THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO DỰ ÁN TRẠM BIẾN ÁP 220KV VĨNH CHÂU – TỈNH SÓC TRĂNG
Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh thẳng
Khi trạm biến áp bị sét đánh trực tiếp, hậu quả nghiêm trọng có thể xảy ra, không chỉ làm hỏng thiết bị mà còn gây ngừng cung cấp điện, ảnh hưởng đến sản xuất và phát triển kinh tế Do đó, việc thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm ngoài trời là rất quan trọng Các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống này bao gồm việc đảm bảo tất cả thiết bị bảo vệ nằm trong phạm vi an toàn Hệ thống cột thu sét có thể được lắp đặt trên các cấu trúc có sẵn như xà hoặc cột đèn, hoặc đặt độc lập tùy thuộc vào đặc điểm mặt bằng và cấp điện áp của trạm.
Khi lắp đặt hệ thống cột thu sét trên công trình, việc tận dụng độ cao của công trình sẽ giúp giảm chiều cao của hệ thống thu sét Tuy nhiên, cần đảm bảo mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ Điện sẽ được khuyếch tán vào đất thông qua 3-4 cọc nối đất Thêm vào đó, mỗi trụ của kết cấu cần có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất, đảm bảo điện trở không vượt quá 4Ω.
Cuộn dây của máy biến áp (MBA) là phần yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời có điện áp từ 110 kV trở lên Để bảo vệ MBA bằng chống sét van, cần đảm bảo khoảng cách giữa hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA theo đường điện phải lớn hơn 15m.
Khi thiết lập khoảng cách giữa hệ thống thu sét và công trình, cần đảm bảo khoảng cách này đủ lớn để tránh hiện tượng phóng điện trong không khí và đất Đồng thời, phần dẫn điện của hệ thống thu sét phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo ổn định nhiệt khi dòng điện sét đi qua.
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét
1.3.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét: a) Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét được xác định bởi hình chóp tròn xoay, với đường kính tính theo công thức r x = 1,6 (1 + h x / h).
Trong đó: h: độ cao cột thu sét h x : độ cao vật cần bảo vệ h- h x = h a : độ cao hiệu dụng cột thu sét r : bán kính của phạm vi bảo vệ
Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau được tính toán theo công thức sau
Hình 1- 1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét
Công thức tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu sét chỉ áp dụng hiệu quả cho cột có chiều cao dưới 30m Khi cột thu sét cao hơn 30m, hiệu quả bảo vệ sẽ giảm do độ cao định hướng của sét giữ hằng số Để tính toán chính xác phạm vi bảo vệ cho các cột thu sét cao, cần nhân kết quả với hệ số hiệu chỉnh p, với p = 5,5.
√ h và trên hình vẽ dùng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp b) Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp lớn hơn nhiều so với hai cột thu sét đơn lẻ Tuy nhiên, để đảm bảo sự phối hợp hiệu quả giữa hai cột, khoảng cách a giữa chúng cần phải thỏa mãn điều kiện a < 7h, trong đó h là chiều cao của cột.
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao
Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h và được đặt cách nhau một khoảng cách a (với a < 7h), độ cao tối đa của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét sẽ được tính bằng công thức: h o = h - a.
Sơ đồ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau h 0,2h
Hình 1- 2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét giống nhau
Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì ngoài các hiệu chỉnh như trong phần chú ý của mục 1 thì còn phải tính h o theo công thức: h o =h - a
7 p ( 1 – 7) c) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau
Giả sử có hai cột thu sét: cột 1 có chiều cao h 1 , cột 2 có chiều cao h 2 và h 1 > h 2 Hai cột cách nhau một khoảng là a
Đầu tiên, xác định phạm vi bảo vệ của cột cao h1 Tiếp theo, từ đỉnh cột thấp h2, vẽ một đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao tại điểm 3 Điểm này được coi là đỉnh của cột thu sét giả định, cùng với cột thấp h2 tạo thành một cặp cột có chiều cao bằng nhau, đều là h2, với khoảng cách a’ Phần còn lại tương tự như phạm vi bảo vệ của cột 1, trong đó a’ được tính bằng a - x, với x = 1,6(h1 - h2)/(1 + h2/h1)(1 - 8)h2/0,2h2.
Hình 1- 3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét khác nhau d) Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột ( số cột >2)
Một nhóm cột tạo thành một đa giác, với phạm vi bảo vệ được xác định bởi toàn bộ miền đa giác và phần giới hạn bên ngoài, tương tự như các cặp cột a, b, r, x, r, ox, r, ox.
Hình 1- 4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột
Vật có độ cao h x nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:
Với D là đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét
Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p
1.3.2 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét: a) Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét
Phạm vi bảo vệ của dây thu sét rất rộng, với chiều rộng phụ thuộc vào chiều cao h Cụ thể, phạm vi bảo vệ được thể hiện qua các điểm a', b, c, a và chiều cao h, trong đó chiều rộng bảo vệ đạt 0,8h.
Hình 1- 5: Phạm vi bảo vệ của một day thu sét
Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta có các hoành độ 0,6h và 1,2h
Khi cột có độ cao vượt quá 30m, cần điều chỉnh các điều kiện bảo vệ theo quy định Đối với việc phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét, khoảng cách giữa chúng phải đảm bảo rằng s < 4h.
Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao h o = h- h
Phạm vi bảo vệ như hình vẽ h 0,2h
Hình 1- 6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét
Phạm vi bảo vệ của dây thu sét được xác định bởi phần ngoài của dây và vòng cung bên trong, nối liền hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao h_o = h - s.
Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ
- Trạm biến áp: Trạm 220/110 kV
Trạm 220kV có 6 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp với thanh góp vòng, được cấp điện từ 2 máy biến áp T3, T4 và 2 máy biến áp tự ngẫu AT1, AT2.
+ Phía 110kV 8 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng, được cấp điện từ 2 máy biến áp tự ngẫu (AT1, AT2)
- Với trạm 220 kV có diện tích là: 34500 m 2 Độ cao xà cần bảo vệ là 16m và
- Với trạm 110 kV có diện tích là: 19200 m 2 Độ cao xà cần bảo vệ là 11 và 8 m.
Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp
- Phía 220kV dùng 12 cột 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10,11,12 trong đó cột 2, 3, 5, 6,
7, 8 được đặt trên xà cao 16m; cột 9, 10,11,12 được đặt trên xà cao 11m cột 1 được xây thêm và cột 4 đặt trên nóc nhà điều khiển cao 10m
- Phía 110kV dùng 9 cột 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 trong đó cột 16, 17,
18 được đặt trên xà cao 8 m; cột 19, 20, 21, 22được đặt trên xà cao 11 m và cột 23,
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là hx = 11 m và hx = 16 m
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kV là hx = 8 m và hx = 11 m
Hình 1-7: Sơ đồ bố trí cột thu sét
Để đảm bảo hiệu quả bảo vệ một khu vực nhất định, cột thu lôi cần đạt được độ cao phù hợp, thỏa mãn các tiêu chí tính toán dựa trên hình dạng tam giác hoặc tứ giác của khu vực đó.
D: Là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ giác h a : Độ cao hữu ích của cột thu lôi.
-Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo vệ của
1 cột Điều kiện để hai cột thu lôi phối hợp được với nhau là a ¿ 7 h
Trong đó: a – Khoảng cách giữa 2 cột thu sét h – Chiều cao toàn bộ cột thu sét
Xét nhóm cột 1-2-5-6 tạo thành hình chữ nhật: a 1-2 = 64 m ; a 1-5 = 52,5 m
Nhóm cột này tạo thành hình chữ nhật có đường chéo là:
D = √ 64 2 + 52,5 2 , 778 (m) Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi h a ¿ 82 ,778
Xét nhóm cột 12,13,8 tạo thành hình tam giác
- Áp dụng công thức Pitago ta có a= a 12-13 = √ ( 30−20 ) 2 +30 2 1 , 623 ( m) b= a 13-8 = √ 47 , 5 2 +30 2 X , 181 ( m) c= a 12-8 W,5 ( m)
- Nửa chu vi tam giác là: p =
( m) Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác là:
Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi h a ¿ 59 ,219
Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại, kết quả tính toán được trình bầy trong bảng:
Bảng 1-3 Độ cao hữu ích của cột thu lôi
Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp
Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét, ta chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm như sau:
- Phía 220Kv có h max ,755 m nên ta chọn h a = 11m
- Phía 110kV có h max =9,1 m nên ta chọn h a = 10 m
Tính độ cao của cột thu sét h = h a + h x
- Phía 220 kV: Độ cao tác dụng h a = 11m Độ cao lớn nhất cần bảo vệ h x = 16m
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 220kV là: h = h a + h x = 11+ 16 = 27 ( m)
- Phía 110kV: Độ cao tác dụng h a = 10m Độ cao lớn nhất cần bảo vệ h x = 11m
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 110kV là: h = h a + h x = 10+ 11 = 21 (m)
Bán kính bảo vệ của cột thu sét ở các độ cao bảo vệ tương ứng: Bán kính bảo vệ của các cột 21m (các cột N13 ¿ N22 phía 110kV)
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m h x = 11m< 2
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m h x = 11m< 2
Bán kính bảo vệ của các cột 27m (các cột N1 ¿ N12 phía 220kV)
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m h x = 11m< 2
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 16m h x = 11m< 2
Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu sét
- Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là: h 0 = h - a
- Bán kính của khu vực giữa hai côt thu sét là:
* Xét cặp cột 12,13 có độ cao khác nhau có a= √ 30 2 +10 2 1 , 623 ( m) h 12 ' ( m) h 13 ! ( m)
( m) Do vậy ta vẽ cột giả định 12’ có độ cao 21m cách cột 13 một khoảng: x= 1,6 ( h 12 −h 13 ) 1+ h 13 h 12
( m) Vậy khoảng cách từ cột giả định dến cột 13 là: a' =a−x1 ,623−5,4& , 223 ( m)
Phạm vi bảo vệ của hai cột 12’ và 13 là:
- Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là: h 0 = h - a'
- Bán kính của khu vực giữa hai cột thu sét là:
Tính toán tương tự cho các cặp cột còn lại ta có bảng:
Bảng 1-4 Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét
Cặp cột a (m) h (m ) ho (m) hx (m ) rox (m) hx (m ) rox
A T 1 A T 2 r ox = 1, 39 r x = 10 ,5 r ox = 2, 1 r ox = 2, 62 r ox = 1, 71 r ox = 10 ,8 75 r ox = 2, 89 r ox = 0, 78 r ox = 0, 94
Hình 1.4: Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét
- Phía 220kV có treo 3 dây chống sét A-95 dài 192m chia làm 3 khoảng dài 64; khoảng cách giữa hai dây S5m và S= 40m như hình vẽ
- Phía 110kV dùng 9 cột 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 và 25 trong đó cột 17, 18,
19 được đặt trên xà cao 8 m; cột 20, 21, 22, 23 được đặt trên xà cao 11 m và cột 25,
Hình 1- 8: Sơ đồ bố trí cột và dây thu sét Để bảo vệ toàn bộ xà trong trạm thì độ cao dây chống sét thỏa mãn: h≥h 0 + S
Thông số của dây A-95 theo thông số của Nga
Ứng suất cho phép: δ cp = 21,7 kG/mm 2 Môđun đàn hồi: E 000 kG/mm 2
Hệ số dãn nở nhiệt:
Nhiệt độ ứng với trạng thỏi bóo: θ bão % o C Nhiệt độ ứng với trạng thái min: θ min =5 o C Tải trọng do trọng lượng gây ra: g 1 =8 10 3 kg/m,mm 2
Tải trọng do gió gây ra (áp lực gió cấp 3 với v0m/s): F g 3 P v
16 F v là lực tác dụng của gió lên 1m dây + α=0,7 là hệ số không đều của áp lực gió
+ C x =1,2 là hệ số khí động hóc của dây dẫn phụ thuộc vào đường kính của dây ( C x =1,2 khi d< 20 mm)
+ F v =1 d 10 −3 m: là diện tích chắn gió của 1m dây
Kiểm tra điều kiên ta thấy l 64 m 309, 5 m
Phương trình trạng thái ứng với θ min có dạng:
Ta có phương trình: 3 16, 23 2 315,12 0 có nghiệm 17( kG mm / 2 ) Độ võng:
Độ cao cột treo dây thu sét: h 1 h f 26 0, 23 26, 23( ) m
Vậy chọn độ cao treo dây thu sét là 27 m b) Phạm vi bảo vệ của dây thu sét:
Tính cho hai vị trí cao nhất và thấp nhất
Tại vị trí đầu cột:
( m) Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai dây:
Tại vị trí thấp nhất:
( m) Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai dây:
( m) c) Phạm vi bảo vệ của cột thu sét:
Độ cao các cột thu sét phía 220kV là: 27m
Độ cao của các cột thu sét phía 110kV được xác định là 21m, dựa trên việc bố trí tương tự như phương án 1 cho các nhóm cột phía 110kV và 220/110kV.
Tương tự phương án 1 ta có:
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét độc lập:
Bán kính bảo vệ của các cột 21m (các cột N17 ¿ N25 phía 110kV)
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m h x = 11m< 2
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m h x = 11m< 2
0,8.21 )= 16,5(m ) Bán kính bảo vệ của các cột 27m (các cột N1 ¿ N17phía 220kV)
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m h x = 11m< 2
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 16m h x = 11m< 2
Phạm vi bảo vệ của các cặp cột thu sét tổng kết trong bảng
Bảng 1-5 Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét
Cặp cột a (m) h (m) ho (m) hx (m) rox (m) hx (m) rox (m)
A T 1 A T 2 b x = 8, 12 m r ox = 10 ,5 r ox = 3, 96 r ox = 4, 5 r ox = 1, 71 r ox = 10 ,8 75 r ox = 2, 89 r ox = 0, 78 r ox = 0, 94
Hình 1-9: Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét
So sánh và tổng kết phương án
Cả hai phương án bố trí cột thu sét đều đảm bảo bảo vệ toàn diện cho tất cả các thiết bị trong trạm, đồng thời đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật cần thiết.
Trạm 220kV được xây dựng với 12 cột cao 27m, bao gồm 6 cột đặt trên xà cao 16m, 4 cột trên xà cao 11m, 1 cột xây thêm và 1 cột đặt trên nóc nhà điều khiển cao 10m.
- Phía 110kV dùng 9 cột cao 21m: trong đó 3 cột đặt trên xà cao 8 m; 4 cột đặt trên xà cao 11 m và 2 cột được xây thêm
-Tổng chiều dài cột là:
- Phía 220kV có treo 3 dây chống sét C-95 dài 192m chia làm 3 khoảng dài 64 trên 16 cột cao 27m trong đó 12 cột đặt trên xà cao 11m; 2 cột đặt trên xà cao 11m,
1 cột được xây thêm và 1 cột đặt trên nóc nhà điều khiển cao 10m
- Phía 110kV dùng 9 cột cao 21m: trong đó 3 cột đặt trên xà cao 8 m; 4 cột đặt trên xà cao 11 m và 2 cột được xây thêm
-Tổng chiều dài cột là:
L =2.( 27-16)+12 ( 27-11)++ 27+( 27-10)+3 (21-8)+4 ( 21-11)+ 2 2179 ( m) -Tổng chiều dài cột là: L =3 192W6 ( m)
Phương án 1 được chọn làm phương án tính toán thiết kế chống sét cho trạm biến áp do có số cột thu sét ít, không cần dây thu sét, dẫn đến chi phí xây dựng thấp hơn và tổng chiều dài cột nhỏ hơn.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
Mở đầu
Nối đất là quá trình kết nối các bộ phận kim loại có khả năng tiếp xúc với điện do hư hỏng cách điện vào một hệ thống nối đất Trong hệ thống điện, có ba loại nối đất khác nhau.
