1. Hiện tượng sét
Sét là hiện tượng phóng tia lửa điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất. Sự hình thành và phát triển của sét là kết quả của q trình tích tụ điện trong đám các mây và số lần phóng điện sét từ đám mây dơng phụ thuộc vào tốc độ tái sinh điện tích, độ lớn và sự phân bố của chúng trong lòng các đám mây và trên mặt đất vật nào trên mặt đất càng cao thì khoảng cách giữa vật và đám mây càng nhỏ và lớp khơng khí ngăn cách các điện tích trái dấu càng mỏng những nơi này sét dễ đánh xuống đất.
Sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp vào thiết bị điện không những làm hư hỏng các thiết bị điện còn nguy hiểm cho người vận hành,làm gián đoạn quá trình sản xuất lâu dài của nhà máy,ảnh hưởng đến đại đa số người dân trong khu vực.
2. Phân cấp cơng trình cần bảo vệTheo tiêu chuẩn 20TCN46-84: Theo tiêu chuẩn 20TCN46-84:
Cấp 1: là các cơng trình, trong đó có tỏa ra các chất khí hay hơi cháy, cũng như các bụi hay sợ cháy có khả năng kết hợp với khơng khí hay các chất oxy hóa khác tạo nên hỗn hợp gây nổ, có thể xảy ra trong điều kiện bình thường Cấp 2: cũng là các cơng trình, trong đó có tỏa ra các chất khí hay hơi cháy, cũng như các bụi hay sợ cháy có khả năng kết hợp với khơng khí hay các chất oxy hóa khác tạo nên hỗn hợp gây nổ. Nhưng khả năng này chỉ xảy ra khi có sự cố hay làm sai qui tắc. Khi xảy ra nổ chỉ gây ra các hư hỏng nhỏ, không làm chết người.
Theo tiêu chuẩn NFPA 780:cơng trình được bảo vệ chia làm 2 cấp: Cấp 1: là các cơng trình có chiều cao khơng vượt q 23m
Cấp 2: là các cơng trình có chiều cao vượt qua 23m
Theo tiêu chuẩn NFC 17-102 1995:
Căn cứ vào kích thước cơng trình, mơi trường xung quanh cơng trình (dễ cháy, dễ nổ..), loại cơng trình (dân dụng, cơng nghiệp), loại chứa trong cơng trình, có hay khơng người làm việc thường xuyên, mật độ sét trong vùng xây dựng cơng trình, cơng trình cần được bảo vệ được chia làm 3 cấp:
Cấp 1 : Biện pháp bảo vệ xung (tương ứng dòng xung đỉnh 2.8kA) Cấp 2: Tương ứng dòng xung đỉnh 9.5kA
Cấp 3: Tương ứng dòng xung đỉnh 14.7kA
Để bảo vệ chống sét một cách tồn diện cho cơng trình ta cần lưu ý đến 6 điểm sau:
+ Thu sét tại điểm định trước: sử dụng kim Franklin, lồng Faraday, kim ESE + Dẫn sét xuống đất an toàn: sử dụng cáp đồng trần, cáp thoát sét chống nhiễu ERICORE
+ Tản nhanh năng lượng sét vào đất: hệ thống nối đất có R<10 Ohm + Đẳng thế các hệ thống nối đất: cáp đồng trần, van đẳng thế PEC
+ Chống sét lan truyền trên đường cáp nguồn: sử dụng thiết bị cắt sét/ Thiết bị lọc sét.
3. Phương pháp tính tốn chống sét
Ta áp dụng phương pháp theo tiêu chuẩn NFC 17-102 1995, sử dụng kim thu sét
phóng điện sớm, ưu điểm của phương pháp này là: Phóng điện sớm hơn kim Faraday
Thưởng chỉ sử dụng một kim bảo vệ cho một cơng trình Bán kính bảo vệ có thể lên đến hơn 120m
Chỉ cần 1 dây dẫn xuống đất Khơng sử dụng nguồn ngồi Lắp đặt và bảo trì đơn giản.
