Tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110KV

Tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110KV

chơng ITíNH TOáN BảO Vệ Chống SéT ĐáNH TRựC TIếP VàO

TRạM Biến áp 220/110KV

*******

1.1 CáC YÊU CầU Kỹ THUậT

1)Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải đợc nằm trọn trong phạm vi an toàn của hệ thốngbảo vệ Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp mà hệ thống các cột thusét có thể đợc đặt trên các độ cao có sẵn của công trình nh xà, cột đèn chiếu sáng hoặc

đợc đặt độc lập

- Khi đặt hệ thống cột thu sét trên bản thân công trình, sẽ tận dụng đợc độ cao vốn cócủa công trình nên sẽ giảm đợc độ cao của hệ thống thu sét Tuy nhiên điều kiện đặt hệthống thu sét trên các công trình mang điện là phải đảm bảo mức cách điện cao và trị số

điện trở tản của bộ phận nối đất bé

+Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên do có cách điện cao (khoảng cáchcác thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể đặt cột thu sét trên các kết cấu củatrạm Tuy nhiên các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào hệ thốngnối đất của trạm phân phối Theo đờng ngắn nhất và sao cho dòng điện is khuyếch 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 cảithiện trị số điện trở nối đất nhằm đảm bảo điện trở không quá 4

+Nơi yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời điện áp 110 kV trở lên là cuộn dây củaMBA Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ MBA thì yêu cầu khoảng cách giữa hai

điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA theo đ ờng điện phải lớnhơn 15m

- Khi đặt cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình phải có khoảng cách nhất định,nếu khoảng cách này quá bé thì sẽ có phóng điện trong không khí và đất

2) Phần dẫn điện của hệ thống thu sét có phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo thoả mãn

điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua

1.2 phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét 1.2.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét

1) Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là miền đợc giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đờng kính xác định bởi công thức

(h h )

h

h 1

6 , 1

rx: bán kính của phạm vi bảo vệ

Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thờng dùng phạm vi bảo vệ dạng dạng

đơn giản hoá với đờng sinh của hình chóp có dạng đờng gãy khúc đợc biểu diễn nh hình vẽdới đây

a' b

c

a

h 0,8h

0,2h

0,75h

1,5h

R

Hình 1- 1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.

Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau đợc tính toán theo công thức sau

h - 1,5.h.(1

thức trên để tính phạm vi bảo vệ nhng phải nhân với hệ số hiệu chỉnh p Với

h

5 , 5

p  và trênhình vẽ dùng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp

2) Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệ củahai cột đơn Nhng để hai cột thu sét có thể phối hợp đợc thì khoảng cách a giữa hai cột thì phảithoả mãn điều kiện a < 7h (h là chiều cao của cột)

a) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao

- Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cách a (a < 7h) thì độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét ho đợc tính nh sau:

7

a - h

ho  ( 1 – 4 )Sơ đồ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau

h 0,2h

h (1 h 1,5 r

o

x o

o

x o

a - h

ho  ( 1 – 7 )

b) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau

Giả sử có hai cột thu sét : cột 1 có chiều cao h1, cột 2 có chiều cao h2 và

h1 > h2 Hai cột cách nhau một khoảng là a

Trớc tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h1, sau đó qua đỉnh cột thấp h2 vẽ đờng thẳng ngang gặp đờng sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao tại điểm 3 Điểm này đợc xem là đỉnhcủa cột thu sét giả định, nó sẽ cùng với cột thấp h2, hình thành đôi cột ở độ cao bằng nhau

và bằng h2 với khoảng cách là a’ Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ của cột 1

1.2.2 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét

1) Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng Chiều rông của phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx đợc biểu diễn nh hình vẽ

a' b

c

a

h 0,8h

0,2h

0,6h

1,2h

2b x

Hình 1- 5: Phạm vi bảo vệ của một day thu sét

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

h - h.(1 1,2.

x  ( 1 - 11 )

Chú ý:

Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần đợc hiệu chỉnh theo p

2) 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

ho  ( 1 – 12 )Phạm vi bảo vệ nh hình vẽ

Hình 1- 6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống của một dây còn phần bên trong đợc giới hạn bởi

vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao

4

s - h

ho so với

đất

1.3 mô tả trạm biến áp cần bảo vệ

Trạm có tổng diện tích 19366m2, gồm hai phần 110kV và 220kV Tại trung tâm của trạm

đặt hai máy biến áp AT1 và AT2 có công suất là 125MVA Hai phần 110kV và 220kV đặt tại hai góc lệch nhau của trạm ở hai phía khác nhau của máy biến áp

