Hình 1: Sơ đồ mặt bằng trạm phân phối bố trí cột thu lôiIII.Nội dung thực hiệnChương 1: Thiết kế chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến ápChương 2: Thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biế
KHÁI NIỆM CHUNG
Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho công trình thường dùng các hệ thống thu sét – cột thu sét, dây thu sét (gồm bộ phận kim và dây), bộ phận nối đất và các dây dẫn liên hệ hai bộ phận trên với nhau (dây nối đất) Tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét là ở chỗ tập trung điện tích ở đỉnh bộ phận thu sét, tạo nên từ trường lớn nhất giữa nó và đầu tia tiên đạo… Do đó, nó thu hút các phóng điện sét và hình thành khu an toàn ở bên dưới và xung quanh hệ thống sét Ngoài ra, bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trở bé để việc tập trung điện tích cảm ứng phía mặt đất dễ dàng và khi có dòng điện sét đi qua, điện áp trên các bộ phận của hệ thống thu sét sẽ không đủ để gây phóng điện ngược từ nó đến công trình cần bảo vệ.
CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét được xác định như sau
Cột thu sét bảo vệ công trình khỏi sét trong bán kính phủ quanh vị trí lắp đặt, tính theo công thức: rx = h - hx, trong đó h là độ cao của cột thu sét, rx là bán kính phạm vi bảo vệ tại độ cao hx của công trình cần bảo vệ.
Bán kính bảo vệ của cột thu lôi đối với công trình có độ cao hx được xác định như sau:
Với p là hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào chiều cao của cột thu sét
Xác định phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có kích thước lớn hơn rất nhiều so với phạm vi bảo vệ của 1 cột.
Bằng thực nghiệm xác suất 100% phóng điện vào cột chống sét có bán kính r 3,5h (m) Như vậy, khi hai cột thu sét đặt cách nhau một khoảng a = 7h (m) thì mọi điểm trên đường thẳng nối liền giữa hai chân cột sẽ không bị sét đánh, từ đó suy ra rằng nếu hai cột thu sét đặt cách nhau một khoảng a < 7h thì sẽ bảo vệ được độ cao ho
Trong đó: h0 là độ cao giả tưởng của cột thu sét nằm giữa hai cột. a là khoảng cách giữa hai cột.
Hình 1.2: Phạm vi bảo vệ của cột thu sét
Bán kính bảo vệ rox của cột thu sét giả tưởng có độ cao đối với công trình có độ cao hx được tính như sau:
Với p là hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào chiều cao h:
Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét
Khi công trình cần được bảo vệ an toàn chiếm khu vực rộng lớn, nếu phải dùng một vài cột sẽ rất cao gây khó khăn cho thi công, lắp ráp Trong trường hợp này sẽ dùng nhiều cột phối hợp bảo vệ Phần ngoài của phạm vi bảo vệ được xác định như của từng đôi cột Không cần xác định phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét mà chỉ kiểm tra điều kiện bảo vệ an toàn Công trình có độ cao hx nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét có độ cao h sẽ đảm bảo an toàn nếu thỏa mãn điều kiện:
Trong đó: D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét. h là độ cao cột thu sét (m). hx là độ cao công trình cần bảo vệ (m). ha là độ cao hiệu dụng của cột thu sét (m).
Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét
TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG CHO TRẠM PHÂN PHỐI ĐIỆN NGOÀI TRỜI
Bố trí cột thu sét theo mặt bằng
Trong thiết kế chống sét trực tiếp cho trạm phân phối ngoài trời 110 kV, tận dụng mức cách điện cao để đặt cột thu sét trực tiếp trên kết cấu trạm, vừa tiết kiệm chi phí xây dựng vừa đảm bảo khả năng bảo vệ.
Trạm phân phối cần được bảo vệ gồm 2 mạch máy biến áp và 3 mạch đường dây.Trạm dùng hệ thống 2 thanh góp vòng có mạch máy cắt nối.
Trạm có 2 cấp độ cao xà trạm là 9 m và 11 m Do vậy phải yêu cầu xác định vị trí và độ cao cần thiết của cột thu sét để bảo vệ được các xà trạm có độ cao như trên trong phạm vi diện tích của trạm và các thiết bị có độ cao thấp hơn nằm trong phạm vi.
Theo sơ đồ mặt bằng và các số liệu đã cho ta phân bố cột thu sét gồm 9 cột thu sét: CA, CB, CC, CD, CE, CF, CH, CI, CG.
Trong đó: + CA, CB, CC, CD, CE, CF: được bố trí trên bản thân công trình.
