BÀI GIẢNG CUNG CẤP ĐIỆN

1 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi Tập giảng môn học cung cấp điện dùng chung cho ngành HTĐ ngành điện khác ngành khác có liện quan Đây tài liệu tóm tắt dùng làm giảng tác giả Trần Tấn Lợi Khi sử dụng cho đối tợng khác tác giả có thêm bớt cho phù hợp Bài mở đầu: Các tài liệu tham khảo: Giáo trình CCĐ cho xí nghiệp công nghiệp Bộ môn phát dẫn điện xuất 1978 (bản in roneo) Giáo trình CCĐ (tập 2) Nguyễn Công Hiền nhiều tác giả xuất 1974,1984 Thiết kế CCĐ XNCN Bộ môn phát dẫn điện (bản in roneo khoa TC tái bản) Một số vấn đề thiết kế qui hoạch mạng điện địa phơng Đặng Ngọc Dinh nhiều tác giả Giáo trình mạng điện Bộ môn phát dẫn điện Một số tài liệu nớc dịch: Cung cấp điện cho xí nghiệp công nghiệp Tg: Fe-đô-rov NXB-Năng lợng 1972 Cung cấp điện cho xí nghiệp công nghiệp Tg: Epmulov NXB-Năng lợng 1976 Sách tra cứu cung cấp điện (tập I & II sách dịch) Tg: Fe-đô-rov NXB-Năng lợng 1980 Giới thiệu chơng giáo trình: Chơng I: Chơng II: Chơng III: Chơng IV: Chơng V: Chơng VI: Chơng VII: Chơng VIII: Chơng IX: Chơng X: Chơng XI: Chơng XII: Những vấn đề chung TH-CCĐ Phụ tải điện Cơ sở so sánh-kinh tế kỹ thuật CCĐ Sơ đồ CCĐ trạm biến áp Tính toán mạng điện xí nghiệp Xác định tiết diện dây dẫn mạng điện Tính toán dòng ngắn mạch Lựa chọn thiết bị điện Bù công suất phản kháng mạng xí nghiệp Bảo vệ rơ-le mạng điện xí nghiệp Nối đất chiếu sáng Chiếu sáng công nghiệp Chơng I Những vấn đề chung HT-CCĐ 93 31 36 56 83 108 133 144 166 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi 1.1 Khái niệm hệ thống điện: Ngày nói đến hệ thông lợng, thông thờng ngời ta thờng hình dung hệ thông điện, tơng tự nh đôi lúc ngờng ta gọi Khoa điện Khoa lợng, tợng ngẫu nhiên mà chất vấn đề Lý chỗ l ợng điện có u sản xuất,khai thác truyền tải, hầu nh toán lợng khai thác đợc tự nhiên ngời ta chuyển đổi thầnh điện trớc sử dụng Từ hình thành hệ thống điện nhằm tryuền tải, phân phối CCĐ điện đến hộ sử dụng điện Một số u điểm điện năng: + Dễ chuyển hoá thành dạng lợng khác (Quang, nhiệt, hoá năngã) + Dễ chuyền tải truyền tải với hiệu suất cao + Không có sắn tự nhiên, đợc khai thác chuyển hoá thành điện nơi sử dụng điện lại dẽ dàng chuyển thành dạng lợng khác Ngày phần lớn lợng tự nhiên khác đợc khai thác chỗ đợc đổi thành điện (VD NM nhiệt điện thờng đợc xây dựng nơi gần nguồn than; NM thỷ điện gần nguồn nớcã) Đó lý xuất hệ thống tryền tải, phân phối cung cấp điện mà chung ta thờng giọ hệ thông điện Định nghĩa: Hệ thống điện bao gồm khâu sản xuất điện năng; khâu tryền tải; phân phối cung cấp điện đến tận hộ dùng điện (xem HV.) NL sơ cấp 220 kV 110 kV ~ NMĐ1 10 kV sản xuất & tryền tải (phát dẫn điện) 10 kV ~ NMĐ2 35 kV 6; 10 kV phân phối & cung cấp điện (CCĐ) 0,4 kV HV 01 Từ cho thấy lĩnh vực cung cấp điện có ý nghĩa hẹp Định nghĩa: Hệ thống cung cấp điện bao gồm khâu phân phối; Tuyền tải & cung cấp điện đến hộ tiêu thụ điện Vài nét đặc trng lợng điện: 1- Khác với hầu hết sản phẩm, điện đợc sản xuất ra, nói chung không tích trữ đợc (trừ vài trờng hợp đặc biệt với công suất nhỏ nh pin, acqui ) Tại thời điểm luôn phải đảm bảo cần lợng điện sản xuất tiêu thụ có kể đến tổn thất khâu truyền tải Điều când phải đợc quán triệt khâu thiết kế, qui hoạch, vận hành điều độ hệ thống điện, nhằm giữ vững chất lợng điện (u & f) 2- Các trình điện xẩy nhanh Chẳng hạn sóng điện từ lan truyền dây dẫn với tốc độ lớn xấp sỉ tốc độ ánh sáng 300 000 km/s (quá trình ngắn mạch, sóng sét lan truyền lan tuyền) Đóng cắt thiết bị bảo v.vã Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi phải xẩy vòng nhỏ 1/10 giây cần thiết để thiết kế, hiệu chỉnh thiết bị bảo vệ 3- Công nghiệp điện lực có quan hệ chặt chẽ đến nhiều ngành kinh tế qquốc dân (luyện kim, hoá chất, khai thác mỏ, khí, công nghiệp dệtã) động lực tăng suất lao động tạo nên phát triển nhịp nhành cấu trúc kinh tế Quán triệt đặc điểm xây dựng định hợp lý mức độ điện khí hoá ngành kinh tế Các vùng lãnh thổ khác Mức độ xây dựng nguồn điện, mạng lới truyền tải, phân phối nhằm đáp ứng phát triển cân đối, tránh đợc thiệt hại kinh tế quốc dân phải hạn chế nhu cầu hộ dùng điện Nội dung môn học: Nhằm giải vấn đề kỹ thuật việc thiết kế hệ thống CCĐ-XN nói chung