Tính toán thiết kế chống sét

bài tập về tính toán thiết kế hẹ thống chống sét rất hưu dụng

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO

TRẠM BIẾN ÁP 220/110KV

I SỐ LIỆU BAN ĐẦU:

* Trạm biến áp: Phía 220 kV có diện tích: (120.90) m2

* Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110 kV: l = 300 m

* Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220 kV: l = 300 m

+ Các yêu cầu đối với hệ thống thu sét

+ Cách xác định, tính toán PVBV của hệ thống thu sét ( 1 cột, 2 cột …)

B Tính toán

* Chương II: Tính toán hệ thống nối đất trạm biến áp 220/110 kV

Phần II: Các bản vẽ liên quan

I.1 Cơ sở lý thuyết chung:

I.1.1 Những yêu cầu đối với hệ thống thu sét:

Các thiết bị phân phối điện đặt ngoài trời như đường dây, trạm biến áp rất dễ bị quá điện áp có thể là do quá điện áp khí quyển (sét đánh trực tiếp, cảm ứng hay lan truyền trên đường dây), hoặc quá điện áp nội bộ Trong đó, sự quá điện áp khí quyển do sét đánh

là rất nguy hiểm và gây những thiệt hại nghiêm trọng cho các công trình trong hệ thống điện Vì vậy, bảo vệ chống sét đánh trực tiếp là một trong những yêu cầu hàng đầu khi thiết kế và vận hành một mạng điện

Hệ thống thu sét là một bộ phận công trình quan trọng nhằm bảo vệ các bộ phận của hệ thống điện như đường dây, trạm biến áp khỏi hư hỏng khi bị sét đánh Đối với đường dây, để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp người ta sử dụng hệ thống dây chống sét Đối với trạm biến áp và nhà máy điện người ta sử dụng các cột thu lôi Các cột thu lôi có thể đặt độc lập hoặc trong điều kiện cho phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm và của nhà máy

Yêu cầu chính đối với hệ thống thu sét là phải có điện trở nối đất đủ nhỏ để đảm bảo tản nhanh dòng điện sét xuống đất, tránh hiện tượng phóng ngược dòng điện sét từ thiết bị này sang thiết bị khác, hoặc từ cột thu sét hay dây chống sét sang các công trình mang điện đặt lân cận Khi thiết kế bảo vệ chống sét thì cần đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, kinh tế và mỹ thuật

- Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ 110 kV trở lên do có mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối Các trụ cột của các kết cấu trên

đó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét IS khuếch tán vào đất theo 3÷4 thanh cái của hệ thống nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện chỉ số điện trở nối đất

- Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời với điện áp từ 110 kV trở lên là cuộn dây máy biến áp, vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối vào hệ thống nối đất của cột thu lôi và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m

- Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110 kV trở lên phải thực hiện các điểm sau:

+ Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ sung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4Ω (ứng với dòng điện tần số công nghiệp)

+ Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm 35kV phải tăng cường cách điện của

nó lên đến mức cách điện của cấp 110 kV

+ Trên đầu ra của cuộn dây 6 – 10kV của máy biến áp phải đặt các cột chống sét van (CSV), các thiết bị chống sét này có thể đặt ngay trên vỏ máy

+ Để bảo vệ cuộn dây 35 kV cần đặt các cột chống sét van Khoảng cách giữa chỗ nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van (theo đường điện) phải nhỏ hơn 5m Khoảng cách ấy có thể tăng lên nếu điểm nối đất của chống sét van ở vào giữa hai điểm nối đất của vỏ máy biến áp và của kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi

+ Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột thu lôi và

bộ phận mang điện không được bé hơn chiều dài của chuỗi sứ

- Có thể nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp điện

áp 110kV nếu như các yêu cầu trên được thực hiện

- Không nên đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối20 ÷ 35 kV, cũng như không nên nối các cột thu lôi vào hệ thống nối đất của trạm 20 ÷ 35 kV

- Khi dùng cột thu lôi độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi đến các

bộ phân của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vật được bảo vệ

- Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho các cột thu lôi phải cho dây dẫn điện đến đèn vào ống chì và chôn vào đất

- Đối với các nhà máy điện dùng sơ đồ bộ thì chỉ được đặt cột thu lôi trên xà máy biến áp khi máy phát điện và máy biến áp được nối với nhau bằng cầu bọc kín và hai đầu

được nối đất Nếu cầu có phân đoạn thì không được phép đặt cột thu lôi trên xà của máy biến áp Với máy bù đồng bộ cũng áp dụng điều này.

- Có thể nối dây chống sét bảo vệ đoạn đến trạm vào hệ thống nối đất của trạm nếu như khoảng cách từ chỗ nối đất của trạm đến điểm nối đất của máy biến áp lớn hơn 15m

- Để đảm bảo về mặt cơ tính (độ bền cơ học) và chống ăn mòn cần phải theo đúng quy định về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dùng trên mặt dất và dưới đất phải theo bảng sau:

Bảng 1.1 Bảng qui định qui cách loại dây dẫn dùng để dẫn dòng điện sét

Loại vật liệu Dây dẫn dòng điện sét

dùng trên mặt đất

Dây dẫn dòng điện sét dùng dưới mặt đất

1.2 Cách xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét:

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét có độ cao là h tính cho độ cao hx là một hình chóp tròn xoay có đường sinh được xác định như sau:

) h h ( h

h 1

6 ,

rx

h

Hình 1.1 Phạm vi bảo vệ cho một cột thu sét.