Ta tiến hành tính tốn chống sét cho phân xưởng theo các bước sau:
a) Thông số ban đầu
Chiều cao phân xưởng: 7m Chiều dài phân xưởng: 54m Chiều rộng phân xưởng: 18m
Phân xưởng nằm ở khu vực thành phố Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh, đất khu vực là đất đen.
b) Lựa chọn hệ số
Dựa theo tiêu chuẩn NFC 17-102 1995 ta tiến hành chọn các hệ số
C1=0.25 Cơng trình nằm trong vùng có các cấu trúc khác, cây cao ngang hoặc cao hơn cơng trình.
C2=1 Phân xưởng có cấu trúc cơng trình loại thường C3=1 Giá trị bình thường và có khả năng bắt lửa C4=1 Có người làm việc thường xun
C5=5 Cơng trình u cầu hoạt động liên tục ,có tác hại đối với mơi trường
c) Tần số sét có thể chấp nhận được
Nc =5,5∗10−3
� = 5,5∗10−3
0,25∗5 = 4,4*10-3
d) Tính vùng tập trung tương đương Ac
Vùng tập trung tương đương của phân xưởng ta coi như là một hình hộp chữ nhật.
Ta có cơng thức:
Ac = L∗ W+ 6H∗ (L +W) + 9pi∗ H2 Ac=54*18+6*7*(54+18)+9pi*72= 5381 m2
e) Tần số sét đánh vào khu vực phân xưởng
Tần số trong một năm
Nd=Ngmax*Ac*C1*10-6(lần/năm)
Ngmax: là mật độ sét đánh cực đại (lần/km2.năm)
Theo QCVN 02:2021/BXD QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA SỐ LIỆU ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN DÙNG TRONG XÂY DỰNG. Ta có:
Phân xưởng nằm ở khu vực thành phố Thủ Đức => Ngmax=13.7 =>Nd=13.7*5381*0.25*10-6 =0.018 (lần /năm)
Nếu Nd < Nc : Cơng trình có thể khơng cần hệ thống chống sét. Nếu Nd > Nc : Cơng trình cần thiết phải có hệ thống chống sét. Ta có Nd=0.018 > 4.4*10-3
=> Phân xưởng cần có hệ thống chống sét
Ta tính hệ số E để chọn cấp bảo vệ cho phân xưởng E = 1-���� = 1-4,4∗100.018−3 = 0.756
E=0.756<0.8
+Vậy cấp bảo vệ là cấp 3
+Khoảng cách phóng điện 60m +Dịng xung 14.7kA
f) Tính bán kính cần bảo vệ cho phân xưởng
Ta có cơng thức theo tiêu chuẩn NFC 17-102 1995 trang 42 Rp= ℎ(2� − ℎ) + ∆�(2� + ∆�)
Trong đó:
Rp: là bán kính cần bảo vệ (m)
h: là chiều cao của kim thu sét tính từ mặt phẳng cần bảo vệ ℎ ≥ 5m D: là khoảng cách phóng điện (m)
Hình: Bán kính bảo vệ tối thiểu của kim phóng điện Rp = 5422+182 = 28.46m Rp >= 28.46 m 28.46 ≤ √5(2∗ 60 − 5) + ∆L(2 ∗ 60 + ∆L) ∆L2+ 120∗ ∆L + [5∗ (2∗ 60 − 5) − 28.462] ≥ 0 ∆L>=1.92 => ∆T >=1.921.1 = 1.745 ∆L= ∆T*v
Ta chọn kim Pulsar 15 có ∆T = 15us V=1.1m/us
Rp = 5(2 ∗ 60 − 5) + 16.5(2 ∗ 60 + 16.5) = 53.17 m
Vậy ta có thể thấy với bán kính trên thì tồn bộ phân xưởng đã nằm trong phạm vi bảo vệ của kim chống sét.
II. TÍNH TỐN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
Ta dùng cọc đồng lõi thép đường kính d=16mm, L=3m.
Hệ thống cọc nối đất gồm 3 cọc chôn sâu 0.5m, cách nhau a= 6m, nối đất tập trung.