HTĐ nói riêng Một phơng án CCĐ đợc gọi hợp lý phải kết hợp hài hoà loạt yêu cầu nh: Tính kinh tế (vốn đầu t nhỏ) Độ tin (xác suất điện nhỏ) An toàn tiện lợi cho việc vận hành thiết bị Phải đảm bảo đợc chất lợng điện phạm vi cho phép (kỹ thuật) Nh lời giải tối u thiết kế HTĐ phải nhận đợc từ quan điểm hệ thống, không tách khỏi kế hoạch phát triển lợng vùng; Phải đợc phối hợp vấn đề cụ thể nh Chọn sơ đồ nối dây lới điện, mức tổn thất điện áp ã.Việc lựa chọn PA CCĐ phải kết hợp với việc lựa chọn vị trí, công suất nhà máy điện trạm biến áp khu vực Phải quan tâm đến đặc điểm công nghệ xí nghiệp, xem xét phát triển xí nghiệp kế hoạch tổng thể (xây dựng, kiến trúcã ) Vì dự án thiết kế CCĐ-XN, thờng đợc đa đồng thời với dự án xây dựng, kiến trúc, cấp thoát nớc v.vã đợc duyệt quan trung tâm có phối mặt quan điểm hệ thống tối u tổng thể 1.2 Phân loại hộ dùng điện xí nghiệp: Các hộ dùng điện xí nghiệp gồm nhiều loại tuỳ theo cách phân chia khác (nhằm mục đích đảm bảo CCĐ theo nhu cầu loại hộ phụ tải) a) Theo điện áp tần số: vào Udm f * Hộ dùng điện pha Udm < 1000 V ; fdm = 50 Hz * Hộ dùng điện pha Udm > 1000 V ; fdm = 50 Hz * Hộ dùng điện pha Udm < 1000 V ; fdm = 50 Hz * Hộ dùng điện làm việc với tần số 50 Hz * Hộ dùng dòng điện chiều b) Theo chế độ làm việc: (của hộ dùng điện) Dài hạn: phụ tải không thay đổi thay đổi, làm việc dài hạn mà nhiệt độ không vợt giá trị cho phép (VD: Bơm; quạt gió, khí nénã) Ngắn hạn: thời gian làm việc không đủ dài để nhiệt độ TB đạt giá trị qui định (VD động truyền động cấu phụ máy cắt gọt kim loại, động đóng mở van TB thuỷ lực) Ngắn hạn lập lại: thời kỳ làm việc ngắn hạn TB xen lẫn với thời kỹ nghỉ ngắn hạn đợc đặc trng tỷ số thời gian đóng điện thời gian toàn chu trình sản suất (VD máy nâng; TB hàn ) c) Theo mức độ tin cung cấp điện: tuỳ theo tầm quan trọng kinh tế xã hội, hộ tiêu thụ điện đợc CCĐ với mức độ tin cậy khác phân thành loại Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi Hộ loại I: Là hộ mà cố ngừng CCĐ gây thiệt hại lớn kinh tế, đe doạ đến tính mạng ngời, ảnh hởng có hại lớn trị; gây thiệt hại đối loạn qui trình công nghệ Hộ loại I phải đợc CCĐ từ nguồn độc lập trở lên Xác suất ngừng CCĐ nhỏ, thời gian ngừng CCĐ thờng đợc phép thời gian tự động đóng thiết bị dự trữ (VD xí nghiệp luyện kim, hoá chất lớnã) Hộ loại II: Là hộ có tầm quan trọng lớn nhng ngừng CCĐ dẫn đến thiệt hại kinh tế h hỏng sản phẩm, ngừng trệ sản xuất, lãng phí loa động v.vã Hộ loại II đợc CCĐ từ nguồn thời gian ngừng CCĐ cho phép thời gian để đóng TB dự trữ tay (XN khí, dệt, công nghiệp nhẹ, công nghiệp địa phơngã) Hộ loại III: mức độ tin cậy thấp hơn, gồm hộ không nằm hộ loại Cho phép điện thời gian sửa chữa, thay phần tử cố nhng không ngày đêm Hộ loại III thờng đợc CCĐ nguồn 1.3 Các hộ tiêu thụ điện điển hình: 1) Các thiết bị động lực công nghiệp 2) Các thiết bị chiếu sáng (thờng pha, ĐTPT phẳng, cos = 1ữ0,6) 3) Các TB biến đổi Các động truyền động máy gia công 4) Lò thiết bị gia nhiệt 5) Thiết bị hàn (Giải công suất; dạng ĐTPT; Giải U dm ; fdm ; cos ; Tmax ;đặc tính phụ tải; thuộc hộ tiêu thụ loại 1; 3ãã) 1.4 Các tiêu kỹ thuật CCĐ-XN: Chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống CCĐ đợc đánh giá chất lợng điện cung cấp, thông qua tiêu U; f; tính liên tục CCĐ *Tính liên tục CCĐ: hệ thống CCĐ phải đảm bảo đợc việc CCĐ liên tục theo yêu cầu phụ tải (yêu cầu hộ loại I; II & III) Chỉ tiêu thờng đợc cụ thể hoá xác suất làm việc tin cậy sở ngời ta phân hộ tiêu thụ thành loại hộ mà thiết kế cần phải quán triệt để có đợc PA CCĐ hợp lý * Tần số: độ lệch tần số cho phép đợc qui định 0,5 Hz Để đảm bảo tần số hệ thống điện đợc ổn định công suất tiêu thụ phải =< công suất HT Vậy xí nghiệp lớn phụ tải gia tăng thờng phải đặt thêm TB tự động đóng thêm máy phát điện dự trữ XN TB bảo vệ sa thải phụ tải theo tần số *Điện áp: Độ lệch điện áp cho phép so với điện áp định mức đợc qui định nh sau: (ở chế độ làm việc bình thờng) + Mạng động lực: + Mạng chiếu sáng: [U%] = % Udm [U%] = 2, % Udm Trờng hợp khởi động động mạng điện tình trạng cố độ lệch điện áp cho phép tới (-10 ữ 20 %)Udm Tuy nhiên phụ tải điện thay đổi nên giá trị điện áp lại khác nút phụ tải điều chỉnh phức tạp