đồ án tốt nghiệp bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 110-35 kv

Đối với trạm biến áp theo thiết kế trong đồ án này thì các thiết bị điệncủa trạm đợc đặt ngoài trời nh máy biến áp, máy cắt, máy biến áp đo l-ờng… nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hai máy biến áp

Điện trở suất của đất là đ = 0,8.102 .m

Điện trở của cột đờng dây RC = 10 

Cùng sơ đồ mặt bằng đi kèm

III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

1 Tính toán phạm vi bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp

2 Tính toán nối đất cho trạm

3 Tính toán chỉ tiêu chống sét cho đờng dây 110 kV

4 Tính toán bảo vệ chống sóng truyền vào trạm 35 kV

IV Các bản vẽ và đồ thị minh hoạ

Bảy bản vẽ A0 kèm theo

Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:

Ngày hoàn thành đồ án:

Cán bộ hớng dẫn thiết kế tốt nghiệp:

TS NguyÔn Minh chíc

Sinh viªn thùc hiÖn

Mục lục

Chơng mở đầu: Quá điện áp khí quyển và tình hình chống sét ở V iệt

Nam

1 Hiện tợng phóng điện của sét - nguồn, phát sinh quá điện áp khí quyển

1.1 Quá trình phóng điện của sét

1.2 Tham số của phóng điện sét

1.3 Cờng độ hoạt động của sét

2 Tình hình giông sét ở Việt Nam.

3 Kết luận :

Ch

ơng 1 : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm biến áp

I Khái niệm chung

II Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp

III Tính toán thiết kế các phơng án bố trí cột chống sét

1.Các công thức sử dụng để tính toán

2 Các số liệu dùng để tính toán thiết kế cột chống sét bảo vệ trạm biến áp

3 Vạch các phơng án bảo vệ

3.1- Phơng án 1

3.2 Phơng án 2

3.3 Kết luận chung

Chơng 2 : Tính toán nối đất trạm biến áp

I.Giới thiệu chung

II- Các số liệu dùng để tính toán nối đất

III- tính toán hệ thống nối đất

1 Tính toán nối đất an toàn

2 Nối đất chống sét

3 Nối đất bổ xung

3.1 Điện trở của thanh

3.2 Điện trở của cọc

3.3 Điện trở bổ xung

3.4 Tổng trở vào của hệ thống nối đất khi có nối đất bổ xung

ơng 3: Bảo vệ chống sét đờng dây tải điện

I.Các yêu cầu chung

1 Đặt vấn đề

2 Tính toán số lần cắt điện do sét

II Các tham số của đờng dây 110kV lộ kép và các số liệu tính toán

1 Các tham số của đờng dây 110kV lộ đơn

2 Các số liệu tính toán

III Tính toán các tham số sét đánh vào đờng dây

1 Số lần sét đánh vào đờng dây

2 Suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn

3.Tính toán suất cắt do sét đánh vào khoảng vợt

4 Tính toán suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột

5 Điện áp đặt lên cách điện pha A trong trờng hợp sét đánh vào đỉnh cột

Ch

ơng 4 : Bảo vệ chống sóng truyền vào trạm từ đờng dây 110kV

I - Khái niệm chung

1 Khái quát chung

2 Đặc điểm

3.Khoảng cách giới hạn

II- phơng pháp tính toán quá điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóngtruyền vào trạm

III Sơ đồ tính toán sóng truyền trạm

1-Tính thời gian truyền sóng giữa các nút

2-Tính điện áp tại các nút

3 Kiểm tra an toàn của các thiết bị trong trạm

1 Hiện tợng phóng điện của sét - nguồn, phát sinh quá điện áp khí quyển.

1.1 Quá trình phóng điện của sét

Sét là một trờng hợp phóng điện tia lửa khi khoảng cách giữa các

điện cực rất lớn (trung bình khoảng 5km) Quá trình phóng điện của sétgiống nh quá trình xảy ra trong trờng không đồng nhất Khi các lớp mây đ-

ợc tích điện (khoảng 80% số trờng hợp phóng điện sét xuống đất diện tíchcủa mây có cực âm tính) Tới mức độ có thể tạo nên cờng độ lớn sẽ hìnhthành dòng phát triển về phía mặt đất Giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng

điện tiên đạo và dòng gọi là tia tiên đạo

Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng điện đầutiên khoảng 1,5.107 cm/s, của các lần sau nhanh hơn và đạt tới 2.108 cm/s(trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau trungbình là ba lần)

Tia tiên đạo là môi trờng plama có điện dẫn rất lớn Đầu tia nối vớimột trong các trung tâm điện tích của lớp mây điện nên một phần điện tíchcủa trung tâm này đi vào trong tia tiên đạo và phân bố có thể xem nh gần

đều dọc theo chiều dài tia Dới tác dụng của điện trờng của tia tiên đạo, sẽ

có sự tập trung điện tích khác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tuỳthuộc vào tình hình dẫn điện của đất Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhấtthì địa điểm này nằm ngay ở phía dới đầu tia tiên đạo Trờng hợp mặt đất cónhiều nơi điện dẫn khác nhau thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có điệndẫn cao

Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đờng sức nối liền giữa

đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất vì ở đây c ờng độ ờng có trị số lớn nhất và nh vậy là địa điểm sét đánh trên mặt đất đã đợc

tr-định sẵn Tính chất chọn lọc của phóng điện đã đợc vận dụng trong việcbảo vệ trống sét đánh thẳng cho công trình

