tính toán nối đất cho trạm biến áp 220/110 KV

I. Kh¸i niÖm chung. T¸c dông cña nèi ®Êt trong hÖ thèng ®iÖn lµ ®Ó t¶n dßng ®iÖn sÐt xuèng ®Êt, ®¶m b¶o ®iÖn thÕ trªn c¸c vËt nèi ®Êt nhá.Trong HT§ cã 3 lo¹i nèi ®Êt kh¸c nhau : Nèi ®Êt an toµn. Nèi ®Êt lµm viÖc. Nèi ®Êt chèng sÐt.

tính toán nối đất cho trạm 220/110kV.

I Khái niệm chung.

Tác dụng của nối đất trong hệ thống điện là để tản dòng điện sét xuống

đất, đảm bảo điện thế trên các vật nối đất nhỏ.Trong HTĐ có 3 loại nối đất khác nhau :

Nối đất an toàn

Nối đất làm việc

Nối đất chống sét

1 Nối đất an toàn:

Nối đất an toàn có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho ngời khi cách điện của thiết bị bị h hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thờng không mang điện ( vỏ máy, thùng máy biến áp, các giá đỡ kim loại …) Khi cách điện bị h) Khi cách điện bị h hỏng trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế nhng do đã đợc nối đất nên mức điện thế thấp Do đó đảm bảo

an toàn cho ngời khi tiếp xúc với chúng

2 Nối đất làm việc :

Nối đất làm việc có nhiệm vụ đảm bảo sự làm việc bình thòng của thiết bị hoặc một số bộ phận của thiết bị làm việc theo chế độ đã đợc quy định sẵn Loại nối đất này bao gồm: Nối đất điểm trung tính MBA trong HTĐ có điểm trung tính nối đất, nối đất của MBA đo lờng và của các kháng điện bù ngang trên các đờng đây tải điện đi xa

3 Nối đất chống sét:

Nhiệm vụ của nối đất chống sét là tản dòng điện sét trong đất (khi có sét

đánh vào cột thu sét hoặc trên đờng đây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn …) Khi cách điện bị hdo đó cần hạn chế các phóng điện ngợc trên các công trình cần bảo vệ

ở các NMĐ và TBA về nguyên tắc là phải tách rời 2 hệ thống nối đất bảo

vệ và làm việc để đề phòng khi có dòng điện ngắn mạch quá lớn (hay dòng

thống nối đất an toàn Tuy nhiên trên thực tế khó thực hiện vì nhiều lí do Cho nên thờng chỉ dùng 1 hệ thống để làm hai nhiệm vụ Vì vậy hệ thống nối đất chung ấy phải thỏa mãn yêu cầu của các thiết bị cần có điện trở nối đất bé nhất

4 Các tham số dùng để tính toán:

Điện trở suất của đất  = 95 (.m)

Thực tế đất là một môi trờng phức tạp và không đồng nhất về thành phần

Điện trở suất của đất phụ thuộc vào độ ẩm, thành phần nhiệt độ…) Khi cách điện bị hDo khí hậu của các mùa thay đổ nên độ ẩm, nhiệt độ của đất luôn luôn thay đổi Vì vậy trong khi thiết kề hệ thống nối đất thì với mỗi cực khác nhau ta phải hiệu chỉnh  theo hệ số mùa:=đo.kmùa

Với nối đất an toàn và làm việc:

Khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8(m) thì kmùa=1,6

Khi dùng cọc dài 2m3m chôn sâu 0,8(m) thì hệ số kmùa=1,4

Với nối đất chống sét ta có :

Khi dùng thanh chôn sâu 0,8(m) thì hệ số kmùa=1,2

Khi dùng cọc nối 2(m)3(m) chôn sâu 0,8(m) thì hệ số kmùa=1,15

II Nối đất an toàn.

Với cấp điện áp lớn hơn 110(kV) nối đất an toàn phải thỏa mãn điều kiện là:

Điện trở nối đất của hệ thống phải có giá trị R0,5 Điều kiện này xuất phát từ việc ở cấp điện áp lớn hơn 110kV dòng ngắn mạch lớn,khi chạm vỏ hoặc khi rò điện thì dòng điện sẽ rất lớn gây nguy hiểm

ở cấp điện áp Uđm  110(kV) do có độ dự trữ cách điện cao nên ta sử dụng chung nối đất an toàn, nối đất làm việc, nối đất làm việc thành một hệ thống

Điện trở nối đất của hệ thống phải thỏa mãn các điều kiện sau :

Ω

≤ 0 , 5 R

+ R

R R

= R //

R

= R

TN NT

TN NT TN

NT HT

Trong đó :

RTN- là điện trở nối đất tự nhiên

RNT- là điện trở nối đất nhân tạo

RNT ≤ 1 Ω

1.Nối đất tự nhiên.