Để có biện pháp hiệu lực điều chỉnh điện áp, cần mô tả diễn biến điện áp theo độ lệch so với giá trị định mức, mà phải thể đ ợc mức độ kéo dài Khi tiêu đánh giá mức độ chất lợng điện áp giá trị tích phân Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi -T U( t ) U dm dt U dm Trong đó: U(t) - giá trị điện áp nút khảo sát thời điểm t T - khoảng thời gian khảo sát Udm - giá trị định mức mạng Khi độ lệch điện áp so với giá trị yêu cầu (hoặc định mức) đợc mô tả nh đại lợng ngẫu nhiên có phân bố chuẩn, mục tiêu quan trọng điều chỉnh điện áp là: cho giá trị xác suất để suốt khoảng thời gian khảo sát T độ lệch điện áp nằm phạm vi cho phép, đạt cực đại Ngoài nghiên cứu chất lợng điện cần xét đến hành vi kinh tế, nghĩa phải xét đến thiệt hại kinh tế điện, chất lợng điện xấu Chẳng hạn điện áp thấp định mức, hiệu xuất máy giảm, sản xuất kém, tuổi thọ động thấp định mức, hiệu suất máy giảm, sản phẩm kém, tuổi thọ động giảm v.v Từ xác định đ ợc giá trị điện áp tối u Mặt khác nghiên cu chất lợng điện quan điểm hiệu sử dụng điện, nghĩa điều chỉnh điện áp đồ thị phụ tải cho tổng số điện sử dụng với điện áp cho phép cực đại Những vấn đè nêu cần có nghiên c u tỉ mỉ dựa thông kê có hệ thông phân phối điện áp nút, suất thiệt hại kinh tế chất lợng điện xấu 1.4 Một số ký hiệu thờng dùng: Máy phát điện nhà máy điện - Động điện Máy biến áp cuộn dây Máy biến áp cuộn dây Máy biến áp điều chỉnh dới tải - Kháng điện Máy biến dòng điện Máy cắt điện - Cầu chì 10 - Aptômát 11 Cầu dao cách ly 12 Máy cắt phụ tải ~ Đ Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi 13 Tụ điện bù 14 Tủ điều khiển 15 Tủ phân phối 16 Tủ phân phối động lực 17 Tủ chiếu sáng làm việc 18 Tủ chiếu sáng cục 19 Khởi động từ 20 - Đèn sợi đốt 21 - Đèn huỳnh quang 22 Công tắc điện 23 ổ cắm điện 24 Dây dẫn điện 25 Dây cáp điện 26 Thanh dẫn (thanh cái) 27 Dây dẫn tần số 50 Hz 28 Dây dẫn mạng hai dây 29 Dây dẫn mạng dây 30 - Đờng dây điện áp U 36 V 31 Đờng dây mạng động lực chiều 32 Chống sét ống Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi 33 Chông sét van 34 Cầu chì tự rơi Chơng II Phụ tải điện Vai trò phụ tải điện: XN có nhiều loại máy khác nhau, với nhiều công nghệ khác nhau; trình độ sử dụng khác với nhiều yếu tố khác dẫn tới tiêu thụ công suất thiết bị không công suất định mức chúng Nhng mặt khác lại cần xác định phụ tải điện Phụ tải điện hàm nhiều yếu tố theo thời gian P(t), chung không tuân thủ qui luật định việc xác định đợc chúng khó khăn Nhng phụ tải điện lại thông số quan trọng để lựa chọn thiết bị HTĐ Công suất mà ta xác định đợc cách tính toán gọi phụ tải tính toán Ptt Nếu Ptt < Pthuc tê Thiết bị mau giảm tuổi thọ, dẫn đến cháy nổ Nếu Ptt > Pthuc tê Lãng phí Do có nhiều công trình nghiên cứu nhằm xác định P tt sát với P_thực tế Chủ yếu tồn nhóm phơng pháp + Nhóm phơng pháp dựa kinh nghiệm vận hành, thiết kế đợc tổng kết lại hệ số tính toán (đặc điểm nhóm phơng pháp là: Thuận lợi cho việc tính toán, nhanh chóng đạt kết quả, nhng thờng cho kết xác) + Nhóm thứ nhóm phơng pháp dựa sở lý thuyết xác suất thống kê (có u điểm ngợc lại với nhóm là: Cho kết xác, xong cách tính lại phức tạp ) 2.1 Đặc tính chung phụ tải điện: 1) Các đặc trng chung phụ tải điện: Mỗi phụ tải có đặc trng riêng tiêu xác định điều kiện làm việc mà CCĐ cần phải đợc thoả mãn ý tới (có đặc trng chung) Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi a) Công suất định mức: Là thông số đặc trng phụ tải điện, thờng đợc ghi nhãn máy cho lý lịch máy Đơn vị đo công suất định mức thờng kW kVA Với động điện P đm công suất trục Pđ Đ Pđm m Pd = Pdm dm dm hiệu suất định mức động thờng lấy 0,8 ữ 0,85 (với động không đồng không tải) Tuy với động công suất nhỏ không cần xác lấy Pd Pdm Chú ý: + Với thiết bị nung chẩy công suất lớn, thiết bị hàn công suất định mức công suất định mức máy BA thờng cho [kVA] + Thiết bị chế độ ngắn hạn lập lại, tính phụ tải tính toán phải qui đổi chế độ làm việc dài hạn (tức phải qui chế độ làm việc có hệ số tiếp điện tơng đối) Động ' Pdm = Pdm dm Biến áp ' Pdm = Sdm cos dm Trong đó: Pdm Công suất định mức qui đổi dm % Sdm; Pdm; cos ; dm % - Các tham số định mức lý lịch máy TB b) Điện áp định mức: Udm phụ tải phải phù hợp với điện áp