BÀI TẬP DÀI MÔN KĨ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP (ĐỀ 9)

Bài tập môn học kĩ thuật điện cao áp bước đầu giúp sinh viên ngành hệ thống điện làm quen với việc thiết kết bảo vệ, tính toán bảo vệ, đánh giá các tiêu chuẩn kĩ thuật của công trình điện. Thông qua ba nhiệm vụ cơ bản là thiết kế hệ thống chống sét cho trạm biến áp, thiết kế và đánh giá hệ thống nối đất an toàn và hệ thống nối đất chống sét và cuối cùng là tính toán sóng quá điện áp lan truyền vào trạm.

BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC

KĨ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

Họ và tên sinh viên:

Lớp: Hệ Thống Điện Hà Tĩnh

STT: 14

LỜI NÓI ĐẦU

Bài tập môn học kĩ thuật điện cao áp bước đầu giúp sinh viên ngành hệ thống điện làm quen với việc thiết kết bảo vệ, tính toán bảo vệ, đánh giá các tiêu chuẩn kĩ thuật của công trình điện Thông qua ba nhiệm vụ cơ bản là thiết kế hệ thống chống sét cho trạm biến áp, thiết kế và đánh giá hệ thống nối đất an toàn

và hệ thống nối đất chống sét và cuối cùng là tính toán sóng quá điện áp lan truyền vào trạm

Thông qua việc thiết kế hệ thống chống sét sinh viên bước đầu vận dụng kiến thức lý thuyết vào việc bảo vệ một công trình điện cụ thể là một trạm biến

áp Biết cách tính toán vùng bảo vệ, khả năng ngăn ngừa sự cố sét đánh vào các thiết bị điện, bố trí các kết cấu cột thu lôi và đồng thời tính toán phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét

Việc thiết kế hệ thống nối đất chống sét và an toàn yêu cầu sinh viên nêu

ra cách thức nối đất chống sét Đó là cách bố trí, tính toán những thông số cần thiết cho của hệ thống nối đất như điện trở tản ổn định,đồng thời cũng kiểm tra khả năng tản dòng điện sét vào đất và kiểm quá áp trên các thiết bị khi nối chung hai hệ thống nối đất trên Quá áp phải nhỏ hơn mức cách điện chịu đựng của các thiết bị cách điện kém nhất trong trường hợp nguy hiểm nhất khi dòng sét đi vào trong đất

Phần ba sẽ tính toán điện áp tại các nút chính của trạm khi có sóng truyền vào trạm theo đường dây Qua việc tính toán giúp sinh viên hiểu được tác dụng của chống sét van, ảnh hưởng của vị trí đặt chống sét van,của các điện dung các thiết bị cũng như định lượng các giá trị điện áp tái các nút Từ đó định hướng phương pháp bảo vệ hiệu quả chống quá điện áp lan truyền vào trạm

Cuối cùng xin cảm ơn các thầy cô giáo đã tận tình giảng dạy,các bạn đã đóng góp ý kiến tranh luận.Em mong muốn được sự chỉ bảo nhiều hơn nữa từ phía các thầy cô và các bạn để ngày càng tiến bộ

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

A – ĐỀ BÀI: 4

PHẦN 1 BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 4

PHẦN 2 BẢO VỆ CHỐNG SÓNG QUÁ ĐIỆN ÁP LAN TRUYỀN 4

B–BÀI LÀM: 7

PHẦN 1 TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TBA 220/110 kV 7

1.1 Giới thiệu: 7

1.2 Tính toán: 9

PHẦN 2 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN VÀ NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 14

2.1 Giới thiệu: 14

2.2 Tính toán hệ thống nối đất 15

PHẦN 3 BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP LAN TRUYỀN VÀO TRẠM 22 3.1 Xác định yêu cầu: 22

3.2 Điện áp tại nút 1: 24

3.3 Tính điện áp tại nút 2: 25

3.4 Tính điện áp tại nút 3: 27

3.4 Kết quả tính toán: (bảng số liệu đi kèm) 29

A – ĐỀ BÀI:

PHẦN 1 BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

1 Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp

2 Tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét của trạm đảm bảo tiêu chuẩn

nối đất an toàn và yêu cầu chống sét khi có dòng sét 150 kA, độ dốc 50 kA/μs PHẦN 2 BẢO VỆ CHỐNG SÓNG QUÁ ĐIỆN ÁP LAN TRUYỀN

