Trường hợp sét đánh trực tiếp luôn là mối nguy hiểm bởi đường dây phải hứng chịu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét.Đối với trạm biến áp, nếu sét đánh trực tiếp vào phần dẫn điện của
Khái quát cơ bản về hiện tượng dông sét
Một tia sét thông thường có khả năng thắp sáng bóng đèn 100W trong ba tháng và trên Trái Đất, mỗi giây có khoảng 100 cú phóng điện xảy ra giữa các đám mây và mặt đất Công suất của tia sét có thể đạt hàng tỷ kW, làm nóng không khí tại vị trí phóng điện lên đến 28,000 độ C, gấp ba lần nhiệt độ bề mặt của Mặt Trời Các đám mây dông tích điện do sự cọ xát giữa các hạt nước và hạt băng, khiến điện tích dương tập trung ở đỉnh mây và điện tích âm dồn xuống phía dưới Thực nghiệm cho thấy, mây dông thường có cấu trúc với vùng điện tích âm ở độ cao 6 km và vùng điện tích dương ở độ cao 8 km.
12 km và một khối điện tích dương nhỏ nằm ở phía dưới chân mây Khi các vùng điện tích đủ mạnh sẽ xảy ra phóng điện sét.
Sự phóng điện của sét có thể chia làm 3 giai đoạn:
- Khởi đầu bằng các phóng điện ban đầu ít toả sáng phát triển với vận tốc không lớn
(200 km/s) hướng về chướng ngại vật dưới mặt đất
- Điện tích âm di chuyển về phía các điện tích dương theo đường zigzags gọi là các tia tiên đạo (leader)
- Nối tiếp sau các tia tiên đạo, xuất hiện một một hồ quang phóng điện ngược
Khi tia tiên đạo tiếp cận mặt đất, điện trường trong khoảng không gian giữa đầu tia và mặt đất tăng cao, dẫn đến quá trình ion hóa mạnh mẽ Quá trình này tạo ra dòng plasma với mật độ vượt trội hơn hẳn so với tia tiên đạo.
- Dòng plasma được kéo dài, kết thúc sự duy chuyển các điện tích
- Nếu đám mây vẫn còn chứa các điện tích, quá trình này lại có thể lặp lại
- Giai đoạn này tia tiên đạo không phát triển theo các tia loé sáng như tia tiên đạo đầu tiên mà có dạng liên tục
Sét có thể gây ra nhiều tác hại cho con người và thiết bị khi đánh xuống đất Có hai loại sét chính: sét âm và sét dương Sét âm, chiếm 90%, chủ yếu xuất hiện từ phần dưới của đám mây và đánh xuống đất Trong khi đó, sét dương xuất hiện từ đỉnh đám mây và thường xảy ra một cách bất ngờ, gây nguy hiểm cao, ngay cả khi thời tiết vẫn quang đãng và dưới đám mây chưa có mưa.
Việt Nam, nằm ở khu vực tầm dông Châu Á, là một trong ba khu vực trên thế giới có hoạt động dông sét mạnh mẽ Mùa dông tại đây kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10, với trung bình khoảng 100 ngày dông mỗi năm và số giờ dông trung bình đáng kể.
5 là 250 giờ/năm Trung bình mỗi năm có khoảng hai triệu cú sét đánh xuống đất trên toàn lãnh thổ Việt Nam.
Việc phòng chống sét đánh vào các công trình, đặc biệt là hệ thống điện, ngày càng trở nên quan trọng, vì nó ảnh hưởng lớn đến việc cung cấp điện cho nền kinh tế quốc dân.
Ảnh hưởng, tác hại của dông sét
Con người là nạn nhân chính khi nói đến thiệt hại do dông sét gây ra Sét có thể gây thương tích cho con người qua nhiều hình thức khác nhau.
- Đánh trực tiếp vào nạn nhân
- Sét đánh vào vật gần nạn nhân, các tia lửa điện sinh ra phóng qua không khí vào nạn nhân (còn gọi là sét đánh tạt ngang)
- Sét đánh xuống mặt đất và lan truyền ra xung quanh
Sét có thể truyền qua đường dây điện và đường dây điện thoại, gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng cho các công trình và thiết bị Những tác động này bao gồm đánh trực tiếp, cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ, ảnh hưởng đến sự an toàn và hoạt động của các thiết bị điện.
Sét đánh trực tiếp gây ra những tác hại nghiêm trọng, thường xảy ra tại các vị trí cao như cột điện và nhà cao tầng do sự tập trung điện tích Tuy nhiên, sét cũng có thể đánh vào những nơi thấp nếu chúng dẫn điện tốt hơn Khi bị sét đánh, nhiệt độ không khí có thể tăng lên đủ để làm chảy các vật liệu kim loại dày, đặc biệt nguy hiểm cho các công trình chứa vật liệu dễ cháy nổ như kho mìn và bể xăng dầu Một số trường hợp sét còn có thể phá vỡ ống khói gạch với chiều dài lên tới 30-40 mét, và các mảnh vỡ có thể văng xa đến 200-300 mét.
Tác hại gián tiếp của sét gồm cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ.
Cảm ứng tĩnh điện có thể xảy ra ở các công trình khi hệ thống nối đất kém, đặc biệt trong trường hợp có đám mây dông mang điện tích ở trên Khi đó, phần trên của công trình sẽ tích lũy điện tích trái dấu với đám mây Nếu sét đánh gần, điện tích trên công trình có thể bị mất đi, tạo ra điện thế cao so với mặt đất, dẫn đến nguy cơ cháy nổ hoặc tai nạn cho con người Điện thế này có thể xâm nhập vào trong nhà qua dây điện, dây mạng, hoặc ống kim loại.