1.2 Tham số của phóng điện sét.

Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét Hiện nay đãtích luỹ đợc khá nhiều số liệu thực nghiệm về tham số này (đo bằng thỏi sắt

từ hoặc bằng máy hiện sóng cao áp)

Kết quả đo lờng cho thấy biên độ dòng điện sét (Is) biến thiên trongphạm vi rộng từ vài kA tới hàng trăm kA và đợc phân bố theo quy luật thựcnghiệm sau :

Vi = 26 , 1

Is 60

i

e10





Vi : xác suất xuất hiện sét có biên độ dòng điện  is

Quy luật này cũng đợc biểu thị trên đờng cong (hình 1)

Độ dốc trung bình : a =

ds

s T

I

( Tds : độ dài đầu sóng)

Xác suất của độ dốc trung bình của dòng điện sét (Hình 2)

Dạng sóng có đầu sóng xiên góc ở (hỉnh 3) dùng khi quá trình cần xét xảy ra ở đầu sóng hoặc trong các trờng hợp mà thời gian diễn biến tơng

đối ngắn so với độ dài sóng Trong các trờng hợp này sự giảm dòng điện sau

0,6

10 20 30 40 50

trị số cực đại không có ý nghĩa nên khi t > Tds có thể xem dòng điện không thay đổi và bằng trị số biên độ Ngợc lại khi quá trình xảy ra trong thời gian dài

(t >>Tds) nh khi tính toán về hiệu ứng dòng điện sét có thể không sét đến giai

đoạn đầu sóng và dạng sóng tính toán đợc chọn theo dạng hàm số mũ (hình 4)

1.3 Cờng độ hoạt động của sét.

Cờng độ hoạt động của sét đợc biểu thị bằng số ngày có giông séthàng năm (Nng.s) hoặc tổng số thời gian kéo dài của giông sét trong nămtính theo thời gian (Ng.s) Theo số liệu thống kê của nhiều nớc, số ngày séthàng năm ở vùng xích đạo khoảng 100  150 ngày, vùng nhiệt đới từ 75 

100 ngày, vùng ôn đới khoảng 30  50 ngày

2 Tình hình giông sét ở Việt Nam.

Việt Nam là một nớc khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, hoạt động của giôngsét có cờng độ mạnh Thực tế sét đã gây nhiều cản trở đến đời sống, xã hộicon ngời

Theo đề tài KC - 03 - 07 của Viện Năng lợng, số ngày giông sét trênmiền Bắc nớc ta thờng dao động trong khoảng từ 70  100 ngày và số lần

I

s /2

T =

is =I s

t t

giông từ 150  300 lần, vùng giông sét nhiều nhất trên miền Bắc là vùng

Tiên Yên - Móng Cái Tại đây hàng năm có từ 250  300 lần Tập trung

trong khoảng từ 100  110 ngày Tháng nhiều giông nhất là các tháng 7, 8

có tới 25ngày/tháng Nơi ít giông nhất miền Bắc là vùng Quảng Bình, hàng

năm chỉ có khoảng 80 ngày giông

Nhìn chung ở Bắc bộ mùa giông tập trung trong khoảng từ tháng 5 

tháng 6, ở phía Tây của Trung Bộ và Bắc Bộ mùa giông tơng đối sớm hơn

Bắt đầu vào tháng 4 quá trình diễn biến của mùa giông thờng có xê dịch

trong khoảng tháng 5, tháng 6 là nhiều nhất ở miền Nam cũng khá nhiều

giông, hàng năm trung bình quan sát đợc từ 40  50 ngày (đến 100 ngày

tuỳ nơi) khu vực nhiều giông nhất là vùng Đồng bằng Nam Bộ, số ngày

giông hàng năm trung bình lên tới 120  140 ngày (Sài Gòn : 138 ngày, Hà

Tiên : 129 ngày)

ở Bắc Bộ chỉ có khoảng trên dới 100 ngày Mùa đông ở Nam Bộ từ

tháng 4  tháng 9 trừ tháng 11 có số ngày giông trung bình 10 ngày/1

tháng Còn suốt 6 tháng từ tháng 5  11 mỗi tháng đều quan sát đợc trung

bình từ 15  20 ngày giông

ở Tây Nguyên, trong mùa đông thờng chỉ 2  3 tháng số ngày giông

đạt tới 1  5 ngày Đó là các tháng 4, 5, 9 Tháng cực đại (tháng 5) trung

bình quan sát đợc chừng 15 ngày giông

Qua khảo sát số liệu ở trên ta thấy rằng tình hình giông sét trên 3

miền khác nhau nhng có những vùng lân cận nhau, mật độ giông sét tơng

đối giống nhau Để tổng kết tình hình giông sét ở Việt Nam một cách hệ

thống qua kết quả nghiên cứu của đề tài KC-03-07 ngời ta đã lập đợc bản

đồ phân vùng giông trong đó nêu rõ toàn thể lãnh thổ Việt Nam có thể phân

thành 5 vùng 147 khu vực

trung bình (ngày/năm)

giơ giông trung bình (ngày/năm)

Mật độ sét trung bình (lần/km)

tháng giông cực đại

Bảng 1 : Thông số về giông sét ở các vùng

Từ các số liệu về ngày giờ giông, số liệu đo lờng nghiên cứu thựchiện qua các giai đoạn, có thể tính toán để đa ra số liệu dự kiến về mật độphóng điện xuống đất cho các khu vực nh ở bảng 2.

