Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt cótrị số điện trở nhỏ không đáng kể.Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét, dòng điện này có biên độ v
Hiện tượng dông sét
Khái niệm chung
Dông sét là hiện tượng thiên nhiên xảy ra khi có sự phóng tia lửa điện giữa các điện cực cách xa nhau, thường khoảng 5km Hiện tượng này có hai loại chính: phóng điện giữa các đám mây tích điện và phóng điện từ đám mây xuống mặt đất Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào phóng điện mây-đất, vì nó có ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống điện.
Các đám mây tích điện với mật độ cao có thể tạo ra cường độ điện trường lớn, dẫn đến sự hình thành dòng phát triển hướng về mặt đất Giai đoạn này được gọi là phóng điện tiên đạo, với tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo trong lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5 x 10^7 cm/s Trong các lần phóng điện tiếp theo, tốc độ này có thể tăng lên khoảng 2 x 10^8 cm/s Trong một đợt sét, có thể xảy ra nhiều lần phóng điện liên tiếp do sự hình thành nhiều trung tâm điện tích trong cùng một đám mây.
Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích lớn, với đầu tia nối vào trung tâm điện tích của đám mây, dẫn đến một phần điện tích đi vào tia Điện tích này phân bố đều dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất Dưới tác động của điện trường, điện tích khác dấu sẽ tập trung trên mặt đất, tùy thuộc vào độ dẫn điện của đất Nếu đất có điện dẫn đồng nhất, điểm tập trung nằm ngay dưới đầu tia, trong khi nếu không đồng nhất, điện tích sẽ tập trung ở nơi có điện dẫn cao Quá trình phóng điện diễn ra theo đường sức nối giữa đầu tia và nơi tập trung điện tích, xác định địa điểm sét đánh trên mặt đất.
Để định hướng phóng điện sét, cần tạo ra khu vực có mật độ điện tích lớn Việc bảo vệ các công trình khỏi sét đánh trực tiếp dựa vào tính chọn lọc của phóng điện sét.
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp tập trung vào việc thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110kV Mục tiêu của đồ án là đảm bảo an toàn cho thiết bị điện và người vận hành, đồng thời nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điện Việc thiết kế hệ thống chống sét và nối đất đúng tiêu chuẩn là rất quan trọng để giảm thiểu rủi ro và thiệt hại do sét đánh gây ra.
Tốc độ phát triển của phóng điện ngược được ký hiệu là n, trong khi mật độ điện trường của điện tích trong tia tiên đạo được ký hiệu là d Trong một đơn vị thời gian, điện tích di chuyển vào đất sẽ được tính bằng công thức: is = n.d Công thức này áp dụng cho trường hợp sét đánh vào những khu vực có nối đất tốt, với trị số điện trở nhỏ không đáng kể.
Dòng điện sét là tham số chủ yếu của phóng điện sét, với biên độ và độ dốc phân bố theo hàm biến thiên trong khoảng từ vài kA đến vài trăm kA Dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xung kích, trong đó chỗ tăng vọt của sét tương ứng với giai đoạn phóng điện ngược.
Khi sét đánh vào thiết bị phân phối trong trạm, nó sẽ tạo ra quá điện áp khí quyển, dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng như ngắn mạch đầu thanh góp, cháy nổ, và mất điện trên diện rộng.
Tình hình dông sét ở Việt Nam
Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét mạnh mẽ và đặc điểm dông sét khác nhau ở từng miền Ở miền Bắc, số ngày dông dao động từ 70 đến 110 ngày mỗi năm, với tổng số lần dông từ 150 đến 300, tức trung bình mỗi ngày có 2 đến 3 cơn dông Móng Cái là khu vực có lượng dông nhiều nhất tại miền Bắc, với 250 đến 300 lần dông tập trung trong khoảng 100 đến 110 ngày, đặc biệt vào các tháng 7 và 8.
Một số khu vực có địa hình thuận lợi, như vùng chuyển tiếp giữa núi và đồng bằng, ghi nhận tới 200 cơn dông và 100 ngày dông mỗi năm Các khu vực khác trải qua từ 150 đến 200 cơn dông, tập trung trong khoảng 90 đến 100 ngày Đặc biệt, Quảng Bình là nơi có ít dông nhất ở miền Bắc, với dưới 80 ngày dông hàng năm.
