TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
BÀI TẬP DÀI
Thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếptrạm biến áp và tính toán bảo vệ chống
sóng quá điện áp khí quyển
Trang 2Nguyễn Thế Anh - 20181081 Kĩ thuật điện cao áp
- Điện ttở suất của đất troing khu vực TB A- Điện trở nối đất cột điện
- Khoảng vượt các đường dây2 Sổ liệu về sóng tói
- Sóng truyền từ một đường dây
- Tính vởỉ một sống tới cố các tham số sau
o Biên độ sổng o Thời gian
cùa chống sét van Ư = A.I“
là khoảng cách từ TG - MBA và từ CSV đến thanh góp, CSV đặt trên thanh góp vớiH.Nhiệm vụ của sinh viên
I Thiết kế hệ thống bảo vệ chổng sét đánh trực tiếp cho trạm biến ápa.Thiết kế hệ thống thu sét
b.Thiết kế hệ thống nối của trạm biến áp
2 Tính toán bảo vệ chổng sóng quá điện áp khí quyển lan truyền từ đường dây vào ttạm
Ngày giao nhiệm vụNgày nộp bài tập dài: Thể thức nộp fiile BTD
Tên file pdf với tên như sau:
11 tháng 10 năm 2021.Trước khi thi ĩ tuân
Gửi bài trên TEAM vào thư mục Bai tap dai KTĐ CA 3-Nguyễn Thế Anh 20181081 BTD KTĐ CA.pdf)
Trang 3Giảng viên: TRẦN VĂN TỚPEMAIL : top,tranvan@hust.edu.vn
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
Trang 4Lòi cảm o n
Trong thời gian học tập cũng như thời gian thực hiện bài tập dài em luôn nhận được sự chỉ bảo, động viên, hướng dẫn tận tình của thầy giáo Trần Văn Tớp đã giúp em hoàn thành bài tập này Cũng từ bài tập dài em có cơ hội được biết thêm nhiều thiết bị cũng như lịch sử của ngàng điện mình Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy.
Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên
Nguyễn Thế Anh
Trang 51.1.2 Nguyên tắc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 1
1.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh trực tiếp 2
1.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét 2
1.3.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét 2
1.3.2 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét 6
1.4 Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ 7
1.5 Tính toán các phương án chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 8
2.2 Các yêu cầu kĩ thuật 20
2.3 Lý thuyết tính toán nối đất 21
2.3.1 Tính toán nối đất an toàn 21 Hình 1-1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét 3
Hình 1-2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét giống nhau 4
Hình 1-3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét khác nhau 5
Hình 1-4 Phạm vi bảo vệ của nhóm cột 5
Trang 6Hình 1-5 Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét 6
Hình 1-6 Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét 7
Hình 1-7 Sơ đồ nối điện chính trạm biến áp 7
Hình 2-5 Sơ đồ nối đất của thanh vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm 29
Hình 2-6 Sơ đồ nối đất bổ sung 32
Hình 2-7 Sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất 33
Trang 7DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Độ cao hữu ích của cột thu lôi phương ánl 10
Bảng 1.2 Bán kính bảo vệ của cột thu sét phương án 1 12
Bảng 1.3 Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét phương án 1 12
Bảng 1.4 Bán kính bảo vệ của cột thu sét phương án 2 16
Bảng 1.5 Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét phương án 2 17
Trang 8CHƯƠNG 1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHÔNG SÉT ĐÁNHTRỰC TIẾP CHO TRẠM BIỂN ÁP
1.1 Mở đầu
1.1.1 Phóng điện sét
Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện đường dây và trạm biến áp là một thể thống nhất Trong đó trạm biến áp là một phần tử hết sức quan trọng, nó thực hiện nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng Khi các thiết bị của ữạm bị sét đánh trực tiếp sẽ dẫn đến những hậu quả rất nghiêm trọng không những làm hỏng các thiết bị trong trạm mà còn có thể dẫn đến việc ngừng cung cấp điện trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc sản suất điện năng và các ngành kinh tế quốc dân khác Do vậy việc tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp đặt ngoài trời là rất quan trọng Qua đó ta có thể đưa ra những phương án bảo vệ trạm một cách an toàn và kinh tế nhằm đảm bảo toàn bộ thiết bị trong trạm được bảo vệ chống sét đánh trực tiếp [1]
Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp dựa trên những hiểu biết về tương tác giữ phóng điện sét với công trình cần bảo vệ Phóng điện sét là khoảng cách rất lớn
Tia tiên đạo phát triển đến gần mặt đất, cường độ điện trường ttong vùng phía trước tia tiên đạo với mặt đất gia tăng rất đáng kể các tia tiên đạo phát triển hướng về phía mặt đất Ở trên mặt đất, những công trình được nối đất tốt độ cao lớn điện trường tập trung sẽ phát triển phóng điện ngược về phía trên Hai tia gặp nhau sẽ xuất hiện phóng điện
Phóng điện sét có tính chất chọn lọc : Sét đánh vào công trình có độ cao và các vật nối đất tốt có xác suất cao hơn so với các công trình thấp hơn ở xung quanh
Ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào các thiết bị trong trạm ta cũng phải chú ý đến việc bảo vệ cho các đoạn đường dây gần trạm và đoạn đây dẫn nối từ xà cuối cùng của trạm ra cột đầu tiên của đường dây.