mạng điện Trong xí nghiệp có nhiều thiết bị khác nên có nhiều cấp điện áp định mức lới điện + Điện áp pha: 12; 36 V sử dụng cho mạng chiếu sáng cục nơi nguy hiểm + Điện áp ba pha: 127/220; 220/380; 380/660 V cung cấp cho phần lớn thiết bị xí nghiệp (cấp 220/380 V cấp đợc dùng rộng rãi nhất) + Cấp 3; 6; 10 kV: dùng cung cấp cho lò nung chẩy; động công suất lớn Ngoài có cấp 35, 110 kV dùng để truyền tải CCĐ cho thiết bị đặc biệt (công suất cực lớn) Với thiết bị chiếu sáng yêu cầu chặt chẽ nên để thích ứng với việc sử dụng vị trí khác lới TB chiếu sáng thờng đợc thiết kế nhiều loại khác cấp điện áp định mức Ví dụ mạng 110 V có loại bóng đèn 100; 110; 115; 120; 127 V Tần số: qui trình công nghệ đa dạng thiết bị xí nghiệp chúng sử dụng dòng điện với tần số khác từ f = o Hz (TB chiều) đến thiết bị có tần số hàng triệu Hz (TB cao tần) Tuy nhiên chúng đợc CCĐ từ lới điện có tần số định mức 50 60 Hz thông qua máy biến tần Chú ý: Các động thiết kế tần số định mức 60 Hz sử dụng đợc lới có tần số định mức 50 Hz với điều kiện điện áp cấp cho động phải giảm theo tỷ lệ tần Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi số (VD động lới 60 Hz muốn làm việc lới có tần số 50 Hz Udm =380 V, điện áp trớc phải 450ữ460 V) 2) Đồ thị phụ tải: Đặc trng cho tiêu dùng lợng điện thiết bị riêng lẻ, nhóm thiết bị, phân xởng toàn xí nghiệp Nó tài liệu quan trọng thiết vận hành a) Phân loại: có nhiều cách phân loại + Đồ thị phụ tải tác dụng P(t) * Theo đại lợng đo + Đồ thị phụ tải phản kháng Q(t) + Đồ thị phụ tải điện A(t) + Đồ thị phụ tải hàng ngày + Đồ thị phụ tải háng tháng + Đồ thị phụ tải hàng năm * Theo thời gian khảo sát Đồ thị phụ tải thiết bị riêng lẻ ký hiệu p(t); q(t); i(t) Của nhóm thiết bị P(t); Q(t); I(t) b) Các loại đồ thị phụ tải thờng dùng: Đồ thị phụ tải hàng ngày: (của nhóm, phân xởng XN) thờng đợc xét với chu kỳ thời gian ngày đêm (24 giờ) xác định theo cách + Bằng dụng cụ đo tự động ghi lại (VH- 2a) + Do nhân viên trực ghi lại sau định (HV-2b) + Biểu diễn theo bậc thang, ghi lại giá trị trung bình khoảng định (HV-2c) P P P Pmax 24 t (giờ) HV-2a 24 t (giờ) HV-2b 24 t (giờ) HV-2c + Đồ thị phụ tải hàng ngày cho ta biết tình trạng làm việc thiết bị để từ xếp lại qui trình vận hành hợp lý nhất, làm để tính chọn thiết bị, tính điện tiêu thụã + Các thông số đặc trng đồ thị phụ tải hàng ngày: 1- Phụ tải cực đại 2- Hệ số công suất cực đại tơng ứng với - Điện tác dụng & phản kháng ngày-đêm Hệ số tơng ứng với Pmax ; Qmax cosmax tgmax = Qmax /Pmax A [kWh]; Ar[kVArh] Costb tgtb = Ar/A 10 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi Hệ số điền kín ĐTPT K dk = A 24.Pmax K dkr = ; Ar 24.Qmax Đồ thị phụ tải hàng năm: Gồm hai loại: + ĐTPT hàng tháng + ĐTPT theo bậc thang Đồ thị phụ tải hàng tháng: đợc xây dựng theo phụ tải trung bình tháng xí nghiệp năm làm việc P Đồ thị phụ tải hàng tháng cho ta biết nhịp độ sản xuất xí nghiệp Từ đề lịch vận hành sửa chữa TB điện cách hợp lý nhất, nhằm đáp ứng yêu cầu sản xuất (VD: vào tháng 3,4 sửa chữa vừa lớn, tháng cuối năm sửa chữa nhỏ thay thiết bị 10 12 tháng Đồ thị phụ tải theo bậc thang: xây dựng sở đồ thị phụ tải ngày đêm điển hình (thờng chọn ngày điển hình vào mùa đông vào mùa hạ) P P Pmax Pi t2 t1 t1 mùa đông A mùa hè 24 t [giờ] 24 t [giờ] Ti Gọi: n1 số ngày mùa đông năm n2 số ngày mùa hè năm 8760 [giờ] Ti = (t1 + t1).n1 + t2.n2 Các thông số đặc trng đồ thị phụ tải năm: - Điện tác dụng phản kháng tiêu thụ năm làm việc: A [kWh/năm] & Ar [kVArh/năm] Chúng đợc xác địng diện tích bao đờng ĐTPT trục thời gian 2- Thời gian sử dụng công suất cực đại: A A Tmax = Tmax r = r ; Pmax Qmax Hệ số công suất trung bình: Costb tơng ứng với tgtb tg tb = Ar A Hệ số điền kín đồ thị phụ tải: 146 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi Khi dùng trang bị nối đất chung có lới dới 1000 V thì: Rd 125 Id (4) Khi dùng riêng (chỉ dùng cho TB >1000 V) thì: 250 (5) Id Trong 125 250 điện áp cho phép lớn trang bị nối đất Id - Dòng chạm đất pha lớn + Trong hai trơng hợp, điện trở nối đất không đợc vợt 10 Rd Rd 10 Lới Udm < 1000 V: điện trở nối đất thời điểm năm không vợt (riêng TB nhỏ tổng công suất máy phát trạm BA không vợt 100 kVA, cho phép Rd đến 10 ) + Nối đất lặp