Tháng Địa điểm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Cả năm
Hà Giang 0,1 0,6 5,1 8,4 15 17 22 20 9,2 2,8 0,9 0,0 102 Yên Bái 0,2 0,6 4,1 9,1 15 17 21 20 11 4,2 0,2 0,0 104 Tuyên Quang 0,2 0,0 4,0 9,2 15 17 22 21 11 4,2 0,5 0,0 106
Hà Nội 0,0 0,3 2,9 7,9 16 16 20 20 11 3,1 0,6 0,9 99 Hải Phòng 0,0 0,1 7,0 7,0 13 19 21 23 17 4,4 1,0 0,0 111 Thanh Hoá 0,0 0,2 7,3 7,3 16 16 18 18 13 3,3 0,7 0,0 100 Huế 0,0 0,2 1,9 4,9 10 6,2 5,3 5,1 4,8 2,3 0,3 0,0 41,8 Đà Nẵng 0,0 0,3 2,5 6,5 14 11 9,3 12 8,9 3,7 0,5 0,0 69,5 Quảng Ngãi 0,0 0,3 1,2 5,7 10 13 9,7 1,0 7,8 0,7 0,0 0,0 59,1 Sài Gòn 1,4 1,0 2,5 10 22 19 17 16 19 15 11 2,4 138 Sóc Trăng 0,2 0,0 0,7 7,0 19 16 14 15 13 1,5 4,7 0,7 104
Mùa dông ở Việt Nam không đồng nhất giữa các vùng, với Bắc Bộ tập trung từ tháng 5 đến tháng 9 Khu vực duyên hải Trung Bộ, đặc biệt từ Bình Định trở vào, có ít dông nhất, chỉ khoảng 10 ngày/tháng vào tháng 5, như Tuy Hòa 10 ngày, Nha Trang 8 ngày và Phan Thiết 13 ngày Trong khi đó, miền Nam, đặc biệt là đồng bằng Nam Bộ, có số ngày dông cao nhất, từ 120 đến 140 ngày/năm, với thành phố Hồ Chí Minh ghi nhận 138 ngày và Hà Tiên 129 ngày.
Việt Nam là một quốc gia chịu ảnh hưởng lớn từ dông sét, điều này gây bất lợi cho hệ thống điện và yêu cầu ngành điện phải đầu tư vào thiết bị chống sét Do đó, các nhà thiết kế cần chú trọng trong việc tính toán và thiết kế các công trình điện để đảm bảo hệ thống vận hành kinh tế, hiệu quả, đồng thời cung cấp điện liên tục và tin cậy.
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho TBA 220/110kV là một công trình quan trọng Hệ thống này đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện và người vận hành, đồng thời giảm thiểu rủi ro do sét đánh gây ra Việc thiết kế hệ thống chống sét và nối đất cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy cao.
Ảnh hưởng của hiện tượng dông sét tới hệ thống điện Việt Nam
Biên độ dòng sét có thể đạt hàng trăm kA, tạo ra nguồn sinh nhiệt lớn khi đi qua vật liệu Dây tiếp địa kém chất lượng có thể bị nóng chảy và đứt khi chịu tác động của dòng điện sét, trong khi cách điện bằng sứ có thể vỡ và chảy ra như nhũ thạch Phóng điện sét không chỉ di chuyển lượng điện tích lớn mà còn tạo ra điện từ trường mạnh, gây ra nhiễu loạn vô tuyến và ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử Tác động của sét có thể lan tỏa rộng rãi, ảnh hưởng đến khu vực cách xa hàng trăm km.
Khi sét đánh vào đường dây điện hoặc gần đó, sóng điện từ sẽ được sinh ra và truyền dọc theo đường dây, gây ra quá điện áp ảnh hưởng đến cách điện Nếu cách điện bị hỏng, sẽ dẫn đến hiện tượng ngắn mạch pha-đất hoặc pha–pha, buộc thiết bị bảo vệ phải hoạt động Đối với các đường dây truyền tải công suất lớn, việc máy cắt nhảy có thể làm mất ổn định hệ thống, và nếu các nhà máy điện không tự động xử lý kịp thời, có thể dẫn đến rã lưới Sóng sét cũng có thể truyền vào trạm biến áp, hoặc sét đánh trực tiếp vào trạm, gây phóng điện trên cách điện của trạm, tương đương với ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố nghiêm trọng Nếu chống sét van ở đầu cực máy biến áp không hoạt động hiệu quả, cách điện của máy biến áp có thể bị chọc thủng, gây thiệt hại lớn.
Sét gây ra nhiều sự cố nghiêm trọng trong lưới điện, chiếm tỷ lệ lớn trong các sự cố này Do đó, dông sét được xem là mối nguy hiểm lớn nhất đối với hoạt động của lưới điện.
BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM BIẾN ÁP 220/110kV
Khái niệm chung
Trạm biến áp 220 kV với thiết bị ngoài trời có nguy cơ hư hỏng nghiêm trọng do sét đánh trực tiếp, dẫn đến việc ngừng cung cấp điện năng trong thời gian dài, ảnh hưởng đến sản xuất và gây chi phí tốn kém cho ngành điện, từ đó tác động tiêu cực đến nền kinh tế quốc dân Vì vậy, yêu cầu bảo vệ cho trạm biến áp là rất cao.
Hiện nay, để bảo vệ trạm biến áp khỏi sét đánh trực tiếp, người ta thường sử dụng hệ thống cột thu lôi và dây thu lôi Hệ thống này có tác dụng tập trung điện tích, giúp định hướng các phóng điện sét về phía cột thu lôi, từ đó tạo ra các khu vực an toàn bên dưới.
Hệ thống thu sét cần có dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ thống nối đất Để nâng cao hiệu quả, trị số điện trở nối đất của bộ phận thu sét phải nhỏ, giúp tản dòng điện sét nhanh chóng Điều này đảm bảo rằng khi dòng điện sét đi qua, điện áp trên bộ phận thu sét không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến các thiết bị lân cận.
Khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm, cần chú trọng đến các chỉ tiêu kinh tế hợp lý, đồng thời đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật và mỹ thuật.
Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
Tất cả thiết bị cần bảo vệ phải nằm trong phạm vi an toàn của hệ thống bảo vệ Hệ thống bảo vệ cho trạm 220/110kV sử dụng cột thu lôi, có thể đặt trên công trình hoặc độc lập theo yêu cầu cụ thể Việc đặt cột thu lôi trên công trình giúp tận dụng độ cao và giảm chiều cao của cột Tuy nhiên, cần đảm bảo mức cách điện của trạm an toàn trước hiện tượng phóng điện ngược từ hệ thống thu sét, vì dòng điện sét có thể tạo ra điện áp lớn trên điện trở nối đất và phần điện cảm của cột, dẫn đến nguy cơ phóng điện ngược.
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110kV Hệ thống này đảm bảo an toàn cho các phần tử mang điện trong trạm khi mức cách điện không đủ lớn Để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà, cần có mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ Đối với trạm biến áp có điện áp từ 110 kV trở lên, với khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn, cột thu lôi có thể được đặt trên các kết cấu của trạm Cần đảm bảo rằng cột thu lôi được ngắn nhất và dòng điện sét khuếch tán vào đất qua 3 đến 4 thanh cái của hệ thống nối đất, đồng thời cần có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất.
Cuộn dây máy biến áp là khâu yếu nhất trong trạm biến áp ngoài trời với điện áp từ 110 kV trở lên Để bảo vệ máy biến áp, cần đảm bảo khoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp lớn hơn 15m theo đường điện.
Tiết diện của các dây dẫn điện sét cần phải đủ lớn để đảm bảo ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua Đặc biệt, đối với cấp điện áp từ 110 kV trở lên, việc chú ý đến kích thước và chất liệu của dây dẫn là rất quan trọng.
Để đảm bảo an toàn cho hệ thống nối đất, các kết cấu có cột thu lôi cần được trang bị nối đất bổ sung Việc này nhằm duy trì điện trở khuyếch tán không vượt quá 4Ω, tương ứng với tần số công nghiệp.
+ 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 độ dài chuỗi sứ.
Cột thu lôi độc lập có thể được kết nối với hệ thống nối đất của trạm phân phối điện 110kV nếu tuân thủ các yêu cầu cần thiết Khi sử dụng cột thu lôi độc lập, cần lưu ý khoảng cách giữa cột thu lôi và các bộ phận của trạm để ngăn ngừa nguy cơ phóng điện từ cột thu lôi đến các thiết bị cần bảo vệ.
Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi, cần chôn các dây dẫn điện trong ống chì dưới đất Nếu khoảng cách từ điểm nối đất của cột thu lôi đến hệ thống nối đất của máy biến áp lớn hơn 15m, có thể nối dây chống sét vào hệ thống nối đất của trạm.
Lý thuyết về tính chiều cao cột và phạm vi bảo vệ
Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi cao h được xác định thông qua hình chóp tròn xoay, trong đó đường sinh được tính toán dựa trên độ cao hx.
Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ cho một cột thu lôi Trong đó: - h: chiều cao cột thu lôi.
- h x : chiều cao cần được bảo vệ.
Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc ABC được xác định như sau:
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp tập trung vào thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110kV Việc thiết kế này nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người, đồng thời nâng cao độ tin cậy trong hoạt động của trạm biến áp Hệ thống chống sét và nối đất được xem là yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ các thiết bị điện khỏi các hiện tượng thời tiết cực đoan và sự cố điện.
Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của một thu lôi (đường sinh gấp khúc) Bán kính bảo vệ r x được tính như sau:
Khi chiều cao h của hệ thống thu sét lớn hơn h, các công thức trên chỉ áp dụng cho hệ thống có độ cao h ≤ 30m Nếu h vượt quá 30m, cần điều chỉnh các công thức theo hệ số p.
2.3.2 Phạm vi bảo vệ cảu hai hay nhiều cột thu lôi 2.3.2.1 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi a Hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau
Xét 2 cột thu lôi có độ cao bằng nhau h 1 =h 2 =h, cách nhau 1 khoảng a.
Khi hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau, nếu khoảng cách giữa chúng là a = 7h, thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khu vực giữa hai cột sẽ được bảo vệ khỏi nguy cơ bị sét đánh.
+ Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h 0 được xác định như sau:
Các công thức nêu trên chỉ áp dụng cho hệ thống chống sét có độ cao dưới 30m Đối với hệ thống có độ cao từ 30m trở lên, cần điều chỉnh các công thức theo hệ số p đã đề cập Ngoài ra, khi có hai cột thu lôi với độ cao khác nhau, các yếu tố này cũng cần được xem xét để đảm bảo hiệu quả của hệ thống chống sét.
Xét 2 cột thu lôi có độ cao h 1 và h 2 , cách nhau 1 khoảng a được bố trí như hình vẽ:
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp tập trung vào việc thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110kV Mục tiêu của đồ án là đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người, đồng thời nâng cao hiệu quả hoạt động của trạm biến áp Việc thiết kế hệ thống chống sét và nối đất đúng tiêu chuẩn sẽ giúp giảm thiểu rủi ro do sét đánh và các sự cố điện khác, bảo vệ tài sản và duy trì sự ổn định trong cung cấp điện.
Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi có độ cao khác nhau
2.3.2.2 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu lôi
Đối với các công trình có diện tích rộng, việc sử dụng một hoặc vài cặp cột thu sét có thể gây khó khăn trong thi công do chiều cao cột lớn Do đó, cần lắp đặt nhiều cột thu sét để giảm chiều cao Phạm vi bảo vệ được xác định bởi từng đôi cột, với yêu cầu khoảng cách a ≤ 7h Không cần thiết phải vẽ phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét, chỉ cần kiểm tra các điều kiện an toàn.
Hình 2.5 minh họa phạm vi bảo vệ của nhóm 3 và nhóm 4 cột thu lôi có chiều cao bằng nhau Một vật có độ cao h x được coi là nằm trong khu vực bảo vệ nếu đáp ứng điều kiện nhất định.
D: đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác được tạo bởi các cột thu lôi. h: độ cao của cột thu sét. h x : độ cao của vật cần được bảo vệ. h a = h – h x : là độ cao hiệu dụng.
Cần kiểm tra điều kiện an toàn cho các cặp cột đặt gần nhau Nếu độ cao của cột thu sét vượt quá 30m, cần áp dụng hệ số hiệu chỉnh p.
Các phương án bố trí cột thu lôi cho đối tượng cần bảo vệ
- Trạm biến áp 220/110kV có diện tích 22750 (m 2 )
- Các xà phía 110 kV cao 8,7m và 10,7m, các xà phía 220kV cao 10,7m và 16,7m.
- Ta chia trạm thành 2 phần:
+ Khu vực chứa các xà phía 220kV có độ cao cần bảo vệ là h x = 16,7m và h x = 10,7m.
+ Khu vực chứa các xà phía 110kV và giữa 2 khu vực có độ cao cần bảo vệ là h x = 10,7m và h x = 8,7m.
+ Bước 1: Chọn vị trí đặt cột thu lôi.
Để tính toán chiều cao hiệu dụng lớn nhất của từng phía, thực hiện bước 2: xác định h a max Tiếp theo, ở bước 3, tính chiều cao của cột thu lôi cho các phía với công thức h = h x + h a max Cuối cùng, bước 4 yêu cầu tính toán và vẽ phạm vi bảo vệ, đồng thời kiểm tra tính chính xác của các thông số đã tính toán.
- Ta xét hai phương án như sau:
2.4.1 Phương án 1 + Bước 1: Ta bố trí 42 cột thu sét ở các vị trí như hình vẽ sau:
Phía 220kV bố trí 24 cột, trong đó có 8 cột trên xà đón dây có độ cao 16,7m, 4 cột trên xà máy biến áp cao 16,7m, 12 cột trên xà thanh góp cao 10,7m.
