Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và tính toán nối đất cho trạm biến áp với các số liệu sau

Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và tính toán nối đất cho trạm biến áp với các số liệu sau

Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và tính toán nối đất cho trạm biến áp với các số liệu sau :

Cấp điện áp : 110 kV/ 22 kV

Kích thước trạm biến áp : l1 = 108 m

l2 = 68 m

Chiều cao cần bảo vệ :

Phía điện áp 22kV , hx = 5 m

Phía điện áp 110kV , hx = 12 m

Điện trở suất đo được của đất : ρ = 0,3 104 Ω.cm

Hệ số mùa an toàn : Kmt = 1,5

Kmc = 1,35

Hệ số mùa sét : Kmt = 1,25

Kmc = 1,1

Ta có sơ đồ diện tích mặt bằng của trạm biến áp :

I Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm biến áp :

1 ) Bố trí cột thu sét :

Nguyên tắc chung : dựa vào sự phát triển có hướng của tiên đạo sét ; người ta dùng các hệ thống thu sét là các cột thu sét có độ cao lớn và điện trở bé để thu hút các phóng điện sét tạo khu vực an toàn xung quanh nó

Hệ thống thu sét có bộ phận thu sét là kim thu sét và bộ phận tản dòng điện sét là

hệ thống nối đất

Dựa vào kích thước trạm biến áp ta bố trí các cột thu sét như hình dưới : 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 thu sét sao cho các cột

có thể bảo vệ được phần diện tích mặt bằng của trạm với độ cao hx là được

Phân tích phương án chọn :Trong phạm vi bài tập dài này ta không tiến hành so sánh các phương án mà chỉ đảm bảo yêu cầu kỹ thuật là được ; vì hx = 12m phía điện áp cao nên ta lẽ ra phải đóng thêm cột thu sét phía cao áp nhưng do kích thước trạm thuộc loại trung bình khi đóng thêm cột thì chiều cao giảm cũng không nhiều trong khi phải thêm kinh phí cho cột thêm Khi bố trí như vậy vẫn đảm bảo hiệu quả chống sét ( h < 30 m )

a Phạm vi bảo vệ của các cột 1 ; 2 ; 4; 5 : Đường kính của đường tròn đi qua 4 đỉnh 1 ; 2 ; 4; 5 là D = (( l / 2 ) l 2 ( 54 2 68 2 )

2 2

Do đó để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi hình chữ nhật trên được bảo vệ thì : D

≤ 8 ha → ha =868,83 = 10,85 (m )

Vì độ cao của vật cần bảo vệ ở phía 22 kV là hx = 5 m nên độ cao của các cột thu lôi trên là : h = hx+ ha = 5 + 10,85 = 15,85 ( m )

b.Phạm vi bảo vệ của các cột 2; 3; 5;6: Xét độc lập với phía hạ áp

Đường kính của đường tròn đi qua 4 đỉnh 2; 3; 5;6là D = (( l / 2 ) l 2 ( 54 2 68 2 )

2 2

= 86,83 (m )

Do đó để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi hình chữ nhật trên được bảo vệ thì : D

≤ 8 ha → ha =868,83 = 10,85 (m )

Vì độ cao của vật cần bảo vệ ở phía 110kV là hx = 12 ( m ) nên độ cao của các cột thu lôi trên là : h = hx+ ha = 12 + 10,85 = 22,85 ( m )

→ Để đảm bảo cho tính toán vùng bảo vệ được đơn giản và chính xác và đảm bảo

dự trữ cột trong kho là ít chủng loại ta chọn cả 6 cột thu sét cùng độ cao là

h = 23 ( m )

2) Tính toán và vẽ phạm vi bảo vệ cho các cột thu sét :

a Phần trạm phía điện áp 22kV :

+ ) Bán kính của khu vực bảo vệ của cột thu lôi cao h = 23 m ở độ cao cần

bảo vệ hx = 5 m là : rx = 1,5h.( 1 - 0h,8xh ) = 1,5.23.( 1 - 0,8523 ) = 25,13 m

( Vì hx = 5 m ≤ 2h/3 = 15,33 m )

+ ) Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi 1 – 2 là :

h0 = h – a/7 = 23 – 54/7 = 15,29 ( m )

Như vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi ở độ cao hx = 5m là :

r0x = 1,5.h0.( 1 -

0

x

h 8 , 0

h

) = 1,5.15,29.( 1 - 0,8515,29 ) = 13,56m ( vì hx = 5m ≤ 2h0/3 = 10,19m )

+ ) Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi 1 – 4 là :

h0 = h – a/7 = 23 – 68/7 = 13,29 ( m )

Như vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi ở độ cao hx = 5m là :

r0x = 1,5.h0.( 1 -

0

x

h 8 , 0

h

) = 1,5.13,29.( 1 - 0,8513,29 ) = 10,56m ( vì hx = 5m ≤ 2h0/3 = 8,86m )

b Phần trạm phía điện áp 110kV :

+ ) Bán kính của khu vực bảo vệ của cột thu lôi cao h = 23 m ở độ cao cần

bảo vệ hx = 12 m là : rx = 1,5h.( 1 - 0h,8xh ) = 1,5.23.( 1 - 0,81223) = 12 m

( Vì hx = 12 m ≤ 2h/3 = 15,33 m )

+ ) Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi 2 – 3 là :

h0 = h – a/7 = 23 – 54/7 = 15,29 ( m )

Như vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi ở độ cao hx = 12m là :

r0x = 0,75.h0.( 1 -

0

x

h

h

) = 0,75.15,29.( 1 - 1512,29 ) = 2,47m ( vì hx = 12m > 2h0/3 = 10,19m )

+ ) Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi 2 – 5 là :

h0 = h – a/7 = 23 – 68/7 = 13,29 ( m )

Như vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi ở độ cao hx = 12m là :

r0x = 0,75.h0.( 1 -

0

x

h

h

) = 0,75.13,29.( 1 - 1312,29 ) = 0,97m ( vì hx = 12m > 2h0/3 = 8,86m )

Các nhóm hai cột khác tính tương tự như các trường hợp trên

Từ các số liệu tính toán về phạm vi bảo vệ của các cột thu sét ở trên ta có bản vẽ phạm vi bảo vệ như hình bên

II Tính toán nối đất :

Tác dụng của nối đất là để tản dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các vật được nối đất

Nối đất an toàn ( bảo vệ ) : có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện

bị hư hỏng Khi cách điện bị hư hỏng các bộ phận kim loại bình thường không mang điện sẽ có xuất hiện điện thế nhưng do đã được nối đất nên giữ được mức điện thế thấp

Nối đất chống sét : 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 đến công trình cần bảo vệ

1 ) Nối đất an toàn :

a Đối với phần trạm phía hạ áp 22kV :

+ ) Nối đất an toàn với mục đích bảo vệ con người Nối đất an toàn với trạm ở điện áp 22kV phải thỏa mãn điều kiện sau :

Rđ ≤ 4 ( Ω )

+ ) Để đảm bảo yêu cầu trên ta sử dụng thanh kim loại tiết diện tròn đường kính

d = 2 cm chôn sâu một đoạn h = 0,8 m xung quanh trạm phía hạ áp ( nối đất mạch vòng ) cách đường bao của trạm 3 m để đảm bảo dễ thi công và đảm bảo hệ thống nối đất của hai phía điện áp không ảnh hưởng lẫn nhau → Rđ = Rt = Rmv được xác định theo công thức sau :

.

d h

L K ln L 2

K R

R

2 at

mt T

MV









Trong đó : ρ – Điện trở suất của đất (ρ = 0,3.104 Ωcm = 0,3.102 Ωm )

Kat

mt - Hệ số mùa của nối đất an toàn (Kat

mt = 1,5 )

L – Chu vi của mạch vòng nối đất

( L = 2( a + b) = 2.( 62 +48) = 220m)

d – Đường kính thanh ( d = 2 cm = 0,02 m)

h – Độ chôn sâu ( h = 0,8 m)

K – Hệ số hình dáng phụ thuộc hình dáng hệ thống nối đất

Với nối đất mạch vòng ta có bảng quan hệ giữa K phụ thuộc tỷ số l1/ l2:

Từ đó ta có đồ thị biểu diễn quan hệ trên để từ đó dùng biện pháp nội suy ta sẽ tìm được K trong trường hợp này :

Vì a / b = 62/48 = 1,29 → K = 5,6637

Thay số vào ta được : ln5,66370,8.0.,22002

220 2

5 , 1 10 3 ,





 T

MV R R

= 0,542 ( Ω ) Suy hệ thống nối đất trên đã đạt yêu cầu kỹ thuật ( RMV < 4 ( Ω ) )

b Đối với phần trạm phía cao áp 110kV : khi xây dựng hệ thống nối đất trước tiên phải tận dụng hệ thống nối đất tự nhiên Trong trạm biến áp ta có thể lợi dụng hệ thống dây chống sét cột :