lại dây trung tính mạng 380/220 V phải có R d< 10 + Nếu điểm có nhiều TB phân phối với điện áp khác đặt khu đất, thực nối đất chung Thì điện trở nối đất phải thoả mãn yêu cầu trang bị nối đất đồi hỏi có Rd nhỏ Đối với đờng dây không: Udm 35 kV cần nối đất tất cột bê tông, cột thép Udm ữ 20 kV cần nối đất cột gần nơi dân c Cần phải nối đất cho tất cột bê tông, cột thép, cột gỗ tất loại đ ờng dây cấp điện áp cột có đặt bảo vệ chống sét hay dây chống sét Điện trở nối đất cho phép cột phụ thuộc vào điện trở suất đất lấy 10 ữ 30 + Trên đờng dây pha dây, điện áp 380/220 V có điểm trung tính trực tiếp nối đất cột sắt xà cột bê tông cần phải đợc nối với dây trung tính + Mạng Udm < 1000 V có dây trung tính cách đất, cột sắt, bê tông cốt thép cần có điện trở nối đất không 50 2) Tính toán hệ thống nối đất:: a) Điện trở nối đất cọc nối: Phụ thuộc vào hình dạng, kích thớc độ chôn sâu đất điện trở xuất đất nơi thực nối đất Các công thức tính toán cách lắp đặt cho bảng dới b) Tính toán hệ thống nối đất:: Hệ thống nối đất thờng bao gồm số điện cực nối song song với khoảng t ơng đối nhỏ (vì lý không gian kinh tế) Vì có dòng ngắn mạch chạm đất, thể tích đất tản dòng từ cực giảm làm tăng điện trở nối đất cọc NH vậy, nối đất gồm n điện cực (cọc) điện trở nối đất toàn hệ thống (không kể đến nối ngang) Rcọc/n mà là: Bảng công thức xác định điện trở tản dòng điện cực khác 147 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi R dc = l t d d t Chôn thẳng đứng, làm thép tròn, đầu nằm sâu cách mặt đất khoảng Chôn nằm ngang, làm thép dẹt, dài, nằm sâu cách mặt đất khoảng Công thức l Chôn thẳng đứng, làm băng thép tròn, đầu tiếp xúc với mặt đất b Kiểu nối đất Cách đặt điện cực l Rdc = ttd l ln l d ttd l 4t + l (ln + ln ) l d 4t l R dc = ttng l ln 2l b.t Chú thích l>d l>d l ,5 2t Bảng 12-1 148 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi b chiều rộng dẹt, điện cực tròn có đờng kính d b=2d a ttd a.b t Rd (HV.) ta có: Rtn Rnt phải xác đình điện trở nối đất nhân tạo theo công thức sau: Từ 1 = + R d R nt Rtn Rđ tơng đơng Rd = HV Rd Rnt + Rd Rtn = Rnt.Rtn (8) R nt = R nt Rtn R nt + Rtn Rnt (Rd - Rtn) = Rd.Rnt Rd Rtn Rtn R d Bớc 4: Từ trị số Rnt (8) ta tính số điện cực cần thiết, cần bố trí điện cực để cho giảm Utx Ub Để tính đợc số điện cực cần thiết trớc tiên ta chọn loại điện cực thờng dùng (thép góc thép tròn) Tra bảng tính Rcọc theo công thức cho Bảng 12-1 Trong khấu cần có tt ; kích thớc bố trí, độ sâu chôn cọc v.vã Những điều phụ thuộc vảo không gian đợc phép sử dụng, cho phép thi công dẽ dàng Bớc 5: Sơ xác định số điện cực cần thiết HT (9) n= R coc R nt K sdc 150 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi Chú ý: số cọc hệ thống nối đất không đợc phép nhỏ (để giảm điện áp bớc) Ksdc Hệ số sử dụng cọc, tham số phụ thuộc vào số lợng cọc, khoảng cách cọc, loại HT (mạch vòng hay tia) sơ tra bảng theo kích thớc dự kiến Ksdc = f ( n, khoảng cách, loại HT) tạm xác định Bớc 6: Khi cần xét đến điện trở nối đất nối nằm ngang Sơ ớc lợng chiều dài (chu vi mạh vòng cho phép lắp đặt HT nối đất) Việc tính R t (điện trở nối) theo công thức (tra bảng); Sau điện trở toàn nối đợc tính theo công thức sau: Rt' = Trong đó: Rt t Rt Tính theo công thức tra bảng t Hệ số sử dụng nối ngang Bớc 7: Tính xác điện trở cần thiết cọc (điện cực) thẳng đứng có xét tới điện trở nối nằm ngang R nt = R cọc + ' Rt R coc R nt Rt' = ' Rt R nt (11) Bớc 8: Tính xác số cọc thẳng đứng có xét tới ảnh hởng nằm ngang hệ số sử dụng cọc n= R coc K sdc R (12) Ví dụ: Tính toán trang bị nối đất trạm phân phối 10 kV Dòng điện điện dung chạm đất pha mạng 10 kV 25 A Bảo vệ chống chạm đất pha mạng 10 kV tác động phát tín hiệu Trong trạm có đặt máy biến áp giảm áp 10/0,38; 0,22 kV phía hạ áp có trung tính trực tiếp nối đất - Đất thuộc loại đất sét, có = 0,6 104 cm - Giả thiết xây dựng nối đất hình mạch vòng thép góc, chu vi mạch vòng 80 m Không có nối đất tự nhiên Giải: Điện trở trang bị nối đất xác định theo công thức: 125 = 25 Để nối đất điểm trung tính máy biến áp phía 380/220 V phải có trang bị nối đất với điện trở R = Nh điện trở nối đất chung trạm không đợc lớn Rd = Nối đất đợc làm thép góc L50x50x5 dài 2,5 m với độ chôn sâu 0,7 m Các