Phần I: Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và nối đất A.Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp.. B.Tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét của trạm đảm bả
Trang 1Phần I:
Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và nối đất
A.Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp
B.Tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét của trạm đảm bảo tiêu chuẩn nối
MặT BằNG trạm biến áp
Trang 2A-BảO Vệ CHốNG SéT ĐáNH TRựC TIếP
Theo kết cấu của trạm, ta bố trí các cột thu lôi từ 1 đến 13 nh trên hình vẽ Trong
đó các cột 1, 2, 3 đợc bố trí trên xà cao 17m; các cột 4, 6, 7, 9 trên xà cao 11m; các cột 10, 11 trên xà cao 7,5m; các cột 12, 13 trên xà cao 9m và các cột 5, 8 bố trí độc
Trang 3I-Tính độ cao của các cột thu sét.
*Xét nhóm cột 1, 2, 5, 4 và 2, 3, 6, 5 Đờng kính của vòng tròn ngoại tiếp hai đa
giác này là:
D = 42,5 232+ 2 = 48,32 (m)
) m ( 04 , 6 8
32 , 48 8
D
*Xét nhóm cột 4, 5, 8, 7 và 5, 6, 9, 8:
D = 42,52+352 = 55,06 (m)
6,88(m)
8
06 , 55 8
D
Nh vậy đối với tất cả các cột thu lôi phía 220kV có thể lấy chung một độ cao tác dụng là:
ha=6,88 (m)
Vì độ cao cực đại của vật đợc bảo vệ phía 220kV là 17m nên độ cao của các cột thu lôi phía 220kV là:
h1 = hx+ha = 17 + 6,88 = 23,88 (m)
Ta chọn h1 =24(m)
*Xét nhóm cột 7, 8, 10 và 8, 9, 11: Ta tính đợc :
D = 75,4 (m)
trong đó :
( 7 8)( 7 10)( 8 10)
10 8 10 7 8 7
a P a
P a P P 2
a a a D
−
−
−
−
−
−
−
−
−
2
1
) m ( 4 , 9 8
4 , 75 8
D
*Xét nhóm cột 8,10,11:
Trang 4D = 78,1m
) m ( 8 , 9 8
1 , 78 8
D
*Xét nhóm cột 10, 11, 13, 12:
) m ( 9 , 57 5 , 36 45
) m ( 24 , 7 8
9 , 57 8
D
Nh vậy đối với tất cả các cột thu lôi phía 110 kV có thể lấy chung một độ cao tác
các cột thu lôi phía 110 kV là :
) m ( 8 , 18 8 , 9
= +
= h h
Ta chọn h2 =19(m)
II-Tính bán kính bảo vệ của các cột thu sét:
1.Các cột phía 220 kV:
*Với độ cao cần bảo vệ là 17(m):
m 16 24 3
2 h 3
2 m 17
Do đó bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi là:
) m ( 25 , 5 24
17 1 24 75 , 0 h
h 1 h 75 , 0 r
1
x 1
) 220 (
−
=
−
2.Các cột phía 110 kV:
*Độ cao cần bảo vệ 9m:
m 7 , 12 19 3
2 h 3
2 m 9
19 8 , 0
9 1
19 5 , 1 h 8 , 0
h 1 h 5 , 1 r
2
x 2
) 110 (
−
=
−
=
III- Tính bán kính bảo vệ giữa các cặp cột thu sét liền kề:
1.Các cột thu sét phía 110 kV:
*Xét các cặp cột 10-12 và 11-13 với khoảng cách a10−12=a11−13=36,5m
Trang 5- Độ cao giả tởng : 13,79(m)
7
5 , 36 19 7
a h
- Bán kính bảo vệ của cột giả tởng cao h0 =13,79m ở độ cao hx =9m:
) m ( 19 , 9 79 , 13 3
2 h 3
2 m 9
) m ( 81 , 3 79 , 13 8 , 0
9 1
79 , 13 5 , 1 h 8 , 0
h 1 h 5 , 1 r
0
x 0
) 110 ( 1
−
=
−
=
*Xét cặp cột 12-13 với khoảng cách a12−13=45m:
7
45 19 7
a h
- Bán kính bảo vệ của cột giả tởng cao h0 =12,57m ở độ cao hx =9m:
) m ( 38 , 8 57 , 12 3
2 h 3
2 m 9
) m ( 68 , 2 ) 57 , 12
9 1 (
57 , 12 75 , 0 ) h
h 1 (
h 75 , 0
0
x 0
) 110 ( 2 0
khác nhau h1 =24m (cột 7 và cột 9), h2 =19m(cột 10 và cột 11):
-Xác định khoảng cách cột 7 và cột giả tởng 7’:
Tính nh bán kính bảo vệ của cột 7 nhng ở độ cao 19m
) m ( 16 24 3
2 h 3
2 m 19 h
) m ( 75 , 3 ) 24
19 1 (
24 75 , 0 ) h
h 1 (
h 75 , 0
1
x 1
' 7 7
-Xác định khoảng cách cột 10 và cột giả tởng 7’:
) m ( 25 , 68 75 , 3 72
x a
a7 '−10= 7−10− 7−7 '= − =
- Bán kính bảo vệ giữa cặp cột 7’ và 10:
(Xác định giống nh bán kính bảo vệ của hai cột đó cao bằng nhau và bằng 19m)
) m ( 25 , 9 7
25 , 68 19 7
h
2
Do đó bán kính bảo vệ của cột giả tởng ở độ cao 9m:
Trang 6) m ( 2 , 6 25 , 9 3
2 h 3
2 m 9
) m ( 19 , 0 ) 25 , 9
9 1 (
25 , 9 75 , 0 ) h
h 1 (
h 75 , 0
0
x 0
) 110 ( 10 ' 7 0
2.Các cột thu sét phía 220 kV:
*Xét các cặp cột 1-2 và 2-3 với khoảng cách a1−2=a2−3=42,5(m)
7
5 , 42 24 7
a h
- Bán kính bảo vệ của cột giả tởng cao h0 =17,9m ở độ cao hx =17m:
m 9 , 11 9 , 17 3
2 h 3
2 m 17
) m ( 68 , 0 ) 9 , 17
17 1 (
9 , 17 75 , 0 ) h
h 1 (
h 75 , 0
0
x 0
) 220 ( 2 1 0
*Xét các cặp cột 1-4 và 3-6 với khoảng cách a1−4=a3−6=23m
7
23 24 7
a h
-Bán kính bảo vệ của cột giả tởng cao h0 =20,7m ở độ cao hx=17m
) m ( 8 , 13 7 , 20 3
2 h 3
2 m 17
) ( 78 , 2 ) 7 , 20
17 1 (
7 , 20 75 , 0 ) 1 (
75 , 0
0 0
) 220 ( 6 3 0 ) 220 ( 4 1
h
h
x
*Xét các cặp cột 4-7 và 6-9 với khoảng cách a4−7 =a6−9 =35m
7
35 24 7
a h
3
2 h 3
2 m 17
) m ( 5 , 1 ) 19
17 1 (
19 75 , 0 ) h
h 1 (
h 75 , 0
0
x 0
) 220 ( 9 6 0 ) 220 ( 7 4
Trang 7Bảng tổng kết
Vị trí cột Độ cao cột Bán kính bảo vệ
ở độ cao h x =17m
Bán kính bảo vệ
ở độ cao hx =9m
Cặp cột Độ cao cột Khoảng cách
2 cột Độ cao h0
Bán kính bảo
vệ ở độ cao
m 17
hx =
Trang 8Cặp cột Độ cao cột Khoảng cách
2 cột Độ cao h0
Bán kính bảo
vệ ở độ cao
m 9
hx =
7 và 10
10 và 12
PHạM VI BảO Vệ
Trang 9MBA MBA
7
B tính toán nối đất chống sét–
Trang 10I.Tính toán nối đất an toàn
*Yêu cầu đối với nối đất an toàn:
Tiêu chuẩn quy định trị số điện nối đất lớn nhất là 0,5Ω (Rd ≤0,5Ω)
*Chọn hình thức nối đất:
Dùng thanh tròn đờng kính d =20mm làm mạch vòng quanh trạm theo chu vi hình
chữ nhật, chôn sâu 0,8m
1.Tính điện trở nối đất của mạch vòng
d t
