bài tập dài môn cao áp

Để nâng cao mức độ cung cấp điện, giảm chi phí thiệt hại và nâng cao độ an toàn khi vận hành chúng ta phải tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho HTĐ Vì vậy việc thiết kế bảo vệ chống

Sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất hay giữa các đám mây mang các điện tích trái dấu.

Sét không những mang đến hậu quả nghiêm trọng đối với con người khi bị sét tác động mà với các thiết bị phân phối cũng vậy

Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng bao gồm NMĐ

- đường dây - TBA và các hộ tiêu thụ điện Trong đó có phần tử có số lượng lớn và khá quan trọng đó là các TBA, đường dây Trong quá trình vận hành các phần tử này chịu ảnh hưởng rất nhiều sự tác động của thiên nhiên như mưa, gió, bão và đặc biệt nguy hiểm khi bị ảnh hưởng của sét Khi có sự cố sét đánh vào TBA, hoặc đường dây nó sẽ gây hư hỏng cho các thiết bị trong trạm dẫn tới việc ngừng cung cấp điện và gây thiệt hại lớn tới nền kinh tế quốc dân

Để nâng cao mức độ cung cấp điện, giảm chi phí thiệt hại và nâng cao

độ an toàn khi vận hành chúng ta phải tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho HTĐ

Vì vậy việc thiết kế bảo vệ chống sét là một việc rất quan trọng đối với những sinh viên nghành hệ thống điện.Dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Hoàng Hiệp thì em đã hoàn thành bài tập dài Cao áp Tuy nhiên em không thể tránh khỏi những sai sót, do vậy em mong được sự đóng góp cho em về bài tập dài này

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy đã hướng dẫn cho em hoàn thành bài tập dài này

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng cuả hệ thống này là tập trung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên dưới hệ thống này.

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi có dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét

sẽ không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến các thiết bị khác gần đó

Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm

ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo về yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật

vệ của hệ thống thu sét.Hệ thống này có thể đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt cách ly tùy thuộc vào hoàn cảnh và điều kiện cụ thể.

Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm vi bảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi Nhưng mức cách điện của trạm phải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang thiết bị Vì đặt kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ

Đối với trạm phân phối có điện áp từ 110kV trở lên có mức cách điện khá cao (cụ thể khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) do đó có thể đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vào đất theo 3 đến 4 cọc nối đất, mặt khác mỗi trụ phải có nối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất

Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời điện áp từ 110kV trở lên là cuộn dây máy biến áp vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp là phải lớn hơn 15m theo đường điện

+Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua.Để chống ăn mòn phần dẫn điện cần phải sơn hoặc tráng kẽm và không nên dùng loại dây xoắn.Các mối nối dọc theo mạch điện của hệ thống thu sét phải đảm bảo có tiếp xúc tốt ,nếu không tại các nơi này có thể quá nóng hoặc có phóng điện tia lửa

phải được cho vào ống chì và chôn trong đất.

1.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và bố trí cột thu sét

Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thu hút phóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau

đó dẫn dòng điện sét xuống đất

Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào một điểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào trên công trình Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vật cần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ

1.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi phương trình:

0,75h

1,5h

R

Hình 1.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.

Bán kính được tính toán theo công thức sau:

Nếu x

2 h

3h

≤

thì 1,5 (1 0,8 )

x x

3h

>

thì 0,75 (1 )

x x

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu sét thì lớn hơn tổng phạm vi bảo vệ các 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 sét)

1.3.2 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét

a Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao.

Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai đỉnh cột và điểm có độ cao h0 - phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột được xác định theo công thức:

Hình 1.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao giống nhau.

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân

Nếu 0

2 3

b Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.

Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo vệ được xác định như sau:

Vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao (cột 1) có độ cao h1 và cột thấp (cột 2) có

độ cao h2 riêng rẽ Qua đỉnh cột thấp (cột 2) vẽ đường thẳng ngang gặp

đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của một cột thu sét giả định Cột 2 và cột 3 hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau và bằng h2 với khoảng cách a’ Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h2 Điểm này được xem như đỉnh của một cột thu sét giả định

Ta xác định được các khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h2 là a’ và x như sau:

h ≤ h

thì

2 1

h > h

thì

2 1

Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau h2

c Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột thu sét ( số cột > 2 ).