+ CH, CI, CG: được bố trí cách ly công trình. b) Hình vẽ sơ đồ trạm 2 thanh góp
Hình 1.4: Sơ đồ mặt bằng trạm
Mạch máy biến áp 110 kV
Mạch máy cắt vòng 110 kV
Mạch máy cắt nối 110 kV
Hình 1.5: Sơ đồ mặt cắt trạm
Dây chống sét Đến cột cuối ĐDK 110 kV
Mạch đường dây 110 kV i Số liệu tính toán
Các số liệu trên mặt bằng phân phối với các độ cao công trình cần được bảo vệ là:
+ hx = 11 m ii Xác định độ cao của cột thu sét 1.4.1.1 Bố trí các cột thu sét đảm bảo yêu cầu kỹ thuật
Theo mặt bằng của trạm phân phối, ta bố trí 9 cột thu sét và kí hiệu trên sơ đồ là
CA, CB, CC, CD, CE, CF, CH, CI, CG.
Trong đó: + CA, CB, CC, CD, CE, CF: được bố trí trên bản thân công trình.
+ CH, CI, CG: được bố trí cách ly công trình.
1.4.1.2 Độ cao cột thu sét Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật như trong tính toán ta chọn độ cao của 9 cột thu sét như sau và có độ cao là h (m).
Đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét
Từ sơ đồ bố trí cột thu sét trên mặt bằng thì đa giác hình thành bởi các cột thu sét được xác định như sau:
Ta sẽ xác định đường kính vòng tròn ngoại tiếp như sau:
+ D1,D2 lần lượt là đường kính vòng tròn ngoại tiếp hình chữ nhật: CACBCECD và CBCCCFCE
+ D3,D4 lần lượt là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác : CDCECH ,
Xác định đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột (D).
2√ p ( p−a) ( p−b ) ( p−c ) a,b,c làđộ dài cạnh của tam giác p = a +b+ 2 c là nửa chu vi của tam giác Nếu tam giác là tam giác vuông hoặc tứ giác hình chữ nhật,hình vuông thì
Xét nhóm cột CACBCECD được xác định như sau : c AB = c DE = 44 (m) c AD = c BE = 44 (m)
D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét
Xét nhóm cột CBCCCFCE được xác định như sau: cBC = cEF = 66 (m) cBE = cCF = 44 (m)
D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét
Nhóm 3 cột này hình thành một tam giác vuông có độ dài các cạnh là : c DE = 44 (m) ; c DH = 68 (m)
D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét
Nhóm 3 cột này hình thành một tam giác có độ dài các cạnh là : c EH= 80,99 (m) ; c HI = 55 (m) ; cEI = √ 68 2 +11 2 = 68,88 (m)
D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét (E), (H),(I) :
Nhóm 3 cột này hình thành một tam giác vuông có độ dài các cạnh là : c EF= 66 (m) ; c FG = 68 (m) ; c EG = √ c EF 2 + c FG 2 = √ 66 2 +68 2 = 94,76 (m)
D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét
Nhóm 3 cột này hình thành một tam giác có độ dài các cạnh là : cEI= 68,88 (m) ; cEG = 94,76 (m) ; cIG = 55 (m)
D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét
Độ cao cột thu sét
Công trình có độ cao hx nằm trong hình chữ nhật sẽ được bảo vệ an toàn khi thỏa mãn nghĩa là:
Vậy độ cao hiệu dụng của cột thu sét thỏa mãn: h a ≥ max {D 1 ; D 2 ; D 3 ; D 4 ; D 5 ; D 6 }
Từ điều kiện trên chọn ha = 12 (m).
Khi đó độ cao cột thu sét được xác định bởi: h – hx = ha⇒ h = ha + hx (1.3.1)
Với các độ cao công trình hx khác nhau sẽ xác định được độ cao cột thu sét khác nhau.