L K ln L 2
2 tt
mv
Π
Trong đó:
Điện trở suất tính toán của đất đã hiệu chỉnh theo hệ số mùa:
) m ( 48 , 104 3 , 65 6 , 1
ρ
t : là độ chôn sâu của điện cực làm mạch vòng, t = 0,8m
L: là chu vi mạch vòng hình chữ nhật:
d: là đờng kính thanh tròn làm điện cực, d = 0,02m
K: là hệ số hình dạng, phụ thuộc tỷ số l2/ l1
85
5 , 164
l
l
1
Π
02 , 0 8 , 0
499 42 , 6 ln(
499 2
48 , 104 R
2
mv
Nh vậy trị số điện trở nối đất của hệ thống cha đạt yêu cầu Do đó ta cần thực hiện phơng án bổ sung các cọc đóng dọc theo chu vi của mạch vòng
2.Tính điện trở nối đất của cọc
)]
l 't 4
l 't 4 ln(
2
l d
l
2 [ln l
2
tt c
Π
ở đây ta dùng cọc sắt góc L60x60x6 dài 3m, chôn sâu 0,8m
Điện trở suất tính toán của đất ứng với cọc:
ρtt =Kmua.ρd=1,4.65,3 = 91,42( mΩ )
Đờng kính cọc:
d = 0,95.b = 0,95.0,06 = 0,057m Độ chôn sâu tính từ đỉnh cọc tới mặt đất: t=0,8m
Trang 11Độ chôn sâu tính từ giữa cọc tới mặt đất:
t’ = t+
2
3 8 , 0 2
l
+
Suy ra:
) ( 23 , 24 )]
3 3 , 2 4
3 3 , 2 4 ln(
2
1 ) 057 , 0
3 2 [ln(
3 2
42 , 91
−
+ +
Π
=
Tính toán điện trở nối đất tổng hợp mạch vòng- cọc:
mv c c
mv
mv c ht
R n R
R R R
η + η
=
n: là số cọc sử dụng trong mạch vòng
thể hiện qua tỷ số a/l)
Với L = 499m ; l = 3m ; a/l = 2 hay a = 2.l = 2.3 = 6m
Số cọc :
2 , 83 6
499 a
L
Tra bảng ta có:
55 , 0
c = η
26 , 0
mv = η
) ( 5 , 0 ) ( 431 , 0 55 , 0 61 , 0 84 23 , 24 26 , 0
61 , 0 23 , 24 R
n R
R R R
mv c c
mv
mv c
+
= η
+ η
=
II.Nối đất chống sét:
Trong tính toán nối đất chống sét ta sử dụng phần nối đất an toàn đã đợc tính toán
ở trên
Trong trạm biến áp, phần tử quan trọng và có mức cách điện yếu nhất là máy biến
áp Vì vậy việc tính toán nối đất chống sét cho mọi trờng hợp phải thoả mãn yêu cầu:
Điện áp nối đất tại chỗ có dòng điện sét isđi vào hệ thống nối đất Ud = IZ(0,τds) phải nhỏ hơn mức cách điện trung bình của cách điện máy biến áp
Trang 12Với trạm 110 kV ta phải có: Ud<U 0% =660kV
Sơ đồ thay thế của đờng dây dài:
Hệ phơng trình truyền sóng cho đờng dây dài:
t
i L x
U
0 δ
δ
= δ
δ
U G x
i
0
= δ
δ
Với dạng sóng xiên góc ta tìm đợc điện áp u(x,t) trên hệ thống nối đất:
)]
l
x k cos(
)
1 ( k
1 T 2 t [
t
a ) t , x (
t
1
k 2 1
Π
− +
=
∑
Trong đó:
2
2 0 0 1
l
G L T
Π
2
1 2
2
2 0 0 K
k
T k
l
G L
Π
=
) , 0 ( i
) , 0 ( u ) , 0 ( Z
ds
ds ds
τ
= τ
k
1 T 2 1 [
l
G
1 ) , 0 (
ds
T 1
k 2 ds
1
0 ds
xk
τ
−
∞
=
− τ
+
=
• Với t < τds thì is=at =50.t (kA)
• Với t > τds thì is=Is =150(kA)
Suy ra:
s 3 150
Is
τ
Lp I
Trang 13Để đơn giản hoá, ngời ta bỏ qua quá trình phóng điện tia lửa trong đất và giả thiết