thép góc đợc nối với thép dẹt 20x4 mm, Không tính đến điện trở nối đất nối Giả thiết hệ số tăng điện trở suất đất thực nối đất thép góc lấy Kmax = + Tính điện trở suất tính toán đất: tt = kmax = 2x0,6 104 = 1,2 104 cm 151 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi + Điện trở thép góc theo công thức (7) Rcọc = 0,00318 tt = 38,16 + Số cọc (thép góc) cần thiết cho TH nối đất Rcoc 38 = = 15 R d x ,65 Hệ số sử dụng = 0,65 tìm đợc theo đờng cong cho sắn (lấy với tỷ số a/l = Tỷ số khoảng cách cọc chiều dài cọc) Tức ta giả thiết khoảng cách cọc a = m Khoảng cách cọc a = 80/15 = 53 m gần với điều giả thiết n= 12.3 Quá điện áp thiên nhiên đặc tính sét: Sét phóng điện khí đám mây đất hay đám mây mang điện tích khác dấu Trớc có phóng điện sét có phân chia tích luỹ mạnh điện tích đám mây giông tác dụng luồng không khí nóng thổi bốc lên nớc ngng tụ đám mây mãnh liệt Câc đám mây mang điện tích kết phân tích điện tích trái dấu tập trung chúng phần khác đám mây Phần dới đám mây giông thờng tích điện tích âm, với mặt đất hình thành tụ điện mây-đất phía đám mây thờng tích luỹ điện tích dơng Cờng độ điện trờng tụ điện mây-đất tăng dần lên chỗ cờng độ đạt đến trị số tới hạn 25 ữ 30 kV/cm không khí bị ion hoá, tức bắt đầu trở thành dẫn điện phóng điện bắt đầu phát triển dới đất Phóng điện sét chia làm giai đoạn: + Phóng điện đám mây đất đợc bắt đầu xuất dòng sáng phát triển xuống đất chuyển động đợt với tốc độ 100 ữ 1000 km/s Dòng mang phần lớn điện tích đám mây, tạo nên đầu cực cao hàng trăm triệu vôn, giai đoạn gọi giai đoạn phóng điện tiên đạo bậc Khi dòng tiên đạo vừa phát triển đến đất hay vật dẫn điện nối với đất giai đoạn thứ hai bắt đầu phóng điện chủ yếu sét Trong giai đoạn điện tích dng đất (sóng điện tích) di chuyển hớng đất theo dòng điện đạo với tốc độ lớn (6.10 105 km/s) chạy lên trung hoà điện tích âm dòng điện đạo Sự phóng điện chủ yếu đợc đặc trung dòng điện lớn qua chỗ sét đánh ggọi dòng điện sét loé sáng mãnh liệt dòng phóng điện Không khí dòng phóng điện đợc nung nóng đến nhiệt độ khoảng 10.000 0C dãn nở nhanh chóng, tạo thành sóng âm Trong giai đoạn phóng điện thứ ba sét kết thúc di chuyển điện tích mây mà từ bắt đầu có phóng điện, loé sáng bbắt đầu biến Thờng phóng điện sét gồm loạt phóng điện dịch chuyển điện tích từ phần khác đám mây Tiên đạo lần phóng điện sau theo dòng bị ion hoá ban đầu, chóng phát triển liên tục đợc gọi tiên đạo dạng mũi tên Dòng điện sét ghi đợc cacaHai máy sóng cực nhanh có dạng nh hình 11-3 tham số quan trọng dòng điện sét biên độ Is dốc đầu sóng a I (kA) a max = a Is dI s dt 152 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi -t (à s) đầu sóng Hình 11-3 Dòng điện sét - Dòng điện sét ghi máy sóng - Dòng điếnét tính toán Is - Biên độ dòng điện sét Biên độ dòng điện sét không vợt 200 230 kV hiểm trờng hợp dòng điện sét lớn 100 kV Vì tầm quan trọng vật đợc bảo vệ, tính toán thờng lấy dòng điện sét 50 100 kA Độ dốc cực đại đầu sóng dòng điện sét không vợt 50 kA/às Thấy biên độ dòng điện sét lớn độ dốc đầu sóng lớn Vì với dòng điện sét tính toán 100 kV lớn thờng lấy độ dốc đầu sóng trung bình 30 kA/ às dòng điện sét tính toán nhỏ 100 kA lấy khoảng 10 kA/ às Quá điện áp khí phát sinh sét đánh trực tiếp vào vật đặt ngoàI trời (đờng dây tảI điện, thiết bị phân phối ngoàI trời) nh sét đánh vào công trình điện Quá điện áp sét đánh trực tiếp nguy hiểm Đặc điểm điện áp khí tính chất ngắn hạn Phóng điện sét chi kéo dàI chục micro-giây điện áp tăng cao có đặc tính xung Mỗi điện áp định mức có mức (hay cấp) cách điện Các cấp xác định trị số điện áp thí nghiệm đặc trng cho khả cách điện Dùng mức cách điện cao cách đáng làm tăng giá thành thiết bị điện, hạ thấp mức cách điện dẫn đến cố nặng nề Vì mức cách điện phảI đợc xác định theo đặc tính trị số điện áp có tham số thiết bị dùng để hạn chế điện áp Khả cách điện chịu đợc điện áp khí đợc xác định điện áp thí nghiệm xung kích Các thiết bị điện đợc bảo vệ chống điện áp khí hệ thống thu lôI giữ cho đối tợng đợc bảo vệ không bị sét đánh trực tiếp thiết bị chống sét khác nhằm hạ thấp điện áp phát sinh thiết bị đến trị số thấp ddiện áp thí nghiệm 12.4 Bảo vệ chống sét đờng dây tảI điện: Trong vận hành, cố cắt