Từ (1.3.1) ứng với độ cao hx xác định được độ cao cột thu sét là:
Trong đó: hx : Độ cao công trình cần được bảo vệ (11 m và 9 m) ha : Độ cao hiệu dụng của cột thu sét
Mặt khác dựa vào bản vẽ mặt bằng trạm phân phối của trạm ta thấy rằng phạm vi bảo vệ giữa hai cột thu sét muốn bảo vệ được cho những xà có độ cao 9 m ở thanh góp vòng thì :
Ta chọn h=h1=h2= 23 (m) a) Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét với:
Bán kính bảo vệ của các cột là r x = 1,5.h.(1 - h x
Bán kính bảo vệ của các cột là r x = 1,5.h.(1 - h x
0,8.h).p = 1,5.21.(1 - 0,8.23 9 ).1 = 17,625 (m) b) Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét với:
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau
Cột thu sét giả tưởng có độ cao h 0 = h - a 7(m)
Trong đó: h 0 là độ cao của cột thu sét giả tưởng a : khoảng cách giữa hai cột
Hình 1.6: Phạm vi bảo vệ giữa 2 cột thu sét
+ Xét cặp cột C A C B : Độ cao cột thu sét giả tưởng giữa hai cột C A C B : h 0AB = h - a 7 = 23 – 44/7 = 16,71 (m) Với h 0AB = 16,71(m), h x = 11(m), ta có h x ¿ 2
3h0AB, p = 1 Bán kính bảo vệ của cột thu giả tưởng giữa hai cột C A C B là : r 0ABx = 1,5.h 0AB.(1 - 0,8 h h x
Do khoảng cách giữa các cặp cột C A C D và cặp cột C C C F bằng nhau nên ta xác định phạm vi bảo vệ giữa hai cột C A C D : Độ cao cột thu sét giả tưởng giữa hai cột C A C D : h 0AD = h - a 7 = 23 – 44/7 = 16,71 (m)
3h0AD , p = 1 Bán kính bảo vệ của cột thu giả tưởng giữa hai cột C A C D là: h 11
Tương tự, ta có bán kính bảo vệ của cột thu sét giả tưởng giữa hai cột C B C E là r 0CFx = 4,44 (m)
+ Xét cặp cột C B C C : Độ cao cột thu sét giả tưởng giữa hai cột C B C C : h 0BC = h - a 7 = 23 – 66/7 = 13,57 (m) Với h 0BC = 13,57(m), h x = 11 (m), ta có h x ¿ 2
3h0BC , p = 1 Bán kính bảo vệ của cột thu giả tưởng giữa hai cột C B C C là r 0BCx = 0,75.h 0BC (1 - h h x
+ Xét cặp cột C D C H và cặp C F C G : Độ cao cột thu sét giả tưởng giữa hai cột C D C H : h 0DH = h - a 7 = 23 – 68/7 = 13,28 (m)
3 h0DH , p = 1 Bán kính bảo vệ của cột thu giả tưởng giữa hai cột C D C H là r 0DHx = 0,75.h 0DH.(1 - h h x
0 DH ).p = 0,75.13,28.(1 - 13,28 11 ).1 = 1,71 (m) Tương tự, ta có bán kính bảo vệ của cột thu sét giả tưởng giữa hai cột C F C G là r 0FGx = 1,71 (m)
+ Xét cặp cột C H C I và cặp cột C I C G Độ cao cột thu sét giả tưởng giữa hai cột C H C I : h 0HI = h - a 7 = 23 – 55/7 = 15,14 (m)
3h0HI , p = 1 Bán kính bảo vệ của cột thu giả tưởng giữa hai cột C H C I là r 0HIx = 0,75.h 0HI.(1 - h h x
+ Do khoảng cách giữa các cặp cột C H C I và cặp cột C I C G bằng nhau nên ta xác định phạm vi bảo vệ giữa hai cột C I C G : r 089x = 3,105 (m)
Bảng 1.1: Bán kính bảo vệ của cột thu gia tưởng có độ cao 23m
Với h x = 9 (m) ; h = 23 (m) tính tương tự ta có :
Bảng 1.2: Bán kính bảo vệ của cột thu gia tưởng có độ cao 23m
Trong khu vực trạm phía thiết bị và đường dây ở cấp điện áp 110 kV, các cột thu sét cao 23m và 21m được lựa chọn Khoảng cách giữa các cột đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo bảo vệ hiệu quả chống sét đánh trực tiếp vào trạm.
Vậy để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng như để thuận lợi cho thi công xây lắp mỹ quan của trạm ta chọn chiều cao các cột chống sét có cấp điện áp 110 kV có độ cao h 23 m
Hình 1.7 Phạm vi bảo vệ các cặp cột thu sét có h x = 9m và 11m
TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
KHÁI NIỆM CHUNG
Tác dụng của nối đất là tản nhanh dòng điện để bảo vệ con người và thiết bị Khi sét đánh hoặc khi cách điện bị hỏng, dòng điện lớn sẽ chạy qua vật dụng và gây nguy hiểm Nối đất sẽ tạo một đường dẫn cho dòng điện chảy xuống đất, giúp giảm điện áp trên các vật được nối đất, đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị.
Trong hệ thống nối đất có ba loại:
- Nối đất an toàn( nối đất bảo vệ)
- Nối đất làm việc: nhiệm vụ của nối đất này là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc của một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã quy định sẵn.
