Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

 Yêu cầu về kỹ thuật :+ Phạm vi bảo vệ phải kín toàn bộ các trang thiết bị điện và bộ phận mang điện của trạm, có nghĩa là loại trừ hoặc giảmnhỏ xác suất sét đánh trực tiếp vào các tran

Số đường dây vào trạm :4

 Chiều cao lớn nhất cần bảo vệ : 11(m)

NHA DIEU HANH

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN :

Kết cấu của cột thu sét gồm các phần sau :

 Bộ phận thu sét : làm bằng thép ống hoặc thanh, tiết

diện không nhỏ hơn 100 mm2, đặt thẳng đứng gọi là kimthu sét Nó cũng có thể là dây thép căng ngang giữa cáccột, gọi là dây chống sét

 Bộ phận nối đất : được tạo thành bởi một hệ thống cọc

và thanh bằng đồng hoặc thép nối liền nhau, chôn trongđất, có điện trở tản bé để dòng điện tản nhanh vào đất

 Bộ phận dẫn dòng điện sét nối liền bộ phận thu sét

và bộ phận nối đất lại với nhau : được tạo bởi bản

thân kết cấu cột thu sét hay bằng dây thép có tiết diệnkhông nhỏ hơn 50 mm2 Đỉnh của bộ phận thu sét vượtcao trên tất cả các thiết bị và bộ phận mang điện cầnđược bảo vệ

 Yêu cầu về kỹ thuật :

+ Phạm vi bảo vệ phải kín toàn bộ các trang thiết bị điện và

bộ phận mang điện của trạm, có nghĩa là loại trừ hoặc giảmnhỏ xác suất sét đánh trực tiếp vào các trang thiết bị điện và

bộ phận mang điện của trạm

+ Hệ thống nối đất chống sét (cũng như các khoảng cách trongkhông khí và trong đất từ các phần tử của cột đến các bộphận mang điện , đến các trang thiết bị điện và hệ thống nốiđất an toàn của trạm trong trường hợp hệ thống thu sét đặtđộc lập) phải được thiết kế và tính toán sao cho không xảy raphóng điện ngược trên cách điện ngược của trạm

 Yêu cầu về kinh tế :

+ Trong điều kiện trước tiên thỏa mãn tuyệt đối các yêu cầu kỹthuật, phương án được lựa chọn phải có chi phí đầu tư xâydựng hệ thống thu sét bé nhất (ít tốn kém, vật tư sắt thép, dễthi công lắp đặt, ít tốn công sức…) Trong điều kiện kỹ thuậtcho phép, cần cố gắng tận dụng kết cấu công trình của trạm

để đặt hệ thống thu sét (như mái nhà máy, ống khói, xà đỡdây, cột đèn pha chiếu sáng…

Phương pháp xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét :

a Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ của cột thu sét là một hình chóp tròn xoay có đường sinhdạng hyperbol Bán kính bảo vệ của cột được xác định theo công thức sau:

6

,

1

x

x x

h h

Trong đó: h : độ cao của cột thu sét

hx : độ cao của vật cần bảo vệ

rx : bán kính được bảo vệ bởi cột tương ứng với hx

 Độ cao vượt lên trên vật được bảo vệ của một cột thu sét ha = h – hx

gọi là độ cao hiệu dụng của cột thu sét

 Trong thiết kế để đơn giản người ta thường thay thế đường sinh dạng

hyperbol giới hạn khu vực bảo vệ bởi hai đoạn thẳng (hình vẽ)

 Nếu vật được bảo vệ cĩ độ cao hx  32 h thì phạm vi bảo vệ đượcxác định bởi:

h h

h h p h r

8 0 5 , 1

 Nếu vật được bảo vệ cĩ độ cao hx > 32 h thì phạm vi bảo vệ được xác

h h

h h p h

r 0 , 75

b Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét cĩ độ cao bằng nhau :

 Phạm vi bảo vệ bên ngồi khoảng giữa hai cột được xác định giốngnhư trường hợp xác định phạm vi bảo vệ của một cột thu sét Phạm

Hình 1 :phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

vi bảo vệ khoảng giữa của hai cột thu sét được xác định dựa vàokhoảng cách giữa hai cột.