Khi sét đánh vào các dây dẫn sét gần công trình, nó tạo ra một từ trường biến đổi mạnh xung quanh dây dẫn Từ trường này gây ra sức điện động cảm ứng trong
Hệ thống điện rất dễ bị ảnh hưởng bởi dông sét, đặc biệt là các đường dây tải điện trên không có chiều dài lớn và đi qua nhiều vùng khác nhau, làm tăng xác suất bị sét đánh Khi sét đánh vào đường dây, có thể xảy ra phóng điện trên cách điện, dẫn đến sự cố cắt điện Một sự cố ngắn mạch có thể xảy ra chỉ từ một điểm bị sét đánh, gây ngừng cung cấp điện và tổn thất nghiêm trọng Các sự cố do sét chủ yếu xảy ra trên đường dây Sét đánh vào đường dây cũng tạo ra sóng quá điện áp lan truyền về phía trạm biến áp, thường bị biến dạng do hiệu ứng vầng quang Quá điện áp khí quyển có thể xuất hiện từ sét đánh trực tiếp hoặc gần đường dây, và sét đánh trực tiếp luôn là mối nguy hiểm lớn vì đường dây phải chịu toàn bộ năng lượng phóng điện Đối với trạm biến áp, nếu sét đánh trực tiếp vào phần dẫn điện, dòng điện sét có thể truyền ra ngoài trạm, làm tăng quá điện áp trên thanh cái theo công thức u(t) = 𝑍 𝑐.
Trong đó: – tổng trở xung kích của đường dây (cỡ 400Ω); n
– số đường dây được nối với phần bị sét đánh.
Khi n = 1, hiện tượng quá điện áp có thể đạt tới 800kV với dòng điện sét nhỏ chỉ khoảng 2kA Điện áp này có khả năng gây phóng điện và dẫn đến sự cố trong trạm Để bảo vệ các thiết bị chính trong trạm, việc sử dụng khe hở phóng điện hoặc chống sét van là rất quan trọng.
Khi sét đánh vào khu vực làm việc của trạm cách ly kết nối với lưới điện bên ngoài, phần bị ảnh hưởng có thể được mô tả bằng một điện dung cùng với quá điện áp có trị số cụ thể.
Quá điện áp này được đặc trưng bởi độ dốc và biên độ lớn, cùng với khoảng khe hở khí có thời gian phóng điện kéo dài, dẫn đến việc cả chống sét van và khe hở đều không đủ khả năng bảo vệ các thiết bị.
Việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào đường dây tải điện và trạm biến áp là điều thiết yếu, như đã được phân tích ở trên.
Các phương pháp phòng chống sét
Trong 250 năm qua, kể từ khi Franklin đề xuất phương pháp chống sét, nhiều phương pháp phòng chống sét đã được phát triển và áp dụng trên toàn thế giới Dưới đây là một số phương pháp tiêu biểu trong lĩnh vực này.
• Phương pháp dùng lồng Faraday:
Vật dẫn có tính chất đặc biệt là trong trạng thái cân bằng tĩnh điện, điện trường bên trong luôn bằng 0 Khi đặt vật cần bảo vệ trong lòng một kim loại dẫn điện, nó sẽ không bị ảnh hưởng bởi điện trường bên ngoài, tạo nên nguyên lý hoạt động của lồng Faraday Mặc dù lý thuyết cho rằng đây là phương pháp lý tưởng để phòng chống sét, nhưng thực tế, phương pháp này tốn kém và không khả thi cho mọi công trình Do đó, nó chỉ được áp dụng để bảo vệ một số khu vực đặc biệt, như nơi chứa vũ khí thuốc nổ và hạt nhân.
• Phương pháp chống sét bằng cột thu sét truyền thống:
Cột thu sét, được phát minh bởi Benjamin Franklin vào năm 1752, là một thiết bị hiệu quả để thu nhận tia lửa điện từ đám mây, sử dụng một cây thép cao 40 foot trong thí nghiệm của ông Sau hơn 250 năm, nguyên lý hoạt động của cột thu sét vẫn được áp dụng rộng rãi, chứng minh tính hiệu quả trong việc bảo vệ Cột thu sét bao gồm ba bộ phận chính, tạo thành một dụng cụ đơn giản nhưng hiệu quả.
- Kim thu sét: là 1 que kim loại nhọn gắn trên đỉnh của công trình cần bảo vệ Thường có đường kính khoảng 2 cm
- Hệ thống dây dẫn xuống đất
- Hệ thống tiếp địa: là 1 hay nhiều thanh sắt (thép) dẫn điện tốt được đóng chặt xuống đất có nhiệm vụ tản dòng điện sét vào trong đất
Phương pháp chống sét truyền thống có hai dạng:
- Hệ gắn thẳng (dùng kim thu sét)
- Hệ dạng lưới bao quanh hay nằm trên đối tượng cần được bảo vệ (lưới thu sét)
Phương pháp thu sét giúp hướng dẫn phóng điện sét đến các điểm đã được thiết lập trên mặt đất, từ đó tản dòng điện sét vào đất và bảo vệ công trình khỏi sét đánh trực tiếp Hệ thống thu sét hoạt động hiệu quả nhờ vào việc điện tích tập trung tại đỉnh của các thiết bị như cột thu lôi và dây chống sét trong giai đoạn phóng điện tiên đạo, tạo ra một điện trường mạnh mẽ Điện trường này mở đường cho tia tiên đạo, dẫn đến việc sét bị thu hút về các cột thu lôi và dây chống sét Các công trình thấp hơn và gần hệ thống thu sét sẽ được bảo vệ tốt hơn, giảm thiểu khả năng bị sét đánh.
Hệ thống chống sét Franklin không đảm bảo hiệu quả 100% trong việc bảo vệ công trình Mặc dù kim thu sét có khả năng thu hút sét và mang lại hiệu quả bảo vệ khá tốt, nhiều nghiên cứu cho thấy sét vẫn có thể bỏ qua kim thu sét và đánh trực tiếp vào công trình, ngay cả khi kim thu sét được lắp đặt ở vị trí cao.
Cột thu sét Franklin được cải tiến với thiết kế phát tia tiên đạo, giúp nâng cao hiệu suất so với các cột thu sét truyền thống Sự cải tiến này khắc phục nhược điểm về tính thụ động trong việc thu sét, mang lại hiệu quả cao hơn trong việc bảo vệ các công trình.
Đầu thu được thiết kế cố định phía trên, có chức năng thu sét và bảo vệ đầu phát xạ ion bên trong Nó tạo ra dòng không khí chuyển động qua đầu phát ion, giúp phát tán các ion vào không gian xung quanh, từ đó tạo ra môi trường thuận lợi cho sự kích hoạt sớm hiện tượng phóng điện (Corona).
