(Tiểu luận) bài tập dài đề tài thiết kế bảo vệ chống sét trạm biến áp 220 110kv

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN HỆ THỐNG ĐIỆN ====o0o==== BÀI TẬP DÀI ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRẠM BIẾN ÁP 220/110kV Giảng viên hướxng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp: MSSV: PGS.TS TRẦN VĂN TỚP TRẦN ANH TUẤN Điện 02 – K63 20181294 Hà Nội, 11-2021 h Mục Lục A Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp……………………3 I, Khái quát chung………………………………………………………………………3 II, Các yêu cầu kĩ thuật………………………………………………………………….3 III, Phạm vi bảo vệ cột thu sét …………………………………………………… 1, Phạm vi bảo vệ cột thu sét độc lập………………………………………… 2, Phạm vi bảo vệ hay nhiều cột thu sét có độ cao giống nhau………………5 3, Phạm vi bảo vệ hay nhiều cột thu sét có độ cao khác nhau……………… 4, Phạm vi bảo vệ nhóm cột ( số cột >2 )………………………………….6 5, Phạm vi bảo vệ dây thu sét………………………………………………… IV, Tính tốn phương án bảo vệ chống sét đánh cho trạm biến áp…………………8 1, Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ……………………………………………………8 2, Sơ đồ mặt …………………………………………………………………10 3, Sơ đồ mạch đường dây………………………………………………………….10 4, Sơ đồ mạch máy biến áp……………………………………………………… 11 5, Sơ đồ mặt đơn giản ……………………………………………………….11 6, Tính tốn phương án chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp………………11 B Thiết kế hệ thống nối đất………………………………………………………………22 I, Khái quát chung…………………………………………………………………… 22 II, Các yêu cầu kĩ thuật……………………………………………………………… 22 III, Lý thuyết tính tốn nối đất……………………………………………………… 24 1, Tính tốn nối đất an tồn……………………………………………………… 24 2, Tính tốn nối đất chống sét…………………………………………………… 27 IV, Tính tốn nối đất an toàn………………………………………………………….30 1, Nối đất tự nhiên…………………………………………………………………30 2, Nối đất nhân tạo ……………………………………………………………… 31 V, Tính tốn nối đất chống sét ……………………………………………………… 32 1, Tính tốn nối đất chống sét kiểm tra điều kiện phóng điện………………….32 2, Nối đất bổ sung…………………………………………………………………33 h A Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp I Khái quát chung Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây trạm biến áp thể thống Trong trạm biến áp phần tử quan trọng, thực nhiệm vụ truyền tải phân phối điện Do thiết bị trạm bị sét đánh trực tiếp dẫn đến hậu nghiêm trọng làm hỏng thiết bị trạm mà cịn ảnh hưởng lớn đến tồn hệ thống điện Do việc tính tốn bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp quan trọng Qua đó, ta đưa phương án bảo vệ trạm cách an toàn kinh tế Nhằm đảm bảo toàn thiết bị trạm bảo vệ an toàn khỏi sét đánh trực tiếp Ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào thiết bị trạm ta phải ý đến việc bảo vệ cho đoạn đường dây gần trạm đoạn dây dẫn nối từ xà cuối trạm cột đường dây Do tùy trạm cụ thể mà ta thiết kế hệ thống thu sét phù hợp đáp ứng nhu cầu kỹ thuật kinh tế trạm II Các yêu cầu kỹ thuật Tất thiết bị bảo vệ cần phải nằm 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 cơng trinhg xà, cột đèn chiếu sáng… đặt độc lập Khi đặt hệ thống cột 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 nhỏ: - 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 phân phối Theo đường ngắn cho dòng điện I, khuếch tán vào đất theo – 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 4𝛺 - Nơi yếu trạm biến áp 110 kV trở lên cuộn dây máy biến áp Vì dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp yêu cầu khoảng cách điểm nối đất vào hệ thống nối đất hệ thống thu sét vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn 15m - Khi đặt cách ly hệ thống thu sét cơng trình phải có khoảng cách troPhần dẫn điện hệ thống thu sét phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt độ có dịng điện sét qua h III Phạm vi bảo vệ cột thu sét Phạm vi bảo vệ cột thu sét độc lập - Phạm vi bảo vệ cột thu sét miền giới hạn mặt ngồi hình chóp trịn xoay có đường kính xác định cơng thức 𝑟𝑥 = h: 1,6 ℎ 1+ ℎ𝑥 (ℎ − ℎ𝑥 ) độ cao cột thu sét ℎ𝑥 : độ cao vật cần bảo vệ h-ℎ𝑥 : độ cao hiệu dụng cột thu sét 𝑟𝑥 : bán kính phạm vi bảo vệ - Để dễ dàng thuận tiện tính tốn thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ dạng đơn giản hóa với đường sinh hình chóp có dạng đường gãy khúc biểu diễn hình - Bán kính bảo vệ mức cao khác tính tốn theo cơng thức sau: ℎ𝑥 + Nếu ℎ𝑥 ≤ h 𝑟𝑥 = 1,5h(1 − 0,8ℎ ) ℎ + Nếu ℎ𝑥 > h 𝑟𝑥 = 1,75h (1 − ℎ𝑥) h  Công thức áp dụng với cột thu sét cao 30m Phạm vi bảo vệ hai hay nhiều cột thu sét có độ cao giống - Phạm vi bảo vệ cột thu sét kết hợp lớn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệ cột đơn Nhưng để cột thu sét phối hợp khoảng cách a cột phải thỏa mã điều kiện a < 7h (h chiều cao cột) - Khi cột thu sét có độ cao h, đặt cách khoảng a (a ℎ0 𝑟0𝑥 = 1,5ℎ0 (1 ℎ0 𝑟0𝑥 = 0,75ℎ0 (1 - ℎ𝑥 0.8ℎ0 ℎ𝑥 ) ) ℎ0 Khi chiều cao cột thu sét vượt q 30m cịn phải tính ℎ0 theo cơng thức a 5,5 ℎ0 = ℎ (với p = ) √ℎ 7𝑝 h - Phạm vi bảo vệ hai cột thu sét có độ cao khác - Trước tiên vẽ phạm vi bảo vệ cột cao ℎ1 , sau qua đỉnh cột thấp ℎ2 vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh phạm vi bảo vệ cột cao điểm Điểm xem đỉnh cột thu sét giả định, với cột thấp ℎ2 hình thành đơi cột độ cao cách ℎ2 đoạn a’ Phần lại giống phạm vi bảo vệ cột với a’ = a – x Giả sử có cột thu sét, cột có chiều cao ℎ1 , cột có chiều cao ℎ2 ℎ1 > ℎ2 Hai cột cách khoảng a x= 1,6(ℎ1 −ℎ2 ) ℎ 1+ ℎ1 - Sơ đồ phạm vi bảo vệ cột thu sét khác chiều cao - Phạm vi bảo vệ nhóm cột (số cột > 2) - Sơ đồ phạm vi bảo vệ nhóm cột Một nhóm