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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP BÀI TẬP DÀI ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRẠM BIẾN ÁP 220 kV – 110 kV Giáo viên hướng dẫn: PSG.TS Trần Văn Tớp Sinh viên thực hiện: Hoàng Anh Đức MSSV: 20181114 Lớp: Điện 02 – K63 Mail: duc.ha181114@sis.hust.edu.vn Mã lớp : 129051 – EE4052 Hà Nội, 2021 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU TỔNG QUAN CHUNG VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP .4 Khái quát tượng dông sét Ảnh hưởng, tác hại dông sét Các phương pháp phòng chống sét Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 11 1.1 Mở đầu 11 1.2 Các yêu cầu kỹ thuật hệ thống chống sét đánh trực tiếp 11 1.3 Phạm vi bảo vệ cột thu sét dây chống sét 12 1.4 Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ 15 1.5 Tính tốn phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 15 1.5.1 Phương án 15 1.5.2 Phương án 21 1.6 So sánh tổng kết phương án 25 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 27 2.1 Mở đầu 27 2.2 Các yêu cầu kĩ thuật 27 2.3 Lý thuyết tính tốn nối đất 29 2.3.1 Tính tốn nối đất an tồn 29 2.3.2 Tính tốn nối đất chống sét 31 2.4 Tính tốn nối đất an tồn 33 2.4.1 Nối đất tự nhiên 33 2.4.2 Nối đất nhân tạo 34 2.5 Tính tốn nối đất chống sét 35 2.5.1 Tính toán nối đất chống sét kiểm tra điều kiện phóng điện 35 2.5.2 Nối đất bổ sung 37 2.6 Kết luận 41 LỜI MỞ ĐẦU Chống sét quan trọng việc bảo vệ hệ thống điện cơng trình người, thiết kế chống sét luôn thực để đảm bảo an toàn Việc bị sét đánh trực tiếp dẫn tới hậu trầm trọng chết người, hỏng thiết bị trạm, nhà, … dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn khoảng thời gian dài ảnh hưởng đến việc sản xuất điện ngành kinh tế quan trọng khác Bài tập dài tập trung thiết kế chống sét cho trạm biến áp 220/110 kV để thực hành luyện tập tổng hợp lại kiến thức chống sét học phần Kỹ Thuật Điện Cao Áp - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Dưới hướng dẫn thầy cô bạn, đặc biệt thầy giáo Trần Văn Tớp hướng dẫn bảo tận tình để em hồn thành tập dài cách tốt Một lần em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Văn Tớp thầy, tồn thể bạn mơn Hệ thống điện Sinh viên Hoàng Anh Đức TỔNG QUAN CHUNG VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP Sự phát triển mạnh mẽ kinh tế, khoa học kỹ thuật dẫn đến nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng cao Năng lượng điện đóng vai trị sống cịn phát triển cơng nghiệp Các hệ thống điện có quy mô ngày lớn, điện áp làm việc ngày cao Theo quy định IEC (International Electrotechnic Commission) điện áp cao 1000 V phân loại sau: Bảng Phân loại cấp điện áp 1000 V Cấp điện áp Trung áp Cao áp Siêu cao áp Cực cao áp Điện áp định mức ÷ 45 kV 45 ÷ 300 kV 300 ÷ 750 kV ≥ 750 kV Trong việc truyền tải điện với điện áp cao độ tin cậy cách điện điện áp làm việc xuất điện áp có ý nghĩa lớn, đặc biệt xuất điện áp Quá điện áp hiểu nhiễu loạn xếp chồng lên điện áp làm việc hệ thống điện Việc xác định đặc tính nhiễu loạn khó khăn, thường dùng phương pháp thống kê Quá điện áp chia làm dạng: • Quá điện áp nội • Quá điện áp khí • Quá điện áp tần số cơng nghiệp Ngun nhân hình thành q điện áp nội thay đổi đột ngột cấu trúc hệ thống điện Nó gây song điện áp chuỗi song cao tần không tuần hoàn tắt dần Trong tập dài này, ta nghiên cứu kỹ tượng điện áp khí tượng dơng sét gây