 Cột thu sét cĩ thể bảo vệ được một vật cĩ độ cao h0 đặt giữa chúng,với h0 được xác định theo: 0 7

a h

x

x x

h h

h h h r







 Cụ thể phạm vi bảo vệ được xác định cụ thể qua hình vẽ sau:

c Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét cĩ độ cao khác nhau :

a h

h  

Hình 2 :phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có

độ cao bằng nhau

d Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét :

 Khi cơng trình cần bảo vệ chiếm một diện tích rộng lớn thì người tathường đặt nhiều cột thu sét để bảo vệ Mặt bằng của phạm vi bảo vệcủa ba cột thu sét khơng nằm trên cùng một đường thẳng và của bốn cộtthu sét đặt ở bốn gĩc của hình chữ nhật

Hình 3 :phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có

độ cao khác nhau

 Nếu ba cột tạo nên một tam giác :

 Bên ngoài diện tích của đa giác : tam giác hoặc hình chữ nhật, phạm

vi bảo vệ được xác định giữa từng đôi cột với nhau Còn tất cả cácthiết bị có độ cao lớn nhất hx đặt trong diện tích của hình đa giác sẽđược bảo vệ an toàn nếu điều kiện sau được thoả mãn:

III TÍNH TOÁN CHỌN CHIỀU CAO CỦA HỆ THỐNG THU

Hình 7 : Sơ đồ bố trí hệ thống kim thu sét

Sau khi tính toán ta có bảng thông số sau :

( m )

0 8 23 65 99-10-11-

13-14-15-16

20

14

IV PHẠM VI BẢO VỆ CỦA TỪNG CỘT :

a Các cột đơn :

+ Bán kính bảo vệ của cột 1,2,3,4,5,6,7,8:

m h

h

h h h r

X

X

11 19

11 19 19 6 , 1 6

h h

h h h r

X

X

8 16

8 16 16 6 , 1 6

h h

h h h r

X

X

8 14

8 14 14 6 , 1 6

7

40 19 7

m h

h

h h h r

X

X

11 29 , 13

11 29 , 13 29 , 13 6 , 1 6

, 1

0

0 0

h

7

48 19 7

m h

h

h h h r

X

X

11 14 , 12

11 14 , 12 14 , 12 6 , 1 6

, 1

0

0 0

7

16 19 7

m h

h

h h h r

X

X

11 72 , 16

11 72 , 16 72 , 16 6 , 1 6

, 1

0

0 0

h

7

52 16 7

m h

h

h h h r

X

X

8 58 , 8

8 58 , 8 58 , 8 6 , 1 6

, 1

0

0 0

+ Bán kính bảo vệ của 9-11,10-12:

m a

h

7

30 16 7

m h

h

h h h r

X

X

8 7 , 11

8 7 , 11 7 , 11 6 , 1 6

, 1

0

0 0

h

7

36 14 7

m h

h

h h h r

X

X

8 86 , 8

8 86 , 8 86 , 8 6 , 1 6

, 1

0

0 0

h

7

20 14 7

m h

h

h h h r

X

X

8 14 , 11

8 14 , 11 14 , 11 6 , 1 6

, 1

0

0 0

Độ cao của kim thu sét (m)

Độ cao sau khi đặt kim thu sét (m)

NHÀ ĐIÊU HÀNH

8

12 13

- Điện trở tản tổng của tồn bộ hệ thống nối đất phải thỏa yêu cầu:

R =

nt tn

nt tn

R R

R R

  0,5

Trong đĩ :

Rtn : Điện trở nối đất tự nhiên.

Rnt : Điện trở nối đất nhân tạo

* Qui định : Rnt  1 nhằm tăng cường an tồn và dự phịng cho cáctrường hợp khi nối đất tự nhiên cĩ thay đổi

1





cs c c

R R R

Ta cĩ điện trở suất của đất đo được lúc đất khơ là đo=75 m

Vậy điện trở suất của đất khi tính tốn là :

Độ chôn sâu (m)

Hệ số k khi

đo  Đất khô

Đất ẩm An

Cọcchônđứng

Chống

sét Thanh,vòng

chônngang

Ta có :

tt

 < 500m nên ta chọn Rc=10

Điện trở nối đất của hệ “DCS-Cột” trạm 110kV :

Đường dây có chiều dài khoảng vượt : l = 200m

Đường dây có 1 dây chống sét : k = 1

Đường dây sử dụng loại dây chống sét TK_50 nên ta có :

10 2

1 10 4

1 2

1

cs c c

R R R

Trạm 110 kv có 4 đường dây có DCS nối vào nên ta có :

Rtn =    0 , 594 

4

375 , 2 4

c cs R

B Nối đất nhân tạo :

a Nối đất mạch vòng :

Điện trở tản của thanh :