cột hình thành đa giác phạm vi bảo vệ toàn miền đa giác phần giới hạn bao giống đơi cột h - - Vật có độ cao ℎ𝑥 nằm đa giác hình thành cột thu sét bảo vệ thỏa mãn điều kiện: D ≤ 8ℎ𝑎 = 8(h - ℎ𝑥 ) Với D đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành cột thu sét Khi độ cao cột thu sét lớn 30m điều kiện bảo vệ cần hiệu chỉnh theo p = 5,5 √ℎ D ≤ (h - ℎ𝑥 ) p Phạm vi bảo vệ dây thu sét a) Phạm vi bảo vệ dây thu sét độc lập - Phạm vi bảo vệ dây thu sét độc lập dải rộng Chiều rộng phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao ℎ𝑥 biểu diễn hình vẽ h - Mặt cắt thẳng đứng theo phương vng góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta có hồnh độ 0,6h 1,2h ℎ𝑥 + Nếu ℎ𝑥 ≤ ℎ0 𝑏𝑥 = 1,2h(1) 0.8ℎ ℎ𝑥 + Nếu ℎ𝑥 > ℎ0 𝑏𝑥 = 1,2h(1) ℎ  Chú ý: Khi độ cao cột lớn 30m điều kiện bảo vệ cần 5,5 hiệu chỉnh theo p = √ℎ b) Phạm vi bảo vệ hai dây thu sét - Để phối hợp bảo vệ dây thu sét phải đảm bảo khoảng cách dây 𝑠 < 4ℎ Với khoảng cách s dây bảo vệ điểm độ cao ℎ ℎ0 = ℎ − - Sơ đồ phạm vi bảo vệ dây thu sét h - Phần phạm vi bảo vệ giống dây phần bên giới hạn vòng cung qua điểm hai điểm treo dây thu sét điểm có độ cao ℎ0 = ℎ − IV 𝑠 so với đất Tính tốn phương án bảo vệ chống sét đánh cho trạm biến áp Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ - Trạm biến áp: Trạm 220/110kV Số lượng MBA: máy Sơ đồ nối điện chính: Phía 220kV: sơ đồ góp, đường dây 220kV Phía 110kV: sơ đồ góp có góp vịng, đường dây 110kV h - Độ cao xà đón dây 220 kV: 16,7m; độ cao xà góp 220 kV: 10,4m Độ cao xà đón dây 110 kV: 11,4m; độ cao xà góp 110 kV: 7,7m Khoảng cách pha phía 220kV: 4,3m Khoảng cách pha phía 110kV: 2,3m Khoảng cách sân 220/110kV: 24m Tổng diện tích trạm: 22418,24𝑚2 10 h mv = 1, • Dùng ngang chơn sâu 0,8 m K ms mv = 1, • Dùng cọc dài 2-3 m chơn sâu 0,8 m K ms Với nối đất an toàn làm việc: mv = 1, 25 • Dùng ngang chơn sâu 0,8 m K ms mv = 1,15 • Dùng cọc dài 2-3 m chơn sâu 0,8 m K ms Nối đất chống sét thông thường nối đất cột thu sét, cột điện nối đất hệ thống thu sét trạm biến áp nhà máy điện Do phận nối đất cột thu sét cột điện thường bố trí độc lập (khơng có liên hệ với phận khác) nên cần sử dụng hình thức nối đất tập trung để có hiệu tản dòng điện tốt Khi đường dây qua vùng đất ẩm (   3,104  cm) nên tận dụng phần nối đất có sẵn móng chân cột bê tông để bổ sung thay cho phần nối đất nhân tạo Đối với nối đất hệ thống thu sét trạm biến áp phận thu sét đặt xà trạm phần nối đất chống sét buộc phải nối chung với mạch vịng nối đất an tồn trạm Lúc xuất nối đất phân bố dài làm Z xk lớn làm tăng điện áp giáng gây phóng điện đất Do việc nối đất chung thực với trạm biến áp có cấp điện áp U  110kV Ngồi cịn phải tiến hành số biện pháp bổ sung, khoảng cách theo mạch dẫn