Vai trò của nối đất an toàn là đảm bảo an toàn cho người trong trường hợp cách điện bị hư hỏng Nối đất an toàn được thực hiện bằng cách nối đất mọi bộ phận kim loại thường không mang điện như vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, giá đỡ kim loại, chân sứ Khi cách điện bị hư hỏng, các bộ phận này sẽ có điện thế xuất hiện, nhưng do được nối đất nên giữ được mức điện thế thấp, đảm bảo an toàn cho người tiếp xúc.
- Nối đất chống sét: nhằm tản dòng điện sét trong đất (khi có sét đánh vào cột thu sét hoặc trên đường dây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn…do đó hạn chế được các phóng điện ngược tới công trình cần bảo vệ.
- Ngoài ra , ở các nhà máy điện và trạm biến áp về nguyên tắc là phải tách rời hệ thống nối đất làm việc và an toàn để đề phòng khi dòng điện ngắn mạch lớn( hay dòng điện sét ) đi vào hệ thống nối đất làm việc sẽ không gây điện thế cao trên hệ thống nối đất an toàn Nhưng trong thực tế điều đó khó thực hiện vì nhiều lý do, cho nên thường chỉ dung một hệ thống nối đất để làm hai nhiệm vụ Do đó hệ thống nối đất chung ấy phải thỏa mãn các yêu cầu của các thiết bị, cần có điện trở nối đất bé nhất Điện trở nôi đất của hệ thống này yêu cầu không quá 0,5Ω.
Để đảm bảo yêu cầu về nối đất và giảm thiểu kim loại trong quá trình thi công, nên tận dụng các phương pháp nối đất tự nhiên như: ống nước chôn ngầm và ống kim loại (tránh chất nổ, dễ cháy), hệ thống dây chống sét và cột chống sét Thậm chí, ngay cả các kết cấu kim loại trong công trình (chẳng hạn như nhà máy thủy điện) cũng có thể được sử dụng để nối đất.
Khi dùng nối đất tự nhiên phải tuân theo những quy định Nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thõa mãn các yêu cầu của thiết bị có dòng điện ngắn mạch, chạm đất bé thì không cần làm them nối đất nhân tạo nữa Nhưng đối với các thiết bị có dòng điện ngắn mạch, chạm đất lớn thì cần phải nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số điện trở nối đất nhân tạo vẫn phải nhỏ hơn 1Ω.
TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN
2.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của nối đất an toàn.
Trị số điện trở nối đất càng bé thì tác dụng của nối đất càng cao.Nhưng việc giảm trị số của điện trở nối đất sẽ làm giá thành xây dựng tăng lên nhiều vì số lượng kim loại tăng, do trị số cho phép của điện trở nối đất được qui định như sau: Đối với trạm phân phối có Uđm ≥ 110KV (mạng điện trung tính trực tiếp nối đất) thì điện trở nối đất an toàn là :Rat ≤0,5Ω Đối với trạm phân phối có Uđm ≤ 35KV (smạng điện trung tính cách điện đối
Rat ≤ 250/Id (Ω): dùng cho thiết bị điện cao áp.
Rat≤ 150/Id (Ω): dùng cho cả thiết bị điện cao và hạ áp nhưng không được quá 10Ω.
Ngoài việc đảm bảo trị số điện trở nối đất đã qui định và giảm nhỏ điện trở nối đất của trạm và nhà máy điện, còn phải chú ý đến việc cải thiện sự phân bố thế trên toàn diện tích của trạm.
2.2.2 Số liệu dùng trong tính toán nối đất an toàn. ρđo: điện trở suất của đất ( đo được )
Rc: điện trở nối đất của cột điện
Lkv: chiều dài khoảng vượt của đường dây( khoảng cách giữa hai cột) số lượng dây chống sét trên các đường dây tải điện.
2.2.3 Tính toán nối đất tự nhiên.
Trước khi tính toán nối đất an toàn phải lợi dụng nối đất tự nhiên có sẵn trong đất, có thể là các ống nươc ngầm, các cáp ngầm võ kim loại chôn trong đất, các móng của công trình, các điện trở nối đất ở các cột điện ở các đường dây.
Nếu số lượng cột của đường dây n > 20( dùng cho trạm phân phối có Uđm ≥ 110KV) thì khi đó Rcs-c được xát định bởi công thức
Rc là điện trở của hệ thống nối đất ở các cột điện (Ω) Rcs-c là điện trở của dây chống sét trong một khoảng vượt (Ω) Nếu số cột của đường dây n < 20( dùng cho trạm phân phối có Uđm ≤
35KV), thì khi đó Rcs-c được xát định bới công thức:
Rc là điện trở của hệ thống nối đất ở các cột điện (Ω) Rcs-c là điện trở của dây chống sét trong một khoảng vượt (Ω) M: là số lượng cột trên một xuất tuyến đường dây tải điện.
