BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Trạm biến áp với số liệu sau: Cấp điện áp : 220 kV/ 22 kV Kích thước trạm biến áp : l1 = 170 m l2 = 80 m Chiều cao cần bảo vệ : Phía điện áp 22kV , hx = 5, m Phía điện áp 220kV , hx = 16 m Điện trở suất đo đất : ρ = 0,9 10 Ω.cm Điện trở nối đất cột RC = 10 Ω Hệ số mùa an toàn : Kmt = 1,5 Kmc = 1,35 Hệ số mùa sét : Kmt = 1,25 Kmc = 1,1 Ta có sơ đồ diện tích mặt trạm biến áp : 170m phía 220kV phía 22kV 80m BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP I Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm biến áp : ) Bố trí cột thu sét : Nguyên tắc chung : dựa vào phát triển có hướng tiên đạo sét ; người ta dùng hệ thống thu sét cột thu sét có độ cao lớn điện trở bé để thu hút phóng điện sét tạo khu vực an toàn xung quanh Hệ thống thu sét có phận thu sét kim thu sét phận tản dòng điện sét hệ thống nối đất Dựa vào kích thước trạm biến áp ta bố trí cột thu sét hình : theo sơ đồ kết cấu trạm ta biết mặt mà chưa biết cụ thể vị trí đặt thiết bị trạm , với thông tin ta cần bố trí cột thu sét cho cột bảo vệ phần diện tích mặt trạm với độ cao hx phía 22kV phía 220kV hx =16m hx =5,5m Phân tích phương án chọn :Trong phạm vi tập dài ta không tiến hành so sánh phương án mà đảm bảo yêu cầu kỹ thuật ; h x = 16m phía điện áp cao nên ta lẽ phải đóng thêm cột thu sét phía cao áp kích thước trạm thuộc loại trung bình đóng thêm cột chiều cao giảm không BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP nhiều phải thêm kinh phí cho cột thêm Khi bố trí đảm bảo hiệu chống sét ( h < 30 m ) a Phạm vi bảo vệ cột ; ; 3; 6; 7; 8: Đường kính đường tròn qua đỉnh ; ; 6; là: D= ((l1 / 4)2 + l22 = (42,52 + 80 ) = 90,6 (m ) Do toàn diện tích giới hạn hình chữ nhật bảo vệ : D ≤ → = 90,6 = 11,3(m) Vì độ cao vật cần bảo vệ phía 22 kV hx = 5,5 m nên độ cao cột thu lôi : h = hx+ = 5,5 + 11,3 = 16,8 ( m ) b.Phạm vi bảo vệ cột 3; 4; 5; 8; 9; 10: Xét độc lập với phía hạ áp Đường kính đường tròn qua đỉnh 3; 4; 8; là: D= ((l1 / 4)2 + l22 = (42,52 + 80 ) = 90,6 (m ) Do toàn diện tích giới hạn hình chữ nhật bảo vệ : D ≤ → = 90,6 = 11,3(m) Vì độ cao vật cần bảo vệ phía 220kV h x = 16 ( m ) nên độ cao cột thu lôi : h = hx+ = 16 + 11,3 = 27,3 ( m ) → Để đảm bảo cho tính toán vùng bảo vệ đơn giản xác đảm bảo dự trữ cột kho chủng loại ta chọn cột thu sét độ cao h = 27,5 ( m ) BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP 2) Tính toán vẽ phạm vi bảo vệ cho cột thu sét : a Phần trạm phía điện áp 22kV : + ) Bán kính khu vực bảo vệ cột thu lôi cao h = 27,5 m độ cao cần bảo vệ hx = 5,5 m : rx = 1,5h.( - hx ) = 1,5.27,5,5.