Với điện trở suất là ρ= 100 Ω.m đất đen, Tra bảng 3.4, chương 3 Giáo trình An tồn điện của thầy Quyền Huy Ánh.
ρtt = 100∗ 1.2 = 120 Ω. m(1.2 là hệ số mùa) Điện trở nối đất của 1 cọc là:
R =2��ρ [ln(1.36∗�4� )]*2ℎ+�4ℎ+� =2�∗3120 [ln(1.36∗164∗3 )]*2∗0.5+34∗0.5+3 = 32.14Ω Ta có số cọc dùng là 3, mỗi cọc cách nhau a=6m, a/L=6/3=2.
Suy raɳc= 0.86 Tra bảng 3.8, chương 3 Giáo trình An tồn điện của thầy Quyền Huy Ánh.
Điện trở của hệ thống 3 cọc nối đất tập trung. Rc = 3∗0.8632∗14 = 12.45Ω
Điện trở xung của hệ thống cọc ac=0.75 do dòng xung đỉnh là 14.7 kA, Tra bảng 7.4, chương 7 Giáo trình An tồn điện của thầy Quyền Huy Ánh. Rcx= ac∗ Rc= 0.75 *12.45 = 9.33 Ω
Ta sử dụng dây đồng trần tiết diện 50mm2, đường kính d1=9mm, của hãng CADIVI để nối các cọc tiếp địa, nối tập trung nên tổng chiều dai của dây đồng là LT=(3-1)*a=2*6=18m, chôn sâu 0.5m.
rt=���ρ [ln( 4��ℎ�1)-1] = 12018�[ln( 4∗18
0,.5∗9)-1] = 12.86Ω Với số cọc là 3, a/L=6/3=2
Suy raɳth= 0.92 Rth = 12.860.92 = 13.98 Ω
Điện trở xung của hệ thống nối dây đồng trần at=1.05 Rthx=13.98*1.05=14.67 Ω
Điện trở nối đât xung của toàn hệ thống
RHT=14.67+9.3314.67∗9.33 = 5.7 Ω < 10 Ω (thỏa)
III. TÍNH TỐN NỐI ĐẤT AN TỒN 1. Các hệ thống nối đất
Hệ thống nối đất TT
Trong hệ thống TT, các bộ phận cần nối đất (vỏ kim loại của các thiết bị) và vật dẫn tự nhiên sẽ được nối chung tới cực nối đất riêng biệt của lưới thông qua dây PE. Dây PE và dây trung tính tách biệt với nhau.
Vì vậy, cần phải sử dụng thiết bị bảo vệ có thể vận hành khi sự cố hai điểm hay lắp đặt thiết bị kiểm soát cách điện. Thiết bị này sẽ theo dõi sự cố thứ nhất nhằm giúp định vị và loại trừ nó.
Hệ thống TN chia làm 2 loại: TN-S (dây trung tính và dây bảo vệ là riêng biệt), TN-C (dây trung tính và dây bảo vệ được gộp chung được gọi là dây PEN)
Ở hệ thống TN-S: dòng sự cố và điện áp tiếp xúc lớn nên cần trang bị thiết bị bảo vệ tự động ngắt nguồn khi có sự cố hỏng cách điện, dây PE tách biệt với dây trung tính và khơng được nối đất lặp lại.
Ở hệ thống TN-C: Sử dụng nhiều điểm nối đất lặp lại để đảm bảo dây PEN được tiếp đất trong mọi trường hợp.
Trong điều kiện làm việc bình thường, vỏ thiết bị, đất và trung tính có cùng điện thế, khi tải khơng đối xứng trong dây PEN xuất hiện dịng điện.
2. Thiết kế hệ thống nối đất cho phân xưởng.
Ta sử dụng hệ thống nối đất IT cho phân xưởng.
Ta dùng cọc đồng lõi thép đường kính d=16mm, L=3m. Hệ thống 14 cọc nối đất mạch vịng gồm 3 cọc chơn sâu 0.5m, cách nhau a= 6m, nối đất mạch vịng, có sơ đồ như sau:
Với điện trở suất làρ = 100 Ω.m đất đen.