Qua số liệu nghiên cứu ở trên ta thây rằng Việt Nam là nớc có sốngày giông nhiều, mật độ sét lớn Vì vậy giông sét là hiện tợng thiên nhiêngây ra nhiều thiệt hại cho lới điện và các công trình quan trọng của ViệtNam

Số ngày

giông

Khu vực ven biển miền Bắc

Khu vực trung du miền Bắc

Khu vực cao nguyên miền Ttrung

Khu vực ven biển miền Trung

Khu vực ven biển miền Nam

và các đờng dây trên không là rất cần thiết

ở những vùng lãnh thổ khác nhau, do điều kiện khí hậu và trang thiết

bị kỹ thuật khác nhau nên đặc điểm về giông sét, tính chất và mức độ táchại do giông sét gây ra cũng khác nhau Vì vậy, việc tiếp thu các kết quảnghiên cứu về các thông số giông sét đặc tính hoạt động giông sét của từngvùng, từng khu vực để có những biện pháp chống sét cho hiệu quả và thíchhợp

Ch ơng 1

bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

trạm biến áp

I.Mở đầu

Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống điện nhất là hệthống điện lớn vì khi cần truyền tải đi xa ngời ta phải nâng cao điện áp cao

để cho hiệu quả kinh tế (tổn thất điện áp nhỏ )

Đối với trạm biến áp theo thiết kế trong đồ án này thì các thiết bị điệncủa trạm đợc đặt ngoài trời (nh máy biến áp, máy cắt, máy biến áp đo l-ờng…) nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng

nề (làm hỏng đến các thiết bị trong trạm và gây nên những tổn thất vê kinh

tế cho những ngành công nghiệp khác do bị ngừng cung cấp điện và ảnh ởng đến đời sống sinh hoạt của con ngời) Do vậy trạm biến áp thờng cóyêu cầu bảo vệ rất cao

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp ngời tadùng hệ thống cột chống sét, dây thu sét Tác dụng của hệ thống này là tậptrung điện tích để định hớng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo rakhu vực an toàn bên dới hệ thống này Cột chống sét làm bằng sắt, bê tônghay cột gỗ

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sétvào hệ nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối

đất của bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất,

đảm bảo sao cho khi có dòng điện sét đi qua thì điện áp xuất hiện trên bộphận thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóng điện ngợc đến các thiết bị khácgần đó Bởi vì khi có sét đánh vào bộ phận chống sét thì trên đó có một điện

áp d, nếu điện áp d này đủ lớn thì nó có thể phóng điện qua các thiết bịkhác lân cận Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếpvào trạm ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và

đảm bảo về yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật

II Tính toán thiết kế các ph ơng án bố trí cột chống sét

Dựa vào đặc điểm của trạm ta có thể đặt cột chống sét độc lập hay trênkết cấu của trạm biến áp Ta bố trí sơ bộ cột chống sét và số lợng cột chốngsét trên cơ sở tận dụng các độ cao của các thiết bị kết cấu của trạm

1.Các công thức sử dụng để tính toán

a) Cột chống sét

*) Độ cao cột chống sét:

h =hx + ha (1-1) Trong đó: + hx : độ cao của vật đợc bảo vệ

+ ha : độ cao tác dụng của cột chống sét, đợc xác định theotừng nhóm cột (ha  D/8 m).

(với D là đờng kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột)

h h ( h h

Trong đó: - h: là độ cao của cột thu sét

- rx: là bán kính của phạm vi bảo vệ ở đô cao hx

Tuy nhiên việc sử dụng công thức (1-2) trong thực tế thì mà ngời ta chia

ra các trờng hợp sau để tính toán dạng công thức đơn giản hoá:

+ Nếu hx  2/3h

) h ,

h (

h ,

x 15 1 0 8 (1-3)

+ Nếu hx > 2/3h

) h

h (

h ,

x  0 75 1  (1- 4) Trong thực tế có những công trình rất rộng do đó đòi hỏi độ cao của mộtcột là rất lớn gây khó khăn cho thi công nên ngời ta thờng phối hợp nhiềucột chống sét với nhau

- Phạm vi bảo vệ của nhiều cột phối hợp với nhau lớn hơn nhiều so vớiphạm vi bảo vệ của nhiều cột độc lập Trớc tiên xét trờng hợp hai cột chốngsét: phạm vi giữa hai cột đợc bảo vệ nếu a < 7.h (với a là khoảng cách giữahai cột chống sét)

Khi có hai cột chống sét đặt gần nhau thì phạm vi bảo vệ ở độ cao lớnnhất giữa hai cột là ho và đợc xác định theo công thức:

) ( a

h 1

6 ,1 r

o x





- Trờng hợp hai cột chống sét có độ cao khác nhau thì việc xác định phạm

Hình 1.2: Phạm vi bảo vệ của hai cột chống sét có độ cao khác độ cao.

- Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột chống sét 2’ có độ cao h2 , khi đó cáckhoảng cách a12 = a; a12’ = a' Khi đó xác định đợc các khoảng cách x và a'

nh sau với giả sử h2 > h1

+ Nếu h1 > 2.h2/3:

a’ = a- 0,75(h2 – h1) (1-7) + Nếu h1  2.h2/3:

1

h ,

h

(1-8) Đối với trờng hợp khi có hai cột chống sét cao bằng nhau ta có phạm vibảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho :

7

a h

ho   (1-9)

Tơng tự ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột 1 và 2 là:

7

a' h

ho  2  (1-10) + Nếu hx > 2.h0/3 ta có:

r0x = 0,75.h0(1- hx/h0) (1-11) + Nếu hx  2h0/3 ta có;

8 0 1 5 1

h ,

h h

.

