Dự Án liên môn 3 pbl3 lưới Điện cao Áp phần ii thiết kế cao Áp

3 1- Thiết kế bảo vệ chống sét đánh thẳng cho Trạm biến áp 2- Thiết kế nối đất cột điện tương ứng với điện trở suất của từng vùng nơi đường dây đi qua 3- Thiết kế nối đất an toàn cho TBA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN ĐIỆN HỆ THỐNG

DỰ ÁN LIÊN MÔN 3 PBL3 LƯỚI ĐIỆN CAO ÁP

2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – BỘ MÔN HỆ THỐNG ĐIỆN

-

PBL LƯỚI ĐIỆN CAO ÁP

PHẦN THIẾT KẾ CAO ÁP

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoài Sơn Lớp: 19DCLC3

Ngày nhận đề: 03/10/2021 Ngày hoàn thành: …/…/2021

Số thứ tự: 12

Thiết kế cao áp cho trạm biến áp và đường dây 110kV

II.1 Sơ đồ mặt bằng TBA 110kV

II.2 Số liệu điện trở suất

Các số liệu Giá trị điện trở suất Ωm

Điện trở suất vùng đất mà đường

dây đi qua

100 200 300 500 800 1000

Điện trở suất của đất ở TBA 120 + x = 122

Nhà điều hành

3

1- Thiết kế bảo vệ chống sét đánh thẳng cho Trạm biến áp

2- Thiết kế nối đất cột điện tương ứng với điện trở suất của từng vùng nơi đường dây đi qua

3- Thiết kế nối đất an toàn cho TBA

1- Sơ đồ mặt bằng thể hiện vùng bảo vệ của hệ thống bảo vệ chống sét và hệ thống nối đất của TBA; Hệ thống nối đất của cột điện (1 trường hợp đặc trưng)

Đà Nẵng, ngày tháng năm

4

CHƯƠNG I THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG CHO

TRẠM BIẾN ÁP

1 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 thu sét (kim, 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 chổ tập trung điện tích ở đỉnh bộ phận thu sét, tạo nên trường lớn nhất giữa nó với đầu tia tiên đạo Do đó thu hút các phóng điện sét và hình thành khu vực an toàn ở bên dưới và chung quanh hệ thống thu sét

2 Các yêu cầu kỹ thuật

Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế và mỹ thuật của công trình, khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm phân phối điện ngoài trời cần phải chú ý đến nối đất của cột thu sét và tính chất của công trình Vì vậy cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

1 Phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét phải bao trùm toàn bộ công trình cần bảo vệ an toàn

2 Đối với trạm phân phối điện ngoài trời từ 110kV trở lên, do có mức cách điện cao và trị

số điện trở tản của bộ phận nối đất bé nên cho phép đặt hệ thống thu sét ngay trên công trình

3 Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu mà trên đó có đặt hệ thống thu sét và bộ phận mang điện không được bé hơn độ dài chuỗi sứ

4 Dây nối đất trong hệ thống thu sét có tiết diện phải đảm bảo điều kiện ổn định nhiệt và chống ăn mòn

5 Từ một hệ thống thu sét phải có nhiều dây nối đất (ít nhất là 2 dât) để phòng trường hợp đứt dây

3 Phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét

3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

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:

Hình 1.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

Chú ý: Các công thức trên chỉ đúng trong trường hợp 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 Có thể dùng các công thức trên để tính phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân với hệ số hiệu chỉnh p Với

5, 5

p

h

= và trên hình vẽ dùng các hoành độ 0, 75hp và 1, 5hp

3.2 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cap bằng nhau

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệ của hai cột đơn Nhưng để hai cột thu sét có thể phối hợp được thì khoảng 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:

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:

3.3 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau

Giả sử có hai cột thu sét: cột 1 có chiều cao h1, cột 2 có chiều cao h2 và h1 > h2 Hai cột cách nhau một khoảng là a

Trước tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h1, sau đó qua đỉnh cột thấp h2 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 h2, hình thành đôi cột ở độ cao bằng nhau và bằng h2 với khoảng cách là a’ Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ của cột 1 với a'= −a x

1 2 2 1

1, 6( )1

x

h h

−

=+

(1.8)

Hình 1.3 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét khác nhau

3.4 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét phối hợp

Khi công trình cần được bảo vệ an toàn chiếm khu vực rộng lớn, nếu chỉ dùng một vài cột thì cột phải rất cao gây nhiều khó khăn cho thi công, lắp ráp Trong các 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 một Không cần xác định phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét mà chỉ cần kiểm tra điều kiện bảo vệ an toàn Công trình có độ cao hx nằm bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét có độ cao h sẽ được bảo vệ an toàn nếu thỏa mãn điều kiện sau:

8( x) 8 a

D h h− = h (1.11) Trong đó:

D : đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác do các cột tạo thành

h : chiều cao của các cột thu sét (m)

hx : chiều cao công trình cần bảo vệ (m)

ha : chiều cao hiệu dụng của cột thu sét (m)

+ Với tam giác:

2 ( ( )( )( )

a b c D

p p a p b p c

=

− − − (1.12) Trong đó:

a,b,c là các cạnh của tam giác

p là nửa chu vi của tam giác

+ Với tam giác vuông hay hình chữ nhật:

2 2

D= a +b (1.13) Trong đó: D là cạnh huyền tam giác vuông hay đường chéo hình chữ nhật

Hình 1.4 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét phối hợp

8

4 Thiết kế hệ thống thu sét cho trạm

4.1 Phương án 1

a) Tính toán độ cao cần thiết của các cột thu lôi để bảo vệ các thiết bị

Trong phương án này ta bố trí bốn cột thu sét h1, h2, h3, h4 đặt trực tiếp trên xà đỡ dây cao 11,5m; các cột h5, h6, h7, h8, h9 đặt độc lập

▪ Xét nhóm cột h1h2h9h8, các cột này tạo thành hình chữ nhật với khoảng cách giữa các cột:

h

▪ Xét phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét h2 và h5

+ Chiều cao của cột thu sét giả tưởng:

25

01 2

5018,16 11, 02

▪ Xét phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét h1 và h2

+ Chiều cao của các cột thu sét giả tưởng:

Khoảng cách từ cột thu sét giả tưởng 1 đến cột h2: O O2 =0, 75h2−0, 75h1 =1, 02m

Khoảng cách từ cột thu sét giả tưởng 1 đến cột h1: OO1=O O1 2−O O2 =41,98m

Chiều cao của cột thu sét giả tưởng 2 là:

11

c) Tính toán sơ bộ kinh tế lắp đặt các cột thu sét

Trong sơ đồ mặt bằng trạm biến áp, ta có các cột thu sét h1, h2, h3 và h4 được đặt trực tiếp trên xà đỡ cao 11,5m Những cột h5, h6, h7, h8, h9 được đặt độc lập trên đất

Tổng chiều cao đầu tư của các cột thu sét h1, h2, h3, h4:

d) Sơ đồ mặt bằng phạm vi bảo vệ của các cột thu sét trong phương án 1

Hình 1.5 Sơ đồ mặt bằng phạm vi bảo vệ trạm biến áp ở phương án 1

4.2 Phương án 2

a) Tính toán độ cao cần thiết của các cột thu lôi để bảo vệ các thiết bị

Trong phương án này ta bố trí bốn cột thu sét h1, h2, h3, h4 đặt trực tiếp trên xà đỡ dây cao 11,5m; các cột h5, h6 đặt độc lập

▪ Xét nhóm cột có hình chữ nhật h1h2h3h4

h1h2 = h4h3 = 43m

h1h4 = h2h3 = 54m Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật h1h2h3h4 là:

12

▪ Xét nhóm cột hình chữ nhật h2h5h6h3

h2h5 = h3h6 = 50m

h2h3 = h5h6 =54m Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật h2h5h6h3 là:

+ Chiều cao của các cột thu sét giả tưởng:

Khoảng cách từ cột thu sét giả tưởng 1 đến cột h2: O O2 =0, 75h2−0, 75h1 =0, 4275m

Khoảng cách từ cột thu sét giả tưởng 1 đến cột h1: OO1 =O O1 2−O O2 =42,5725m

Chiều cao của cột thu sét giả tưởng 2 là:

2

04 1

42, 572519,13 13, 05

c) Tính toán sơ bộ kinh tế lắp đặt các cột thu sét

Trong sơ đồ mặt bằng trạm biến áp, ta có các cột thu sét h1, h2, h3 và h4 được đặt trực tiếp trên xà đỡ cao 11,5m Những cột h5, h6 được đặt độc lập trên đất

d) Sơ đồ mặt bằng phạm vi bảo vệ của các cột thu sét trong phương án 2

Hình 1.6 Sơ đồ mặt bằng phạm vi bảo vệ trạm biết áp ở phương án 2

4.3 So sánh 2 phương án và đưa ra phương án tối ưu

Ta có bảng số liệu so sánh của 2 phương án như sau:

thanh xà đỡ

Số cột đặt độc lập trên đất

Tổng số cột cần thi công

Tổng chiều cao cột thu sét thi công

Từ bảng trên, ta thấy rằng về mặt kinh tế kỹ thuật thì phương án 2 có tổng chiều cao cột thu sét cần thiết để thi công ít hơn, chi phí sẽ thấp hơn, vùng bảo vệ rộng hơn, thuận tiện cho việc lắp đặt và bảo quản Nên ta chọn phương án 2 làm phương án để thiết kế và thi công cho trạm