điện đất từ chỗ nối đất hệ thống thu sét phải từ 15m trở lên III Lý thuyết tính tốn nối đất Tính tốn nối đất an toàn Với cấp điện áp lớn 110kV nối đất an toàn phải thoả mãn điều kiện: • Điện trở nối đất hệ thống có giá trị 𝑅 ≤ 0,5𝜴; • Cho phép sử dụng nối đất an toàn nối đất làm việc thành hệ thống Điện trở nối đất hệ thống: 𝑹HT = 𝑹NT //𝑹TN = 𝑹NT 𝑹TN 𝑹NT +𝑹TN ≤ 𝟎, 𝟓𝜴 (3-1) Trong đó: • RTN điện trở nối đất tự nhiên; • RNT điện trở nối đất nhân tạo (𝑅 < 1𝜴) ➢ Nối đất tự nhiên: Trong phạm vi đề tài ta xét nối đất tự nhiên trạm hệ thống chống sét đường dây cột điện 110kV 220kV tới trạm Cơng thức tính tốn sau: 25 h RC RTN = n RC + + RCS (3-2) Trong đó: • • n số lộ đường dây có treo dây chống sét; RC điện trở nối đất cột điện; • RCS điện trở dây chống sét khoảng vượt; RCS = • r0 lKV N (3-3) N số dây chống sét lộ ➢ Nối đất nhân tạo: Xét trường hợp đơn giản trường hợp điện cực hình bán cầu Dịng điện chạm đất I qua điểm cố tạo nên điện áp giáng phận nối đất Theo tính tốn xác định phân bố điện áp mặt đất theo công thức: I  (3-4) 2. r Trong thực tế nối đất có hình thức cọc dài  3m sắt trịn hay sắt góc chơn thẳng đứng: dài chôn nằm ngang độ sâu 0,5  0,8m đặt theo hình tia mạch vịng hình thức tổ hợp hình thức Trị số điện trở tản hình thức nối đất cọc xác định theo công thức cho trước Ur = Đối với nối đất chơn nằm ngang dùng cơng thức chung để tính trị số điện trở tản xoay chiều: R=  K L2 ln 2. l d t (3-5) Trong đó: • • • L chiều dài tổng điện cực (m); t độ chôn sâu dài (m); d đường kính điện cực dùng sắt tròn (m); b Nếu dùng sắt dẹt trị số d thay với b chiều rộng sắt dẹt • K hệ số hình dạng phụ thuộc vào tỷ lệ l  l1 Giá trị K = f   l2  l2  cho bảng đồ thị: 26 h l1 / l2 1,5 K 5,53 5,81 6,42 8,17 10,4 Bảng 3.1: Bảng giá trị hệ số hình dạng K Từ bảng ta xây dựng đồ thị Sơ đồ 3.1: Đồ thị giá trị hệ số hình dạng K Khi hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia theo chu vi mạch vòng, điện trở tản hệ thống tính theo cơng thức: Rht = Rt Rc Rc  t + n.Rt c (3-6) Trong đó: • Rc điện trở tản cọc; • Rt điện trở tản hệ thống hình tia mạch vịng; •  t hệ số sử dụng tia dài mạch vịng; •  c hệ số sử dụng cọc Tính tốn nối đất chống sét Hai q trình đồng thời xảy có dịng điện tản đất: • Quá trình độ phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực; • Q trình phóng điện đất Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung) khơng cần xét q trình q độ mà cần xét q trình phóng điện đất Ngược lại nối đất dùng hình thức tia dài mạch vịng (phân bố dài) đồng thời phải xem xét đến hai trình, chúng có tác dụng khác hiệu nối đất 27 h Điện trở tản xung kích nối đất tập trung: Qua nghiên cứu tính tốn người ta thấy điện trở tản xung kích khơng phụ thuộc vào kích