Tính điện áp tại các điểm nút của trạm biến áp khi có sóng quá điện áp lan truyền từ đường dây tới Sóng tới xiên góc biên độ U50%, độ dốc a , chống sét van cấp điện áp tương ứng

Chống sét van CSV không có khe hở

M¸y biÕn ¸p

§-êng ®i

§-êng ®i

Xµ ®-êng d©y phÝa 220kV

Xµ ®-êng d©y phÝa 220kV

Xµ ®-êng d©y phÝa 110kV

Xµ ®-êng d©y phÝa 110kV

Nhµ ®iÒu khiÓn vµ lµm viÖc

Trước khi đi vào thiết kế hệ thống chống sét cho trạm biến áp nêu ta xác định các yêu cầu thiết kế như sau:

Nhằm đảm giảm thấp nhất vốn đầu tư khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm biến áp ta cố gắng đặt các cột thu sét trên các kết cấu cao có sẵn của trạm

mà không ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kĩ thuật cần thiết Ngoài các tiêu chuẩn kĩ thuật cũng cần xem xét mặt mỹ thuật của công trình

Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ cấp 110kV trở lên do mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi ngay trên kết cấu của trạm phân phối Phải đặt để các cột thu lôi thấp nhất và cho dòng điện sét khuếch tán vào đất nhanh và phải

có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất

Khi bố trí cột thu lôi trên xà cần chú ý:

+ các kết cấu có cột thu lôi cần có nối đất bổ sung ngay trụ của các kết

cấu này nhằm đảm bảo điện trở nối đất không vượt quá 4Ω

+ khi dùng cột thu lôi phải đảm bảo khoảng cách đến các phần mang điện của trạm để tránh rò điện và chạm chập qua cột thu lôi Đồng thời phải đảm bảo cho dòng điện sét được thông thoát nhanh chóng và tránh hiện tượng phóng điện từ cột thu lôi đến các vật cần được bảo vệ

Nếu không thể tận dụng được các kết cấu trạm thì bố trí các cột thu lôi nối đất độc lập

Theo yêu cầu của đề bài thì ở đây ta quan tâm đến bào vệ chống sét đánh thẳng vào trạm, tạm thời không sét đến quá điện áp lan truyền vào trạm

Ta sẽ bố trí cho các thiết bị cần bảo vệ nằm trọn trong phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu lôi

Phần thứ 2 không kém quan trọng là thiết kế nối đất để tản dòng điện sét vào đất một cách an toàn

1.2 Tính toán:

1.2.1 Lý thuyết:

Độ cao cột thu lôi:

h =hx + ha

+ hx : độ cao của vật được bảo vệ

+ ha : độ cao tác dụng của cột thu lôi, được xác định theo từng nhóm cột (ha < D/8 m)

(với D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột) Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là:

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn từng cột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a < 7h ( trong đó h là độ cao của cột thu lôi )

Khi có hai cột thu lôi đặt gần nhau thì phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho và được xác định theo công thức:

xo

x o

r

h h





Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi C có độ cao h2 , khi đó các khoảng cách AB = a; BC = a' Khi đó xác định được các khoảng cách x và a' như sau:

1 2 2

1

1 2 2

1

1,6 ( ) 1

1,6 a' a-x a- ( )

1

h h

h h h

Đối với trường hợp khi có hai cột thu lôi cao bằng nhau ta có phạm vi bảo

vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho :

7

ah

Tương tự ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột B và C là:

)hh.(

hh

,a

h7

a'h

1 2 2

2

1

61

hh

0,8.2810,125 m

0,8.209,375 m

Sau khi vẽ các pham vi bảo vệ ở hình 2.2 thấy tất cả các phần tử đều thuộc phạm vi bảo vệ của hệ thống các cột thu sét đã thiết kế (Phần bảo vệ chính trong bài tập dài này là phía cấp điện áp 110kV)

PHẦN 2 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN VÀ NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT

CHO TRẠM BIẾN ÁP

2.1 Giới thiệu:

Trong hệ thống điện có 3 loại nối đất như sau:

Nối đất làm việc Nối đất an toàn (hay còn gọi là nối đất bảo vệ ) Nối đất chống sét