15

CHƯƠNG II THIẾT KẾ NỐI ĐẤT CỘT ĐIỆN TƯƠNG ỨNG VỚI ĐIỆN

TRỞ SUẤT TỪNG VÙNG NƠI ĐƯỜNG DÂY ĐI QUA

1 Khái niệm chung

Khi thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biết áp, việc thiết kế hệ thống nối đất cho các cột điện trong trạm có vai trò rất quan trọng trong việc bảo đảm an toàn và bảo vệ quá điện áp Hệ thống nối đất của các cột điện có tác dụng tản nhanh dòng điện, bảo vệ các cột điện và cột thu sét, tránh gầy hư hỏng cho hệ thống bảo vệ chống sét

2 Tính toán nối đất cột điện tương ứng với từng vùng đường dây đi qua

Ta có bảng số liệu điện trở suất của vùng đất mà đường dây đi qua và yêu cầu kỹ thuật:

Các số liệu Giá trị điện trở suất

Điện trở suất vùng đất mà đường dây

đi qua

100 200 300 500 800 1000 Điện trở cột Rcot 10 15 15 20 20 30

Hệ thống nối đất cột điện gồm 2 thanh ghép thành hình chữ thập, được chôn ở độ sâu 0,8m, mỗi cọc cách nhau 3m và mỗi tia có 3 cọc Ta chọn thanh bằng vật liệu sắt tròn đường kính 0,03m, chôn sâu 0,8m

kL R





+ Với hệ thống thanh nằm ngang nối đất an toàn, ta chọn hệ số km = 1,6

+ Dựa vào bảng số liệu điện trở suất, ta có ρđo = 100

Suy ra: tt =do.k m =100.1,8 180= (Ω.m)

Tra bảng hệ số hình dáng của thanh nối đất, ta được: k = 8,45

+ Tổng chiều dài thanh: L=3.3.4 36= m

+ Độ chôn sâu của mạch vòng: 0,8m

kL R

16

Khi các cọc được chôn theo thanh thì ta có điện trở nối đất hệ thống được tính theo công thức sau:

c t ht

c t t c

R R R

=+ (Ω) Trong đó: Rc: điện trở tản nối đất của cọc (Ω)

Rt: điện trở tản nối đất của mạch vòng (Ω)

n: số cọc sử dụng trong hệ thống nối đất

t

 và  : tương ứng là hệ số sử dụng mạch vòng, hệ số sử dụng cọc cphụ thuộc vào số cọc và tỷ số a/l

Với hệ thống 4 tia, mỗi tia 3 cọc và mỗi cọc cách nhau 3m thì ta có số lượng cọc tính cần thiết là: n =3.4 1 13+ = cọc

c t t c

R R R

c t t c

R R R

c t t c

R R R

kL R

kL R

c t t c

R R R

=+ (Ω) Với hệ thống 4 tia, mỗi tia 3 cọc và mỗi cọc cách nhau 3m thì ta có số lượng cọc tính cần thiết là: n =3.4 1 13+ = cọc

c t t c

R R R

kL R

kL R

c t t c

R R R

=+ (Ω) Với hệ thống 4 tia, mỗi tia 3 cọc và mỗi cọc cách nhau 3m thì ta có số lượng cọc tính cần thiết là: n =3.4 1 13+ = cọc

c t t c

R R R

kL R

kL R

c t t c

R R R

=+ (Ω) Với hệ thống 4 tia, mỗi tia 3 cọc và mỗi cọc cách nhau 3m thì ta có số lượng cọc tính cần thiết là: n =3.4 1 13+ = cọc

c t t c

R R R

kL R

kL R

c t t c

R R R

=+ (Ω) Với hệ thống 4 tia, mỗi tia 3 cọc và mỗi cọc cách nhau 3m thì ta có số lượng cọc tính cần thiết là: n =3.4 1 13+ = cọc

c t t c

R R R

Tổng chiều dài hệ thống sau khi bổ sung: L=3.7.4 84= m

Tính lại điện trở tản của thanh:

kL R

'