Nối đất an toàn là biện pháp quan trọng nhằm bảo vệ người sử dụng khi cách điện của thiết bị bị hư hỏng Để thực hiện nối đất an toàn, cần kết nối mọi bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng máy biến áp và các giá đỡ kim loại.
Khi cách điện trên các bộ phận bị hư hỏng, điện thế sẽ xuất hiện nhưng do đã được nối đất, nên mức điện thế sẽ thấp Điều này giúp đảm bảo an toàn cho người tiếp xúc với các bộ phận này.
Nối đất làm việc là phương pháp đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định theo chế độ đã định Nó bao gồm nối đất điểm trung tính của máy biến áp (MBA) trong hệ thống điện có điểm trung tính nối đất, cũng như nối đất cho MBA đo lường và các kháng điện bù ngang trên các đường dây tải điện xa.
Nối đất chống sét có nhiệm vụ tản dòng điện sét vào lòng đất khi sét đánh vào cột thu sét hoặc đường dây, nhằm giữ điện thế trên thân cột ở mức an toàn Điều này giúp hạn chế hiện tượng phóng điện ngược, bảo vệ các công trình khỏi những tác động nguy hiểm của sét.
Các yêu cầu kĩ thuật
Để đảm bảo hiệu quả và an toàn cho hệ thống điện, bộ phận nối đất cần có trị số điện trở tản càng thấp càng tốt Tuy nhiên, việc giảm điện trở tản thường yêu cầu sử dụng nhiều kim loại và khối lượng thi công lớn Do đó, việc xác định tiêu chuẩn nối đất và lựa chọn phương án nối đất cần được thực hiện một cách hợp lý về mặt kinh tế, đồng thời đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cần thiết.
Trị số điện trở nối đất an toàn được xác định để đảm bảo rằng điện áp bước và điện áp tiếp xúc không vượt quá giới hạn cho phép trong mọi tình huống Theo quy trình hiện hành, tiêu chuẩn nối đất được quy định rõ ràng để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
- Đối với thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất (dòng ngắn mạch chạm đất lớn) trị số điện trở nối đất cho phép là: R≤0,5 Ω
- Đối với thiết bị điện có điểm trung tính cách điện (dòng ngắn mạch chạm đất bé) thì: R≤ 250
(2 – 1) Nếu chỉ dùng cho các thiết bị cao áp
Nếu dùng cho cả cao áp và hạ áp
Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, việc nối đất làm việc và nối đất an toàn ở các cấp điện áp thường được kết nối thành một hệ thống chung Để đảm bảo hiệu quả, hệ thống này cần đáp ứng yêu cầu của loại nối đất có trị số điện trở nối đất cho phép nhỏ nhất.
Khi thực hiện nối đất, cần tận dụng các hình thức nối đất sẵn có như đường ống và kết cấu kim loại chôn trong đất, cũng như móng bê tông cốt thép Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất tương tự như điện cực hình tia.
Trong môi trường làm việc không đồng nhất giữa đất và bê tông, điện trở suất của đất nối đất sẽ lớn hơn so với điện trở suất của đất thuần tuý Do đó, trong các tính toán, cần tăng điện trở suất này lên 25% để đảm bảo độ chính xác.
Khung cốt thép, với cấu trúc lưới đặc trưng, không cần điều chỉnh bằng hệ số β=1,4, vốn là hệ số chuyển đổi từ cực lưới sang cực đặc.
Đối với thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất nhỏ, nếu điện trở tản của các phần nối đất hiện có đạt yêu cầu, không cần nối đất bổ sung Tuy nhiên, đối với thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất lớn, cần thiết phải lắp đặt thêm nối đất nhân tạo, với trị số điện trở tản không vượt quá 1 Ω.
Nối đất chống sét thông thường bao gồm việc kết nối đất của cột thu sét, cột điện, cũng như hệ thống thu sét tại các trạm biến áp và nhà máy điện.
Bộ phận nối đất của cột thu sét và cột điện thường được bố trí độc lập, không liên quan đến các bộ phận khác, do đó cần áp dụng hình thức nối đất tập trung để đảm bảo hiệu quả tản dòng điện tốt nhất Tiêu chuẩn nối đất cho cột điện hiện nay được quy định dựa trên điện trở suất của đất, được thể hiện trong bảng quy định.
Khi đường dây đi qua các khu vực đất ẩm (ρ < 3.10^4 Ω.cm), nên tận dụng hệ thống nối đất có sẵn từ móng và chân cột bê tông để bổ sung hoặc thay thế cho phần nối đất nhân tạo.
Đối với hệ thống thu sét ở các trạm biến áp, khi bộ phận thu sét được lắp đặt trên xà trạm, nối đất chống sét cần phải kết nối với mạch vòng nối đất an toàn của trạm Việc này dẫn đến hiện tượng nối đất phân bố dài, làm tăng điện áp giáng và gây phóng điện trong đất Do đó, nối đất chung chỉ thực hiện được với các trạm biến áp có cấp điện áp từ 110kV trở lên Bên cạnh đó, cần thực hiện các biện pháp bổ sung, đảm bảo khoảng cách từ chỗ nối đất của hệ thống thu sét phải từ 15m trở lên.
Lý thuyết tính toán nối đất
Tính toán nối đất an toàn
Với cấp điện áp lớn hơn 110kV nối đất an toàn phải thoả mãn điều kiện là:
- Điện trở nối đất của hệ thống có giá trị R ¿ 0,5 Ω
- Cho phép sử dụng nối đất an toàn và nối đất làm việc thành một hệ thống Điện trở nối đất của hệ thống
R TN : điện trở nối đất tự nhiên
R NT : điện trở nối đất nhân tạo
Trong bài viết này, chúng tôi tập trung vào việc phân tích hệ thống nối đất tự nhiên của trạm điện, đặc biệt là hệ thống chống sét cho đường dây và cột điện 110kV và 220kV kết nối tới trạm.
Ta có công thức tính toán như sau
R cs : điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt
R c : là điện trở nối đất của cột điện
Xét trường hợp đơn giản nhất là trường hợp điện cực hình bán cầu
Dòng điện trạm đất I đi qua nơi sự cố sẽ tạo nên điện áp giáng trên bộ phận nối đất
R: là điện trở tản của nối đất
Theo tính toán xác định được sự phân bố điện áp trên mặt đất theo công thức:
Trong thực tế, nối đất có nhiều hình thức như cọc dài 2-3m bằng sắt tròn hoặc sắt góc được chôn thẳng đứng, cùng với thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu 0,5-0,8m được bố trí theo hình tia hoặc mạch vòng Trị số điện trở tản của các hình thức nối đất cọc được xác định theo các công thức đã được công bố Đối với nối đất chôn nằm ngang, có thể áp dụng công thức chung để tính trị số điện trở tản xoay chiều.
L: chiều dài tổng của điện cực d: đường kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn Nếu dùng sắt dẹt trị số d thay bằng b
2 (b - chiều rộng của sắt dẹt) t: độ chôn sâu
K: hệ số phụ thuộc vào sơ đồ nối đất (tra bảng)
Khi hệ thống nối đất có nhiều cọc được sắp xếp dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu vi mạch vòng, điện trở tản của hệ thống có thể được xác định bằng một công thức cụ thể.