nên Tìm hiểu tác hại tới hệ thống điện, tính tốn bảo vệ cho thiết bị hệ thống Khái quát tượng dông sét Dông sét tương thời tiết kỳ bí nguy hiểm, dơng thường kèm với sấm chớp xảy Cơn dơng hình thành có khối khơng khí nóng ẩm chuyển động thẳng Cơn dơng kéo dài từ 30 phút tới 12 tiếng, trải rộng từ hàng chục tới hàng trăm kilơmet ví nhà máy phát điện nhỏ cơng suất hàng trăm MW, điện đạt tỷ V dòng điện 10-200 kA Sét hay tia sét sinh phóng điện khí đám mây với đất đám mây với Một tia sét thơng thường thắp sáng bóng đèn 100W ba tháng Theo thống kê ước tính trái đất giây có chừng 100 cú phóng điện xảy đám mây tích điện với mặt đất Cơng suất đạt tới hàng tỷ kW, làm nóng khơng khí vị trí phóng điện lên đến 28000 độ C (hơn ba lần nhiệt độ bề mặt mặt trời) Các đám mây dơng tích điện điện tích xuất hạt nước, hạt băng đám mây cọ xát vào Sau chủ yếu đối lưu mà điện tích dương dồn hết lên đỉnh đám mây cịn điện tích âm dồn xuống phía Khảo sát thực nghiệm cho thấy, thơng thường mây dơng có kết cấu sau: vùng điện tích âm nằm khu cực có độ cao km, vùng điện tích dương nằm đám mây độ cao 812 km khối điện tích dương nhỏ nằm phía chân mây Khi vùng điện tích đủ mạnh xảy phóng điện sét Sự phóng điện sét chia làm giai đoạn: • Phóng điện tiên đạo: - Khởi đầu phóng điện ban đầu toả sáng phát triển với vận tốc không lớn (200 km/s) hướng chướng ngại vật mặt đất - Điện tích âm di chuyển phía điện tích dương theo đường zigzags gọi tia tiên đạo (leader) • Phóng điện ngược: - Nối tiếp sau tia tiên đạo, xuất một hồ quang phóng điện ngược - Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất, điện trường khoảng không gian đầu tia tiên đạo với mặt đất có trị số lớn, q trình ion hố mãnh liệt dẫn đến hình thành dòng plasma với mật độ lớn nhiều so với tia tiên đạo • Kết thúc phóng điện: - Dòng plasma kéo dài, kết thúc chuyển điện tích - Nếu đám mây cịn chứa điện tích, q trình lại lặp lại - Giai đoạn tia tiên đạo không phát triển theo tia loé sáng tia tiên đạo mà có dạng liên tục Sét gây tác hại cho người thiết bị đánh xuống đất Trong loại sét đánh xuống đất, người ta phân chúng làm hai loại: sét âm sét dương; sét âm (90%) chủ yếu xuất từ phần đám mây đánh xuống đất Sét dương xuất từ đỉnh đám mây đánh xuống Loại sét dương xuất bất ngờ nguy hiểm trời quang phần chưa mưa Việt Nam nằm tầm dông Châu Á, ba tâm dơng giới có hoạt động dơng sét mạnh Mùa dông Việt Nam tương đối dài tháng kết thúc vào tháng 10 Số ngày dơng trung bình khoảng 100 ngày/năm số dơng trung bình 250 giờ/năm Trung bình năm có khoảng hai triệu cú sét đánh xuống đất tồn lãnh thổ Việt Nam Vì việc phịng chống sét đánh trực tiếp vào cơng trình, đặc biệt hệ thống điên trở nên quan trọng, ảnh hưởng lớn tới việc cung cấp điện cho kinh tế quốc dân Ảnh hưởng, tác hại dông sét Con người đối tượng nhắc đến đề cập thiệt hại dơng sét Sét gây thương tích cho người nhiều phương thức: - Đánh trực tiếp vào nạn nhân - Sét đánh vào vật gần nạn nhân, tia lửa điện sinh phóng qua khơng khí vào nạn nhân (còn gọi sét đánh tạt ngang) - Sét đánh xuống mặt đất lan truyền xung quanh - Sét lan truyền qua đường dây điện, đường dây điện thoại Đối với cơng trình vật dụng sét có tác hại lớn, bao gồm tác hại đánh trực tiếp, cảm ứng tĩnh điện cảm ứng điện từ Tác hại sét đánh trực tiếp: Sét đánh trực tiếp phóng điện trực tiếp xuống đối tượng bị đánh Sét thường đánh vào nơi cao cột điện, cột thu phát sóng