- Xác định đờng kính của ba cột chống sét:

Để bảo vệ đợc một diện tích giới hạn bởi một tam giác hoặc tứ giác thì

độ cao của cột chống sét phải thoả mãn: D  8ha

Trong đó: + D: Là đờng kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác ( hoặc tứgiác), tạo bởi các chân cột đó là phạm vi mà nhóm cột có thể bảo vệ đợc + ha : Là độ cao tác dụng của cột chống sét

+Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột chống sét bao giờ cũng lớn hơnphạm vi bảo vệ của cột đơn cộng lại Điều kiện để cho hai cột chống sét cóthể phối hợp đợc với nhau để bảo vệ đợc vật có độ cao hx nào đó là: a  7h Để xác định đờng kính của đờng tròn ngoại tiếp tam giác ta sử dụng cáccông thức tính diện tích tam giác sau:

S =

R

c b a

4 ; S = p.(p a).(p b).(p c)

) ( ) c p ).(

b p ).(

a p (

p

c b a

p   

+ R: là bán kính đờng tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;3)

- Xác định đờng kính của đờng tròn đi qua bốn đỉnh của tứ giác:

Ta có công thức xác định đờng kính của hình chữ nhật sau:

2 2 2

1 l l

D   (1-14)

b) Dây thu sét

*) Độ cao của dây thu sét

h = hx + ha (1-15) Trong đó: + hx là độ cao trung bình của dây dẫn

+ ha là độ cao tác dụng của dây thu sét

*) Phạm vi bảo vệ của dây thu sét

- Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng dọc theo chiều dài củadây dẫn

a h

h h

,

x

8 0 1 2

x 0 6 1 (1-17)

*) Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét

Khi đặt hai dây thu sét cách nhau một khoảng s = 4h thì mọi điểmtrên mặt đất đợc bảo vệ nếu khoảng cách s < 4h Phần bên ngoài của phạm

vi bảo vệ đợc xác định nh trờng hợp một dây, còn phần bên trong đợc giớihạn bởi vòng cung qua ba điểm: hai điểm treo dây chống sét và điểm giữa

có độ cao

4

a h

ho  

Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

2 Các số liệu dùng để tính toán thiết kế cột chống sét bảo vệ trạm biến

Phơng án này ta sử dụng 15 cột thu sét để bảo vệ trạm Để tận dụng độcao của trạm ta đặt các cột thu sét trên các xà của trạm, sơ đồ bố trí cụ thể

đợc vẽ chi tiết theo hình 1.4 sau:

Hình 1.4: Sơ đồ bố trí các cột thu sét trong phơng án 1

b)Xác định độ cao của các cột chống sét

+Xét nhóm cột 1;2;4;5 ta có:

Nhóm cột này tạo thành hình chữ nhật có đờng chéo chính nh sau:

) m ( 5 , 37 5 , 25 5 , 27 l

l

14

2 12

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 69 , 4 8

5 , 37 8

l

5 2

2 23

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 69 , 4 8

5 , 37 8

l

5 4

2 7 4

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 69 , 4 8

5 , 37 8

l

6 5

2 8 5

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 69 , 4 8

5 , 37 8

l

8 7

2 10 7

5        Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 2 , 4 8

68 , 33 8

l

11 10

2 13 10

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 2 , 4 8

68 , 33 8

l

9 8

2 11 8

7        Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 2 , 4 8

68 , 33 8

l

12 11

2 14 11

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 2 , 4 8

68 , 33 8

Với mạng 110 kV ta có:

h = hx + ha = 10,7 + 4,69 = 15,39(m) Để tăng độ dự trữ bảo vệ ta chọn cột có độ cao h = 17m

Với mạng 35 kV ta có:

h = hx + ha = 7,5 + 4,69 = 12,19(m) Để tăng độ dự trữ bảo vệ ta chọn cột có độ cao h = 14m

Ngoài ra vì có 3 cột đặt trên cột chiếu sáng có độ cao là 21m

*) Phạm vi bảo vệ của cột chống sét

a) Phía 110 kV có độ cao cần bảo vệ là 10,7 m

+ Bán kính bảo vệ ở độ cao 17m: hx =10,7 m < 2/3 h Do vậy ta có:

) m ( 44 , 5 17 8 , 0

7 , 10 1 17 5 , 1 h 8 , 0

h 1 h 5 , 1

7 , 10 1 21 5 , 1 h 8 , 0

h 1 h 5 , 1

) m ( 36 , 13 7

5 , 25 17 7

a h

ho    V× hx >2/3 h0 nªn ta cã ph¹m vi b¶o vÖ lµ:

) m ( 2 36 , 13

7 , 10 1 36 , 13 75 , 0

5 , 25 17 7

a h

ho    V× hx >2/3 h0 nªn ta cã ph¹m vi b¶o vÖ lµ:

) m ( 2 36 , 13

7 , 10 1 36 , 13 75 , 0

5 , 27 17 7

a h

ho    V× hx >2/3 h0 nªn ta cã ph¹m vi b¶o vÖ lµ:

) m ( 78 , 1 07 , 13

7 , 10 1 07 , 13 75 , 0

5 , 27 17 7

a h

ho    V× hx >2/3 h0 nªn ta cã ph¹m vi b¶o vÖ lµ:

) m ( 78 , 1 07 , 13

7 , 10 1 07 , 13 75 , 0

5 , 24 21 7

a h

ho    V× hx < 2/3 h0 nªn ta cã ph¹m vi b¶o vÖ nh sau:

) m ( 19 , 6 5 , 17 8 , 0

7 , 10 1

5 , 17 5 , 1

5 , 24 21 7

a h

ho    V× hx < 2/3 h0 nªn ta cã ph¹m vi b¶o vÖ nh sau:

) m ( 19 , 6 5 , 17 8 , 0

7 , 10 1

5 , 17 5 , 1

b) Phía 35 kV có độ cao cần bảo vệ là 7,5 m nên:

+ Bán kính bảo vệ ở độ cao 14m: hx =7,5 m < 2/3 h Do vậy ta có:

) m ( 94 , 6 14 8 , 0

5 , 7 1 14 5 , 1 h 8 , 0

h 1 h 5 , 1

5 , 7 1 21 5 , 1 h 8 , 0

h 1 h 5 , 1

5 , 17 21 7

a h

ho    Vì hx >2/3 h0 nên ta có phạm vi bảo vệ là:

) m ( 25 , 8 5 , 18

5 , 7 1 5 , 18 75 , 0

5 , 17 21 7

a h

ho    Vì hx >2/3 h0 nên ta có phạm vi bảo vệ là:

) m ( 25 , 8 5 , 18

5 , 7 1 5 , 18 75 , 0

22 14 7

a h

ho    Vì hx >2/3 h0 nên ta có phạm vi bảo vệ là:

) m ( 52 , 2 86 , 10

5 , 7 1 86 , 10 75 , 0

22 14 7

a h

ho    Vì hx >2/3 h0 nên ta có phạm vi bảo vệ là:

) m ( 52 , 2 86 , 10

5 , 7 1 86 , 10 75 , 0

25 , 20 21 7

a h

ho    

Vì hx <2/3 h0 nên ta có phạm vi bảo vệ là:

) m ( 1 , 13 11 , 18 8 , 0

5 , 7 1

11 , 18 5 , 1

25 , 20 21 7

a h

ho    Vì hx <2/3 h0 nên ta có phạm vi bảo vệ là:

) m ( 1 , 13 11 , 18 8 , 0

5 , 7 1

11 , 18 5 , 1

Các thiết bị đều đợc an toàn khi đặt các cột bảo vệ nh trên

* Nhận xét: các cột bảo vệ có chiều cao cụ thể nh sau:

Trong phơng án này sử dụng 15 cột chống sét:

+ 3 cột cao 21m trong đó tận dụng đợc độ cao có sẵn là 21m

+ Các cột còn lại trồng độc lập

Vậy tổng chiều dài các cột phải xây dựng thêm là:

H = 7.(17) + 5.14 = 189(m)

3.2 Ph ơng án 2

a) Sơ đồ bố trí cột chống sét

Phơng án này ta sử dụng 12 cột thu sét Để tận dụng độ cao của trạm ta đặtcác cột thu sét trên xà của trạm, cụ thể nh sau:

+ Cột 1; 2 : ta đặt trên xà của trạm với độ cao có sẵn là 10,7m

+ Cột 6; 8 : ta đặt trên xà của trạm với độ cao có sẵn là 7,5m

+ Cột 4; 5; 10: Sử dụng chiều cao có sẵn của cột đèn chiếu sáng với độcao có sẵn là 21m

Các cột lại là các cột tự do

Sơ đồ bố trí các cột cụ thể nh trên hình vẽ sau:

23 , 30 34 23 , 30

áp dụng công thức Hêrông cho tam giác khi biết ba cạnh để tìm bán kính

đờng tròn ngoại tiếp

) m ( 3 , 18 ) 23 , 30 23 , 47 ).(

23 , 30 23 , 47 ).(

34 23 , 47 (

23 , 47

4

23 , 30 23 , 30 34

8 , 36 23 , 30 51

áp dụng công thức Hêrông cho tam giác khi biết ba cạnh để tìm bán kính

đờng tròn ngoại tiếp

) m ( 8 , 25 ) 8 , 36 01 , 59 ).(

23 , 30 01 , 59 ).(

51 01 , 59 (

01 , 59 4

8 , 36 23 , 30 51

D

h 3   

+ Xét các cột (2;3; 5)

Ta có:

Nhóm cột này tạo thành tam giác có các cạnh nh sau:

a25 = 50  2 10 2= 51m

a23 = 25  2 17 2 =30,23 m

a35 = 25  2 27 2 =36,8 m

) m ( 01 , 59 2

8 , 36 23 , 30 51

áp dụng công thức Hêrông cho tam giác khi biết ba cạnh để tìm bán kính

đờng tròn ngoại tiếp

) m ( 8 , 25 ) 8 , 36 01 , 59 ).(

23 , 30 01 , 59 ).(

51 01 , 59 (

01 , 59 4

8 , 36 23 , 30 51

l

11 4

2 6 4

5        Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 2 , 4 8

68 , 33 8

l

7 11

2 5 11

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 2 , 4 8

68 , 33 8

l

7 6

2 9 6

7        Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 2 , 4 8

68 , 33 8

) m ( 68 , 33 5 , 25 22 l

l

8 7

2 10 7

Độ cao tác dụng của nhóm cột này là:

) m ( 2 , 4 8

68 , 33 8

D

So sánh hai độ cao ha ta lấy độ cao lớn nhất là: ha = 6,45m

Phía điện áp 110 kV thì độ cao của thiết bị cao nhất cần bảo vệ là 10,7 mnên:

Độ cao của các cột là: h = hx + ha = 10,7+ 6,45 = 17,15(m)

