Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Đỗ Trọng Huỳnh

Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét, dòng điện này có biên độ và độ dốc phân bố theo hàm biến thiên trong phạm vi rộng từ vài kA đến vài trăm kA dạng sóng của dòng điện s

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

PHẦN I: TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM CẮT 220kV 4

CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN 5

1.1: Hiện tượng dông sét 5

1.2: Ảnh hưởng của dông sét tới hệ thống điện Việt Nam 10

1.3: Kết luận về vấn đề chống sét 11

CHƯƠNG II: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM 12

2.1: Mở đầu 12

2.2: Các yêu cầu kỹ thuật 13

2.3: Đặc điểm về kết cấu cột thu lôi 14

2.4: Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét 15

2.4.1: Phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu sét 15

2.4.2: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 20

2.4.3: Mô tả đối tượng bảo vệ 20

2.5: Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 22

2.5.1: Phương án 1 22

2.5.2: Phương án 2: 27

2.6: So sánh và lựa chọn phương án 32

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 33

3.1: Mở đầu 33

3.2: Trị số cho phép của điện trở nối đất 34

3.3: Hệ số mùa 35

3.4: Tính toán nối đất 35

3.4.1: Nối đất tự nhiên 36

3.4.2: Nối đất nhân tạo 37

3.4.3: Nối đất chống sét 40

CHƯƠNG IV: BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 46

4.1: Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây 46

4.2: Các chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây 46

4.2.1: Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét 46

4.2.2: Tính toán chung về chỉ tiêu chống sét 47

4.3: Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây 51

4.3.1: Thông số đường dây cần bảo vệ 51

4.3.2: Xác định độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, của dây chống sét và đường dây 52

4.3.3: Tính số lần sét đánh vào đường dây 55

4.3.4: Suất cắt do sét đánh vào đường dây 56

PHẦN II: CHUYÊN ĐỀ TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 220KV VÀO TRẠM BIẾN ÁP 87

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 220kV VÀO TRẠM BIẾN ÁP 88

5.1: Lý thuyết chung 88

5.1.1: Quy tắc Peterson 90

5.1.2: Quy tắc sóng đẳng trị 91

5.13: Xác định điện áp trên điện dung (phương pháp tiếp tuyến) 92

5.1.4: Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van 93

5.2: Trình tự tính toán 95

5.2.1: Sơ đồ tính toán quá trình truyền sóng trong trạm biến áp 95

5.2.2: Tính sóng truyền trong trạm biến áp 99

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống điện là một phần của hệ thống năng lượng nó bao gồm các nhà máy điện, mạng lưới điện và các hộ tiêu thụ điện Nhà máy điện có nhiệm vụ biến đổi năng lượng sơ cấp như nhiệt năng, cơ năng thành điện năng Mạng lưới điện truyền tải điện năng đến các hộ tiêu thụ điện

Giông sét là hiện tượng tự nhiên, là sự phóng tia lửa điện khổng lồ trong khí quyển giữa các đám mây và mặt đất, khi sét đánh trực tiếp hay gián tiếp vào các công trình điện, không những gây thiệt hại về mặt kinh tế mà còn đe doạ đến tính mạng của con người Vì thế cần thiết phải có các hệ thống chống sét và biện pháp để bảo vệ an toàn khi có sét đánh vào trạm biến áp

Cùng với sự phát triển của hệ thống điện các đường dây siêu cao áp cũng ngày càng được sử phát triển, vì lí do đó mà trong đồ án tốt nghiệp này em xin được trình bày thêm về phần “nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến tham số đường dây siêu cao áp khi lựa chọn kết cấu phân pha”, và mạnh dạn viết chương trình phần mền cho nó Chương trình này được em sử dụng để khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố đến tham số đường dây

Do mới được tiếp cận với các lý thuyết về phần này và cũng do thời gian có hạn nên em chưa thể chình bày sâu hơn với các khảo sát chi tiết hơn cho chuyên đề cùng với các phương pháp khác nhau để tính tổn thất vâng quang cho đường dây siêu cao áp

Em rất mong nhận được sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn, em xin trân thành cảm ơn các thầy cô đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án, đặc biệt em cảm ơn cô giáo

ThS Phạm Thị Thanh Đam đã tận tình, chỉ bảo giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ

án để em hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình

Em xin trân thành cám ơn!