Khi công trình cần bảo vệ chiếm một diện tích rộng lớn thì người ta thường dùng một hệ thống nhiều cột thu sét để bảo vệ Để xác định phạm vi bảo vệ, ta chia hệ thống cột thu sét thành từng nhóm ba hoặc bốn cột thu sét ở gần nhau

Bên ngoài diện tích của đa giác đi qua chân các cột thu sét, phạm vi bảo

vệ được xác định như giữa hai cột thu sét với nhau

Hình1.4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ nhật.

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cột thu lôi phải thoả mãn: D≤h p a. =8(h h p− x)

Trong đó: D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b,c có:

Với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật

Chiều cao tác dụng của cột thu sét ha phải thoả mãn điều kiện:

8

a D

h ≥

B Tính toán

1.1 Bố trí cột thu sét

Theo sơ đồ kết cấu của trạm thì ta biết được mặt bằng mà chưa biết cụ thể vị trí đặt các thiết bị trong trạm Với thông tin này ta chỉ cần bố trí cột chống sét sao cho các cột có thể bảo vệ được phần diện tích mặt bằng của trạm với độ cao hX là được.Với hx là chiều cao của trạm cần được bảo vệ.Đối với trạm 220 kV xà cao: 16,5m và 11,5m nên chọn độ cao cần bảo

Điện trở suất của đất 80 Ω.m

Với kết cấu của trạm ta có phương án bố trí các cột có khoảng cách giữa các cột như hình vẽ sau

Chiều cao cần bảo vệ hx = 16,5 m.

Nên chiều cao tối thiểu của cột chống sét là:

1,2,6,7

65 16,5 24, 6

Chiều cao cần bảo vệ hx = 11 m

Nên chiều cao tối thiểu của cột chống sét là:

1.2 Tính toán và vẽ phạm vi bảo vệ của các cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kv cao 25m.

+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 16,5m:

Bán kính bảo vệ của từng cột độc lập phía 220kv là:

) h 8 , 0

h 1 (

h 5 , 1

0 0

0

h

h h

.75,

0 h h

r = − x 0, 75.19, 4.(1−16,5)

Tính toán tương tự với các cặp cột khác ta có bảng sau:

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kv cao 22m.

+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 11m:

)h8,0

h1.(

h5,1

=

111,5.22.(1 )

hx=11m là:

) 1 (

75 , 0

0 0

0

h

h h

=

11 0,75.12,3.(1 )

3 h 3

mBán kính bảo vệ của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi (5-10) ở độ cao

hx=11m là:

)1.(

.75,0

0 0

0

h

h h

=

11 0,75.14,6.(1 )

75 , 0

h

h h

.75,0

0 0

0

h

h h

=

110,75.12,6.(1 )

x (m)

a' (m)

ho (m)

TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP.

2.1 YÊU CẦU KĨ THUẬT KHI NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP.

Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúc với dòng điện(hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất Nhiệm vụ của nối đất

là tản dòng điện xuống đất để dảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số

bé Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp Tùy theo nhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia là ba loại

+ Nối đất điểm trung tính máy biến áp

+ Hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất

+ Nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện

Nối đất an toàn.

Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hư hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phần kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại Khi cách điện

bị hư hỏng do lão hóa thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhưng

do nối đất nên điện thế này có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho người tiếp xúc

phóng điện sét gây nên Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ trên cột điện và đất Nếu không, mỗi khi co sét đánh vào cột chống sét hoặc trên đường dây, sóng điện áp có khả năng phóng điện ngược tới các thiết bị và công trình cần bảo vệ, phá hủy các thiết bị điện và máy biến áp.

Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trong thực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ Song

hệ thống nối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm đất lớn do vậy yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ

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 Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏ thì rất tổn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cả hai được cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế

Một số yêu cầu kỹ thuật của điện trở nối đất.

Trị số điện trở nối đất của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số điện áp bược và tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không vượt quá giới hạn cho phép

+ Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điện trở nối đất phải thỏa mãn : R ≤ 0,5 Ω

+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì:

250( )

tt

R I

+ Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một

hệ thống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì :

nhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R ≤ 1 Ω Thực tế

dù RTN ≤ 0,5 Ω thì vẫn phải nối đất nhân tạo vì RTN có thể xảy ra biến động như đứt dây chống sét tại khoảng vượt gần trạm

+ Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn

có như các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chộn trong đất… Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chon trong đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia

+ Vì đất là một trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất như các loại muối, axit…chứa trong đất, độ ẩm, nhiệt độ và điều kiện khí hậu Ở Việt Nam khí hậu thay đổi theo từng mùa, độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất của đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng Do vậy trong tính toán thiết kế về nối đất thì trị số điện trở của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn

Công thức hiệ chỉnh như sau: ρTT = ρdo Kmua (2.1)

Trong đó: ρTT là điện trở suất tính toán của đất.