viễn thơng, nhà cao tầng, tượng mũi nhọn nên điện tích cảm ứng tập trung nhiều hơn, có trường hợp sét đánh vào nơi thấp đất hay đối tượng dẫn điện tốt nơi cao Nơi bị sét đánh khơng khí bị nung nóng lên tới mức làm chảy sắt dày 4mm, đặc biệt nguy hiểm cơng trình có vật liệu dễ cháy nổ kho mìn, bể xăng dầu… Có trường hợp sét phá vỡ ống khói gạch đoạn dài 30-40 m mảnh vỡ văng xa tới 200-300 m Tác hại gián tiếp sét gồm cảm ứng tĩnh điện cảm ứng điện từ Cảm ứng tĩnh điện: Những cơng trình mặt đất nối đất khơng tốt , có đám mây dơng mang điện tích bên phần cơng trình cảm ứng nên điện tích trái dấu với điện tích đám mây Hoặc sét đánh gần cơng trình làm cho điện tích khơng kịp với điện tích đám mây, mà tồn thêm thơi gian nữa, gây nên điện cao so với mặt đất Điện nhà từ ngồi nhà theo dây điện,dây mạng, ống kim loại truyền vào nhà tạo nên tia lửa điện gây cháy nổ tai nạn cho người Cảm ứng điện từ: Khi sét đánh vào dây dẫn sét nằm cơng trình hay gần cơng trình tạo từ trường biến đổi mạnh xung quanh dây dẫn dòng điện sét Từ trường làm cho mạch vòng kín xuất sức điện động cảm ứng gây phóng điện thành tia lửa nguy hiểm Hệ thống điện loại đối tượng chịu nhiều tác hại từ dông sét Các đường dây tải điện, phần lớn đường dây khơng có chiều dài lớn qua nhiều vùng khác nên xác suất bị sét đánh tương đối cao Khi sét đánh vào đường dây tải điện, gây phóng điện cách điện đường dây gây cố cắt điện Trên đường dây dài, nơi bị sét đánh gây cố ngắn mạch làm máy cắt tác động dẫn đến ngừng cung cấp điện gây tổn thất nghiêm trọng Có thể nói cố hệ thống điện sét gây nên chủ yếu xảy đường dây Sét đánh vào đường dây cịn làm xuất sóng q điện áp lan truyền phía trạm biến áp, hiệu ứng vầng quang nên sóng điện áp thường bị biến dạng Quá điện áp khí xuất sét đánh trực tiếp đánh xuống đất gần đường dây Trường hợp sét đánh trực tiếp mối nguy hiểm đường dây phải hứng chịu toàn lượng phóng điện sét Đối với trạm biến áp, sét đánh trực tiếp vào phần dẫn điện trạm nối với nhiều đường dây bên ngồi: dịng điện sét truyền phía ngồi trạm q điện áp xác định bởi: u(t) = 𝑍𝑐 𝑛 𝑖(𝑡) Trong đó: – tổng trở xung kích đường dây (cỡ 400Ω); n – số đường dây nối với phần bị sét đánh Trường hợp điện áp xuất n =1, đạt giá trị 800kV với dòng điện sét bé khoảng 2kA Điện áp gây phóng điện dẫn đến cố trạm Nếu có khe hở phóng điện chống sét van, chúng bảo vệ thiết bị trạm Nếu sét đánh vào phần làm việc trạm cách ly với lưới điện bên ngồi, phần bị sét đánh mô tả điện dung điện áp có trị số là: 𝑢(𝑡) = ∫ 𝑖(𝑡) 𝐶 Dạng điện áp có đặc trưng độ dốc biên độ lớn,khoảng khe hở khí có thời gian phóng điện lớn nên chống sét van khe hở bảo vệ thiết bị Với số phân tích đơn giản trên, ta thấy việc bảo vệ chống sét đánh trực tiêp vào đường dây tải điện trạm biến áp khơng thể thiếu Các phương pháp phịng chống sét Trên giới hiên nay, trải qua 250 năm kể từ Franklin đề xuất phương pháp chống sét, lĩnh vực phịng chống sét có nhiều phương pháp khác sử dụng Sau số phương pháp: • Phương pháp dùng lồng Faraday: Dựa vào tính chất đặc biệt vật dẫn trạng thái cân tĩnh điện điện trường lịng vật dẫn ln nên ta đặt vật cần bảo vệ bên lòng kim loại dẫn điện khơng bị ảnh hưởng điện trường bên ngồi Đó ngun lý hoạt động lồng Faraday Theo lý thuyết phương pháp lý tưởng để phòng chống sét Tuy nhiên phương pháp tốn không khả thi thực tế áp dụng cho tất cơng trình nên sử dụng bảo vệ số khu vực đặc biệt nơi chứa