- Phía 110kV có diện tích là 104x51(m2) bao gồm 8 lộ dây ra và xà đỡ Độ cao của các xàcần bảo vệ là 8m và 11m

- Phía 220kV có diện tích 178x79(m2) bao gồm 4 lộ dây đến và các xà đỡ Độ cao của

các xà cần bảo vệ là 11m và 17m (hình 1)

Hình1: Sơ đồ mặt bằng trạm

220k

110kV

1) Tính độ cao tác dụng của cột thu sét

Để tính đợc độ cao tác dụng ha của các cột thu sét, trớc hết cần xác định đờng kính D của đờng tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác) qua 3 (hoặc 4) đỉnh cột

Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hoặc tứ giác) đó đợc bảo vệ thì D  8

48 a

a a

a

5 , 2 2 2 , 1 2,6

6 , 56 8

aa

a

2 23 ,4

50 8

b p )(

a p ( p 4

c b a 2.

R 2.

p : là nửa chu vi của tam giác

a, b, c: là độ dài tơng ứng 3 cạnh của tam giác

(m) 61,27 2

68 , 44 51 86 , 26 2

c b a

Vậy đờng kính của tam giác là:

) m ( 06 , 51 ) 68 , 44 27 , 61 ).(

51 27 , 61 ).(

68 , 26 27 , 61 (

27 , 61 4

68 , 44 51 68 , 26

- Độ cao tác dụng để nhóm 3 cột 6, 8, 9 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích của chúng phải thoả mãn điều kiện:

) m ( 38 , 6 8

06 , 51 8

a a

a

14 , 8 2 9 , 8 8,14



- Độ cao tác dụng để 4 cột 7, 8, 13, 14 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng thì phải thoả mãn điều kiện:

) m ( 39 , 9 8

13 , 75 8

a a

a

13 , 8 2 9 , 8 9,13

2 , 84 8

a a

a

11 , 10 2 10 , 9 10,12

2 , 84 8

Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét nh ở trên, ta chọn độcao tác dụng cho toàn trạm nh sau:

- Phía 220kV

hmax =10,53mNên ta chọn

ha = 11m

- Phía 110kV

hmax =7,08mNên ta chọn

3) Bán kính bảo vệ của cột thu sét ở các độ cao cần bảo vệ h x t ơng ứng

a) Bán kính bảo vệ của các cột cao 18,5m

(Các cột N1 N6 phía 110kV)

- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m

) m ( 33 , 12 5 , 18 3

2 h 3

2 11m

Nên

) m ( 13 , 7 ) 5 , 18 8 , 0

11 1

.(

5 , 18 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 ( 1,5.h

- Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m

) m ( 33 , 12 h 3

2 8m

Nên

) m ( 75 , 12 ) 5 , 18 8 , 0

8 1

.(

5 , 18 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 1,5.h(

2 h 3

2 17m

Nên

) m ( 13 , 10 ) 28 8 , 0

17 1

.(

28 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 ( 1,5h

- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m

) m ( 67 , 18 h 3

2 11m

Nên

) m ( 38 , 21 ) 28 8 , 0

11 1

.(

28 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 ( 1,5h

7

48 5 , 18 7

a - h

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

+ ở độ cao 11m:

) m ( 76 , 7 64 , 11 3

2 h 3

2 11m

Nên

) m ( 48 , 0 ) 64 , 11

11 1 (

64 , 11 75 , 0 ) h

h - (1 0,75h r

o

x o

8 1

.(

64 , 11 5 , 1 ) h 8 , 0

h - (1 1,5h r

0

X o

b) Xét cặp cột 2 - 3

h2 = h3 = 18,5(m); a = 40m

- Tính toán giống nh cặp cột thu sét 1, 2 ta có ho = 12,79m

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

+ ở độ cao 11(m): rox = 1,34m

+ ở độ cao 8(m) : rox = 4,19m

c) Xét cặp cột 3 – 4 và 1 - 6

h3 = h4 = 18,5(m); a = 30m

- Tính toán giống nh cặp cột thu sét trên ta có ho = 13,07 m

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

rox = 1, 5ho (1 -

0

X

h 8 , 0

h

) = 1, 5 23, 14 (1 -

14 , 23 8 , 0

= 18,43 3

2

= h 3

2 m 17

Nên

) m ( 07 , 1 ) 43 , 18

17 1

( 43 , 18 75 , 0 ) h

h - (1 h 0,75

r

0

X o

+ ở độ cao 11m:

(m) 12,29

h 3

2 m 11

Nên

) m ( 02 , 7 ) 43 , 18 8 , 0

11 1

( 43 , 18 5 , 1 ) h 8 , 0

h - (1 1,5.h r

0

X o

= 20,7 (m)

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

rox = 1,5ho (1 -

0

X

h 8 , 0

h

) = 1,5 20,7 (1 -

7 , 20 8 , 0

2 h 3

2 m 5 , 18

Nên

7,3(m) )

27 8 , 0

5 , 18 - 27.(1 1,5 ) h 8 , 0

h - (1 1,5.h x

22 , 40 5 , 18 7

' a - h

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

+ ở độ cao 11m:

) m ( 5 , 8 75 , 12 3

2 h 3

2 m 11

Nên

) m ( 3 , 1 ) 75 , 12

11 1

.(

75 , 12 75 , 0 ) h

h - (1 0,75.h r

0

X o

+ ở độ cao 8m:

) m ( 8,5 h 3

2 m 8

Nên

4,13(m) )

75 , 12 8 , 0

8 - 12,75.(1

1,5 ) h 8 , 0

h - (1 1,5.h r

0

X o

38 , 37 - 18,5 7

' a - h

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

+ ở độ cao 11m:

) m ( 8 , 8 16 , 13 3

2 h 3

2 m 11

Nên

) m ( 62 , 1 ) 16 , 13

11 1 ( 16 , 13 75 , 0 ) h

h - (1 0,75.h

r

0

X o

) m ( 74 , 4 ) 16 , 13 8 , 0

8 1

( 16 , 13 5 , 1 ) h 8 , 0

h - (1 1,5.h r

0

X o

5) Bảng kết quả tính toán cho ph ơng án 1

a) Bảng kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của từng cột thu sét

Nhóm cột Độ cao cột h(m) Bán kính bảo vệ rx(m)

Phía 110kV16 18,5 hx = 11m hx = 8m

7,13 12,45Phía 220kV

(10-11) vµ (7-14) 67 18,43 1,07 7,02

110 - 220kV hx = 11m hx = 8m4-7

H×nh 3: Ph¹m vi b¶o vÖ theo ph¬ng ¸n 1

1.4.2 Ph ơng án 2

Sơ đồ mặt bằng và vị trí các cột nh hình vẽ (hình 4)

Hình 4: Sơ đồ bố trí thu sét theo phơng án 2Phía 110kV bố trí 6 cột thu sét gồm các cột N1, N2, N3, N4, N6 bố trí trên xà 8m và cột

) m ( 38 , 47 33 34 a

a a

a

14 , 7 2 8 , 7 8,13

38 , 47 8

a a

a

12 , 8 2 9 , 8 8,12



- Độ cao tác dụng để 4 cột 8, 9, 12, 13 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi

chúng thì phải thoả mãn điều kiện:

) m ( 59 , 7 8

75 , 60 8

a a

a

16 , 12 2 12 , 11 12,17

08 , 48 8

a a

a

16 , 12 2 13 , 12 13,17

i) Chọn độ cao tác dụng cho trạm biến áp

Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét nh ở trên, ta chọn độcao tác dụng cho toàn trạm nh sau:

- Phía 220kV

hmax =7,66mNên ta chọn

2) Tính độ cao của các cột thu sét

- Độ cao tác dụng chung cho toàn trạm là:

Độ cao cần bảo vệ lớn nhất là:

hx = 11m

Do đó độ cao của cột thu lôi phía 110kV là:

h = ha +hx = 8 + 11 = 19 (m)

3) Tính bán kính bảo vệ của các cột thu sét

j) Bán kính bảo vệ của các cột thu sét cao 19m

(Các cột N1  N6 phía 110kV)

- Bán kính baỏ vệ ở độ cao 11m:

) m ( 67 , 12 19 3

2 h 3

2 (m) 11

Nên

) m ( 88 , 7 ) 19 8 , 0

11 1

.(

19 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 (

h 5 , 1 r

2 (m) 8

Nên

) m ( 5 , 13 ) 19 8 , 0

8 1

( 19.