( ) = 30,9 m 0,8h 0,8 × 27 ( Vì hx = 5,5 m ≤ 2h/3 = 18,3 m ) + ) Độ cao lớn khu vực bảo vệ hai cột thu lôi – : h0 = h – a/7 = 27,5 – 42,5/7 = 21,4 ( m ) Như bán kính khu vực bảo vệ hai cột thu lôi độ cao h x = 5,5 m hx 5,5 : r0x = 1,5.h0.( - 0,8h ) = 1,5.21,4.( ) = 21,8 m 0,8 × 21,4 ( hx = 5,5 m ≤ 2h0/3 = 14,3 m ) + ) Độ cao lớn khu vực bảo vệ hai cột thu lôi – : h0 = h – a/7 = 27,5 – 80/7 = 16,1 ( m ) Như bán kính khu vực bảo vệ hai cột thu lôi độ cao h x = 5m : hx 5,5 r0x = 1,5.h0.( - 0,8h ) = 1,5 16,1.( ) = 13, m 0,8 × 16,1 ( hx = 5m ≤ 2h0/3 = 10,7 m ) b Phần trạm phía điện áp 220kV : + ) Bán kính khu vực bảo vệ cột thu lôi cao h = 27,5 m độ cao cần bảo vệ hx = 16m : rx = 1,5h.( - 16 hx ) = 1,5.27,5.( ) = 11,3 m 0,8h 0,8 × 27,5 ( Vì hx = 16m ≤ 2h/3 = 18,3 m ) + ) Độ cao lớn khu vực bảo vệ hai cột thu lôi – : h0 = h – a/7 = 27,5 – 42,5/7 = 21,4 ( m ) BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Như bán kính khu vực bảo vệ hai cột thu lôi độ cao h x = 16m hx 16 r0x = 0,75.h0.( - h ) = 0,75 21,4.( ) = 4,1 m 21,4 ( hx = 16m > 2h0/3 = 14,3m ) + ) Độ cao lớn khu vực bảo vệ hai cột thu lôi – 10 : h0 = h – a/7 = 27,5 – 80/7 = 16,1 ( m ) Như bán kính khu vực bảo vệ hai cột thu lôi độ cao h x = 16m hx 16 r0x = 0,75.h0.( - h ) = 0,75 16,1.( ) = 1,3 m 16,1 ( hx = 16m > 2h0/3 = 10,7 m ) Các nhóm hai cột khác tính tương tự trường hợp Từ số liệu tính toán phạm vi bảo vệ cột thu sét ta có vẽ phạm vi bảo vệ hình bên R21,8 R30,9 R4,1 Phía 220kV hx=16m Phía 22kV hx=5,5m R13.8 R1,3 10 R11,3 BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP II Tính toán nối đất : Tác dụng nối đất để tản dòng điện giữ mức điện thấp vật nối đất Nối đất an toàn ( bảo vệ ) : có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người cách điện bị hư hỏng Khi cách điện bị hư hỏng phận kim loại bình thường không mang điện có xuất điện nối đất nên giữ mức điện thấp Nối đất chống sét : nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét đất có sét đánh vào cột thu sét đường dây để giữ cho điện điểm thân cột không lớn , hạn chế phóng điện ngược đến công trình cần bảo vệ ) Nối đất an toàn : a Đối với phần trạm phía hạ áp 22kV : + ) Nối đất an toàn với mục đích bảo vệ người Nối đất an toàn với trạm điện áp 22kV phải thỏa mãn điều kiện sau : Rđ ≤ ( Ω ) + ) Để đảm bảo yêu cầu ta sử dụng kim loại tiết diện tròn đường kính d = cm chôn sâu đoạn h = 0,8 m xung quanh trạm phía hạ áp ( nối đất mạch vòng ) cách hệ thống chống sét m để đảm bảo dễ thi công đảm bảo hệ thống nối đất hai phía điện áp không ảnh hưởng lẫn → R đ = Rt = Rmv xác định theo công thức sau : ρ K at K.L2 mt R MV = R T = ln 2.