BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

+ Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp: các trạm biến áp được bảo vệ bằng dây chống sét (treo trên các thiết bị và các xà đỡ dây, thanh cái) hoặc các cột chống sét kiểu Franklin.

+ Mạng lưới nối đất: để tản dòng điện sét trong đất hạn chế các phóng điện ngược trên các công trình cần bảo vệ

+ Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào đường dây

+ Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm

Yêu cầu đề ra là thiết kế chống sét cho trạm phân phối 110/22kV Mỹ Xá với số liệu sau :

Sơ đồ: 110kV Sơ đồ một thanh góp

22kV được bọc chì chôn xuống đất

Độ cao cần bảo vệ: Trạm 110kV là 11m và 8m

Máy biến áp: TM 110/22kV

Có 2 đường dây 110kV vào trạm

Điện trở suất của đất: 95 Ωm

Sơ đồ mặt bằng, mặt cắt đi kèm

CHƯƠNG I: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

Khi đặt hệ thống cột thu sét trên kết cấu của trạm sẽ tận dụng được độ cao vốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của cột thu sét Tuy nhiên đặt

hệ thống thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có sét đánh sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột Phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang các phần tử mang điện khi cách điện không đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu sét trên hệ thống các thanh xà trạm là mức cách điện cao và điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ

Đối với trạm phân phối ngoài trời từ 110kV trở lên do có cách điện cao nên có thể đặt cột thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối Các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối theo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện IS khuếch tán vào đất theo 3 - 4 cọc nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất

Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngài trời điện áp 110kV 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 hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của cột thu sét

và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m

Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110kV trở lên cần chú ý nối đất bổ sung ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu sét vào hệ thống nối đất nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4Ω

Khi dùng cột thu sét độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu sét đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu sét đến vật được bảo vệ

Việc lắp đặt các cột thu sét làm tăng xác suất sét đánh vào diện tích công trình cần bảo vệ, do đó cần chọn vị trí lắp đặt các cột thu sét một cách hợp lý Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện đến đèn phải được cho vào ống chì và chèn vào

1.2 PHẠM VI BẢO VỆ CỦA HỆ THỐNG THU SÉT:

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét.

Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thu hút phóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫn dòng điện sét xuống đất

Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào một điểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào trên công trình.Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vật cần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ

a Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập.

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi phương trình

) (

1

6 , 1

X X

h h

+

=

(1-1)Trong đó : h: độ cao cột thu sét

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

Bán kính được tính toán theo công thức sau:

(1.2)Nếu h X 3h

2

>

thì 0,75 (1 h)

h h

(1.3) Các công thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dưới 30m Hiệu quả của cột thu sét cao trên 30m giảm đi do độ cao định hướng của sét giữ hằng số Có thể dùng các công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân thêm hệ

số hiệu chỉnh p h

5 , 5

=

và trên hoành độ lấy các giá trị 0,75hpvà 1,5hp

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vi bảo vệ các cột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a 7≤ h (trong đó h là độ cao của cột

thu sét) Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm: 2 đỉnh cột và điểm có độ cao h0 - độ cao lớn nhất giữa hai cột được bảo vệ xác định theo công thức:

7

0

a h

(1.4) Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là r0xvà được xác định như sau:

h

h h

(1.6) Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì có các hiệu chỉnh hệ số

7

0 = −

(1.7)

Hình 1.2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau.

c Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.

Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo vệ được xác định như sau:

Vẽ phạm vi bảo vệ của cột thấp (cột 1) và cột cao (cột 2) riêng rẽ Qua đỉnh cột thấp (cột 1) vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của một cột thu sét giả định Cột

1 và cột 3 hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau (h1) với khoảng cách a’ Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h1 Điểm này được xem như đỉnh của một cột thu sét giả định Ta xác định được các khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h1 là a' và x như sau:

x1 R

2 1

1 h 1,5h1

ho

3

a'

Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.

) 1 ( 75 , 0

1

2 1

h

h h

(1.8)

x a

a' = − (1.9)Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ 2 cột có độ cao bằng nhau

d Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột thu sét (số cột >2).

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao tác dụng của cột thu lôi phải thoả mãn:

)(

( 4

2

c p b p a p p

abc R

c b a

(1.12)Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật:

2

2 b a

D= + (1.13)

với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật

Độ cao tác dụng của cột thu sét ha phải thoả mãn điều kiện:

b

Hình1.4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ nhật.

1.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét.

a Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng Chiều rộng của phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như sau :

Hình1.5 : Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta có các hoành độ 0,6h và 1,2h

(1.15)Nếu h x 3h

2

>

thì 0,6. .(1 h)

h h

(1.16)Khi độ cao cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p

b Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữa hai dây thu sét phải thoả mãn điều kiện : S ≤ 4h

Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao h0

4

0

S h

(1.17)Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của một dây, còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm là hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao h0

Hình 1.6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

1.3 PHƯƠNG ÁN BẢO VỆ CỦA HỆ THỐNG THU SÉT

1.3.1 Phương án 1.

1.3.1.1 Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét.

Ta bố trí các cột thu sét như sau:

Phía 110kV đặt 4 cột: Hai cột 1, 4 đặt trên xà cao 11m ; hai cột 2, 3 được xây dựng độc lập

AT1 AT2

Hình 1.7: Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét

1.3.1.2 Tính toán cho phương án 1

a) Tính độ cao tác dụng của cột thu sét:

Để tính được độ cao tác dụng ha của các cột thu sét ta cần xác định đường kính D của đường tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác) qua ba (hoặc bốn) đỉnh cột Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hoặc bốn) đó được

bảo vệ thì phải thoả mãn điều kiện 8 .

D (m)

h a

(m) Chữ nhật 1-2-3-4 25 28 37,54 4,69

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=11m và ha=4,69m

ta chọn ha=5m Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 110kV là :

) ( 16 5 11

Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m

AT1 AT2

Hình 1.8: Phạm vi bảo vệ phương án 1

16

AT1 AT2

Hình 1.9: Sơ đồ mặt bằng bố trí dây thu sét

Trạm 110kV có treo 4 dây chống sét C-70 , 2 dây 12 và 34 dài l= 25m, 2 dây 14 và 23 dài 28m Khoảng cách giữa hai dây 12 và 34 là S=28m, khoảng cách giữa 2 dây 14 và 23 là 25m Để bảo vệ toàn bộ xà trong trạm thì :

ho = hxmax = 11m

Xét 2 dây 12 và 34:

4 18( )

28 11 4

1 0

2 0

= α

Nhiệt độ ứng với trạng thái bão: θbão=25oC

Nhiệt độ ứng với trạng thái min: θmin=5oC

Tải trọng do trọng lượng gây ra: g1=8.10-3kg/m.mm2

Tải trọng do gió gây ra (áp lực gió cấp 3 với v=30m/s) :

F

P

g3 = v

v x

16

30 2 , 1 7 ,

) / ( 10 3 , 6 70

44 ,

2 3

2 3

min ) (

24

g g

CP gh

10 8 ( ) 10 18 , 10 (

) 5 25 (

10 12 24

Kiểm tra điều kiện ta thấy l < lgh

+ Với khoảng vượt l1 =25m

Phương trình trạng thái ứng vơi θmin có dạng:

0

2

3 −A δ −B= δ

) (

.

24

.

min 2

0

2 1

2 1

δ

= l g E E bao A

35 , 17 ) 5 25 (

10 200 10 12 31

24

10 200 ) 10 8 (

25

2

3 2

3 2

m l

g

δ

Độ cao cột treo dây thu sét : h1 =h01 + f =18+0,164=18,164(m)

+ Với khoảng vượt l2 =28m

Phương trình trạng thái ứng vơi θmin có dạng:

0

2

3 −Aδ −B= δ

) (

.

24

.

min 2

0

2 1

2 2

δ

= l g E E bao A

17 ) 5 25 (

10 200 10 12 31

24

10 200 ) 10 8 (

28

2

3 2

3 2

l g

δ

Độ cao cột treo dây thu sét : h2 =h02 + f =17,25+0,177=17,427(m)

Vậy chọn độ cao treo dây thu sét là h=19m

a.)Phạm vi bảo vệ của dây thu sét:

Ta chỉ tính cho vị trí cao nhất ứng với đỉnh cột(vì độ chênh lệch giữa vị trí cao nhất và thấp nhấp không đáng kể)

Bảo vệ ở độ cao 11m:

2 3

19 2 ,

Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai dây12 và 34

12 4

28 19 4

25 19 4

Ta đăt cột thu sét bao biên có độ cao 19m.

1.3.2.3 Phạm vi bảo vệ của phương án 2:

Ta chỉ cần vẽ phạm vi bảo vệ cho độ cao hx=11m

Hình 1.10 Phạm vi bảo vệ của phương án 2

19

Phương án 1: Có chiều dài cột phải xây dựng là 42m

Phương án 2: Có chiều dài cột phải xây dựng là 54m, dây chống sét là 106m Mặt khác nếu chọn phương án 2 phải thêm cột, dây néo, do vậy ta chọn phương án 1 chống sét đánh trực tiếp vào trạm

CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM

2.1 YÊU CẦU KỸ 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 đảm 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 Tuỳ theo nhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia làm ba loại

Nối đất làm việc.

Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm 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 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 phận kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại Khi cách điện bị hư hỏng do lão hoá thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhưng do nối 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 thu lôi hay đường dây Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng quá 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 có 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 huỷ các thiết bị điện và máy biến áp

Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trong thực

tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ Song hệ thống nối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của các thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm đất 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, tác dụng của nối đất tốt hơn an toàn hơn Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏ thì rất tốn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được

cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế

Một số yêu cầu về 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 bước 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 đất yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mãn: R≤0,5Ω

+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì: R≤ I Ω

250

.+ Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một hệ

thống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì: R≤ I Ω

125 Dòng điện I tùy theo mỗi 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 (cả mạng trên không và mạng cáp):

đi thiết bị bù có công suất lớn nhất, nhưng chú ý là phần dòng điện ấy 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

+ Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thoả mãn yêu cầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì không cần nối đất nhân tạo nữa Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thoả mãn đối với các thiết bị cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất nhân tạo

và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R≤ 1 Ω

+ Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn có như các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chôn trong đất Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia

+ Vì đất là môi trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất như các loại muối, axít chứa trong đất,độ ẩm , nhiệt độ và điều kiện khí hậu Ở Việt nam khí hậu thay đổi theo từng mùa độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất cuả đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng Do vậy trong tính toán thiết kế

về nối đất thì trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn

Công thức hiệu chỉnh như sau:

m do

TT ρ K

ρ = (2.1)

Trong đó: ρtt: là điện trở suất tính toán của đất.

ρđo: điện trở suất đo được của đất.

Km: hệ số mùa của đất

Hệ số Km phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực

2.2- CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT.

Điện trở suất đo được của đất: ρd = 95 Ωm.

Điện trở nối đất cột đường dây: R c = 10 Ω

Dây chống sét sử dụng loại C- 70 có điện trở đơn vị là: r0 =2,38Ω/km.

Chiều dài khoảng vượt đường dây là: l= 200m.

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

) ( 476 , 0 10 200 38 , 2

=

TN NT

TN NT TN

NT HT

R R

R R R

R R

RNT: 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 đường dây và cột điện 110kV

Ta có công thức sau:

4

1 2

1 1

+ +

=

cs c

c TN

R R

R n

R

Trong đó : n: số lộ dây

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

Rc : điện trở nối đất của cột điện

) ( 98 , 0 4

1 476 , 0

10 2

1

10

2

+ +

=

TN

R

Ta thấy RTN>0,5Ω ,do vậy phải nối đất nhân tạo

Điện trở nói đất nhân tạo :

5 , 0

R R

98 , 0 1

2 TN

TN NT

R

R R

Kết hợp với điều kiện khi nối đất nhân tạo thì R NT ≤1(Ω) ta có điều kiện đối với điện trở

≤ Ω

b Điện trở nối đất nhân tạo.

Nối đất có các hình thức cọc dài 2-3m bằng sắt tròn hay sắt góc chôn thẳng đứng Thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu 0,5-0,8m đặt theo hình tia, mạch vòng hoặc tổ hợp của hai hình thức trên

- Đối với nối đất chôn nằm ngang có thể dùng công thức chung sau:

d t

L K l

R

.

ln 2

L: chiều dài tổng của điện cực

d: đường kính điện cực khi điện cực dùng thanh sắt tròn Nếu dùng sắt dẹt

thì trị số d thay bằng b2 với b là chiều rộng của sắt dẹt

t: độ chôn sâu

K: hệ số hình dạng phụ thuộc sơ đồ nối đất

- Hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu

vi mạch vòng:

C T T C

C T HT

R n R

R R R

Mạch vòng bao quanh trạm là hình chữ nhật có kích thước như sau: chiều dài l1 = 38m ; chiều rộng l2 = 30m

Điện trở mạch vòng của trạm là:

t d

L K L

R MV

.

ln 2

L: chu vi mạch vòng

) ( 136 ) 30 38

t: Độ chôn sâu của thanh, lấy t= 0,8m

ρtt: điện trở xuất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t

mua do

tt ρ k

Tra bảng với thanh ngang chôn sâu t=0,8m ta có kmùa=1,6

) ( 152 6 , 1

10 6 2

Ta có đồ thị sau:

2 3 4 2

27 , 1 30

Π

=

l t

l t d

l l

K R

at mc c

4

4 ln 2

1 2 ln 2

.

ρ

Trong đó :

t=h+l/2 = 2,3 m

3 3 , 2 4

3 3 , 2 4 ln 2

1 06 , 0

3 2 (ln 3 14 , 3 2

4 , 1 95

c t t c

t c

.

vậy: Rnt=34,9.0,14 2,6.0,21.160

6 , 2 9 , 34

+ =0,9 Ω <1Ω Vậy nối đất an toàn đã thỏa mãn

Ta có điện trở nối đất của hệ thống:

) ( 47 , 0 98 , 0 9 , 0

98 , 0 9 , 0

//

Ω

= +

= +

=

=

TN NT

TN NT

TN NT HT

R R

R R

R R R

- Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực

- Quá trình phóng điện trong đất

Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung) thì không cần xét quá trình quá độ mà chỉ cần xét quá trình phóng điện trong đất Ngược lại khi nối đất dùng hình thức phân bố dài (tia dài hoặc mạch vòng) thì đồng thời phải xét cả hai quá trình có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả nối đất

Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung:

Điện trở tản xung kích không phụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực mà nó được quy định bởi biên độ dòng điện I, điện trở suất ρ và đặc tính xung kích của đất

Vì trị số điện trở tản xoay chiều nối đất tỷ lệ với ρ nên hệ số xung kích có giá trị :

R xk

xk = =

(2.7)hoặc ở dạng tổng quát:

) , ( ρ

Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong đất:

Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:

L R

Hình 2.2: Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất.

Cho rằng điện trở suất của đất là không đổi, như vậy trong tính toán điện trở xung kích của nối đất kéo dài có thể dùng sơ đồ thay thế tương tự như đối với đường đây trên không Vì điện trở bản thân cực bé hơn rất nhiều so với điện cảm của nó, ảnh hưởng của điện dung C cũng rất nhỏ so với ảnh hưởng của điện dẫn G nên

có thể bỏ qua do đó ta có sơ đồ thay thế :

L: điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài

G: điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài

) , ( ) , (

t x I

t x U t x

(2.10)

Trong đó U(x,t); I(x,t) là dòng điện và điện áp xác định từ hệ phương trình vi phân:

t

I L x U

.

.

(2.11) Giải hệ phương trình này ta được điện áp tại điểm bất kỳ và tại thời điểm t trên điện cực:

=

−

1 21

cos 1

1 2 ) , (

k

T t

l

x k e

k T t l G

a t x

(2.12) Tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất:

2 ) , 0 (

k

T t

K e k

t

T t l G

a t Z

π

k

l G L

T K =

2 1

.

π

l G L

Tính toán nối đất phân bố dài khi có xét quá trình phóng điện trong đất.

Việc giảm điện áp và mật độ dòng điện ở các phần xa của điện cực làm cho quá trình phóng điện trong đất ở các nơi này có yếu hơn so với đầu vào của nối đất Do đó điện dẫn của nối đất (trong sơ đồ đẳng trị) không những chỉ phụ thuộc vào I, ρ mà còn phụ thuộc vào toạ độ Tuy nhiên việc tính toán tổng trở

sẽ rất phức tạp, vì vậy ta có thể bỏ qua trong phạm vi đồ án này

Tính toán cho trạm thiết kế:

Đây là trạm 110kV nên cho phép nối đất chống sét nối chung vào với nối đất

an toàn Do đó nối đất chống sét là nối đất phân bố dài dạng mạch vòng Giả thiết sét đi vào điểm như hình vẽ

Lúc này mạch vòng được xem như hai tia ghép song song Chiều dài mỗi tia là:

68 ln 2 ,

1,6 .1,2 0,672( )

896 , 0

ds S

t khi a

I

t khi at

I

τ τ

τ

.

(2.16)Biên độ dòng điện sét được quy định là I 150= kA.

Độ dốc của dòng sét là a= 30kA/ µs.

Thời gian đầu sóng là 30 5( )

150

s a

2 1 2

1 )

, 0 (

k

T ds

MV

ds e k

T l

G Z

=

1

2 2

2 2

6

1

2

1 1

1 1

.

k

T T

T T

k

e e

e e

k

K ds ds

ds

K ds

τ τ

τ τ

(2.20)Trong dãy số này ta chỉ xét đến số hạng chứa e-4, từ số e-5 trở đi có giá trị rất nhỏ so với các số hạng trước nên ta có thể bỏ qua ta tính đến k sao cho:

k hay k

4

τ

1 2

≥

) ( 58 , 7 68 10 9 , 10 48 , 1

2

2 3 2

58 , 7 2

≥

ds

T k

τ

Ta lấy giá trị k từ 1-3:

T K

7,44 1,86 0,83 0,672 2,688 6,048

k

T K ds e k

1

k

T K

ds e k

τ

Vậy:

58 , 7 2 1 68 10 9 , 10 2

1 )

Trong đó I: Biên độ của dòng sét

ZXK(0,τds): Tổng trở xung kích ở đầu vào nối đất của dòng điện sét.U50%MBA : Điện áp 50% của máy biến áp

Ta có U50%110=460kV.Kiểm tra điểu kiện:

) ( 2 , 444 96 , 2

T

e−τ

CHƯƠNG III: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY

3.1 MỞ ĐẦU

Đường dây là phần tử dài nhất trên hệ thống điện nên thường bị sét đánh gây nên quá điện áp quá trình này có thể dẫn tới cắt máy cắt đường dây làm ảnh hưởng tới cung cấp điện Mặt khác khi sét đánh vào đoạn dây gần trạm thì

sẽ tạo nên sóng truyền vào trạm gây sự cố phá hoại cách điện của thiết bị điện trong trạm Do đó ta phải tiến hành nghiên cứu chống sét cho đường dây tải điện ,đặc biệt là những đoạn đường dây gần đến trạm thì phải được tính toán bảo vệ cẩn thận Vì thế đường dây cần được bảo vệ chống sét với mức an toàn cao

Quá điện áp khí quyển có thể là do sét đánh thẳng lên đường dây hoặc do sét đánh xuống đất gần đường dây tạo nên quá điện áp cảm ứng Trị số của quá điện áp khí quyển là rất lớn nên không thể chọn mức cách điện của đường dây đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp mà chỉ có thể chọn theo mức hợp lý về mặt kinh tế và kỹ thuật Do đó yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đường dây không phải là an toàn tuyệt đối mà chỉ cần ở mức độ giới hạn hợp lý

Trong phần này ta sẽ tính toán các chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây, trên cơ sở đó xác định được các phương hướng và biện pháp để giảm số lần cắt điện của đường dây cần bảo vệ

3.2 CÁC CHỈ TIÊU BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY

1) Cường độ hoạt động của sét

a) Số ngày sét

Cường độ hoạt động của sét được biểu thị bằng số ngày có giông sét hàng năm (nngs) Các số liệu này được xác định theo số liệu quan trắc ở các đài trạm khí tượng phân bố trên lãnh thổ từng nước Theo số liệu thống kê của nhiều nước ta có :

- Số ngày sét hàng năm ở vùng xích đạo : 100 ÷ 150 ngày.

- Số ngày sét hàng năm ở vùng nhiệt đới : 75 ÷ 100 ngày.

- Số ngày sét hàng năm ở vùng ôn đới : 30 ÷ 50 ngày.

b) Mật độ sét

Để tính toán số lần có phóng điện xuống đất cần biết về số lần có sét đánh trên diện tích 1km2 mặt đất ứng với một ngày sét, nó có trị số khoảng ms = 0,1 ÷ 0,15 lần/km2.ngày sét Từ đó sẽ tính được số lần sét đánh vào các công trình hoặc lên đường dây tải điện Kết quả tính toán này cho một giá trị trung bình

2) Số lần sét đánh vào đường dây.

Coi mật độ sét là đều trên toàn bộ diện tích vùng có đường dây đi qua,

có thể tính số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây trong một năm là:

3

10 6

=m n L h

Trong đó:

ms: mật độ sét vùng có đường dây đi qua

nng.s: số ngày sét trong một năm

h : chiều cao trung bình của các dây dẫn (m)

L : chiều dài của đường dây (km)

Lấy L = 100 km ta sẽ có số lần sét đánh vào 100km dọc chiều dài đường dây trong một năm

N = ( 0 , 1 ÷ 0 , 15 ).n ngs 6h 100 10 − 3 = ( 0 , 06 ÷ 0 , 09 ).n ngs.h

(3-2)Tuỳ theo vị trí sét đánh quá điện áp xuất hiện trên cách điện đường dây có trị số khác nhau Người ta phân biệt số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây

Trong đó N : tổng số lần sét đánh vào đường dây

ϑα : xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn, nó phụ thuộc vào góc bảo vệ α và được xác định theo công thức sau:

4 90

.

lg = α h c −

ϑα

(3-5) Trong đó hc : chiều cao của cột (m)

(3-6)

3) Số lần phóng điện do sét đánh vào đường dây

Khi bị sét đánh, quá điện áp tác dụng vào cách điện của đường dây ( sứ và khoảng cách không khí giữa dây dẫn và dây chống sét ) có thể gây ra phóng điện Khả năng phóng điện được đặc trưng bởi xác suất phóng điện υpd Như

thế ứng với số lần sét đánh Ni số lần phóng điện :

pd i pdi N

N = υ (3-7)

Xác suất phóng điện υpd phụ thuộc trị số của quá điện áp và đặc tính cách

điện ( V-S ) của đường dây

pd qa

pd =P U ≥U .

4) Số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây

Khi có phóng điện trên cách điện của đường dây, máy cắt có thể bị cắt ra nếu có xuất hiện hồ quang tần số công nghiệp tại nơi phóng điện Xác suất hình thành hồ quang η phụ thuộc vào điện áp làm việc trên cách điện pha của

đường dây và độ dài cách điện của đường dây Có thể xác định η theo bảng sau

Bảng 3.1: Bảng xác suất hình thành hồ quang η = f(E lv).cs

Với U lv : điện áp pha làm việc.

L cs : chiều dài chuỗi sứ

4 5 , 1

= E tb

η (3-9)

Etb : là cường độ trường trung bình trên tổng chiều dài cách điện ( kV/m)

Cuối cùng có thể tính số lần cắt của đường dây tương ứng với số lần sét đánh Ni:

5) Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng.

Số lần phóng điện do sét đánh gần đường dây gây phóng điện cảm ứng trên cách điện đường dây

260

% 50

% 50

).

4 , 23 6 , 15

U

h n

(3-12) Trong đó ns : là số ngày sét trong một năm

h : độ treo cao trung bình của dây dẫn

U50% : điện áp phóng điện 50% của chuỗi sứ

Như vậy số lần đường dây bị cắt điện do quá điện áp cảm ứng

η

.

pdcu cdcu N

n = (3-13)

Đường dây 110kV trở lên do mức cách điện cao (U50% lớn) nên suất cắt do quá điện áp cảm ứng có trị số bé và trong cách tính toán có thể bỏ qua thành phần này

3.3.TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY

3.3.1 Mô tả đường dây cần bảo vệ

a) Kết cấu cột điện.