Phía 110kV bố trí 18 cột, trong đó 6 cột trên xà đón dây có độ cao 10,7m, 12 cột trên xà thanh góp cao 8,7m.
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp tập trung vào thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110kV Mục tiêu chính của đồ án là đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người, đồng thời nâng cao hiệu quả hoạt động của trạm biến áp Việc thiết kế hệ thống chống sét và nối đất đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các thiết bị điện khỏi các sự cố do sét gây ra.
Hình 2.6 Sơ đồ bố trí các cột thu sét cho phương án 1 + Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:
Do các cột thu lôi tạo thành lưới cột, chúng ta sẽ phân chia lưới cột thành các nhóm đa giác đỉnh Tiếp theo, cần tính độ cao hiệu dụng h a của từng nhóm cột theo các điều kiện đã đề ra.
Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh.
Hình 2.7 Chia đa giác cho vị trí đặt các cột thu sét cho phương án 1
Ta chia 18 cột phía 110kV thành 10 hình chữ nhật và kết hợp với phía 220kV ta chia thành 11 tam giác
+ Có 3 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau: (26,27,33,32), (27,28,34,33), (29,30,36,35),
+ Có 3 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau: (35,36,42,41), (33,34,40,39), (32,33,39,38)
+ Có 2 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau: (25,26,32,31), (28,29,35,34) + Có 2 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau: (34,35,41,40), (31,32,38,37)
Xét nhóm cột (26-27-33-32) là hình chữ nhật có kích thước:
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp tập trung vào thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110kV Nội dung đồ án bao gồm việc phân tích và áp dụng các phương pháp bảo vệ hiệu quả nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị điện và con người Việc thiết kế hệ thống này không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật mà còn nâng cao độ tin cậy trong vận hành của trạm biến áp.
+ Chiều rộng (các cạnh 26-32, 27-33): b = 16m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là: Độ cao tác dụng tối thiểu của các nhóm 1là:
Xét nhóm cột (16-17-26) là hình tam giác có kích thước:
+ Nửa chu vi tam giác trên là : Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh là: Độ cao hiệu dụng của nhóm 2 là:
Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:
Bảng 2.1 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1 Đa giác a(m) b(m) c(m) p(m) D(m) h a (m) h a- max (m)
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là:
Để đảm bảo an toàn cho thiết bị và thuận tiện cho quá trình thi công, chiều cao của các nhóm cột thu sét ở độ cao lớn nhất 110kV nên được nâng lên tới 17m.
Ta chia 24 cột phía 220kV thành 13 hình chữ nhật và 4 hình tam giác
+ Có 4 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau: (1,2,6,7), (2,3,8,7), (3,4,9,8), (4,5,10,9).
Bài viết mô tả cấu trúc của các nhóm cột với 8 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau, bao gồm các nhóm: (6,7,12,11), (7,8,13,12), (8,9,14,13), (9,10,15,14), (11,12,17,16), (12,13,18,17), (13,14,19,18) và (14,15,20,19) Ngoài ra, có 2 nhóm cột tạo thành hình tam giác vuông bằng nhau là (18,21,22) và (19,23,24) Cuối cùng, có 2 nhóm cột tạo thành hình tam giác bằng nhau: (17,18,21) và (19,20,24).
Tính toán tương tự như phía 110kV cho các đa giác ta có bảng sau:
Bảng 2.2 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 1 Đa giác a(m) b(m) c(m) p(m) D(m) h a (m) h a - max (m)
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp tập trung vào việc thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110kV Nội dung của đồ án bao gồm các phương pháp và tiêu chuẩn kỹ thuật cần thiết để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện, đồng thời nâng cao hiệu quả hoạt động của trạm biến áp Việc thiết kế hệ thống chống sét và nối đất không chỉ bảo vệ thiết bị mà còn đảm bảo an toàn cho con người và môi trường xung quanh.
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là:
Để đảm bảo an toàn và bảo vệ thiết bị tại độ cao 220kV, chiều cao của các cột thu sét nên được nâng lên tới 22m, nhằm thuận tiện cho việc thi công và tăng cường hiệu quả bảo vệ.
+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi
Chúng tôi chỉ xem xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo đa giác đỉnh, vì phần diện tích bên trong đã được bảo vệ Chiều cao của các cột thu sét không vượt quá 30m, do đó trong công thức tính toán, không cần áp dụng hệ số hiệu chỉnh p.
Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi
- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 17m:
Bán kính bảo vệ cho độ cao là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao là:
Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 22m
Bán kính bảo vệ cho độ cao là:
Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên:
+ Xét cặp cột (25-31) có độ cao và đặt cách nhau một khoảng là
Do nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa
Bán kính bảo vệ cho độ cao và là:
+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao và đặt cách nhau một khoảng là
Do nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao và là:
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp tập trung vào việc thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110kV Mục tiêu của đồ án là đảm bảo an toàn cho thiết bị và người vận hành trong quá trình sử dụng điện Thiết kế hệ thống chống sét và nối đất sẽ giúp giảm thiểu rủi ro do sét đánh và tăng cường độ tin cậy cho trạm biến áp.
+ Xét cặp cột (16-25) có độ cao và và đặt cách nhau một khoảng là
Bán kính bảo vệ của cột cho phần độ cao là:
Khoảng cách giữa các cột giả tưởng có cùng độ cao cần được xác định rõ ràng Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa các cột này cũng rất quan trọng để đảm bảo tính an toàn và ổn định cho công trình.
Bán kính bảo vệ cho độ cao là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao là:
Tính toán tương tự cho các cặp cột biên còn lại cho thấy kết quả được trình bày trong Bảng 2.3, thể hiện bán kính bảo vệ của các cặp cột biên trong phương án 1.
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp tập trung vào thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110kV Nội dung của đồ án bao gồm các phương pháp và tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc bảo vệ thiết bị điện khỏi các sự cố do sét Việc thiết kế hệ thống này không chỉ giúp bảo vệ trạm biến áp mà còn đảm bảo an toàn cho người vận hành và các thiết bị xung quanh.
Pham vi bao ve cua hx,7m
Pham vi bao ve cua hx,7m a b c a b c
Hình 2.8 Phạm vi bảo vệ của phương án 1
Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra.
Tổng chiều dài kim thu sét là:
2.4.2 Phương án 2 + Bước 1: Ta bố trí 31 cột thu sét ở các vị trí như hình vẽ sau:
Phía 220kV bố trí 19 cột, trong đó có 5 cột trên xà đón dây có độ cao 16,7m, 4 cột trên xà máy biến áp cao 16,7m, 10 cột trên xà thanh góp cao 10,7m.
Phía 110kV bố trí 12 cột, trong đó 6 cột trên xà đón dây có độ cao 10,7m, 6 cột trên xà thanh góp cao 8,7m.
Hình 2.9 Bố trí các cột thu sét của phương án 2 + Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:
Các cột thu lôi tạo thành lưới cột sẽ được chia thành các nhóm đa giác đỉnh, và độ cao hiệu dụng h_a của từng nhóm cột sẽ được tính toán dựa trên các điều kiện đã định.
Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh.
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho TBA 220/110kV là một nhiệm vụ quan trọng nhằm đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện Hệ thống chống sét giúp bảo vệ các cấu trúc khỏi các tác động của sét, trong khi hệ thống nối đất an toàn đảm bảo rằng điện năng được phân tán an toàn, giảm thiểu rủi ro cho con người và thiết bị Việc thiết kế và lắp đặt đúng cách các hệ thống này là cần thiết để duy trì hoạt động ổn định và an toàn cho trạm biến áp.
Hình 2.10 Chia đa giác cho vị trí đặt các cột thu sét cho phương án 2
Tính toán tương tự phương án 1, ta có bảng sau:
Bảng 2.4 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 2 Đa giác a(m) b(m) c(m) p(m) D(m) h a (m) h a- max (m)
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là:
Chọn phương án tối ưu
Cả hai phương án đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vì vậy cần xem xét yếu tố kinh tế để đưa ra quyết định Phương án tối ưu là phương án có tổng chiều cao cột thu sét nhỏ nhất, như thể hiện trong bảng dưới đây.
Bảng 2.7 So sánh 2 phương án Phươn Phương án 1 Phương án 2
Dựa vào bảng so sánh, phương án 1 có số lượng cột và tổng chiều dài kim thu sét lớn hơn phương án 2 Tuy nhiên, chúng tôi đã quyết định chọn phương án 2 để tiến hành thi công.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT AN TOÀN CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110kV
Khái niệm chung
Bộ phận nối đất là phần cuối cùng của mạch chống sét, bao gồm một vật bằng kim loại được chôn sâu xuống đất, giúp tạo ra điện trở và dẫn điện với đất Nhiều bộ phận nối đất kết hợp lại tạo thành hệ thống nối đất, có nhiệm vụ tản dòng điện sét xuống đất, đảm bảo điện thế trên vật nối đất ở mức thấp Việc nối đất cho trạm, cột thu lôi, đường dây và thiết bị chống sét là rất quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp khí quyển Trong hệ thống điện, có ba loại nối đất khác nhau.