Trong phần này ta xét 2 loại nối đất cuối cùng Do 2 loại nối đất an toàn

và nối đất chống sét có các mục đích khác nhau dẫn đến yêu cầu kĩ thuật của chúng phải khác nhau Về nguyên tắc là phải tách rời 2 hẹ thống nối đất này vì phảo đề phòng khi có dòng điện sét hay dòng ngắn mạch lớn thì hệ thống nối đất không được gây quá áp lên hệ thống nối đất an toàn Mặc dù vậy việc tách rời sẽ gây lãng phí và không kinh tế do vậy 2 hệ thống này được gộp chung vào làm 1, khi ấy hệ thống nối đất chung phải có yêu cầu kĩ thuật là điện trở nối đất bé

Theo yêu cầu thì điện trở nối đất không nhỏ hơn 0,5 Ω

Các yêu cầu kĩ thuật cần đạt tới khi thiết kế hệ thống nối đất chung:

Trị số điện trở nối đất cho phép của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số điện áp bước và điên áp tiếp xúc trong mọi trường hợp không được phép vượt quá trị số cho phép Theo quy phạm thì tiêu chuẩn nối đất ăn toàn như sau:

Đối với các thiết bị nối có điểm trung tính trực tiếp nối đất thì trị số điện trở cho phép là R≤ 0,5Ω

Đối với các thiết bị có trung tính cách điện thì điện trở nối đất

Đối với nối đất của hệ thống thu sét ở các trạm biến áp khi bộ phận thu sét đặt ngay trên các xà nhừ trong đồ án này thì phần nối đất chống sét phải nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm

Trong đó thường chọn các đơn vị theo biểu thức tính sau:

Công thức tính điện trở toàn móng:

là 1 biện pháp hỗ trợ thêm

Ta chọn hình thức nối đất là dùng các thanh tròn đường kính d=2cm làm mạch vòng quanh trạm và chôn sâu cách mặt đất 0,8m theo chu vi của trạm là hình chữ nhật

Điện trở nối đất của mạch

)(

.ln 2

L K L

t: độ chôn sâu của điện cực làm mạch vòng, t=0,8m

L: chu vi mạch vòng hình chữ nhật ta đặt các thanh sắt cách hàng rào (tường) 1m mà trạm biến áp thiết kế có kích thước là 108m x 186 m vậy ta có:

2 106,24 6,0.654

'.4ln(

.2

1.2.[ln

l t d

l l

d = 0,95.b = 0,95.0,06 = 0,057m

Độ chôn sâu tính từ đỉnh cọc tới mặt đất: t=0,8m

Độ chôn sâu tính từ giữa cọc tới mặt đất:

t’ = t+

2

38,0

Suy ra:

92,96 2.3 1 4.2,3 3 [ln( ) ln( )] 26,405

R R R

mv c c

mv

mv c ht



c

26,0

Điện áp nối đất tại chỗ có dòng đIện sét isđi vào hệ thống nối đất là

),

Hệ phương trình truyền sóng cho mô hình trên:

t

i L

1 ( , ) [ 2 (1 ).cos( )]

t k

l G L

2 0 0

),0()

1

21.[

1)

r: bán kính của tiết diện thanh điện cực: r = d/2=0,01m

L0: là điện cảm của 1 đơn vị dài của đIện cực nối đất (H / m):

1

= 1 0,00514(1/ ) 2.0,2975.327  m

Trong phương trình (*) ta chỉ tính toán với k thoả mãn điều kiện:



l G L

ds



Theo công thức (*) thì tổng trở xung kích chỉ được tính cho 1 mạch Do đó tổng trở xung kích của cả hệ thống được tính theo công thức:

)]

1(

1

21.[

2

1)

,0

PHẦN 3 BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP LAN TRUYỀN VÀO TRẠM

Chống sét van không có khe hở

Bảo vệ điện áp phía 110kV

Hãy tính điện áp tại các điểm nút của TBA khi có sóng quá điện áp lan truyền từ đường dây tới

Sóng tới có dạng xiên góc biên độ U50%, độ dốc:

a=300+N=300+14=314kV/s

Chống sét van cấp điện áp tương ứng.(110kV)

Sơ đồ mô hình mạch để tính sóng truyền :