Nối đất tự nhiên bao gồm các dạng sau:

Các hệ thống ống dẫn nớc,các ống kim loại chôn dới đất không chứa các chất dễ cháy, nổ

Hệ thống sét cột đờng dây tải điện

Các kết cấu kim loại của trạm nh móng nhà, tờng trạm

Trong phạm vi của đề tài ta chỉ xét nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét cột đờng dây110(kV),220(kV) tới trạm

Ta có công thức tính toán trạm nh sau:

4 + R

R + 2 1

R

= R

CS C

C TN

Trong đó:

RCS điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vợt

RC là điện trở nối đất của cột điện

Tính RCS:

Dây chống sét ta sử dụng loại C-70 có r0=2,38(/km)

Khoảng vợt của đờng dây 220(kV) là l=150(m)

Giả thiết các khoảng vợt có độ dài nh nhau:

RCS =r0.l=2,38.150.10-3 = 0,357()

Điện trở nối đất của cột điện RC:

Với đo=9,5.104(.cm) thì RC=13()

Do kết cấu của trạm có 3 lộ 110(kV) và 2 lộ 220(kV) nên điện trở nối đất

tự nhiên sẽ là:

3

1 4

1 + 357 , 0

13 + 2 1

13

= 3

1 4

1 + R

R + 2 1

R

= R

CS C

C 110

TN

2

1 4

1 + 357 , 0

13 + 2 1

13

= 2

1 4

1 + R

R + 2 1

R

= R

CS C

C 220

TN

Từ đó ta có:

Ω 396 , 0

= 99 , 0 + 66 , 0

99 , 0 66 , 0

= R + R

R R

=

R

220 TN 110 TN

220 TN 110 TN TN

* ) Nhận xét :

Ta thấy rằng Rtn < 0,5 Ω, vì vậy về mặt lý thuyết ta không phải nối đất bổ sung mà chỉ cần sử dụng Rtn là đủ đạt yêu cầu cho hệ thống nối đất an toàn Tuy nhiên nối đất tự nhiên có thể xẩy ra biến động, chính vì vậy ta vẫn cần phải nối đất nhân tạo

2.Nối đất nhân tạo.

Đối với nối đất nhân tạo cho trạm biến áp thì có nhiều cách thức khác nhau nh nối đất kiểu lới, kiểu mạch vòng …) Khi cách điện bị h

Nhng ở đây ta sẽ sử dụng nối đất dạng mạch vòng xung quanh trạm bằng các thanh nối dẹt Kích thớc của trạm có dạng hình chữ nhật, các cạnh có chiều dài là l1=109(m), l2=111(m) Do đó ta sử dụng mạch vòng nối đất hình chữ nhật có các kích thớc nh sau :l1=109(m), l2=111(m) (Ta lấy mỗi đầu lùi lại 1(m) để cách xa móng tờng bao quanh trạm)

Công thức tính điện trở mạch vòng :

d t

L K ln L 2

= R

2 tt

mv

π

ρ

Trong đó :

L:Chu vi của mạch vòng

L=(l1+l2).2=(109 + 111).2 = 440(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

tt=đo.kmùa= 0,95.1,2.104 = 1,14.104(.cm)

d: Đờng kính của thanh làm mạch vòng (Nếu thanh dẹt có bề rộng

là b thì

2

b

=

d ).ta chọn thanh có bề rộng là d = 4(cm)

Do đó :

m 02 , 0

= cm 2

= 2

4

= 2

b

=

k: là hệ số phụ thuộc vào tỷ số

2

1

l

l Giá trị của )

l

l (

= k

2

1

.Đợc cho ở bảng sau)

Bảng 2-1

Ta có : = 1 , 012

109

111

= l

l

2

1

Từ đồ thị ta ta xách định đợc k ≈ 4 , 7

Thay các giá trị trên vào công thức tính Rmv ta đợc:

Ω Ω π

ρ

1

<

698 , 0

= 02 , 0 8 , 0

440 7 , 4 ln 440 14 , 3 2

10 14 , 1

= d t

L K ln L 2

= R

2 2

2 tt

mv

Ta thấy rằng Rmv<1(), vậy mạch vòng nối của ta đạt tiêu chuẩn về nối

đất an toàn Lúc này

Ω 253 , 0

= 698 , 0 + 396 , 0

698 , 0 396 , 0

= R + R

R R

= R

NT TN

NT TN

Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật RHT  0,5()

III Nối đất chống sét

1.Dòng điện sét trong hệ thống nối đất

Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất và nếu tốc độ biến thiên của dòng điện sét theo thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu của điện cảm của

0

2

4

6

8

10

12

2

k

Hình (2-1): Đồ thị k=f(l1/l2)

khu vực nối đất sẽ ngăn cản không cho dòng điện đi tới phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều Trong thời gian về sau ảnh hởng của điện cảm mất dần và điện áp sẽ phân bố đều hơn

Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian TL.g.l2 Nh vậy T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng( L.l) và điện dẫn tổng g.l=1/

R của điện cực

Từ công thức trên ta thấy rằng khi dòng điện tản trong đất là dòng một chiều hoặc dòng xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh hởng của L không

đáng kể và bất kỳ hình thức nối đất nào(thẳng đứng hoặc nằm ngang )cũng

đều biểu thị trị số điện trở tản

Khi dòng điện đi vào trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối

đất tùy thuộc vào tơng quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng của dòng điện

Khi T<<đs thì tới lúc cần xét (khi dòng điện sét đạt trị số cực đại) quá trình quá độ đã kết thúc và nối đất thể hiện nh một điện trở tản.Trong trờng hợp này ứng với hình thức nối đất tập trung

Nếu điện cực dài, hằng số thời gian có thể đạt tới mức đs và tại thời điểm dòng điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ cha kết thúc, nối đất thể hiện nh một tổng trở Z và có trị số rất lớn so với trị số điện trở tản Trờng hợp này đợc gọi là nối đất phân bố dài

Trong khi ta thiết kế bảo vệ chống sét cho các trạm biến áp thờng thì hệ thống nối đất chống sét đợc nối chung với mạch vòng nối đất an toàn, tạo thành một hệ thống nối đất chung (chỉ áp dụng cho cấp điện áp Uđm 

110kV) Do vậy nối đất chống sét sẽ là nối đất phân bố dài Khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất, tổng trở xung kích ZXKcó thể lớn gấp nhiều lần so với điện trở nối đất và có thể gây phóng điện ngợc tới các thiết bị điện của trạm Do đó ta phải tính toán kiểm tra yêu cầu của nối đất chống sét khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất

2.Các yêu cầu cần kiểm tra.

Đối với TBA 220/110(kV) khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất thì dòng điện sét I đi vào phải thỏa mẵn điều kiện :

Uđ = I.ZXK(0, đs) < U0,5MBA

Trong đó :

I : là biên độ của dòng điện sét

ZXK(0, đs) : là tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất

Đối với MBA 110(kV) U0,5MBA= 460(kV)

Đối với MBA 220(kV) U0,5MBA=900(kV)

Vậy điều kiện của nối đất chống sét là Uđ < U0,5MBA= 460(kV)

3.Dạng sóng tính toán của dòng điện sét

Trong tính toán thiết kế ta chọn dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi Dạng sóng của dòng điện sét đợc cho nh đồ thị dới đây:

Phơng trình của dòng điện sét có dạng nh sau:

Biên độ của dòng sét đợc qui định là I = 150(kA)

Độ dốc của dòng sét là:a = 30(kA/s)

Thời gian đầu sóng là : đs=I/a=150/30=5(s)

Khi tính toán đợc giá trị tại chỗ điện sét đi vào nối đất Uđ ta phải so sánh với U50%MBA= 460(kV).Nếu Uđ không thỏa mãn thì ta phải tiến hành nối đất bổ xung

4.Tính toán lại trị số của điện trở nối đất nhân tạo theo yêu cầu của nối

đất bổ xung.