1.1.2 Nguyên tắc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
Định hướng chính xác phóng điện sét đến những điểm định trước trên mặt đất Tránh phóng điện sét gây nên quá điện áp lớn và nhiệt lớn do dòng điện sét đi qua có thế gây nguy hiểm cho công trình.
Để bảo vệ con người và các công trình nhà cửa, công trình xây dựng chống sét đánh trực tiếp có thể lắp đặt các kim thu sét trên các cột cao (cột thu sét), dây thu sét hoặc lưới thu sét có nhiệm vụ thu hút phóng điển sét.
Sau khi phóng điện sét qua cột thu lôi phải được tản vào đất một cách an toàn Nếu không có thể gây phóng điện ngược từ các kim thu sét sang phần dẫn điện các thiết bị khác Hệ thống bảo vệ chống sét hiệu quả phải thu hút được phóng điện sét và phải tản dòng điện sét vào đất an toàn tránh hiệu ứng phụ do sét gây nên.
Cột thu lôi hay cột chống sét là một thanh kim loại hoặc vật bằng kim loại được gắn trên đỉnh của một tòa nhà, điện ngoại quan bằng cách sử dụng một dây dẫn điện để giao tiếp với mặt đất hoặc "đất" thông qua một điện cực, thiết kế để bảo vệ tòa nhà trong trường hợp sét tấn công Sét sẽ đánh xuống mục tiêu là công trình xây dựng và sẽ đánh vào cột thu lôi rồi được truyền xuống mặt đất thông qua dây dẫn, thay vì đi qua tòa nhà, nơi nó có thể bắt đầu một đám cháy hoặc giật điện gây ra Đây là một công cụ rất hữu ích với con người, có thể giúp chúng ta giảm thiểu nguy cơ từ sét.
Dây chống sét là dây dẫn phụ mắc phía trên dây dẫn chính của đường dây tải điện
Trang 9trên không để bảo vệ cho đường dây khỏi bị sét đánh trực tiếp Dây chống sét được nối đất ở mỗi cột (nối trực tiếp hoặc qua khe phóng điện), thường làm bằng dây thép mạ kẽm tiết diện từ 50 đến 70 mm2 Ở các đường dây 110 kv trở lên cột kim loại dây chống sét thường mắc suốt dọc tuyến đường dây, còn ở các đường dây điện áp thấp hơn dây chống sét chỉ mắc ở đoạn gần vào ttạm hoặc nhà máy [2]
1.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh trực tiếp
a) Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải được nằm trọn trong phạm vi an toàn của hệ thống bảo vệ Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp mà hệ thống các cột thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn của công trình như xà, cột đèn chiếu sáng hoặc được đặt độc lập.
Khi đặt hệ thống cột thu sét trên bản thân công trình, sẽ tận dụng được độ cao vốn có của công ttình nên sẽ giảm được độ cao của hệ thống thu sét Tuy nhiên điều kiện đặt hệ thống thu sét trên các công trình mang điện là phải đảm bảo mức cách điện cao và ttị số điện trở tản của bộ phận nối đất bé.
Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110 kv trở lên do có cách điện cao (khoảng cách các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể đặt cột thu sét trôn các kết cấu của trạm Tuy nhiên các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối Theo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện is khuyếch tán vào đất theo 3- 4 cọc nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất nhằm đảm bảo điện trở không quá 4Q.
Nơi yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời điện áp 110 kv trở lên là cuộn dây MBA Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ MBA thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA theo đường điện phải lớn hơn 15m.
Khi đặt cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình phải có khoảng cách nhất định, nếu khoảng cách này quá bé thì sẽ có phóng điện trong không khí và đất b) Phần dẫn điện của hệ thống thu sét có phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo thoả mãn
điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua.
1.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét1.3.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét
• • •
a) Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi công thức.
Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vỉ bảo vệ dạng dạng đơn giản hoá với đường sinh của hình chóp có dạng đường gãy khúc được biểu diễn như hình vẽ 1.1 dưới đây.