- Rc là như nhau trên toàn tuyến đường dây.
- Có số lượng dây chống sét là như nhau.
- Ứng với mỗi cấp điện áp thì có khoảng vượt tương ưng là như nhau.
- Loại dây chống sét phải là cùng chủng loại.
- Nếu dùng hai dây chống sét thì điện trở giảm đi một nữa: Rcs/2.
2.2.4 Tính toán điện trở nối đất của các điện trở đơn giản.
Nếu là cọc chôn sâu trong đất:
Hình 2.1 cọc đứng Khi đó điện trở tản của cọc xát định bởi:
Trong đó: l là chiều dài cọc (m) d là đường kín của cọc (m) t=m+l/2 là độ chôn sau của cọc từ mặt đất đến giữa cóc (m) ptt là điện trở suất tính toán (Ωm).
Nếu là thanh nằm ngang trong đất:
Khi đó điện trở tản của một thanh được xác định bởi:
2.π LlnK L 2 t d (Ω)Trong đó: L là chiều dài thanh (m)
K là hệ số phụ thuộc hình dạng nối đất ptt là điện trở suất tính toán và được xát định ptt = pdo Km (Ω.m)
Km là hệ số mùa ; pdo (Ω.m) đo được d là đường kín của thanh (m)
+ Với thanh tròn d-30mm + Với thanh dẹt d=b/2mm
2.2.4.1 Xác định điện trở nối đất của một hệ thống nối đất. Điện trở của hệ thống nối đất gồm n cọc liên kết với nhau bằng thanh nằm ngang dược xát định bởi công thức sau:
Trong đó: R c là điện trở tản của một góc ( Ω ¿
R t là điện trở tản của thanh (Ω) n là số cọc η t là hệ số sử dụng của thanh đối với tổ hợp cọc nghĩa là khi thanh có cọc bố trí dọc theo thanh. η c là hệ số sử dụng của cọc không tính đến ảnh hưởng của thanh.
2.2.4.2 Trình tự tính toán nối đất an toàn.
B1: Tính toán điện trở nối đất tự nhiên
+ Nếu :Rtn < 0,5 (Ω) thì ta phải thiết kế một hệ thống nối đất nhân tạo Rnt ≤ 1 (Ω)
+ Nếu :Rtn ≥ 0,5(Ω) Thì ta phải thiết kế một hệ thống nối đất nhân tạo Rnt.
B2: Thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo
+ Nếu chọn thanhKhi đó điện trở tản của thanh xát định bới công thức:
L : là chiều dài toàn bộ thanh nối( chu vi trạm phân phối) d: là đường kín thanh nối (m) k: là hệ số phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đât ρ tt : là điện trở suất tính toán và được xát định ρ tt = ρ do K m (Ω.m)
K m là hệ số mùa ρ do (Ω.m).
Nếu Rt ≤ 1[Ω] mà hệ thống nối đất nhân tạo có Rnt ≤0,5[Ω] thì hệ thống nối đất an toàn đạt yêu cầu kỷ thuật
Khi đó điện trở tản của cọc xác định bởi :
- Chiều sâu chôn cọc: t = m + 2l, thể hiện khoảng cách tính từ mặt đất đến điểm giữa của cọc.- Điện trở suất tính toán (ρtt) là chỉ số đánh giá khả năng dẫn điện của đất trong điều kiện cụ thể, có đơn vị là Ohm mét (Ω.m).
Chọn khoảng cách giữa các cọc a l =1
Nếu chọn hệ thống nối đất nhân tạo gồm nhiều cọc và thanh nối
Khi đó trị số điện trở của hệ thống nối đất gồm n cọc liên kết với nhau bằng thanh nằm ngang được xác định bởi công thức sau:
Trong đó : Rc là điện trở tản của một cọc [Ω];
Rt là điện trở tản của thanh [Ω]; n là số cọc; ηc là hệ số sử dụng của cọc không tính đến ảnh hưởng của thanh; ηt là hệ số sử dụng của thanh đối với tổ hợp cọc khi cọc bố trí dọc theo thanh.
• Nếu Rtn≥ 0,5[Ω] mà Rht ≤1[Ω] và Rnt//Rtn ≤0,5[Ω], thì hệ thống nối đất đạt yêu cầu kỹ thuật a) Tính toán nối đất tự nhiên.
