Đồ án tiếp địa và chống sét

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho công trình người ta thường dùng hệ thống thu sét: cột thu sét, dây thu sét – gồm bộ phận thu sét kim, dây, bộ phận nối đất và các dây dẫn liên

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

đánh trực tiếp cho thiết bị

phân phối điện ngoài trời

của trạm biến áp 110 kV bằng

cột thu lôi

CÁC THAM SỐ TÍNH TOÁN

• Mật bằng bố trí và độ cao các

thiết bị cho trên hình vẽ

• Điện cảm trên đơn vị chiều dài cột thu sét : L0 = 1,7 µH/m

• Dây chống sét ПC-95, chiều dài khoảng vượt l = 200m

• Điện trở nối đất cột thu sét độc lập :

+ Điện trở suất của đất đo được vào mùa khô : ρđ =150 Ωm

2 NHIỆM VỤ TÍNH TOÁN

• Xác định số lượng, vị trí và độ cao các cột thu lôi

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG:

Sét là một hiện tượng của thiên

nhiên, đó là một sự phóng tia lửa

điện khi khoảng cách giữa các cực

khá lớn (khoảng 500m) Hiện tượng

phóng điện sét gồm hai loại chính đó

là sự phóng điện giữa các đám mây

tích điện và phóng điện giữa đám

mây với mặt đất Trong chương trình

này chúng ta chỉ nghiên cứu phóng

điện gây rất nhiều trở ngại với đời

sống con người

Các đám mây tích điện với mật

độ điện tích lớn, có thể tạo ra cường

độ điện trường rất lớn sẽ hình thành

dòng phát triển về phía mặt đất, giai

đoạn này là giai đoạn hình thành

phóng điện của tia tiên đạo

Tia tiên đạo là môi trường

plasma có mật độ điện tích rất lớn

Đầu tia được nối một trong các trung

tâm điện tích của đám mây nên một

phần điện tích của trung tâm này đi

vào trong tia tiên đạo và phân bố khá

đều theo chiều dài tia xuống mặt đất Dưới tác dụng của điện trường tia tiên đạo sẽ có sự tập trung điện tích từ phía mặt đất mà điểm tập trung tùy vào điện dẫn của đất Nấu vùng đất

có điện dẫn đồng nhất thì điểm này nằm ngay dưới tia tiên đạo Còn nếu vùng đất có điện dẫnkhông đồng nhất (các vị trí khác nhau có điện dẫn khác nhau) thì điện tích tập trung về nơi cóđiên dẫn cao Quá trình phóng điện là đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất, như vậy điểm sét đánh trên mặt đất là điểm đã được định sẵn

Do vậy, để định hướng cho các phóng điện sét ta phải tạo ra nơi tập trung điện tích lớn Nên bảo vệ sét đánh trực tiếp cho các côngtrình dựa trên tính chọn lọc này của dòng điện sét Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho công trình người ta thường dùng hệ thống thu sét: cột thu sét, dây thu sét – gồm bộ phận thu sét (kim, dây), bộ phận nối đất và các dây dẫn liên hệ giữa hai bộ phận trên với nhau (dâynối đất) Tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét

là ở chỗ tập trung điện tích ở đỉnh bộ phận thu sét, tạo nên trường lớn nhất giữa nó với đầu tia tiên đạo… do đó thú hút phóng điện sét và hình thành khu vực an toàn bên dưới và chung quanh hệ thống thu sét Ngoài bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trở nối đất bé

để việc tập trung điện tích cảm ứng phía mặt đất được dễ dàng khi có dòng điện sét đi qua, điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ để gâynên phóng điện ngược từ nó tới công trình cần bảo vệ

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG

ĐIỆN SÉT TỚI HỆ THỐNG

ĐIỆN VIỆT NAM:

Biên độ của dòng điện sét có

thể đạt vài trăm kA, đây là nguồn

sinh nhiệt vô cùng lớn khi dong

dòng điện sét đi qua vật nào đó

Thực tế đã có dây tiếp địa do phần

nối không tốt, khi dòng điện tác

dụng bị nóng chảy và đứt, thậm chí

có những sứ cách điện bị dòng điện

sét tác dụng đã bị vỡ và chảy như

thạch nhũ Phóng điện sét còn kèm

theo di chuyển trong không gian với

lượng điện tích lớn, do đó tạo ra điện

từ trường rất mạnh đây là nguồn gây

nhiễu vô tuyến và thiết bị điện tử,

ảnh hưởng của nó rất rộng ở những

nơi cách xa vài trăm Km

Khi sét đánh vào đường dây

hoặc xuống mặt đất gần đường dây

sẽ sinh ra sóng điện từ truyền dọc

theo đường dây, gây nên quá điện áp

và tác dụng lên cách điện của đường

dây Khi cách điện của đường dây bị

chọc thủng sẽ gây ngắn mạch

(pha-đất, pha-pha ) thì các thiết bị đường

dây tác động Với những đường dây

truyền tải công suất lớn khi thiết bị

1.3 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT:

Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế và mĩ thuật của công trình, khi thiết kế

hệ thống thu sét cần phải chú ý đến nối đất của cột thu sét vá tính chất công trình Vì vậy, cần thỏa mãn điều kiện sau :

+ Công trình cần bảo đảm an toàn phải được nằm gọn trong phạm vi bảo vệ

của hệ thống thu sét

+ Đối với trạm phân phối có Uđm ≥ 110

kV, do mức cách điện cao và trị số điện trở tản nối đất bé nên cho phép hệ thống thu sét ngay trên bản thân công trình để tận dụng độ cao củacông trình và giảm được độ cao của cột thu sét lợi về mặt kinh tế Bên cạnh đó 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 khuếch tán vào

đất theo ba đến bốn cọc nối đất (việc

phân tán dòng điện sét theo nhiều

nhánh khác nhau cho phép phân bố

lưu thông dòng điện sét và giảm tăng

áp của hệ thống nối đất mà nếu

không sẽ có trị số rất lớn nếu như

dòng điện sét chỉ đi vào một điểm),

mặt khác mỗi trụ phải nối đất bổ

sung để cải thiện trị số điện trở nối

đất

+ Đối với trạm phân phối có

Uđm ≤ 35 kV có mức cách điện thấp

nên hệ thống thu sét phải đặt cách ly

với công trình cần bảo vệ Khi đặt

cách ly, giữa chúng phải có khoảng

cách nhất định để không gây phóng

điện ngược từ hệ thống đến công

trình cần bảo vệ

+ Khoảng cách trong không khí

giữa kết cấu mà trên đó có đặt cột

thu sét và bộ phận mang điện không

được bé hơn chiều dài chuổi sứ

+ Khi làm cột đèn làm giá đỡ

cho cột thu sét phải cho dây dẫn đến

đèn vào ống chỉ và chôn vào đất

+ Có thể nối dây chống sét bảo

vệ đoạn tới trạm vào hệ thống nối

đất của trạm nếu như khoảng cách từ

chỗ nối đất của trạm đến điểm nối

đất của máy biến áp lớn hơn 15m

+ Không được đặt hệ thống thu

sét ngay trên xà máy biến áp

+ Dây nối chống sét phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo điều kiện ổn định nhiệt và chống ăn mòn Nếu dây có đường kính 10mm trở lên thì không cần kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt

Sơ đồ mặt bằng trạm phân phối điện ngoài trời và đường dây tải điện 110 kV

I.1 KHÁI NIỆM CHUNG:

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho công trình thường dùng các hệ thống thu sét – cột thu sét, dây thu sét (gồm bộ phận kim

và dây), bộ phận nối đất và các dây dẫn liên hệ hai bộ phận trên với nhau (dây nối đất) Tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét là ở chỗ tập trung điện tích ở đỉnh bộ phận thu sét, tạo nên

từ trường lớn nhất giữa nó và đầu tia tiên đạo… Do đó, nó thu hút các phóng điện sét và hình thành khu an toàn ở bên dưới và xung quanh hệ thống sét Ngoài ra, bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trở bé để việc tập trung điện tích cảm ứng phía mặt đất dễ dàng và khi có dòng điện sét đi qua, điện áp trên các bộ phận của hệ thống thu sét sẽ không

đủ để gây phóng điện ngược từ nó đến công trình cần bảo vệ

I.2 TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG CHO TRẠM PHÂN PHỐI: Bước 1:Dựa vào mặt bằng của trạm phân

phối bố trí cột thu sét thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật

Bước 2: Xác định đường kính vòng tròn

ngoại tiếp đa giác hình thành bởi cột chống sét (D)

 Với tam giác :

(p a)(p b)(p c)

p2

c.b.aD

nửa chu vi tam giác

 Với tam giác vuông,

hoàn toàn trong phạm vi bảo vệ của

cột thu sét có độ cao h sẽ được bảo

vệ an toàn nếu được thỏa mãn điều

kiện:

8 8

hx là độ cao công trình cần được bảo vệ (m)

Bán kính bảo vệ của cột thu lôi đối với công trình có độ cao hx được xác định như sau:

Khi

p.h8,0

h1h5,1rh3

Khi

p.h

h1h75,0rh

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu

sét có kích thước lớn hơn rất nhiều

so với phạm vi bảo vệ của 1 cột

Bằng thực nghiệm xác suất

100% phóng điện vào cột chống sét

có bán kính r = 3,5h (m) Như vậy,

khi hai cột thu sét đặt cách nhau một

khoảng a = 7h (m) thì mọi điểm trên

đường thẳng nối liền giữa hai chân

cột sẽ không bị sét đánh, từ đó suy ra

rằng nếu hai cột thu sét đặt cách

nhau một khoảng a < 7h thì sẽ bảo

vệ được độ cao ho nằm giữa hai

Bán kính bảo vệ rox của cột thu sét giả tưởng có độ cao đối với công trình có độ cao hxđược tính như sau:

Khi

p.h8,0

h1h5,1rh3

Khi

p.h

h1h75,0rh3

(m)

+ h

5,5

khi

m7

a60h

Khi công trình cần được bảo vệ

an toàn chiếm khu vực rộng lớn, nếu

phải dùng một vài cột sẽ rất cao gây

khó khăn cho thi công, lắp ráp

Trong trường hợp này sẽ dùng nhiều

cột phối hợp bảo vệ Phần ngoài của

phạm vi bảo vệ được xác định như

của từng đôi cột Không cần xác

định phạm vi bảo vệ bên trong đa

giác hình thành bởi các cột thu sét

mà chỉ kiểm tra điều kiện bảo vệ an

toàn Công trình có độ cao hx nằm

trong đa giác hình thành bởi các cột

thu sét có độ cao h sẽ đảm bảo an

toàn nếu thỏa mãn điều kiện:

(h h x) 8 h a

8

D ≤ − =

(1.2.6) Trong đó: D là đường

kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác

1 Bố trí cột thu sét theo mặt bằng:

a) Mô tả sơ đồ:

Trong phạm vi thiết kế của đồ án ta thiết

kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm phân phối ngoài trời cấp điện áp 110 kV, cấp điện áp này có mức cách điện cao nên có thể

đặt cột thu sét ngay trên kết cấu của

trạm, đồng thời có thể giảm giá

thành xây dựng của công trình

Trạm phân phối cần được bảo

của cột thu sét để bảo vệ được các xà

trạm có độ cao như trên trong phạm

vi diện tích của trạm và các thiết bị

có độ cao thấp hơn nằm trong phạm

bảo yêu cầu kỹ thuật:

Theo mặt bằng của trạm phân

phối, ta bố trí 9 cột thu sét và kí hiệu

I.3.2.2 Độ cao cột thu sét:

Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

như trong tính toán ta chọn độ cao

của 9 cột thu sét như sau và có độ

+ Hình chữ nhật : C1C2C5C4 + Hình chữ nhật : C2C3C6C5 + Hình tam giác : C4C7C8 + Hình tam giác : C4C5C8 + Hình tam giác : C5C9C8 + Hình tam giác : C5C6C9

Ta sẽ xác định đường kính vòng tròn ngoại tiếpnhư sau:

được xác định như sau:

Theo định lý Pitago trong tam giác

vuông C1C2C4 :

C2C4 = D1 =

8 , 53 40

2 4 1

C2C3C5 :

C3C5 = D2 =

2 , 67 40

54 2 2

2 5 2

Trong tam giác C4C7C8:

C4C8 = D3 =

71 45

55 2 2

2 8 7

2 7

C

(m) Trong tam giác C4C5C8:

+ Nửa chu vi :

4 , 81 2

71 7 , 55 36 2

8 4 8 5 5

2

.