Vậy ta chọn độ cao của các cột chống sét: h = 18m

Phía điện áp 35 kV thì độ cao của thiết bị cao nhất cần bảo vệ là 7,5 mnên:

Độ cao của các cột là: h = hx + ha = 7,5+ 6,45 = 13,95(m)

Vậy ta chọn độ cao của các cột chống sét: h = 15m

* Xác định phạm vi bảo vệ của các cột chống sét

a) Phía điện áp 110 kV thì phạm vi bảo vệ nh sau:

+Phạm vi bảo vệ độ cao 10,7m của cột có độ cao 18 m là:

) m ( 94 , 6 18 8 , 0

7 , 10 1 18 5 , 1 h 8 , 0

h 1 h 5 , 1

7 , 10 1 21 5 , 1 h 8 , 0

h 1 h 5 , 1

34 18 7

a h

ho    Vì hx >2/3 h0 nên ta có phạm vi bảo vệ là:

) m ( 83 , 1 14 , 13

7 , 10 1 14 , 13 75 , 0

a’ = 51 - 0,75.(21 - 18) = 48,75

) m ( 04 , 14 7

75 , 48 21 7

a h

ho     Vì hx <2/3 h0 nên ta có phạm vi bảo vệ là:

) m ( 5 , 2 04 , 14

7 , 10 1 04 , 14 75 , 0

a’ = 51 - 0,75.(21 - 18) = 48,75

) m ( 04 , 14 7

75 , 48 21 7

a h

ho     Vì hx <2/3 h0 nên ta có phạm vi bảo vệ là:

) m ( 5 , 2 04 , 14

7 , 10 1 04 , 14 75 , 0

Phía điện áp 35 kV thì phạm vi bảo vệ nh sau:

+Phạm vi bảo vệ độ cao 7,5 m của cột cao 15 m:

) m ( 44 , 8 15 8 , 0

5 , 7 1 15 5 , 1 h 8 , 0

h 1 h 5 , 1

5 , 7 1 21 5 , 1 h 8 , 0

h 1 h 5 , 1

a’ = 22 - 0,75.(21 - 15) = 17,5

) m ( 5 , 18 7

5 , 17 21 7

a h

ho    Vì hx <2/3 h0 nên ta có phạm vi bảo vệ là:

) m ( 69 , 13 5 , 818 , 0

5 , 7 1 5 , 18 5 , 1

a’ = 22 - 0,75.(21 - 15) = 17,5

) m ( 5 , 18 7

5 , 17 21 7

a h

ho    Vì hx <2/3 h0 nên ta có phạm vi bảo vệ là:

) m ( 69 , 13 5 , 818 , 0

5 , 7 1 5 , 18 5 , 1

a’ = 25,5 - 0,75.(21 - 15) = 21

) m ( 18 7

21 21 7

a h

ho    V× hx <2/3 h0 nªn ta cã ph¹m vi b¶o vÖ lµ:

) m ( 94 , 12 18 8 , 0

5 , 7 1 18 5 , 1

a’ = 25,5 - 0,75.(21 - 15) = 21

) m ( 18 7

21 21 7

a h

ho    V× hx <2/3 h0 nªn ta cã ph¹m vi b¶o vÖ lµ:

) m ( 94 , 12 18 8 , 0

5 , 7 1 18 5 , 1

22 15 7

a h

ho    V× hx < 2/3 h0 nªn ta cã ph¹m vi b¶o vÖ lµ:

) m ( 73 , 3 86 , 11 8 , 0

5 , 7 1

86 , 11 5 , 1

22 15 7

a h

ho    V× hx < 2/3 h0 nªn ta cã ph¹m vi b¶o vÖ lµ:

) m ( 73 , 3 86 , 11 8 , 0

5 , 7 1

86 , 11 5 , 1

c) Kiểm tra khả năng bảo vệ đối với các thiết bị và công trình nằm ngoài phạm vi các cột

Ta thấy tất cả các công trình đều nằm trong phạm vi bảo vệ của các cộtchống sét

* Nhận xét: Với độ cao mới này ta kiểm tra lại thấy toàn bộ trạm đã đợc

bảo vệ hoàn toàn

d) Tổng chiều dài các cột chống sét

Trong phơng án này sử dụng 12 cột chống sét:

+ 4 cột cao 18m , trong đó có 2 cột đặt trên độ cao có sẳn là 10,7 m

+ 5 cột cao 15m , trong đó có 2 cột dặt trên độ cao có sẳn 7,5 m

+ 3 cột cao 21m đợc đặt trên cột đèn chiếu sáng của trạm có chiều cao

có sẵn là 21m

Vậy tổng chiều dài các cột phải xây dựng thêm là:

H = 2.(18 – 10,7) + 2.(15-7,5) + 2.18 + 3.15

= 110,6(m)

Ta thấy cả 2 phơng án đều thoã mãn yêu cầu kĩ thuật đề ra Tuy nhiên ta

sẽ chọn phơng án 2 bởi vì phơng án này là có tính kinh tế nhất và thẩm mỹnhất

Chơng 2

Tính toán nối đất trạm biến áp

I.Mở đầu

Trong khi thiết kế một công trình điện nào thì việc thiết kế hệ thống nối

đất là không thể bỏ qua đợc Bởi vì hệ thống nối đất là một phần rất quantrọng trong việc bảo đảm an toàn và bảo vệ quá điện áp, do đó việc nối đấtcủa trạm biến áp, các cột thu lôi, các đờng dây, các thiết bị chống sét phải