Số lượng cột của đường dây m > 20 (dùng cho trạm phân phối có Uđm ≥
110KV), thì khi đó Rcs-c được xác định bởi công thức :
Trong đó : Rc ( Ω ) , L = 178 (m), ro=1,75( Ω /km)
Mặt khác các xuất tuyến song song với nhau nên điện trở nối đất tự nhiên của trạm phân phối được xác định cho một xuất tuyến là:
3 =0,54 (Ω) Nhận xét: Rtn = 0,54(Ω) ≥ 0,5 Ω nên phải tiến hành nối đất nhân tạo Đây là mạng trung tính trực tiếp nối đất hay còn gọi là mạng điện có dòng chạm đất lớn, nên phải thực hiện nối đất nhân tạo xung quanh mạch vòng của trạm và điện trở nối đất của trạm thỏa mãn điều kiện Rnt ≤1 ( Ω ) Khi người vận hành đi lại trong trạm đảm bảo điện áp bước và tiếp xúc không gây nguy hiểm cho người. b) Nối đất nhân tạo. Điện trở tản của một thanh được xác định bởi :
2π Lln K L 2 t d [Ω] Tra phụ lục PL03: Trị số trung bình của hệ số Km ứng với các loại nối đất Ở đây đang tính ở nối đất an toàn và có thanh ngang chôn sâu 0,8 (m) nên Km = 1,6.(mùa khô)
Chu vi của mạch vòng: L = (l1 + l2) 2 = (112 +110 ) 2 = 444(m)
Bảng 2.1 Hệ số K phụ thuộc vào (l1,l2) l 1 l 2 2
Ta dùng phương pháp nội suy để tìm K = 5,53+ 5,81−5,53 1,5−1 (1,02−1)=5,54
Chọn thanh tròn ∅50 => đường kính d = 0,05m, thanh ngang chôn sâu 0,8m, chiều dài của thanh là chu vi của hình vuông 444 (m).
Vậy ta tính ra được
0,8.0,05 =1,18[Ω] Nhận xét: Rt=1,18 > 1[Ω] nên hệ thống nối đất an toàn chưa đạt yêu cầu kỹ thuật Do đó ta phải đóng cọc dọc theo chu vi của thanh. Điện trở tản của cọc xác định bởi :
Ta có: ρ d = 120 [Ωm] => ρ tt = ρ d x K muakho = 120.1,4 = 168[Ωm], t = m + l/2 0,8+3/2 =2,3m (Lấy chiều dài dọc là 3m)
Vậy ta tính ra được
Ta có khoảng cách giữa các cọc a=3(m) và chiều dài cọc l=3(m)
Hệ số sử dụng giữa cọc và cọc Ta tra bảng PL05/245 a/l = 3/3 = 1 ứng với n0 cọc => η c =0,39 η c =0,39 + 0,37 160−120 −0,39 (148−120 )=0,376[Ω]
Hệ số sử dụng giữa thanh và cọc tra bảng PL07/246
Rht = R R nt R tn nt +R tn = 0,66 0,66.0,54 +0,54 =¿0,297 [Ω]
Rnt ≤1[Ω] mà Rtn> 0,5[Ω] và Rnt//Rtn ≤0,5[Ω], hệ thống nối đất đạt yêu cầu kỹ thuật.
TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
Tính toán nối đất chống sét có phần phức tạp hơn vì ở đây phải đề cập đến cả hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất:
Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực
Quá trình phóng điện trong đất
2.3.1 Yêu cầu kĩ thuật của nối đất chống sét
Khi nối đất chống sét, vì mật độ dòng điện sét tản trong đất rất lớn, trưởng tăng cao và dẫn đến quá trình phóng điện ngược trong đất…tương đương với việc tăng kích thước điện cực và tăng điện dẫn của đất khiên cho điện trở tản xung kích (Rxk) có trị số thấp hơn so với điện trở tản xoay chiều Vì thế , khi tính toán nối đất chống sét phải thõa mãn các điều kện sau:
Đối với nối đất chống sét cho cột thu sét độc lập tập trung, thì giữa hệ thống thu sét và công trình phải có khoảng cách trong đất (Sđ) cũng như trong không khí (Sk) nhất định để không gây phóng điện ngược từ nó tới công trình tức là:
Lúc đó : Rxk = min(Sxk1 , Sxk2 )
Đối với nối đất chống sét cho cột thu sét đặt trên kết cấu công trình ( xà trạm ) phải thõa mãn dk:
Trong dó: Zxk : là điện trở xung kích của nối đất phân bố dài(Ω)
I s là biên độ dòng điện sét (KA)
U 50%MBA là điện áp 50% bé nhất của MBA (KV)
2.3.2 Số liệu dung trong tính toán nối đất chống sét:
Cường độ điện trường cho phép:
+ Trong không khí : Ecpkk = 483(KV/m)
Biên độ dòng điện sét: Is= 154 (KA)
Độ dốc dòng điện sét: a= 22 (KA/us)
Điện cảm trên đơn vị dài của dây nối đất: L0=1.7(uH/m)
Điện áp 50% bé nhất của máy biến áp: U50%MBA = 460(KV).