Thân kim được chế tạo từ đồng đã qua xử lý hoặc inox, với một hoặc nhiều đầu nhọn ở phía trên để phát xạ ion Các đầu nhọn này được kết nối với bộ phát xạ ion thông qua dây dẫn được luồn bên trong ống cách điện.
Bộ kích thích phát xạ ion được chế tạo từ vật liệu ceramic và được lắp đặt dưới thân kim trong buồng cách điện Nó được kết nối với các đầu phát xạ thông qua dây dẫn chịu điện áp cao Khi có dông sét, bộ phận này sẽ phát ra điện tích dưới tác động của lực.
Nguyên lý hoạt động của kim thu sét dựa trên sự dao động nhỏ của kim so với cột đỡ, kết hợp với áp lực trong bộ kích thích, tạo ra các áp lực biến đổi ngược nhau Điều này dẫn đến việc hình thành điện thế cao tại các đầu nhọn phát xạ ion, tạo ra một lượng lớn ion xung quanh kim thu sét Những ion này ion hóa không khí xung quanh và phía trên đầu thu, từ đó kích thích sự phóng điện vào kim thu sét, giúp giảm thiểu nguy cơ sét đánh vào các công trình bên dưới.
Vậy hệ Franklin phát tia tiên đạo chủ động hơn hệ truyền thống
• Phương pháp không truyền thống:
Một số hệ chống sét khác với dang Franklin nổi lên trong hàng trục năm gần đây Đáng chú ý là:
- Hệ ngăn chặn sét (Hệ tiêu tán năng lượng sét)
Những người bảo vệ hệ thống kim thu sét phát xạ sớm cho rằng phương pháp này phóng tia tiên đạo sớm hơn so với hệ thống Franklin Một số dụng cụ như nguồn phóng xạ và kích thích điện của kim được sử dụng để tạo ra phát xạ sớm Tuy nhiên, vào năm 1999, 17 nhà khoa học thuộc hội đồng khoa học ICLP (International Conference on Lightning Protection) đã ra tuyên bố phản đối phương pháp này.
Hệ thống ngăn chặn sét có chức năng phân tán điện tích của mây dông trước khi xảy ra hiện tượng phóng điện Cụ thể, hệ thống này tạo ra một đám mây điện tích dương tại khu vực cần bảo vệ, nhằm làm chệch hướng tia sét ra khỏi khu vực đó Để thực hiện điều này, nhiều loại dụng cụ phân tán khác nhau được sử dụng, chủ yếu bao gồm các kim mũi nhọn được nối đất Những điểm phân tán này có thể được thiết kế dưới dạng lưới kim loại hoặc bàn chải.
• Hút sét bằng tia laser:
Ngày nay, việc chống sét cho các công trình hiện đại trở nên cần thiết, đòi hỏi các phương pháp hiệu quả cao Các nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực này bao gồm giáo sư Bazelyan từ Nga và giáo sư Zen Kawazaki từ Nhật Bản, đã đạt được những kết quả đáng chú ý Đặc biệt, vào năm 1997, sau nhiều lần thử nghiệm, Nhật Bản đã thành công trong việc thu được tia sét hai lần thông qua phương pháp mới này.
Chín chuyên gia kỹ thuật có khả năng thực hiện phương pháp chống sét này Tuy nhiên, việc đồng bộ hóa và chi phí cho một cú chống sét có thể cao hơn giá vàng Hướng nghiên cứu này vẫn đang được tiếp tục phát triển.
• Phương pháp phòng chống tích cực:
Phương pháp dự báo dông sét sớm đã trở thành một công cụ hiệu quả trong những năm gần đây, nhờ vào sự phát triển của các thiết bị hiện đại như radar, vệ tinh và hệ thống định vị phóng điện Những công nghệ này cho phép dự đoán khả năng xảy ra dông sét tại một khu vực trong khoảng thời gian từ 30 phút đến vài giờ Ứng dụng của các phương pháp này rất đa dạng, bao gồm lĩnh vực hàng không, điện lực và đảm bảo an toàn cho con người.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP
Mở đầu
Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây và trạm biến áp, trong đó trạm biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải và phân phối điện năng Sét đánh trực tiếp vào thiết bị của trạm có thể gây hư hỏng nghiêm trọng, dẫn đến gián đoạn cung cấp điện và ảnh hưởng đến sản xuất điện năng cũng như các ngành kinh tế khác Do đó, tính toán bảo vệ chống sét cho trạm biến áp ngoài trời là rất cần thiết, nhằm đảm bảo an toàn và kinh tế cho toàn bộ thiết bị trong trạm.
Ngoài việc bảo vệ thiết bị trong trạm khỏi sét đánh trực tiếp, cần chú ý đến việc bảo vệ các đoạn đường dây gần trạm và đoạn dây nối từ xà cuối cùng của trạm ra cột đầu tiên của đường dây.
Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh trực tiếp
Tất cả thiết bị bảo vệ phải nằm trong phạm vi an toàn của hệ thống bảo vệ Hệ thống cột thu sét có thể được lắp đặt ở các độ cao khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp, có thể sử dụng các cấu trúc có sẵn như xà hay cột đèn chiếu sáng, hoặc được đặt độc lập.
Khi lắp đặt hệ thống cột thu sét trên công trình, việc tận dụng độ cao sẵn có giúp giảm chiều cao của hệ thống thu sét Tuy nhiên, cần đảm bảo rằng hệ thống thu sét trên các công trình có điện phải đáp ứng yêu cầu về mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất phải nhỏ.
Trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên có cách điện cao, cho phép lắp đặt cột thu sét trên các kết cấu của trạm Các trụ này cần được nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối, theo đường ngắn nhất để dòng điện có thể khuyếch tán vào đất qua 3-4 cọc nối đất Đồng thời, mỗi trụ cũng cần có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất, đảm bảo điện trở không vượt quá 4 ohm.