Điểm đặt máy biến áp : Điểm 2

Điểm dặt chống sét van: Điểm 3

TG phía 110 kV dài : 5.15 = 75 m (tham khảo tài liệu nhà máy điện và trạm biến áp, ta chọn kích thước ngăn lộ cho phía cấp điện áp 10kV có chiều dài

là 75m như hình vẽ trong phần tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm – PHẦN I)

Z

m dt

' 31

' 21

U dt1 C1 C1 C1

Tính theo sai phân ta được :

U T

t U

U T

t

C C C dt

C

1 1 1 1

1

.2

U t t

U1(  ) 1( ) C1

U U U U U U

U U U U U U

' 21 1 12 1

' 21 12

' 31 1 13 1

' 31 13

U U

U

C

21

2 21

U d T U

U dt

U d C Z U

C

C C

dt

C

C dt

dt

2

2 2

2

2

2 2

2 2

.2

2

Vậy:

U U

t t

Z Z

dt

dt

' 13 3

3

22

Z

U dt  dt csv csv

Để bảo vệ cho thiết bị điện của trạm biến áp ta sử dụng chống sét van loại không có khe hở được chế tạo từ ZnO Do đó hệ số phi tuyến  có giá trị :

Các bước tính điện áp tại nút 3:

Vẽ đường đặc tính V-A dựa vào đặc tính đã chọn U csv245.I csv0 , 025

I t

3.4 Kết quả tính toán: (bảng số liệu đi kèm)

0,667 (B2+

B3+B4 )

0,301

B7)

2 6.28 0.00 0.00 4.19 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.0

4 12.56 0.00 0.00 8.38 1.26 1.26 1.26 0.00 1.26 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.0

6 18.84 0.00 0.00 12.57 2.14 3.40 3.40 0.00 3.40 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.0

8 25.12 0.00 0.00 16.76 2.76 6.16 6.16 0.00 6.16 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.1 31.40 0.00 0.00 20.94 3.19 9.35 9.35 0.00 9.35 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.1

2 37.68 0.00 0.00 25.13 3.49 12.84 12.84 0.00 12.84 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

8

0.2 62.80 0.00 0.00 41.89 4.02 28.36 28.36 9.35 28.36 6.16 18.70 0.37 0.65 -8.70 12.32 12.32 6.16 0.2

2 69.08 0.00 0.00 46.08 4.07 32.43 32.43 12.84 32.43 9.35 25.68 0.55 1.20 -11.64 18.70 18.70 9.35 0.2

4 75.36 -1.26 0.00 49.42 4.11 36.54 37.80 16.54 36.54 12.84 33.08 0.75 1.95 -14.59 25.68 25.68 12.84 0.2

6 81.64 -3.33 0.00 52.24 3.88 40.42 43.74 20.39 40.42 16.54 40.77 0.95 2.90 -17.49 33.08 33.08 16.54 0.2

8 87.92 -5.88 1.26 55.56 3.56 43.97 49.85 24.34 42.71 20.39 48.67 1.16 4.05 -20.29 40.77 40.77 20.39 0.3 94.20 -8.70 3.40 59.30 3.49 47.46 56.16 28.36 44.06 24.34 56.72 1.36 5.41 -22.95 48.67 48.67 24.34 0.3

2

100.4

8

11.64 6.16 63.37 3.56 51.02 62.66 32.43 44.86 28.36 64.86 1.56 6.98 -25.45 56.72 56.72 28.36 0.3

-4

106.7

6

14.59 9.35 67.71 3.71 54.74 69.33 37.80 45.39 32.43 75.60 1.77 8.74 -29.06 64.86 64.86 32.43 0.3

-6

113.0

4

17.49 12.84 72.30 3.90 58.64 76.14 43.74 45.80 36.54 87.49 2.04 10.78 -32.96 73.08 73.08 36.54 0.3

-8

119.3

2

20.29 16.54 77.09 4.11 62.75 83.04 49.85 46.21 40.42 99.71 2.34 13.12 -36.73 80.83 80.83 40.42

-0.4 125.6

0

22.95 20.39 82.07 4.31 67.07 90.01 56.16 46.68 42.71 112.33 2.64 15.76 -40.40 85.43 85.43 42.71

-4

138.1

6

29.06 28.36 91.69 4.71 76.29 105.35 69.33 47.93 44.86 138.67 3.25 21.96 -47.37 89.73 89.73 44.86 0.4

-6

144.4

4

32.96 32.43 95.99 4.63 80.92 113.89 76.14 48.49 45.39 152.27 3.56 25.52 -50.62 90.78 90.78 45.39 0.4