Trang 10Đán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau được tính toán theo công thức sau
Nếu hx < ịh thì rx = 1,5A (1 — -777) PT 1.2
Nếu hx > ịh thìrx = 0,75/ỉ(l - PT13
Hình 1-1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét
Các công thức trên chỉ đúng với cột thu sét cao dưới 30m Hiệu quả của cột thu sét cao quá 30m có giảm sút do độ cao định hướng của sét giữ hằng số Khi tính toán phải nhân với hệ số hiệu chỉnh p = và trên hình vẽ dùng các hoành độ 0,75hp và l,5hp.
b) Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm vỉ bảo vệ của hai cột đơn Để hai cột thu sét có thể phối hợp được thì
Trang 11khoảng cách a giữa hai cột thì phải thoả mãn điều kiện a < 7h (h là chiều cao của cột).
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cách a (a < 7h) thì độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét ho được tính như sau:
Tính rox:
Chú ý: Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì ngoài các hiệu chỉnh như trong phần chú ý của mục 1 thì còn phải tính ho theo công thức:
c) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau
Giả sử có hai cột thu sét: cột 1 có chiều cao hl, cột 2 có chiều cao h2 và Hai cột cách nhau một khoảng là a.
Trước tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao hi, sau đó qua đỉnh cột thấp 112 vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao tại điểm 3 Điểm này được xem là đỉnh của cột thu sét giả định, nó sẽ cùng với cột thấp 112, hình thành đôi cột ở độ cao bằng nhau và bằng 112 với khoảng cách là a’ Phần còn lại giống phạm vi bảo
vệ của cột 1 với a'-a-x
Trang 12Hình 1-3 Phạm vỉ 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 hình thành 1 đa giác và phạm vi bảo vệ được xác định bởi toàn bộ miền đa giác và phần giới hạn bao ngoài giống như của từng đôi cột
Hình 1-4 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:
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.
Trên thực tế khó tùn được vòng tròn đi qua các đỉnh với 4, 5, 6 đỉnh Do đó người ta chia thành các nhóm cột tam giác hoặc tứ giác qua đó xác định được D.
Đối tượng bảo vệ trong trạm biến áp là máy biện áp, độ cao nhất trên máy biến áp là cách điện xuyên; đối với máy cắt, dao cách ly, biến dòng, biến áp đều như vậy Độ cao trong trạm biến áp thường lấy độ cao thanh góp, thanh góp có độ cao lớn nhất nên nếu bảo vệ được thanh góp thì cũng bảo vệ được các thiết bị bên dưới.
1.3.2 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét
a) Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét
Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng Chiều rộng của phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như hình vẽ.
Trang 13Hình 1-5 Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét
Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta có các
b) Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét
Một số đường dây tải điện trôn không treo một dây chống sét không đảm bảo, ví dụ như đường dây tải điện bố trí hình PI.
Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữa hai dây thu sét phải thoả mãn điều kiện s < 4h.
Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao.
Trang 14=h Phạm vi bảo vệ như hình vẽ.
Hình 1-6 Phạm vỉ bảo vệ của hai dây thu sét
Phần ngoài của phạm vỉ bảo vệ gỉổng của một dây còn phần bên trong được giới
hạn bởỉ vòng cung đỉ qua 3 điểm là hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao h0 = h —
NUMBER & STUDENT ID HIGH VOLATGE ENGINEERING EXERCISE NUMBER: 3 MAIN ELECTRICAL CONNECTION DIAGRAM STUDENT ID: 20181081NAME: NGUYEN THE ANH
Hình 1-7 Sơ đồ noi điện chính trạm biến áp
Trang 15Độ cao xà đón dây 220 kV: 17,1 m; độ cao xà thanh góp 220 kV: 10,8 m Độ cao xà đón dây 110 kV: 11,4 m; độ cao xà thanh góp 110 kV: 8,1 m Khoảng cách pha phía 220 kV: 4,25 m; phía 110 kV: 2,7 m
Khoảng cách sân phía điện áp cao và điện áp thấp: 32 m
Trang 16Hình 1 -8 Sơ đồ mặt bằng đầy đủ
1.5Tính toán các phương án chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp1.5.1 Phưong án 1
- Phía 220 kv dùng 12 cột trong đó cột 14-4 được đặt trên xà đón dây cao 17, Im; cột 5-ỉ-12 được đặt trên xà thanh góp cao 10,8m.
- Phía 110 kv dùng 15 cột trong đó cột 134-17, 184-22 được đặt trên xà thanh góp cao 8,1 m; cột 234-27 được đặt trên xà đón dây cao 11,4 m.
Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kv là hx = 17,1 m và hx = 10,8 m Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kv là hx = 11,4 m và hx = 8,1 m.
NUMBER & STUDENT ID HIGH VOLATGE ENGINEERING EXERCISE
STUDENT ID: 20181081NAME: NGUYEN THE ANH
ĐD5 ĐD6 ĐD7 ĐD8157.6
Trang 17STUDENT ID: 20181081NAME: NGUYEN THE ANH
Hình 1-9 Sơ đồ bố trí cột thu sét PAỈ1,5.1.1, Tính toán độ cao hữu ích cửa cột thu lôi
Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi tam giác hoặc tứ giác nào đó thì độ cao cột thu lôi phải thỏa mãn:
D < %.ha hay ha >
8 Trong đó
D' đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ giác.ha', độ cao hữu ích của cột thu lôi.
Phạm vỉ bảo vệ của 2 hay nhiều cột bao giờ cũng lớn hơn phạm vỉ bảo vệ của 1 cột Đỉều kiện để hai cột thu lôỉ phốỉ hợp được vớỉ nhau là
a < 7A
Với a: khoảng cách giữa 2 cột thu sét.
/i: chiều cao toàn bộ cột thu sét.
Xét nhóm cột 1-2-6-5 tạo thành hình chữ nhật: ai-2 = 51 m ; ai-5 = 42 mHình chữ nhật có đường chéo là: D = Ạ/512 + 422 = 66,07(771)
Trang 18Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi : ha > = 8,26(771)
Xét nhóm cột 10, 11, 15 tạo thành hình tam giác đo được các kích thước như sau:
b = «15-11 = 33,24(771)
c = «11-10 = 51(TTI)
Nửa chu vi tam giác là: p = -Y -= 67,19(m)
Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác là:
Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại, ta có bảng kết quả sau:
Bảng 1.1 Độ cao hữu ích của cột thu lôi phương án 1
tròn ngoại tiếp (m) ha(m)
1.5.1.2 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:
Vậy ta chọn ha = 8,2 m chung cho cả 2 phía từ đó tính độ cao của cột thu sét h = ha + hx
Trang 19Do đó, độ cao các cột thu sét phía 1 lOkV là: h = ha + hx = 8,3 + 11,4 = 19,6 (m).
1.5.1.3 Bán kính bảo vệ của một cột thu sét ở các độ cao bảo vệ tương ứng
Bán kính bảo vệ của các cột 19,6 m (các cột NI3-ỉ- N27 phía llOkV)
1.5.1.4 Tính phạm vi phối hợp bảo vệ của các cột thu sét
- Xét 1 cặp cột có độ cao giống nhau h =25,3m ví dụ cặp cột 1-2 có: a = 51 m và h = 25,3m
Độ cao lớn nhất của khu vực cần bảo vệ giữa hai cột thu sét là: h0 = h - Ệ = 25,3 - y =
Trang 20Phạm vi bảo vệ của hai cột 9’ và 13 là:
Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:
Tính toán tương tự cho các cặp cột còn lại ta có bảng:
Bảng 1.3 Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét phương án 1
Cặp cộtahi(m)h2<m) ho(m)hxihx2roxiT0x2 1-2,2-3,3-4 51 25,4 25,4 18,11 17,1 10,8 0,76 6,92
Trang 221.5.2 Phương án 2
- Phía 220 kv dùng 12 cột trong đó cột 1 -ỉ-4 được đặt trên xà đón dây cao 17,Im; cột 54-12 được đặt trên xà thanh góp cao 10,8m,
- Phía 110 kv dùng 15 cột trong đó cột 13-ỉ-17, 184-22 được đặt trên xà thanh góp cao 8,1 m; cột 234-27 được đặt trên xà đón dây cao 11,4 m,
Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kv là hx = 17,1 m và hx = 10,8 m Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kv là hx = 11,4 m và hx = 8,1 m,
STUDENT ID: 20181081NAME: NGUYEN THE ANH
Hình 1-11 Sơ đồ bố trí cột thu sét phương án 21.5.2.5 Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi
Tính toán tương tự phương án 1 ta có:
tròn ngoại tiếp (m) ha(m)
Trang 23I.5.2.6 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:
Vậy ta chọn ha = 8,3 m chung cho cả 2 phía từ đó tính độ cao của cột thu sét, h =
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 1 lOkV là: h = ha + hx = 8,3 + 11,4 = 19,7 (m),
1.5.2.7 Bán kính bảo vệ của một cột thu sét ở các độ cao bảo vệ tưcmg ứng
Bán kính bảo vệ của các cột 19,7 m (các cột NI3-ỉ- N27 phía HOkV)