Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp

Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp

Lời nói đầu.

Đờng dây và trạm biến áp là những phần tử chính trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng.Cùng với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật thì điện năng ngày càng trở nên hết sức quan trọng trong sự phát triển chung của xã hội Công suất của phụ tải ngày càng tăng kèm theo đòi hỏi ngày càng cao về chất lợng

điện năng,điều đó thúc đẩy sự phát triển nhanh của hệ thống điện.Trạm biến áp là nơi nhận điện và cung cấp cho các phụ tải Các thiết bị trong trạm đều hiện đại và chiếm một số vốn đầu t tơng đối lớn Trong vận hành trạm có thể xuất hiện nhiều loại sự cố khác nhau, một trong sự cố nguy hiểm nhất của trạm là sét đánh trực tiếp vào trạm hoặc dây dẫn tới trạm

Sét là hiện tợng phóng điện với dòng điện rất lớn sẽ gây phá hỏng máy biến áp và

đờng dây Khi bị sét đánh thờng dẫn đến sự ngừng trệ việc cung cấp điện và truyền tải điện ở một số khu vực, điều này làm thiệt hại lớn đến nền kinh tế , xã hội và tính mạng con ngời.Điều đó đòi hỏi phải tính toán hệ thống chống sét sao cho giảm đợc tối đa hiện tợng sét đánh vào khu vực bảo vệ

Trong đề tài này với nhiệm vụ thiết kế hệ thống chống sét cho một trạm biến áp và

đờng dây cao áp dẫn tới trạm

Tuy đã cố gắng rất nhiều nhng do thời gian còn hạn chế và kiến thức có hạn nên bản

đồ án này có thể không tránh khỏi những thiếu sót rất mong các thầy cô và các bạn góp ý chỉ bảo thêm

Bài đồ án đợc hoàn thành em xin chân thành cảm ơn sự động viên của các bạn và sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Hệ Thống Điện Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đặc biệt là sự hớng dẫn trực tiếp và sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo Trần Văn Tớp

Em xin chân thành cảm ơn

Mở đầu

Giới thiệu chung về hiện tợng sét ở Việt Nam

Qua việc nghiên cứu giông sét và các biện pháp bảo vệ chống sét cho các công trình,thiết bị đã có lịch sử từ lâu đời Ngày nay ngời ta đã tìm ra đợc những biện pháp, những hệ thống thiết bị và những kỹ thuật tiên tiến để phòng chống sét một cách hữu hiệu và an toàn Tuy nhiên giông sét là hiện tợng tự nhiên Mật độ, thời gian và cờng độ sét mang tính ngẫu nhiên cho nên việc nghiên cứu chống sét là rất quan trọng đối với các công trình

ở những vùng khác nhau, do điều kiện khí hậu và thiết bị kỹ thuật khác nhau nên các đặc điểm về giông sét gây ra những tác hại khác nhau Tuỳ theo từng vùng mà

có những biện pháp thích hợp để phòng chống sét có hiệu quả

A.Tình hình giông sét ở việt nam:

Theo đề tài KC-03-07 của Viện năng lợng trong một năm số ngày giông trên Miền bắc nớc ta thờng giao động trong khoảng từ 70 đến 110 ngày và số lần giông từ 150

đến 300 lần, nh vậy vào mùa ma trung bình một ngày có thể xảy ra từ 2 đến 3 cơn giông

Vùng giông nhiều nhất trên Miền Bắc là vùng Tiên Yên, Móng Cái; Tại đây hàng năm có từ 100 đến 110 ngày, tháng nhiều giông nhất là các tháng VII, VIII có tới 25ngày/ tháng

Một số vùng khác có địa hình chuyển tiếp giữa cồng bằng số lần giông cũng nhiều tới 200 lần với số ngày giông khoảng trên 100 ngày, các vùng còn lại từ 150 đến 200cơn giông mỗi năm tập chung khoảng 90 đến 100 ngày

Nơi ít giông nhất là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có 80 ngày giông Xét về dạng diễn biến của mùa giông trong năm ta thấy mùa giông không hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nói chung ở Bắc Bộ mùa ma bão tập chung khoảng từ tháng 5 đến tháng 9 ở phía tây Bắc Bộ mùa giông tập trung trong khoảng từ đầu tháng 4 đến tháng 8 ở các nơi khác thuộc Bắc Bộ tháng 5, tháng 9 ở Hà Tĩnh, Quảng Bình Vùng Duyên hải trung bộ ở phần phía bắc đến Quảng Ngãi là khu vực tơng đối nhiều giông trong tháng 4 và từ tháng 5 đến tháng 8 Số ngày giông tập trung xấp xỉ

10 ngày/tháng Tháng nhiều giông nhất (tháng 5 ) quan sát đợc 12 đến 15 ngày Những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) mỗi tháng chỉ gặp từ

2 đến 5 lần giông Phía nam Duyên Hải trung bộ (từ Bình định trở vào) là khu vực ít giông nhất thờng chỉ có tháng 5 số ngày giông chỉ xấp xỉ hoặc lớn hơn 10 ngày (Tuy

hoà 10 ngày, Nha Trang 8 ngày, Phan Thiết 13 ngày) còn các tháng khác của mùa

đông mỗi tháng chỉ quan sát đợc từ 5 đến 7 ngày giông

Miền Nam cũng khá nhiều giông hàng năm trung bình quan sát đợc từ 40 đến 50 ngày đến trên 100 ngày tuỳ từng nơi Khu vực nhiều giông nhất là vùng đồng bằng Nam Bộ số ngày giông trung bình hàng năm lên tới 120 đến 140 ngày (Sài Gòn 138 ngày, Hà Tiên 129 ngày)

ở Bắc Bộ chỉ vào khoảng 100 ngày Mùa giông ở Nam bộ từ tháng 4 đến tháng 11, trừ tháng đầu mùa là tháng 4 tháng cuối mùa là tháng 11 số ngày giông trung bình

là 10 ngày trên mỗi tháng còn các tháng 5 tháng 6 đến tháng 10 mỗi tháng quan sát trung bình gặp trên 20 ngày giông (sài gòn 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày)

Tây Nguyên mùa giông thờng chỉ có 2, 3 tháng số ngày giông đạt tới 10 đến 15

ngày đó là các tháng 4, tháng 5 và tháng 9 Tháng cực đại (tháng 5) trung bình quan sát đợc chừng 15 ngày giông ở bắc Tây Nguyên 10 đến 12 ngày, nam Tây Nguyên (P Lây Cu 17 ngày Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày) còn các tháng khác trong mùa đông mỗi tháng trung bình từ 5 đến 7 ngày giông

Qua số liệu khảo sát ta thấy rằng tình hình giông sét trên ba miền khác nhau, những vùng lân cận lại có mật độ giông sét tơng đối giống nhau

Kết quả nghiên cứu đề tài KC-03-07 ngời ta đã lập đợc bản đồ phân vùng giông toànViệt nam có thể phân thành 5 vùng 147 khu vực Các thông số cho ghi ở bảng 1

Bảng 1 :

Vùng Ngày giông trung bình

(ngày/năm)

Giờ giông trung bình (giờ/năm)

Mật độ sét trung bình

Tháng giông cực đại

1 Đồng bằng ven biển Miền Bắc 81,1 215,6 6,47 8

2 Miền núi trung du Miền Bắc 61,6 219,1 6,33 7

3 Cao nguyên Miền Trung 47,6 126,21 3,31 5;8

4 Ven biển Miền Trung 44,0 95,2 3,55 5;8

5 Đồng bằng Miền Nam 60,1 89,32 5,37 5;9

Từ các số liệu về ngày giờ giông số lợng đo lờng nghiên cứu đã thực hiện qua các giai đoạn có thể tính toán đa ra các số liệu dự kiến về mật độ phóng điện xuống các khu vực (bảng 2)

Khu vực caonguyên miền trung

Khu vực venbiển miền trung

Khu vực

đồng bằng miền nam

20  40 2,43  4,68 2,1  4,2 1,2  2,4 1,22  2,44 1,26  2,524o  60 4,86  7,92 4,2  6,3 2,4  3,6 2,44  3,65 2,52  3,78

và các công trình xây dựng ở Việt Nam

B ảnh hởng của giông sét

ở Việt Nam trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nớc KC-03-07 đã lắp đặt các vật ghi sét

và bộ ghi tổng hợp trên các đờng dây tải điện trong nhiều năm liên tục Kết quả thu thập tình hình sự cố lới điện 220kV Miền Bắc từ năm 19871992 (bảng 3 )

Bảng 3 :

Loại sự cố Dới 220KV ĐDK phả lại  Hà đông

Kết luận : Qua những nghiên cứu tình hình giông sét ở Việt Nam và những tác hại của sét gây nên đối với lới điện, cho nên việc bảo vệ chống sét cho đờng dây điện vàcác trạm biến áp là không thể thiếu đợc khi thiết kế lới điện Vì vậy việc đầu t nghiên cứu chống sét là cần thiết để nâng cao độ tin cậy trong vận hành lới điện ở n-

ớc ta

Chơng I : Tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

1.1 :Giới thiệu chung

Khi các thiết bị điện của trạm phân phối điện ngoài trời bị sét đánh trực tiếp thì sẽ gây những hậu quả ngiêm trọng : gây nên h hỏng các thiết bị điện, dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn bộ trạm trong một thời gian dài làm ảnh hởng đến việc sản xuất điện năng và các ngàng kinh tế quốc dân khác

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho công trình thờng dùng các hệ thốngthu sét nh: cột thu sét, dây thu sét Hệ thống thu sét gồm các bộ phận thu sét (kim, dây ), bộ phận nối đất và các dây dẫn liên hệ hai bộ phận với nhau Cột thu sét có thể đặt độc lập hoặc trong những điều kiện cho phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm và nhà máy

Thông thờng để giảm vốn đầu t và để tận dụng các độ cao ở các trạm biến áp ngời ta

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

Tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét là ở chỗ tập trung điện tích ở đỉnh bộ phận thu sét, tạo nên điện trờng lớn nhất giữa nó với đầu tia tiên đạo Do đó thu hút các phóng

điện sét và hình thành khu vực an toàn ở bên dới, chung quanh hệ thống thu sét Bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trở nối đất bé để việc tập trung điện tích cảm ứng trong đất đợc dễ dàng và khi có dòng điện sét đi qua điện áp trên các

bộ phận của hệ thống thu sét sẽ không đủ gây nên phóng điện ngợc từ nó tới công trình đặt gần

Khi thiết kế hệ thống chống sét phải chú ý so sánh về các mặt kỹ thuật, mỹ thuật vàvấn đề nối đất của cột thu lôi Đối với trạm phân phối ngoài trời 110kV trở nên do

có mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên các kết cấu của trạm phân phối ,các trụ của các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi phải đợc ngắn nhất và sao chodòng điện sét khuếch tán vào trong đất theo 34 thanh cái của hệ thống nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của các kết cáu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điệntrở nối đất Khi bố trí cột thu sét của trạm phân phối ngoài trời 110kV trở lên phải0 thực hiện các điều 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 nhằm đảm bảo điện trở không đợc quá 4

+ Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm 35kV phải tăng cờng cách điện của nó lên

đến mức cách điện của cấp 110kV

+Trên đầu ra của cuộn dây 610kV cần đặt các chống sét van

+Để bảo vệ cuộn dây 35kV cần đặt chống sét van Khoảng cách giữa chỗ nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van phải nhỏ hơn 5m +

Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột thu lôi và bộ phận mang điện không đợc bé hơn chiều dài của chuỗi sứ

+ Có thể nối cột thu lôi vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp110kV nếu các yêu cầu trên đợc thực hiện Khi dùng cột thu lôi độc lập phảI chú ý đến khoảng cach giữa các cột thu lôi đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vật đợc bảo vệ

Đối với các nhà máy điện dùng sơ đồ bộ thì chỉ đợc đặt cột thu lôi trên xà máy biến

áp khi máy phát điện và máy biến áp đợc lối với nhau bằng cầu bọc kín và hai đầu

đợc lối đất Nếu cầu có phân đoạn thì không đợc phép đặt cột thu lôi trên xà máy biến áp để đảm bảo về mặt cơ khí và để trống ăn mòn cần phải theo đúng qui định

về loại vật liệu, tiếp diện dây dẫn dùng trên mặt đất và dới đất

1.2 Yêu cầu đối vơí cột tròng sét và dây thu sét

Cột thu sét lên dùng giá đỡ bằng cột bê tông cốt thép để làm dây dẫn dòng điện sét

từ kim thu sét đến hệ thống lối đất để giảm vốn đầu t

+ Cột thu lôi đợc thiết kế làm việc ở trạng thai tự do không làm việc ở trạng thá căng

+ Khi trọn các phần tử của cột thu lôi (phần thu và dây dẫn dòng điện sét) dựa trên

sự phát nóng của chúng và trong tính toán có thể bỏ qua sự tản nhiệt ra môi trờng xung quanh

Kim thu sét phải nhỏ và nhọn để tập trung điện tích tạo lên trờng lớn nhất với tia tiên

đạo do đó thu hút dòng điện sét và hình thành khu vực an toàn ở bên dới và xung quanh hệ thống thu sét

+ Dây thu sét phải có tiết diện nhỏ và bề mặt dẫn điện tốt để đảm bảo dòng điện sét chạy qua, tập trung điện tích và thu hút dòng điện sét về phía mình không gây ảnh hởng đến phần tử nằm trong phạm vi bảo vệ đem lại sự an toàn cho các thiết bị đó

- Khi bố trí dây thu sét để bảo vệ cho đờng dây cao áp thì tuỳ theo cách bố trí dây

đãn trên cột có thể treo một hoặc hai thu sét Các dây trống sét đợc treo trên đờng dây tải điện sao cho dây dẫn của cả ba pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của các dây đó

1.3 Tính toán hệ thống chống sét

1.3.1.Các công thức sử dụng trong tính toán bảo vệ chống sét

a Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ của cột thu sét là miền giới hạn bởi mặt ngoài hình chóp tròn xoay

có bán kính đáy đợc xác định bởi phơng trình :

) - ( 1

6 , 1

x x h h h h

r x





(1-1)Trong đó : - h là độ cao cột thu sét

- rx là bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức cao h x.

- hx là độ cao của vật cần đợc bảo vệ

- h - hx là độ cao hiệu dụng của cột thu sét

Để dễ dàng thuận tiện trong tính toán thiết kế thờng dùng phạm vi bảo vệ dạng đơn giản hoá (hình 1-1) đờng sinh hình chóp có dạng gấp khúc Khi đó bán kính bảo vệ

đợc tính toán theo công thức sau đây :

độ cao trên 30m thì phải nhân theo hệ số hiệu chỉnh P với P = h

5 , 5

và trên hình vẽ dùng các hoành độ 0,75h.P và 1,5h.P

Hình 1.2 Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét

b Phạm vi bảo vệ cuả hai cột thu sét có cùng độ cao

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có kích thớc lớn hơn nhiều so với tổng số phạm vibảo vệ của hai cột đơn Bằng thực nghiệm ngời ta đã chứng minh đợc khu vực có xác suất 100% phóng điện vào cột thu sét có bán kính r =3,5h Nh vậy khi hai cột thu sét đặt cách nhau a = 2R = 7h thì bất kỳ điểm nào trên mặt đất trong khoảng giữa hai cột sẽ không bị sét đánh Từ đó suy ra nếu hai cột thu sét đặt cách nhau khoảng cách a  7h thì sẽ bảo vệ đợc độ cao h0 xác định bởi :

Mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở mức cao hx

Hình 1 3 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có cùng độ cao.

c Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau

Cột 1 có độ cao h1.

Cột 2 có độ cao h2 (h1< h2)

Khoảng cách giữa 2 cột là a

Ta có cách vẽ phạm vi bảo vệ :

Hình 1 4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau

Khi độ cao cột thu sét vợt quá 30m cũng có hiệu chỉnh tơng tự nh trên và: 0

Khoảng cách giữa cột 1 với cột giả định là L

L=1,5 h1 (1- h2/ h1)

d.Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét

Khi công trình cần đợc bảo vệ chiếm khu vực rộng lớn, nếu chỉ dùng vài cột thì phải rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công, lắp giáp Trong trờng hợp này

ta nên bố trí nhiều cột thu sét để phối hợp cùng bảo vệ Vật có độ cao hx nằm trong

đa giác hình thành bởi các cột sẽ đợc bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:

D  8 (h-h x) p = 8h a p Khi xét các nhóm cột bảo vệ gồm có ba cột hợp với nhau

thành một tam giác có ba cạnh là a, b, c thì D đợc tính nh sau :

D = 2. ( )( )( )

.

c p b p a p

p

c b a







(m) (1 - 7)Trong đó : p là nửa chu vi tam giác ABC

a.Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét b.Phạm vi bảo vê của 4 cột thu sét

!.3.2 Các thiết bị trong trạm và nhiệm vụ tính toán :

Hai lộ 110 kV dẫn điện vào trạm

Thiết bị phân phối cao áp gồm hai hệ thống thanh góp có chiều dài 18,5 m

Hai maý biến áp có độ cao 4 m

Chiều cao của xà kéo dây cao nhất là 11 m

Chiều cao thanh góp cứng là 8m

Nhà điều khiển cao 5m , chiều dài 27 m , chiều rộng 7 m đặt các thiết bị phân phối, thiết bị dự phòng và thiết bị điều khiển toàn bộ trạm

Các thiết bị khác nh dao cách li, máy cắt nằm dới hai hệ thống thanh góp nên ta không cần xét đến

*Nhiệm vụ của chúng ta là phải bố trí cột thu sét trên mặt bằng của trạm sao cho

đảm bảo chống sét đánh trực tiếp cho tất cả các thiết bị trong trạm Bao gồm : dự tính số lợng, vị trí đặt cột thu sét, độ cao của từng cột Phạm vi bảo vệ của một cột, phạm vi bảo vệ tơng hỗ giữa 2 cột và phạm vi bảo vệ của toàn bộ hệ thống thu sét

*Ta bố trí các phơng án nh sau:

1.4 Vạch phơng án và tính toán các phơng án

1.4.1 Phơng án 1:

*Trong phơng án này ta bố trí 4 cột thu sét A,B,C ,D đặt trực tiếp trên xà đỡ dây và

2 cột E,F đặt trên nóc nhà đIều khiển Vị trí của các cột nh trên hình vẽ 1.7

a.Tính độ cao của cột phía 110 kV

+Độ cao của thiết bị cần bảo vê hx = 11 m

-Xét nhóm 4 cột ABCD Các cột này tạo thành hình chữ nhật với khoảng cách các cột :

AD = BC =18,5 m

AB = CD = 27 m

Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi 4 đỉnh cột đợc bảo vệ thì :

D  8 ha

Trong đó : D: là đờng kíng đờng tròn ngoại tiếp tứ giác ABCD

ha : là độ cao tác dụng của các cột

 ha  4,09

Vậy độ cao tác dụng nhỏ nhất đảm bảo phạm vi bảo vệ là 4,09 m

 Độ cao của cột thu lôi tối thiểu là :

h1= ha +hx

= 4,09 + 11

= 15,09 m

Do đó ta chọn chiều cao của các cột thu sét A,B,C,D là 15,5 m

b.Tính độ cao của các cột phía máy biến áp và nhà điều khiển

+Độ cao của thiết bị cần bảo vệ là : hx = 5m

-Xét nhóm 4 cột CDEF Bốn cột này tạo thành một hình chữ nhật với khoảng cách giữa các cột là :

ha  4,64

Vậy độ cao tác dụng tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là 4,64 m

Độ cao tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là:

h2 =hx + ha

= 5 + 4.64 = 9,64 m

Vậy ta lấy độ cao của cột EF là 10 m

Kết luận : Toàn bộ trạm ta bố trí 6 cột thu sét Bên phía máy biến áp và nhà điều khiển để đảm bảo an toàn ta bố trí 2 cột E và F có độ cao là 10 m Bốn cột A,B,C,D

rx = 0,75 h0 ( 1 - h

hx

) = 0,75 15.5 ( 1 - 15,5

11

) = 3,375 m

Ph¹m vi b¶o vÖ cña cét cao 10 m lµ :

rx = 1,5 h ( 1- h

hx

8

) = 1,393 m

Phạm vi bảo vệ tơng hỗ giữa 2 cột B và C Ta có hai cột B và C có khoảng cách , độcao và của thiết bị cần bảo vệ bằng của 2 cột A và D nên có giá trị bằng phạm vi bảo vệ của 2 cột A và D

0 h h

)

= 1,5 15,5 (1 - 0,8.15,5

10

) = 4,5 m

5

) = 1,5 m

-Phạm vi bảo vệ giữa 2 cột C và F

Ta có 2 cột C và E có cùng chiều cao cột thu sét , chiều cao vật cần bảo vệ và khoảng cách giữa 2 cột bằng 2 cột D và E nên phạm vi bảo vệ giữa 2 cột C và F bằng phạm vi bảo vệ giữa 2 cột D và E với :

ho = 7 m

rox = 1,5 m

Kết Luận :Trong phơng án I ta có 6 cột thu sét với :

+ Chiều cao cột A,B,C,D là 15,5 m

+ Chiều cao cột E,F là 10 m

+ Bán kính bảo vệ của cột A,B,C,D là 3,375 m

+ Bán kính bảo vệ của cột E,F là 5,625 m

+ Độ cao thấp nhất đợc bảo vệ giữa 2 cột và bán kính bảo vệ tơng hỗ của 2 cột có giá trị trong bảng sau

* Trong phơng án này ta bố trí 4 cột thu sét A,B,C ,D đặt trực tiếp trên xà đỡ dây và

2 cột E,F đặt trên nóc nhà điều khiển Vị trí của các cột nh trên hình vẽ 1.10

a.Tính độ cao của cột phía 110 kV

+Độ cao của thiết bị cần bảo vê hx = 11 m

-Xét nhóm 4 cột ABCD Các cột này tạo thành hình chữ nhật với khoảng cách các cột :

AB = CD =18 m

AD = BC = 27 m

Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi 4 đỉnh cột đợc bảo vệ thì :

D  8 ha

Trong đó : D: là đờng kính đờng tròn ngoại tiếp tứ giác ABCD

ha : là độ cao tác dụng của các cột

Ta có D= AB 2 AD2 = 18 2 18,52 = 25,812 m

 Độ cao của cột thu lôi tối thiểu là :

h1= ha +hx

= 3,227 + 11

= 14,227 m

Do đó chiều cao của các cột thu sét A,B,C,D ta lấy là 14,5 m

b.Tính độ cao của các cột phía máy biến áp và nhà điều khiển

+Độ cao của thiết bị cần bảo vệ là : hx = 5m

-Xét nhóm 3 cột DEF Ba cột này tạo thành một tam giác thờng với khoảng cách giữa các cột là :

Trong đó : D là đờng kính đờng tròn ngoại tiếp hình tam giác DEF

ha : là độ cao tác dụng của các cột

DF P DE P EF P P

DF DE EF

EF 

= 2

129 , 29 04 ,

42

 ha  5,34 m

Vậy độ cao tác dụng tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là 5,34 m

Độ cao tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là:

h2 = hx + ha

= 5 + 5,34 = 10,34 m

- Xét nhóm 3 cột CEF Ta thấy nhóm 3 cột này cũng tạo thành một tam giác thờng bằng tam giác tạo thành từ nhóm 3 cột DEF và độ cao cần bảo vệ nh nhau nên độ cao tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là nh nhau

Vậy ta lấy độ cao của cột EF là 10,5m

Kết luận : Toàn bộ trạm ta bố trí 6 cột thu sét Bên phía máy biến áp và nhà điều khiển để đảm bảo an toàn ta bố trí 2 cột E và F có độ cao là 10,5 m Bốn cột

A,B,C,D có độ cao 14,5 m

rx = 0,75 h ( 1 - h

hx

) = 0,75 14.5 ( 1 - 14,5

11

) = 2,625 m

Theo sơ đồ mặt bằng của trạm vì ta bố trí cột thu sét ở giữa xà đỡ dây nên khoảng cách từ đầu xà đến giữa xà là 4,5 m Ta phải bảo vệ toàn xà vì vậy bán kính bảo vệ tối thiểu phải là 4,5 m Vì vậy với độ cao 14,5 m không đảm bảo phạm vi bảo vệ Giả sử ta tăng cột lên cao 17m ta có :

rx = 1,5 h ( 1- h

hx

8

0 )

= 1,5 17 (1 - 0,8.17

11

) = 4,875 m (Thoả mãn)

Vậy ta lấy chiều cao cột A,B,C,D là 17 m

- Phạm vi bảo vệ của cột cao 10,5 m là :

rx = 1,5 h ( 1- h

hx

8

rx = 1,5 h ( 1- h

hx

8

rx = 1,5 h ( 1- h

hx

8

0 )

= 1,5 7,643 (1 - 0,8.7,643

5

) = 2,09 m

Theo sơ đồ mặt bằng của trạm thì phạm vi bảo vệ của cột E và F phải bảo vệ toàn

bộ nhà điều khiển thì mới đảm bảo yêu cầu Chiều rộng của nhà điều khiển là 7m vì vậy bán kính bảo vệ tơng hỗ tối thiểu của cột 2 cột E và F phải là 7 m Với độ cao của cột là 11,5 m không đảm bảo vậy giả sử ta tăng chiều cao của cột lên là 15m

rx = 1,5 h ( 1- h

hx

8

0 )

= 1,5 11.143 (1 - 0,8.11,143

5

) = 7,34 m (Thoả mãn)

Vậy ta lấy chiều cao cột E,F là 15 m

Bán kính bảo vệ của cột cao 15m là:

rx = 1,5 h ( 1- h

hx

8

0 )

= 1,5 15 (1 - 0,8.15

5

) =13,125 m

11

) = 2,531 m

Phạm vi bảo vệ tơng hỗ giữa 2 cột B và C Ta có hai cột B và C có khoảng cách , độcao và của thiết bị cần bảo vệ bằng của 2 cột A và D nên có giá trị bằng phạm vi bảo vệ của 2 cột A và D

8 ,

=0,75 12,494 ( 1- 0,8.12,494

5

) = 9,366 m

-Phạm vi bảo vệ tơng hỗ giữa 2 cột C và F

Ta có 2 cột C và F có cùng chiều cao cột thu sét , chiều cao vật cần bảo vệ và khoảng cách giữa 2 cột bằng 2 cột D và E nên phạm vi bảo vệ giữa 2 cột C và F bằng phạm vi bảo vệ giữa 2 cột D và E với :

ho = 12,494 m

rox = 9,366 m

Kết Luận :Trong phơng án II ta có 6 cột thu sét với :

+ Chiều cao cột A,B,C,D là 17 m

+ Chiều cao cột E,F là 15 m

+ Bán kính bảo vệ của cột A,B,C,D là 4,875 m

+ Bán kính bảo vệ của cột E,F là 13,125 m

+ Độ cao thấp nhất đợc bảo vệ giữa 2 cột và bán kính bảo vệ tơng hỗ của 2 cột có giá trị trong bảng sau

1.2.3.Phơng án 3.

Ta bố trí hai dây thu sét dọc theo các điểm ABC và DEF Bốn cột ABDE dặt trên xà

đỡ của hệ thống hai thanh góp 110KV hai cột C và F đặt trên nóc nhà điều khiển

Vị trí của các cột đỡ dây nh trên hình vẽ 1.13, 1.14

Vì khoảng cách giữa các cột nhỏ lên ta không cần tính đến độ võng của dây chống sét

Tính độ cao của dây thu sét phía thanh góp 110kV

+ Khoảng cách giữa hai dây : S =27m

+ Chiều cao cần bảo vệ: hx =11m

+Giả sử ta thiết kế hai dây có độ cao bằng nhau để cho toàn bộ diện tích nằm trong hai dây đợc bảo vệ an toàn thì :

 Độ cao tối thiểu của dây thu sét là :

h = ha + hx

= 6,75+11=17,75m

Tính chiều cao của dây thu sét phía máy biến áp và nhà điều khiển :

Khoảng cách giữa hai dây : S=27m

= 1,2 18(1-0,818

11

) = 5,1m

- Phạm vi bảo vệ giữa hai dây có độ cao 18m

+ Điểm thấp nhất của phạm vi bảo vệ giữa hai dây là

Ta có 3.11,25

2 3

= 1,2 12 ( 1- 0,8.12

5

) = 6,9m

Phạm vi bảo vệ giữa 2 dây có độ cao 12m

+ Điểm thấp nhất của phạm vi bảo vệ giữa 2 dây là:

0 4

S h

0 0 , 6 1

h

hx h

5 1 25 , 5 6 , 0

Trong phơng án này ta dùng 6 cột thu sét trong đó:

+ Bốn cột đợc đặt trực tiếp trên xà đỡ dây ở độ cao 11

4 cột có độ cao 15,5m  Chiều cao cột cần dựng là :

h1 = 15,5 - 11 = 4,5m

+Hai cột đặt trên nóc nhà điều khiển ở độ cao 5m có chiều cao là 10m

Phơng án 2.

Trong phơng án này ta bố trí 6 cột thu sét trong đó:

+ Bốn cột đợc đặt trực tiếp trên xà đỡ dây ở độ cao 11m

4 cột có độ cao 17m  Chiều cao một cột cần dựng là:

Trong phơng án này ta bố trí hai dây thu sét dọc theo hai hệ thống thanh góp tới nhà

điều khiển Cột đỡ dây gồm 6 cột trong đó 4 cột đặt trực tiếp trên xà đỡ dây ở độ cao11m và 2 cột đặt trên nóc nhà điều khiển ở độ cao 5m

+ Chiều dài của dây thu sét :

h = 2 44 = 88m

+ Độ cao của cột đỡ dây:

Bốn cột đặt trên xà đỡ dây cao 18m  độ cao một cột cần dựng là :

Nhận xét: Trong phơng án này độ cao của cột đỡ dây tơng đối đồng đều dễ lắp đặt

và bảo quản, phạm vi bảo vệ đảm bảo an toàn cho mọi thiết bị trong trạm Nhng phảilắp đặt cả phần cột đỡ và phần dây tơng đối dàI do vậy không có lợi về mặt kinh tế

* Kết luận: Trong 3 phơng án trên xét về mặt kinh tế và kỹ thuật thì phơng án I có vốn đầu t nhỏ nhất và phạm vi bảo vệ đảm bảo an toàn cho mọi thiết bị trong trạm hai phơng án còn lại vốn đầu t lớn hơn Vì vậy ta chọn phơng án I để thiết kế và thi công cho trạm

Chơng II

Thiết kế và tính toán hệ thống nối đất

*Nhiệm vụ chung

-Nhiệm vụ của hệ thống nối đất là tản dòng điện sét xuống đất để đảm bảo dòng

điện trên thiết bị chống sét có trị số bé Trong việc bảo vệ quá điện áp, nối đất của trạm biến áp, của các cột thu lôi, của đờng dây và của thiết bị chống sét rất quan trọng Trong hệ thống điện có 3 loại nối đất khác nhau:

+Nối đất làm việc: Nhiệm vụ của loại nối đất này là đảm bảo sự làm việc bình ờng của thiết bị hoặc của một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã đợc quy định sẵn Loại nối đất này gồm có nối đất điểm trung tính của máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất của máy biến áp đo lờng và của kháng điện nằm trong bù ngang trên các đờng dây tải điện đi xa.

th-+Nối đất an toàn hay còn gọi là nối đất bảo vệ: Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho ngời khi cách điện bị h hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi

bộ phận bình thờng không mang điện ( vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, các giá đỡ, chân sứ ).Khi cách điện bị hỏng, trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điệnthế nhng do đã đợc nối đất nên giữ đợc mức điện thế thấp do đó đảm bảo an toàn cho ngời khi tiếp xúc với chúng

+Nối đất chống sét: Mục đích tản dòng điện sét vào trong đất ( khi có sét đánh vào cột thu sét hoặc dây thu sét ) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn do đó hạn chế đợc các phóng điện ngợc tới công trình cần bảo vệ

- ở các nhà máy điện và trạm biến áp về nguyên tắc phải tách rời các hệ thống nối

đất với nhau để đề 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 Nh-

ng trong thực tế điều đó khó thực hiện cho nên thờng chỉ dùng một hệ thống nối đất

Do đó hệ thống nối đất chung phải thoả mãn các yêu cầu của mọi thiết bị, hệ thống nối đất cần có điện trở nối đất bé nhất Điện trở nối đất của hệ thống này yêu sầu không đợc quá 0,5 

-Để đảm bảo về yêu cầu nối đất cũng nh để giảm khối lợng kim loại trong việc xây dựng hệ thống nối đất nên tận dụng các loại nối đất tự nhiên nh:

+ ống nớc chôn dới đất hay các ống kim loại khác ( không chứa các chất dễ nổ, cháy),

+ Hệ thống dây chống sét – cột thu sét

+ Kết cấu kim loại của các công trình

- Khi dùng nối đất tự nhiên phải tuân theo các quy định của quy phạm Nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thoả 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 Nhng đối với các thiết bị có dòng ngắn mạch lớn thì cần phải nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số điện trở nối đất nhân tạo vẫn phải nhỏ hơn 1

2.1 Phơng pháp nối đất, các tham số ảnh hởng đến điện trở nối đất và hiện tợng phóng điện xung kích

2.1.1.Phơng pháp nối đất

-Hệ thống nối đất bao gồm các điện cực đợc chôn trong đất để làm giảm nối đất theo tiêu chuẩn của từng loại đất Các điện cực thờng là các thanh dài nằm ngang hoặc cột thẳng đứng để điện áp bớc nhỏ, lối đất có thể là mạch vòng hoặc lới vuông.Khi tính toán ta phân làm 2 loại:

+Nối đất tự nhiên: ta sử dụng các nối đất có sẵn nh dây chống sét,cột thu sét, các kếtcấu kim loại của công trình

+Nối đất nhân tạo : Nhằm mục đích đảm bảo điện trở nối đất của công trình khi nối

đất tự nhiên không đảm bảo đợc

2.1.2.Các tham số ảnh hởng đến nối đất

Các tham số ảnh hởng gồm: Kích thớc hình học của điện cực, cách bố trí điện cực, trị số điện trở xuất của đất

*ảnh hởng của kích thớc hình học:Trong trờng hợp tổng quát bất kỳ dạng nối đất nào cũng có sơ đồ thay thế nh đờng dây dài với tham số : r, l, g, c ( hình 2.1 )

Hình 2.1

Khi tính toán có thể bỏ qua r vì điện trở tác dụng của nối đất có thể nhỏ hơn nhiều

so với điện trở tản của nối đất và bỏ qua điện dung c vì dòng điện dung cũng nhỏ ngay cả trờng hợp sóng sung kích Điện cảm L và điện dẫn G phụ thuộc vào kích th-

ớc hình học của điện cực hệ thống nối đất Sơ đồ thay thế rút gọn có dạng nh hình 2.2

Hình 2.2

Khi có điện cảm L thì tác dụng của nó đối với dòng điện đi vào hệ thống nối đất khác nhau, với dòng điện có tốc độ biến thiên nhỏ nh dòng điện công nghiệp thì giá trị L nhỏ và có thể gây tác dụng không đáng kể Với dòng điện có tốc độ biến thiên lớn nh dòng điện sét thì giá trị điện cảm rất lớn, điện cảm đối với dòng điện thể hiện ở thời gian quá độ T là thời gian mà dòng điện tính từ lúc cha ổn định đến ổn

định Với dòng điện sét thời gian quá độ T đợc tính từ thời điểm dòng điện bắt đầu

đi vào hệ thống nối đất đến khi kết thúc quá trình quá độ Thời gian tỷ lệ với điện cảm và điện dẫn của các hệ thống nối đất T º L.g.l2 Khi dòng điện đi trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất với dòng điện thể hiện ở tđs và thời gian T

Khi T  tđs dòng điện đạt cực đại quá trình cha kết thúc, điện cảm L không thể

bỏ qua trong tính toán và phản ứng của nối đất là một tổng trở có giá trị lớn hơn nhiều Trong trờng hợp này tơng tự nh đờng dây nối đất gọi là nối đất phân bồ dài Khi T  tđs dòng điện đạt cực đại thời gian quá độ kết thúc và nối đất thể hiện nh một điện trở tản Trờng hợp này ứng với nối đất tập trung

*ảnh hởng của cách bố trí điện cực :

Cách bố trí điện cực có ảnh hởng rất lớn đến trị số của điện trở tản của hệ thống nối

đất Điều này thể hiện ở chỗ điện trờng trong đất của các điện cực khác nhau nhiều

so với trờng hợp một cực đơn , có ngĩa là điện trở một cực của hệ thống nối đất tỷ lệ với điện trở một cực qua hệ số

*ảnh hởng của trị số điện trở xuất của đất

Đất là môi trờng phức tạp không đồng nhất về mặt kết cấu và thành phần do đó điện trở xuất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố thành phần : độ ẩm, nhiệt độ của đất

Do khí hậu các mùa thay đổi nên giá trị điện trở xuất của đất cũng thay đổi Vì vậy khi thiết kế hệ thống nối đất trị số tính toán điện trở xuất của đất ta phải thay đổi lấytrị số lớn nhất

Trị số đó đợc tính toán bởi công thức:

= r đo Kmùa

Trong đó : rđo : Điện trở xuất đo đợc của đất

Kmùa: hệ số mùa

Hệ số mùa mỗi loại đất khác nhau có trị số khác nhau

2.1.3 Hiện tợng phóng điện xung kích

Khi có dòng điện sét đi vào điện cực nối đất thì gây ra một điện trờng lớn đến một thời hạn thì xảy ra quá trình phóng điện trong đất Các tia lửa điện phát triển xung quang điện cực tạo ra vùng hồ quang, cực nối đất xem nh là to ra và điện trở nối đất giảm Điện trở nối đất đợc tính bằng công thức:

Rxk = axk R ; Với axk < 1 là hệ số xung kích

2.2.Yêu cầu đối với hệ thống nối đất

Bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trở nối đất bé để việc tập trung điệntích cảm ứng phía mặt đất đợc đẽ 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 ngợc từ nó tới các công trình đặt gần

2.3.Tính toán nối đất cho trạm

2.3.1.Tính toán nối đất an toàn

-Trạm 110kVyêu cầu điện trở nối đất của hệ thống  0,5 

-Điện trở nối đất gồm 2 phần :

+Điện trở nối đất tự nhiên

+Điện trở nối đất nhân tạo

Tính toán điện trở nối đất tự nhiên

Trạm thiết kế có dây chống sét dùng để bảo vệ đờng dây đợc kéo vào tận xà của trạm Nên điện trở nối đất tự nhiên là điện trở hệ thống dây thu sét cột

Điện trở của dây chống sét cột đợc tính bởi công thức:

R CSC  4

12

1





CS C C

R R R

Trong đó: Rcsc: Điện trở của dây chống sét

Rc: Điện trở nối đất của cột điện điện đờng dây: Rc = 12 

12 2

032 , 2

1 5 , 0 //

b.Tính toán hệ thống nối đất nhân tạo

Hệ thống nối đất nhân tạo bao gồm thanh mạch vòng bao quanh trạm đồng thời đặt các thanh phụ làm nhiệm vụ cân bằng thế và nối đất an toàn các thiết bị trong trạm Trong tính toán ta bỏ qua điện trở của các thanh cân bằng áp này Trong trạm ta bố trí các thanh cân bằng áp nh trên hình vễ (hình 2.3) Ta đặt mạch vòng cách tờng bảo vệ quanh trạm là 1 m

Hình 2.3 : Sơ đồ hệ thống nối đất nhân tạo.

Công thức tính điện trở nối đất của mạch vòng:

Rmv = td

KL L

 Rmv = 0,8.0,25

162 75 , 5 ln 14 ,

Nhận xét : Rmv > 0,984  không thoả mãn yêu cầu điện trở nối đất của hệ thống do

đó ta phải bổ xung thêm cọc Gọi số cọc là n hc,hmv là hệ số sử dụng của cọc và mạch vòng Ta có:

Rnt = mv c c mv

c mv R n R

R R

l l

tt

4

4 ln 2

1 2 ln

l : Là chiều dài cọc: Ta lấy l = 3 m

d: Là đờng kính của cọc: Ta lấy d = 0,05 m

t : Là khoảng cách từ mặt đất tới điểm giữa của cọc

3 3 , 2 4 ln 2

1 05 , 0

3 2 ln 14 , 3 2 112

= 30,472 

Ta xác định hc, hmv:

Tra b¶ng 4 trang 83 s¸ch Híng DÉn ThiÕt KÕ Tèt NghiÖp Kü ThuËt §iÖn Cao ¸p (HDTKTNKT§CA ) cña t¸c gi¶ NguyÔn Minh Chíc ta cã hc = 0,73.

Tra b¶ng 6 trang 84 s¸ch HDTKTNKT§CA ta cã: hmv = 0,46

Rnt = mv c c mv

c mv

R n

R

R R

Tra b¶ng 4 trang 83 s¸ch HDTKTNKT§CA ta cã : hc = 0,61

Tra b¶ng 6 trang 84 s¸ch HDTKTNKT§CA ta cã: hmv = 0,3

 Rnt = 1,43.0,61.27 30,472.0,3

472 , 30 43 , 1

Tra b¶ng 4 trang 83 s¸ch HDTKTNKT§CA ta cã: hc = 0,38

Tra b¶ng 6 trang 84 s¸ch HDTKTNKT§CA ta cã: hmv = 0,2

 Rnt = 1,43.0,38.54 30,472.0,2

472 , 30 43 , 1

1

472 , 30 43 , 1

nt

R

Rnt  0,984  thoả mãn yêu cầu của hệ thống nối đất Vậy ta bố trí 113 cọc bổ xung vào hệ thống mạch vòng

Điện trở nối đất xung kích

Do ảnh hởng của mùa sét nên điện trở nối đất xung kích đợc tính tơng ứng với hệ số mùa K ms.

+ Điện trở của mạch vòng là :

td

KL L

.



Với hệ số mùa sét Kms tra trong bảng 19.2 sách Kỹ Thuật Điện Cao áp của tác giả

Võ Viết Đạn Với mạch vòng nằm ngang độ chôn sâu 0,8 m

2

80 25 ,

R n R

R R R

h



.

Với hmv = 0,17

hc = 0,27,

 1,277.0,27.108 30,472.0,17

33 , 1 472 , 30

112

12

1,

0

K

T ds

ds e K

T l

g

t

tt

_ Giả thiết dòng điện đi theo hình 2.1 và điện cực này xem nh có 2 nhánh ghép songsong cách xa nhau

Khi đó chiều dài mỗi nhánh :

l = m

L

81 2

1

0 

Rntxk : là điện trở nhằm tạo tính yêu cầu nối đất xung kích.

1

0

2 2

2 0 0 1

14 , 3

81 0062 , 0 23 , 1





l g l T

1

K

T K

T

e K

e K

K ds K

ds

t t

t

Đặt A =

K

ds T K

e K

e

ds K

ds K

ds K

T

t t

074 , 5 5

074 , 5 2 1 81 062 , 0 2

1 ,