+ Sử dụng thép tròn đường kính dt = 0,02m làm thành mạch vòng venchu vi của trạm

+ Chu vi trạm : l = 2(l1 + l2) = 2(130 + 116) = 492 m

+ Hệ số hình dáng : l1/l2 = 1,12  k = 5,597

+ Thanh được chôn sâu : to = 0,8m

+ Thanh chôn trong đất khô , chế độ nối đất an toàn và làm việc nên :

Kmt = 1,6

+ Điện trở suất tính toán của thanh : tt  do.K mt  170  1 , 6  272 m

+ Điện trở tản xoay chiều của thanh là :

02 , 0 8 , 0

492 597 , 5 ln 492 14 , 3 2

272

ln 2

2 0

l k l





Vì Rt = 1,890 > 1 ; nên ta phải dùng thêm cọc

+ Cọc chôn trong đất khô , chế độ nối đất an toàn và làm việc nên : Km

= 1,4

+ Điện trở suất tính toán của cọc : tt  do.K mt  170  1 , 4  238 m

+ Điện trở tản xoay chiều của thanh là :

2 8 , 1 4

2 8 , 1 4 ln 2

1 02 , 0

2 2 ln 492 14 , 3 2

238 4

4 ln 2

1 2

l t d

l l

607 , 1 8 , 105

.

.

t c t

c

t c mv

R n R

R R

Vậy điện trở suất của tia khi tính toán là :

6 ln 6 14 , 3 2

270 2

1

ln 2 2

1 2

tt tia

bs

d t

l l R

m : Số cột thu sét và dây chống sét có đặt nối đất bổ sung

 Toàn bộ trạm có 16 cột thu sét ,nên ta có giá trị của m là :

bs R

 Kiểm tra điện trở nối đất nhân tạo :

73 , 1 913 , 0

//

bs mv

bs mv bs

mv nt

R R

R R R

R R

Vậy thỏa điều kiện nối đất nhân tạo Rnt < 1

Điện trở nối đất của trạm :

597 , 0 594 , 0

nt tn

nt tn nt

R R

R R R

R

Vậy điện trở nối đất của hệ thống theo thiết kế đã thỏa yêu cầu nối đất antoàn

VI KIỂM TRA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT THEO YÊU CẦU CHỐNG SÉT :

 Chỉ có nối đất dưới chân cột thu sét trực tiếp bị sét đánh và mạchvòng nối đất ven chu vi của trạm tham gia vào việc tản dòng điệnsét

 Bỏ qua hiệu ứng màn che giữa nối đất bổ sung và mạch vòng nối đấtnhân tạo của trạm biến áp

 Bỏ qua hiện tượng phóng điện tia lửa trong đất, kể đến ảnh hưởngđiện cảm của mạch vòng nối đất

Sơ đồ thay thế tính tổng trở xung trong hệ thống điện :

K

K R R R

' '

'





Với : K’mt : hệ số mùa của thanh về mùa mưa đối với nối đất chống sét

Kmt : hệ số mùa của thanh về mùa khô đối với nối đất an toàn

Rt : điện trở tản của thanh về mùa khô, Rt = 0,913 

25 , 1 913 , 0

' '

t

mv R R

 Điện trở nối đất bổ sung :

mt

mt bs bs

K

K R R

' '

25 , 1 65 , 27

'

bs

R

Tổng trở xung đầu vào của mạch vòng nối đất bằng tổng trở xung đầu vàocủa một tia tương đương có chiều dài l’= 246 m , như sau :

l L

t

 960 , 1 31 , 0 01 , 0

246 ln 2 , 0 31 , 0 ' ln 2 , 0

2

960 , 1 2

0 '

 H

l L

'

246 713 , 0 2

1

2

i

t i L x

u

'

'

Đạo hàm của u, i theo x, ta có :

i

t i L G x

u

' '

' '

2 2 2 2

Để giải phương trìng vi phân bậc 2 trên ta dùng phương pháp toán tửLaplace

Tổng trở xung đầu vào của hệ thống nối đất đạt trị số cực đại gần đúngvào lúc dòng sét qua biên độ, tức là lúc t = đs :

mv

T x

mv bs

mv

bs mv ds

x R

R

e R

R R

R R Z

ds k

cos 1 2

,

0

2 '

'

'

' '

L l G L

Gọi xk là nghiệm thứ k của phương trình :

0 '

bs mv

0 033 , 0 0

60 , 21

713 , 0

Bằng phương pháp lập trình matlab ta xác định được nghiệm của phươngtrình trên :

713 , 0

Dựa vào đồ thị trên ta thành lập bảng nghiệm sau :

1 2,89 0,242 0,78

5

0,97

-1,066

i i

60 , 21 713 , 0 2

)

, 0 (

1

' ,

'

