Bài tập dài môn Kỹ thuật điện cao áp

BÀI TẬP DÀI MÔN:KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁPA.ĐỀ BÀI:I.Lý thuyết nối đất trong HTĐ.II.Tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét.1.Tính toán hệ thống nối đất an toàn của TBA 220110 kV : số thứ tự của sinh viên. đất = ; kmùa = ; kmùa quy đổi chống sét = ;Hệ số hình dạng : khd = Tính RHT an toàn (giá trị tiêu chuẩn )2.Tính toán nối đất chống sét cho TBA với các số liệu cho ở phần 1

BÀI TẬP DÀI MÔN:KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁPA ĐỀ BÀI:

I Lý thuyết nối đất trong HTĐ.

II Tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét.

1 Tính toán hệ thống nối đất an toàn của TBA 220/110 kVSơ đồ mặt bằng:

300 + n

Thanh dẹt bản rộng b = 0,04m, chôn sâu h = 0,8m

n: số thứ tự của sinh viên.

đất =100 m ; kmùa = 1,6 ; kmùa quy đổi chống sét = 1, 25;Hệ số hình dạng : khd = 5,6

Tính RHT an toàn (giá trị tiêu chuẩn 0,5 )

2. Tính toán nối đất chống sét cho TBA với các số liệu cho ở phần 1

B BÀI LÀM

Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện sét xuống đất để đảm bảo điện áp trên vật nối đất có trị số bé Trong việc bảo vệ quá điện áp, nối đất của trạm biến áp, của các cột thu lôi, của đường dây và của các thiết bị chống sét rất quan trọng.

Đối với thiết bị cao áp thường có các loại nối đất sau:

- Nối đất làm việc.

- Nối đất an toàn hay còn gọi là nối đất bảo vệ.

Nối đất làm việc có nhiệm vụ bảo đảm sự làm việc bình thường của các thiết bị ở trạng thái đã quy định Loại này gồm: nối đất của các điểm trung tính MBA, của các máy biến điện áp (TU), của các thiết bị chống sét, của các thiết bị bù ngang trên đường dây truyền tải siêu cao áp.

Nối đất bảo vệ có mục đích bảo vệ con người bằng cách nối đất các bộ phận kim loại có thể mang điện khi rò điện Ví dụ như: nối vỏ của máy điện, cột sắt của đường dây tải điện, cuộn thứ cấp của TU, …

Ở các nhà máy điện và trạm biến áp về nguyên tắc phải tách rời hai hệ thống nối đất làm việc và hệ thống nối đất bảo vệ, đề phòng khi có dòng 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 Nhưng trong thực tế điều đó khó thực hiện vì nhiều lý do, nên thường chỉ dùng một hệ thống nối đất để làm hai nhiệm vụ Do vậy hệ thống nối đất chung ấy phải thỏa mãn các yêu cầu của các thiết bị, cần có điện trở nối đất bé nhất Điện trở của hệ thống nối đất này không được vượt quá 0,5.

Để đảm bảo về yêu cầu nối đất cũng như để giảm khối lượng kim loại trong việc xây dựng hệ thống nối đất, nên tận dụng tất cả các hệ thông nối đất tự nhiên như:

- Ống nước chôn dưới đất hay các ống kim loại khác (không chứa các chất dễ gây cháy nổ)

- Hệ thống dây chống sét – cột- Kết cấu kim loại của công trình

Khi dùng nối đất tự nhiên phải tuân thủ các quy định của quy phạm Nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thỏa mãn các yêu cầu của thiết bị có dòng ngắn mạch ngắn mạch chạmđất bé thì không cần nối đất nhân tạo nữa Nhưng đối với các thiết bị có dòng điện ngắn mạch lớn thì cần phải nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhântạo vẫn phải nhỏ hơn 1.

Nối đất chống sét có nhiệm vụ tản dòng điện sét khi có sét đánh vào đường dây hay cột thu lôi Hạn chế lan truyền và hình thành song quá điện áp do phóng điện sét gây nên Nếu không mỗi khi sét đánh vào cột chống sét hay đường dây thì hình thành songquá điện áp có khả năng phóng ngược tới các thiết bị và công trình cần được bảo vệ, làm phá hủy các thiết bị điện và MBA.