R c : điện trở tản của một cọc
R t : điện trở tản của tia hoặc của mạch vòng n : số cọc η t : hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng η c : hệ số sử dụng của cọc
Tính toán nối đất chống sét ở đây phải đề cập tới cả hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất
- Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực
- Quá trình phóng điện trong đất
Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung), chỉ cần xem xét quá trình phóng điện trong đất mà không cần quan tâm đến quá trình quá độ Ngược lại, với nối đất dạng tia dài hoặc mạch vòng (phân bố dài), cần phải xem xét cả hai quá trình vì chúng ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả của nối đất Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung cũng cần được đánh giá.
Điện trở tản xung kích không bị ảnh hưởng bởi kích thước hình học của điện cực, mà chủ yếu phụ thuộc vào biên độ dòng điện I, điện trở suất ρ và đặc tính xung kích của đất.
Vì trị số điện trở tản xoay chiều của nối đất tỉ lệ với ρ nên hệ số xung kích có trị số là α xk =
√ I ρ (2 – 9) hoặc ở dạng tổng quát: α xk = f(I ρ ) (2 – 10)
Tính toán nối đất phân bố dài không xét tới quá trình phóng điện trong đất
Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:
Hình 2-1: Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất
Trong mọi tình huống, điện trở tác dụng R có thể bị bỏ qua do giá trị của nó nhỏ hơn nhiều so với điện trở tản Hơn nữa, phần điện dung C cũng không cần xem xét, bởi ngay cả khi xảy ra sóng xung kích, dòng điện dung vẫn rất nhỏ so với dòng điện qua điện trở tản.
Sơ đồ đẳng trị lúc này có dạng:
Hình 2 – 2: Sơ đồ đẳng trị thu gọn
Trong sơ đồ thay thế trên thì:
Lo: Điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài
Go: Điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài
Trong đó: l: Chiều dài cực r: Bán kính cực ở phần trước nếu cực là thép dẹt có bề rộng b (m)
Gọi Z (x, t) là điện trở xung kích của nối đất kéo dài, nó là hàm số của không gian và thời gian t
Trong đó U(x, t), I(x, t) là dòng điện và điện áp xác định từ hệ phương trình vi phân:
Giải hệ phương trình này ta được điện áp tại điểm bất kỳ và tại thời điểm t trên điện cực:
Từ đó ta suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất
Tính toán nối đất phân bố dài khi có xét quá trình phóng điện trong đất
Việc giảm điện áp và mật độ dòng điện ở những vùng xa của điện cực dẫn đến quá trình phóng điện trong đất tại các khu vực này yếu hơn so với khu vực gần đầu vào của nối đất.
Điện dẫn của nối đất trong sơ đồ đẳng trị không chỉ phụ thuộc vào dòng điện I và điện trở suất ρ, mà còn phụ thuộc vào tọa độ Tính toán tổng trở sẽ phức tạp và chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng Trong phạm vi đề tài này, chúng ta có thể bỏ qua quá trình phóng điện trong đất.
Tính toán nối đất an toàn
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích nối đất tự nhiên của trạm, cụ thể là hệ thống chống sét cho đường dây và cột điện 110kV và 220kV dẫn đến trạm.
-Tính R c : Dây chống sét ta sử dụng loại C-95 có r o =1,88 Ω/ km
Ta có điện trở suất của đất ρ = 0,8510 4 Ω cm Trạm có 6 lộ 220kV, 8 lộ 110 kV Theo công thức (2 – 4) ta có:
Trong đó: n- số lộ dây -Đối với các lộ đường dây chống sét 220 KV:
-Đối với các lộ đường dây chống sét 110 KV:
Theo lý thuyết, R TN < 0,5 Ω được coi là tiêu chuẩn an toàn cho hệ thống nối đất Tuy nhiên, do sự biến động của nối đất tự nhiên, việc thực hiện nối đất nhân tạo là cần thiết để đảm bảo an toàn.
Nối đất nhân tạo Với trạm bảo vệ có kích thước hình chữ nhật có các chiều là: l 1 70 (m) l 2 0( m)
Ta lấy lùi lại mỗi đầu 1 m để cách xa móng tường trạm
Do đó ta sử dụng mạch vòng bao quanh trạm là hình chữ nhật ABCD có kích thước như sau:
L: chu vi của mạch vòng L = (l 1 + l 2 ) 2 Theo sơ đồ ta có
L = (368 + 148) 2 = 1032 (m) t: độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng, lấy t =0,8 m ρ 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 k mùa =1,6
⇒ ρ tt = 85 1,6 = 136 ( Ω m) d: đường kính thanh làm mạch vòng (nếu thanh dẹt có bề rộng là b thì d = b/2) Ta chọn thanh có bề rộng là b = 4cm do đó d = b/2 = 4/2 =2 (cm) = 0,02 (m)
K: hệ số phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất
Bảng 2 – 1: Hệ số K phụ thuộc vào (l 1 /l 2 ) l 1 / l 2 1 2 3 4 5
Hình 2- 4: Đồ thị hệ số phụ thuộc hình dáng K
Từ đồ thị ta xác định được K = 6,35 Thay các công thức trên vào công thức tính R MV ta được
Vậy điện trở nối đất của hệ thống là:
Hệ thống thiết kế nối đất như trên đảm bảo an toàn cho trạm biến áp 110 / 220 kV
Nối đất chống sét
Khi thiết kế hệ thống nối đất chống sét cho trạm biến áp 110/220kV, cần kết hợp nối đất chống sét với nối đất an toàn Điều này dẫn đến việc sử dụng nối đất phân bố dài theo dạng mạch vòng Sơ đồ thay thế cho hệ thống chống sét được thể hiện trong hình 2 – 1.
Giá trị của Lo và Go được xác định như sau:
*Tính Lo: Theo công thức (2 11) ta có:
( μH /m ) Trong đó: l là chiều dài điện cực l= L CHUVI
*Tính Go : Áp dụng công thức (2-12)
R NTS =R MVS = R MVAT k AT k SET k mùa at =1,6 k mùa set =1,25
*Tính phân bố điện áp và tổng trở xung kích của hệ thống nối đất
Trong thiết kế tính toán ta chọn dạng sóng xiên góc của dòng điện sét có biên độ không đổi
Phương trình sóng có dạng như sau và được thể hiện ở hình 2-5:
Hình 2- 5: Đồ thị dạng sóng của dòng điện sét
Với biên độ dòng điện sét là I 0 kA Độ dốc của dòng sét là a0 kA/ μ s
Nên thời gian đầu sóng là đs =
Theo công thức (2 – 13) ta có tổng trở xung kích của hệ thống nối đất nhân tao là:
Do coi mạch vòng là sự ghép song song của hai tia nên
Để xác định được Z (0, đs ), ta xét các chuỗi số sau:
Trong chuỗi số này, chúng ta chỉ xem xét các số hạng chứa e^-4, vì các số hạng từ e^-5 trở đi có giá trị rất nhỏ so với các số hạng trước đó và có thể được bỏ qua Điều này có nghĩa là chúng ta sẽ tính đến k sao cho: τ ds.
Ta chọn k trong khoảng từ 112 (kZ + )
Bảng 2 – 3: Bảng tính toán chuỗi ∑ k=1
Từ bảng trên ta có
Kiểm tra điện áp trên các thiết bị
Trong trạm biến áp, máy biến áp là phần tử quan trọng nhất nhưng cũng là phần yếu nhất, do đó cần kiểm tra thường xuyên Để đảm bảo an toàn cho trạm biến áp khi có dòng điện sét, cần đảm bảo rằng hệ thống nối đất đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn.