-8

150.7

2

36.73 36.54 100.40 4.53 85.46 122.19 83.04 48.92 45.80 166.08 3.87 29.38 -53.65 91.61 91.61 45.80

-0.5 157.0

0

40.40 40.42 104.73 4.50 89.96 130.36 90.01 49.54 46.21 180.03 4.17 33.55 -56.46 92.43 92.43 46.21 0.5

-2

163.2

8

43.96 42.71 108.08 4.45 94.40 138.36 97.04 51.69 46.68 194.07 4.47 38.02 -59.02 93.36 93.24 46.56 0.5

-4

169.5

6

47.37 44.06 110.89 4.12 98.52 145.89 105.35 54.46 47.25 210.69 4.76 42.78 -62.56 94.49 94.41 47.16 0.5

-6

175.8

4

50.62 44.86 113.45 3.72 102.24 152.86 113.89 57.38 47.93 227.77 5.12 47.90 -65.98 95.86 95.76 47.83

-6

207.2

4

65.98 47.16 125.68 2.64 117.23 183.21 152.86 70.06 54.46 305.72 6.71 78.52 -74.34 108.92 107.42 52.96 0.6

-8

213.5

2

68.80 47.83 128.43 2.54 119.77 188.57 159.27 71.94 57.38 318.54 6.93 85.44 -73.82 114.76 113.26 55.88

-0.7 219.8

0

71.14 48.32 131.38 2.61 122.38 193.52 165.19 74.06 60.23 330.38 7.11 92.55 -72.64 120.45 118.95 58.73 0.7

-2

226.0

8

73.00 47.40 133.72 2.71 125.09 198.09 170.70 77.69 62.92 341.40 7.25 99.81 -70.89 125.85 124.15 61.22 0.7

-4

232.3

6

74.09 47.69 137.38 2.60 127.69 201.77 177.15 79.99 65.47 354.30 7.37 107.18 -69.97 130.95 129.25 63.77 0.7

-6

238.6

4

74.34 50.19 143.06 2.92 130.60 204.95 183.21 80.41 68.02 366.42 7.54 114.71 -68.50 136.05 134.35 66.32 0.7

-8

244.9

2

73.82 52.96 149.45 3.75 134.35 208.18 188.57 81.39 70.06 377.15 7.68 122.39 -66.18 140.13 138.43 68.36

-0.8 251.2

0

72.64 55.88 156.37 4.54 138.90 211.53 193.52 83.02 71.94 387.04 7.77 130.16 -63.36 143.88 142.18 70.24 0.8

-2

257.4

8

70.89 58.73 163.62 5.26 144.16 215.05 198.09 85.43 74.06 396.18 7.83 138.00 -60.09 148.12 146.42 72.36 0.8 263.7 -

-61.22 170.09 5.86 150.02 219.99 201.77 88.79 77.69 403.54 7.87 145.87 -55.90 155.37 153.07 75.39

-8

276.3

2

66.18 66.32 184.40 6.29 162.35 228.53 208.18 96.03 80.41 416.35 7.81 161.54 -46.64 160.83 158.53 78.11

-0.9 282.6

0

63.36 68.36 191.83 6.64 168.99 232.35 211.53 100.63 81.39 423.06 7.77 169.31 -42.22 162.79 160.49 79.09 0.9

-2

288.8

8

60.09 70.24 199.45 6.88 175.86 235.96 215.05 105.62 83.02 430.10 7.74 177.05 -38.00 166.04 163.74 80.72 0.9

-4

295.1

6

55.90 72.36 207.85 7.10 182.96 238.87 219.99 110.60 85.43 439.98 7.72 184.77 -35.22 170.86 168.56 83.13 0.9

-6

301.4

4

51.22 75.39 217.18 7.49 190.45 241.67 224.56 115.07 88.79 449.11 7.78 192.56 -32.00 177.58 175.28 86.49 0.9

-8

307.7

2

46.64 77.69 225.97 8.05 198.50 245.13 228.53 120.81 92.29 457.07 7.82 200.38 -28.15 184.57 182.27 89.99

-1 314.0

0

42.22 78.11 233.38 8.27 206.77 248.98 232.35 128.65 96.03 464.70 7.83 208.21 -24.14 192.05 188.21 92.19