2 h 3

2 17(m)

Nên

) m ( 6 ) 25 8 , 0

17 1

.(

25 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 (

h 5 , 1 r

2 (m) 11

Nên

) m ( 88 , 16 ) 25 8 , 0

11 1

.(

25 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 (

h 5 , 1 r

48 19 7

a - h

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

+ ở độ cao 11m:

) m ( 1 , 8 14 , 12 3

2 h 3

2 (m) 11

Nên

) m ( 86 , 0 ) 14 , 12

11 1 ( 14 , 12 75 , 0 ) h

h 1 ( h 0,75

r

0

X o

+ ở độ cao 8m:

) m ( 14 , 12 h 3

2 m 8

Nên

) m ( 21 , 3 ) 14 , 12 8 , 0

8 1

( 14 , 12 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 ( 1,5h r

0

X o

34 25 7

a - h

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

+ ở độ cao 17m:

) m ( 43 , 13 14 , 20 3

2 h 3

2 m 17

Nên

) m ( 36 , 2 ) 14 , 20

17 1

.(

14 , 20 75 , 0 ) h

h 1 (

h 0,75.

r

0

X o

+ ở độ cao 11m:

) m ( 43 , 13 h 3

2 m 11

Nên

) m ( 59 , 9 ) 14 , 20 8 , 0

11 1

.(

14 , 20 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 ( 1,5h r

0

X o

p) Xét cặp cột 10 – 11 và 14 - 7

h = 25 (m); a = 33 m

- Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột:

) m ( 29 , 20 7

33 25 7

a - h

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

+ ở độ cao 17m:

) m ( 52 , 13 29 , 20 3

2 h 3

2 m 17

Nên

) m ( 47 , 2 ) 29 , 20

17 1

.(

29 , 20 75 , 0 ) h

h 1 ( 0,75h r

0

X o

+ ở độ cao 11m:

) m ( 52 , 13 h 3

2 m 11

Nên

) m ( 81 , 9 ) 29 , 20 8 , 0

11 1

.(

29 , 20 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 ( 1,5h r

0

X o

51 25 7

a - h

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

+ ở độ cao 17m:

) m ( 81 , 11 71 , 17 3

2 h 3

2 m 17

Nên

) m ( 56 , 0 ) 71 , 17

17 1

.(

71 , 17 75 , 0 ) h

h 1 ( h 0,75

r

0

X o

+ ở độ cao 11m:

) m ( 81 , 11 h 3

2 m 11

Nên

) m ( 94 , 5 ) 71 , 17 8 , 0

11 1

( 71 , 17 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 ( 1,5h r

0

X o

r) Xét cặp cột 7 - 4

h4 = 19m; h7 = 25m; a = 47,52 (m);

- Hai cột này có chiều cao khác nhau Phạm vi bảo vệ của hai cột nh sau

) m ( 7 , 16 25 3

2 h 3

2 m 19

Nên

) m ( 94 , 0 ) 25

19 1 (

25 75 , 0 ) h

h 1 ( 0,75h x

58 , 46 19 7

' a - h

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột:

+ ở độ cao 11m:

) m ( 24 , 8 36 , 12 3

2 h 3

2 m 11

Nên

) m ( 02 , 1 ) 36 , 12

11 1 (

36 , 12 75 , 0 ) h

h 1 ( 0,75h r

0

X o

+ ở độ cao 8m:

) m ( 24 , 8 h 3

2 m 8

Nên

) m ( 54 , 3 ) 36 , 12 8 , 0

8 1

.(

36 , 12 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 ( 1,5h r

0

X 0

74 , 43 19 7

' a - h

- Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột:

+ ở độ cao 11m:

) m ( 9 , 8 75 , 12 3

2 h 3

2 m 11

Nên

) m ( 3 , 1 ) 75 , 12

11 1 (

75 , 12 75 , 0 ) h

h 1 ( 0,75h r

0

X o

+ ở độ cao 8m:

) m ( 5 , 8 h 3

2 m 8

Nên

) m ( 1 , 5 ) 75 , 12 8 , 0

8 1

.(

75 , 12 5 , 1 ) h 8 , 0

h 1 ( 1,5h r

0

X o

5) Bảng kết quả tính toán cho ph ơng án 2

t) Bảng kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của từng cột thu sét:

Nhóm cột Độ cao cột h(m) Bán kính bảo vệ rx(m)

Phía 110kV16

19 hx = 11m hx = 8m

Phía 220kV718 25 hx = 17m6 hx 16,8= 11m

u) Bảng kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của từng cặp cột thu sét:

- Cả 3 phơng án đều đợc chấp nhận về mặt kỹ thuật:

+Phơng án 1: ta sử dụng 14 cột thu sét với tổng chiều dài là 184m

+Phơng án 2 : ta sử dụng 18 cột thu sét với tổng chiều dài là 169m

- So sánh cả 2 phơng án ta chọn phơng án 2 làm phơng án tính toán cho các phần sau

sơ đồ phạm vi bảo vệ pa2

R( 11m )=16,68m

R( 11m )=7,88m R( 8m )=13,5m