Cuộn dây MBA là phần yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời với điện áp từ 110 kV trở lên Để bảo vệ MBA bằng chống sét van, khoảng cách giữa hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA phải lớn hơn 15m.
Khi thiết lập khoảng cách cách ly 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 Bên cạnh đó, phần dẫn điện của hệ thống thu sét cũng phải có tiết diện lớn đủ để đảm bảo ổn định nhiệt khi dòng điện sét đi qua.
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét được xác định bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay, với đường kính tính theo công thức: r = 1,6 (h − h) x 1 + h x x h Công thức này giúp xác định hiệu quả bảo vệ của cột thu sét trong việc ngăn chặn các tác động từ sét.
Cột thu sét được thiết kế với độ cao h, trong đó hx là độ cao của vật cần bảo vệ Hiệu dụng của cột thu sét được xác định bằng công thức ha = h - hx Bán kính của phạm vi bảo vệ được ký hiệu là rx Để thuận tiện trong tính toán thiết kế, phạm vi bảo vệ thường được đơn giản hóa thành hình chóp với đường sinh dạng gãy khúc, như thể hiện trong hình vẽ 1.1.
Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau được tính toán theo công thức sau: +Nếu ℎ 𝑥 ≤ 2
Hình 1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét
Các công thức tính toán cho cột thu sét chỉ áp dụng hiệu quả khi chiều cao dưới 30m Khi cột thu sét vượt quá chiều cao này, hiệu quả sẽ giảm do độ cao định hướng của sét giữ hằng số Trong quá trình tính toán, cần nhân với hệ số hiệu chỉnh p = 5,5 h, và trên hình vẽ, sử dụng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu sét cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp vượt trội hơn so với tổng phạm vi của hai cột đơn Để đảm bảo sự phối hợp hiệu quả giữa hai cột thu sét, khoảng cách a giữa chúng cần phải đáp ứng điều kiện a < 7h, trong đó h là chiều cao của cột thu sét.
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 h o có thể được tính toán theo công thức cụ thể.
Sơ đồ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau.
Hình 2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét giống nhau
Chú ý: Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì ngoài các hiệu chỉnh như trong phần chú ý của mục a, thì còn phải tính ho theo công thức:
7𝑝 c) Ph ạ m vi b ả o v ệ c ủ a hai c ộ t thu sét có đ ộ 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, vẽ 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 xem là đỉnh của cột thu sét giả định, cùng với cột thấp h1, tạo thành đôi cột có chiều cao bằng nhau là h1, với khoảng cách a' = a - x Phần còn lại tương tự như phạm vi bảo vệ của cột 1.
Hình 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 sẽ tạo thành một đa giác, và phạm vi bảo vệ được xác định bởi toàn bộ miền của đa giác cùng với phần giới hạn bên ngoài tương tự như của từng đôi cột.
Hình 4 Phạm vi bảo vệ của nhóm cột
Vật có độ cao hx nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:
D ≤ 8 ha = 8 (h - hx) (1 – 10) 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.
Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ
- Trạm biến áp: Trạm 220/110 kV;
+ Phía 220 kV 5 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng;
+ Phía 110 kV 9 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);
- Tổng diện tích trạm là 29697 m 2
- Độ cao xà đón dây 220 kV: 16,70 m; độ cao xà thanh góp 220 kV:10,40 m;
- Độ cao xà đón dây 110 kV: 11,40 m; độ cao xà thanh góp 110 kV: 7,7 m;
- Khoảng cách pha phía 220 kV: 4,30 m; phía 110 kV: 2,30 m;
- Nhà điều hành: 14 x 10 m, cao 4 m (được chống sét độc lập, không phối hợp vào chống sét cho trạm biến áp)
Bản vẽ sơ đồ nối điện chính của trạm biến áp 220/110 kV:
Hình 5 Bản vẽ sơ đồ nối điện chính của trạm biến áp 220/110 kV
Bản vẽ sơ đồ mặt bằng chi tiết của trạm biến áp 220/110 kV:
Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp
- Phía 220 kV dùng 15 cột trong đó cột 1÷5 được đặt trên xà đón dây cao 16,7 m; cột 6÷15 được đặt trên xà thanh góp cao 10,4 m
- Phía 110 kV dùng 15 cột trong đó cột 16÷22 được đặt trên xà thanh góp cao 7,7 m; cột 24÷30 được đặt trên xà đón dây cao 11,4 m và cột 23 được xây thêm
Hình 6 Sơ đồ bố trí cột thu sét Phương án 1
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là hx = 10,4 m và hx = 16,7 m;
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kV là hx = 7,7 m và hx = 11,4 m
Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi: Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi tam cột thu lôi phải thỏa mãn:
8 giác hoặc tứ giác nào đó thì độ cao
Trong đó: D: đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ giác. ha: độ cao hữu ích của cột thu lôi.
Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi luôn lớn hơn phạm vi bảo vệ của một cột đơn Để hai cột thu lôi có thể hoạt động hiệu quả cùng nhau, khoảng cách giữa chúng (a) phải nhỏ hơn hoặc bằng 7h, trong đó h là chiều cao của cột thu lôi.
19 h: chiều cao toàn bộ cột thu sét.
Xét nhóm cột 1-2-6-7 tạo thành hình chữ nhật: a1-2 = 34,4 m ; a1-6 = 37,2 m
Hình chữ nhật có đường chéo là: D=√34,4 2 + 37,2 2 = 50,67 (m)
Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi : ha≥ 50,67
8 = 6,33 (m) Xét nhóm cột 11, 12, 16 tạo thành hình tam giác: a = a11-12 = 34,4 (m) b = a12-16 = 25 (m) c = a11-16 6,3 (m) Nửa chu vi tam giác là: p= 34,4+25+36,3
2 = 47,85 (m) Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác là:
Vậy độ cao hữu ích của cột thu sét: ha≥ 37,87
Để tính toán bán kính đường tròn ngoại tiếp các đa giác, có thể sử dụng phần mềm AutoCad Dưới đây là bảng kết quả thu được từ quá trình tính toán này.