Sinh viên thực hiện

Đỗ Trọng Huynh

PHẦN I: TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT

CHO TRẠM CẮT 220kV

CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ

ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1: Hiện tượng dông sét

Dông sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi khoảng cách giữa các điện cực khá lớn (trung bình khoảng 5km) Hiện tượng phóng điện của dông sét gồm hai loại chính đó là phóng điện giữa các đám mây tích điện và phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất

Ở đây ta chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất (phóng điện mây - đất) Vì hiện tượng phóng điện này gây ảnh hưởng trực tiếp tới hệ thống điện

Các đám mây được tích điện với mật độ điện tích lớn, có thể tạo ra cường độ điện trường lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất Giai đoạn này là giai đoạn phóng điện tiên đạo Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5.107 cm/s, các lần phóng điện sau thì tốc độ tăng lên khoảng 2.108 cm/s (trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau bởi vì trong cùng một đám mây thì có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lượt phóng điện xuống đất)

Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích rất lớn Đầu tia được nối với 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 Phần điện tích này được phân bố khá đều dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích khác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tùy thuộc vào tình hình dẫn điện của đất Nếu vùng đất có địên dẫn đồng nhất thì điểm này nằm ngay ở phía dưới đầu tia tiên đạo Còn nếu vùng đất có điện dẫn không đồng nhất (có nhiều nơi có điện dẫn khác nhau) thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có điện dẫn cao

Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn

Do vậy để định hướng cho các phóng điện sét thì ta phải tạo ra nơi có mật độ tập trung điện diện tích lớn Nên việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các công trình được dựa trên tính chọn lọc này của phóng điện sét

Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngược là  và mật độ điện trường của điện tích trong tia tiên đạo là  thì trong một đơn vị thời gian thì điện tích đi và trong đất sẽ là:

is =   Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số điện trở nhỏ không đáng kể)

Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét, dòng điện này có biên độ và

độ dốc phân bố theo hàm biến thiên trong phạm vi rộng (từ vài kA đến vài trăm kA) dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xung kích, chỗ tăng vọt của sét ứng với giai đoạn

phóng điện ngược (Hình 1-1)

Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khí quyển

và gây hậu quả nghiêm trọng như: Ngắn mạch đầu thanh góp, cháy nổ, mất điện trên diện rộng…

Hình 1-1: Sự biến thiên của dòng điện sét theo thời gian

Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và cao độ an toàn khi vận hành, đồng thời chúng ta phải tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho hệ thống điện

Việt Nam là một trong những nước khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét khá mạnh Theo tài liệu thống kê cho thấy trên mỗi miền đất nước Việt nam có một đặc điểm dông sét khác nhau:

Ở miền Bắc, số ngày dông dao động từ 70110 ngày trong một năm và số lần dông từ 150300 lần như vậy trung bình một ngày có thể xảy ra từ 23 cơn dông Vùng

dông nhiều nhất trên miền Bắc là Móng Cái Tại đây hàng năm có từ 250300 lần dông tập trung trong khoảng 100110 ngày Tháng nhiều dông nhất là các tháng 7, tháng 8

Một số vùng có địa hình thuận lợi thường là khu vực chuyển tiếp giữa vùng núi và vùng đồng bằng, số trường hợp dông cũng lên tới 200 lần, số ngày dông lên đến 100 ngày trong một năm Các vùng còn lại có từ 150200 cơn dông mỗi năm, tập trung trong khoảng 90100 ngày Nơi ít dông nhất trên miền Bắc là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ

có dưới 80 ngày dông

Xét dạng diễn biến của dông trong năm, ta có thể nhận thấy mùa dông không hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nhìn chung, ở Bắc Bộ mùa dông tập chung trong khoảng

từ tháng 5 đến tháng 9 Trên vùng Duyên Hải Trung Bộ, ở phần phía Bắc (đến Quảng Ngãi) là khu vực tương đối nhiều dông trong tháng 4, từ tháng 5 đến tháng 8 số ngày dông khoảng 10 ngày/tháng, tháng nhiều dông nhất (tháng 5) quan sát được 1215 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng ), những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) dông còn ít, mỗi tháng chỉ gặp từ 25 ngày dông

Phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) là khu vực ít dông nhất, thường chỉ có trong tháng 5 số ngày dông khoảng 10 ngày/tháng như Tuy Hoà 10 ngày/tháng, Nha Trang 8 ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng Ở miền Nam khu vực nhiều dông nhất ở đồng bằng Nam Bộ từ 120  140 ngày/năm, như ở thành phố Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/năm Mùa dông ở miền Nam dài hơn mùa dông ở miền Bắc đó là từ tháng 4 đến tháng 11 trừ tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày dông đều quan sát được trung bình có từ 15  20 ngày/tháng, tháng

5 là tháng nhiều dông nhất trung bình gặp trên 20 ngày/tháng như ở thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày…

Số ngày dông trên các tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem Bảng 1-1

Bảng 1-1: Số ngày dông trong tháng của một vùng trên lãnh thổ Việt Nam

Đà Lạt 0,6 1,6 3,2 6,8 10 8,0 6,3 4,2 6,7 3,8 0,8 0,1 52,1 Blao 1,8 3,4 11 13 10 5,2 3,4 2,8 7,2 7,0 4,0 0,0 70,2

Sóc Trăng 0,2 0,0 0,7 7,0 19 16 14 15 13 1,5 4,7 0,7 104

Qua số liệu khảo sát ta thấy rằng tình hình dông sét trên ba miền Bắc-Trung-Nam, những vùng lân cận có mật độ dông sét tương đối giống nhau Ta có thể phân thành 5 vùng, 147 khu vực Các thông số ghi ở bảng sau:

Bảng 1-2: Thông số về dông sét các vùng trung bình trong năm

Vùng

Miền núi trung du Miền Bắc

Cao nguyên Miền Trung

Ven biển Miền Trung

Đồng bằng miền Nam

Đồng bằng ven biển miền Nam

Bảng 1-3: Thông số về các ngày dông sét ở các khu vực

Số ngày

dông

Khu vực ven biển miền Bắc

Khu vực trung du miền Bắc

Khu vực cao nguyên miền Trung

Khu vực ven biển miền Trung

Khu vực ven biển miền Nam

1.2: Ảnh hưởng của dông sét tới hệ thống điện Việt Nam

Như đã trình bày ở phần trước, biên độ dòng sét có thể đạt tới hàng trăm kA, đây

là nguồn sinh nhiệt vô cùng lớn khi dòng điện sét đi qua vật nào đó Thực tế đã có dây tiếp địa do phần nối đất không tốt, khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị nóng chảy và đứt, thậm chí có những cách điện bằng sứ khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch, phóng điện sét còn kèm theo việc di chuyển trong không gian lượng điện tích lớn, do đó tạo ra điện từ trường rất mạnh, đây là nguồn gây nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử, ảnh hưởng của nó rất rộng, ở cả những nơi cách xa hàng trăm km

Khi sét đánh thẳng vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần đường dây sẽ sinh ra sóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây nên ngắn mạch pha-đất hoặc ngắn mạch pha–pha buộc các thiết bị bảo vệ đầu đường dây phải làm việc Với những đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định cho hệ thống, nếu hệ thống tự động ở các nhà máy điện làm việc không nhanh có thể dẫn đến rã lưới Sóng sét còn có thể truyền từ đường dây vào trạm biến áp hoặc sét đánh thẳng vào trạm biến áp đều gây nên phóng điện trên cách điện của trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm vì nó tương đương với việc ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng Mặt khác, khi có phóng điện sét vào trạm biến áp, nếu chống sét van ở đầu cực máy biến

áp làm việc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn

Ở Việt Nam đã lắp đặt các thiết bị ghi sét và bộ ghi tổng hợp trên các đường dây tải điện trong nhiều năm liên tục, kết quả thu thập tình hình sự cố lưới điện 220kV miền Bắc từ năm 1987-2009 được cho trong bảng sau:

Bảng 1-4: Tình hình sự cố lưới điện 220kV miền Bắc từ năm 1987-2009

Trong tổng số sự cố vĩnh cửu của đường dây 220kV Phả Lại-Hà Đông nguyên nhân do sét là 8/11 chiếm 72% Vì đường dây Phả Lại-Hà Đông là đường dây quan trọng của miền Bắc nên lấy kết quả trên làm kết quả chung cho sự cố lưới điện miền Bắc

Qua đó ta thấy rằng sự cố do sét gây ra rất lớn, nó chiếm chủ yếu trong sự cố lưới điện, vì vậy dông sét là mối nguy hiểm lớn nhất đe doạ hoạt động của lưới điện

CHƯƠNG II: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM 2.1 : Mở đầu

Khi các thiết bị điện trong trạm biến áp bị sét đánh trực tiếp thì sẽ đưa đến các hậu quả nghiêm trọng: gây nên hư hỏng các thiết bị điện, dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn bộ trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc sản xuất điện năng và làm ảnh hưởng đến các ngành kinh tế quốc dân khác

Đối với nhà máy điện và các trạm biến áp ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào thiết bị điện cần phải chú ý bảo vệcác công trình khác như:

- Đoạn dây nối từ xà cuối của trạm ra cột đầu tiên của đường dây

- Đoạn dây dẫn hay thanh dẫn nối máy phát điện và máy biến áp

- Gian máy của các loại nhà máy điện kiểu hở, các thiết bị thu đựng khí hidro ngoài trời, các thiết bị chứa dung dịch điện phân ngoài trời

- Kho dầu, các thùng dầu để ngoài trời, kho xăng

Đối với các công trình dễ cháy nổ thì không những cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp mà phải đề phòng sự phát sinh tia lửa do điện áp gây nên, vì vậy khi tiến hành thiết kế bảo vệ đối với phần này cần nghiên cứu thêm qui trình đối với các công trình dễ cháy nổ

Để bảo vệ sét đánh trực tiếp ở các nhà máy điện và trạm biến áp cần dùng cột thu lôi Các cột thu lôi có thể được đặt độc lập hoặc trong các điều kiện cho phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm, nhà máy

Thông thường để giảm vốn đầu tư và cũng là để tận dụng độ cao ở các trạm biến

áp và nhà máy điện người ta cố gắng đặt các cột thu lôi trên các kết cấu trong trạm, trên các cột đèn pha dùng để chiếu sáng, trên mái nhà …

Cột thu lôi độc lập thường đắt hơn nên chỉ dùng khi không tận dụng được độ cao khác Nếu đặt cột thu lôi trên các kết cấu của trạm phân phối điện ngoài trời và dùng dây thu sét để bảo vệ cho đoạn dây dẫn nối từ xà cuối của trạm đến cột đầu tiên của đường dây thì chúng sẽ được nối đất chung vào hệ thống nối đất của trạm Vì vậy khi sét đánh vào dây thu lôi hay vào dây chống sét thì toàn bộ dòng điện sét sẽ đi vào hệ thống nối đất của trạm và do đó làm tăng thế của các thiết bị được lối đất chung với hệ thống nối đất của trạm Độ tăng đó lớn thì có thể gây nên nguy hiểm cho các thiết bị ấy, do vậy chỉ trong điều kiện cho phép mới được đặt cột thu lôi trên các công trình trong trạm hoặc dùng dây chống sét ở trong trạm

Khi thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và nhà máy điện ngoài các yêu cầu

kỹ thuật còn phải chú ý đến các mặt kinh tếvà mỹ thuật

2.2: Các yêu cầu kỹ 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 của các kết cấu trên đó

có đặt côt thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét Is khuếch tán vào trong đất theo 3 đến 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 trị số của điện trở nối đất

- Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời điện áp 110 kV trở lên là cuộn dây của máy biến áp, vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa 2 điểm nối vào hệ thống nối đất của cột thu lôi và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15 m

- Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110 kV trở lên phải thực hiện các yêu cầu sau:

+ Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ xung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4 Ω (ứng với dòng điện tần số công nghiệp)

+ 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

- Khi dùng cột thu lôi độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi đến các

bộ phận 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 cột thu lôi phải cho dây dẫn điện đến đèn vào ống chì và chôn vào trong đất

- 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

15 m

- Để đảm bảo về mặt cơ tính và để chống ăn mòn cần phải theo đúng qui định về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dùng trên mặt đất và dưới đất:

Bảng 2-1: Qui định về loại vật liệu và tiết diện dây dẫn

Loại vật liệu Dây dẫn dòng điện sét dùng

trên mặt đất

Dây dẫn dòng điện dùng dưới mặt đất

2.3: Đặc điểm về kết cấu cột thu lôi

Trong nhưng điều kiện cho phép, như trên đã nói, nếu tận dụng được các độ cao của các công trình trong trạm như các xà để làm giá đỡ cho cột thu lôi Ví dụ đối với các trạm biến áp 110 kV trở lên thì cột thu lôi thường đặt trên các xà và để nối cột thu lôi với

hệ thống nối đất thì dùng ngay xà ấy nếu là xà sắt hay dùng cốt sắt ở bên trong nếu là cột

bê tông cốt sắt

Đối với cột thu lôi độc lập nếu:

+ Độ cao h của cột thu lôi không quá 20 m thì dùng các ống kim loại ghép lại + Độ cao h lớn hơn 20 m thì dùng loại kết cấu kim loại kiểu mạng để làm giá đỡ

Cột thu lôi được thiết kế để làm việc ở trạng thái tự do không được làm việc ở trạng thái căng

Khi chọn tiết diện các phần tử của cột thu lôi dựa trên sự phát nóng của chúng và trong trong tính toán có thể bỏ qua sự tản nhiệt ra môi trường xung quanh

Kích thước tiêu chuẩn của một số loại kim thu sét:

2.4: Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét

2.4.1: Phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu sét

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 là một hình chóp tròn xoay có đường sinh được xác định như sau:

h

h 1

6 , 1

x x

- 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 được xác định như sau:

Hình 2-2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (đường sinh gấp khúc)

hiệu chỉnh các công thức đó theo hệ số p

h

5 , 5

2, Phạm vi bảo vệ của 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

h 0,8h

hx

2

3 h

0,75h 1,5h

r x

a b

c

Hình 2-3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau

- 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 h0 được xác định như sau: h0 = 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 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 -

7 a

3, Phạm vi bảo vệ của 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 trí như hình vẽ:

1

2 3

- 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

3 2 1 ' ' 3

1      ) - x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giả tưởng '

1

h

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 giả tưởng có độ cao h1)

- Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1, 3’: 01 3' 1 '

7

4, Phạm vi bảo vệ của 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 vệ cho độ cao hxđược minh họa như hình vẽ dưới đây

r0 x2-3

r0 x1-3 r0 x1-2

rx1

Hình 2-5 Bán kính bảo vệ của 3 cột có độ cao bằng nhau

Đó là phần diện tích nằm trong đường bao mà các đường tròn tạo ra

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

3 4

r 0 x1-2

r x1

Hình 2-6 Phạm vi bảo vệ của bốn cột thu sét có độ cao bằng nhau

Phạm vi bảo vệ là phần diện tích công trình nằm trong đường bao ngoài cùng của hình vẽ

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 được bảo vệ

an toàn là: D8.(h-hx))

Trong đó: D là đường tròn ngoại tiếp phần mặt bằng có dạng hình tam giác, chữ nhật; h: chiều cao cột thu sét; hx: chiều cao cần bảo vệ

2.4.2: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

Phạm vi bảo vệ cả dây chống sét được thể hiện như hình vẽ:

hx 1,2h 0,6h

Hình 2-8: Mặt bằng trạm cắt 220kV

2.5: Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 2.5.1: Phương án 1

1, Sơ đồ bố trí các cột thu sét

Ta bố trí 21 cột thu sét được đặt trên xà cao 11m như hình vẽ

Hình 2-9: Sơ đồ bố trí cột thu sét cho phương án 1

2, Tính toán cho phương án 1

a, Độ cao tác dụng của cột thu sét

Để tính được độ cao tác dụng của các cột thu sét ta phải xác định đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đi qua các chân cột D Độ cao tác dụng thoả mãn điều kiện:

Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật (8; 9; 16; 15) là:

Như vậy, ta có thể lấy độ cao tác dụng chung cho các cột là 6,5m

Độ cao cột thu sét của trạm cắt 220kV là: h=hx+ha=17+6,5=23,5 (m)

nên r17=0,75(h-hx)=0,75(23,5-17)=4,875m

- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m:

hx=11<2

3h=

2.23,5 15, 667

Xét cặp cột (8;15) có h8=h15=23,5m; a8-15=37,5m

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột là:

Ta có bảng kết quả tính toán bán kính bảo vệ của các cặp cột thu sét như sau:

Bảng 2-4: Kết quả tính toán bán kính bảo vệ giữa các cột thép liền kề

3, Phạm vi bảo vệ của phương án 1

Hình 2-10: Phạm vi bảo vệ của phương án 1

2.5.2: Phương án 2:

1, Sơ đồ bố trí các cột thu sét:

Ta bố trí 15 cột thu sét được đặt trên xà cao 11m như hình vẽ:

Hình 2-11: Sơ đồ bố trí cột thu sét cho phương án 2

2, Tính toán cho phương án 1

a, Độ cao tác dụng của cột thu sét

Để tính được độ cao tác dụng của các cột thu sét ta phải xác định đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đi qua các chân cột D Độ cao tác dụng thoả mãn điều kiện:

Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật (6; 7; 12; 11) là:

Như vậy, ta có thể lấy độ cao tác dụng chung cho các cột là 7,5m

Độ cao cột thu sét của trạm cắt 220kV là: h=hx+ha=17+7,5=24,5 (m)

nên r17=0,75(h-hx)=0,75(24,5-17)=5,625m

- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m:

hx=11<2

3h=

2.24,5 16,333

Xét cặp cột (6;11) có h6=h11=24,5m; a6-11=37,5m

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai cột là:

Ta có bảng kết quả tính toán bán kính bảo vệ của các cặp cột thu sét như sau:

Bảng 2-5: Kết quả tính toán bán kính bảo vệ giữa các cột thép liền kề

3, Phạm vi bảo vệ của phương án 2

Hình 2-12: Phạm vi bảo vệ của phương án 2

2.6: So sánh và lựa chọn phương án

Qua 2 phương án ta thấy cả 2 phương án đều bảo vệ được các thiết bị trong trạm Tổng chiều dài các cột của phương án 2 nhỏ hơn phương án 1 như vậy về mặt kinh tế có lợi hơn nên ta lựa chọn phương án 2 làm phương án thiết kế

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP

3.1: Mở đầu

Tác dụng của hệ thống nối đất là để tản dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các vật được nối đất Trong hệ thống điện có ba loại nối đất khác nhau:

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

điện bị hư hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thường không mang điện (vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện ) Nhưng khi cách điện bị hư hỏng, trên các bộ phận này xuất hiện điện thế, do đã được nối đất nên giữ được mức điện thế thấp do đó đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc với chúng

- Nối đất làm việc: nhiệm vụ của loại nối đất này là đảm bảo sự làm việc bình

thường của thiết bị hoặc của một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc

đã được quy định sẵn Loại nối đất này gồm có nối đất điểm trung tính máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường và nối đất của điện kháng dùng trong bù ngang trên các đường dây tải điện đi xa của hệ thống điện

- Nối đất chống sét: nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét trong đất (khi có

sét đánh vào cột chống sét trên đường dây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn do đó hạn chế được phóng điện ngược tới công trình cần bảo vệ

Ở các nhà máy điện và trạm biến áp về nguyên tắc là phải tách rời hai hệ thống nối đất làm việc và nối đất an toàn để phòng khi dòng điện ngắn mạch lớn hay dòng điện sét

đi vào hệ thống nối đất làm việc sẽ không gây điện thế cao trên hệ thống nối đất an toàn Nhưng trong thực tế điều đó khó thực hiện vì nhiều lý do, cho nên thường chỉ dùng một

hệ thống nối đất để làm hai nhiệm vụ Do đó hệ thống nối đất chung đó phải thỏa mãn các yêu cầu của các thiết bị, cần có điện trở nối đất bé nhất Điện trở nối đất của hệ thống này yêu cầu không được quá 0,5Ω

Để đảm bảo về yêu cầu nối đất cũng như để giảm nhẹ 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 gây cháy nổ)

- Hệ thống dây chống sét – cột

- Kết cấu kim loại của các công trình

Khi dùng nối đất tự nhiên phải tuân theo những qui định của qui phạm Nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thỏa mãn các yêu cầu của thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất bé thì không cần làm thêm nối đất nhân tạo nữa Nhưng đối với các thiết bị có dòng điện ngắn mạch lớn thì cần phải nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số điện trở nhân tạo phải nhỏ hơn 1Ω

3.2: Trị số cho phép của điện trở nối đất

Trị số điện trở nối đất càng bé thì tác dụng của nối đất càng cao Nhưng việc giảm trị số của điện trở nối đất sẽ làm tăng giá thành xây dựng lên nhiều vì số lượng kim loại tăng lên, do đó cần phải qui định trị số cho phép của điện trở nối đất

Đối với hệ thống nối đất làm việc, trị số của nó phải thỏa mãn các yêu cầu của tình trạng làm việc của mỗi thiết bị Theo qui trình:

- Đối với các thiết bị nối đất trực tiếp thì yêu cầu điện trở nối đất phải thỏa mãn:

R ≤ 0,5 (Ω)

- Đối với các thiết bịcó điểm trung tính không nối đất trực tiếp thì yêu cầu:

250( )

R I

nếu như hệ thống nối đất ấy dùng cho các thiết bị cao áp

- Nếu như hệ thống có điểm trung tính cách điện và hệ thống nối đất cho cả các thiết bị cao áp và hạ áp thì yêu cầu:

125( )

R I

  Nhưng không được quá 10 Ω

Dòng điện I tùy theo từng trường hợp sẽ có trị số khác nhau:

- Trong hệ thống không có thiết bị bù thì dòng điện tính toán I là dòng điện khi

có chạm đất một pha:

I = 3Uf ωCTrong đó: C là điện dung của một pha của hệ thống nối đất

- Nếu hệ thống có thiết bị bù thì dòng điện tính toán I là phần dòng điện còn lại hay chưa được bù của dòng điện ngắn mạch chạm đất trong mạng khi đã cắt đi thiết bị bù có công suất lớn nhất, nhưng chú ý là không được quá 30 A

- Dòng điện tính toán trong hệ thống nối đất mà trong đó có nối thiết bị bù được lấy bằng 125% dòng điện định mức của thiết bị bù

Ngoài việc đảm bảo trị số điện trở nối đất đã qui định và giảm nhỏ điện trở nối đất của trạm và nhà máy, còn cần phải chú ý đến việc cải thiện sự phân bố thế trên trên toàn diện tích của trạm

3.3: Hệ số mùa

Đất là môi trường phức tạp không đồng nhất về kết cấu cũng như thành phần, do

đó điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần, độ ẩm, nhiệt độ của đất Do khí hậu các mùa thay đổi nên độ ẩm, nhiệt độ của đất luôn luôn thay đổi, đặc biệt đối với lớp đất ở trên, còn đối với lớp đất sâu thì dao động của độ ẩm ít hơn

Vì vậy khi thiết kế hệ thống nối đất, về trị số tính toán điện trở suất của đất cần chú ý đến trị số lớn nhất của nó có trong các mùa được tính theo công thức:

ρ = ρđo.K Trong đó : K là hệ số mùa

Trong đồ án này ta có điện trở suất của đất là ρđ=100Ωm

Điện trở cột RC = 10Ω

3.4: Tính toán nối đất

Với cấp điện áp lớn hơn 110 kV nối đất an toàn phải thỏa mãn điều kiện là: điện trở nối đất của hệ thống phải có giá trị R ≤ 0,5 Ω Điều kiện này xuất phát từ việc ở cấp điện áp lớn hơn 110 kV dòng điện ngắn mạch lớn, khi chạm vỏ hoặc khi rò điện thì dòng điện sẽ rất lớn gây nguy hiểm

Ở cấp điện áp 110 kV trở lên do có trị số điện trở tản bé và có mức cách điện cao nên có thể thực hiện nối đất an toàn và nối đất chống sét chung

Điện trở nối đất của hệ thống phải thỏa mãn các điều kiện sau:

RNT: Điện trở nối đất nhân tạo, RNT ≤ 1 Ω

3.4.1: Nối đất tự nhiên

Nối đất tự nhiên bao gồm các dạng sau:

- Các hệ thống ống dẫn nước, các ống kim loại chôn dưới đất không chứa các chất dễ cháy, nổ

- Hệ thống dây chống sét, điện trở nối đất, cột điện đường dây mà được nối vào

hệ thống nối đất của trạm

- Các kết cấu kim loại của trạm như móng nhà, tường trạm

Trong phạm vi đồ án này ta chỉ xét nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống dây chống sét - điện trở của cột điện của đường dây 110 kV, 220 kV tới trạm

Ta có công thức tính toán điện trở của hệ thống dây chống sét cột với số lượng cột lớn hơn 20 cột là:

( )

c CSHT

c cs

R R

R R

+ Rc : là điện trở nối đất của cột điện

Nếu trạm có n đường dây đi vào thì điện trở nối đất tự nhiên của trạm: RTN=1R cs

Dây chống sét dùng ở đây là dây C-70 có điện trở đơn vị là r0=2,38Ω/km

Có 9 lộ đường dây 220 kV, khoảng vượt L= 230 m

Điện trở nối đất của cột điện là Rc = 10 Ω

Giả thiết khoảng vượt của các đường dây cùng cấp điện áp và khoảng vượt của các khoảng cột trong cùng đường dây là bằng nhau thì ta có:

Rcs= r0.L = 2,38 230.10-3 = 0,547 (Ω)

Điện trở nối đất tự nhiên của 9 lộ đường dây 220kV:

c cs

R R

( )l

f

l = 0,231 (Ω) < 0,5 (Ω)

Ta lấy luôn trị số này là trị số của điện trở nối đất an toàn

Trong lưới điện trung tính cách đất khi trị số điện trở nối đất đã đảm bảo thì không cần thực hiện nối đất nhân tạo, tuy nhiên lưới 220 kV và lưới 110 kV là lưới trung tính nối đất dòng điện ngắn mạch lớn cho nên ta vẫn phải thực hiện nối đất nhân tạo và yêu cầu điện trở nối đất nhân tạo là RNT ≤ 1 Ω và đảm bảo yêu cầu về nối đất chống sét

3.4.2: Nối đất nhân tạo

Ta phải thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo với yêu cầu RNT ≤ 1Ω

Nối đất nhân tạo trong phạm vi đồ án này ta dùng là nối đất dạng mạch vòng xung quanh trạm

Trạm cắt 220kV có kích thước 225 x 81 m

Mạch vòng được thiết kế cách tường 1m

Hình 3-1:Mạch vòng nối đất

79000

K L R







Trong đó: + L: Là chiều dài tổng của điện cực (chu vi mạch vòng)

+ t: Là độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng, lấy t = 0,8m

+ ρtt: Là điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở

Như vậy trị số điện trở tản xoay chiều của mạch vòng nối đất nhân tạo:

2

.ln

tt mv

K L R



RNT= Rmv= 0,601 Ω < 1Ω cho nên đã đảm bảo yêu cầu nối đất an toàn

Tuy nhiên cần kiểm tra thêm về điều kiện nối đất chống sét, nếu như đã đảm bảo

về điều kiện nối đất chống sét thì không cần phải tiến hành nối đất bổ sung, còn nếu không đảm bảo yêu cầu của nối đất chống sét thì cần phải tiến hành nối đất bổ sung

3.4.3: Nối đất chống sét

Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất và tốc độ biến thiên của dòng điện sét theo thời gian rất lớn trong thời gian đầu điện cảm của khu vực nối đất rất lớn sẽ ngăn cản không cho dòng điện sét đi tới phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều Trong thời gian về sau ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp phân bố đều hơn

Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian T = L.g.l2 Như vậy T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng ( L.l ) và điện dẫn tổng (l.g ) của điện cực Từ công thức trên ta thấy rằng khi dòng tản trong đất là dòng điện một chiều hoặc dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh hưởng của L là không đáng kể và bất kỳ hình thức nối đất nào (thẳng đứng hay nằm ngang) cũng đều biểu thị trị số điện trở tản

Khi dòng điện đi vào trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất tùy thuộc vào tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng của dòng điện

Với T << τđs quá trình quá độ diễn ra rất nhanh, khi dòng điện sét đạt tới trịsố cực đại thì quá trình quá độ cũng kết thúc và hệ thống nối đất thể hiện nhưmột điện trở tản, trường hợp này ứng với trường hợp nối đất tập trung

Nếu điện cực dài, l lớn, hằng số thời gian lớn có thể đạt đến τđs và tại thời điểm dòng điện sét đạt tới trị số cực đại, quá trình quá độ chưa kết thúc, nối đất thể hiện như một tổng trở Z và có trị số rất lớn so với trị số điện trở tản Trường hợp này gọi là nối đất phân bố dài

Trong hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm thì hệ thống nối đất chống sét được nối chung với mạch vòng nối đất an toàn, tạo thành một hệ thống nối đất chung (chỉ áp dụng cho trạm có cấp điện áp lớn hơn 10 kV) Do vậy nối đất chống sét là nối đất phân bố dài Khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất, tổng trở xung kích Zxk có thể lớn gấp nhiều