I : Biên độ của dòng điện sét
Z XK (0, đs ): Tổng trở xung kích ở đầu vào nối đất của dòng điện sét
U 50% MBA : Điện áp 50% của máy biến áp Đối với MBA 110(kV) U 50% MBA F0 kV Đối với MBA 220(kV) U 50% MBA 0 kV
=> Lấy U 50%MBA = 460kV Kiểm tra điều kiện này ta thấy:
U đ =I Z XK (0, đs ) = 150 4,95t3 kV > U 50% MBA = 460 kV
Ta thấy rằng phải tiến hành nối đất bổ sung để đảm bảo không có phóng điện ngược
Để giảm điện trở nối đất và đảm bảo tiêu chuẩn cho hệ thống nối đất chống sét, chúng ta nên lựa chọn phương án đóng cọc bổ sung để tạo thành mạch vòng Việc này giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống và đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện.
Sử dụng thanh loại thép dẹt có chiều dài L bề rộng 0,04m chôn sâu 0,8m (là mạch vòng nối đất hình chữ nhật trong nối đất nhân tạo)
( ) b Tính điện trở cọc: Đối với cọc tròn điện trở tản được tính theo công thức:
l: là chiều dài cọc l = 3 m d:đường kính d=0,06 m
tt: Là điện trở suất của đất, đối với cọc ta có = đo K mcọc
Tra bảng (2-1) sách hướng dẫn thiết kế KTĐCA ta có K mc = 1,15 Vậy:
tt = 85 10 4 1,15 = 97,75 ( m) d: Đường kính cọc t , : Là độ chôn sâu của cọc:
(m) Thay vào công thức trên ta có:
Hình 2- 6: Sơ đồ đóng cọc bổ sung c Tính điện trở hệ thống sau khi đóng cọc
Sau khi tính được R t và R c ta tính điện trở nối đất nhân tạo của hệ thống thanh vòng – cọc:
R c : Điện trở của một cọc
R t : Điện trở của mạch vòng
t : Hệ số sử dụng của mạch vòng
c : Hệ số sử dụng của cọc n: Số cọc trong hệ thống
Trong công thức này, chúng ta chỉ biết giá trị của R c và R t Do đó, cần tìm R nt với giá trị nhỏ nhất, đồng thời đảm bảo tiêu chuẩn nối đất chống sét Giá trị của R c và R t phụ thuộc vào số lượng cọc được xét đến trong tính toán.
Vậy ta xét theo tỷ số l a với các thông số:
(cọc) Tra bảng (2-4 và 2-6) trong tài liệu [2] ta có:
Số lượng cọc được phân chia như sau: n1 = 344 cọc với điện trở R nt nhỏ nhất là 0,19 và c = 0,33; n2 = 172 cọc với R nt là 0,23 và c = 0,54; n3 = 115 cọc với R nt là 0,33 và c = 0,57 Để đảm bảo an toàn tối ưu, chúng ta nên chọn trường hợp có điện trở R nt nhỏ nhất, tức là sử dụng 344 cọc với a1/l = 1.
Thay các số liệu đã có ở trên vào công thức:
R R n ( ) Điện trở nối đất của hệ thống sau khi đóng thêm cọc
R HT = nt tn nt tn
Ta tiến hành kiểm tra điều kiện chống sét của hệ thống nối đất trên
Ta chọn k trong khoảng từ 115 (kZ + )
Bảng 2 – 3: Bảng tính toán chuỗi ∑ k=1
Từ bảng trên ta có
U đ =I Z XK (0, đs ) = 150 3,45= 517 ,66 kV > U 50% MBA = 460 (kV)
Ta thấy rằng phải tiến hành nối đất bổ sung để đảm bảo không có phóng điện ngược
Trong nối đất bổ sung ta sử dụng dạng nối đất tập trung gồm thanh và cọc tại các chân các cột thu sét và chân các thiết bị
Chọn thanh nối đất bổ sung là loại thép dẹp có: chiều dài l m, bề rộng b= 0,04 m
Dọc theo chiều dài thanh có chôn 3 cọc tròn có:chiều dài cọc l=3 m, đường kính d = 0,04 m
Khoảng cách giữa hai cọc a= 6 m, độ chôn sâu t=0,8 m Điện trở nối đất của thanh là:
Tính điện trở của cọc:
Hình 2- 7: Sơ đồ nối đất bổ sung
2 ln 4.2,3+3 4.2,3−3 ) %, 65 ( ) Điện trở nối đất bổ sung được xác định theo
Tra bảng phần phụ lục ta có: h t = 0,92 , h C = 0,85
Tính tổng trở xung kích của hệ thống nối đất khi có nối đất bổ sung:
Hệ thống nối đất bao gồm điện cảm và điện dẫn, và thông qua phép biến đổi Laplace, ta có thể xác định giá trị tổng trở sóng đầu vào cho hệ thống nối đất bổ sung.
− ( x π K ) 2 τ T ds 1 Đối với chuỗi B ta chỉ tính tới e - 4 hay
Giá trị x K được xác định theo: tgx K =(− R nt
Vậy x K là nghiệm của phương trình: tgx K =−0 ,034 x K
To solve the equation using MATLAB, define a function to initialize the variable `n` to zero Iterate through values of `x` from 0 to 30 in increments of 0.00001, calculating `y` as the sum of `tan(x)` and `0.03467*x` If the absolute value of `y` is less than 1e-4, increment `n` and store the corresponding `x` and `y` values in arrays `x0` and `y0` Set a threshold `e` to 1e-3 and use nested loops to compare the `x0` values; if they are within `e`, keep the one with the larger absolute `y0` value and set the other to zero Finally, display the non-zero values of `x0`.
Nghiệm của phương trình là y=−0 ,034 x K và đường cong y=tgx K cho trong bảng:
Bảng 2- 4-a: Bảng tính toán Bk:
Bảng 2- 4-b: Bảng tính toán Bk:
Kiểm tra yêu cầu của nối đất chống sét:
Vậy thoả mãn điều kiện nối đất chống sét.
Kết luận
Sau khi thực hiện nối đất bổ sung cho các cột thu sét, hệ thống nối đất đã đạt tiêu chuẩn kỹ thuật về nối đất chống sét cho trạm 110/220 kV.
BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY
Mở đầu
Đường dây tải điện thường là đường dây trên không dài, đi qua nhiều khu vực khác nhau, nên có nguy cơ bị sét đánh cao, dẫn đến phóng điện trên cách điện và sự cố cắt điện Khi sét đánh vào đoạn dây gần trạm, nó tạo ra sóng truyền vào trạm, gây hư hại cho cách điện của thiết bị điện Do đó, cần nghiên cứu và triển khai các biện pháp chống sét cho đường dây tải điện, đặc biệt là các đoạn gần trạm, để đảm bảo an toàn và bảo vệ hiệu quả.
Quá điện áp khí quyển xảy ra khi sét đánh trực tiếp vào đường dây hoặc khi sét đánh xuống đất gần đó, gây ra quá điện áp cảm ứng Trị số của quá điện áp này rất cao, vì vậy không thể thiết kế mức cách điện cho đường dây đáp ứng hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp Thay vào đó, mức cách điện phải được lựa chọn dựa trên các yếu tố kinh tế và kỹ thuật hợp lý Do đó, yêu cầu bảo vệ chống sét cho đường dây không nhất thiết phải đạt mức an toàn tuyệt đối, mà chỉ cần đảm bảo ở mức độ hợp lý.
Chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây
Trong phần này, chúng ta sẽ tính toán các chỉ tiêu bảo vệ chống sét cho đường dây, từ đó xác định các phương hướng và biện pháp nhằm giảm thiểu số lần cắt điện của đường dây cần bảo vệ.
3 2 1 Cường độ hoạt động của sét:
Số ngày sét, hay cường độ hoạt động của sét, được đo bằng số ngày có giông sét trong năm (n ng s) Thông tin này được thu thập từ các trạm khí tượng trên toàn quốc, giúp xác định mức độ xuất hiện của hiện tượng sét.
Mật độ sét được xác định bằng cách tính số lần phóng điện xuống đất trên diện tích 1 km² trong một ngày có sét, với giá trị khoảng 0,1 đến 0,15 lần/km² Dựa vào thông số này, có thể ước tính số lần sét đánh vào các công trình và đường dây tải điện, cho kết quả tính toán này là giá trị trung bình.
3 2 2 Số lần sét đánh vào đường dây: a Số lần sét đánh vào đường dây:
Mật độ sét trên toàn bộ diện tích mà đường dây đi qua là đồng đều, cho phép tính toán số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây trong một năm.
Trong đó: m s : mật độ sét vùng có đường dây đi qua n ng s : số ngày sét trong một năm h: chiều cao trung bình của các dây dẫn (m)
L: chiều dài của đường dây (km)
Lấy L = 100km ta sẽ có số lần sét đánh vào 100km dọc chiều dài đường dây trong một năm
Tùy thuộc vào vị trí sét đánh, quá điện áp xuất hiện trên cách điện đường dây có giá trị khác nhau Có ba khả năng phân biệt số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây có dây chống sét, trong đó sét có thể đánh vào đỉnh cột.
(3-3) c Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn:
Trong bài viết này, N đại diện cho tổng số lần sét đánh vào đường dây Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn được ký hiệu là ϑ α, phụ thuộc vào góc bảo vệ α và có thể được xác định thông qua công thức cụ thể.
Trong đó h c : chiều cao của cột (m) α : góc bảo vệ (độ) d Sét đánh vào điểm giữa khoảng vượt:
3 2 3 Số lần phóng điện do sét đánh
Khi bị sét đánh, quá điện áp có thể tác động lên cách điện của đường dây, bao gồm sứ và khoảng cách không khí giữa dây dẫn và dây chống sét, dẫn đến hiện tượng phóng điện.
Khả năng phóng điện được đặc trưng bởi xác suất phóng điện ϑ pd Như thế ứng với số lần sét đánh N i số lần phóng điện:
Xác suất phóng điện ϑ pd liên quan đến mức độ quá điện áp và đặc tính cách điện (V-S) của đường dây Công thức tính xác suất phóng điện được thể hiện như sau: ϑ pd = P { U cd ≥U d pd d } Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến xác suất này là số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây.
Khi xảy ra phóng điện trên cách điện của đường dây, máy cắt có thể bị ngắt nếu xuất hiện hồ quang tần số công nghiệp Xác suất hình thành hồ quang η phụ thuộc vào điện áp làm việc trên cách điện pha và độ dài cách điện của đường dây Xác suất này có thể được xác định thông qua bảng dữ liệu liên quan.
Bảng 3- 1: Bảng xác suất hình thành hồ quang η= f ( E lv ) cs lv lv L
Với U lv : điện áp pha làm việc.
L cs : chiều dài chuỗi sứ
Hình3- 1: Đồ thị η= f ( E lv ) Đối với đường dây dùng cột gỗ tính theo công thức η=( 1,5 E tb − 4).10 −2 (3-9)
E tb : là cường độ trường trung bình trên tổng chiều dài cách điện ( kV/m)
Cuối cùng có thể tính số lần cắt của đường dây tương ứng với số lần sét đánh N i : n cdi =N pdi η= N i ϑ pd η (3-10)
Số lần cắt điện tổng cộng của đường dây: n cd = ∑ n cdi (3-11) b Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng
Số lần phóng điện do sét đánh gần đường dây cảm ứng gây phóng điện trên cách điện đường dây
Trong đó n s: là số ngày sét trong một năm h : độ treo cao trung bình của dây dẫn
U 50%: điện áp phóng điện 50% của chuỗi sứ
Số lần đường dây bị cắt điện do quá điện áp cảm ứng được xác định theo công thức n cdcu = N pdcu η Đối với đường dây 110kV trở lên, mức cách điện cao (U 50% lớn) dẫn đến suất cắt do quá điện áp cảm ứng có trị số nhỏ, vì vậy trong tính toán có thể bỏ qua thành phần này.
Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây
3 3 1 Mô tả đường dây cần bảo vệ a) Kết cấu cột điện
Hình 3-2: Sơ đồ cột lộ đơn 220kV
Loại cột: sắt, mạch đơn
Loại ΠC−4,5 có chiều dài 170mm và độ cao treo dây dẫn pha A là 21m, trong khi độ cao treo dây dẫn pha B và C đều là 15m Bài viết cũng đề cập đến dây dẫn và dây chống sét.
Dây chống sét C – 95 Khoảng vượt l kv 20m c) Nối đất cột điện Điện trở suất của nối đất ρΩ m Điện trở nối đất cột điện R c = 15 Ω
3 3 2 Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây a) Độ võng của dây Độ võng của dây dẫn AC-300:
Các thông số sủa dây AC - 300: Ứng suất cho phép: σ cp =8 , 58kg /mm 2 Modul đàn hồi: E50 kg/mm 2
Hệ số giãn nở nhiệt: α ,2.10 −6 1 / 0 C
Tải trọng do trọng lượng gây ra g 1 =3 , 46 10 −3 kg / m mm 2
Tải trọng do gió gây ra (áp lực gió cấp 3 với v0m/s): F g 3 P v
16 F v là lực tác dụng của gió lên 1m dây + α=0,7 là hệ số không đều của áp lực gió
+ C x =1,2 là hệ số khí động hóc của dây dẫn phụ thuộc vào đường kính của dây( C x =1,2 khi d< 20 mm)
+ F v =1 d 10 −3 m:là diện tích chắn gió của 1m dây Vậy
300 =3 , 08.10 −3 ( kG/ m mm 2 ) Tải trọng tổng hợp: g= √ g 1
Ta có: l gh =σ cp √ 24 α (ϑ g 2 − bao g −ϑ 1 2 bao )
Kiểm tra điều kiên ta thấy l 320 267,52 (m)
Vậy phương trình trạng thái lấy lấy trạng thái ứng với làm trạng thái xuất phát Phương trình trạng thái có dạng: o ã θ b
Ta có phương trình: δ 3 +4 , 845 δ 2 −755 , 99= 0 có nghiệm δ=7 , 744( kG /mm 2 ) Độ võng: f = g l 2
(m) Độ võng của dây dẫn chống sét:
Tính tương tự ta có: f =5 , 12 (m) b) Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha A ( h A tb ) Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha A là: h cs tb =h cs − 2
(m) Góc bảo vệ pha A: tg α A = 3 h cs −h A = 3
Tương tự ta có: Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha B(C ) là:11,18 m
Góc bảo vệ pha B(C ): α B 0 32' c) Tổng trở sóng của dây dẫn
Tổng trở sóng của dây dẫn được tính theo công thức:
(3-14) Trong đó: r: Bán kính dây dẫn h: Độ treo cao trung bình của dây dẫn
Dây dẫn pha A là dây AC-300 có r = 9,78 10 -3 m nên:
Tổng trở sóng dây chống sét
Dây chống sét là dây C-95 có r = 5,35 10 -3 m
Khi không kể đến ảnh hưởng của vầng quang
Khi có kể đến ảnh hưởng của vầng quang
Z VQ CS = Z cs λ λ =1,4 : là hệ số hiệu chỉnh khi xuất hiện vầng quang được tra từ bảng với cấp điện áp 220kV
Hình 3-3: Sơ đồ xác đinh hệ số ngẫu hợp
Khi chưa có vầng quang thì hệ số ngẫu hợp K được tính như sau với dây dẫn 1 và dây chống sét 2
Trong đó: h 2 là độ treo cao của dây chống sét r 2 : bán kính của dây chống sét d 12 : khoảng cách giữa dây chống sét và dây dẫn
D 12 : khoảng cách giữa dây chống sét và ảnh của dây dẫn
Khi xét đến ảnh hưởng của vầng quang điện:
Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn pha A và dây chống sét
Với pha A ta có: Độ treo cao của dây dẫn h 1 = 21m Độ treo cao của dây chống sét h 2 = 27m Độ dài của xà l xà = 3m
Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn pha B(C) và dây chống sét
Tính toán tương tự ta có: K vq B =K C vq =0 ,18 e) Nhận xét
Khi tính toán các chỉ tiêu chống sét, cần lựa chọn trường hợp nguy hiểm nhất từ các pha có thông số khác nhau để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc bảo vệ.
Khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn ta chỉ xét cho pha A (pha có góc bảo vệ lớn nhất)
Khi sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét ta tính cho pha B hoặc C (pha có hệ số ngẫu hợp nhỏ hơn)
Khi sét đánh vào đỉnh cột ta sẽ tính với pha có U cđ (a,t) lớn nhất
3.3.3 Tính số lần sét đánh vào đường dây
Nếu gọi N là tổng số lần sét đánh trên đường dây và với n ng.s = 95ngày/năm; h cs = 23,587 m ta có:
Ta lấy khả năng nguy hiểm nhất để tính N = 201,66 lần/100km năm
N = N dd + N dc +N kv Trong đó: N dd : số lần sét đánh vào dây dẫn
N đc : số lần sét đánh vào đỉnh cột
N kv : số lần sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét a) Số lần sét dánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
Trong trường hợp này, chúng ta sẽ tính toán với dây dẫn pha A Đầu tiên, cần xác định xác suất phóng điện ϑ α với các thông số: α và h c Công thức xác định xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét được biểu diễn như sau: lg ϑ α = α √ h c.
Số lần sét đánh vào dây dẫn:
N dd 1 ,66 3, 415 10 −3 =0 ,688 (lần/100km năm) b) Số lần sét đánh vào đỉnh cột và khoảng vượt
3.3.4 Suất cắt do sét đánh vào đường dây a) Suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
Số lần cắt của đường dây: n dd =N ϑ pd η
Trong đó: ϑ pd là xác suất phóng điện được xác định như sau: ϑ pd = [ U qa ≥U 50 % ]
Ta có: Z dd A 489,918( ) ; U 50% 1140( kV ) ϑ pd =e
26 ,1.489,918 =0,7 η : xác suất hình thành hồ quang η= f ( E lv ) xác định như sau:
√ 3 7 ,017 ( kV ) l pd : chiều dài phóng điện, lấy bằng chiều dài chuỗi sứ l pd =l su n l sứ : độ cao một bát sứ n: số bát sứ của chuỗi sứ l pd 0 13"10 (mm)=2 , 21( m)
Từ đồ thị 3 1 ta có η=0 ,67. n dd =0, 689.0,7.0 , 67=0,323 (lần/100km năm) b) Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt
Khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét, ta có thể giả định rằng sét sẽ đánh vào chính giữa khoảng vượt, từ đó dòng điện sét sẽ được phân chia đều sang hai bên.
Hình 3- 4: Sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét
Khi thực hiện lấy điện với dạng sóng xiên góc, trên dây chống sét và mỗi cột sẽ xuất hiện dòng điện Để tính toán chính xác, cần xem xét các giá trị khác nhau của dòng điện sét.
Khi đường dây tải điện bị sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét, sẽ tạo ra điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét, cũng như điện áp tác dụng lên cách điện của chuỗi sứ.
Nếu các điện áp này đủ lớn thì sẽ gây ra phóng điện sét trên cách điện làm cắt điện trên đường dây
Suất cắt điện xảy ra khi quá điện áp tác động lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét, đặc biệt là khi xem xét pha B hoặc C do hệ số ngẫu hợp của hai pha này thấp hơn pha A.
Trong đó K vq : hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét có kể đến vầng quang a: độ dốc dòng điện sét l: khoảng vượt của đường dây
Từ đó ta có thể tính được xác suất phóng điện và tính các giá trị N pđ và n pđ
Trong thiết kế và thi công đường dây điện, việc chọn khoảng cách giữa các dây là rất quan trọng để ngăn ngừa hiện tượng chạm dây Điều này giúp giảm thiểu khả năng phóng điện, và ngay cả khi xảy ra, xác suất hình thành hồ quang cũng rất thấp Do đó, trong trường hợp này, suất cắt có thể được xem xét là không cần thiết.
Suất cắt điện xảy ra khi quá điện áp tác động lên chuỗi sứ, đặc biệt là khi sét đánh vào khoảng cách của dây chống sét.
U cd ( t )=U c ( t )+ U lv (3-18) Trong đó: U lv là điện áp làm việc
U c (t): điện áp tại đỉnh cột
Với dạng sóng xiên góc xét với thời gian t< τ ds thì:
Ta có: R c là điện trở nối đất cột điện R C Ω
L c : điện cảm thân cột L C =L 0 h C với l 0 =0,6 μH ; h C ' m
K vq : hệ số ngẫu hợp có kể đến ảnh hưởng của vầng quang pha B(C) với dây chống sét K vq =0, 18.
Thay vào công thức 3-21 ta có:
Ta thấy U cđ (t) = f(a,t) Vì vây ta cần kiểm tra với nhiều giá trị a, t như sau a = 10, 20, 30, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100(kA/ μs ) t = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ( μs )
Bảng 3- 2: Giá trị U cđ (a,t) tác dụng lên chuỗi sứ a t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
692 8,6 Đồng thời ta cũng có bảng đặc tính V-S của chuỗi sứ π −4,5 như sau:
Bảng 3-3: Đặc tính phóng điện của chuỗi sứ, t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Dựa vào bảng 3.2 và 3.3 ta vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ của U cđ( t) và đặc tính phi tuyến V-S của chuỗi sứ
Từ đồ thị này ta xác định được các cặp thông số (I i ,a i ) là giao của đường cong
Dựa vào các cặp thông số U cđ (t) và đặc tuyến V-S, chúng ta có thể xác định đường cong nguy hiểm I=f(a) Từ đó, có thể xác định miền nguy hiểm và tính toán xác suất phóng điện ϑ pd.
Bảng 3-4: Đặc tính xác suấtt phóng điện ϑ pd
Thông qua các kết quả tính toán cho ở bảng 3,4 ta có: ϑ pd = ∑ i=1 n
Suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét, n kv =N kv η ϑ pd
Suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột và khu vực lân cận được tính toán dựa trên giả thiết rằng sét chỉ đánh vào đỉnh cột điện Khi đó, phần lớn dòng điện sét sẽ được dẫn vào hệ thống nối đất của cột, trong khi một phần nhỏ sẽ theo dây chống sét đến các bộ phận nối đất của các cột lân cận.
Hình 3-6: Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét,
Trong trường hợp này, cần tính toán suất cắt cho pha có điện áp lớn nhất U cđ (t) max Do đó, việc tính toán điện áp đặt lên cách điện cho từng pha là rất quan trọng.