304,572.40,177

17,51304,572.0, 42 40,177.0, 49.29

c t ht

c t t c

R R R

21

Hình 2.5 Sơ đồ nối đất cột điện khi ρ = 800 Ωm

2.6 Xét vùng đất có điện trở suất ρ = 1000 (Ω.m)

Xét thanh gồm 4 tia, mỗi tia có 12 cọc và mỗi cọc cách nhau 3m

Điện trở tản của thanh:

2

ln

tt t

kL R

kL R

c t t c

R R R

=+ (Ω) Với hệ thống 4 tia, mỗi tia 3 cọc và mỗi cọc cách nhau 3m thì ta có số lượng cọc tính cần thiết là: n =12.4 1 49+ = cọc

c t t c

R R R

23

CHƯƠNG III THIẾT KẾ NỐI ĐẤT AN TOÀN CHO TRẠM BIẾN ÁP

1 Khái niệm chung

Trong thiết kế một công trình điện thì việc thiết kế hệ thống nối đất là không thể bỏ qua Bởi vì hệ thống nối đất là một phần rất quan trọng trong việc bảo đảm an toàn và bảo vệ quá điện áp, nên việc nối đất trạm biến áp, cột thu lôi, các đường dây, thiết bị chống sét phải được tính toán cụ thể trong khi thiết kế Tác dụng của nối đất là tản nhanh dòng điện và giữ mức điện áp thấp trên các vật được nối đất khi có phóng điện sét hay khi cách điện của vật bị hỏng Trong hệ thống nối đất có ba loại:

▪ Nối đất làm việc: Nhiệm vụ của loại 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 qui định sẵn

▪ Nối đất an toàn (nối đất bảo vệ): Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện bị hư hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thường không mang điện (vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ ) Khi cách điện bị hư hỏng, trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế nhưng do đã được nối đất nên giữ được mức điện thế thấp Do đó đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc với chúng

▪ Nối đất chống sét: Để tản dòng điện sét trong đất (khi có sét đánh vào cột thu sét hoặc trên đường dây) giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn Trong bài này, ta chỉ xét đến trường hợp nối đất an toàn

2 Các vấn đề cơ bản khi thiết kế hệ thống nối đất

Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng của nối đất tốt hơn an toàn hơn Nhưng việc giảm trị số của điện trở nối đât sẽ làm giá thành xây dựng tăng lên nhiều vì số lượng kim loại tăng, do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế

Một số yêu cầu về kỹ thuật của điện trở nối đất:

▪ Đối với trạm phân phối có Uđm ≥ 110 kV (mạng điện trung tính trực tiếp nối đất) thì điện trở nối đất an toàn là: R ≤ 0,5 Ω

▪ Đối với trạm phân phối có Uđm ≤ 35 kV (mạng điện trung tính cách điện đối với đất) thì điện trở nối đất an toàn là:

250

at d

R I

 (Ω): dùng cho thiết bị điện cao áp

125

at d

R I

 (Ω): dùng cho cả thiết bị điện cao và hạ áp nhưng không được quá 10Ω

▪ 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

▪ Loại dây chống sét

24

Trước khi tính toán nối đất an toàn phải lợi dụng nối đất tự nhiên có sẵn trong đất

▪ Nếu 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:

R R

R R

− =

(Ω) (2.1)

Trong đó:

Rc là điện trở của hệ thống nối đất ở các cột điện (Ω)

Rcs là điện trở của dây chống sét trong một khoảng vượt (Ω)

▪ Nếu số lượng cột của đường dây m < 20 (dùng cho trạm phân phối có Uđm≤35kV), thì khi đó Rcs-c được xác định bởi công thức:

Rc là điện trở của hệ thống nối đất ở các cột điện (Ω)

Rcs là điện trở của dây chống sét trong một khoảng vượt (Ω)

m là số lượng cột trên một suất tuyến đường dây tải điện

Nối đất nhân tạo là bộ phận nối đất phải thiết kế thêm để thỏa mãn yêu cầu về điện trở nối đất, để tiếp đất các trang thiết bị điện của trạm một cách thuận lợi và để cân bằng điện thế

▪ Tính toán điện trở nối đất của cọc chôn sâu trong đất:

Hình 3.1 Hình dạng cọc sử dụng trong hệ thống nối đất Khi đó điện trở tản của cọc xác định bởi:

2 1 4

tt c