Trong đó:

- 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:

h0,8h

hx

2

3h

0,75h 1,5h

rx

ab

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.

Khi: hx ≤ h

3 2

Thì: rx =

1,5h(1-h 8 , 0

hx

) = 1,5h – 1,875hx

Khi: hx ≥ h

3 2

Thì: rx =

0,75h(1-h

hx

) = 0,75h – 0,75hxCác công thức chỉ để sử dụng cho HTTS có độ cao h < 30m Khi h≥30m ta cần hiệu chỉnh các công thức đó theo hệ số p

p

h

5 , 5

=

1.2.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét:

a 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 1.3 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 -

- 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 -

7 a

Nếu: hx

0

h 3

b Hai cột thu sét có độ cao khác nhau:

Xét 2 cột thu sét có độ cao là h1 và h2, cách nhau 1 khoảng a được bố trí như hình vẽ:

Hình 1.4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột có độ cao khác nhau.

+ Xác định phạm vi bảo vệ:

- Phần ngoài: giống như của từng cột.

- Phần trong: từ đỉnh cột h1 dóng đường thằng nằm ngang cắt phạm vi bảo vệ của cột h2 tại 3’, với 3’ là vị trí đặt cột giả tưởng có độ cao là h1

- Phần giữa: giống như của hai cột có độ cùng độ cao h1

(O O a O O O'O2 a x

3 2 1 ' ' 3

1 = = − = − , x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giả tưởng '

1

h + 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 -

7

' a

I.1.2.3.Phạm vi bảo vệ cho 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

r 0 x2-3

r 0 x1-3 r 0 x1-2

r x1

Hình 1.5 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

Trong đó:

- 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

3 4

r 0 x1-2

r x1

Hình 1.6 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

Với: rx1 = rx2 = rx3 = rx4 = rx

rox1-2 = r0x3-4: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 3-4

rox1-4 = r0x2-3: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-4, 2-3

Điều kiện để công trình nằm trong miền giới hạn bởi các cột thu sét được bảo vệ

Theo sơ đồ kết cấu của trạm, ta mới chỉ biết diện tích mặt bằng trong trạm mà chưa biết vị trí của các thiết bị trong trạm Vì vậy chỉ cần bố trí các cột thu sét sao cho bảo vệ được phần diện tích mặt bằng có độ cao hx.

Đối với phía 220 kV: hx = 16,5m

Đối với phía 110 kV: hx = 11m

Ta thực hiện tính toán cho các phía Ta sẽ xét 2 phương án đặt vị trí cột thu sét cho trạm biến áp

9 6

A-1 Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 220 kV:

Điều kiện cần để công trình được bảo vệ an toàn là:

D≤8.(h-hx)Suy ra: h≥hx+

8 D

*)Xét nhóm cột (5,8,9,6) tạo thành hình chữ nhật bảo vệ cho độ cao 16,5m

+ Cạnh (5-8) = 60m = a

+ Cạnh (5-6) = 50 m =b

Đường kính D1 của đường tròn ngoại tiếp qua các đỉnh cột là:

A-2 Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 110 kV:

Xét nhóm cột (11,14,12,15) tạo thành hình chữ nhật bảo vệ cho độ cao 11m

*)Tính bán kính bảo vệ của cột thu lôi được bố trí như hình vẽ:

- Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi

+Xét cột 11:

-Tính bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi:

Hai cột có chiều cao như nhau:

Phía 220kV:chiều cao cần bảo vệ h x =16,5m

Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là:

Hai cột cột chiều cao khác nhau:

+Xét hai cột (7-10) với khoảng cách giữa 2 cột a=50m

Chiều cao cột cao h7=26,5m

Bán kính bảo vệ của cột cao h7=26,5m cho độ cao cần bảo vệ là chiều cao của cột thấp

PHÍA 110KV hx = 11mCặp cột Độ cao cột

(m)

a(m)

NHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO KHÁC NHAU hx = 11mCặp cột Độ cao cột

0’

0x(m)

6 3

R19.125

R9.375 R8.812

Kết luận.

Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra

Tổng số cột là 15 cột, trong đó có 9 cột cao 26,5m và 6 cột cao 20m

Tổng chiều dài : L1 = 9.(26,5 – 16,5) + 6.(20 – 11) =144 (m)

*) Phương án B

Trong phương án này, ta sử dụng 21 cột thu sét được bố trí trên mặt bằng trạm biến áp như hình vẽ.