Về nguyên tắc phải tách rời các hệ thống nối đất trên, nhưng trong thực tế ta thiết kế, xây dựng 1 hệ thống nối đất chung cho tất cả các 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 hệ thống điện trở nối đất phải nhỏ.

Khi điện trở nối đất nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn Nhưng để có được điện trở nối đất lớn thì tốn kém, do đó phải tính toán đảm bảo vừa kỹ thuật, vừa kinh tế.

1 Tính toán nối đất an toàn.

1.1 Các số liệu tính toán:

Điện trở suất đo được của đất: đất =100 m ;

Hệ số mùa của đất: kmùa = 1,6 ; kmùa quy đổi chống sét = 1, 25;Hệ số hình dạng : khd = 5,6

- Nối đất an toàn cho phép sử dụng chung với nối đất làm việc thành một hệ thống nối đất Điện trở nối đất của hệ thống nối đất:

TNNTR R

Trong đó : RTN- điện trở nối đất tự nhiên.

RNT- điện trở nối đất nhân tạo R  NT 1

Do đặc điểm của trạm thiết kế không có hệ thống cột, kết cấu xây dựng nên ta cần xâydựng nối đất nhân tạo cho trạm.

a Điện trở nối đất của các cọc thẳng đứng.

Trong đó: l - chiều dài cọc

tt - điện trở suất tính toán của đất phụ thuộc vào hệ số mùa (.m)

h - độ sâu chôn cọc

Nếu sử dụng cọc sắt góc có bản rộng là b, cần thay d trong biểu thức trong biểu thức trên bằng 0,95.b

b. Điện trở nối đất của các thanh nằm ngang (mạch vòng)

Đối với các điện cực dạng thanh nằm ngang (mạch vòng): ln .2

k lR

lh d

Trong đó : Rmv- điện trở nối đất của hệ thống mạch vòng.

tt - điện trở suất tính toán của đất phụ thuộc vào hệ số mùa (.m)

khd - phụ thộc vào hình dạng của thanh khd = 5,6

Chu vi của hệ thống nối đất mạch vòng: p2 (300 2 2) (200 2 2)       1000( )m

Thay số liệu vào công thức, ta được:

Vậy ta phải tiến hành nối đất bổ sung.

Ta dùng hệ thống nối đất bổ sung gồm 1 thanh ngang kết hợp với 5 cọc được chôn sâutrong lòng đất.

k lR

lh d

a - khoảng cách giữa hai cọc a6( )m

l - chiều dài thanh l n b (n1).a5.0,04 4.6 24, 2( )  m

n - số lượng cọc bổ sung.

b - bản rộng của thanh dẹt b0,04( )m

Tỷ số 6 23

k lR

cttcR RR

 Vậy nối đất bổ sung đã thỏa mãn.

2 Nối đất chống sét cho trạm biến áp.

2.1. Yêu cầu kỹ thuật với hệ thống chống sét

Với mục đích giảm vốn đầu tư khi thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào nhàmáy điện và trạm phân phối ngoài trời thường cố gắng bố trí cột thu lôi trên các độcao có sẵn như xà, cột đèn…nhưng cũng có những trường hợp phải dùng cột thu lôiđộc lập tùy theo đặc điểm của từng tram và nhà máy.

Khi thiết kế cần so sánh về mặt kin tế kỹ thuật và mỹ thuật phải chú ý đến vấn đề nốiđất của cột thu lôi.

Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ 110kV trở lên do có mức cách điện cao nêncó thể đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối Các trụ cột của các kết cấu trênđó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét IS khuếch tán vàođất từ 3÷4 thanh cái của hệ thống nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải cónối đất bổ sung để cải thiện chỉ số điện trở nối đất.

Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời điện áo 110kV trở lên là cuộn dây máybiến áp, vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cáchgiữa hai điểm nối vào hệ thong nối đất của cột thu lôi và vỏ máy biến áp theo đườngđiện phải lớn hơn 15m.

Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110kV trở lên phải thựchiện các điểm sau:

- Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải cónối đất bổ sung ( dùng nối đất tập trung ) nhằm đảm bảo điện trở khuếch tánkhông được quá 4Ω ( ứng với dòng điện tần số công nghiệp).

- Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm 35kV phải tăng cường cách điện của nólên đến mức cách điện của cấp 110kV.

- Trên đầu ra của cuộn dây 6 – 10kV của máy biến áp phải đặt các cột chống sétvan (CSV), các thiết bị chống sét này có thể đặt ngay trên vỏ máy.

- Để bảo vệ cuộn dây 35 kV cần đặt các cột chống sét van Khoảng cách giữachỗ nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van (theođường điện) phải nhỏ hơn 5m Khoảng cách ấy có thể tăng lên nếu điểm nối đấtcủa chống sét van ở vào giữa hai điểm nối đất của vỏ máy biến áp và của kếtcấu trên đó có đặt cột thu lôi.

- Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột thu lôi và bộphận mang điện không được bé hơn chiều dài của chuỗi sư.

- Có thể nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp điệnáp 110kV nếu như các yêu cầu trên được thực hiện.

- Không nên đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối20 ÷ 35 kV, cũng nhưkhông nên nối các cột thu lôi vào hệ thống nối đất của trạm 20 ÷ 35 kV.

- Khi dùng cột thu lôi độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi đếncác bộ phân của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vật đượcbảo vệ.

- Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho các cột thu lôi phải cho dây dẫnđiện đến đèn vào ống chì và chon vào đất.

Đối với các nhà máy điện dung sơ đồ bộ thì chỉ được đặt cột thu lôi trên xà máy biếnáp khi máy phát điện và máy biến áp được nối với nhau bằng cầu bọc kín và hai đầuđược nối đất Nếu cầu có phân đoạn thì không được phép đặt cột thu lôi trên xà củamáy biến áp Với máy bù đồng bộ cũng áp dụng điều này.

Có thể nối dây chông sét bảo vệ đoạn đến trạm vào hệ thống nối đất của trạm nếu nhưkhoảng cách từ chỗ nối đất của trạm đến điểm nối đất của máy biến áp lơn hơn 15m.Để đảm bảo về mặt cơ tính ( độ bền cơ học ) và chống ăn mòn cần phải theo đúng quyđịnh về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dung trên mặt dất và dưới đất phải theo bảngsau:

Loại vật liệu Dây dẫn dong điện sétdung trên mặt đất

Dây dẫn dòng điện sétdung dưới mặt đất

Thanh nhôm tròn Không được dùng Không được dùng

2.2 Cách xác định, công thức tính toán phạm vi bảo vệ của cột

a 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 hútphóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫn dòngđiện sét xuống đất.

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

- 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 củahình chóp tròn xoay có đường kính được xác định bởi phương trình:

1,6 . xx

Trong đó : h : độ cao cột thu sét

hx : độ cao cần bảo vệ.

rx : bán kính của phạm vi bảo vệ.

Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ dạngđơn giản hóa đường sinh của hình chóp có dạng đường gẫy khúc như hình vẽ sau:

0,75h 0,75h(2/3)h

Hình 2.2.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.

Bán kính được tính theo công thức sau:Nếu 2

h  h thì 1,5 1 0,8.

Nếu h30m  p1Nếu h 30mp 5,5

- Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau.

Hai cột thu sét có độ cao h1 = h2 đặt cách nhau một khoảng a.

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vi bảo vệ của cáccột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách agiữa hai cột phải thỏa mãn a7.h ( trong đó h là độ cao của cột thu sét) Phần bênngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột Phần bêntrong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm đỉnh cột và điểm có độ

cao h0 - h0 là độ cao bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột và được xác định theo côngthức sau: 0

ah  h

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là r0x vàđược xác định theo công thức sau:

Nếu 2 03

h  h thì 0

00,75 1 x

  

1,5h 0,75h(2/3)h

Hình 2.2.2 : Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao giống nhau.