vũ khí thuốc nổ, hạt nhân • Phương pháp chống sét cột thu sét truyền thống: Cột thu sét Benjamin Franklin phát minh năm 1752 ơng tiến hành thí nghiệm dùng thép cao 40 foot để thu tia lửa điện từ đám mây Sau 250 năm, nguyên lý sử dụng rộng rãi chứng tỏ hiệu bảo vệ Về nguyên tác, cột thu sét dụng cụ đơn giản gồm phận chính: - Kim thu sét: que kim loại nhọn gắn đỉnh công trình cần bảo vệ Thường có đường kính khoảng cm - Hệ thống dây dẫn xuống đất - Hệ thống tiếp địa: hay nhiều sắt (thép) dẫn điện tốt đóng chặt xuống đất có nhiệm vụ tản dòng điện sét vào đất Phương pháp chống sét truyền thống có hai dạng: - Hệ gắn thẳng (dùng kim thu sét) - Hệ dạng lưới bao quanh hay nằm đối tượng cần bảo vệ (lưới thu sét) Phương pháp tạo điều kiện để thu hút phóng điện sét đến điểm đặt sẵn mặt đất tản dòng điện sét vào đất, tránh sét đánh trực tiếp vào cơng trình Tác dụng bảo vệ hệ thống thu sét giai đoạn phóng điện tiên đạo, điện tích tập trung đỉnh hệ thống thu sét (cột thu lôi dây chống sét) điện trường lớn mở đường tia tiên đạo hệ thống thu sét Tia tiên đạo phát triển từ hệ thống thu sét ngược lên phía làm tăng điện trường cuối sét bị thu hút cột thu lơi dây chống sét Các cơng trình cần bảo vệ thấp nằm gần hệ thống thu sét che khuất, có khả bị sét đánh Thực nghiệm cho thấy, hệ Franklin không cho hiệu chống sét 100% Tuy sét đánh vào kim thu sét nhiều hiệu phương pháp chống sét tốt, song nhiều kết thực nghiệm cho thấy sét bỏ qua kim thu sét mà đánh trực tiếp vào cơng trình dù đặt kim thu sét lên cao • Cột thu sét Franklin phát tia tiên đạo Để nâng cao hiệu suất cột thu sét truyền thống, người ta cải tiến kim thu sét hệ Franklin nhằm khắc phục nhược điểm tính thụ động thu sét Cấu tạo gồm: - Đầu thu: đầu thu cố định phía dùng thu sét che chắn cho đầu phát xạ ion đặt bên Nó thiết kế để tạo dịng khơng khí chuyển động xun qua đầu phát ion, phát tán ion vào không gian xung quanh, tạo mơi trường thuận lợi để kích hoạt sớm phóng điện (hiện tượng Corona) - Thân kim: làm đồng xử lý inox, phía có hay nhiều đầu nhọn để phát xạ ion Các đầu nhọn nối với phát xạ ion qua dây dẫn luồn bên ống cách điện - Bộ kích thích phát xạ ion: làm vật liệu ceramic, đặt phía thân kim, buồng cách điện, nối với đầu phát xạ dây dẫn chịu điện áp cao Khi có dơng sét, tác dụng lực phận phát điện tích Nguyên lý hoạt động: dao động nhỏ kim thu sét so với cột đỡ với áp lực tạo trước kích thích séinh áp lực biến đổi ngược Chúng tạo điện cao đầu nhọn phát xạ ion, sinh lượng lớn ion xung quanh kim thu sét Những ion ion hóa dịng khơng khí chuyển động xung quanh phía đầu thu Khơng khí bị ion hóa kích thích phóng điện vào kim thu sét, giảm thiểu trường hợp sét đánh vào cơng trình bên Vậy hệ Franklin phát tia tiên đạo chủ động hệ truyền thống • Phương pháp không truyền thống: Một số hệ chống sét khác với dang Franklin lên hàng trục năm gần Đáng ý là: - Hệ phát xạ sớm - Hệ ngăn chặn sét (Hệ tiêu tán lượng sét) Những người bảo vệ hệ dùng kim thu sét phát xạ sớm cho tia phóng tia tiên đạo sớm so với hệ Franklin Một vài dụng cụ sử dụng gây phát xạ sớm nguồn phóng xạ kích thích điện kim Năm 1999, 17 nhà khoa học hội đồng khoa học ICLP (International Conference on Lightning Protection) tuyên bố phản đối phương pháp Hệ ngăn chặn sét với mục đích phân tán điện tích mây dơng trước phóng điện Hay nói cách khác tạo đám mây điên tích dương tai khu vực để làm chệch tia sét