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.
Trang 1BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC
KĨ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Họ và tên sinh viên:
Lớp: Hệ Thống Điện Hà Tĩnh
STT: 20
Trang 2LỜI 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 điaạn 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
Sinh viên
Trang 3MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 2
MỤC LỤC 3
TÀI LIỆU THAM KHẢO 4
A – ĐỀ BÀI: 5
PHẦN 1 BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 5
PHẦN 2 BẢO VỆ CHỐNG SÓNG QUÁ ĐIỆN ÁP LAN TRUYỀN 5
B–BÀI LÀM: 8
PHẦN 1 TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TBA 220/110 kV 8
1.1 Dẫn nhập: 8
1.2 Tính toán: 10
PHẦN 2 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN VÀ NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 15
2.1 Dẫn nhập: 15
2.2 Tính toán hệ thống nối đất 16
PHẦN 3 BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP LAN TRUYỀN VÀO TRẠM 25 3.1 Xác định yêu cầu: 25
3.2 Điện áp tại nút 1: 27
3.3 Tính điện áp tại nút 2: 29
3.4 Tính điện áp tại nút 3: 30
3.4 Kết quả tính toán: (bảng số liệu đi kèm) 32
Trang 4TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Võ Viết Đạn Giáo trình kĩ thuâth điện cao áp, Hà Nội - 1972
[2] Nguyễn Minh Chước Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao
áp, Hà Nội - 2002
[3] Trần Văn Tớp, Bài giảng kĩ thuật điện cao áp
Trang 5A – 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
Trang 6Chống sét van CSV không có khe hở
Trang 7M¸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
Trang 8Trước 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
Trang 9Phần thứ 2 không kém quan trọng là thiết kế nối đất để tản dòng điện sét vào đất một cách an toàn
Trang 101.2 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:
Trang 111 2 2
1
1 2 2
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
Trang 121.2.2 Áp dụng vào tính toán
Víi kÝch th-íc cña tr¹m ta bè trÝ 13 cét thu sÐt, vÞ trÝ cña c¸c cét trªn h×nh
vÏ Bảo vệ chính trong bài tập dài này là cho phía 110 kV
Trang 13Bán kính của đ-ờng tròn đi qua 4 đỉnh của các hình chữ nhật: C1, C2, C3, C4 và 4 đỉnh C2, C3, C4, C5 là :
Trang 140,8.2810,125 m
0,8.186,38 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) Do đó ta không cần phải tính toán phạm vi bảo vệ giữa các cột có độ cao giống nhau và các cột có độ cao khác nhau
Trang 15PHẦN 2 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN VÀ NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
CHO TRẠM BIẾN ÁP
2.1 Dẫn nhập:
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
Trang 16Đối 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
Trang 17Ta 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:
Trang 18.2
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
2l = 2,3m Suy ra:
R R R
mv c c
mv
mv c ht
Trang 19
Số cọc thêm vào 588 98,04
6
L n a
sét, qua quá trình tính lặp, ta chọn luôn số cọc là 110 cọc
55,0
c
26,0
mvTra bảng ta có:
0,379627 0,5 0,26.26,64379 110.0,55.0,715328
c mv ht
Điện áp nối đất tại chỗ có dòng đIện sét isđi vào hệ thống nối đất là
),
Với trạm 220 kV ta phải có: UdU50%BA 990kV
Với trạm 110 kV ta phải có: UdU50%BA 660kV
Sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất kéo dài khi bỏ qua ảnh hưởng của quá trình phóng điện tia lửa trong đất và cho rằng điện trở của đất suất cùa đất là không đổi, bỏ qua điện dung
Trang 201 ( , ) [ 2 (1 ).cos( )]
t k
G l
L
k
T k
l G L
1 2 2
2 0 0
),0(),0(
1
21.[
1),0
Trang 21s a
và có tham số là G0 và L0
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):
Hiệu chỉnh trị số điện trở nối đất mạch vòng theo hệ số mùa sét:
0,55885 1,6
c mv ht
Trang 22
T k ds
2 2
2 0 0
k
l G L
ds
4
2 0 0
2 2
l G L
suy ra: k 2 0 0 2.294 2,057748.0,005492
10,49388 3
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
Trang 24Như vậy điện áp nối đất tại chỗ có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất
có giá trị:
Ud = 655,3401kV < U50%BA= 660kV
Do đó ta không cần tiến hành nối đất bổ sung
Trang 25PHẦN 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+20=320kV/s
Chống sét van cấp điện áp tương ứng.(110kV)
Sơ đồ mô hình mạch để tính sóng truyền :
Trang 26Điểm đặt máy biến áp : Điểm 2
Điểm dặt chống sét van: Điểm 3
TG phía 110 kV dài : 4.17 = 68m (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 10m như hình vẽ trong phần tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm – PHẦN I)
Trang 27Z
m dt
667,0
01
' 31
' 21
Trang 28' 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
Trang 2912 '
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
Trang 30t t
Z Z
dt
dt
' 13 3
3
22
U13 1 31'
Khi t<2t =0,2 s thì U' 0, do đó : U U
Trang 31Tính được U3 bằng phương pháp đồ thị (dựa vào U dt, Z dt, đặc tính V-S, V-A của chống sét van):
U I
Các bước tính điện áp tại nút 3:
Vẽ đường đặc tính V-A dựa vào đặc tính đã chọn U csv245.I csv0 , 025
Trang 32I t
3.4 Kết quả tính toán: (bảng số liệu đi kèm)
Trang 33B10 (t-t13) 2B9
0,0441
B14) B14+B13 B14-B9 2B11 Giải pt
(B12- B11
Trang 350.9 288.00 -44.60 151.52 263.41 4.77 251.96 296.56 234.89 100.44 55.92 469.78 11.21 198.54 -36.35 111.84 239.4 183.51 0.92 294.40 -44.20 151.36 267.83 4.56 256.51 300.72 254.97 105.16 73.39 509.94 11.97 210.51 -44.46 146.79 240.6 167.23 0.94 300.80 -43.40 151.02 272.42 4.51 261.02 304.42 268.73 109.99 48.46 537.47 13.21 223.72 -45.01 96.93 241.8 193.36
Trang 360.96 307.20 -42.22 150.53 277.14 4.54 265.56 307.77 278.56 115.03 65.52 557.11 13.84 237.56 -40.99 131.04 243 177.51 0.98 313.60 -40.69 149.86 281.99 4.61 270.17 310.86 285.92 120.31 76.69 571.84 14.10 251.66 -34.26 153.38 244.2 167.54
1.02 326.40 -36.71 144.30 289.47 4.35 279.22 315.93 296.56 134.92 90.53 593.11 14.02 279.80 -16.75 181.07 246.6 156.09 1.04 332.80 -34.30 141.89 293.74 4.08 283.30 317.60 300.72 141.41 95.66 601.44 13.82 293.63 -7.09 191.32 247.8 152.16
1.08 345.60 -27.37 167.23 323.81 16.08 303.53 330.90 307.77 136.30 105.16 615.55 13.31 320.52 12.74 210.32 250.2 145.07 1.1 352.00 -23.61 193.36 348.01 8.07 311.60 335.21 310.86 118.24 109.99 621.72 13.02 333.53 22.67 219.99 251.4 141.43 1.12 358.40 -33.35 177.51 335.20 14.49 326.09 359.44 313.72 148.59 115.03 627.44 12.71 346.25 32.53 230.06 252.6 137.59