Π.L h.d Trong : ρ – Điện trở suất đất (ρ = 0,9.10 Ωcm = 0,9.10 Ωm ) K atmt - Hệ số mùa nối đất an toàn (K atmt = 1,5 ) L – Chu vi mạch vòng nối đất BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP L = 2( a + b) = 2.( 80+85) = 330 m) d – Đường kính ( d = cm = 0,02 m) h – Độ chôn sâu ( h = 0,8 m) K – Hệ số hình dáng phụ thuộc hình dáng hệ thống nối đất Với nối đất mạch vòng ta có bảng quan hệ K phụ thuộc tỷ số l1/ l2: l1/ l2 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 K 5,53 5,81 6,42 8,17 10,4 Từ ta có đồ thị biểu diễn quan hệ để từ dùng biện pháp nội suy ta tìm K trường hợp : Vì a / b = 85/80 = 1,26 → K = 5,65 Thay số vào ta : 0,9.10 1,5 5,6.330 R MV =R T = ln =1,05 Ω 2.Π.330 0,8.0,02 Hệ thống nối đất đạt yêu cầu kỹ thuật ( RMV < ( Ω ) ) b Đối với phần trạm phía cao áp 220kV : xây dựng hệ thống nối đất trước tiên phải tận dụng hệ thống nối đất tự nhiên Trong trạm biến áp ta lợi dụng hệ thống dây chống sét cột : RC 1× R 1 Rtn = + ( C + ) n R CS Trong : Rtn – Điện trở nối đất tự nhiên n – Số lộ đường dây ( n = 4) RC – Điện trở nối đất cột đường dây : RC=10 Ω RCS – Điện trở dây chống sét khoảng vượt : Dây chống sét ta sử dụng loại C – 70 có R0 = 2,38 Ω/km Uđm = 220kV lkv = 300m =0,3km → RCS = R0 lkv = 2,38.0,3 = 0,714 Ω BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP 10 × = 0,585Ω 10 Thay số ta : Rtn = > 0,5 Ω → Ta phải nối đất + ( + ) 0,714 nhân tạo + )Nối đất an toàn với trạm có U ≥ 220kV phải thỏa mãn điều kiện sau : RHT = Rtn // RNT ≤ 0,5 Ω RNT ≤ Ω Trong : RNT - Điện trở nối đất nhân tạo Vì RTN 0,585 RNT RTN ≤ 0,5 Ω ⇒ RNT ≤ = = 3,5Ω RTN + RNT 2.RTN −1 2.0,585 −1 Kết hợp lại ta phải thiết kế hệ thống nối đất cho RNT ≤ 1Ω + ) Để đảm bảo yêu cầu ta sử dụng kim loại tiết diện tròn đường kính d = cm chôn sâu đoạn h = 0,8 m xung quanh trạm phía cao áp ( nối đất mạch vòng hình chữ nhật sát cột thu sét ) → R đ = Rt = Rmv xác định theo công thức sau : R MV =R T ρ K at mt K.L2 = ln 2.Π.L h.d Trong : ρ – Điện trở suất đất (ρ = 0,9.10 Ωcm = 0,9.10 Ωm ) K atmt - Hệ số mùa nối đất an toàn (K atmt = 1,5 ) L – Chu vi mạch vòng nối đất : ( L = 2( a + b) = 2.( 80+85) = 330 m) d – Đường kính ( d = cm = 0,02 m) h – Độ chôn sâu ( h = 0,8 m) K – Hệ số hình dáng phụ thuộc hình dáng hệ thống nối đất Với nối đất mạch vòng ta có bảng quan hệ K phụ thuộc tỷ số l1/ l2: l1/ l2 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 K 5,53 5,81 6,42 8,17 10,4 BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Từ ta có đồ thị biểu diễn quan hệ để từ dùng biện pháp nội suy ta tìm K trường hợp : Vì a / b = 85/80 = 1,26 → K = 5,65 Thay số vào ta : 0,9.10 1,5 5,6.330 R MV =R T = ln =1,05 Ω 2.