' '

k n k mv bs

mv

bs mv

R R

R R

Kiểm tra hệ thống nối đất theo điều kiện chống sét :

Với điều kiện sau :

CHƯƠNG 2 :

TÍNH CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN CAO

ÁP -

I TỔNG QUÁT :

 Đường dây tải điện trên không là phần tử có chiều dài lớn nhất trong

hệ thống điện nên thường bị sét đánh và chịu tác dụng của quá điện

áp khí quyển Sóng quá điện áp không chỉ gây nên phóng điện trêncách điện đường dây, đưa đến cắt điện mà còn có thể truyền theođường dây vào trạm gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bịtrong trạm, đặc biệt khi sét đánh trực tiếp vào dây dẫn hoặc vào cộtgây phóng điện ngược ở các đoạn đường dây vào trạm

 Quá điện áp khí quyển xuất hiện trên đường dây theo hai khả năng :hoặc do sét đánh vào đường dây , hoặc do sét đánh gần đường dâygây nên quá điện áp cảm ứng Dễ hiểu là trường hợp đầu nguy hiểmnhất, vì đường dây chịu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét vàviệc bảo vệ chống sét cho đường dây chính là nhằm hạn chế quá điện

áp trong trường hợp này

 Do trị số quá điện áp khí quyển lớn nên không thể chọn mức cáchđiện đường dây đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp khíquyển mà chỉ chọn theo mức độ hợp lý về kinh tế và kỹ thuật Do đóyêu cầu về bảo vệ chống sét đường dây không phải là loại trừ hoàntoàn khả năng sự cố do sét đánh gây ra mà chỉ giảm đến một giới hạnhợp lý về kinh tế kỹ thuật của đường dây

 Đường dây có dây chống sét có thể bị sét đánh trực tiếp theo ba khảnăng :

+ Sét đánh và đỉnh cột hay vào dây chống sét

+ Sét đánh vào dây chống sét ở giữa khoảng vượt

+ Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn

 Mục tiêu của phần này là xét từng khả năng sét đánh vào đường dây

có dây chống sét Trong mỗi trường hợp sét đánh, lập sơ đồ phân bốdòng sét, xác định các thành phần điện áp tác dụng lân cách điệnđường Ucđ (t) ứng với mức cách điện xung của đường dây Upđ (t) , từ

đó xác định được xác suất phóng điện vp tương ứng và suy ra suất cắtđiện tương ứng của chúng

 Suất cắt điện của đường dây cũng như chỉ tiêu chịu sét của đườngdây được tính theo như khả năng sét đánh vào đường dây có dâychống sét

+ ndd : suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vào dây dẫn

+ Nkv : suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vào dây chốngsét ở giữa khoảng vượt

Vị trí của sét có ảnh hưởng đến sự phân bố dòng sét trên các phần tửcủa đường dây, ảnh hưởng đến sự biến thiên của điện trường do dòngsét gây nên trên cách điện của đường dây.

- Đối với các đường dây có U  110kV có thể bỏ qua trường hợp quáđiện áp cảm ứng do sét đánh gần đường dây, vì trị số quá điện áp cảmứng bé hơn nhiều so với mức cách điện xung của các đường dây này,

do đó ít có khả năng gây phóng điện trên cách điện, dẫn đến cắt điệnđường dây Nhưng trong thực tế, do trị số quá điện áp khí quyển rấtlớn, không thể chọn mức cách điện đường dây thỏa điều kiện chốngquá điện áp khí quyển trong mọi trường hợp, mà chỉ chọn theo mức

độ hợp lý về kinh tế và kỹ thuật Do đó, yêu cầu đối với bảo vệ chốngsét đường dây chỉ là giảm sự cố do sét đánh tới giới hạn hợp lý Chính

vì thế, nội dung tính toán chống sét đường dây là tính toán chỉ tiêuchống sét của đường dây đó Trên cơ sở này, xác định phương hướng,biện pháp để giảm số lần cắt điện do sét đánh gây ra

1 Số lần sét đánh vào đường dây :

-Nếu hcs là độ treo cao trung bình của dây chống sét thì nó có khảnăng thu hút về mình toàn bộ các trường hợp sét xuất hiện trong phạm

vi B = 3.hcs về mỗi bên của đường dây Như vậy, nếu đường dây cóchiều dài L, diện tích của khu vực 100% sét đánh vào đường dây là(6.hcs.L) đối với đường dây có một dây chống sét và(6.hcs + S).L đốivới đường dây có hai dây chống sét, với S là khoảng cách giữa hai dâychống sét