- 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 bảovệ 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 thấpvẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm nàyđược xem là đỉnh của cột thu sét giả định Cột 1 và cột 3 hình thành đôi cột có độ caobằng nhau và bằng 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 xen như đỉnh cột thu sét giả định Ta xác định đượckhoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h1 là a’ và x như sau:

21,5 1

Phần còn lại tính toán giống phạm vi bảo vệ cột 1.

- Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét.

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cột thulôi phải thỏa mãn : D ≤ 8.ha

Trong đó: D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột. Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét:

Nhóm cột tam giác có 3 cạnh là a, b, c ta có:

.2 2.

D a b Với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật.

Như vậy độ cao hiệu dụng của cột thu sét ha phải thỏa mãn điều kiện :

Dh 

Hình 2.2.4 : Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét.b Phạm vi bảo vệ của dây thu sét.

- 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 phụthuộc vào mức cao của hx được biểu diễn như sau:

(a)(b)

Hình 2.2.5 : 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 cócác hoành độ 0,6h và 1,2h.

Nếu 23

h  h thì 1,2 10,8

Khi độ cao lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p.

- 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 thỏamãn điều kiện S ≤ 4h.

Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao h0: 0 4

Sh  h

Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của một dây, còn phần bêntrong được giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm là hai điểm treo dây thu sét và điểmcó độ cao h0.

1.2h 0.6h

Hình 2.2.6 : Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

2.3 Nối đất chống sét.

Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất, nếu tốc độ biến thiên của dòng điện theothời gian rất lớn thì trong thời gian đầu điện cảm sẽ ngăn cản không cho dòng điện đitới các phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều, sau một thờigian ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp phân bố sẽ đều hơn.

Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian T = L.g.l2Từ đó ta thấy T tỉ lệ với trị số điện cảm tổng L và điện dẫn g.l = 1/R của điện cực.Từ biểu thức trên ta cũng thấy rằng : khi dòng điện tản trong đất là dòng điện 1 chiềuhoặc xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh hưởng của L không đáng kể và bất kỳ hìnhthức nối đất nào cũng đều biểu thị bởi trị số điện trở tản.

Khi dòng điện tản trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất tùy thuộcvào tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng của dòng điện

Khi T << đs (dòng điện đạt trị số cực đại) thì cần xét quá trình quá độ đã kết thúc vànối đất thể hiện như một điện trở tản Trường hợp này ứng với các hình thức nối đấtdùng cọc hoặc thanh có chiều dài không lớn lắm và gọi là nối đất tập trung.

Trong tính toán thiết kế trạm biến áp 220/110 kV, thường thì phần nối đất nối chungvới mạch vòng nối đất an toàn của trạm Như vậy sẽ gặp trường hợp nối đất phân bốdài, tổng trở xung kích Zxk có thể lớn gấp nhiều lần so với điện trở tản xoay chiều làmtăng điện áp giáng trên bộ phận nối đất và có thể gây phóng điện ngược đến các phần

mang điện của trạm Do đó ta phải tính toán, kiểm tra theo yêu cầu của nối đất chốngsét trong trương hợp có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất.

Yêu cầu kiểm tra : ta kiểm tra theo điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cho cách điện củamáy biến áp : I.Z(0;đs)  U50%MBA

Trong đó : I – là trị số dòng điện sét lấy bằng 150 kA

Z(0;đs) – tổng trở xung kích nối đất tại thời điểm ngay chỗ dòngđiện sét đi vào điện cực.

U50% - trị số điện áp phóng điện bé nhất của máy biến áp Trạm 110 kV : U50% = 460 kV

G: điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài.0, 2 ln l 0,31(/ )

Vì nối đất chống sét là nối đât phân bố dài mạch vòng, nên mạch vòng này được xemnhư là hai tia ghép song song do vậy l = p/2 = 1000/2 = 500 m.

r : bán kính cực ở phần trước nếu cực là thép dẹt có bề rộng b (m).Do đó r = b/4 = 0,01m

Thay số ta có :

0,2 ln 0,31 0,2 ln 0,31 2,16( / )0,01