I

S(A)

I

t(s)



đs

Hình

(2- 2)

a.t khi t < đs

IS =

I khi t > đs

Do việc sử dụng một hệ thống nối đất chung cho cả nối đất an toàn và nối

đất chống sét nên ta phải tính toán lại điện trở nối đất nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét

Vì trong nối đất chống sét :

Khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8(m) thì kmùa=1,25

Khi dùng cọc dài 2(m) 3(m) chôn sâu 0,8(m) thì kmùa=1,15(m).Nên ta có

) antoan (

k

) antoan (

R

= ) set (

mua

mv mv

) antoan (

k

) antoan (

R

= ) set

(

mua

coc coc

mv coc

c mv

mv coc

NT

).

set ( R + n ).

set ( R

) set ( R ).

set ( R

= ) set

(

R

η η

Vì ở đấy nối đất nhân tạo chỉ cần một mạch vòng xung quanh trạm là

đủ.Ta không cần đóng thêm cọc nên ta có

Ω 545 , 0

= 6 , 1

25 , 1 698 , 0

= ) set ( k ) antoan (

k

) antoan (

R

= ) set ( R

= )

set

(

mua

mua mv

NT

5.Tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét

Để tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét ta xét các điều kiện sau : + Bỏ qua nối đất tự nhiên

+ Trong tính toán đẻ đơn giản ta bỏ qua điện trở tác dụng R Vì nó rất nhỏ so với điện cảm của nó và vì ảnh hởng của điện dung cũng rất nhỏ nên ta

bỏ qua điện dung C

+ Không xét quá trình phóng điện trong đất (không xét đến hiện tợng giảm điện áp và giảm mật độ dòng điện ở các phần xa của điện cực)

+ Ta xem mạch vòng của hệ thống nối đất là sự gép song song của hai tia Chiều dài của một tia là :

l=L/2 Với L=440 m là chu vi của mạch vòng l = L/2 = 440/2 = 220m

Sơ đồ thay thế cuả một tia là:

Trong sơ đồ thay thế trên thì :

L:Là điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài

G:Là điện dẫn của điện cực theo đơn vị dài

L= 0,2[ln(l/r) - 0,31] μH/m.

Trong đó :

L:Là chiều dài cực

R:Là bán kính cực (ở phần trớc ta đã chọn mạch vòng là thép dẹt

có bề rộng b = 0,04(m) Do đó :r=b/4=0,01(m))

Ta có :

L = 0,2[ln(l/r)-0,31] = 0,2[ln(220/0,01) - 0,31] = 1,94 (μH/m).

G =1/(2.RNT(sét).l) =1/(2.0,545 220) = 4,17.10-3 1/(.m)

Từ sơ đồ thay thế ta có hệ phơng trình vi phân :

u G

= t l

t

i I

= x u

δ δ

δ

δ δ

δ

l

Hình (2-3)

G L

Hình (2- 4)

Giải hệ phơng trình này ta đợc điện áp tại điểm bất kỳ và tại thời điểm t trên điện cực:

l

x k cos ) e 1 ( k

1 T 2 + t [ l G

a

= t , x U

1

= k

T t

2 1

-Từ đó ta suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất

k

1 t

T 2 + 1 [ l G

1

= t , 0 Z

1

= k

T t

2

1 ∑∞ - - K

Với :

2 2 2 k

k

l G L

= T

π (hằng số thời gian)

2 2 1

.

l G L

= T

π ; k .

T

=

k

Do coi hệ thống nối đất là sự gép song song của hai tia nên tổng trở xung kích của hệ thống nối đất tại thời điểm t = đs sẽ là :

k

1 T 2 + 1 [ l G 2

1

= , 0 Z

1

= k

T 2

ds

1 ds

K ds

τ τ

Từ công thức trên ta thấy tổng trở xung kích của nối đất gồm hai thành phần:

Thành phần biến thiên theo thời gian t (thành phần cảm ứng )

Thành phần ổn định có trị số bằng trị số điện trở xoay chiều là:1/(2.G.l) Tổng trở xung kích của hệ thống nối đất tiến tới trị số ổn định càng nhanh thì trị số điện trở tản càng ngắn Chiều dài của điện cực càng lớn thì điện áp ở

đầu cuối càng bé điều này chứng tỏ các phần ở cuối của điện cực phát huy tác dụng kém

Để xác định đợc Z(0, đs),ta xét các chuỗi số sau:

6

=

+ k

1 +

+ 2

1 + 1

1

= k

2 2

2 1

= k 2

π

Chuỗi số: 1 .e T = e T +e T + + e T +

K ds 2

ds 1

ds

K ds

τ -τ

-τ

-τ

-∞

Trong chuỗi số này ta chỉ xét đến số hạng chứa e-4(Từ số hạng e-5 trở đi có giá trị rất nhỏ so với các số hạng trớc nên ta có thể bỏ qua ).Tức là ta tính với

k sao cho :