ρtt = 100∗ 1.2 = 120 Ω.m Điện trở nối đất của 1 cọc là:
R =2��ρ [ln(1.36∗�4� )]*2ℎ+�4ℎ+� =2�∗3120 [ln(1.36∗164∗3 )]*2∗0.5+34∗0.5+3 = 32.14Ω Ta có số cọc dùng là 24, mỗi cọc cách nhau a=6m, a/L=6/3=2. Suy raɳc= 0.64
Điện trở của hệ thống 24 cọc nối đất mạch vòng Rc= 24∗0.6432.14 = 1.34 Ω
Dây đồng trần tiết diện 50mm2, đường kính d1=9mm, nối tập trung nên tổng chiều dài của dây đồng là LT=24*a=24*6=144m, chôn sau 0.5m
rt=���ρ [ln( 4��ℎ�1)-1] = 12018�[ln( 4∗44
0,.5∗9)-1] = 2.13Ω Với số cọc là 24, a/L=6/3=2
Suy ra Rtℎ= 0.32
Điện trở nối đất của dây đồng trần là: Rth= 2.130.32= 6.65Ω
Điện trở nối đât xung của toàn hệ thống: RHT=6.65+1.556.65∗1.55 = 1.26 <10 Ω ( thỏa )
Chương IX: TÍNH TỐN BÙ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO PHÂN XƯỞNG
I.Ý nghĩa của việc nâng cao công suất phản kháng
Giảm giá điện:
Quản lí tối ưu mức tiêu thụ cơng suất phản kháng đem lại những lợi ích kinh tế sau: Các nhận xét dựa vào cấu trúc thanh toán tiền điện trên thực tế được áp dụng ở Việt Nam và có hướng khuyến khích người dùng điện giảm mức tiêu thụ công suất phản kháng. Việc lắp đặt các bộ tụ bù để nâng cao hệ số công suất cho phép các hộ tiêu thụ giảm tiền điện nhờ mức tiêu thụ công suất phản kháng dưới giá trị thỏa thuận với các công ty điện lực. Nếu sử dụng công suất phản kháng nhiều, thì chúng ta phải trả tiền phạt (tiền bỏ ra để mua công suất phản kháng), điện lực sẽ bắt hộ tiêu thụ trả thêm tiền điện năng phản kháng khi hệ số công suấtcos � bé hơn 0,9.
Tối ưu hóa kinh tế kỹ thuật
Hệ số cơng suất cao cho phép tối ưu hóa tất cả các phần tử cung cấp điện. Cần phải tránh định mức dư các thiết bị, tuy nhiên để đạt được kết quả tối ưu cần lắp đặt bộ tụ bù gần thiết bị tiêu thụ cơng suất phản kháng (tính cảm).
- Giảm kích cở dây dẫn:
Bảng dưới đây cho thấy yêu cầu tăng tiết diện của cáp điện khi hệ số công suất giảm từ 1 đến 0,4.
BỘI SỐ TIẾT DIỆN LÕI
CÁP 1 1.25 1.67 2.5
- Giảm tổn hao công suất tác dụng (P,kW) trong cáp điện:
Tổn hao trong dây dẫn tỷ lệ bình phương với dịng điện và đo bằng cơng tơ điện. Ví dụ giảm dịng tổng đi qua dây dẫn 10% sẽ giảm tổn thất gần bằng 20%.
- Giảm sụt áp:
Các tụ điện điều chỉnh hệ số cơng suất làm giảm hoặc thậm chí trừ khử hồn tồn dịng phản kháng trong các dây dẫn ở trước vị trí bù, vì thế làm giảm bớt hoặc khử bỏ hẵn sụt áp. Nhưng khi bù dư sẽ gây ra hiện tượng tăng điện áp trên các tụ.
- Tăng khả năng mang tải:
Bằng cách cải thiện hệ số công suất của tải được cấp nguồn từ máy biến áp, dòng điện đi qua máy biến áp sẽ giảm, vì thế cho phép thêm tải vào máy biến áp. Trong thực tế, nâng cao hệ số cơng suất có thể đở tốn kém hơn việc thay thế máy biến áp có cơng suất lớn hơn khi có u cầu tăng cơng suất phụ tải.