Nối đất làm việc là quá trình quan trọng nhằm đảm bảo thiết bị hoặc các bộ phận thiết bị hoạt động ổn định theo chế độ đã được quy định Việc này giúp tăng cường an toàn và hiệu suất làm việc của hệ thống.
Đề tài nghiên cứu về thiết kế hệ thống chống sét và hệ thống nối đất an toàn cho máy biến áp 220/110kV bao gồm việc thực hiện nối đất điểm trung tính của máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất cuộn thứ cấp của máy biến áp đo lường, và các kháng điện bù ngang sử dụng trong tải điện xa Hệ thống này cũng đảm bảo an toàn cho thiết bị chống sét, góp phần bảo vệ hiệu quả cho toàn bộ hệ thống điện.
Nối đất an toàn là biện pháp bảo vệ quan trọng nhằm đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hỏng Việc thực hiện nối đất an toàn bao gồm việc kết nối tất cả các bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy biến áp, vỏ động cơ, vỏ máy cắt và các giá đỡ kim loại Khi cách điện gặp sự cố, các bộ phận này có thể mang điện, nhưng nhờ vào hệ thống nối đất, điện thế được giữ ở mức thấp, giúp ngăn chặn nguy hiểm cho tính mạng của người tiếp xúc.
Nối đất chống sét là phương pháp nhằm tản dòng điện sét xuống đất khi có sét đánh vào cột thu lôi hoặc đường dây, giữ điện thế trên thân cột ở mức an toàn, từ đó hạn chế phóng điện tới công trình bảo vệ Tại các nhà máy điện và trạm biến áp, cần tách rời hệ thống nối đất làm việc và nối đất an toàn để ngăn ngừa điện thế cao khi có dòng ngắn mạch lớn Tuy nhiên, trong thực tế, việc tách rời này thường khó thực hiện, dẫn đến việc sử dụng một hệ thống nối đất cho cả hai nhiệm vụ Do đó, hệ thống nối đất cần có điện trở nhỏ nhất, yêu cầu không vượt quá 0,5 Ω, và cần tận dụng các loại nối đất tự nhiên để giảm khối lượng kim loại trong xây dựng hệ thống nối đất.
Hệ thống dây chống sét, cột,
Kết cấu kim loại trong các công trình xây dựng bao gồm các yếu tố như móng nhà bằng sắt, ống nước chôn dưới đất và các ống kim loại khác, đảm bảo không chứa các chất dễ gây cháy nổ, góp phần nâng cao độ bền và an toàn cho công trình.
Khi sử dụng nối đất tự nhiên, cần tuân thủ các quy định của quy phạm Nếu điện trở của nối đất tự nhiên đáp ứng yêu cầu cho thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất nhỏ, không cần thiết phải thêm nối đất nhân tạo Tuy nhiên, đối với thiết bị có dòng ngắn mạch lớn, cần thiết phải lắp đặt nối đất nhân tạo với điện trở nhỏ hơn.
Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống nối đất
Trị số điện trở nối đất chủ yếu phụ thuộc vào điện trở lớp đất tiếp xúc với bộ phận nối đất khi có dòng điện đi qua, cụ thể là trị số điện trở suất của đất ρ(Ω m) Ngoài ra, hình dạng, kích thước và cách bố trí của bộ phận nối đất cũng ảnh hưởng đến trị số này Mức độ an toàn của hệ thống chống sét, hay khả năng tiêu tán dòng điện sét vào đất, được xác định bởi trị số điện trở nối đất; trị số này càng nhỏ thì mức độ bảo vệ an toàn của hệ thống càng cao.
Trong hệ thống điện, việc quy định trị số cho phép của điện trở nối đất là rất quan trọng, đặc biệt đối với các thiết bị sử dụng nhiều kim loại Để đảm bảo an toàn và hiệu quả, hệ thống nối đất cần phải đáp ứng đầy đủ yêu cầu làm việc của từng thiết bị theo quy phạm đã được thiết lập.
Đối với các thiết bị có điểm trung tính nối đất trực tiếp, yêu cầu điện trở nối đất là: R 0,5 Ω
Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện với đất, yêu cầu về điện trở nối đất là R Ω, đặc biệt khi phần nối đất này chỉ được sử dụng cho thiết bị cao áp.
Nếu hệ thống có điểm trung tính cách điện và sử dụng hệ thống nối đất chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp, thì yêu cầu về điện trở nối đất là R Ω, nhưng không được vượt quá 10 Ω.
Với I là dòng điện chạm đất, I tùy thuộc vào mỗi trường hợp chạm đất nó có giá trị khác nhau.