Bảng 2 Độ cao hữu ích của cột thu lôi phương án 1 ĐA GIÁC Đường kính vòng tròn h x (m) ngoại tiếp (m)
- 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:
- Tính độ cao của cột thu sét h = h a + hx
+ Phía 220 kV: Độ cao tác dụng h a = 6,33 m Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 16,7 m.
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 220kV là: h = ha + hx = 6,33 + 16,7 = 23,03 (m). + Phía 110kV: Lấyđộ cao tác dụng ha = 6,0 m. Độ cao lớn nhất cần bảo vệ h x = 11,4 m.
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 110kV là: h = ha + hx = 6,0 + 11,4 = 17,4 (m).
- Bán kính bảo vệ của cột thu sét ở các độ cao bảo vệ tương ứng:
Bán kính bảo vệ của các cột 23,03m (các cột N1N15 phía 220 kV):
+ Bán kính bảo vệ ở độ cao 16,7 m là:
23,03) = 4,75 (m) + Bán kính bảo vệ ở độ cao 10,4 m là:
0,8.23,03) = 15,05 (m) + Bán kính bảo vệ ở độ cao 7,7 m là:
0,8.23,03) = 20,12 (m) Bán kính bảo vệ của các cột 17,4 m (các cột N16N30 phía 110kV):
+ Bán kính bảo vệ ở độ cao 11,4 m là:
0,8.17,4 ) = 4,7(m) + Bán kính bảo vệ ở độ cao 7,7 m là:
0,8.17,4 ) = 11,7 (m) + Bán kính bảo vệ ở độ cao 10,4 m là:
Bảng 3 Bán kính bảo vệ của cột thu sét phương án 1
Cột Chiều cao Bán kính bảo vệ tương ứng r x (m)
- Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu sét:
+ Xét cặp cột 1-2 có độ cao bằng nhau: a = 34,4(m) và h = 23,03(m) Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:
7 = 18,12(𝑚) Bán kính của khu vực giữa hai cột thu sét là:
+ Xét cặp cột 11-16 có độ cao khác nhau: a = 36,3(m); ℎ 11 = 23,03 (m) và ℎ 16 = 17,4 (m)
3ℎ 11 Do vậy ta vẽ cột giả định 16’ có độ cao 17,4 m cách cột 11 một khoảng:
Vậy khoảng cách từ cột giả định đến cột 16 là:
Phạm vi bảo vệ của hai cột 16’ và 16 là: Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:
7 = 12,8 (𝑚) 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 4 Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét phương án 1
Từ bảng số liệu trên ta vẽ được phạm vi bảo vệ đối với các độ cao khác nhau như sau:
Hình 7 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét Phương án 1
* Phía 220 kV dùng 10 cột trong đó cột 1÷5 được đặt trên xà đón dây cao 16,7 m; cột 6÷10 được đặt trên xà thanh góp cao 10,4 m
* Phía 110 kV dùng 13 cột trong đó cột 11÷16 được đặt trên xà thanh góp cao 7,7 m; cột 18÷23 được đặt trên xà đón dây cao 11,4 m và cột 1 được xây thêm.
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là hx = 16,7 m và hx = 10,4 m;
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kV là hx = 11,4 m và hx = 7,7 m;
Hình 8 Sơ đồ bố trí cột thu sét phương án 2
Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi:
Tính toán tương tự như phương án 1, ta thu được kết quả tính toán được trình bày trong bảng:
Bảng 5 Độ cao hữu ích của cột thu sét phương án 2 ĐA GIÁC Đường kính vòng tròn h a (m) ngoại tiếp (m)
- 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 hmax = 8,1 m + Phía 110kV có hmax = 6,9 m
- Tính độ cao của cột thu sét: h = h a + hx
+ Phía 220 kV: Độ cao tác dụng ha = 8,1 m Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 16,7 m.
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 220kV là: h = h a + hx = 8,1 + 16,7= 24,8 (m).
+ Phía 110kV: Độ cao tác dụng h a = 6,9 m. Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 11,4 m.
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 110kV là: h = ha + hx = 6,9 + 11,4 = 18,3 (m).
- Bán kính bảo vệ của các cột 24,8 m (các cột N1÷N10 phía 220 kV)
+ Bán kính bảo vệ ở độ cao 16,7 m là:
24,8 ) = 6,1 (m) + Bán kính bảo vệ ở độ cao 10,4 m là:
0,8.24,8 ) = 17,7 (m) + Bán kính bảo vệ ở độ cao 7,7 m là:
0,8.24,8 ) = 22,8 (m)Bán kính bảo vệ của các cột 18,3 m (các cột N16N30 phía 110kV):
+ Bán kính bảo vệ ở độ cao 11,4 m là:
+ Bán kính bảo vệ ở độ cao 7,7 m là:
0,8.18,3 ) = 13,0 (m) + Bán kính bảo vệ ở độ cao 10,4 m là:
Bảng 6 Bán kính bảo vệ của cột thu sét phương án 2
Cột Chiều cao Bán kính bảo vệ tương ứng r x (m)
Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu sét.
Tính toán tương tự phương án 1, ta có bảng kết quả phạm vi bảo vệ như sau:
Bảng 7 Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét PA 2
Từ bảng số liệu trên ta vẽ được phạm vi bảo vệ đối với các độ cao khác nhau như sau:
Hình 8 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét Phương án 2
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 thiết bị trong trạm, đồng thời đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật cần thiết
Phía 220 kV dùng 15 cột trong đó cột 1÷5 được đặt trên xà đón dây cao 16,7m; cột 6÷15 được đặt trên xà thanh góp cao 10,4 m
Phía 110 kV dùng 15 cột trong đó cột 16÷22 được đặt trên xà thanh góp cao 7,7 m; cột 24÷30 được đặt trên xà đón dây cao 11,4 m; cột 23 bố trí thêm
Tổng chiều dài cột là:
Phía 220 kV dùng 10 cột trong đó cột 1÷5 được đặt trên xà đón dây cao 16,9 m; cột 6÷10 được đặt trên xà thanh góp cao 10,6 m
Phía 110 kV dùng 13 cột trong đó cột 11÷16 được đặt trên xà thanh góp cao 7,9 m; cột 18÷23 được đặt trên xà đón dây cao 11,7 m, cột 17 được bố trí thêm
Tổng chiều dài cột là:
Phương án 2 được lựa chọn cho thiết kế chống sét của trạm biến áp do có số cột thu sét ít 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 nguy cơ tiếp xúc với dòng điện do hư hỏng cách điện vào một hệ thống nối đất Trong hệ thống điện, có ba loại nối đất chính.