thước hình học điện cực mà quy định biên độ dịng điện I, điện trở suất  đặc tính xung kích đất Trị số điện trở tản xoay chiều nối đất tỉ lệ với  nên hệ số xung kích tính cơng thức:  xk = Rxk = R I  (3-7) Dạng tổng quát biểu thị dạng:  xk = f ( I  ) (3-8) Tính tốn nối đất phân bố dài khơng xét tới q trình phóng điện đất Sơ đồ đẳng trị nối đất thể sau: Hình Error! No text of specified style in document Sơ đồ đẳng trị hệ thống nối đất Trong trường hợp bỏ qua điện trở tác dụng R nhỏ so với trị số điện trở tản, đồng thời không cần xét đến phần điện dung C trường hợp sóng xung kích, dịng điện dung nhỏ so với dòng điện qua điện trở tản Lúc sơ đồ đẳng trị có dạng thu gọn sau: Hình Error! No text of specified style in document Sơ đồ đẳng trị thu gọn 28 h Trong đó: • L0 điện cảm điện cực đơn vị dài; • G0 điện dẫn điện cực đơn vị dài  l   μH  L0 = 0, ln   − 0,31    r  m  G0 = (3-9) 2.l.RNTSET (3-10) Với l chiều dài cực b r bán kính cực phần trước cực thép dẹt có bề rộng b (m) r = Gọi Z ( x, t ) ) điện trở xung kích nối đất kéo dài, hàm số khơng gian thời gian t : Z ( x, t ) = U ( x, t ) I ( x, t ) (3-11) U ( x, t ) , I ( x, t ) dòng điện điện áp xác định từ hệ phương trình vi phân: I   U − x = L0 t  (3-12)   − I = G U   x  Giải hệ phương trình 3-12 ta điện áp điểm thời điểm t điện cực:  −  a   k x Tk U ( x, t ) = t + 2T1  1 − e  cos    G0 l  l  k=1 k     Từ ta suy tổng trở xung kích điểm đầu vào nối đất:  −   Tk Z ( 0, t ) = t + 2T1  1 − e  G0 l  k=1 k   Với số thời gian Tk =     (3-13) (3-14) L0 G0 l L0 G0 l T T = , đặt ta có Tk = 12 2 k   k Tính tốn nối đất phân bố dài có xét q trình phóng điện đất: Việc giảm điện áp mật độ dòng điện phần xa điện cực làm cho q trình phóng điện đất nơi có yếu so với đầu vào nối đất Do điện dẫn nối đất (trong sơ đồ đẳng trị) phụ thuộc vào I,  mà cịn phụ thuộc vào toạ độ Việc tính tốn tổng trở phức tạp giải 29 h phương pháp gần đúng.Ở phạm vi đề tài ta bỏ qua q trình phóng điện đất Đối với TBA 220/110kV có dịng điện sét vào hệ thống nối đất dịng điện sét I vào phải thỏa mãn điều kiện: U d = Z ( 0, ds ) I  U 50%MBA (3-15) Trong đó: • • • I biên độ dòng điện sét; Z ( 0, ds ) tổng trở xung kích đầu vào nối đất; U50%MBA trị số điện áp phóng điện xung kích nhỏ MBA; Đối với MBA 110 kV, U50%MBA = 460kV Đối với MBA 220 kV, U 50%MBA = 900 kV Vậy điều kiện nối ddaart chống sét cho toàn trạm 220/110kV là: Ud  U50%MBA = 460kV Tính tốn nối đất an tồn Nối đất tự nhiên Trong phạm vi đề tài ta xét nối đất tự nhiên trạm hệ thống chống sét đường dây cột điện 110kV 220kV tới trạm Đường dây 220kV: lộ đường dây, lộ treo dây chống sét, sử dụng loại dây C-70 có 𝑟0 = 2,38𝞨/km; chiều dài khoảng vượt 𝑙𝑘𝑣 = 212m Điện trở dây chống sét khoảng vượt là: IV 