II. Các phương pháp bù công suất phản kháng1. Nâng cao hệ số��� �tự nhiên 1. Nâng cao hệ số��� �tự nhiên
Nâng cao cosφ tự nhiên có nghĩa là tìm các biện pháp để hộ tiêu thụ điện giảm bớt được lượng cơng suất phản kháng mà chúng cần có ở nguồn cung cấp.
- Thay đổi và cải tiến q trình cơng nghệ để các thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất.
- Thay thế các động cơ làm việc non tải bằng những động cơ có cơng suất nhỏ hơn.
- Ở những nơi cơng nghệ cho phép thì dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ.
- Thay biến áp làm việc non tải bằng máy biến áp có dung lượng nhỏ hơn.
2. Nâng cao hệ số��� �nhân tạo.
Phương pháp này được thực hiện bằng cách đặt các thiết bị bù công suất phản kháng ở các hộ tiêu thụ điện. Các thiết bị bù công suất phản kháng bao gồm:
Máy bù đồng bộ:
Chính là động cơ đồng bộ làm việc trong chế độ không tải.
- Ưu điểm: máy bù đồng bộ vừa có khả năng sản xuất ra cơng suất phản kháng, đồng thời cũng có khả năng tiêu thụ cơng suất phản kháng của mạng điện.
- Nhược điểm: máy bù đồng bộ có phần quay nên lắp ráp, bảo dưỡng và vận hành phức tạp. Máy bù đồng bộ thường để bù tập trung với dung lượng lớn.
Sử dụng tụ bù:
Làm cho dòng điện sớm pha hơn so với điện áp do đó, có thể sinh ra cơng suất phản kháng cung cấp cho mạng điện.
+Ưu điểm:
- Công suất nhỏ, khơng có phần quay nên dễ bảo dưỡng và vận hành. - Có thể thay đổi dung lượng bộ tụ bù theo sự phát triển của tải. - Giá thành thấp hơn so với máy bù đồng bộ.
- Nhạy cảm với sự biến động của điện áp và kém chắc chắn, đặc biệt dễ bị phá hỏng khi ngắn mạch hoặc điện áp vượt quá định mức. Tuổi thọ tụ bù có giới hạn, sẽ bị hư hỏng sau nhiều năm làm việc.
- Khi đóng tụ bù vào mạng điện sẽ có dịng điện xung, cịn lúc cắt tụ điện khỏi mạng trên cực của tụ vẫn cịn điện áp dư có thể gây nguy hiểm cho người vận hành.
- Sử dụng tụ bù điện ở các hộ tiêu thụ công suất phản kháng vừa và nhỏ (dưới 5000 kVAr).
3. Những phương án sử dụng tụ bù
Bù nền:
Là sử dụng bố trị một nhóm tụ bù với dung lượng không đổi. Việc được thực hiện bằng 2 cách chính như sau:
- Bằng tay: dùng CB hoặc LBS (load – break switch). - Bán tự động: dùng contactor.
- Mắc trực tiếp vào tải đóng điện cho mạch bù đồng thời khi đóng tải. + Ưu điểm: đơn giản và giá thành không cao.
+ Nhược điểm: khi tải dao động hoặc khơng hoạt động có khả năng dẫn đến việc bù thừa gây ra nguy hiểm đối với hệ thống sử dụng máy phát. Vì vậy, phương pháp này áp dụng đối với những tải ít thay đổi.
Bù ứng động:
Là sử dụng các bộ tụ bù tự động hay còn gọi là tủ điện tụ bù tự động, có khả năng thay đổi dung lượng tụ bù để đảm bảo hệ số công suất đạt được giá trị mong muốn.
+ Ưu điểm: không gây ra hiện tượng bù thừa và đảm bảo được hệ số cơng suất mong muốn.
+ Nhược điểm: chi phí lớn hơn so với bù tĩnh. Vì vậy, phương pháp này áp dụng tại các vị trí mà cơng suất tác dụng và công suất phản kháng thay đổi