Nối đất an toàn là biện pháp quan trọng nhằm bảo vệ người dùng khi cách điện của thiết bị bị hư hỏng Việc thực hiện nối đất cho tất cả các bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng máy biến áp và các giá đỡ kim loại giúp giảm thiểu nguy cơ điện giật Khi cách điện bị hỏng, điện thế có thể xuất hiện trên các bộ phận này, nhưng nhờ vào hệ thống nối đất, mức điện thế sẽ được duy trì ở mức thấp, từ đó đảm bảo an toàn cho người tiếp xúc.
Nối đất làm việc có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định theo các quy định đã được thiết lập Nó bao gồm nối đất điểm trung tính của máy biến áp trong hệ thống điện có điểm trung tính được nối đất, cũng như nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện bù ngang trên các đường dây tải điện xa.
Nối đất chống sét là phương pháp quan trọng nhằm tản dòng điện sét vào đất, giúp duy trì điện thế an toàn trên cột thu sét và đường dây Việc này không chỉ bảo vệ cấu trúc khỏi các phóng điện ngược mà còn đảm bảo an toàn cho các công trình cần được bảo vệ khi có hiện tượng sét đánh.
Các yêu cầu kĩ thuật
Điện trở tản của bộ phận nối đất cần được giữ ở mức thấp nhất có thể, nhưng việc này thường đòi hỏi nhiều kim loại và khối lượng thi công lớn Vì vậy, việc xác định tiêu chuẩn nối đất và lựa chọn phương án nối đất cần phải hợp lý về mặt kinh tế, đồng thời đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật Điện trở nối đất an toàn phải được lựa chọn sao cho điện áp bước và 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 như sau:
- 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.
- Đối với thiết bị điện có điểm trung tính cách điện (dòng ngắn mạch chạm đất bé) thì:
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, hệ thống nối đất làm việc và nối đất an toàn thường được kết nối chung Để đảm bảo hiệu quả, cần đạt yêu cầu về loại nối đất với trị số điện trở nối đất cho phép nhỏ nhất.
Khi thực hiện nối đất, cần tận dụng các hình thức nối đất có sẵn như đường ống và kết cấu kim loại chôn trong đất, cũng như móng bê tông cốt thép Tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất tương tự như điện cực hình tia 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 thì không cần nối đất bổ sung Tuy nhiên, với thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất lớn, cần đặt thêm nối đất nhân tạo với trị số điện trở tản không vượt quá 1(Ω).
Đất là một môi trường phức tạp và không đồng nhất về thành phần Điện trở suất của đất chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố, bao gồm thành phần, nhiệt độ và độ ẩm.
Do sự biến đổi của khí hậu theo mùa, độ ẩm và nhiệt độ của đất cũng thay đổi, ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống nối đất Để điều chỉnh các loại điện cực nối đất khác nhau, cần hiệu chỉnh điện trở suất ρ theo hệ số mùa 𝐾 𝑚𝑠 𝑚𝑣 Công thức tính toán điện trở suất là: 𝜌 𝑚𝑣 𝑡𝑡 = 𝜌 đ𝑜 ∗ 𝐾 𝑚𝑠 𝑚𝑣.
- Với nối đất an toàn và làm việc:
Dùng thanh ngang chôn sâu 0,8 m thì 𝐾 𝑚𝑠 𝑚𝑣 = 1,6
Dùng cọc dài 2-3 m chôn sâu 0,8 m thì 𝐾 𝑚𝑠 𝑚𝑣 = 1,4
- Với nối đất chống sét:
Dùng thanh ngang chôn sâu 0,8 m thì 𝐾 𝑚𝑠 𝑚𝑣 = 1,25
Dùng cọc dài 2-3 m chôn sâu 0,8 m thì 𝐾 𝑚𝑠 𝑚𝑣 = 1,15
Nối đất chống sét thông thường bao gồm việc kết nối đất cho 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, việc áp dụng hình thức nối đất tập trung là cần thiết để đảm bảo hiệu quả tản dòng điện tốt nhất.
Khi đường dây đi qua các vùng đất ẩm có điện trở suất nhỏ hơn hoặc bằng 3,10^4 Ω.cm, nên tận dụng hệ thống nối đất có sẵn từ móng và chân cột bê tông để
Lý thuyết tính toán nối đất
2.3.1 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
- Cho phép sử dụng nối đất an toàn và nối đất làm việc thành một hệ thống Điện trở nối đất của hệ thống:
Trong đó: R TN : điện trở nối đất tự nhiên
RNT: điện trở nối đất nhân tạo (R NT ≤ 1Ω)
Trong bài viết này, chúng tôi tập trung vào việc phân tích hệ thống nối đất tự nhiên của trạm điện, bao gồm các biện pháp chống sét cho đường dây và cột điện 110kV và 220kV kết nối tới trạm.
Ta có công thức tính toán như sau:
Trong đó: n : số lộ đường dây có treo dây chống sét
Rc: điện trở nối đất của cột điện
: điện trở dây chống sét trong khoảng vượt
N : số dây chống sét trong một lộ
Xét trường hợp đơn giản nhất là trường hợp điện cực hình bán cầu
Dòng điện chạm đất I đi qua điểm sự cố sẽ tạo nên điện áp giáng trên bộ phận nối đất
Với 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: r
Trong thực tế, có nhiều hình thức nối đất như cọc dài từ 2 đến 3m bằng sắt tròn hoặc sắt góc được chôn thẳng đứng, cùng với thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu từ 0,5 đến 0,8m theo hình tia hoặc mạch vòng Trị số điện trở tản của các hình thức nối đất này được xác định qua các công thức đã được quy định Đối với nối đất chôn nằm ngang, có thể áp dụng công thức chung để tính trị số điện trở tản xoay chiều.