𝑅cs = 𝑟0 𝑙kv = 2,38.212.10−3 = 0,5𝜴 Điện trở tự nhiên phía 220kV: 𝑅𝐶 𝑛 𝑅 +√ 𝐶 + 𝑅TN220kv = = 1 𝑅CS 20 20 + 0,5 = 0,49𝜴 +√ Đường dây 110kV: lộ đường dây, lộ treo dây chống sét, sử dụng loại dây C-70 có 𝑟0 = 2,38𝞨/km; chiều dài khoảng vượt 𝑙𝑘𝑣 = 212m Điện trở dây chống sét khoảng vượt 𝑅cs = 𝑟0 𝑙kv = 2,38.212.10−3 = 0,5𝜴 Điện trở tự nhiên phía 110kV: 𝑅𝐶 𝑛 𝑅 +√ 𝐶 + 𝑅CS 𝑅TN220kv = 1 = 20 20 + 0,5 = 0,32𝜴 +√ Điện trở nối đất tự nhiên tất đường dây 220kV 110 kV là: 𝑅TN = 0,5.0,32 0,5+0,32 = 0,2𝛺 Nhận xét: 𝑅𝑇𝑁 < 0,5𝞨 đạt yêu cầu nối đất an toàn nhiên phương pháp xảy nhiều biến động phải thực nối đất nhân tạo 30 h Nối đất nhân tạo Sử dụng sơ đồ mạch vịng, dùng loại dẹt có tiết diện hình chữ nhật (40x5mm), chôn sâu 0,8m chôn lùi vào cạnh 0,5m cách tường rào trạm Với trạm bảo vệ hình chữ nhật có kích thước 176,8m x 126,8m, ta có kích thước mạch vịng bao quanh trạm hình chữ nhật có kích thước 𝑙1 =175,8m 𝑙2 = 125,8m Chu vi mạch vòng: L= 2(𝑙1 + 𝑙2 ) = 2(175,8 + 125,8 ) = 603,2m Đường kính làm mạch vịng: d= b 0, 04 = = 0, 02 m 2 Điện trở suất tính tốn: Nhận xét 𝑙1 𝑙2 tt mv 𝜌mv = 𝜌do 𝐾ms = 103.1,6 = 164,8𝞨 175,8 = 1,4, tra đồ thị 3.1 bảng 3.1 ta có cơng thức nội 125,8 = suy sau K= 5,53−5,81 1−1,5 1,4 + 1.5,81−1,5.5,53 1−1,5 = 5,75 Điện trở nối đất mạch vòng: 𝑅MV tt 𝜌mv 𝐾 𝐿2 164,8 5,75.603, 22 = 𝑙𝑛 ( 𝑙𝑛 ( )= ) = 0,813 < 1𝛺 2𝜋𝐿 𝑑 𝑡 2𝜋 603,2 0,02.0,8 Điện trở nối đất hệ thống là: 𝑅HT = 𝑅TN 𝑅MV 0,167.0,813 = = 0,14 < 0,5𝛺 𝑅TN + 𝑅MV 0,167 + 0,813 Kết luận: Điện trở nối đất hệ thống nhỏ 0,5 , hệ thống nối đất đảm bảo an toàn cho trạm biến áp 220/110 kV 31 h V Tính tốn nối đất chống sét Tính tốn nối đất chống sét kiểm tra điều kiện phóng điện Sơ đồ thay hình 3.3 Chiều dài điện cực: 𝐿 603,2 2 𝑙= = = 301,6𝑚 Bán kính điện cực 𝑏 0,04 2 𝑟= = = 0,02𝑚 Điện cảm điện cực đơn vị dài 𝑙 301,6 μH 𝐿0 = 0,2 [𝑙𝑛 ( ) − 0,31] = 0,2 [𝑙𝑛 ( ) − 0,31] = 1,862 ( ) 𝑟 0,02 𝑚 Điện trở suất tính tốn: tt 𝑚𝑣 𝜌mv = 𝜌do 𝐾ms = 103.1,25 = 128,75 𝞨 Với hệ số hình dạng K = 5,75 tính tốn trước đó, ta tính điện trở mạch vịng 𝑅MV = tt 𝜌mv 𝐾 𝐿2 128,75 5,75.603, 22 𝑙𝑛 ( 𝑙𝑛 ( )= ) = 0,634𝜴 2𝜋𝐿 𝑑 𝑡 2𝜋 603,2 0,02.0,8 Điện dẫn điện cực đơn vị dài 𝐺0 = 1 = = 2,61.10−3 ( ) 𝑙 𝑅MV 2.301,6.0.634 Ωm ➢ Tính phân bố điện áp tổng trở xung kích hệ thống nối đất: Chọn dạng sóng xiên góc dịng điện sét có biên độ khơng đổi: at t   ds  Is =   a ds t   ds  32 h Hình 5.1: Đồ thị dạng sóng dịng điện sét Với biên độ dòng điện sét I=150 kA Thời gian đầu sóng 𝜏ds = 2,2μs 𝐼 150 ds 2,2 Nên độ dốc dòng sét là: 𝛼 = 𝜏 = kA = 68,18 ( μs ) Tổng trở xung kích hệ thống nối đất nhân tạo: 𝜏 − ds ∞ 2𝑇1 𝑒 𝑇𝑘 𝑍(0, 𝜏ds ) = [1 + ∑ ( − )] 𝐺0 𝑙 𝜏ds 𝑘 𝑘 k=1 Do coi mạch vòng ghép song song hai tia nên:   − ds      2T1  e Tk   Z ( 0, ds ) = 1+  − k  2.G0 l   ds k=1  k      Để xác định  Chuỗi số: k ds = k=1   Z ( 0, ) , ta xét chuỗi số sau: e  k k=1 Chuỗi số: 1 + + + + 2 k − −  ds Tk =  ds − T1  ds T2 −  ds e e e Tk + + + + 12 22 k2 −4 −5 Trong chuỗi số ta sét đến số hạng chứa e (từ số hạng e trở có giá trị nhỏ so với số hạng trước nên ta bỏ qua) 𝜏 Tính đến giá trị k cho: 𝑇ds ≥ 4với 𝑘 ∈ 𝑍 + 𝑘 Ta có: 𝜏ds 𝑇𝑘 = 𝜏ds 𝑇1 𝑘2 ≥ ⇔ 𝑘2 ≥ 4𝑇1 𝜏ds 𝑇 ⇔ 𝑘 ≥ 2√𝜏 ds Với 33 h 𝑇1 = 𝐿0 𝐺0 𝑙 𝜋2 = 1,862.2,61.10−3 301,62 𝜋2 ⇒ 𝑘 ≥ 2√ = 44,8(μs) 44,8 = 9,47 ⇒ 𝒌𝒎𝒊𝒏 = 10 Ta chọn k từ đến 10  ds −  ds  ds k k2 T1 Tk 1 44,8 44,8 0,049107 0,952079 0,952079 0,25 44,8 11,2 0,196429 0,821660 0,205415 0,111111 44,8 4,98 0,441767 0,642899 0,071433 0,0625 44,8 2,8 0,785714 0,455794 0,028487 0,04 44,8 1,792 1,227679 0,292972 0,011719 0,027778 44,8 1,244444 1,767858 0,170698 0,004742 0,020408 44,8 0,914286 2,406249 0,090153 0,001840 0,015625 44,8 0,012346 44,8 10 0,01 44,8 Tổng 1,549768 − e Tk 0,7 e Tk k2 Tk 3,141286 0,043227 0,000675 0,553086 3,977681 0,018729 0,000226 0,448 4,910714 0,007367 0,000074 1,27669   − Tdsk Bảng 5.2: Bảng tính tốn chuỗi  e k=1 k Từ bảng ta có: ∑∞ k=1 𝑘 𝜏 = − 𝑇ds 𝑘 1,549768 ∑15 k=1 𝑘 𝑒 = 1,27669 Suy 15 𝑍(0, 𝜏ds )XK = 𝜏 − ds 𝑒 𝑇𝑘 2.44,8 [1 + ∑ ( − )] −3 2.2,61.10 301,6 2,2 𝑘 𝑘 k=1 = 2.2,61.10−3 301,6 [1 + 2.44,8 2,2 (1,549768 − 1,27669)] = 7,7𝞨 34 h 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 toàn phải thoả mãn điều kiện: U d = I Z ( 0, ds )XK < U 50%MBA Trong đó: • I biên độ dịng điện sét (A); • 𝑍(0, 𝜏ds )XK tổng trở xung kích đầu vào nối đất dịng điện sét; • 𝑈50%MBA điện áp 50% máy biến áp Đối với MBA 220 kV giá trị 𝑈50%MBA = 460kV Đối với MBA 110 kV giá trị 𝑈50%MBA = 900kV Tính Ud 𝑈𝑑 = 𝐼 𝑍(0, 𝜏ds )XK = 150.7,7 = 1155kV > 𝑈50%MBA = 900kV Nhận xét: Phương án nối đất mạch vòng nhân tạo chưa đảm bảo yêu cầu nối đất chống sét ta phải tiến hành nối đất bổ sung để tránh phóng điện ngược Nối đất bổ sung Để giảm điện trở nối đất đảm bảo yêu cầu nối đất chống sét ta sử dụng nối đất tập trung chân cột bao gồm: • thép dài 6m, dẹt 40*5 mm; • cọc thép dài 3m, cọc trịn đường kính 0,04 m; • chơn sâu 0,8 m Ta có sơ đồ nối đất bổ sung sau: Hình Error! No text of specified style in document Sơ đồ nối đất bổ sung chống sét Điện trở nối đất nhân tạo hệ thống tính theo cơng thức sau: 35 h RBS = RT RC RT t +  RTc (5-1) Trong đó: • RT điện trở tản thanh; • RC điện trở tản cọc; •  số cọc;  t hệ số sử dụng thanh;  c hệ số sử dụng cọc • • Điện trở nối đất thanh: Ttt K lT RT = ln 2 lT d t (5-2) Trong đó: • lT chiều dài thanh, chọn lT = 6m; t độ chọn sâu với t = 0,8m; • d đường kính làm tia, dẹt rộng b = 0,04m suy d = 0,02m; • • Ttt điện trở suất tính tốn làm tia chơn với độ sâu t,dùng mv = 1, 25 chôn sâu 0,8 m K ms tt mv