8 4 8

5 5

4

8 4 8 5 5 4

C C C C C C

=71,62(m)Trong tam giác C5C8C9: + Nửa chu vi :

9 , 88 2

45 1 , 77 7 , 55 2

8 9 9 5 8

P

(m)

D5 =

45 1 , 77 7 , 55

2

.

8 9 9

5 8

5

8 9 9 5 8 5

C C C C C C

=78,1(m)Trong tam giác C5C6C9: + Nửa chu vi :

1 , 93 2

1 , 77 55 54 2

5 9 9 6 6

P

(m)

D6 =

1 , 77 55 54

.

2

.

5 9 9

6 6

5

5 9 9 6 6 5

=76,8(m)

2 Độ cao cột thu sét:

Công trình có độ cao hx nằm

trong hình chữ nhật sẽ được bảo vệ

an toàn khi thỏa mãn (1.2.6) nghĩa

1 , 78 8

Với các độ cao công trình hx

khác nhau sẽ xác định được độ cao

2h3

<

(m)

1421.8,0

9121.5,1p.h8,0

h1h5,1

+ Với hx = 11 m

1421.3

2h3

.8,0

111

21.5,1p.h8,0

h1h5,1

+ Với a = 55 m:

Chiều cao giả tưởng là:

55217

a

h

(m) Với hx = 9 m

76,814,13.3

2m9h

9114,13.75,0p.h

h1h

2m11h

111

14,13.75,0p.h

h1h

54217

a

h

(m) Với hx = 9 m

86,829,13.3

2m9h

9129,13.75,0p.h

h1h75,0r

0

x 0

86 , 8 29 , 13 3

2 11 3

111

29,13.75,0p.h

h1h75,0r

0

x 0

Chiều cao giả tưởng là:

57 , 14 7

45 21 7

0 =h− a = − =

h

(m) Với hx = 9 m

71,957,14.3

293

91

57,14.5,1.8,015,1

0 0

x

(m)

Với hx = 11m

71,957,14.3

211

11157,14.75,0.1

75

,

0

0 0

40217

a

h

(m) Với hx = 9 m

2,1028,15.3

2m9h

91

28,15.5,1p.h8,0

h1

2m11h

111

28,15.75,0p.h

h1h75,0r

0

x 0

Chiều cao giả tưởng là:

86,157

36217

ah

(m) Với hx = 9 m

57,1086,15.3

2m9h

91

86,15.5,1p.h8,0

h1h5,1r

0

x 0

57,1086,15.3

2m11h

111

86,15.75,0p.h

h1h75,0r

0

x 0

cột thu sét có độ cao là 21 m

Khoảng cách giữa các cột đã được

xác định ở trên đều đạt yêu cầu kỹ

thuật về bảo vệ chống sét đánh thẳng

trực tiếp vào trạm

Vậy để đảm bảo yêu cầu kỹ

thuật cũng như để thuận lợi cho thi

công xây lắp mỹ quan của trạm ta

Dựa vào kết quả trên, công

trình cần được bảo vệ nằm gọn trong

hệ thống thu sét đã tính toán Vì vậy,

độ cao cột thu sét đã xác định h = 21

m thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật của bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm phân phối điện ngoài trời 110 kV

R= 2,68R= 2,68 R= 4,98 R= 4,98

HỆ THỐNG ĐIỆN

II.1 KHÁI NIỆM CHUNG:

Mạng nối đất bao gồm tất cả các bộ phận của hệ thống nối đất như là điện cực nối đất, các thanh nối đất Nhiệm vụ của hệ thống nối đất là để tản dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các vật được nối đất

Nối đất có nghĩa là nối các bộ phận bằngkim loại có nguy cơ tiếp xúc với dòng điện do

hư hỏng cách điện đến hệ thống nối đất Tùy theo hiệu quả và nhiệm vụ người ta chia hệ thống nối đất thành ba loại:

Nối đất làm việc: nhiệm vụ của nối đất

này là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã qui định sẵn

Nối đất an toàn: có nhiệm vụ đảm bảo

an toàn cho người khi cách điện bị hỏng hoặc thiết bị bị rò điện Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thường không mang điện ( vỏ thiết bị điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ, thùng máy biến áp, máy cắt điện…) Khi cách điện bị hư hỏng trên vỏ thiết bị có thể xuất hiện điện thế nhưng do có nối đất nên giữ được mức điện áp thấp không gây nguy hiểm cho người khi tiếp xúc với chúng