9 6

B-1 Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 220 kV:

Điều kiện cần để công trình được bảo vệ an toàn là:

D≤8.(h-hx)Suy ra: h≥hx+

8 D

Xét nhóm cột (2,3,5,6) tạo thành hình chữ nhật để bảo vệ cho độ cao 16,5 m

Độ cao của cột thu lôi là: h = hx + ha = 16,5 + 8 = 24,5 m

B-2 Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 110 kV:

Xét nhóm cột (17,18,20,21) tạo thành hình chữ nhật để bảo vệ cho độ cao 11 m

Độ cao của cột thu lôi là: h = hx + ha = 11 + 8 = 19 m

*)Tính bán kính bảo vệ của cột thu lôi được bố trí như hình vẽ:

- Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi

-Tính bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi:

Hai cột có chiều cao như nhau:

Phía 220kV:chiều cao cần bảo vệ h x =16,5m

+Xét 2 cột (2-3):khoảng cách giữa 2 cột a=50m

Ta có: h0=h- a

7

=24,5-50

7 = 17,357 (m)

Phía 110kV:chiều cao cần bảo vệ h x =11m

+Xét 2 cột (20-21): khoảng cách giữa 2 cột là a=50 m

Hai cột cột chiều cao khác nhau:

+Xét hai cột (10-13) với khoảng cách giữa 2 cột a=30m

Chiều cao cột cao h10=24,5m

Bán kính bảo vệ của cột cao h10=24,5m cho độ cao cần bảo vệ là chiều cao của cột thấp h13 =19m

Ta có: hx=h10=19m >2

3.24,5=16,33m

rx=0,75.h(1- hx

h )=0,75.24,5.(1-

19 24,5)=4,125 (m)

PHÍA 110KV hx = 11mCặp cột Độ cao cột

(m)

a(m)

NHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO KHÁC NHAU hx = 11mCặp cột Độ cao cột

(m)

a(m)

x(m)

a’

(m)

h0’(m)

r0x(m)

Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét trong phương án 2

14

15 9

6 3

1.714 1.714

0.643

2.785 1.714

0.643 1.714

3.227 R6.000

R7.875 R6.000

R7.875 1.714

R16.125 R6.000R7.875

Kết luận.

Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra

Tổng số cột là 21 cột, trong đó có 12 cột cao 24,5m và 9 cột cao 19m

Tổng chiều dài : L1 = 12.(24,5 – 16,5) + 9.(19 – 11) =168 (m)

Tổng kết 2 phương án.

Cả hai phương án trên đều thỏa mãn nhu cầu kỹ thuật đề ra Qua tính toán ta thấy phương án A có chiều dài cột tính toán nhỏ hơn do vậy chi phí xây dựng cũng nhỏ hơn vì vậy ta chọn phương án A làm phương án thiết kế.

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110kV

2.1 YÊU CẦU KĨ THUẬT KHI NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP.

Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúc với dòng điện(hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện xuống đất để dảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp Tùy theo nhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia là ba loại

+ Nối đất điểm trung tính máy biến áp

+ Hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất

+ Nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện

*)Nối đất an toàn.

Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hư hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phần kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại Khi cách điện bị hư hỏng do lão hóa thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhưng do nối đất nên điện thế này có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho người tiếp xúc

*)Nối đất chống sét.

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi sét đánh vào cột thu lôi hay đường dây Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng điện áp do phóng điện sét gây nên Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ trên cột điện và đất Nếu không, mỗi khi co sét đánh vào cột chống sét hoặc trên đường dây, sóng điện áp có khả năng phóng điện ngược tới các thiết bị và công trình cần bảo vệ, phá hủy các thiết bị điện và máy biến áp

Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trong thực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ Song hệ thống nối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm đất lớn do vậy yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ

Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng của nối đất tốt hơn an toàn Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏ thì rất tổn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cả hai được cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế

- Một số yêu cầu kỹ thuật của điện trở nối đất.

Trị số điện trở nối đất của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số điện áp bược và tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không vượt quá giới hạn cho phép

+ Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điện trở nối đất phải thỏa mãn : R ≤ 0,5 Ω

+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì:

+ Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thỏa mãn yêu cầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì không cần nối đất nhân tạo nữa Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thỏa mãn đối với các thiết bị cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R ≤ 1 Ω Thực tế dù RTN ≤ 0,5 Ω thì vẫn phải nối đất nhân tạo vì RTN có thể xảy ra biến động như đứt dây chống sét tại khoảng vượt gần trạm.

+ Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn có như các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chộn trong đất… Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chon trong đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia

+ Vì đất là một trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất như các loại muối, axit…chứa trong đất,

độ ẩm, nhiệt độ và điều kiện khí hậu Ở Việt Nam khí hậu thay đổi theo từng mùa, độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất của đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng Do vậy trong tính toán thiết kế về nối đất thì trị số điện trở của đất dựa theo kết quả

đo lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn

Công thức hiệ chỉnh như sau: ρ = ρtt d.kmua

Trong đó: ρtt là điện trở suất tính toán của đất

ρd là điện trở suất đo được của đất

kmualà hệ số mùa của đất

Hệ số kmua của đất phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chộn sâu của điện cực

2.2 CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT.

Điện trở suất đo được của đất ρd=100 Ωm

Điện trở nối đất cột đường dây : Rc = 6 Ω

Dây chống sét sử dụng loại C-70 có điện trở đơn vị là r0 = 2,38 Ω/km

Chiều dài khoảng vượt đường dây: