Tính toán nối đất cho trạm biến áp 220/110 KV

Tính toán nối đất cho trạm biến áp 220/110 KV

Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp chơng II TíNH TOáN NốI ĐấT CHO TRạM BIếN áP 220/110KV. ******* 2.1 Mở đầu 1) Nối đất an toàn: Nối đất an toàn có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho ngời khi cách điện của thiết bị bị h hỏng. Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phân kim loại bình thờng không mang điện ( vỏ máy, thùng máy biến áp, các giá đỡ kim loại ). Khi cách điện bị h hỏng trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế nhng do đã đợc nối đất nên mức điện thế thấp. Do đó đảm bảo an toàn cho ngời khi tiếp xúc với chúng. 2) Nối đất làm việc : Nối đất làm việc có nhiệm vụ đảm bảo sự làm việc bình thờng của thiết bị hoặc một số bộ phận của thiết bị làm việc theo chế độ đã đợc quy định sẵn. Loại nối đất này bao gồm: Nối đất điểm trung tính MBA trong HTĐ có điểm trung tính nối đất, nối đất của MBA đo lờng và của các kháng điện bù ngang trên các đờng dây tải điện đi xa. 3) Nối đất chống sét: Nhiệm vụ của nối đất chống sét là tản dòng điện sét trong đất (khi có sét đánh vào cột thu sét hoặc trên đờng dây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn do đó cần hạn chế các phóng điện ng ợc trên các công trình cần bảo vệ. NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 37 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 2.2 Các yêu cầu kĩ thuật Bộ phận nối đất có trị số điện trở tản càng bé càng tốt. Tuy nhiên việc giảm thấp điện trở tản đòi hỏi phải tốn nhiều kim loại và khối lợng thi công. Do đó việc xác định tiêu chuẩn nối đất và lựa chọn phơng án nối đất phải sao cho hợp lý về mặt kinh tế và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. 1) Bộ phận nối đất có trị số điện trở tản càng bé càng tốt. Theo quy trình hiện hành tiêu chuẩn nối đất đợc quy định nh sau : - Đối với thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất (dòng ngắn mạch chạm đất lớn ) trị số điện trở nối đất cho phép là: 0,5R - Đối với thiết bị điện có điểm trung tính cách điện (dòng ngắn mạch chạm đất bé ) thì )( I 250 R ( 2 1 ) Nếu chỉ dùng cho các thiết bị cao áp )( I 125 R ( 2 2 ) - Với các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì phải đặt thêm nối đất nhân tạo với trị số điện trở tản không quá 1 . 2) Nối đất chống sét thông thờng là nối đất của cột thu sét, cột điện và nối đất của hệ thống thu sét ở trạm biến áp và nhà máy điện. Hiện nay tiêu chuẩn nối đất cột điện đợc quy định theo điện trở suất của đất và cho ở bảng : Bảng 2 1: Điện trở nối đất cột điện Điện trở suất của đất ( . cm) R c ( ) <10 4 10 10 4 < <5. 10 4 15 5. 10 4 <10 5 20 >10 5 30 Khi đờng dây đi qua các vùng đất ẩm ( 3.10 4 . cm) nên tận dụng phần nối đất có sẵn của móng và chân cột bê tông để bổ sung hoặc thay thế cho phần nối đất nhân tạo. NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 38 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 2.1 Lý thuyết tính toán nối đất 1) Tính toán nối đất an toàn. Với cấp điện áp lớn hơn 110kV nối đất an toàn phải thoả mãn điều kiện là: - Điện trở nối đất của hệ thống có giá trị R 0,5 - Cho phép sử dụng nối đất an toàn và nối đất làm việc thành một hệ thống Điện trở nối đất của hệ thống 5,0 RR R.R R//RR NTTN TNNT TNNTHT + == ( 2 3 ) Trong đó: R TN : điện trở nối đất tự nhiên R NT : điện trở nối đất nhân tạo R NT 1 a) Nối đất tự nhiên. Trong phạm vi của đề tài ta chỉ xét nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đ- ờng dây và cột điện 110kV và 220kV tới trạm. Ta có công thức tính toán nh sau R TN = 4 1 R R 2 1 R cs c c ++ ( 2 4 ) Trong đó : R cs : điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vợt. R c : là điện trở nối đất của cột điện. b) Nối đất nhân tạo. Xét trờng hợp đơn giản nhất là trờng hợp điện cực hình bán cầu. Dòng điện trạm đất I đi qua nơi sự cố sẽ tạo nên điện áp giáng trên bộ phận nối đất. U=I.R ( 2 5 ) R: là điện trở tản của nối đất. Theo tính toán xác định đợc sự phân bố điện áp trên mặt đất theo công thức : NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 39 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp r 2 .I U r = ( 2 6 ) Trong thực tế nối đất có các hình thức cọc dài 2 ữ 3m bằng sắt tròn hay sắt góc chôn thẳng đứng: thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu 0,5 ữ 0,8m đặt theo hình tia hoặc mạch vòng và hình thức tổ hợp của các hình thức trên. Trị số điện trở tản của hình thức nối đất cọc đợc xác định theo các công thức đã cho trớc. Đối với nối đất chôn nằm ngang có thể dùng công thức chung để tính trị số điện trở tản xoay chiều : t.d L.K ln l 2 R 2 = ( 2 7 ) Trong đó : L: chiều dài tổng của điện cực. d : đờng kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn. Nếu dùng sắt dẹt trị số d thay bằng 2 b . (b - chiều rộng của sắt dẹt ) t : độ chôn sâu K: hệ số phụ thuộc vào sơ đồ nối đất (tra bảng ) Khi hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu vi mạch vòng, điện trở tản của hệ thống đợc tính theo công thức. cttc ct ht .R.n.R R.R R + = ( 2 8 ) Trong đó : R c : điện trở tản của một cọc. R t : điện trở tản của tia hoặc của mạch vòng. n : số cọc. t : hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng. c : hệ số sử dụng của cọc. 2) Tính toán nối đất chống sét ở đây phải đề cập tới cả hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất. - Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực. - Quá trình phóng điện trong đất. NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 40 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 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. Ngợc lại khi nối đất dùng hình thức phân bố dài (tia dài hoặc mạch vòng ) thì đồng thời phải xem xét đến cả hai quá trình, chúng có hiệu quả khác nhau đối với hiệu quả nối đất. c) Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung: Qua nghiên cứu và tính toán ngời ta thấy rằng điện trở tản xung kích không phụ thuộc vào kích thớc hình học của điện cực mà nó đợc quy định bởi biên độ dòng điện I, điện trở suất và đặc tính xung kích của đất. Vì trị số điện trở tản xoay chiều của nối đất tỉ lệ với nên hệ số xung kích có trị số là .I 1 R R xk xk == ( 2 9 ) hoặc ở dạng tổng quát : = xk f(I. ) ( 2 10 ) d) Tính toán nối đất phân bố dài không xét tới quá trình phóng điện trong đất. Sơ đồ đẳng trị của nối đất đợc thể hiện nh sau : Hình 2-1: Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất. Trong mọi trờng hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng R vì nó bé so với trị số điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét đến phần điện dung C vì ngay cả trong trờng hợp sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện qua điện trở tản. Sơ đồ đẳng trị lúc này có dạng : NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 41 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Hình 2 2: Sơ đồ đẳng trị thu gọn. Trong sơ đồ thay thế trên thì : L : điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài. G : điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài. L=0, 2[ln(l/r)-0, 31] ( à H/m). ( 2 11 ) Trong đó : l : chiều dài cực. r : bán kính cực ở phần trớc nếu cực là thép dẹt có bề rộng b (m). Do đó : r =b/4 Gọi Z (x, t) là điện trở xung kích của nối đất kéo dài, nó là hàm số của không gian và thời gian t Z (x, t)= )t,x(I )t,x(U ( 2 12 ) Trong đó U(x, t), I(x, t) là dòng điện và điện áp xác định từ hệ phơng trình vi phân : . . U I L x t I G U x = = ( 2 13 ) Giải hệ phơng trình này ta đợc điện áp tại điểm bất kỳ và tại thời điểm t trên điện cực: ( ) += = l xk e k Tt lG a txU k T t K cos1 1 2 . , 1 2 1 ( 2 14 ) Từ đó ta suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất. ( ) += = 1 2 1 1 1 . .2 1 . 1 ,0 k T t K e k t T lG tZ ( 2 15 ) Với : 22 2 . k lGL T k = (hằng số thời gian) NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 42 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 2 2 1 . lGL T = ; . 2 1 k T T k = e) Tính toán nối đất phân bố dài khi có xét quá trình phóng điện trong đất. Việc giảm điện áp và cả 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, mà còn phụ thuộc vào toạ độ. Việc tính toán tổng trở sẽ rất phức tạp và chỉ có thể giải bằng phơng pháp gần đúng. ở đây trong phạm vi của đề tài ta có thể bỏ qua quá trình phóng điện trong đất. 2.2 Tính toán nối đất an toàn 3) Nối đất tự nhiên Trong phạm vi của đề tài ta chỉ xét nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đ- ờng dây và cột điện 110kV và 220kV tới trạm. Tính R cs : Dây chống sét ta sử dụng loại C-70 có r o =2,38 km/ Khoảng vợt của đờng dây là 200m. R cs = r o . l =2,38. 200. 10 -3 = 0,476( ) Tính R c : Ta có điện trở suất của đất = 0,9 .cm nh đầu bài đã cho Tra trong bảng tiêu chuẩn nối đất cột điện ta có: R c =10 Do kết cấu của trạm có 4 lộ 220kV, 8 lộ 110 kV. Theo công thức ( 2 4) ta có: 4 1 R R 2 1 R . n 1 R cs c c TN ++ = n- số lộ dây; R c - điện trở nối đất của cột điện: R c = 10 R cs - điện trở tác dụng của dây cs: R cs = 0,476( ) )(163,0 4 1 476,0 10 2 1 10 12 1 R TN = ++ = Nhận xét : NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 43 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Ta thấy rằng R TN < 0,5 về mặt lý thuyết là đạt yêu cầu về nối đất an toàn. Tuy nhiên nối đất tự nhiên có thể xảy ra biến động, chính vì vậy ta cần phải nối đất nhân tạo. 4) Nối đất nhân tạo Đối với nối đất nhân tạo cho trạm biến áp thì có nhiều cách thức khác nhau nh nối đất kiểu lới và kiểu mạch vòng. Với trạm đã cho ta sử dụng nối đất mạch vòng xung quanh trạm bằng các thanh dẹt. Ta cần xác định điện trở nối đất mạch vòng : Sơ đồ và kích thớc mạch vòng nối đất đợc thể hiện trên hình 2 3. d.t L.K ln L 2 R 2 tt MV = ( 2 18 ) Trong đó : L: chu vi của mạch vòng. Theo sơ đồ ta có L = 102 + 49 + 56,5 + 77 + 134 + 84,5 = 503(m) t: độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng, lấy t =0,8 m tt : điện trở xuất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t. tt = do . k mùa Tra bảng với thanh ngang chôn sâu 0,8 m ta có k mùa =1,2 tt = 90. 1,2 =108( .m) d: đờng kính thanh làm mạch vòng (nếu thanh dẹt có bề rộng là b thì d = b/2). Ta chọn thanh có bề rộng là b = 4cm do đó d = b/2 = 4/2 =2(cm) K: hệ số phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất. Với sơ đồ mặt bằng trạm đã cho ta cần quy đổi mạch vòng trạm về mạch vòng hình chữ nhật có các cạnh là l 1 , l 2 . l 1 , l 2 đợc xác định nhờ hệ phơng trình: NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 44 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp = =+ MV21 MV21 Sl.l L)ll.(2 L MV = 503m S MV = 102.49 + 7,5.65 + 77.134 =15803,5(m 2 ) Thay vào hệ phơng trình trên ta giải đợc: = = )m(66,122l )m(84,128l 2 1 Mặt bằng trạm trớc khi quy đổi: 102m 49m 134m 84,5m 56,5 77m NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 45 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Sau khi quy đổi: 128,84m 122,66m Giá trị của K = f ( 2 1 l l ) đợc cho ở bảng sau : Bảng 2 2: Bảng K = f( 2 1 l l ) l 1 /l 2 1 1, 5 2 3 4 k 5, 53 5, 81 6, 42 8, 17 10, 4 Ta có 1,02 66,126 84,128 l l 2 1 == -> ta xác định đợc K = 5,53 ->Thay các công thức trên vào công thức tính R MV ta đợc 1)0,63( 02.0.8,0 503.53,5 ln. 503.14,3.2 108 t.d L.K ln. L 2 R 22 tt MV <=== đảm bảo yêu cầu nối đất an toàn. Nh vậy đã đạt yêu cầu. NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 46 [...]...Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 2.3 Nối đất chống sét 5) Sơ đồ nối đất chống sét Trong khi thiết kế nối đất chống sét cho trạm biến áp trong phạm vi đề tài bảo vệ trạm biến áp 220/11 0kV nên cho phép nối đất chống sét nối chung với nối đất an toàn Do vậy nối đất chống sét sẽ là nối đất phân bố dài dạng mạch vòng Do đó sơ đồ thay thế chống sét nh hình 2 2... nhất là trạm biến áp, đây cũng là phần tử yếu nhất nên ta chỉ cần kiểm tra với máy biến áp Đối với trạm biến áp khi có dòng điện sét đi vào nối đất để đảm bảo an toàn phải thoả mãn điều kiện: Uđ=I ZXK(0, đs) < U50% MBA Trong đó : I : biên độ của dòng điện sét ZXK(0, đs): tổng trở xung kích ở đầu vào nối đất của dòng điện sét U50% MBA : Điện áp 50% của máy biến áp Đối với MBA 110 (kV) U50% MBA=46 0kV Đối... MBA=46 0kV Đối với MBA 220 (kV) U50% MBA=90 0kV => Lấy U50%MBA = 46 0kV Kiểm tra điều kiện này ta thấy: Uđ=I ZXK(0, đs) = 150 5,4 = 810 (kV) > U50% MBA = 46 0kV Ta thấy rằng phải tiến hành nối đất bổ sung để đảm bảo không có phóng điện ngợc NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 50 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 8) Nối đất bổ sung Trong nối đất bổ sung ta sử dụng dạng nối đất tập trung gồm thanh... K = 2,01( ) K =1 Từ đó ta tính đợc: ZXK(0, đs) = A+B = 0,45 +2,01 = 2,46() Điện áp khi có dòng điện đi vào nối đất tại thời điểm t =đs(thời điểm dòng điện sét đạt giá trị cực đại) là: Uđ=I ZXK(0, đs) =150 2,46 =369 (kV) < U50%MBA= 460 (kV) Thỏa mãn yêu cầu của nối đất chống sét Vì vậy máy biến áp sẽ đợc an toàn khi có sét đánh vào trong trạm NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 55 ... kmùa at=1,6 kmùa set =1,2 R MVSET = G= 0,63.1,2 = 0,47( ) 1,6 1 1 = 4, 23.103 ữ 2.251, 5.0, 47 NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 47 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp 6) Tính phân bố điện áp và tổng trở xung kích của hệ thống nối đất Trong thiết kế tính toán ta chọn dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi Phơng trình sóng có dạng nh sau: khi t < ds ... dụng để tính toán : tt T k.l 2 T RT = ln 2..l T t.d T ( 2 - 21) Trong đó : t - chiều dài của thanh l =12(m) t - độ chôn sâu của thanh làm tia t = 0,8(m) T - điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm tia chôn ở độ sâu t tt tt T = o k mua = 90.1,2 = 108(.m) d: đờng kính thanh làm tia Vì ta chọn thanh dẹt có bề rộng b =0,04(m) nên: d =b/2 =0,02(m) k: hệ số hình dáng Lấy k =1 Do nối đất là... trên vào công thức 2 - 23 ta đợc : R bs = 13,05.29,52 = 10,1( ) 13,05.0,87.3 + 29,52.0,89 NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 52 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp i) Tổng trở của hệ thống khi có nối đất bổ sung Ta có công thức tính tổng trở xung kích khi có nối đất bổ sung nh sau R bs R NT (set ) 2.R NT (set ) Z XKbs (0, ds ) = + e 1 R bs + R NT (set ) k = 1 R NT (set ) + R bs cos... trung gồm thanh và cọc tại chân các cột thu sét và chân các thiết bị Chọn thanh nối đất bổ sung là loại thép dẹt có: Chiều dài lT =12(m) Bề rộng bT = 0,04(m) Dọc theo chiều dài thanh có chôn 3 cọc tròn có: Chiều dài cọc lcọc=3(m) Đờng kính d = 0,04(m) Khoảng cách giữa hai cọc a = 6(m) Độ chôn sâu t = 0,8(m) Nối đất đợc tính toán cho chống sét nên ta lấy hệ số k mùa (tra trong bảng ( 2-1 ) tài liệu HDTKTNKTĐCA... ta tính đến k sao cho : ds 4 Tk NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng (kZ+) 48 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Ta có : ds ds 4.T1 = 4 2 hay k Tk T1 ds k2 k 2 (kZ+) T1 ds L.G.l 2 1,96.4,23.10 3.251,5 2 T1 = = = 53,18(às) 2 3,14 2 k 2 Ta chọn k trong khoảng từ 1ữ7 T1 53,18 = 2 = 6,52 ds 5 (kZ+) NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng 49 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp. .. Bảng tính toán chuỗi k 1 2 Tk(às) 53,18 13,29 3 5,91 4 3,32 5 2,13 6 1,48 7 1,09 0,09 0,38 0,085 1,5 2,4 3,4 4,6 0,91 0,69 0,43 0,22 0,1 0,03 0,01 0,91 0,17 0,05 0,01 0,004 0,0009 0,0002 ds Tk e ds TK ds TK e k2 Từ bảng trên ta có 1 Tds 2 e K = 1,15 k =1 k Vậy Z ( 0, ds ) = 1 2.53,18 (1,645 1,15) = 5,4() 3 1 + 2.4,23.10 251,5 5 7) Kiểm tra điện áp trên các thiết bị Trong trạm biến áp . cosX 6 = 0,76 X 7 = 21 ,21 cosX 7 = - 0,71 y xx 4 x 3 x 2 x 1 2 2 2 2 2 3 2 5 3 7 4 9 65 7 2 11 13 2 14 2 x 5 x 6 x 7 Hình 2 7: Đồ thị xác định. : 645,1 6 .. 1 ... 2 1 1 11 2 222 1 2 ==++++= = kk k Chuỗi số: ... k e ... 2 e 1 e e. k 1 2 K T ds 2 2 T ds 2 1 T ds K T ds 1k 2 ++++= = Trong