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, hạn chế hình thành và lan truyền sóng quá điện áp do phóng điện sét gây nên… do đó hạn chế được các phóng điện

ngược tới công trình cần được bảo

vệ

Ngoài ra theo nguyên tắc an

toàn thì ở các nhà máy điện và trạm

biến áp phỉa tách rời hệ thống nối

đất làm việc và nối đất an toàn để

phòng khi dòng ngắn mạch lớn (hay

dòng điện sét) đi vào hệ thống nối

đất làm việc gây điện thế cao trên hệ

thống nối đất an toàn Nhưng trong

thực tế, điều đó khó thực hiên vì

nhiều lý do, cho nên thường sử dụng

một hệ thống nối đất để làm hai

nhiệm vụ trên Do đó hệ thống nối

đất chung ấy phải thỏa mãn các yêu

cầu của thiết bị, cần có điện trở nối

đất bé nhất Yêu cầu điện trở nối đất

của hệ thống này không quá 0,5 Ω

Để đảm bảo yêu cầu nối đất

cũng như giảm khối lượng kim loại

trong việc xây dựng hệ thống nối

đất, nên tận dụng các loại nối đất tự

nhiên như:

* Ống nước chôn dưới đất hay

các ống kim loại khác (không chứa

các chất dễ gây cháy nổ)

* Hệ thống chống sét – cột

* Kết cấu kim loại ở các công

trình ( như ở các nhà máy thủy điện)

Khi sử dụng nối đất tự nhiên phải

tuân theo những qui định của quy

phạm Nếu điện trở nối đất tự nhiên

đã thỏa mãn thì không cần nối đất

nhân tạo nữa Nhưng đối với các

thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất

lớn thì cần phải nối đất nhân tạo và

yêu cầu trị số nối đất nhân tạo vẫn

phải nhỏ hơn 1 Ω

II.2 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT:

II.2.1 Tiêu chuẩn của điện trở nối đất an toàn:

a) Nối đất tại vùng đất có điện trở suất lớn:

Tiêu chuẩn Việt Nam quy định:

Ở những vùng đất có điện trở suất lớn hơn 500 Ω.m, xác định vào thời giabất lợi nhất trong năm (đo vào mùa khô), để tiến hành các trang thiết bị để tiến hành nối đất nhân tạo, có thể sử dụng các phương pháp sau:

+ Đặt bộ phận nối đất chôn sâu (đóng cọc) nếu lớp đất phía dưới có điện trở suất nhỏ + Đặt bộ phận nối đất kéo dài (từ 1 đến 2 km) nếu ở gần đó có những chỗ điện trở nối đất thấp

Cải tạo nối đất nếu không áp dụng được các phương pháp nói trên:

 Đối với những vùng đất đa lởm chởm và

có điện trở suất lớn hơn 500 Ω.m ở thởi điểm bất lợi nhất trong năm, việc nối đất cho các thiết bị điện phải áp dụng các biện pháp để giảm điện trở nối đất Trong trường hợp áp dụng các biện pháp do không hợp lý về phương diện kinh tế, thì cho phép tăng trị số điện trở nối đất trong phạm vi này lên ρ/500 lần nhưng không được lớn hơn quá 10 lần trị

số điện trở nối đất đã quy định

b) Các quy định về nối đất trạm biến áp: Bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm

biến áp và thiết bị phân phố ngoài trời thường dùng kim thu sét bố trí trên các kết cấu xây dựng Từ các cột có kim thu sét ở hệ thống phân phối điện ngoài trời điện áp 110 kV phải đảm bảo cho dòng điện sét chạy đến vành đai nối đất không được ít hơn 2 đến 3 tia Ngoài ra còn phải đóng thêm một đến hai cọc nối đất dài2,5 m đến 5 m và cách cột chống sét không bé hơn chiều dài cọc nối đất

Chống sét của đường dây trên không có

Uđm ≥ 110 kV thường được nối đất vào kết cấu nối đất của hệ thống phân phối điện ngoài trời