U cđ (t) được xác định theo công thức sau:
U cd (t )=U c ( t )+U cu.tu dd (t )+U cu.dien dd (t )+U dcs (t )+U lv (3-27)
Theo công thức trên điện áp xuất hiện trên cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột bao gồm,
Thành phần điện áp giáng trên cột,
Thành phần điện áp cảm ứng từ xuất hiện do hỗ cảm của dây dẫn và kênh sét gây ra,
U cu.tu dd ( t )=M dd ( t ) di s dt (3-29)
M dd ( t )=0,2 h dd [ ln ( 1+ v t β + ) H H − 2 Δh h dd ln Δh H + 1 ] (3-30)
Với: h dd là độ cao của dây dẫn
H = h c + h dd , Δh=h c −h dd , β : hệ số vận tốc của dòng điện sét được lấy β = 0,3, v = β ,c với c là vận tốc truyền sóng c = 300m/ μs ,
Khi tính toán với dạng sóng xiên góc i s = a,t ta có thể tính U cu dd tu (t ) theo công thức sau:
Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tích của dòng điện sét,
U cu.dien dd ( t )=(1− K h c h dd ) 0,1 a h dd β ln (v t +h c ) √ ( v t + H ) (v t + Δh)
Độ dốc đầu sóng của sóng xiên góc được ký hiệu là a, trong khi K là hệ số ngẫu hợp, tính đến ảnh hưởng của vầng quang Bên cạnh đó, thành phần điện áp phát sinh do dòng điện sét di chuyển trên dây chống sét cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.
U dcs ( t )=− K ( i c R c + L c dcs dic dt +a M cs ( t ) ) (3-33)
Với: (3-34) Thành phần điện áp làm việc,
Để tính toán các thành phần điện áp trong các pha, trước tiên cần xác định dòng điện vào cột i c (t) và thành phần biến thiên dòng điện theo thời gian di c dt Việc tính toán dòng điện này có thể dựa vào sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét trong hai trường hợp khác nhau.
+ Khi chưa có sóng phản xạ từ cột bên cạnh về t ≤
Hình 3-7: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện sét khi chưa có sóng phản xạ
Trong đó L c cs là điện cảm của cột, L c cs =l 0 h c
R c : điện trở nối đất cột điện,
Z cs : tổng trở sóng dây chống sét có kể đến ảnh hưởng của vầng quang,
Từ sơ đồ ta tính được: i c (a , t )= a
+ Khi có sóng phẩn xạ từ cột lân cận về t > 2 l kv v ,
Hình 3-8: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện sét khi có sóng phản xạ,
Với: L cs là điện cảm của một khoảng vượt của dây chống sét,
L cs +2 L c cs (3-42) Điện áp đặt lên cách điện pha A, Để so sánh U cđ (a,t) ta sẽ tiến hành so sánh với 1 giá trị cụ thể như sau: a= 10kA/ μs ; t = 3 μs
Ta có các thông số đối với pha A như sau
Từ các thông số trên ta tính được các giá trị của các thành phần điện áp như sau. t=3 μs > 2.l kv v = 2 320
( μs ) Ở thời gian này có sóng phản xạ từ cột lân cận về do đó điện áp đặt lên cách điện được tính theo sơ đồ hình 3-9.
Thành phần điện áp giáng trên cột.
U c ( a,t )=U c ( 10, 3)%,189.15+12 ,6.7, 796= 476 ,071 ( kV ) Thành phần điện áp cảm ứng do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét
U cu.tu dd =M dd a= 9 ,79 10 ,9 ( kV )
Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tích dòng điện sét.
Thành phần điện áp do dòng điện sét đi trong dây chống sét gây ra.
Thành phần điện áp làm việc.
U lv =0 ,52.2204 , 4 ( kV ) Vây điện áp tác dụng lên cách điện pha A.
Điện áp tác dụng lên cách điện pha B hoặc C.
Tính toán tương tự pha A ta có: Điện áp tác dụng lên cách điện pha B.
U cd B ( a , t )=U cd B ( 10,3 )h7 ,946 ( kV ) Kết luận.
Vậy pha A có U cđ (t) lớn hơn nên ta sẽ tiếp tục tính toán điện áp đặt lên cách điện chuỗi sứ trong trường hợp tổng quát là với pha A.
Tính toán quá điện áp đặt lên chuỗi sứ U cđ (a,t). Để tính được U cđ (a,t) ta cần phải tính các thành phần điện áp như sau:
Thành phần điện áp làm việc:
Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tích dòng điện sét.
Kết quả tính toán với các a,t khác nhau cho ở bảng sau:
Bảng 3-5: Giá trị U cu.dien dd (a,t ) a t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Thành phần điện áp cảm ứng do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét.
U cu.tu dd ( a,t )=4,2 a [ ln 90.t 62, 4 +48 + 0,7 ] ( kV )
Kết quả tính toán với các a,t khác nhau cho ở bảng.
Bảng 3-6: Giá trị U cu dd tu (a,t ) , a t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Thành phần điện áp giáng trên cột. Để tính được phần này ta cần tính trong hai trường hợp.
+ Khi chưa có sóng phản xạ về t ≤ 2 320
+ Khi có sóng phản xạ về t> 2 320
Kết quả tính toán cho ở bảng:
182,02 9 Khi có sóng phản xạ từ cột lân cận trở về a t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Bảng 3-8: Giá trị dI C (a,t ) dt a t 10
182,02 9 Khi có sóng phản xạ từ cột lân cận trở về a t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
10 5,414 10,828 16,242 21,656 27,069 32,483 37,897 43,311 48,725 54,139 Vậy thành phần điện áp giáng lên cột:
Kết quả tính toán cho ở bảng:
5679,3 03 Khi có sóng phản xạ từ cột lân cận trở về a t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
11383,1 34 Thành phần điện áp do dòng điện sét đi trên dây chống sét gây ra.
Tương tự tính được i c (a,t) và di c ( a,t ) dt như ở thành phần điện áp giáng trên thân cột.
U dcs ( t )=−0 , 235.(15 i c ( a, t )+16 , 2 di c ( a ,t ) dt +a M cs ( t ))( kV ) Kết quả tính toán với các giá trị (a,t):
9 Khi có sóng phản xạ từ cột lân cận trở về a t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Từ các thành phần điện áp ta tính được U cđ (a,t).
U cd ( a, t )=U C ( a , t )+U cu dd dien ( a, t )+U cu.tu dd ( a ,t )+U dcs ( a , t )+U lv Kết quả tính toán với các a,t khác nhau cho ở bảng
Khi có sóng phản xạ từ cột lân cận trở về a t 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Ta có đồ thị biểu diễn mối quan hệ của U cđ (t) và đặc tính phi tuyến V–S của chuỗi sứ.
Từ đồ thị này ta xác định được các cặp thông số (I i ,a i ) là giao của đường cong
Đường cong nguy hiểm I = f(a) được xác định dựa trên các cặp thông số U cđ (a,t) và đặc tuyến V – S, từ đó cho phép xác định miền nguy hiểm và xác suất phóng điện Vpđ.
Bảng 3-12: Đặc tính xác suất phóng điện ϑ pd
Suất cắt điện của đường dây 1 0, 036 n pd I a i
khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét n kv =N kv η ϑ pd 0 , 883.0 , 67.0 ,036=2,4 (lần/100km.năm)
Suất cắt tổng cộng do sét đánh vào đường dây.
Suất cắt điện do sét đánh vào đường dây. n c =n dd +n kv +n dc =0 , 323+ 0 , 0071+ 2,4= 2, 73 (lần/100km.năm)
Chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện n= 1 n c = 1
CHƯƠNG 4 BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRUYỀN VÀO TRẠM BIẾN ÁP TỪ
PHÍA ĐƯỜNG DÂY 220 KV 4.1 Khái niệm chung