Khi 𝜌coc = 𝐾ms 𝜌do = 1,15.103 = 118,45 𝞨 • K hệ số hình dáng, nối đất nằm ngang nên lấy K = Thay giá trị vào công thức (5-2) ta được: 𝑅𝑇 = 118.45 2𝜋.6 1.62 𝑙𝑛 0,02.0,8 = 24,252(𝞨) Điện trở nối đất cọc tính cơng thức: tt  2lcoc coc 4t '+ lcoc  RC = + ln  ln  2 lcoc  d 4t '− lcoc  (5-3) Trong đó: • lcoc chiều dài cọc, chọn lcoc = 3m; • d đường kính cọc, d = 0,04m; • tt  coc điện trở suất tính tốn đất cọc, dùng cọc dài  m chơn sâu 0,8 m mv K ms = 1,15 36 h tt mv Khi đó: 𝜌coc = 𝐾ms 𝜌do = 1,15.103 = 118,45(𝞨) Độ chôn sâu cọc: t = 0,8m  t'=0,8+ = 2,3m Thay vào cơng thức (5-3) tính điện trở tản cọc 118,45 2.3 4.2,3 + (𝑙𝑛 ) = 35,74(𝞨) 𝑅𝐶 = + 𝑙𝑛 2𝜋 0,04 4.2,3 − Xác định hệ số 𝜂𝑡 , 𝜂𝑐 : Với khoảng cách cọc 𝑎 = 3m, chiều dài cọc 𝑙 = 3m Ta có 𝑎/𝑙 = 1tra sổ tay thu 𝜂𝑡 = 0,77, 𝜂𝑐 = 0,79, số cọc 𝑛 = Thay vào công thức (5-1) ta có điện trở nối đất nhân tạo hệ thống là: 𝑅BS = 24,252.35,74 24,252.0,77+3.24,252.0,79 = 11,382 (𝞨) Tổng trở hệ thống nối đất có nối đất bổ sung: Sử dụng phép toán tử Laplace ta tìm cơng thức tính tổng trở xung kích hệ thống nối đất chống sét sau: x   − k  ds    Tk Z ( 0, ds ) = n RBS RNT RNT + e RBS + RNT k=1 RNT + RBS cos xk = A+ B (5-4) Nối đất chống sét nhân tạo gồm mạch vòng 𝑅NT = 𝑅MV = 0,634𝛺 Khi đó: 𝐴= 𝑅BS 𝑅NT 𝑅BS +𝑅NT = 11,382.0,634 11,382+0,634 = 0,6(𝜴) x   − k  ds    Tk n B= k=1 RNT RNT + RBS cos xk Trong đó: Tk = 44,8 k2 e suy từ mục V.1 Với thời gian đầu sóng 𝜏ds = 2,2μs, 𝑥𝑘 nghiệm phương trình: 𝑡𝑎𝑛 𝑥𝑘 = − 𝑅NT 𝑅BS 𝑥𝑘 = − 0,634 𝑥 11,382 𝑘 = −0,0557𝑥𝑘 Giải phương trình ta thu bảng: 37 h 10 k 2,977 5,962 8,961 11,978 15,012 18,061 21,125 24,202 27,286 30,379 xk cos xk -0,986 0,949 -0,894 0,832 -0,767 0,705 -0,648 0,597 -0,55 0,509 Bảng tính giá trị cos𝑥𝑘 x   − k  ds    Tk Ta có kết chuỗi B = n RNT R NT k=1 RBS + cos xk e x   − k  ds    Tk Bk = RNT k xk cos xk RNT + RBS cos xk 2,977 1,028599 1,0843 0,956862 1,118971 5,962 1,110370 1,166072 0,492905 0,535991 8,961 1,251195 1,306897 0,027438 0,026621 11,978 1,444619 1,5 0,000011 0,000009 15,012 1,699845 1,755547 6,69.10−13 4,83.10−13 18,061 2,011971 2,067673 4,21.10−26 2,58.10−26 21,125 2,381497 2,437199 5,6.10−48 2,91.10−48 24,202 2,805765 2,861467 9,89 10−82 4,38.10−82 27,286 3,305785 3,361487 0 10 30,379 3,859797 3,915499 0 x   − k  ds    Tk e RNT + RBS cos xk e x   − k  ds    Tk n B= k=1 RNT RNT + RBS cos xk e 1,681592  B = 1,681 Tổng trở xung kích hệ thống nối đất chống sét có giá trị là: 𝒁(𝟎, 𝝉ds ) = 𝑨 + 𝑩 = 𝟎, 𝟔 + 𝟏, 𝟔𝟖𝟏 = 𝟐, 𝟐𝟖𝟏𝜴 Nhận xét: 𝑼𝒅 = 𝑰 𝒁(𝟎, 𝝉ds )XK = 𝟏𝟓𝟎 𝟐, 𝟐𝟖𝟏 = 𝟑𝟒𝟐, 𝟏𝟓kV < 𝑼50%MBA = 𝟒𝟔𝟎kV 38 h Hệ thống nối đất chống sét đảm bảo yêu cầu nối đất chống sét cho trạm biến áp Vậy sau thực nối đất bổ sung, hệ thống nối đất cho trạm biến áp đạt yêu cầu mặt kĩ thuật , 39 h