặt cách nhau một khoảng 27,372 m
+Bán kính bảo vệ của cột số 11 cao 24m cho phần độ cao 16m là:
+Khoảng cách từ cột số 20 đến cột giả tưởng có cùng độ cao là: a’ = a – x = 27,372 – 6 = 21,372 m
+Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột số 20 và cột giả tưởng cùng độ cao là:
+Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng h011’-20 cho độ cao 11m là:
+Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8m là:
+ Xét cặp cột (15-22) có độ cao 24m và 16m và đặt cách nhau một khoảng
+Bán kính bảo vệ của cột số 15 cao 24m cho phần độ cao 16m là:
Khoảng cách từ cột số 22 đến cột giả tưởng có cùng độ cao là: a’ = a – x = 27,041 – 6 = 21,041 m
+Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột số 22 và cột giả tưởng cùng độ cao là:
Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng h015’-22 cho độ cao 11m là:
+Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8m là:
-Tính toán tương tự cho các cặp cột biên còn lại ta có kết quả như bảng sau:
Bảng 2.6 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên phương án 1
Loại cặp cột Tên h1 h2 a ho 2/3ho hx1 rox1 hx2 rox2
15-22 24 16 27,04 20,13 13,425 11 1,496 8 4,491 -Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được hiển thị trong hình sau:
Hình 2.9 Phạm vi bảo vệ của phương án 1
Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra
Tổng chiều dài kim thu sét là:
Phương án 2
+ Bước 1: Ta bố trí 26 cột thu lôi ở các vị trí như hình vẽ sau:
Phía 220kV bố trí 14 cột, trong đó có 9 cột trên xà đón dây cao 17m, 5 cột trên xà thanh góp cao 11m
Phía 110kV bố trí 12 cột trong đó có 6 cột trên xà đón dây cao 11m, 6 cột trên xà thanh góp cao 8m
Hình 2.10 Bố trí các cột thu lôi của phương án 2 + Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:
Do lưới cột thu lôi được chia thành các nhóm đa giác đỉnh, cần tính độ cao hiệu dụng h_a của từng nhóm cột Điều kiện để tính toán là a 8 h ≥ D.
Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh
+ Xét nhóm cột (1-2-7-6) là hình chữ nhật với kích thước:
- Chiều rộng: b = 34 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:
20 Độ cao tối thiểu của các cột trên là:
+ Xét nhóm cột (7-8-11) là hình tam giác có kích thước:
Nửa chu vi tam giác trên là: p = 44,806 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:
− − − Độ cao tối thiểu của các cột trên là:
Tính toán tương tự PA1 cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:
Bảng 2.7 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 2
Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m ha, max 7-8-11 34,000 27,784 27,827 44,806 35,138 4,392
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là: h a − max = 7,558 m
Chiều cao tối đa cần bảo vệ cho hệ thống 220kV là 17m, vì vậy chiều cao của các cột thu lôi được tính là 24,558m (h = h x + h a − max = 17 + 7,558) Để đảm bảo thuận tiện trong thi công và tăng cường độ an toàn cho thiết bị, chiều cao cột được nâng lên 25m.
Ta chia 12 cột phía 110kV thành 3 hình chữ nhật và 15 tam giác, trong đó có 11 tam giác kết hợp với phía 220kV
Xét nhóm cột (15-16-22-21) là hình chữ nhật có kích thước:
21 Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là:
D = a + b = + = m Độ cao tác dụng tối thiểu của các nhóm 1là: 1 1 36, 056 4, 507( )
Xét nhóm cột (6-15-16) là hình tam giác có kích thước:
+ Nửa chu vi tam giác trên là: p = 41,916 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh là:
− − − Độ cao hiệu dụng của nhóm 2 là: 2 2 36, 962 4, 620( )
Tính toán tương tự PA2 cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:
Bảng 2.8 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 2
Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m hamax, m 6-15-16 27,373 20,000 36,459 41,916 36,962 4,620
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là: h a − max = 4,831 m
Do độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 110kV là h x = 11m nên chiều cao của các nhóm cột thu lôi là:
22 h = h x + h a − max = 11 + 4,831= 15,831 m Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn cho thiết bị tân nâng cột lên tới 16 m
+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi
Chúng tôi chỉ xem xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo chu vi của trạm, vì diện tích bên trong đã được bảo vệ Do chiều cao các cột thu lôi đều nhỏ hơn 30m, nên trong công thức tính toán, không cần nhân với hệ số hiệu chỉnh p.
• Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi
- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 25m
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 17m là:
17 2 25 16, 667( ) x 3 h = = m nên r x (17) = 0, 75 25 0, 75 17 − = 6( ) m Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là:
- Phạm vi bao vệ của các cột phía 110kV cao 16 m:
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là:
11 2 16 10, 66( ) x 3 h = = m nên r x (11) = 0, 75 16 0, 75 11 3, 75( ) − = m Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8m là:
• Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên:
+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao 25m và đặt cách nhau một khoảng là a = 34m
Do a = 34m < 7×25 = 175 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao 17m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao 11m là:
+ Xét cặp cột (15-21) có cùng độ cao 16m và đặt cách nhau một khoảng là a 30m
Do a = 30m < 7×16 = 112 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao 11m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao 8m là:
+ Xét cặp cột (6-15) có độ cao 25m và 16m và đặt cách nhau khoảng a 27,372m
Bán kính bảo vệ của cột số 6 cho độ cao 17m là:
Khoảng cách giữa cột số 15 và cột giả tưởng có cùng độ cao 17m được tính toán là a’ = a – x = 27,372 – 6,000 = 21,372 mét Độ cao lớn nhất được bảo vệ trong khoảng này giữa cột số 15 và cột giả tưởng là 17m.
Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng ho6-15 cho độ cao 11m là:
Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng h06-15 cho độ cao 8m là:
+ Xét cặp cột (10-17) có độ cao 25m và 16m và đặt cách nhau khoảng a 27,041m
Bán kính bảo vệ của cột số 10 cho độ cao 17m là:
Khoảng cách giữa cột số 17 và cột giả tưởng có cùng độ cao 17m được tính là a’ = a – x = 27,041 – 6,000 = 21,041 mét Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột này là 17m.
Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng ho10-17 cho độ cao 11m là:
Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng ho10-17 cho độ cao 8m là:
-Tính toán tương tự cho các cặp cột biên còn lại ta có kết quả như bảng sau:
Bảng 2.6 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên của phương án 2
Loại cặp cột Tên h1 h2 a ho 2/3ho hx1 hx2 rox1 rox2 110kV
10-17 25 16 27,041 13,994 9,329 11 8 2,246 5,991 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được hiển thị trong hình sau:
Hình 2.11 Phạm vi bảo vệ của phương án 2
Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra
Tổng chiều dài kim thu sét là:
Chọn phương án tối ưu
Cả hai phương án đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vì vậy cần xem xét các yếu tố kinh tế để đưa ra lựa chọn Phương án tối ưu là phương án có tổng chiều cao cột thu sét nhỏ nhất, như thể hiện trong bảng dưới đây.
Bảng 2.7 So sánh 2 phương án
Dựa vào bảng so sánh, phương án 2 có số lượng cột và tổng chiều dài kim thu sét ít hơn so với phương án 1 Vì vậy, chúng tôi quyết định lựa chọn phương án 2 để tiến hành thi công.
TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP
Nối đất an toàn
Để đảm bảo an toàn khi cấp điện áp lớn hơn 110 kV, điện trở nối đất của hệ thống phải đạt giá trị R ≤ 0,5 Ω Điều này là cần thiết vì ở mức điện áp này, dòng điện ngắn mạch có thể rất lớn, gây ra nguy hiểm khi có sự cố như chạm vỏ hoặc rò điện Với điện áp từ 110 kV trở lên, nhờ vào điện trở tản nhỏ và mức cách điện cao, việc thực hiện nối đất an toàn và nối đất chống sét chung là khả thi Do đó, việc kiểm tra và duy trì điện trở nối đất trong giới hạn cho phép là rất quan trọng.
RTN: Điện trở nối đất tự nhiện
RNT: Điện trở nối đất nhân tạo, RNT ≤ 1 Ω a,Nối đất tự nhiên
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích hệ thống nối đất tự nhiên của trạm, đặc biệt là hệ thống chống sét cho đường dây và cột điện 110kV và 220kV kết nối tới trạm.
+ Dây chống sét ta sử dụng loại C-70 có ro = 2,38 / km
+ Điện trở suất của đất = 100 + n = 100 + 955Ωm (n là 2 số cuối mã SV) + Điện trở nối đất của cột đường dây: Rc = 10 Ω
+ Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220kV là: l220 = 300 m
+ Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110kV là: l110 = 170 m
• Nối đất tự nhiên bao gồm các dạng sau:
- Các hệ thống ống dẫn nước, các ống kim loại chôn dưới đất không chứa các chất dễ cháy, nổ
- Hệ thống dây chống sét, điện trở nối đất, cột điện đường dây mà được nối vào hệ thống nối đất của trạm
- Các kết cấu kim loại của trạm như móng nhà, tường trạm
Trong đồ án này, chúng tôi tập trung vào việc khảo sát hệ thống nối đất tự nhiên của trạm, bao gồm dây chống sét và điện trở của cột điện cho đường dây 110 kV và 220 kV kết nối đến trạm.
Ta có công thức tính toán điện trở của hệ thống dây chống sét cột với số lượng cột lớn hơn 20 cột là:
+ Rcs là điện trở của dây chống sét trong một khoảng vượt, nếu có 2 dây chống sét thì lấy R’cs= 𝑅𝑐𝑠
+ Rc : là điện trở nối đất của cột điện
Nếu trạm có n đường dây đi vào thì điện trở nối đất tự nhiên của trạm:
𝑛 Rcs -Đối với lộ chống sét đường dây 220kV:
-Đối với lộ chống sét đường dây 110kV:
Ta thấy: RTN< 0,5 về mặt lý thuyết là đạt yêu cầu về nối đất an toàn
Trong lưới điện trung tính, khi điện trở nối đất đạt yêu cầu, không cần thực hiện nối đất nhân tạo Tuy nhiên, đối với lưới 220 kV và 110 kV, do dòng điện ngắn mạch lớn, cần phải thực hiện nối đất nhân tạo với yêu cầu điện trở RNT ≤ 1 Ω và đảm bảo tiêu chuẩn về nối đất chống sét.
Để thực hiện nối đất nhân tạo, chúng ta sử dụng thanh ngang dẹt có kích thước 50x5mm, chôn sâu 0,8m xung quanh chu vi khu vực xà tường bao của trạm, cách tường bao 1m Kích thước được minh họa trong Hình vẽ 3.1.
Chu vi và diện tích mạch vòng nối đất của trạm:
Hình 3.1.Sơ đồ mạch vòng nhân tạo và tường trạm
𝑙 2 = 120,5𝑚 Điện trở suất của đất: d = 195 m Điện trở nối đất của hệ thống mạch vòng là:
Với: L: chu vi của mạch vòng L = (l1 + l2) 2 = 585,4 (m) t: độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng, lấy t = 0,8 m
tt : điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t :
Tra bảng với thanh ngang chôn sâu 0,8 m ta có kmùa =1,6
= 195 1,6 = 312 (m) d: đường kính thanh làm mạch vòng, do thanh bằng thép dẹt nên:
= = − K: hệ số phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất
120,5 =1,43 ta vẽ đồ thị và tìm ra được K = 5,79
Bảng 3.1: Hệ số K phụ thuộc vào (l1/l2) l1/l2 1 1,5 2 3 4
120,5 =1,43 ta vẽ đồ thị và tìm ra được K = 5,79
Thay các công thức trên vào công thức tính RMV ta được
0,8.0,025 = 0,497(𝛺) < 1(𝛺) Vậy điện trở nối đất của hệ thống là:
Kết luận: Hệ thống thiết kế nối đất trên đảm bảo an toàn cho trạm