4

1 R

R ( 2 1 R

CS C C







Trong đó : Rtn – Điện trở nối đất tự nhiên

n – Số lộ đường dây đi ra ( n = 2)

RC – Điện trở nối đất của cột đường dây :

Theo qui định nếu ρ = 0,3.104 Ωcm < 104 Ωcm → RC = 10 Ω

RCS – Điện trở dây chống sét trong một khoảng vượt :

Dây chống sét ta sử dụng loại C – 70 có R0 = 2,38 Ω/km và Uđm = 110kV thì

lkv = 200m =0,2km → RCS = R0 lkv = 2,38.0,2 = 0,476 Ω

Thay số ta được : Rtn = 12 )

4

1 476 , 0

10 ( 2 1

10







= 0,98 Ω > 0,5 Ω → Ta phải nối đất

nhân tạo

+ )Nối đất an toàn với trạm có U ≥ 110kV phải thỏa mãn 2 điều kiện sau :

RHT = Rtn // RNT ≤ 0,5 Ω và RNT ≤ 1 Ω

Trong đó : RNT - Điện trở nối đất nhân tạo

 NT

TN

TN NT R R

R R







1 98 , 0 2

98 , 0 1 R 2

R R

TN

TN NT

Kết hợp lại ta phải thiết kế hệ thống nối đất sao cho RNT ≤ 1

+ ) Để đảm bảo yêu cầu trên ta sử dụng thanh kim loại tiết diện tròn đường kính

d = 2 cm chôn sâu một đoạn h = 0,8 m xung quanh trạm phía cao áp ( nối đất mạch vòng hình chữ nhật sát các cột thu sét ) → Rđ = Rt = Rmv được xác định theo công thức sau :

d h

L K ln L 2

K R

R

2 at

mt T

MV









Trong đó : ρ – Điện trở suất của đất (ρ = 0,3.104 Ωcm = 0,3.102 Ωm )

Kat

mt - Hệ số mùa của nối đất an toàn (Kat

mt = 1,5 )

L – Chu vi của mạch vòng nối đất :

( L = 2( a + b) = 2.( 68 +54) = 244 m)

d – Đường kính thanh ( d = 2 cm = 0,02 m)

h – Độ chôn sâu ( h = 0,8 m)

K – Hệ số hình dáng phụ thuộc hình dáng hệ thống nối đất

Với nối đất mạch vòng ta có bảng quan hệ giữa K phụ thuộc tỷ số l1/ l2:

Từ đó ta có đồ thị biểu diễn quan hệ trên để từ đó dùng biện pháp nội suy ta sẽ tìm được K trong trường hợp này :

Vì a / b = 68/54 = 1,26 → K = 5,6473

Thay số vào ta được : ln5,64730,8.0.,24402

244 2

5 , 1 10 3 ,





 T

MV R R

= 0,495 ( Ω ) Suy hệ thống nối đất trên đã đạt yêu cầu kỹ thuật ( RMV ≤1 ( Ω ) )

2 ) Nối đất chống sét :

a Nối đất chống sét cho trạm phía điện áp 22kV : Trạm ở phía điện áp 22kV nối đất chống sét riêng biệt với nối đất an toàn

Ta sẽ tính điện trở nối đất của từng cột thu sét từ điều kiện đảm bảo khoảng cách

an toàn trong không khí và trong đất để không bị phóng điện lên thiết bị :

+ ) SK >

500

a h L R

IS C  0 X

Trong đó : Cường độ cách điện của không khí EK

PĐ = 500kV/m

IS – Biên độ dòng điện sét ( IS = 150 kA )

RC – Điện trở nối đất xung kích của cột thu lôi

L0 – Điện cảm đơn vị của cột ( L0 = 1,7 μH /m )H /m )

hX – Chiều cao của vật cần bảo vệ ( hX = 5 m )

a – Độ dốc của dòng điện sét ( a = 30kA / μH /m )s )

→ RC =

S

X 0 K

I

a h L S

= 500.5150 1,7.5.30 = 14,97 Ω (Vì qui phạm SK ≥ 5m ) + ) Sđ ≥

300

R

.