đợc tính toán cụ thể trong khi thiết kế Trong hệ thống có các loại nối đấtsau:

Nối đất làm việc

Nhiệm vụ chính là đảm bảo chế độ làm việc bình thờng của các thiết bị,hoặc một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã quy định sẵn Đó

là nối đất điểm trung tính máy biến áp, trong hệ thống điện có điểm trungtính trực tiếp nối đất, nối đất của máy biến áp đo lờng và các kháng điệndùng trong bù ngang trên các đờng dây cao áp truyền tải điện…

Nối đất chống sét

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất (khi sét đánh vào cộtchống sét hay đờng dây chống sét) để giữ cho điện thế mọi điểm trên thâncột không quá lớn tránh trờng hợp phóng điện ngợc từ cột thu lôi đến cáccác công trình đợc bảo vệ Dòng điện sét có giá trị rất lớn (có giá trị đếnhàng trăm kA) nếu không có khả năng tản nhanh dòng điện này thì trên hệthống nối đất có một điện áp lớn và có khả năng gây nên phóng điện ngợctới các công trình xung quanh

Nối đất an toàn

Có tác dụng đảm bảo an toàn cho con ngời khi cách điện bị h hỏng.Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại khôngmang điện (nh vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại) Dotrong quá trình vận hành thì dới tác dộg của môi trờng, của điện áp cao…làm cho cách điện bị h hỏng do lão hoá nên trên các bộ phận kim loại sẽ có

một điện thế Điện thế này có thể gây nguy hiểm cho con ngời Do đó phảinối đất các bộ phận này là để giữ điện thế thấp và bảo đảm an toàn cho conngời có thể vô ý tiếp xúc với chúng Về nguyên tắc là phải tách rời các hệthống nối đất nói trên nhng trong thực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đấtchung cho các nhiệm vụ Bởi vì nhiều khi việc tách rời từng hệ thống nối

đất là không thể thực hiện đợc (nh đối với trạm nhỏ thì không thể tách rời

đợc) Do đó để có thể nói chung các hệ thống nối đất này thì phải thoả mãnyêu cầu của cả ba hệ thống nối đất này (ta phải chọn điện trở nhỏ nhất trongtất cả ba loại nối đất)

Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tácdụng của nối đất tốt hơn an toàn hơn Nhng để đạt đợc trị số điện trở nối đấtnhỏ thì rất tốn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp đ-

ợc cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế

Một số yêu cầu về kỹ thuật của điện trở nối đất:

+ Đối với các thiết bị điện nối đất trực tiếp, yêu cầu điện trở nối đấtphải thoả mãn: R  0,5

+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính không trực tiếp nối đất thì:



 I

R 250+ Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một

hệ thống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì:



 I

125 R

+ Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thoả mãnyêu cầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì khong cần nối

đất nhân tạo nữa Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thoả mãn đối vớicác thiết bị cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hànhnối đất nhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: RNT 1

Hệ thống nối đất gồm có các điện cực chôn trong đất và nối với thiết bị.Vì vậy mức độ tản dòng điện sét là phụ thuộc vào trạng thái của đất (do đất

là môi trờng rất phức tạp, điện trở suất cuả đất phụ thuộc thành phần của đất

nh tỉ lệ các loại muối, axit hoà tan trong đất, điều kiện khí hậu…) Cho nên

độ dẫn điện của đất là luôn luôn thay đổi ở Việt nam khí hậu thay đổi theotừng mùa rất mạnh (mùa khô thì độ ẩm giảm trong khi mùa ma thì độ ẩmrất lớn) vì vậy độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất cuả

đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng Do vậy trong tính toán thiết kế về nối

đất thì trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lờng thực địa và sau

đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa với mục đích là tăng cờng an toàn

Công thức hiệu chỉnh nh sau: tt = đ.Km

Trong đó:

tt: là điện trở suất tính toán của đất

đ: điện trở suất đo đợc của đất

Km : hệ số mùa của đất

Hệ số Km phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực

Đối với trạm biến áp ta thiết kế có cấp điện áp 110/35kV và các cột thulôi độc lập do đó ta sử dụng hình thức nối đất tập trung để có hiệu quả tảndòng điện tốt nhất

Mặt khác do đặt các cột thu lôi trên xà nên phần nối đất chống sét ta nốichung với mạch vòng nối đất của trạm

II- Các số liệu dùng để tính toán nối đất.

Điện trở suất đo đợc của đất: đ = 0,8.102 .m

Điện trở nối đất cột đờng dây: Rc = 10

Dây chống sét sở dụng loại C-70 có điện trở đơn vị là: Ro =2,38/km

Chiều dài khoảng vợt đờng dây là:

Đối với 110kV đã cho l = 200m

Dạng sóng tính toán của dòng điện sét: ta xét với dạng sóng chuẩn

t khi I

t khi at

Trong đó: + a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/s

+ I: biên độ dòng điện sét I = 150kA

+ đs: thời gian đầu sóng lấy bằng:

s a

Is

ds    

30 150

III- tính toán hệ thống nối đất

1 Tính toán nối đất an toàn

1.1 Phía điện áp 110kV

Trạm điện thiết kế có điện áp là 110/35kV, phía 110kV là mạng điện cótrung tính trực tiếp nối đất nên yêu cầu của nối đất an toàn là: R  0,5 .Thành phần điện trở nối đất R gồm hai thành phần:

+ Điện trở nối đất tự nhiên (Rtn)

+ Điện trở nối đất nhân tạo (Rnt)