khỏi khu vực bảo vệ Nhiều dạng dụng cụ phân tán sử dụng Chủ yếu cấu tạo nhiều kim mũi nhọn nối đất Những điểm dạng lưới kim loại, bàn chải • Hút sét tia laser: Ngày cần chống sét cho công trình đại địi hỏi phương pháp chống sét có hiệu cao Các nhóm nghiên cứu mạnh vấn đề giáo sư Bazelyan (Nga), giáo sư Zen Kawazaki (Nhật) Đã có kết bước đầu Tại Nhật, năm 1997 sau nhiều lần thử nghiệm người ta hai lần thu tia sét cách Theo ý kiến chuyên gia, kỹ thuật thực Khó khăn chỗ đồng hóa chi phí cho cú chống sét phương pháp đắt vàng Hướng nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu • Phương pháp phịng chống tích cực: Một dạng phương pháp sử dụng có hiệu năm gần dự báo dông sét sớm Nhờ vào thiết bị đại đa, vệ tinh, hệ thống định vị phóng điện, người ta dự báo khả có dơng sét xảy tai khu vực thời gian từ 30 phút tới vài Các phương pháp ứng dụng rơng rãi hàng khơng, điện lực, an tồn cho người 2.3 Lý thuyết tính tốn nối đất 2.3.1 Tính tốn nối đất an tồn Với cấp điện áp lớn 110kV nối đất an toàn phải thoả mãn điều kiện là: - Điện trở nối đất hệ thống có giá trị R 0,5 - Cho phép sử dụng nối đất an toàn nối đất làm việc thành hệ thống Điện trở nối đất hệ thống: 𝑅𝐻𝑇 =𝑅𝑁𝑇 //𝑅𝑇𝑁 Trong đó: RTN: điện trở nối đất tự nhiên RNT: điện trở nối đất nhân tạo (RNT ≤ 1Ω) • Nối đất tự nhiên: Trong phạm vi đề tài ta xét nối đất tự nhiên trạm hệ thống chống sét đường dây cột điện 110kV 220kV tới trạm Ta có cơng thức tính tốn sau: 𝑅𝐶 𝑛 𝑅 1 +√ 𝐶 + 𝑅𝐶𝑆 𝑅𝑇𝑁 = Trong đó: n : số lộ đường dây có treo dây chống sét Rc: điện trở nối đất cột điện : điện trở dây chống sét khoảng vượt 𝑅𝑐𝑠=𝑟0.𝑁𝑙𝐾𝑉 N : số dây chống sét lộ • Nối đất nhân tạo: Xét trường hợp đơn giản trường hợp điện cực hình bán cầu Dịng điện chạm đất I qua điểm cố tạo nên điện áp giáng phận nối đất U = I.R (2 - 5) Với R điện trở tản nối đất Theo tính tốn xác định phân bố điện áp mặt đất theo công thức:r 𝐼.𝜌 Ur=2𝜋𝑟 (2 – 6) Trong thực tế nối đất có hình thức cọc dài 3m sắt tròn hay sắt góc chơn thẳng đứng: dài chơn nằm ngang độ sâu 0,5 0,8m đặt theo hình tia mạch vịng hình thức tổ hợp hình thức Trị số điện trở tản hình thức nối đất cọc xác định theo công thức cho trước Đối với nối đất chơn nằm ngang dùng cơng thức chung để tính trị số điện trở tản xoay chiều: RMV tt K L2 mv = ln 2. L d t (2-5) Trong đó: L : Chu vi mạch vịng (m) t : Độ chôn sâu làm mạch vịng (m) tt : Điện trở suất tính tốn đất làm mạch vịng chơn độ sâu t mv 30 d b : Đường kính làm mạch vịng (nếu dẹt có bề rộng b d = ) K : Hệ số phụ thuộc vào tỷ số l1 Giá trị k = l2 l f cho bảng đồ thị: l2 Bảng Bảng giá trị hệ số hình dạng K 𝑙1 /𝑙2 K 5,53 1,5 5,81 6,42 8,17 10,4 Hình Đồ thị giá trị hệ số hình dạng K Trong vùng đất dẫn điện kém, điện trở suất đất cao, hệ thống nối đất kích thước nhỏ, trị số điện trở nối đất an tồn mạch vịng khơng đạt u cầu: - Cần bổ sung cọc dọc theo mạch vịng (chọn kích thước cọc, độ chơn sâu) - Tính điện trở nối đất cọc - Tính điện trở tản hệ thống mạch vịng – cọc Khi đó: RNT = Rt RC RC t + n.Rt C Với n : số cọc t : hệ số sử dụng tia dài mạch vòng C : hệ số sử dụng cọc 31 (2-6) 2.2.2 Tính tốn • Nối đất tự nhiên Đường dây 220kV: lộ đường dây, lộ treo dây chống sét, dây loại C-70 có r0 = 2,38 / km , chiều dài khoảng vượt lKV = 210 (m) Điện trở dây chống sét khoảng vượt: RCS = ro.lKV = 2,38.210.10−3 = 0,5 (Ω) Điện trở tự nhiên phía 220kV 𝑅𝑇𝑁 = 𝑛 𝑅𝐶 𝑅 1 +√ 𝐶 + 𝑅𝐶𝑆 15 =5 15 +√ + 0,5 = 0,5 (Ω) Đường dây 110kV: lộ đường dây, lộ treo dây chống sét, dây loại C-70 có r0 = 2,38 / km , chiều dài khoảng vượt lKV = 210 (m) Điện trở dây chống sét khoảng vượt: - RCS = ro.lKV = 2,38.210.10−3 = 0,5 (Ω) Điện trở tự nhiên phía 110kV: 𝑅𝑇𝑁 = 𝑛 𝑅𝐶 𝑅 1 +√ 𝐶 + 𝑅𝐶𝑆 = 15 15 +√ + 0,5 = 0,278 (Ω) Vậy điện trở nối đất tự nhiên tất đường dây 220kV 110kV: 𝑅𝑇𝑁110𝑘𝑉 𝑅𝑇𝑁 = 𝑅𝑅𝑇𝑁220𝑘𝑉.