bỏ qua nối đất tự nhiên, bỏ qua các thanh cân bằng áp
Lúc này ta xem nh mạch vòng chỉ có 2 tia có chiều dài l ghép song song với nhau:
2
499 2
và có tham số là G0 và L0
r : là 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 (àH/m):
L0 = 0,2.[ln
rl - 0,31] = 0,2.[ln
01 , 0
5 , 249
- 0,31] = 1,963(àH/m)
G0 : là điện dẫn của 1 đơn vị dài (1/ mΩ ):
G0 =
l
R 2
1
ht
Hiệu chỉnh trị số điện trở nối đất mạch vòng theo hệ số mùa sét:
) ( 477 , 0 6
, 1
25 , 1 61 , 0 K
K R R
mua
ms mv ms
Hiệu chỉnh trị số điện trở nối đất của cọc theo hệ số mùa sét:
) ( 9 , 19 4
, 1
15 , 1 23 , 24 K
K R R
mua
ms c ms
) ( 35 , 0 477 , 0 55 , 0 84 9 , 19 26 , 0
477 , 0 9 , 19 R
n R
R R
mv c
ms c mv
ms mv
ms c
+
= +
=
η
η
Do đó :
G0 =
l
R 2
1
ht
5 , 249 35 , 0 2
1
Ω
=
Trong phơng trình (*) ta chỉ tính toán với k thoả mãn điều kiện:
4
Tk
ds ≤
k
l
G L
2 2
2 0 0
ds ≤ Π
τ
4 l
G
L
k
2 0 0
ds 2 2
≤ τ Π
3
0057 , 0 963 , 1 5 , 249 2 G L l 2
ds
0
Π
= Π
≤
τ
Chọn k = 1,2,3,…,9
Trang 14Theo công thức (*) thì tổng trở xung kích chỉ đợc tính cho 1 mạch Do đó tổng trở xung kích của cả hệ thống đợc tính theo công thức:
)]
e 1 ( k
1 T 2 1 [
l
G 2
1 )
, 0 (
ds
T
1
k 2 ds
1
0 ds
xk
τ
−
∞
τ +
=
ds
T
τ
− (1-e k
ds
T
τ
− )/k2 ∑
=
9 1
k
1 0.0057 1.963 3 70.573 70.5730 0.041614 0.041614 0.238904 4.30338 645.5069
2 0.0057 1.963 3 70.573 17.64325 0.156351 0.039088
3 0.0057 1.963 3 70.573 7.841444 0.317875 0.035319
4 0.0057 1.963 3 70.573 4.410813 0.493422 0.030839
5 0.0057 1.963 3 70.573 2.82292 0.65445 0.026178
6 0.0057 1.963 3 70.573 1.960361 0.783501 0.021764
7 0.0057 1.963 3 70.573 1.440265 0.875411 0.017866
8 0.0057 1.963 3 70.573 1.102703 0.934145 0.014596
9 0.0057 1.963 3 70.573 0.871272 0.942839 0.01164
Nh vậy điện áp nối đất tại chỗ có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất có giá trị:
Vậy ta không cần tiến hành nối đất bổ sung
Trang 15Phần II Bảo vệ chống sóng quá điện áp lan truyền
TG - CSV : l12 = 20+N = 20 + 3 = 23 (m)
Hãy tính điện áp tại các điểm nút của TBA khi có sóng quá điện áp lan truyền từ
đờng dây tới
Sóng tới có dạng xiên góc biên độ U50%, độ dốc a
Chống sét van cấp điện áp tơng ứng
Trang 16TG phía 220 kV dài : 9x5=45m
nên C1 = 45.C0=45.8,33.10-12=374,85.10-12 (F)
C3=1530 (pF)=1530.10-12 (F)
Thời gian truyền sóng trên các đoạn đờng dây 1-2 và 1-3:
10 300
41
13
10 300
23
12
Trong quá trình tính toán còn cần kể đến các đặc tính V-S, đặc tính V-A của CSV Các đặc tính này cần tra trong các sổ tay và phải phù hợp với cấp điện áp đang xét