IS C

; Cường độ cách điện của đất Eđ

PĐ = 300kV/m

→ RC =

S

đ

I

S 300

=300150.3 = 6 Ω ( Vì qui phạm Sđ ≥ 3m ) Suy ra ta phải thiết kế được hệ thống nối đất tại mỗi cột thu sét đạt được RC = 6 Ω

Ta sử dụng sơ đồ nối đất hình tia tại chân mỗi cột số tia là 3 và chiều dài mỗi tia là

10 m

Điện trở tia được tính theo công thức :

d h

l.

k ln l.

2

K R

2 cs

mt cs

t







Trong đó : l – Tổng chiều dài các tia ( l = 30 m )

Kcs

mt - Hệ số mùa sét của thanh (Kcs

mt = 1,25 )

k – Hệ số hình dáng của tia ( k = 2,38 )

h – Độ chôn sâu ( h= 0,8 m )

d – Đường kính thanh ( d = 0,02 m )

→ ln20,,388.0.30,02

30 2

25 , 1 10 3

,

0

t



 = 2,35 Ω → Thỏa mãn điều kiện nối đất chống

sét

b Nối đất chống sét cho trạm phía điện áp 110kV : Tính toán nối đất chống sét có phức tạp hơn vì ở đây phải đề cập tới cả hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất :

- Quá trình quá độ do sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực

- Quá trình phóng điện trong đất

Do sử dụng một hệ thống nối đất chung cho cả nối đất an toàn và nối đất chống sét nên ta phải tính toán lại điện trở nối đất nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét

Do hệ thống nối đất là nối đất mạch vòng có L(điện cảm ) lớn và mật độ dòng điện

ở các phần xa của điện cực giảm → Để đơn giản ta bỏ qua ảnh hưởng của quá trình phóng điện tia lửa trong đất

Ta có thể bỏ qua điện trở tác dụng của bản thân điện cực và điện dung của điện cực đối với nơi có thế bằng 0 của đất vì chúng có trị số nhỏ → Sơ đồ thay thế còn lại như sau :

a.t

2

2

10 m

Trong đó : L0 ; g0 – Lần lượt là điện cảm và điện dẫn trên một đơn vị dài của cực nối đất

Trong sơ đồ ta tính cho một nửa mạch vòng nối đất :

Ta có : + )L0 = 0,2 ( ln rl - 0,31 ) μH /m )H/m

l – chiều dài của một nửa mạch vòng nối đất ( l = 244/2= 122 m )

r – Bán kính của thanh nối đất tiết diện tròn ( r = d/2 = 0,02/2=0,01m)

→ L0 = 0,2 ( ln0122,01 - 0,31 ) = 1,820 μH /m )H/m

+ ) g0 = 2 R1 l



 (1 / Ωm ) Trong đó : R – Điện trở tản xoay chiều tính trong mùa sét

R = RNT(sét) = RCS

MV = RAT

MV KCS

MT/ KAT

MT = 0,495.1,25 / 1,5 = 0,413 Ω

RAT

MV - Điện trở tản xoay chiều của hệ thống nối đất an toàn

KCS

MT - Hệ số mùa sét của thanh

KAT

MT - Hệ số mùa an toàn của thanh

→ g0 = 20,4131 122 = 0,01 (1 / Ωm )

Giải mạch trên ta sẽ tính được tổng trở sóng đầu vào tại thời điểm t

( Z( 0, t ) ) có xét tới hai phần của mạch vòng ghép song song :

ZXK = Z ( 0 , t) / 2 =









































1 K

T t

2 1 0

K e 1 k

1 t

T 2 1 l.

g 2 1

Ta có ZXK ở thời điểm đs : ZXK =











































 1

K

T 2

đs

1 0

K đs

e 1 k

1 T 2 1 l.

g 2 1

Trong đó : 



























1 K

T

đs e 1 k

1

đs T 1

1

e K

1 K













1 K

T 2 K

đs

e K 1

Vì e-3  0,05 ; e-4  0,0183 ; e-5  0,0067 ; e-6  0,00248

Ta thấy e-5 rất nhỏ so với e-4 vì thế có thể bỏ qua chỉ xét e-4 tức là tính đến K sao cho τđs/ TK ≥ 4 → TK ≤ 1,25 μH /m )s → K ≥ 1,T251  271,25,45

= 4,69 ( vì TK = T1/ K2 )

Vì : T1 = 0 20 2 1 , 820 0 , 012 1222



l g L

= 27,45 μH /m )s

Ta tính với K = 15 ; ta có b ng tính toán sau :ảng tính toán sau :

1 / K2 1 0,25 0,111 0,0625 0,04

TK = T1/K2 27,45 6,863 3,047 1,716 1,098

τđs / TK 0,182 0,729 1,641 2,914 4,554

Suy ra :

