Nối đất chống sét

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC

3.3 Trình tự tính toán

3.3.2 Nối đất chống sét

Do máy biến áp là phần tử quan trọng nhất trong trạm biến áp và có mức cách điện xung kích yếu nhất nên ta chỉ cần kiểm tra với máy biến áp. Khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất phải thỏa mãn điều kiện:

Uxk = IS. Zxk(0,τds) < U50%MBA

Trong đó:

- IS: dòng điện sét dùng để tính toán, IS = 150kA.

- U50%MBA: mức phóng điện xung kích nhỏ nhất của MBA.

Ta có U50%110 = 460kV; U50%220 = 1050kV. Vậy ta lấy U50%MBA = 460kV.

Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong đất Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:

L R

G C

L R L R L R

G C G C G C

Hình 3.2 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất

Trong mọi trường hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng R vì nó bé so với trị số điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét tới phần điện dung C vì ngay cả trong trường hợp sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện trở tản.

Hình 3.3 Sơ đồ đẳng trị rút gọn Trong đó:

- L0: điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài.

- G0: điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài.

Ta có:

- Điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài: L0=0,2(lnrl−0,31)μH/m

Với:

 l: chiều dài điện cực,l=L 2=582

2 =291m (nối đất mạch vòng theo chu vi của trạm)

 r: bán kính cực nối đất (mạch vòng), là thép dẹt 50x5 mm có bề rộng b=0,05(m):

Do đó:

- Điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài: G0= 1

2Rl(Ω1m)

Với:

 R: điện trở tản xoay chiều tính cho mùa sét:

Trong nối đất chống sét khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8m thì ta tra bảng 3.1 có hệ số mùa sét là

Vì ta thực hiện việc nối đất bằng cách dùng một mạch vòng bao quanh trạm mà không đóng thêm cọc nên giá trị điện trở nhân tạo mùa sét được tính theo công thức:

Do đó:

Tính tổng trở xung kích của hệ thống nối đất Từ sơ đồ đẳng trị ta có:

{ −∂ ∂ U x = L ∂ ∂ I t ¿¿¿¿

Gọi Z(x,t) là điện trường xung kích của nối đất kéo dài, nó là hàm số của không gian và thời gian: Z(x ,t)=U(x ,t)

I(x ,t) Trong đó:

- U(x,t); I(x,t) là dòng điện, điện áp xác định từ hệ phương trình vi phân.

Giải hệ phương trình vi phân trên với dạng sóng của dòng điện ở đầu vào của hệ thống nối đất có dạng sóng xiên góc i(0,t) = at ta sẽ được điện áp tại điểm bất kỳ trên điện cực:

U(x ,t)=aR[t+2T1∑k=∞1 k12(1−e−tTk)cosk.πl.x]

Suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất:

Z(0,t)=U(0,t) I(0,t)= 1

Gl[1+2Tt 1∑k=∞1 k12(1−e−Tkt)]

Với:

Trong thiết kế tính toán ta chọn dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi.

Phương trình sóng có dạng sau:

Biên độ dòng điện sét được quy định là I=150kA.

Độ dốc của dòng sét là và thời gian đầu sóng là ds = 5s.

Do coi mạch vòng là sự ghép song song của hai tia nên:

Z(0, τds)MV= 1

2.G.l[1+2.τdsT1.∑k=1∞ k12(1−e−TτdsK) ]

Để xác định được Z∑(0,τds) ta xét chuỗi số sau:

Trong dãy số này ta chỉ xét đến số hạng chứa e-4, từ số e-5 trở đi có giá trị rất nhỏ so với các số hạng trước nên ta có thể bỏ qua, ta tính đến k sao cho:

Thay số :

Suy ra :

Vì k là số nguyên dương và k ≤5,77nên k = 1÷5. Ta có bảng kết quả như sau:

Bảng 3.3 Bảng kết quả chuỗi 1 k2e−

τds Tk

K Tk ( μs ) τTds

k e−

τds Tk

1 k2e−

τds Tk

1 41,5638 0,1203 0,88666 0,88666

2 10,3909 0,48119 0,61805 0,15451

3 4,6182 1,08267 0,33869 0,03763

4 2,59774 1,92475 0,14591 0,00912

5 1,66255 3,00742 0,04942 0,00198

Tổng 1,0899

Suy ra:

Do đó tổng trở sóng đầu vào mạch vòng sẽ được tính bằng:

Kiểm tra điều kiện nối đất chống sét:

Uxk = 7,078.150 = 1061,7 kV > U50%MBA = 460kV

Như vậy, hệ thống nối đất nhân tạo mạch vòng chỉ đáp ứng được yêu cầu về tiêu chuẩn nối đất làm việc và nối đất an toàn, chưa đạt được yêu cầu về tiêu chuẩn chống sét. Để đảm bảo an toàn cho máy biến áp và các thiết bị, cần phải nối đất bổ sung.

Các phương án có thể là :

- Phương án đóng cọc kết hợp với thanh làm thành mạch vòng thanh cọc.

- Phương án nối đất bổ sung gồm tia và cọc tại từng chân cột.