Đối với các thiết bị có điểm trung tính trực tiếp nối đất (có dòng chạm

đất lớn) thì yêu cầu điện trở nối đất nhân tạo phải có trị số nhỏ hơn 1

Vậy điều kiện nối đất là:

) ( , R //

.

t

1

5 0

Từ đó rút ra:

) ( , R

, R R

n t

n t t

5 0

a) Điện trở nối đất tự nhiên

Trong khi thiết kế việc tận dụng điện trở nối đất tự nhiên đem lại hiệuquả kinh tế Đó là các hình thức nối đất đã có sẵn nh các đờng ống, các kếtcấu kim loại của công trình chôn trong đất, móng bê tông cốt thép…

Ta có công thức tính giá trị RTN nh sau:

2) - (2 R

R

R

n R

CS C

C TN

4

1 2

+ n là số đờng dây vào trạm: n = 4

+ Rcs là điện trở của dây chống sét trong một khoảng vợt:Rcs=

R0.l

ta dùng dây C70 nên: R0 = 2,38/km

+ l là chiều dài một khoảng vợt: l = 200m

+ RC là điện trở nối đất của cột: RC = 10

Thay tất cả các thông số trên vào công thức (2-2) ta có:

(2 – 1 )(2 – 2 )

) ( 4 , 0 4

1 2 , 0 38 , 2

10 2

1

10

b) Tính điện trở nối đất nhân tạo.

* Tính nối đất mạch vòng quanh trạm:

Mạch vòng bao quanh trạm có hình chữ nhật có kích thớc nh sau:

Hình 2.2: Sơ đồ nối đất mạch vòng của trạm

Ta có công thức tính điện trở mạch vòng của trạm theo công thức sau:Tính điện trở của mạch vòng quanh trạm Rm.v :

) ( )

( d t

L k ln L

v

64 l

l 2

1





209 8 , 5 ln 209 14 , 3 2

120 d

.

L k ln L 2

2 2

tt v

Hình 2.5: Hình dạng cọc sử dụng trong hệ thống nối đất

Đối với một cọc điện trở tản xoay chiều đợc xác định theo công thứcsau:

) ( l t

l t ln d

l ln l

4

4 2

1 2

+ : là điện trở suất của đất đối với cọc:  = đo.Kmùa (c)

đo = 80 (.m); Kmùa (c) = 1,4 (Tra bảng (2-1)  1 )

5 , 2 05 , 2 4 ln 2

1 10 75 , 4

5 , 2 2 ln 5 , 2 14 , 3 2

Vậy ta có điện trở của một cọc là: RC = 35,444

Khi có nhiều cọc chôn theo mạch vòng thì ta có điện trở nối đất nhântạo đợc tính theo công thức sau:

) ( R

n R

R R R

v m c v m c

v m c

Trong đó: + Rc : là điện trở tản nối đất của cọc ()

+ Rm.v : là điện trở tản nối đất của mạch vòng ()

+ n : là số cọc sử dụng trong hệ thống nối đất

+ m.v và c : tơng ứng là hệ số sử dụng mạch vòng, hệ số sửdụng cọc phụ thuộc vào số cọc và tỷ số a/l

Theo công thức (2-5) ta chỉ mới biết Rc và R mv vậy ta phải tìm số cọc để

RNT đạt giá trị nhỏ nhất và phải đảm bảo sao cho RNT  1  Mặt khác thì

mv và c phụ thuộc số cọc ta sử dụng trong hệ thống nối đất

Bằng cách cho ứng với mỗi giá trị của n ta tính đợc mỗi giá trị RNT Bằng cách thay đổi các giá trị của n ta sẽ có các giá trị của RNT tơng ứng theo

5 , 1 444 , 35

1 4 , 0 R R

R R nt tn

nt tn

Vậy đảm bảo yêu cầu kĩ thuật là: RHT <0,5 

1.2 Phía điện áp 35 kV nh sau:

Mạch vòng bao quanh trạm có hình chữ nhật có kích thớc nh sau:

Hình 2.2: Sơ đồ nối đất mạch vòng của trạm

Ta có công thức tính điện trở mạch vòng của trạm theo công thức sau:Tính điện trở của mạch vòng quanh trạm Rm.v :

) ( )

( d t

L k ln L

v

64 l

l 2

247 8 , 5 ln 247 14 , 3 2

120 d

.

L k ln L 2

2 2

tt v

áp phân bố không đều, sau một thời gian, ảnh hởng của điện cảm mất dần

và điện áp phân bố sẽ đều hơn Nếu thời gian này T<<đs thì ta coi nh là nối

Hình 2.6: Sơ đồ thay thế đầy đủ của hệ thống nối đất

Tuy nhiên giá trị của điện cảm lớn hơn rất nhiều so với giá trị cảm của nó

và ảnh hởng của thành phần điện dung là rất nhỏ hơn so với thành phần

điện dẫn nên trong sơ đồ thay thế ta bỏ qua thành phần điện trở và điệndung Từ đó ta có sơ đồ thay thế nh hình sau:

Hình 2.6: Sơ đồ tính toán thực tế của hệ thống nối đất.

Thời gian quá độ của quá trinh phân bố lại điện áp trong hệ thống phụthuộc vào hằng số thời gian T L0.G0.l2

Trong đó: + L0 là giá trị điện cảm đơn vị

 H/m

, r

/ L ln ,

+ l là chiều dài điện cực: l = L/2

+ R là điện trở xoay chiều tính cho mùa sét

* Tính toán các tham số L 0 và G 0

- Xác định L0: từ công thức (2-6) ta có