Π.330 0,8.0,02 Hệ thống nối đất không đạt yêu cầu kỹ thuật ( RMV ≤1 ( Ω ) Ta có: RMV ≥RNT nên phải đóng cọc vào hệ thống nối đất Chọn cọc dài 2m đường kính cm điện trở cọc tính theo công thức Rc = ρ.K mc  2.l 4.t + l  ln + ln  2Π.l  d 4.t − l  đó; t=(h+l)/2 = 1,8 m ρ=0,9 104 Ω cm l =2m d=6 cm km at =1,5 Rc = 0,9.1021,5  2.2 4.1,8 +  ln + ln = 51.2Ω 2Π.2  0,06 4.1,8 −  Công thức tính điện trở hệ thống mạch vòng cột rnt= rc rt rc.η t + rt η c n Trong n: số cột η c hệ số sử dụng cột BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP η t hệ số sử dụng L 330 = 3,3 ⇒ a/l=3,3/2=1,65 chọn n=100 ⇒ a= = n 100 tra bảng phụ lục ta có η c=0,5 rnt = η t=0,23 51,2.1,05 = 0,84 Ω 51,2.0,23 +1,05.100.0,5 ) Nối đất chống sét : a Nối đất chống sét cho trạm phía điện áp 22kV : Trạm phía điện áp 22kV nối đất chống sét riêng biệt với nối đất an toàn Ta tính điện trở nối đất cột thu sét từ điều kiện đảm bảo khoảng cách an toàn không khí đất để không bị phóng điện lên thiết bị : + ) SK > IS × R C + L × h X × a 500 Trong : Cường độ cách điện không khí E KPĐ = 500kV/m IS – Biên độ dòng điện sét ( IS = 150 kA ) RC – Điện trở nối đất xung kích cột thu lôi L0 – Điện cảm đơn vị cột ( L0 = 1,7 μH /m ) hX – Chiều cao vật cần bảo vệ ( hX = 5,5 m ) a – Độ dốc dòng điện sét ( a = 30kA / μs ) → RC = 500.S K − L h X a 500.5 − 1, 7.5,5.30 = = 14,8 Ω (Vì qui phạm SK ≥ 5m ) IS 150 + ) Sđ ≥ I S R C ; Cường độ cách điện đất E đPĐ = 300kV/m 300 → RC = 300S đ 300.3 = = Ω ( Vì qui phạm Sđ ≥ 3m ) IS 150 Suy ta phải thiết kế hệ thống nối đất cột thu sét đạt R C = Ω Ta sử dụng sơ đồ nối đất hình tia chân cột số tia chiều dài tia 10 m 10 BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Điện trở tia tính theo công thức : R cs t ρ.K csmt k.l = ln 2Π.l h.d Trong : l – Tổng chiều dài tia ( l = 30 m ) K csmt - Hệ số mùa sét (K csmt = 1,25 ) k – Hệ số hình dáng tia ( k = 2,38 ) h – Độ chôn sâu ( h= 0,8 m ) d – Đường kính ( d = 0,02 m ) → R cst = 0,9.102 1,25 2,38.302 ln = 5,7 Ω < Ω 2.Π.30 0,8.0,02 → Thỏa mãn điều kiện nối đất chống sét 10 m b Nối đất chống sét cho trạm phía điện áp 220kV : Tính toán nối đất chống sét có phức tạp phải đề cập tới hai trình đồng thời xảy có dòng điện tản đất : - Quá trình độ phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực - Quá trình phóng điện đất Do sử dụng hệ thống nối đất chung cho nối đất an toàn nối đất chống sét nên ta phải tính toán lại điện trở nối đất nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét 11 BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Do hệ thống nối đất nối đất mạch vòng có L(điện cảm ) lớn mật độ dòng điện phần xa điện cực giảm → Để đơn giản ta bỏ qua ảnh hưởng trình phóng điện tia lửa đất Ta bỏ qua điện trở tác dụng thân điện cực điện dung điện cực nơi đất chúng có trị số nhỏ → Sơ đồ thay lại sau : Is a.t 2 L0 g0 L0 g0 L0 g0 g0 Trong : L0 ; g0 – Lần lượt điện cảm điện dẫn đơn vị dài cực nối đất Trong sơ đồ ta tính cho nửa mạch vòng nối đất : Ta có : l r + )L0 = 0,2 ( ln - 0,31 ) μH/m l – chiều dài nửa mạch vòng nối đất ( l = 330/2=165 m ) r – Bán kính nối đất tiết diện tròn ( r = d/2 = 0,02/2=0,01m) → L0 = 0,2 ( ln + ) g0 = 165 - 0,31 ) = 1,88 μH/m 0,01 (1 / Ωm ) 2× R ×l Trong : R – Điện trở tản xoay chiều tính mùa sét 12 BÀI TẬP DÀI Rmv ( set ) = KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Rmv (antoan) 1,25 k mua ( set ) =1,05 =0,88 Ω k mua (antoan) 1,5 Rcoc ( set ) = Rcoc (antoan) 1,1 k mua ( set ) = 51,2 = 41,72 Ω k mua (antoan) 1,35 R NT ( set ) = Rcoc ( set ).Rmv ( set ) 0,88.41,72 = = 0,69Ω Rmv ( set ).η c n + Rcoc ( set ).η mv 0,88.100.0,5 + 41,72.0,23 Rht = Rtn Rnt 0,585.0,69 = = 0,32Ω Rtn + Rnt 0,585 + 0,69 → g0 = = 0,0094(1/ Ωm ) × 0,32 × 165 Giải mạch ta tính tổng trở sóng đầu vào thời điểm t ( Z( 0, t ) ) có xét tới hai phần mạch vòng ghép song song :  2T1 1 + ZXK = Z ( , t) / = 2.g l  t  ∞ ∑ K =1 k t −  1 − e TK        2T1 1 + τ Ta có ZXK thời điểm đs : ZXK = 2.g l  τ đs  ∞ Trong : ∑ K =1 k Vì τ  − đs 1 − e TK     =   ∞ ∑ K =1 k τ đs ∞ τ  − đs 1 − e TK   ∞ 1 − TK − e = Π2 / ∑ ∑ 2 K K K =1 K =1 e-3 ≈ 0,05 ; e-4 ≈ 0,0183 ; e-5 ≈ 0,0067 ; ∞     τ đs − TK e ∑ K =1 K e-6 ≈ 0,00248 Ta thấy e-5 nhỏ so với e-4 bỏ qua xét e -4 tức tính đến K cho τđs/ TK ≥ → TK ≤ 1,25 μs → K ≥ T1 = 1,25 L0 g0 l 1,88.0,0094.1652 Vì : T1 = = = 49 μs π2 π2 13 49 = 6,26 (vì TK = T1/ K2 ) 1,25 BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Ta tính với K = ÷ ; ta có bảng tính toán sau : K / K2 TK = T1/K2 T®s / TK 1 49 0.1020 0.25 12.25 0.4082 0.1111 5.4444 0.9184 0.0625 3.0625 1.6327,5 0.04 1.96 2.5510 0.027,58 1.3611 3.6735 0.0204 0.9030 0.1662 0.0444 0.0122 0.0031 0.0007 0.0001 t ∞ − TK e ∑ K =1 K Suy : τ đs ∞ − TK e = 1,1297 ∑ K =1 K Vậy :   × 49 π 1+ ( − 1,1297)  = 3,57 Ω Z XK =  2.0,0094.165   Với dòng điện sét IS = 150 kA : → UXK = IS ZXK = 150 3,57 = 536,68 kV < U BA 50% = 900 KV → Ta nối đất bổ sung Ta có sơ đồ nối đất trạm sau : Phía 220kV hx=16m Phía 22kV hx=5,5m 14 10 BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP Mục lục: BÀI TẬP DÀI KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP I Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm biến áp : ) Bố trí cột thu sét : 2) Tính toán vẽ phạm vi bảo vệ cho cột thu sét : II Tính toán nối đất : ) Nối đất an toàn : ) Nối đất chống sét : 10 15