điện sét đánh vào đờng dây tảI điện không chiếm tỉ lệ lớn toàn cố hệ thống điện Bởi bảo vệ chống sét đờng dây có tầm quan trọng lớn việc đảm bảo vận hành an toàn cung cấp điện liên tục Để đảm bảo chống sét cho đờng dây tốt treo dây chống sét toàn tuyến đờng dây Song biện pháp đắt, đợc dùng cho đờng dây 110 220 kV cột sắt cột bê tông cốt sắt Đờng dây 35 kV dùng cột sắt bê tông cốt sắt đợc bảo vệ chống sét toàn tuyến Tuy nhiên cột đờng dây này, nh cột đờng dây 110 220 kV phảI nối đất Dể tăng cờng khả chống sét cho đờng dây đặt chống sét ống tăng thêm nơI cách điện yếu, cột vợt cao, chỗ giao chéo với đờng dây khác, đoạn tới trạm Còn aở đờng h = a dây / yêu cầu mức an toàn cung cấp điện cao tốt dùng đờng dây cáp Dây chống sét: Tuy theo cách bố trí dây dẫn cột, treo hai dây chống sét Các dây chống sét đợc treo đờng dây tảI điện cho dây dẫn ba pha nằm phạm vi bảo vệ dây chống sét Với cột thu lôI bán kính bảo vệ Rh x đợc tính theo công thức: R x R x = ( h hx ) 0,h8 h 1+ x h x với h 30 m (12-13) Cực nối đất Hình 12 Góc bảo vệ phạm vi bảo vệ dây chống sét 153 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi Bán kính bảo vệ phạm vi ngoàI hai dây (trờng hợp treo dây chống sét) đợc xá định theo công thức Phía trong, hai dây, phạm vi bảo vệ đợc giới hạn cung tròn đI qua dây chống sét điểm có độ cao h = a/4 Đối với cột điện thông thờng, dây dẫn đợc bảo vệ chắn góc bảo vệ không 300 Giảm góc bảo vệ làm giảm xác suất sét đánh vào dây dẫn nhng lại làm tăng giá thành phảI tăng chiều cao cột, thờng lấy 200 300 Trang bị nối đất dây chống sét gần dây nối đất cực nối đất Điện trở nối đất Rxk (còn gọi điện trở xung kích) thờng nhỏ hay 10 12.5 Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp: 1) Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trang thiết bị điện công trình khác đặt trạm biến áp thực cột thu lôI (thu sét) Cột thu sét gồm kim thu sét kim loại dựng cao vật đợc bảo vệ để thu sét dây dẫn sét xuống đất vơí trang bị nối đất Khoảng không gian gồm cột thu lôI mà vật bảo vệ đặt khả bị sét đánh gọi phạm vi bảo vệ cột thu lôi hhd h Phạm vi bảo vệ cột thu lôI (hình 12-5) hình nín cong tròn xoay có tiết diện ngang hình tròn, độ cao hx có bán kính Rx Trị số bán kính bảo vệ Rx xác định theo công thức hx 1,5 h 1,5 h Rx Hình 12 Rx = hhd 1,6 h 1+ x p h (12 -14) Phạm vi bảo vệ cột thu lôi Trong đó: hhd = h hx - Chiều cao hiệu dụng cột thu lôI, tức phần cao cột thu lôI so với mốc xét 154 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi P - hệ số, với h 30 m Với h > 30 m p = p = 5,5/ h Để bảo vệ chống sét cho trạm biến áp lớn dùng hai, ba cột thu lôI nhiều R2 hhd Trong Rx đợc xác định theo công thức (12-14) b x bề ngang hẹp phạm vi bảo vệ độ cao hx , xác định công thức: h x R4 bx = 4.Rx 7.hhd a 14.hhd a bx Rx (12-15) Thí nghiệm cho thấy khu vực có xác suất 100% phóng điện vào cột thu lôI Hình 6cộtPhạm bảo vệnhau cộtathu có bán kính R = 3,5h Nh khi12hai đặt vicách = lôi 2R = 7h điểm nằm mặt đất khoảng hai cột không bị sét đánh Từ suy với hai cột thu lôI cách a< 7h bảo vệ đợc độ cao hx xác định biểu thức: h hx = a/7 hay hx = h - a/7 Khi h < 30m hx = h a/7p Trờng hợp trạm đặt nhiều cột thu lôI phần ngoàI khu vực bảo vệ xác định theo công thức (12-14); (12-15) Cần kiểm tra điều kiện bảo vệ an cho toàn diện tích cần bảo vệ Vật có độ cao h x nằm trạm đợc bảo vệ thoả mãn điều kiện a1 D Hình 12 bx2 a2 Phạm vi bảo vệ cột thu lôi D 8.(h hx) với h 30 m D (h hx).p với h > 30 m Nếu có cột thu lôI cao cột khác phần cao coi nh cột thu lôI đơn, Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi 155 2) Bảo vệ chống sét từ đờng dây truyền vào trạm: Các đờng dây không dù có đợc bảo vệ chống sét hay không thiết bị điện có nối với chúng phảI chịu tác dụng sóng sét chạy từ đ ờng dây đến Biên độ điện áp khí lớn điện áp cách điện thiết bị điện dẫn đến chọc thủng cách điện, phá hoại thiết bị mạch điện cắt Vì bảo vệ trạm biến áp cần phảI đặt thiết bị chống sét Nh thiết bị chống sét thiết bị bảo vệ chống điện áp cho thiết bị điện cách hạ thấp biên độ sóng điện áp đến trị số an toàn cho cách điện cần đợc bảo vệ (cách điện máy biến áp thiết bị khác đặt trạm) Thiết bị chống sét chủ yếu cho trạm biến áp chống sét van