+𝑅 = 0,5.0,278 = 0,179 (Ω) 0,5.0,278 𝑇𝑁220𝑘𝑉 𝑇𝑁110𝑘𝑉 Nhận xét: RTN < 0,5về mặt lý thuyết đạt yêu cầu nối đất an tồn Tuy nhiên nối đất tự nhiên xảy biến động, ta cần phải nối đất nhân tạo • Nối đất nhân tạo Sử dụng sơ đồ mạch vịng, dùng loại dẹt có tiết diện hình chữ nhật (40x5mm), chơn sâu 0,8m chơn lùi vào cạnh 0,5m cách tường rào trạm Với trạm bảo vệ hình chữ nhật có kích thước 190,1m x 154,6m Ta có kích thước mạch vịng: 𝑙1 = 190,1m 𝑙2 = 154,6m Chu vi mạch vòng: L = 2(𝑙1 + 𝑙2 ) = (190,1 + 154,6) = 689,4 Đường kính làm mạch vòng: d = b 0, 04 = = 0, 02(m) 2 𝑡𝑡 𝑚𝑣 Điện trở suất tính tốn: 𝜌𝑚𝑣 = 𝜌đ𝑜 𝐾𝑚𝑠 = 76.1,6 = 121,6 (Ω) 32 𝑙 190,1 Có 𝑙1 = 154,6 = 1,23 , suy hệ số hình dạng từ đồ thị quan hệ K = f (l1 / l2 ) Hình 9, kết hợp Bảng nội suy, ta được: K = 5,53−5,81 1−1,5 1,23 + 1.5,81−1,5.5,53 1−1,5 = 5,66 Điện trở nối đất mạch vòng: Ta thấy RMV = 0,529 Ω < Ω, khơng cần đóng thêm cọc bổ sung • Điện trở nối đất hệ thống: Kết luận: Điện trở nối đất hệ thống thỏa mãn bé 0,5 Ω Hệ thống thiết kế nối đất đảm bảo an toàn cho TBA 220/110kV 2.3 Nối đất chống sét 2.3.1 Lý thuyết Hai trình đồng thời xảy có dịng điện tản đất: - Quá trình độ phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực - Quá trình phóng điện đất Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung) khơng cần xét q trình q độ mà cần xét q trình phóng điện đất Ngược lại nối đất dùng hình thức tia dài mạch vịng (phân bố dài) đồng thời phải xem xét đến hai trình, chúng có tác dụng khác hiệu nối đất Điện trở tản xung kích nối đất tập trung: Qua nghiên cứu tính tốn người ta thấy điện trở tản xung kích khơng phụ thuộc vào kích thước hình học điện cực mà quy định biên độ dòng điện I, điện trở suất đặc tính xung kích đất Vì trị số điện trở tản xoay chiều nối đất tỉ lệ với nên hệ số xung kích có trị số là: xk = Rxk = R I (2-7) Tính tốn nối đất phân bố dài khơng xét tới q trình phóng điện đất, sơ đồ đẳng trị nối đất thể sau: 33 Hình Sơ đồ đẳng trị hệ thống nối đất Trong trường hợp bỏ qua điện trở tác dụng R bé so với trị số điện trở tản, đồng thời khơng cần xét đến phần điện dung C trường hợp sóng xung kích, dịng điện dung nhỏ so với dòng điện qua điện trở tản Lúc sơ đồ đẳng trị có dạng thu gọn sau: 34 Hình Sơ đồ đẳng trị thu gọn Trong sơ đồ thay trên: L0: điện cảm điện cực đơn vị dài G0: điện dẫn điện cực đơn vị dài l H L0 = 0, ln − 0,31 ( ) m r 1 G0 = ( ) 2.l.RMV m (2-8) (2-9) Với: l : chiều dài điện cực r : bán kính điện cực, điện cực thép dẹt có bề rộng b (m) r = b Gọi Z ( x, t ) điện trở xung kích nối đất kéo dài, hàm số khơng gian thời gian t Z ( x, t ) = U ( x, t ) I ( x, t ) (2-10) U ( x, t ) , I ( x, t ) dòng điện điện áp xác định từ hệ phương trình vi phân: i ( x) u ( x) − = L x t − i ( x) = G u ( x) x (2-11) Giải (2-12) ta điện áp điểm thời điểm t điện cực: t n − a 1 k x Tk u ( x, t ) = t + 2T1 1 − e cos l G0 l k =1 k Tổng trở xung kích: t − u ( x, t ) 2T1 n k x Tk Z ( x, t ) = = − e cos 1 + l i( x, t ) G0 l t k =1 k Điện áp lớn hệ thống nối đất với ( x = 0, t = ds ): (2-12) (2-13) n − ds u ( x, t ) a 1 k x ds + 2T1 1 − e Tk cos U (0, ds ) = = (2-14) l i( x, t ) G0 l k =1 k Suy tổng trở xung kích đầu vào đất có giá trị lớn ứng với ( x = 0, t = ds ): − ds 2T1 n 1 + Z (0, ds ) = 1 − e Tk G0 l ds k =1 k 35 (2-15) T L0 G0 l L0 G0 l Với Tk = 2 số thời gian, đặt T1 = Ta có: Tk = 12 k k Tính tốn nối đất phân bố dài có xét q trình phóng điện đất: Việc giảm điện áp mật độ dòng điện phần xa điện cực làm cho q trình phóng điện đất nơi có yếu so với đầu vào nối đất Do điện dẫn nối đất (trong sơ đồ đẳng trị) phụ thuộc vào I, mà phụ thuộc vào toạ độ Việc tính tốn tổng trở phức tạp giải phương pháp gần đúng.Ở phạm vi đề tài ta bỏ qua q trình phóng điện đất Đối với TBA 220/110kV có dịng điện sét vào hệ thống nối đất dịng điện sét I vào phải thỏa mãn điều kiện: (2-16) U d = Z (0, ds ).I U 50% MBA Trong đó: I : Biên độ dòng điện sét Z (0, ds ) : Tổng trở xung kích đầu vào nối đất U 50%MBA : Trị số điện áp phóng điện xung kích nhỏ MBA Đối với MBA 110kV, U50% MBA = 460kV Đối với MBA 220kV, U50% MBA = 900kV Vậy điều kiện nối đất chống sét cho toàn trạm 220/110kV U d U 50% MBA = 460kV 2.3.2 Tính tốn Khi thiết kế nối đất chống sét cho trạm biến áp 220/110kV thực nối đất chống sét nối chung với nối đất an toàn Do nối đất chống sét nối đất phân bố dài dạng mạch vòng Sơ đồ thay chống sét Hình 14 Chiều dài điện cực: Bán kính điện cực: r = b 0, 04 = = 0, 02(m) 2 Điện cảm điện cực đơn vị dài: Điện trở suất tính tốn: Với hệ số hình dạng K=5,66 tính tốn trước đó, ta tính điện trở mạch vịng: Điện dẫn điện cực đơn vị dài: dài: Chọn dạng sóng xiên góc dịng điện sét có biên độ không đổi: t ds at Is = t ds I = a. ds 36 I s (t ) I = a. ds ds Hình Đồ thị dạng sóng dịng sét t (s) Với biên độ dòng điện sét I = 150(kA) Thời gian đầu sóng ds = 5 s Độ dốc dòng sét a = I ds = 150 = 30(kA / s ) Theo cơng thức (2-15) ta có tổng trở xung kích hệ thống nối đất nhân tạo: − ds 2T1 n 1 + Z (0, ds ) = 1 − e Tk G0 l ds k =1 k Do coi mạch vòng ghép song song hai tia nên − ds 2T1 n 1 + Z (0, ds ) = 1 − e Tk 2G0 l ds k =1 k Để xác định Z (0, ds ) , ta xét chuỗi số sau: k Chuỗi số: k =1 k = e − 1 + + + + 2 k − ds TK = ds T1 − ds T2 − ds e e e TK + + + + 12 22 k2 k =1 Chuỗi số: Trong chuỗi số ta xét đến số hạng chứa e-4 (từ số hạng e-5 trở có giá trị nhỏ so với số hạng trước nên ta bỏ qua) Tức ta tính đến k cho: ds với Tk (k Z+ ) Ta có: ds Tk = ds T1 k2 k2 4.T1 ds k T1 ds Với: 37 Có 𝑘𝑚𝑖𝑛 = Ta chọn k khoảng từ 18 ( k Z + ) − ds Tk k2 L G l2 Tk = 2 k − ds Tk 79.48075 19.87018 8.831194 4.967546 3.179230 2.207798 1.622056 -0.06291 -0.25163 -0.56617 -1.00653 -1.57271 -2.26470 -3.08251 0.93903 0.77753 0.56769 0.36548 0.20748 0.10386 0.04584 0.93903 0.19438 0.06308 0.02284 0.00830 0.00289 0.00094 1.241886 -4.02613 0.01784 0.00028 k k 16 25 36 0.25 0.11111 0.0625 0.04 0.02778 49 0.02041 64 0.015625 1.52742 e − ds Tk e k2 1.23173 Tổng trở xung kích đầu vào đất: Khi đó: Kiểm tra q điện áp thiết bị: Trong trạm biến áp phần tử quan trọng máy biến áp, phần tử yếu nên ta cần kiểm tra với máy biến áp Đối với trạm biến áp có dịng điện sét vào nối đất để đảm bảo an toàn phải thoả mãn điều kiện: Uđ=I ZXK(0, đs) < U50%MBA I : biên độ dịng điện sét ZXK(0, đs): tổng trở xung kích đầu vào nối đất dòng điện sét U50% MBA : điện áp 50% 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 ta thấy: 𝑈𝑑 = 𝐼 (0, 𝜏đ𝑠) = 648 (𝑘𝑉) > 𝑈50%𝑀𝐵𝐴 = 460 (𝑘𝑉) Ta thấy phương