L : Chu vi mạch vòng (m) t: Độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng (m) tt
mv : Điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t
31 d : Đường kính thanh làm mạch vòng (nếu là thanh dẹt có bề rộng là b thì
K : Hệ số phụ thuộc vào tỷ số 1
được cho bởi bảng hoặc đồ thị:
Bảng 8 Bảng giá trị hệ số hình dạng K
Hình 9 Đồ thị giá trị hệ số hình dạng K
Trong khu vực có khả năng dẫn điện kém, điện trở suất của đất cao dẫn đến hệ thống nối đất có kích thước nhỏ Kết quả là trị số điện trở nối đất an toàn của mạch vòng không đạt tiêu chuẩn yêu cầu.
- Cần bổ sung cọc dọc theo mạch vòng (chọn kích thước cọc, độ chôn sâu)
- Tính điện trở nối đất của 1 cọc
- Tính điện trở tản của hệ thống mạch vòng – cọc
t : hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng
C : hệ số sử dụng của cọc
• Nối đất tự nhiên Đường dây 220kV: 5 lộ đường dây, mỗi lộ treo 1 dây chống sét, dây loại C-70 có
0 2,38 / r = km , chiều dài khoảng vượt là lKV = 210 (m) Điện trở của dây chống sét trong một khoảng vượt:
RCS = ro.lKV = 2,38.210.10 −3 = 0,5 (Ω) Điện trở tự nhiên phía 220kV
- Đường dây 110kV: 9 lộ đường dây, mỗi lộ treo 1 dây chống sét, dây loại C-70 có
0 2,38 / r = km, chiều dài khoảng vượt là lKV = 210 (m) Điện trở của dây chống sét trong một khoảng vượt:
RCS = ro.lKV = 2,38.210.10 −3 = 0,5 (Ω) Điện trở tự nhiên phía 110kV:
Vậy điện trở nối đất tự nhiên của tất cả đường dây 220kV và 110kV:
Theo lý thuyết, giá trị RTN < 0,5Ω được xem 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 tối ưu.
Sử dụng sơ đồ mạch vòng với thanh dẹt có tiết diện hình chữ nhật (40x5mm), chôn sâu 0,8m và lùi vào mỗi cạnh 0,5m cách tường rào trạm bảo vệ Trạm bảo vệ có kích thước hình chữ nhật là 190,1m x 154,6m, từ đó xác định được kích thước của mạch vòng.
Chu vi mạch vòng: L = 2(𝑙 1 + 𝑙 2 ) = 2 (190,1 + 154,6) = 689,4 Đường kính của thanh làm mạch vòng: 0, 04 0, 02( )
2 2 d = = b = m Điện trở suất tính toán: 𝜌 𝑚𝑣 𝑡𝑡 = 𝜌đ𝑜 𝐾 𝑚𝑠 𝑚𝑣 = 76.1,6 = 121,6 (Ω)
𝑙 2 = 190,1 154,6 = 1,23 , suy ra hệ số hình dạng từ đồ thị quan hệ K = f l ( / ) 1 l 2 Hình 9, kết hợp Bảng 8 nội suy, ta được: K = 5,53−5,81
1−1,5 = 5,66 Điện trở nối đất mạch vòng:
Ta thấy R MV = 0,529 Ω < 1 Ω, do vậy không cần đóng thêm cọc bổ sung
• Điện trở nối đất cả hệ thống:
Kết luận: Điện trở nối đất hệ thống thỏa mãn bé hơn 0,5 Ω Hệ thống thiết kế nối đất trên đảm bảo an toàn cho TBA 220/110kV
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, đối với nối đất dạng tia dài hoặc mạch vòng (phân bố dài), cần xem xét cả hai quá trình vì chúng ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả nối đất Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung không phụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực, mà được xác định bởi biên độ dòng điện I, điện trở suất và đặc tính xung kích của đất.
Vì trị số điện trở tản xoay chiều của nối đất tỉ lệ với nên hệ số xung kích có trị số là:
= = (2-7) 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 1 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất
Trong mọi trường hợp, điện trở tác dụng R có thể được bỏ qua do giá trị của nó nhỏ hơn so với điện trở tản Đồng thời, phần điện dung C cũng không cần xem xét, vì ngay cả trong tình huống sóng xung kích, dòng điện dung vẫn rất nhỏ so với dòng điện qua điện trở tản Do đó, sơ đồ đẳng trị có thể được rút gọn như sau.
Hình 2 Sơ đồ đẳng trị thu gọn
Trong sơ đồ thay thế trên:
L0: điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài
G0: điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài
m ) (2-9) Với: l: chiều dài điện cực r : bán kính điện cực, nếu điện cực là thép dẹt có bề rộng b(m) thì
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
U x t ( , ), I x t ( , ) là dòng điện và điện áp xác định từ hệ phương trình vi phân:
Giải (2-12) ta được điện áp tại điểm bất kỳ và tại thời điểm t trên điện cực:
= = + − (2-13) Điện áp lớn nhất trên hệ thống nối đất với (x=0,t= ds ):
= = + − (2-14) Suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào đất có giá trị lớn nhất ứng với (x=0,t= ds ):
T = k là hằng số thời gian, đặt
Khi tính toán nối đất phân bố dài trong quá trình phóng điện trong đất, cần lưu ý rằng điện áp và mật độ dòng điện giảm dần ở các điểm xa của điện cực, dẫn đến quá trình phóng điện yếu hơn so với đầu vào Điều này cho thấy điện dẫn của nối đất không chỉ phụ thuộc vào dòng điện I và điện trở suất , mà còn vào tọa độ Việc tính toán tổng trở trở nên phức tạp và thường phải áp dụng phương pháp gần đúng Trong phạm vi nghiên cứu này, chúng ta có thể bỏ qua quá trình phóng điện trong đất Đối với trạm biến áp 220/110kV, dòng điện sét I khi vào hệ thống nối đất phải đáp ứng các điều kiện nhất định.