2.3.3 Xác định điện trở xung kích của nối đất tập trung
Khi cường độ điện trường trong đất đạt đến một trị số nào đó thì trong đất phát sinh các quá trình lý hoá phức tạp làm cho điện trở suất của đất thay đổi nếu cường độ trường đạt đến trị số tới hạn thì trong đất sẽ có hiện tượng phóng điện Kết quả là xung quanh điện cực hình thành khu vực có hồ quang, có tia lửa, do đó có thể xem là kích thước của điện cực tăng lên và điện trở nối đất sẽ giảm Điều này xảy ra khi dòng điện Điện trở nối đất ứng với trường hợp nêu trên gọi là điện trở nối đất xung kích và quan hệ của nó với điện trở tần số công nghiệp như sau:
Rxk = α xk R Trong đó : R là điện trở nối đất ở tần số công nghiệp; α xk là hệ số xung kích phụ thuộc vào : loại điện cực nối đất , điện trở suất , cường độ dòng điện sét , cách bố trí cực
Như vậy, điện trở nối đất xung kích của hệ thống nối đất phức tạp sẽ được xác định bởi công thức sau:
Trong đó : Rxkc là điện trở xung kích của cọc [Ω];
Rxkt là điện trở xung kích của thanh [Ω]; n là số cọc; η xk là hệ số sử dụng xung kích của hệ thống.
Xác định tổng trở xung kích của nối đất phân bố dài
Nối đất phân bố dài là dùng những thanh nối đất rất dài để làm điện cực Đối với nối đất phân bố dài khi có dòng điện sét đi vào thì quá trình xảy ra sẽ khác nhiều so với nối đất tập trung do phải xét cả hai quá trình là:
Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực.Quá trình phóng điện trong đất.
Nhưng để đơn giản bỏ qua ảnh hưởng của quá trình phóng điện tia lửa trong đất và coi như điện trở suất của đất là không đổi ρ =const; do đó trong tính toán tổng trở xung kích của nối đất phân bố dài thì sơ đồ thay thế tương tự như sơ đồ thay thế của đường dây trên không Mặt khác, điện trở bản thân điện cực bé hơn rất nhiều so với điện cảm của nó và ảnh hưởng của điện dung C cũng rất nhỏ so với ảnh hưởng của điện dẫn G nên bỏ qua R và C, vì vậy trong sơ đồ thay thế chỉ còn lại điện cảm L và điện dẫn G.
Sơ đồ thay thế nối đất phân bố dài
Trong sơ đồ thay thế bỏ qua R và C, khi đó sơ đồ có dạng:
G 0 Điện cảm đơn vị Lo và điện dẫn đơn vị Go của điện cực:
* Điện cảm trên đơn vị dài của điện cực Lo được xác định theo công thức sau:
Trong đó : Ldc là chiều dài điện cực (m); r là bán kính điện cực (m).
* Điện dẫn trên đơn vị dài của điện cực Go được xác định theo công thức sau:
Trong đó : Rdc là điện trở tản của nối đất ổn định (Ω).
Tổng trở xung kích của nối đất phân bố dài (Zxk):
Từ hệ phương trình vi phân :
{ − − dx dx dU di =G = L 0 0 U di dt
Giải hệ phương trình: (II.3.8) với dạng sóng của dòng điện ở đầu vào bộ phận nối đất là dạng xiên góc i(0,t) = a.t, sẽ được điện áp tại điểm bất kỳ trên điện cực là:
2 π 2 và Tk = T 1 k 2 Suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất : x = 0 và tại thời điểm t = τ ds thì :
K 2 =1,643 + Giá trị k được xác định sao cho: τ ds
* Tính tổng trở xung kích tại thời điểm τ ds : Zxk(0, τ ds )
* Điện áp xung kích của hệ thống nối đất : Uxk= Zxk(0, τ ds ).Is
Nếu Uxk>U50%MBA thì phải thực hiện nối đất bổ sung phân bố dài trong nối đất chống sét sao cho thoả mãn : Uxk= Zbs(0, τ ds ).Is ≤U50%MBA
2.3.4 Trình tự tính toán nối đất chống sét.
* Xác định điện trở xung kích cho cột thu lôi độc lập:để không gây phóng điện ngược từ cột thu lôi đến công trình, cần tìm Rxk theo yêu cầu.
* Chọn loại điện cực: Đối với cọc: Rxkc = α.Rc Đối với thanh: Rxkt = α Rt Đối với hệ thống gồm n cọc và thanh nối:
Trong đó : Rxkc là điện trở xung kích của cọc [Ω];
Rxkt là điện trở xung kích của thanh [Ω]; n là số cọc; η xk là hệ số sử dụng xung kích của hệ thống.