ρdo là điện trở suất đo được của đất.

Kmualà hệ số mùa của đất.

Hệ số Kmua của đất phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chộn sâu của điện cực.

2.2 CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT.

Điện trở suất đo được của đất ρdo= 80 Ωm.

Điện trở nối đất cột đường dây : Rc = 6 Ω

Dây chống sét sử dụng loại C-70 có điện trở đơn vị là r0 = 2,38 Ω/km

Chiều dài khoảng vượt đường dây:

Phía 220kV: l220 = 250m

Trong đó: RTN: Điện trở nối đất tự nhiện.

RNT: Điện trở nối đất nhân tạo, RNT ≤ 1 Ω.

a/ Điện trở nối đất tự nhiên.

Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đường dây và cột điện 110kV và 220kV tới trạm

Ta có công thức sau:

1

c TN

c cs

R R

Rcs:là điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng

c cs

R R

c cs

R R

b/ Điện trở nối đất nhân tạo.

Nối đất có các hình thức cọc dài 2-3m bằng sắt tròn hay sắt chọn thẳng đứng Thanh dài chon nằm ngang ở độ sâu 0,5 ÷ 0,8 m đặt theo hình tia, mạch vòng hoặc tổ hợp của hai hình thức trên

 Đối với nối đất chọn nằm ngang có thể dùng công thức chung sau:

2

ln

tt T

K L R

ρ π

=

(2.4)Trong đó:

L: chiều dài tổng của điện cực

d: đường kính điện cực khi diện cực dùng sắt tròn Nếu dùng sắt dẹt thì trị số d thay bẳng b/2 với b là chiều rộng của sắt dẹt.t: độ chon sâu

K: hệ số hình dạng phụ thuộc sơ đồ nối đất

- Hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài hình tia hoặc theo chu vi mạch vòng:

T C HT

R R R

=

+ (2.5)

ƞT : hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng.

tt MV

K L R

ρ π

=

(2.6)Trong đó L là chu vi mạch vòng

Với mặt bằng của chạm ta có mạch vòng hình chữ nhật có các cạnh là

L1 = 214 m và L2 = 104m

t : độ chon sâu của thanh lấy t = 0,8m

ρtt : điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chon ở

K : hệ số hình dạng phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất

Giá trị của K phụ thuộc vào kích thước mạch vòng và được cho ở bảng sau:

Với tỉ số L1/L2 = 214/104 = 2,06 bằng phương pháp nội suy:

3 2 8,17 6, 428,3

K L R

R = Ω < Ω như vậy đạt yêu cầu.

Vậy ta thiết kế hệ thống nối đất theo điều kiện điện trở nối đất nhân tạo là:

( )

0,6

yc NT

bố không đều, sau một thời gian ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp phân bố sẽ đều hơn

Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian

ứng với các hình thức nối đất dùng cọc hoặc thanh có chiều dài không lớn lắm

và gọi là nối đất tập trung

Trong tính toán thiết kế trạm biến áp 220/110 kV, thường thì phần nối đất nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm Như vậy sẽ gặp trường hợp nối đất phân bố dài, tổng trở xung kích Zxk có thể lớn gấp nhiều lần so với điện trở tản xoay chiều làm tăng điện áp giáng trên bộ phận nối đất và có thể gây phóng điện ngược đến các phần mang điện của trạm Do đó ta phải tính toán, kiểm tra theo yêu cầu của nối đất chống sét trong trương hợp có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất

Yêu cầu kiểm tra : ta kiểm tra theo điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cho cách điện của máy biến áp : I.Z(0;τđs) ≤ U50%MBA

Trong đó : I – là trị số dòng điện sét lấy bằng 150 kA

Z(0;τđs) – tổng trở xung kích nối đất tại thời điểm ngay chỗ dòng điện sét đi vào điện cực

U50% - trị số điện áp phóng điện bé nhất của máy biến áp Trạm 110 kV : U50% = 460 kV

Trạm 220 kV : U50% = 900 kV

Ta tiến hành nối đất chống sét cho toàn trạm với mức điện áp là 220kV:

Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:

Hình 2.2 : Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất.

Trong mọi trường hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng R vì nó bé so với trị số điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét tới phần điện dung C vì