I : Biên độ dòng điện sét
Z : Tổng trở xung kích ở đầu vào nối đất
U : Trị số điện áp phóng điện xung kích nhỏ nhất của MBA Đối với MBA 110kV, U 50% MBA = 460 kV Đối với MBA 220kV, U 50% MBA = 900 kV
Vậy điều kiện của nối đất chống sét cho toàn trạm 220/110kV là U d U 50% MBA = 460 kV
Khi thiết kế hệ thống nối đất chống sét cho trạm biến áp 220/110kV, cần thực hiện nối đất chống sét kết hợp với nối đất an toàn Do đó, hệ thống nối đất chống sét sẽ được thiết kế theo dạng phân bố dài mạch vòng Sơ đồ thay thế cho hệ thống chống sét được thể hiện trong Hình 14.
2 2 r= =b = m Điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài: Điện trở suất tính toán:
Với hệ số hình dạng K=5,66 như tính toán trước đó, ta tính điện trở mạch vòng: Điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài:dài:
Chọn dạng sóng xiên góc của dòng điện sét có biên độ không đổi: khi t khi t ds s ds ds
( ) t s Hình 3 Đồ thị dạng sóng của dòng sét
Với biên độ dòng điện sét là I = 150(kA)
Thời gian đầu sóng ds = 5 s
Độ dốc dòng sét 150 30( / ) ds 5 a I kA s
= = Theo công thức (2-15) ta có tổng trở xung kích của hệ thống nối đất nhân tạo:
Do coi mạch vòng là sự ghép song song của hai tia nên
= + − Để xác định được Z (0, ds ), 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 bỏ qua Điều này có nghĩa là chúng ta sẽ tính đến k sao cho: ds 4.
Có 𝑘 𝑚𝑖𝑛 = 8 Ta chọn k trong khoảng từ 18 (kZ + ) k k 2 1 2 k
Tổng trở xung kích ở đầu vào đất:
Kiểm tra quá điện áp trên các thiết bị:
Trong trạm biến áp, máy biến áp là phần tử quan trọng nhất nhưng cũng là phần tử yếu nhất, do đó việc kiểm tra máy biến áp là rất cần thiết Để đảm bảo an toàn cho trạm biến áp khi có dòng điện sét đi vào, cần phải đảm bảo rằng hệ thống nối đất đáp ứng đầy đủ các điều kiện an toàn.
I : biên độ của dòng điện sét
ZXK(0, đs): tổng trở xung kích ở đầu vào nối đất của dòng điện sét.
U50% MBA : điện áp 50% của máy biến áp Đối với MBA 110 kV: U50%MBA = 460kV Đối với MBA 220 kV: U50%MBA = 900kV
Lấy U50%MBA = 460kV, kiểm tra điều kiện này ta thấy:
Phương án nối đất mạch vòng nhân tạo hiện tại chưa đáp ứng yêu cầu về nối đất chống sét Do đó, cần thực hiện việc nối đất bổ sung để ngăn chặn hiện tượng phóng điện ngược.
2.4 Nối đất bổ sung Để giảm điện trở nối đất đồng thời đảm bảo được tiêu chuẩn theo yêu cầu của nối đất chống sét ta sử dụng dạng nối đất tập trung tại chân cột thu sét, gồm:
- 1 thanh thép dài 6m, dẹt, 40x5mm,
- 3 cọc thép dài 3m, cọc tròn đường kính 0,04m
- Chôn sâu cách mặt đất 0,8m
Sơ đồ nối đất bổ sung: t l/2 t'=t+l/2 a a l
Hình 4 Sơ đồ nối đất bổ sung Điện trở nối đất bổ sung của hệ thống được tính theo công thức:
= + (2-17) Với: R C : điện trở tản của một cọc
R T : điện trở tản của thanh n: số cọc
T : hệ số sử dụng của thanh
C : hệ số sử dụng của cọc
• Tính toán điện trở của thanh
= (2-18) Trong đó: l T : Chiều dài thanh, l T =6m t: Độ chôn sâu của thanh, t = 0,8 m d: Đường kính thanh làm tia Do thanh dẹt rộng b = 0, 04 m => 0, 02
T : Điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm tia chôn ở độ sâu t, T tt = do K ms mv , dùng thanh chôn sâu 0,8m thì K ms mv = 1, 25
K : Hệ số hình dáng, do nối đất là tia ngang nên lấy K = 1
Thay các giá trị vào công thức (2-18), ta được:
• Tính điện trở nối đất của cọc:
= + − (2-19) Trong đó: l coc : Chiều dài cọc, l coc = 3 m như đã chọn d: Đường kính cọc, d = 0, 04 m tt
coc : Điện trở tính toán của đất đối với cọc, coc tt = do K ms mv , dùng cọc dài 2-3 m chôn sâu 0,8 m thì K ms mv = 1,15
Vậy Độ chôn sâu của cọc: t = 0,8 m
Tính được điện trở tản của một cọc từ (2-19):
• Xác định các hệ số T , C Với khoảng cách các cọc a=3m, chiều dài cọc l=3m
Có a l/ =1, tra sổ tay thu được T =0, 77, C =0, 79
• Điện trở nối đất bổ sung:
Tổng trở hệ thống nối đất khi có nối đất bổ sung:
Sử dụng phép toán tử Laplace ta tìm được công thức tính tổng trở xung kích của hệ thống nối đất chống sét như sau:
BS NTS NTS T ds BS k NTS
Do nối đất nhân tạo chống sét chỉ là một mạch vòng nên:𝑅 𝑁𝑇𝑆 = 𝑅 𝑀𝑉 = 0,415(Ω) (Tính ở phần 2.3.2.)
Thời gian đầu sóng ds = 5 s
Với X k là nghiệm của phương trình:
Giải phương trình trên bằng phương pháp đồ thị ta thu được
Hình 5 Đồ thị xác định nghiệm phương trình tgX k = −0, 0618X k
Ta có kết quả tính chuỗi
(0, 𝜏d𝑠) = 𝐴 + 𝐵 = 0,394 + 1,02165= 1,41565 (Ω) Điện áp khi có dòng điện đi vào nối đất tại thời điểm t= ds (thời điểm dòng điện sét đạt giá trị cực đại) là:
Vì giá trị của U d U 50% MBA nên hệ thống nối đất bổ sung đã đảm bảo yêu cầu nối đất chống sét