Xác định Zxk(0, τ â s ) cho nối đất phân bố dài:
2 π 2 và Tk = T 1 k 2 Điện cảm trên đơn vị dài của điện cực Lo được xác định theo công thức sau:
Trong đó : Ldc là chiều dài điện cực (m);
Lđc+BC (m); r là bán kính điện cực (m). Điện dẫn trên đơn vị dài của điện cực Go được xác định theo công thức sau:
Go = R 1 dc L dc ( Ω m 1 ) Trong đó : Rdc là điện trở tản của nối đất ổn định ( Ω ).
Thời gian đầu sóng: τ ds =I s a[μH s]
Với điều kiện cần thoả mãn : Zxk(0, τ ds ).Is ≤U50%MBA , nếu không thoả thì ta phải thực hiện nối đất bổ sung.
Nối đất bổ sung dùng hình thức nối đất tập trung đặt ở tất cả các chân của cột thu sét.
Khi đó sơ đồ thay thế của nối đất bổ sung phân bố dài có dạng:
Tổng trở xung kích tương đương được xác định theo công thức sau:
Giá trị xk được xác định bởi phương trình : tgxk= − R R bs
Tức là hoành độ giao điểm của đường thẳng y = − R R bs
Bằng phương pháp đồ thị, xác định được các giá trị xk ( thường lấy 4 nghiệm xk). 2.3.5 Trình tự tính toán nối đất chống sét Điện trở xung kích trong không khí:
154 D,01 ¿Ω] Điện trở xung kích trong đất:
Tính toán nối đất chống sét phân bố dài dạng mạch vòng Điện cảm trên đơn vị dài của điện cực L0:
- Chiều dài điện cực: L dc =L chuvi
Chu vi của mạch vòng: L = (l1 + l2) 2 = (112 +110 ) 2 = 444 (m)
Bảng 2.2 Hệ số K phụ thuộc vào (l1,l2) l 1 l 2 2
Chọn thanh tròn ∅50 => đường kính d = 0,05m, thanh ngang chôn sâu 0,8m, chiều dài của thanh là chu vi của hình vuông 444 (m).
Tra phụ lục PL03: Trị số trung bình của hệ số Kmset ứng với các loại nối đất Ở đây đang tính ở nối đất an toàn và có thanh ngang chôn sâu 0,8 (m) nên Kmset = 1,25) Vậy ta tính ra được
0,8.0,05 = 0,92[Ω] Điện dẫn trên đơn vị dài của điện cực G0:
Thời gian đầu sóng : τ ds =I s a4
22 =7¿] Tính phân bố điện áp và tổng trở xung kích của hệ thống nối đất
Tổng trở xung kích của hệ thống nối đất nhân tạo:
T k ) ) ¿ Ω] Để xác định được Z xk (0, τ ds ) ta xét các chuỗi số sau:
Từ bảng trên ta có:
U xk =Z xk (0,τ ds ) I s =4,66.154q7,64[kV]>¿U50 %MBA
Vì để không có phóng điện ngược ta phải tiến hành nối đất bổ sung
- Chọn thanh nối đất bổ sung là loại thép dẹp có: chiều dài l 12m, bề rộng b = 0,04 m.
- Dọc theo chiều dài thanh có chôn 20 cọc tròn có: chiều dài cọc l = 3 m; đường kính d = 0,05.
- Khoảng cách giữa hai cọc a = 6 m, độ chôn sâu t = 0,8 m. Điện trở nối đất của thanh:
Ta có khoảng cách giữa các cọc a l =2và n
- Tra phụ lục PL04 Hệ số sử dụng của cọc bố trí theo dạng hình tia:
+ Ta có khoảng cách giữa các cọc a l =2 và n (cọc): n c =0,7 n t =0,8
Tính tổng trở xung kích của hệ thống nối đất khi có nối đất bổ sung:
Như trên ta có sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất gồm điện cảm và điện dẫn Nhờ phép biến đổi Laplace ta tìm được giá trị của tổng trở sóng đầu vào hệ thống nối đất bổ sung.
Z bs (0, τ ds )= R R bs R nt bs +R nt +∑ k = 1
= A+B Đối với chuỗi B ta chỉ tính tới e -4 :
Giá trị x K được xác định theo công thức: tgx K =−( 0, 3712,14 ) x k =−0,173 x k
Sử dụng Matlab để tìm nghiệm: y = tanx + 0,173 x k function tinhnghiem n = 0; for x = [0:0.00001:25]; y = tan(x)+0.173*x; if abs(y)