4

Tk

ds ≤

τ

kZ+.Ta có :

4

k T

= T

2 1 ds k

ds τ ≤

τ

hay

ds

1

2 4 T k

τ

≤ (kZ+)

5 14 , 3

220 10 17 , 4 94 , 1 2

=

l G L 2

=

T 2

2 3

ds 2 2

ds 1

-τ π τ

Ta chọn k trong khoảng từ 16 (kZ+)

s 7 , 39

= 14

, 3

220 10 17 , 4 94 , 1

=

l G

.

L

=

2 3

2 2

π

-Với 16 (kZ+) ta có bảng kết quả sau :

Bảng 2-2

k

ds

T

K

ds

T

e

τ

2

T

k

e K

ds

τ

-0,882 0,133 0,0358 0,0083 0,0017 0,00031

Từ bảng trên ta có

061 , 1

= e k

1 dsK

T 6

1 k 2

τ

Vậy:

5

7 , 39 2 + 1 [ 220 10 17 , 4 94 , 1

1

= , 0

Uđ=I.Z(0, đs)=150.5,77=865,5 (kV)

Vì Uđ = 865,5(kV) > U50%MBA= 460(kV) nên ta phải tiến hành nối đất bổ xung để đảm bảo không có phóng điện ngợc

6.Nối đất bổ sung.

Trong nối đất bổ sung ta sử dụng dạng nối đất tập trung gồm thanh và cọc

Do việc xác định Zbsbằng lý thuyết lại rất kho khăn nên ta chọn hình thức nối

đất bổ xung nh sau:

Chọn thanh nối đất bổ xung là loại thép dẹt có:

Chiều dài lT=12(m)

Bề rộng bT=0,04(m)

Dọc theo chiều dài thanh có chôn 3 cọc tròn có :

Chiều dài cọc lcọc=3(m)

Đờng kính d=0,04(m)

Khoảng cách giữa hai cọc a=6(m)

Độ chôn sâu t=0,8(m)

Sơ đồ nối đất của hệ thống khi có nối đất bổ xung nh sau :

Sơ đồ nối đất của tia :

Nối đất đợc tính toán cho chống sét nên ta lấy hệ số kmùanh sau:

Đối với thanh ngang chôn sâu t=0,8(m);kmùa=1,2

Đối với cọc dài 3m chôn sâu t=0,8(m);kmùa=1,15

6.1.Điện trở của thanh.

Công thức sử dụng để tính toán :

t’

Hình (2-5)

t=0,8m l

T

l

cọc

a

Hình (2- 6)

T 2

T

T tt T

d t

l k ln l 2

= R

π ρ

Trong đó :

l-là chiều dài của thanh l=12(m)

t-độ chôn sâu của thanh làm tia t=0,8(m)

tt T -điệ trở suất tính toán của đất đối với thanh làm tia chôn ở

độ sâu t

m 10 14 , 1

= cm 10 14 , 1

= 2 , 1 10 95 , 0

= k

mua o T

ρ d-đờng kính thanh làm tia Vì ta chọn thanh dẹt có bề rộng b=0,04(m) nên d=b/2=0,02(m)

k-hệ số hình dáng Lấy k=1 Do nối đất là tia ngang

thay các giá trị vào công thức ta đợc

Ω π

ρ

78 , 13

= 02 , 0 8 , 0

12 1 ln 12 14 , 3 2

10 14 , 1

= d t

l k ln l 2

= R

2 2

T

T 2

T

T tt T

Vậy điện trở của thanh bổ xung là :RT=13,78()

6.2.Điện trở của cọc.

Công thức sử dụng để tính toán :

] l ' t 4

l + ' t 4 ln 2

1 + d

l 2 ln [ l 2

= R

coc

coc coc

coc

C tt C

-π

ρ

Trong đó :

tt C- là điện trở suất của đất đối với cọc chôn ở độ sâu t=0,8(m)

= k = 0 , 95 1 , 15 10 4 = 1 , 09 10 4 cm = 1 , 09 10 2 m

mua do C

ρ d- là đờng kính cọc : d = 0,04(m); t’= lcọc/2 + t = 3/2 + 0,8 = 2,3(m)

Thay các giá trị vào công thức trên ta đợc :