-Gọi m là mật độ trung bình sét mỗi ngày (hoặc mỗi giờ) có dôngsét và nns là số ngày (hoặc số giờ ) trung bình có dông sét trong năm,trong khu vực có đường dây đi qua thì số lần sét đánh trung bình vàođường dây trong một năm :

N = 6.hcs.L.m.nns.10-3 , đối với đường dây có một dây chống sét

Và

N = (6.hcs +S).m.nns.10-3 , đối với đường dây có hai dây chốngsét

Với hcs: độ cao trung bình của dây chống sét[m]

L : chiều dài của đường dây [km]

-Do nước ta chưa có số liệu hợp pháp chính thức về các thông sốcủa sét, nên ta chỉ tính với mật độ sét m = 0.1 lần/ km2ngs và số séttrung bình trong năm nns = 100 ngs/năm, tương ứng với chiều dàiđường dây L = 100 km, thì số lần sét đánh trong năm sẽ là :

N = 6.hcs , đối với đường dây một dây chống sét

N = 6.hcs + S , đối với đường dây có hai dây chống sét

2 Số lần phóng điện trên cách điện đường dây :

- Phóng điện trên cách điện của đường dây chỉ xảy ra khi trị sốcủa quá điện áp khí quyển vượt quá hay bằng mức cách điện xungcủa đường dây Dông sét có biên độ và độ dốc tương ứng với mứcquá điện áp bằng mức cách điện xung của đường dây gọi là mức chịusét của đường dây Xác suất hiện dòng sét bằng hoặc lớn hơn mứcchịu sét đó của đường dây cũng chính là xác suất phóng điện Vp trêncách điện đường dây

-Lần lượt xét từng khả năng sét đánh vào đường dây có dây chốngsét Trong mỗi khả năng sét đánh, lập sơ đồ phân bố dòng sét Xácđịnh các thành phần điện áp tác dụng lên cách điện đường dây Sosánh điện áp tổng tác dụng lên cách điện đường dây, Ucđ (t) với mứccách điện xung của đường dây, Upđ(t) hoặc U0.5 , từ đó xác định đượcxác suất phóng điện Vp tương ứng

3 Suất cắt điện đường dây do quá điện áp khí quyển :

1 = f(Elv) men theo bề mặt chuổi sứ

Hoặc có thể tính gần đúng 1 = 0,7 đối với đường dây cột sắt hoặcbêtông cốt sắt ở các cấp điện áp U  22kV, và 1  1 đối với đườngdây có điện áp U  330kV

Trong đó:

Elv là gradient điện áp làm việc trung bình dọc theo khe phóng điện S

Lcd : chiều dài khe phóng điện, ở đây là chiều dài phần cách điện củachuỗi sứ

- Tóm lại , tương ứng với các khả năng sét đánh vào đường dây có dâychống sét xác định được suất cắt như sau :

+Sét đánh vòng qua dây chống sét vào đường dây:

ndd = n V.Vp1 1

+Sét đánh vào đỉnh cột hoặc vào dây chống sét ở gần cột

1

2 4 ).

N

+Khi sét đánh vào dây chống sét ở chính giữa khoảng vượt

) / ( 3

m kV L

U E

cd

)

).(

4 1 ).(

1 (  p32 p41

N

- Suất cắt tổng của đường dây:

n = ndd + nc + nkv

Trong các công thức trên, ta có:

N : Số lần sét đánh vào 100 km đường dây

V : Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào đường dâyđược xác định bằng công thức thực nghiệm sau :

90

V Với :  : góc bảo vệ của dây chống sét

hcs : Chiều cao của dây chống sét tại cột điện

Vp1: Xác suất phóng điện trên chuổi sứ khi sét đánh vòng quadây dẫn

Vp2: Xác suất phóng điện qua chuổi sứ khi sét đánh đỉnh cột

Vp3: Xác suất phóng điện trên khoảng cách không khí giữadây chống sét và dây dẫn khi sét đánh vào dây chống sét giữa khoảngvượt

Vp4: Xác suất phóng điện trên chuổi sứ khi có sét đánh vào dâychống sét giữa khoảng vượt

1 :Xác suất hình thành hồ quang ổn định khi phóng điện tạichuổi sứ

2 :Xác suất hình thành hồ quang ổn định khi phóng điện trênkhoảng cách không khí ở giữa khoảng vượt

: 4

kv

c l

h

4

1 Tỉ suất sét đánh vào dây chống sét ở giữa khoảngvượt

II TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 110 KV :

1 Các thông số đường dây :

Đường dây 110 kV có cột đỡ dây như hình vẽ, là cột sắt, treo 1 dâychống sét