TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220110 kV

Bài Tập Dài Môn Kỹ Thuật Điện Cao Áp Giáo viên hướng dẫn: Ths. Trần Hoàng Hiệp. Sinh viên thực hiện: Tạ Quang Tú Lớp: Đ3-H3 Đề bài TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110 kV I. Số liệu ban đầu:  Trạm biến áp: phía 220 kV có diện tích 76x81 m 2  Phía 110 kV có diện tích 76 x 129 m 2  Điện trở suất của đất: m d .99Ω= ρ  Đường dây: - Trạm 220 kV có 3 lộ. - Trạm 110 kV có 4 lộ. - Dây dẫn : ACO – 240 - Dây chống sét: C – 70.  Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110 kV: l = 300 m  Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220 kV: l = 200 m  Khi tính nối đất: R c = 7 Ω II. Nội dung tính toán: Phần 1:  Chương I: Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110 kV.  Chương II: Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp 220/110 kV. Phần II: Các bản vẽ liên quan PHẦN I Chương I Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110 kV I.1 Cơ sở lý thuyết chung: I.1.1 Những yêu cầu đối với hệ thống thu sét: Các thiết bị phân phối điện đặt ngoài trời như đường dây, trạm biến áp rất dễ bị quá điện áp có thể là do quá điện áp khí quyển (sét đánh trực tiếp, cảm ứng hay lan truyền trên đường dây), hoặc quá điện áp nội bộ. Trong đó, sự quá điện áp khí quyển do sét đánh là rất nguy hiểm và gây những thiệt hại nghiêm trọng cho các công trình trong hệ thống điện. Vì vậy, bảo vệ chống sét đánh trực tiếp là một trong những yêu cầu hàng đầu khi thiết kế và vận hành một mạng điện. Hệ thống thu sét là một bộ phận công trình quan trọng nhằm bảo vệ các bộ phận của hệ thống điện như đường dây, trạm biến áp khỏi hư hỏng khi bị sét đánh. Đối với đường dây, để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp người ta sử dụng hệ thống dây chống sét. Đối với trạm biến áp và nhà máy điện người ta sử dụng các cột thu lôi. Các cột thu lôi có thể đặt độc lập hoặc trong điều kiện cho phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm và của nhà máy. Yêu cầu chính đối với hệ thống thu sét là phải có điện trở nối đất đủ nhỏ để đảm bảo tản nhanh dòng điện sét xuống đất, tránh hiện tượng phóng ngược dòng điện sét từ thiết bị này sang thiết bị khác, hoặc từ cột thu sét hay dây chống sét sang các công trình mang điện đặt lân cận. Khi thiết kế bảo vệ chống sét thì cần đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, kinh tế và mỹ thuật. - Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ 110 kV trở lên do có mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối. Các trụ cột của các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét I S khuếch tán vào đất theo 3÷4 thanh cái của hệ thống nối đất . Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện chỉ số điện trở nối đất. - Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời với điện áp từ 110 kV trở lên là cuộn dây máy biến áp, vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối vào hệ thống nối đất của cột thu lôi và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m. - Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110 kV trở lên phải thực hiện các điểm sau: + Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ sung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4Ω (ứng với dòng điện tần số công nghiệp). + Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm 35kV phải tăng cường cách điện của nó lên đến mức cách điện của cấp 110 kV. + Trên đầu ra của cuộn dây 6 – 10kV của máy biến áp phải đặt các cột chống sét van (CSV), các thiết bị chống sét này có thể đặt ngay trên vỏ máy. + Để bảo vệ cuộn dây 35 kV cần đặt các cột chống sét van. Khoảng cách giữa chỗ nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van (theo đường điện) phải nhỏ hơn 5m. Khoảng cách ấy có thể tăng lên nếu điểm nối đất của chống sét van ở vào giữa hai điểm nối đất của vỏ máy biến áp và của kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi. + Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột thu lôi và bộ phận mang điện không được bé hơn chiều dài của chuỗi sứ. - Có thể nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp điện áp 110kV nếu như các yêu cầu trên được thực hiện. - Không nên đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối20 ÷ 35 kV, cũng như không nên nối các cột thu lôi vào hệ thống nối đất của trạm 20 ÷ 35 kV. - Khi dùng cột thu lôi độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi đến các bộ phân của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vật được bảo vệ. - Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho các cột thu lôi phải cho dây dẫn điện đến đèn vào ống chì và chôn vào đất. - Đối với các nhà máy điện dùng sơ đồ bộ thì chỉ được đặt cột thu lôi trên xà máy biến áp khi máy phát điện và máy biến áp được nối với nhau bằng cầu bọc kín và hai đầu được nối đất. Nếu cầu có phân đoạn thì không được phép đặt cột thu lôi trên xà của máy biến áp. Với máy bù đồng bộ cũng áp dụng điều này. - Có thể nối dây chống sét bảo vệ đoạn đến 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. - Để đảm bảo về mặt cơ tính (độ bền cơ học) và chống ăn mòn cần phải theo đúng quy định về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dùng trên mặt dất và dưới đất phải theo bảng sau: Loại vật liệu Dây dẫn dòng điện sét dùng trên mặt đất Dây dẫn dòng điện sét dùng dưới mặt đất Thép tròn mạ kẽm φ 8 mm φ 10 mm Thép dẹt mạ kẽm 20 x 2,5 mm 2 30 x 3,5 mm 2 Cáp thép Không được dùng Không được dùng Thanh đồng tròn φ 8 mm φ 8 mm Thanh đồng dẹt 20x2,5 mm 2 20x2,5 mm 2 Dây đồng xoắn Không được dùng Không được dùng Thanh nhôm tròn Không được dùng Không được dùng I.1.2 Cách xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét: I.1.2.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét có độ cao là h tính cho độ cao h x là một hình chóp tròn xoay có đường sinh được xác định như sau: r x )hh( h h 1 6,1 x x −⋅ + = Trong đó: - h: chiều cao cột thu sét. - h x : chiều cao cần được bảo vệ. - h – h x : chiều cao hiệu dụng. Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc abc được xác định như sau: Hình 1.1. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét. trong đó: - ab: đường thẳng nối từ đỉnh cột đến điểm trên mặt đất cách xa chân cột một khoảng là 0,75h. - bc: là đường thẳng nối 1 điểm có độ cao trên thân cột là 0,8h đến 1 điểm trên mặt đất cách chận cột là 1,5h. • Khi: h x ≤ h 3 2 Thì: r x = 1,5h(1- h8,0 h x ) = 1,5h – 1,875h x • Khi: h x ≥ h 3 2 Thì: r x = 0,75h(1- h h x ) = 0,75h – 0,75h x Các công thức chỉ để sử dụng cho HTTS có độ cao h < 30m. Khi h ≥ 30m ta cần hiệu chỉnh các công thức đó theo hệ số p. p h 5,5 = I.1.2.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét: I.1.2.2.1 Hai cột thu sét có độ cao bằng nhau: Xét 2 cột thu sét có độ cao bằng nhau h 1 = h 2 = h, cách nhau 1 khoảng a. h h x 1 3 2 h 0 O 1 O O 2 O 1 O O 2 + Khi a = 7h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa 2 cột không bị sét đánh vào. + Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h 0 được xác định như sau: h 0 = h - 7 a Phạm vi bảo vệ: - Phần ngoài: giống như của từng cột. - Phần giữa: cung tròn đi qua 3 điểm 1,2,3 (điểm 3 là điểm đặt cột giả tưởng có độ cao h 0 . +) Tính toán phạm vi bảo vệ: - Bán kính bảo vệ của từng cột: r x1 = r x2 = r x - Bán kính bảo vệ giữa hai cột: r 0x . - Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa hai cột: h 0 = h - 7 a Nếu: h x 0 h 3 2 ≤ Thì: r 0x = 1,5h 0 .(1 - 0 x h8,0 h ) Nếu: h x 0 h 3 2 ≥ Thì: r 0x = 0,75h 0 .