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

Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110 kVI.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 đườ

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 m2

 Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110 kV: l = 300 m

 Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220 kV: l = 200 m

 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, cảmứng hay lan truyền trên đường dây), hoặc quá điện áp nội bộ Trong đó, sự quáđiện áp khí quyển do sét đánh là rất nguy hiểm và gây những thiệt hại nghiêmtrọng cho các công trình trong hệ thống điện Vì vậy, bảo vệ chống sét đánh trựctiếp là một trong những yêu cầu hàng đầu khi thiết kế và vận hành một mạngđiện

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 sétđánh 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 dụngcác 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 ngượcdòng điện sét từ thiết bị này sang thiết bị khác, hoặc từ cột thu sét hay dâychống sét sang các công trình mang điện đặt lân cận Khi thiết kế bảo vệ chốngsét 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 cáchđiện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối Các trụ cộtcủa các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòngđiện sét IS 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 nốiđất

- 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 thulôi 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 trởlên phải thực hiện các điểm sau:

+ Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cầnphải có nối đất bổ sung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở khuếchtán 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 cáchđiện 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 cộtchống 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 Khoảngcách 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 điểmnối đất của chống sét van ở vào giữa hai điểm nối đất của vỏ máy biến áp và củakết cấu trên đó có đặt cột thu lôi

+ Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cộtthu 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 phốicấp 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 ÷ 35kV

- Khi dùng cột thu lôi độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôiđến các bộ phân của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vậtđược bảo vệ

- Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho các cột thu lôi phải chodây 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 cầubọc kín và hai đầu được nối đất Nếu cầu có phân đoạn thì không được phép đặtcột 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 củatrạm nếu như khoảng cách từ chỗ nối đất của trạm đến điểm nối đất của máybiến áp lớn hơn 15m

- Để đảm bảo về mặt cơ tính (độ bền cơ học) và chống ăn mòn cần phảitheo đúng quy định về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dùng trên mặt dất và dướiđất 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 dẹt mạ kẽm 20 x 2,5 mm2 30 x 3,5 mm2

Thanh đồng dẹt 20x2,5 mm2 20x2,5 mm2

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 hx làmột hình chóp tròn xoay có đường sinh được xác định như sau:

rx

= 1,61+h x

h

⋅(h−h x)

Trong đó:

- h: chiều cao cột thu sét

- hx: chiều cao cần được bảo vệ

- h – hx: chiều cao hiệu dụng

Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc abc đượcxác định như sau:

rx

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

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 =

5,5

√h

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 h1 = h2 = h, cách nhau 1 khoảng a

- Phần ngoài: giống như của từng cột.

- Phần giữa: cung tròn đi qua 3 điểm 1,2,3 (điểm 3 là điểm đặt cột giảtưởng có độ cao h0

+) Tính toán phạm vi bảo vệ:

- Bán kính bảo vệ của từng cột: rx1 = rx2 = rx

- Bán kính bảo vệ giữa hai cột: r0x

- Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa hai cột: h0 = h -

I.1.2.2.2 Hai cột thu sét có độ cao khác nhau:

Xét 2 cột thu sét có độ cao là h1 và h2, cách nhau 1 khoảng a được bố trínhư hình vẽ:

+ Xác định phạm vi bảo vệ:

- Phần ngoài: giống như của từng cột

- Phần trong: từ đỉnh cột h1 dóng đường thằng nằm ngang cắt phạm vi bảo

vệ của cột h2 tại 3’, với 3’ là vị trí đặt cột giả tưởng có độ cao là h1

- Phần giữa: giống như của hai cột có độ cùng độ cao h1

( O1O3'=a '=O1O2−O3' O2=a−x , x là bán kính bảo vệ của cột

cao h2 cho cột giả tưởng h1' ).

+ Tính toán phạm vi bảo vệ:

- Tính bán kính bảo vệ từng cột rx1, rx2

- Tính bán kính bảo vệ giữa hai cột rox

- Khoảng cách giữa cột thấp và cột giả tưởng 3

a’ = a – x (trong đó x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giảtưởng có độ cao h1)

- Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1, 3’

h 01−3' = h

1 -

a'

7

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 h1 = h2 = h3 = h cùng bảo vệcho độ cao hx được minh họa như hình vẽ dưới đây

Trong đó:

- rx1 = rx2 = rx3 = rx: bán kính bảo vệ của từng cột

- rox1-2 = r0x1-3 = r0x3-2: 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 h1 = h2 = h3 = h4 = h cùng bảo

vệ cho độ cao hx được minh họa như hình vẽ dưới đây

Với: rx1 = rx2 = rx3 = rx4 = rx

rox1-2 = r0x3-4: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 3-4

rox1-4 = r0x2-3: 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 đượcbảo vệ an toàn là:

Đối với phía 220 kV: hx = 16,5m

Đối với phía 110 kV: hx = 11m

Ta thực hiện tính toán cho các phía Ta sẽ xét 2 phương án đặt vị trí cộtthu sét cho trạm biến áp

Phương án A

Trong phương án này, ta sử dụng 15 cột thu sét được bố trí trên mặt bằngtrạm biến áp như hình vẽ

9 6

3

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-hx)Suy ra:

(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 giớihạn bởi chúng là:

Xét nhóm cột (11,14,12,15) tạo thành hình chữ nhật bảo vệ cho độ cao11m.

rx:: 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

r0x1-4 = r0x3-6 = r0: bán kính bảo vệ chung giữa 2 cột 1-4 và 3-6

h01 4 = h03-6 = h0: độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa 2 cột 1-4 và 3-6 Tacó:

Khoảng cách giữa các cột đều bằng nhau và bằng a = 41 m

h0: độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa 2 cột

2

3h0=2

318 ,143=12 , 095 nên:

r0 = 0,75.18,143 – 0,75.16,5 = 1,232 m

+ Xác định bán kính bảo vệ chung giữa các cột (7,10), (9,12), ta chỉ cầntính toán cho 2 cột 7 và 10, gọi là r0x7-10 2 cột này có chiều cao khác nhau.

r0x10-13 Đây là bán kính bảo vệ giữa hai cột có chiều cao bằng nhau

12 8

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 cao16,5m

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

+ Tính toán so sánh chọn phương án tối ưu:

Phương án A:

- Phía 220 kV có 9 cọc chiều cao mỗi cọc là 24 m

- Phía 110 kV có 6 cọc chiều cao mỗi cọc là 20,5 m

Tổng chiều dài của các cọc tiếp địa là:

hΣ = 9.24 + 6.20,5 = 339 m

Phương án B:

- Phía 220 kV có 12 cọc chiều cao mỗi cọc là 23 m

- Phía 110 kV có 8 cọc chiều cao mỗi cọc là 20 m

Tổng chiều dài của các cọc tiếp địa là:

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110kV 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 dòngđiện(hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất Nhiệm vụ của nối đất là tảndòng điện xuống đất để dảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Hệthống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp Tùy theonhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia là ba loại

- Nối đất làm việc

- Nối đất an 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 quyđịnh 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 bùngang 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 mangđiện 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 donối đất nên điện thế này có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho người tiếp xúc

*)Nối đất chống sét.

Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi sét đánh vào cột thulôi hay đường dây Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng điện áp do phóngđiện sét gây nên Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữahai điểm bất kỳ trên cột điện và đất Nếu không, mỗi khi co sét đánh vào cộtchống sét hoặc trên đường dây, sóng điện áp có khả năng phóng điện ngược tớicác 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 trongthực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ Song hệ thốngnối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạmđất 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, tácdụng của nối đất tốt hơn an toàn Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏthì rất tổn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cảhai 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 sốđiện áp bược và tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không vượt quá giới hạn chophép

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

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

cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất nhân tạo vàyêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R ≤ 1 Ω Thực tế dù RTN ≤ 0,5 Ωthì vẫn phải nối đất nhân tạo vì RTN có thể xảy ra biến động như đứt dây chốngsét tại khoảng vượt gần trạm.

+ Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn cónhư 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 giốngvới điện cực hình tia

+ Vì đất là một trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suấtcủa 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 hậuthay đổi theo từng mùa, độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suấtcủa đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng Do vậy trong tính toán thiết kế về nốiđất thì trị số điện trở của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa và sau đó phảihiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn

Công thức hiệ chỉnh như sau:  tt d.kmua

Trong đó: tt là điện trở suất tính toán của đất

d 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 d=99 Ωm

Điện trở nối đất cột đường dây : Rc = 7 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 = 200m

Phía 110kV: l110 = 300m

Điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt là:

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 điện110kV và 220kV tới trạm

Ta có công thức sau:

c TN

c cs

R1

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

vượt

Rc : là điện trở nối đất của cột điện

- Phía 220 kV

 

c TN.220

c cs.220

c cs.110

b/ Điện trở nối đất nhân tạo.

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

Trạm biến áp khi thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo ta sử dụng hình thứcnối đất mạch vòng xung quanh trạm bằng các thanh dẹt

Điện trở mạch vòng của trạm là:

2 tt

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 độ

sâu t:  tt d.kmua Tra bảng với thanh ngang chộn sâu 0,8m ta có kmua = 1,6