3.2.2 Hệ số mùa Đất là môi trường phức tạp không đồng nhất về kết cấu cũng như thành phần, do đó điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần muối, axit , độ ẩm, nhiệt độ, của đất Do khí hậu các mùa thay đổi nên độ ẩm, nhiệt độ của đất luôn thay đổi, đặc biệt với lớp đất ở trên, còn đối với lớp đất sâu ở dưới độ dao động về độ ẩm ít hơn Vì vậy khi thiết kế hệ thống nối đất cần chú ý tới trị số điện trở suất tính toán của đất Điện trở suất của đất được tính theo công thức:
: điện trở suất tính toán của đất.
: điện trở suất đo được của đất.
- k mùa : hệ số mùa, phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của hệ thống nối đất khi đo đất khô hay ẩm.
Bảng 3.1 Bảng hệ số k mùa
Loại nối đất Dạng cực
Hệ số mùa K ứng với các trạng thái Đất khô Đất ẩm
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp tập trung vào việc thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110kV Mục tiêu chính của đồ án là đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người, đồng thời nâng cao hiệu quả hoạt động của trạm biến áp Việc thiết kế hệ thống chống sét và nối đất phù hợp sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và thiệt hại do sét gây ra.
Trình tự tính toán
Điện trở suất đo được của đất: ρ đ = 132 Ωm. Điện trở nối đất của cột đường dây: R c = 12 Ω.
Dây chống sét sử dụng loại C-70, có điện trở đơn vị là r 0 = 2,38 Ω/km.
Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220kV là: l 220 = 547 m
Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110kV là: l 110 = 374 m. Điện trở tác dụng của dây chống sét trên một khoảng vượt là:
Số lộ đường dây trong trạm: Phía 220kV n = 4 lộ
3.3.1 Nối đất an toàn làm việc
Trạm điện thiết kế là trạm 220kV/110kV, là mạng có điểm trung tính trực tiếp nối đất nên yêu cầu của nối đất an toàn là: R HT ≤ 0,5 Ω.
Ta có điện trở nối đất của hệ thống là:
Với R TN : là điện trở nối đất tự nhiên.
R NT : là điện trở nối đất nhân tạo, yêu cầu R NT ≤ 1 Ω.
Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống nối đất chống sét đường dây và cột điện 110kV và 220kV tới trạm.
Ta có công thức sau:
Trong đó: n: là số lộ đường dây.
R cs : là điện trở tác dụng của dây chống sét trên một khoảng vượt.
R c : là điện trở nối đất của cột điện.
Vậy ta có điện trở nối đất tự nhiên của toàn trạm là:
Để thực hiện nối đất nhân tạo, chúng ta sử dụng nốt đất bằng thanh ngang thép góc 50x50x5mm, được chôn sâu 0,8m Các thanh này sẽ được bố trí vòng quanh chu vi khu vực xà tường bao của trạm, cách tường bao 1m, như thể hiện trong Hình vẽ 3.1a.
Mạch vòng là hình chữ nhật có kích thước 175x130m
Đồ án môn học kỹ thuật điện cao áp tập trung vào thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220/110kV Nội dung đồ án bao gồm các phương pháp và tiêu chuẩn thiết kế nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống điện cao áp Các yếu tố như vị trí lắp đặt, vật liệu sử dụng và quy trình kiểm tra cũng được xem xét kỹ lưỡng để nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
Hình 3.1 Sơ đồ mạch vòng nhân tạo và tường trạm Điện trở suất của đất: = 132 Điện trở mạch vòng của trạm là:
L: là chu vi mạch vòng, L = 175.2+130.2 = 610 m
: điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t:
Tra bảng 3.1, với thanh ngang chôn sâu 0,8 m, khi đo đất khô, ta có k mùa =1,6: ρ tt 2.1,6 !1,2(Ωm) d: đường kính thanh làm mạch vòng , do thanh bằng thép góc nên :
K: hệ số hình dạng phụ thuộc hình dáng của mạch vòng ( l 1 /l 2 ).
Giá trị của K phụ thuộc vào kích thước mạch vòng ( l 1 /l 2 ) được cho ở bảng sau:
Ta có , ứng với tỉ số l l 1
130 = 1,346 ta có hệ số hình dạng như sau: k =5,53 + (5,81−5,53) (1,346−1)
1,5−1 = 5,72 Như vậy điện trở mạch vòng là:
Ta có điện trở nối đất của hệ thống là:
R HT =R NT /¿ R TN = R R TN R NT
Ta thấy R HT =¿ 0,276 (Ω) < 0,5 (Ω)Vậy hệ thống nốt đất đã thiết kế thỏa mãn yêu cầu của nối đất làm việc và nối đất an toàn.