thì kết quả tính toán càng chính xác Việc tính toán sẽ đỡ phức tạp hơn nhiều nếu
Vì vậy ta chọn: t∆ =0,02 sà để tính toán
Bây giờ lần lợt xét biểu thức tính toán điện áp tại các nút 1, 2, 3
I.Điện áp tại nút 1:
Trang 17Đoạn đờng dây 0-1 dài vô hạn, nghĩa là nếu tại nút 1 có sóng phản xạ U10 trở về 0 thì không có sóng phản xạ trở lại
Sơ đồ Petecxen:
2U
Z
C
1
đt1
đt1
1
Trong đó:
2
400 2
Z //Z Z
Zdt 1 01 12
U' 1 m
1 dt 1
Z
Z 2 U
2
2 Z
2 / Z 2 Z
Z 2
m
1
= ∑
m 1 dt ' 1
dt 1 U U
2
Do đó:
2Udt1 =U'21 +U'01
Khi t<2t13=0,28 sà thì : U'21=0 nên 2Udt1 =U'01
Khi t≥2t12=0,16 sà thì : 2Udt1 =U'21 +U'01
(U là sóng tới nút 1 do sóng từ nút 2 là U'21 21 truyền đến U chậm sau U'21 21 một khoảng thời gian là t12= 0,08às )
Theo sơ đồ Petecxen, phơng trình vi phân với điện áp tại nút 1 là:
1 C 1 C 1 1 dt 1
dt
dU C Z U
1 C 1 C 1 C 1
dt
dU T U
Trang 181 C 1 C 1 C 1
dt 1 C
U T
t U
U 2 T
∆
) U U
2 ( 286 , 0 ) U U
2 (
07 , 0
02 , 0 ) U U
2 (
T
t
1 C 1
∆
trong đó:
s 07 , 0 200 Z
C
1 C
1 U
Vậy: U1(t +∆t)=U1(t)+∆UC1
21 ' 1 12 1
21 '
II.Tính điện áp tại nút 3:
Sơ đồ Petecxen:
tuyến để tính điện áp
Ω
=
Zdt3
23 ' 3
dt 2U U
Lại có:
3 C 3 C 3 C 3 dt
3 C 3
C 3 3 dt 3 dt
U dt
dU T U
2
U 2 dt
dU C Z U
2
+
=
+
=
3 C 3 C 3 C 3
dt 3 C
U T
t U
U 2 T
∆
Hay:
Trang 19) U U
2 ( 334 , 0 ) U U
2 (
06 , 0
02 , 0 ) U U
2 (
T
t
3
C
3
∆
trong đó : TC3 =C3.Zdt3 =1530.10 -12 400=0,06às
3 C
3 U
Vậy:
3 C 3
3(t t) U U
III.Tính điện áp tại nút 2:
Nút 2 có tổng trở tập trung là điện trở phi tuyến của chống sét van nên ta áp dụng phơng pháp đồ thị để tính toán điện áp
Sơ đồ Petcxen:
12 ' 32 ' 2 dt
2 dt
U U
U 2
200 2
/ Z
Z
+
=
Ω
=
=
12 ' 2
32 ' 2
+ Khi t < t12 = 0,08às thì U'32 =0,U'12 =0 do đó : 2Udt2 =0
Trang 20Ucsv+Zc.Icsv
Zc.Icsv
Ucsv=f(Icsv) 1
2 U
+Khi t ≥ 2t23+t12 thì 2Udt2 =U'32 +U'12
*Lúc chống sét van hoạt động
chống sét van):
CSV CSV
2 dt 2
U
Để bảo vệ cho thiết bị điện của trạm biến áp ta sử dụng chống sét van loại có khe
hở đợc chế tạo từ ZnO Do đó hệ số phi tuyến α có giá trị :α =0,02ữ0,03
Để tính đợc điện áp tại các nút trong mạng điện ta chọn loại chống sét van có khe hở
có đặc tính V-A nh sau:
I
U 0 , 025
csv csv=245
Các bớc tính điện áp tại nút 2:
csv csv=245
Vẽ đờng thẳng U=Zdt 2.Icsv=200.Icsv
Cộng đồ thị hai đờng vừa vẽ ta đợc đờng cong có phơng trình:
025 , 0 csv 400
245
I
025
,
0
csv 400
245
I
U 0 , 025
csv
có giá trị bằng U3 hay Ucsv
Kết quả tính đợc ghi vào bảng tính điện áp tại các nút để tính các giá trị khác