K

đs

T

K

e

K









1 2

= e 0 , 182 + e 0 , 729.0,25 +e 1 , 641.0,111 + e 2 , 914.0,0625 +e 4 , 554

.0,04 = 0,980

Vậy :

6

( 5

45 , 27 2 1 122 01 , 0 2



















Ω Với dòng điện sét là IS = 150 kA :

→ UXK = IS ZXK = 150 3,402 = 510,3 kV > UBA

50% = 460 KV

→ Ta phải nối đất bổ sung để tản dòng sét và giữ mức điện thế thấp

Nối đất bổ sung : tại tất cả các chân cột thu sét , ta sử dụng nối đất tập trung gồm thanh và cọc Trong tính toán chỉ xét đến một cái nối đất bổ sung vì ta giả thiết là sóng xung kích đi vào hệ thống nối đất tại điểm ấy

+ )Với thanh nối đất bổ xung là thép dẹt có kích thước :

Chiều dài : l = 10 m

Bề rộng : b = 0,04 m

+ ) Dọc theo chiều dài thanh có chôn 3 cọc tròn có kích thước :

Chiều dài cọc : l = 2,5 m

Đường kính cọc : d = 0,04 m

Khoảng cách giữa 2 cọc : a = 5 m

+ ) Độ chôn sâu của thanh và cọc : h = 0,8 m

Sơ đồ nối đất của tia bổ xung :

+ ) Điện trở nối đất của thanh bổ sung :

d t

l K ln l 2 R

2 T

tt T







ρ t

tt = Kcs

mt ρ = 1,25.0,3.102 = 37,5 Ωm

l = 10m ; K = 1 ; h = 0,8 m ; d = b/2 = 0,04/2 = 0,02 m

→ ln01,8.10.0,02

10

2

5 , 37





















l t

l t d

l l R

C tt C

4

4 ln 2

1 2 ln

2 



ρC

tt = Kcs

mc ρ = 1,1.0,3.102 = 33 Ωm

l = 2,5 m ; d = 0,04 m ; t l h 0 , 8 2 , 05m

2

5 , 2





















5 , 2 05 , 2 4

5 , 2 05 , 2 4 ln 2

1 04 , 0

5 , 2 2 ln 5 , 2 14 ,

3

.

2

33

C

R

Điện trở nối đất bổ sung của hệ thống nối đất thanh và cọc được xác định theo

công thức :

t C c

t

c t bx

R n R

R R R









Trong đó : ηc ; ηt : Hệ số sử dụng của cọc và thanh

Với n = 3 ; lcoc = 2,5 m ; a = 5 m => 2

5 , 2

5 l

a



 ,tra bảng ta sẽ được :





9 , 0 81 , 10 3 86 , 0 22 , 5

81 , 10 22 , 5

Tổng trở xung kích của hệ thống nối đất khi có nối đất bổ xung :





































 1 2

2

2 )

(

) ( )

(

) (

cos 1

2

K bx

sét NT

sét NT sét

NT bx

sét NT bx

XK

đs k e x R

R

R R

R

R

R

Z





= A + B

A =

) sét ( NT bx

) sét ( NT bx

R

R

R

R





= 22,,434300,,413413 = 0,353 Ω

h =0,8m

t = 0,8m

Lc0c

 











đs 2 2

T X

K

2 bx

) sét

(

NT

) sét ( NT

e x cos

1 R

R

R 2

B

Xét chuỗi số : 











 





1 k

T X

1

đs 2 2

e , với chuỗi số này ta chỉ sét đến e-4 ( vì từ e 5trở đi có giá trị rất nhỏ ) , tương đương với việc tìm XK sao cho :

đs

1 k

1

đs

2

2

2 x 4

T

.

x













5

45 ,

27 = 14,71 Trong đó XK là nghiệm của phương trình :

k k

k k

bx

sét NT

R

R

43 , 2

413 , 0

) (













phương trình : y  1 tgx k

y2 = - 0,17.xk

Ta dùng phương pháp đồ thị để giải hệ phương trình trên :

Ta được các nghiệm giải bằng phương pháp đồ thị như sau :

X1 = 2,7263 (rad ) → Cos X1 = - 0,9150

X2 = 5,5267 (rad ) → Cos X2 = 0,7273

X3 = 8,4560 (rad ) → Cos X3 = - 0,5663

X4 = 11,4665 (rad ) → Cos X4 = 0,4537