(1 - 0 x h h ) Các công thức trên được áp dụng khi hệ thống chống sét có độ cao nhỏ hơn 30m. Nếu hệ thống chống sét có độ cao lớn hơn hoặc bằng 30m thì các công thức cũng cần được hiệu chỉnh theo hệ số p đã nêu ở mục. I.1.2.2.2 Hai cột thu sét có độ cao khác nhau: Xét 2 cột thu sét có độ cao là h 1 và h 2 , cách nhau 1 khoảng a được bố trí như hình vẽ: + Xác định phạm vi bảo vệ: - Phần ngoài: giống như của từng cột. - Phần trong: từ đỉnh cột h 1 dóng đường thằng nằm ngang cắt phạm vi bảo vệ của cột h 2 tại 3 ’ , với 3 ’ là vị trí đặt cột giả tưởng có độ cao là h 1 . - Phần giữa: giống như của hai cột có độ cùng độ cao h 1 . ( xaOOOOaOO 2 ' 321 '' 31 −=−== , x là bán kính bảo vệ của cột cao h 2 cho cột giả tưởng ' 1 h ). + Tính toán phạm vi bảo vệ: - Tính bán kính bảo vệ từng cột r x1 , r x2 . - Tính bán kính bảo vệ giữa hai cột r ox . - Khoảng cách giữa cột thấp và cột giả tưởng 3 a ’ = a – x (trong đó x là bán kính bảo vệ của cột cao h 2 cho cột giả tưởng có độ cao h 1 ). - Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1, 3 ’ . '301 h − = h 1 - 7 'a I.1.2.3 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu sét: +) Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét: Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét có độ cao h 1 = h 2 = h 3 = h cùng bảo vệ cho độ cao h x được minh họa như hình vẽ dưới đây Trong đó: - r x1 = r x2 = r x3 = r x : bán kính bảo vệ của từng cột. - r ox1-2 = r 0x1-3 = r 0x3-2 : bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 2-3, 3-1. +) Phạm vi bảo vệ cho 4 cột thu sét: Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét có độ cao h 1 = h 2 = h 3 = h 4 = h cùng bảo vệ cho độ cao h x được minh họa như hình vẽ dưới đây Với: r x1 = r x2 = r x3 = r x4 = r x r ox1-2 = r 0x3-4 : bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 3-4 r ox1-4 = r 0x2-3 : bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-4, 2-3 Điều kiện để công trình nằm trong miền giới hạn bởi các cột thu sét được bảo vệ an toàn là: D ≤ 8.(h-h x) ) - trong đó: D là đường tròn ngoại tiếp phần mặt bằng có dạng hình tam giác, chữ nhật; h: chiều cao cột thu sét; h x : chiều cao cần bảo vệ. I.2 Tính toán: Theo sơ đồ kết cấu của trạm, ta mới chỉ biết diện tích mặt bằng trong trạm mà chưa biết vị trí của các thiết bị trong trạm. Vì vậy chỉ cần bố trí các cột thu sét sao cho bảo vệ được phần diện tích mặt bằng có độ cao h x . Đối với phía 220 kV: h x = 16,5m Đối với phía 110 kV: h x = 11m Ta thực hiện tính toán cho các phía. Ta sẽ xét 2 phương án đặt vị trí cột thu sét cho trạm biến áp. Phương án A Trong phương án này, ta sử dụng 15 cột thu sét được bố trí trên mặt bằng trạm biến áp như hình vẽ. 47 50 50 97 110 60 50 1 4 7 10 13 14 15 129 6 3 2 5 11 8 I.2.1A Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 220 kV: Điều kiện cần để công trình được bảo vệ an toàn là: D ≤ 8.(h-h x ) Suy ra: h ≥ h x + 8 D Ta kiểm tra phạm vi bảo vệ của nhóm cột (5,8,9,6) tạo thành hình vuông bảo vệ cho độ cao 16.5m. Đường kính D 1 của đường tròn ngoại tiếp qua các đỉnh cột là: D= 983,574141 2222 =+=+ fe m (Với:e = f = 56 = 69 = 41 m là khoảng cách giữa các cột 5,6 và 6,9) Độ cao tác dụng tổi thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: h a = 8 983,57 = 7,248m Độ cao của cột thu lôi là: h = h x + h a = 16,5 + 7,5 = 24m I.2.2A Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 110 kV: Xét nhóm cột (11,14,12,15) tạo thành hình chữ nhật bảo vệ cho độ cao 11m. + Cạnh (11,14) = 63m = a + Cạnh (11,12) = 41m = b Đường kính D của đường tròn ngoại tiếp đi qua các đỉnh cột là: D = 2222 4163 +=+ ba = 75,166 m Độ cao tác dụng tối thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: h a = = 8 166,75 9,396 m Độ cao của cột thu lôi là: h = h x + h a = 11 + 9,5 = 20,5 m Xác định phạm vi bảo vệ của các nhóm cột cho trạm biến áp: r x: : bán kính bảo vệ của các cột 1,2,3,4,5,6,7,8,9 cho độ cao 16,5m. h = 24 m là chiều cao của các cột thu sét phía 220 kV. Do: h x = 16,5> 1624 3 2 3 2 == h nên: r x = 0,75h – 0,75h x = 0,75.24 – 0,75.16,5 = 5,625 m r 0x1-4 = r 0x3-6 = r 0 : bán kính bảo vệ chung giữa 2 cột 1-4 và 3-6 h 01 4 = h 03-6 = h 0 : độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa 2 cột 1-4 và 3-6. Ta có: h 0 = h - m a 571,18 7 38 24 7 =−= Do: h x = 16,5> mh 381,12571,18 3 2 3 2 0 == nên: r 0 = 0,75.18,571 – 0,75.16,5 = 1,553 m. + Xác định bán kính bảo vệ chung giữa các cột (1,2), (2,3), (6,9), (4,7) là r 0x1-2 . Khoảng cách giữa các cột đều bằng nhau và bằng a = 41 m. h 0 : độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa 2 cột h 0 = h - m a 143,18 7 41 24 7 =−= Do: h x = 16,5> 095,12143,18 3 2 3 2 0 == h nên: r 0 = 0,75.18,143 – 0,75.16,5 = 1,232 m [...]... = 2,732 m Ta vẽ được phạm vi bảo vệ của các cột thu sét cho mặt bằng như hình vẽ: Phương án B Trong phương án này, ta sử dụng 20 cột thu sét được bố trí trên mặt bằng trạm biến áp như hình vẽ 47 1 5 9 13 17 2 10 14 18 3 7 11 15 19 4 100 6 8 12 16 40 30 97 60 20 110 I.2.1B Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 220 kV: Xét nhóm cột (7,6,10,11) tạo thành hình chữ nhật bảo vệ cho độ cao 16,5m + Cạnh (7,11)... dụng tối thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: 50,804 = 8 ha = 6,351m Độ cao cần thiết của cột thu lôi là: hc = ha + hx = 6,351 + 16,5 = 22,851 m Vậy ta chọn độ cao của cột thu lôi là 23 m I.2.2B Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 110 kV: Chiều cao cần bảo vệ của phía 110 kV là 11 m Ta nhận thấy nhóm cột (14,18,19,15) là nhóm cột có diện tích cần bảo vệ là lớn nhất +... TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/11 0kV 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... dòng điện sét vào trong đất khi sét đánh vào cột thu lôi hay đường dây Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng điện áp do 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... có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả nối đất Vì hình thức nối đất chúng ta chọn cho trạm biến áp là nối đất dài (mạch vòng theo chu vi trạm) nên sẽ đồng thời xét cả hai quá trình Vì hệ thống nối đất của chúng ta được dùng cho cả ba nhiệm vụ nên ta sẽ dùng nối đất an toàn và làm việc để tính toán cho nối đất chống sét * )Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong đất Sơ đồ đẳng... 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... toàn - Nối đất chống sét *)Nối đất làm việc Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự là việc bình thường của thiết bị, hoặc một số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ làm việc đã được quy định sẵn + 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... sẽ được tính bằng: Z(0,t ) = 1 2.55, 41 (1 + 0, 488) = 7,184Ω −3 2,653.10 620 5 1 Z(0, t) = 3,592Ω Tổng trở sóng xung kích Zxk = 2 Điều kiện nối đất chống sét thỏa mãn khi Uxk = IS Zxk < U50% Trong đó, dòng điện sét IS = 150kA, và điện áp 50% của trạm U 50% = 46 0kV Ta có điện áp xung kích : Uxk = 3,592 150 = 538, 8kV > U50% Tức là giá trị điện trở nối đất này chưa đạt nên ta cần tiến hành tính toán nối... trong trạm: Trạm 22 0kV : n = 3 lộ Trạm 11 0kV : n = 4 lộ 2.2.1 Nối đất an toàn Cho phép sử dụng nối đất an toàn với nối đất làm việc thành một hệ thống Điện trở nối đất của hệ thống là : R HT = R TN / /R NT = R TN R NT ≤ 0,5 ( Ω ) R TN + R NT Trong đó: R TN : Điện trở nối đất tự nhiện R NT : Điện trở nối đất nhân tạo, R NT ≤ 1 Ω a/ Điện trở nối đất tự nhiên Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét. ..+ Xác định bán kính bảo vệ chung giữa các cột (7,10), (9,12), ta chỉ cần tính toán cho 2 cột 7 và 10, gọi là r0x7-10 2 cột này có chiều cao khác nhau Chiều cao cột 7: h7 = 24 m Chiều cao cột 10: h10 = 20,5 m Gọi 10’ là cột giả tưởng có chiều cao bằng cột 10 Ta có: 2 2 ⋅ h7 = ⋅ 24 = 16 3 h10’ = 20,5 m > 3 Như vậy bán kính bảo vệ của cột 7 cho cột giả tưởng 10 ’ được tính như sau: x = 0,75(h7 − . 0,349 −   → = = + = Ω  ÷   Ta thấy giá trị điện trở R TN < 0,5Ω đạt yêu cầu về lý thuyết. Tuy vậy nối đất tự nhiên có nhiều thay đổi vì vậy để đảm bảo an toàn ta phải nối đất nhân tạo. b/