CSV kết hợp với chống sét ống CSO khe hở phóng điện Khe hở phóng điện cáI thu lôI đơn giản gồm hai điện cực, điện cực nối với mạch điện điện cực nối đất (Hình 12-8) Khi làm việc bình th ờng khe hở cách ly phần tử mạng điện (dây dẫn) với đất Khi có sóng điện áp chạy đờng dây khe hở phóng điện phóng điện qua truyền xuống đất Ưu điểm bật loại thiết bị đơn giản, rẻ tiền Song phận dập hồ quang nên làm việc bảo vệ rơ-le tác động cắt mạch điện Vì khe hở phóng điện thờng đợc dùng làm biện pháp bảo vệ phụ (ví dụ để bảo vệ máy biến dòng) nh làm phận loại chống sét khác Dây dẫn Hình 12 Khe hở phóng điện Chống sét ống CSO có sơ đồ nguyên lý cấu tạo nh hình vẽ (Hình 12-9) Dây dẫn S1 S2 Hình 12-9 CSO gồm hai khe hở phóng điện S1; S2 S2 đợc đặt ống làm vật liệu sinh khí nh fibrôbakêlit vinipơlat Khi có dòng áp điện áp S S2 phóng điện Dới tác dụng hồ quang chất sinh khí phát nóng sản sinh nhiều khí làm cho áp suất ống lên tới hàng chucj ata thổi tắt hồ quang Khả dập hồ quang CSO hạn chế với trị số dòng điện giới hạn định Nếu dòng điện lớn hồ quang không bị dập tắt rơle tác động cắt mạch điện nh trờng hợp dùng khe hở phóng điện Sơ đồ cấu tạo chống sét ống Chống sét ống chủ yếu dùng để bảo vệ chống sét cho đờng dây không treo dây chống sét nh dùng làm phần tử phụ sơ đồ bảo vệ trạm biến áp Chống sét van CSV bao gồm hai phần tử khe hở phóng điện điện trở làm việc Khe hở phóng điện gồm chuỗi khe hở nhỏ có nhiệm vụ nh xét trên, điện trơ phi tuyến dùng để hạn chế trị số dòng điện kế tục (là dòng ngắn mạch chạm đất qua chống sét van sóng điện áp chọc thủng khe hở phóng điện, dòng điện đợc trì điện áp định mức mạng điện) Cần phảI hạn chế dòng điện kế tục để dập tắt dễ dàng hồ quang khe hở phóng điện sau khí chống set van làm việc Nếu tăng điện trở làm việc làm dòng điện kế tục giảm xuống Nhng lại cần ý là, sóng điện áp tác dụng lên chống sét, dòng xung kích đến ngàn ampe đI qua điện trở làm việc, tạo điện trở điện áp xung kích gọi điện áp d chống sét Để bảo vệ cách điện cần phảI giảm điện áp d, cần phảI giảm điện trở làm việc Nh trị số điện trở làm việc cần thoả mãn hai nhu cầu tráI ngợc nhau, cần phảI có trị số lớn để hạn chế dòng kế tục, lại cần có trị số nhỏ để hạn chế điện áp d Chất vilít đợc dùng làm điện trở chống sét van điện trở giảm xuống tăng điện áp đặt vào Bảo vệ chống sóng điện áp truyền vào trạm biến áp đạt đợc cách đặt chống sét van thực biện pháp bảo vệ đoạn dây gần trạm (Hình 12-10) giới thiệu sơ đồ bảo vệ thờng dùng cho trạm 35 110 kV Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi DCS Dây dẫn CSO1 MC BA CSO2 CSV 156 Đoạn gần trạm khoảng 1-2 km đợc bảo vệ dây chống sét để ngăn ngừa sét đánh trực tiếp vào đờng dây CSO1 đặt đầu đoạn đờng dây gần trạm nhằm hạn chế biên độ sóng sét Nếu đờng dây đợc bảo vệ DCS toàn tuyến không cần đặt CSO1 Chống sét ống CSO2 dùng để bảo vệ máy cắt vị trí cắt Với trạm 3-10 kV đợc bảo vệ đơn giản Không cần đặt DCS đoạn gần trạm Chỉ cần đặt CSO cách trạm khoảng 200 m trớc vào trạm, góp hay sát máy biến áp đặt CSV Thiết bị phân phối Hình 12-10 Sơ đồ bảo vệ trạm 35 110 kV NgoàI để bảo vệ chống điện áp cho trạm cần phối hợp cách điện trạm biến áp Các đặc tính chủ yếu cách điện đợc bảo vệ chống điện áp điện áp thí nghiệm Điện áp d CSV ứng với dòng xung kích cho phép (5.3 kA) trị số chủ yếu để làm thí nghiệm xác định mức cách điện xung kích cách điện Mức đảm bảo độ bền điện cách điện lấy bằng: Udb = (1,1 + 1,15) Ud Điện áp thực nghiệm, tức khả cách điện lấy trị số nh sau: Đối với cách điện máy biến áp U tn = 1,15Udb , cách điện sứ, khe hở phóng điện U tn = (1,15 1,2)Udb Sự phối hợp đặc tính cách điện đợc bảo vệ với đặc tính CSV thông qua việc qui định khoảng cách cần thiéet chúng gọi phân phối hợp cách điện Nối đất chống sét cho trạm cần đảm bảo qui định sau: Với trạm có trung tính nối đất điện áp từ 110 kV trở lên điện trở nối đất cho phép 0,5 , với trạm có trung tính cách điện điện áp dới 110 kV , với trạm có công suất bé (dới 100 kVA) 10 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi 157 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi 158 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi 159 Bài giảng cung cấp điện Biên soạn: Trần Tấn Lợi 160