án nối đất mạch vòng nhân tạo chưa đảm bảo yêu cầu nối đất chống sét Vì ta phải tiến hành nối đất bổ sung để đảm bảo khơng có phóng điện ngược Trong đó: 38 2.4 Nối đất bổ sung Để giảm điện trở nối đất đồng thời đảm bảo tiêu chuẩn theo yêu cầu nối đất chống sét ta sử dụng dạng nối đất tập trung chân cột thu sét, gồm: a a l l/2 t'=t+l/2 t - thép dài 6m, dẹt, 40x5mm, - cọc thép dài 3m, cọc trịn đường kính 0,04m - Chơn sâu cách mặt đất 0,8m Sơ đồ nối đất bổ sung: Hình Sơ đồ nối đất bổ sung Điện trở nối đất bổ sung hệ thống tính theo cơng thức: RBS = Với: RT RC RC t + n.RT C RC : điện trở tản cọc RT : điện trở tản n : số cọc T : hệ số sử dụng C : hệ số sử dụng cọc 39 (2-17) • Tính tốn điện trở RT = Ttt Kl ln T 2 lT d t (2-18) Trong đó: lT : Chiều dài thanh, lT = 6m t : Độ chôn sâu thanh, t = 0,8m d : Đường kính làm tia Do dẹt rộng b = 0, 04m => d = b = 0, 02m mv Ttt : Điện trở suất tính tốn đất làm tia chôn độ sâu t , Ttt = K ms , mv = 1, 25 dùng chơn sâu 0,8m K ms Vậy: K : Hệ số hình dáng, nối đất tia ngang nên lấy K = Thay giá trị vào cơng thức (2-18), ta được: • Tính điện trở nối đất cọc: tt 2l 4t '+ lcoc RC = coc ln coc + ln 2 lcoc d 4t '− lcoc (2-19) Trong đó: lcoc : Chiều dài cọc, lcoc = 3m chọn d : Đường kính cọc, d = 0, 04m tt tt mv coc = K ms : Điện trở tính tốn đất cọc, coc , dùng cọc dài 2-3 m chơn sâu mv = 1,15 0,8 m K ms Vậy Độ chôn sâu cọc: t = 0,8m Giá trị t ' = t + lcoc = 0,8 + = 2,3(m) 2 40 Tính điện trở tản cọc từ (2-19): • Xác định hệ số T ,C Với khoảng cách cọc a = 3m , chiều dài cọc l = 3m Có a / l = 1, tra sổ tay thu T = 0, 77 , C = 0, 79 Số cọc: n = • Điện trở nối đất bổ sung: Tổng trở hệ thống nối đất có nối đất bổ sung: Sử dụng phép tốn tử Laplace ta tìm cơng thức tính tổng trở xung kích hệ thống nối đất chống sét sau: x ds Tk Z (0, ds ) BS n − k RBS RNTS RNTS = + e RBS + RNTS k =1 RNTS + RBS cos xk (2-20) = A+ B Do nối đất nhân tạo chống sét mạch vòng nên:𝑅𝑁𝑇𝑆 = 𝑅𝑀𝑉 = 0,415(Ω) (Tính phần 2.3.2.) Với: x − k ds Tk n B= k =1 RNTS RNTS + RBS cos xk e Biết: Thời gian đầu sóng ds = 5 s Với X k nghiệm phương trình: 41 Giải phương trình phương pháp đồ thị ta thu Hình Đồ thị xác định nghiệm phương trình tgX k = −0,0618 X k K Xk CosXk 2,983 -0,9875 5,973 0,9523 8,976 -0,9010 11,994 0,8406 15,029 -0,7782 18,079 0,7175 21,142 -0,6606 24,217 0,6092 Bảng Tính cos xk x − k ds Tk n Ta có kết tính chuỗi B = k =1 2,983 xk 1,02558 cos xk RNTS + RBS cos xk x − k ds Tk e x − k ds Tk Bk = RNTS RNTS + RBS cos xk e RNTS RNTS + RBS cos xk 5,973 1,10274 e 8,976 1,23189 sau: 11,994 15,029 18,079 21,142 24,217 1,41515 1,65117 1,94235 2,29136 2,69449 1,70487 1,99605 2,34506 2,74819 1,07928 1,15644 1,28559 1,46885 0,94481 0,40231 0,00979 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,72659 0,28875 0,00632 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 42 x − k ds Tk 1,02165 n B= k =1 RNTS RNTS + RBS cos xk e = Vậy ta tính được: (0, 𝜏d𝑠) = 𝐴 + 𝐵 = 0,394 + 1,02165= 1,41565 (Ω) Điện áp có dịng điện vào nối đất thời điểm t = ds (thời điểm dòng điện sét đạt giá trị cực đại) là: 𝑈đ = 𝐼 (0, 𝜏đ𝑠) = 150 1,41565 = 212,3 (𝑘𝑉) < 𝑈50%𝑀𝐵𝐴 = 460 (𝑘𝑉) Vì giá trị U d U 50% MBA nên hệ thống nối đất bổ sung đảm bảo yêu cầu nối đất chống sét • Kết luận: Sau thực nối đất bổ sung cho cột thu sét ta thấy hệ thống nối đất có nối đất bổ sung đạt tiêu chuẩn kỹ thuật nối đất chống sét cho trạm biến áp 220/110 kV 2 43 44