Do mạch vòng có chu vi nhỏ trong khi điện trở suất của đất cao nên phương án đóng cọc kết hợp với mạch vòng tạo thành hệ thống mạch vòng - cọc có thể không mang lại hiệu quả cao. Do đó, ta sẽ xét phương án bổ sung tia và cọc tại từng chân cột.

Do việc xác định Zbs bằng lý thuyết rất khó khăn, nên ta chọn hình thức nối đất bổ sung như sau:

Ta bổ sung tại chân cột các tổ hợp thanh cọc như hình vẽ số 3.4 bên dưới. Trong đó, ta chọn thanh nối đất bổ sung là loại thép dẹt 50x5mm dài 8m, chọn cọc là thép góc 50x50x5mm, dài 3m.

Nối đất được tính toán cho chống sét nên ta tra Kmùa trong bảng 3.1 được kết quả là Kmùa = 1,25.

Sơ đồ nối đất bổ sung như sau:

3m 3m

3m 0,8m

Hình 3.4 Sơ đồ nối đất bổ sung

+ Điện trở thanh: RT =

Trong đó: l: chiều dài thanh (l = 8m)

t: độ chôn sâu của thanh t = 0,8 m

ttT : điện trở suất tính toán của nối đất đối với thanh chôn ở độ sâu t.

tt.T = 0 . Kmùa =110.1,25 =137,5 .m

Vì ta chọn thanh dẹt có bề rộng b = 0,05m nên đường kính thanh làm tia bằng:

d = b/2 = 0,025(m).

K: hệ số hình dáng lấy K = 1 do nối đất là thanh ngang thẳng.

Ta được:

+ Điện trở cọc:

Trong đó: - ttc là điện trở suất của đất với cọc ở độ sâu: t = 0,8 m

=> ttc = đ . Kmùa = 110.1,15 = 126,5.m

- d: là đường kính cọc: d = 0,95x0,05= 0,0475m

- t’ = m

Vậy:

Điện trở bổ sung được tính theo công thức sau:

Trong đó: n : số cọc.

T, c : hệ số sử dụng của thanh và cọc

Với: n = 3, lcọc = 3 m, a = 3m, a/l = 1: Tra bảng 3 bảng 5 phần phụ lục sách hướng dẫn thiết kế KTĐCA [1] ta được: c = 0,76, T = 0,77.

Vậy ta có:

Ta có công thức tính tổng trở xung kích khi có nối đất bổ sung như sau:

ZXKBS(0,đs) = = A + B

Trong đó:

Xét chuỗi số , trong chuỗi số này ta chỉ tính đến e-4 (vì từ e-5 trở đi có giá trị

rất nhỏ) có nghĩa là ta tính với XK sao cho:

Xk 2. (XK> 0)

Do ta coi mạch vòng của hệ thống nối đất là sự ghép song song của hai tia có cùng độ dài l = 291m, nên ta có sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất như sau:

Hình 3.5 Sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất

Với: L’, G’ lần lượt là điện cảm và điện dẫn của 1 đơn vị dài L’= L0/2; G’ = 2.G0.

Ta có: T1 =

Với XK thỏa mãn:

Giải phương trình trên bằng phương pháp đồ thị như sau:

Hình 3.6. Đồ thị y1 = tgXk; y2 = -0,0659.Xkl

Ta có bảng sau:

Bảng 3.4 Bảng tính giá trị B

k e−12,201.10−3. Xk2

1 2,95 -0,982 1,038 1,104 0,891 1,118

2 5,91 0,931 1,153 1,219 0,631 0,716

3 8,89 -0,860 1,351 1,417 0,352 0,344

4 11,9 0,786 1,618 1,684 0,154 0,127

5 14,92 -0,705 2,010 2,076 0,053 0,035

Tổng cộng 2,340

Từ bảng giá trị của hệ số B ta có:

Từ đó tính được: = 0,649 + 2,340= 2,989 (Ω)

Điện áp khi có dòng điện đi vào nối đất tại thời điểm t = (thời điểm dòng điện sét đạt giá trị cực đại) là:

Uxk = I.Zxk(0, )=150.2,989 = 448,356 kV < U50%MBA = 460 kV.

Vì giá trị của Ud< U50%MBA nên hệ thống nối đất bổ sung trên đảm bảo yêu cầu của nối đất chống sét, vì vậy máy biến áp sẽ được an toàn khi có sét đánh vào trạm.

Như vậy phương án nối đất mạch vòng có nối đất bổ sung đảm bảo về yêu cầu của nối đất an toàn và nối đất chống sét. Vậy ta sử dụng phương án này để thực hiện nối đất cho trạm.

Ta có sơ đồ nối đất toàn trạm biến áp như hình vẽ sau:

Hình 3.7. Sơ đồ nối đất toàn trạm biến áp

CHƯƠNG IV:

TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY 220kV 4.1. Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây

Đường dây tải điện là phần tử dài nhất trong hệ thống điện, thường xuyên bị sét đánh và chịu tác dụng của quá điện áp khí quyển. Quá điện áp có thể do sét đánh trực tiếp vào đường dây hoặc do sét đánh xuống mặt đất gần khu vực có đường dây đi qua và gây cảm ứng lên đường dây. Quá điện áp có thể dẫn đến cắt máy cắt đường dây, làm ảnh hưởng đến sự cung cấp điện của toàn hệ thống và đến sự an toàn của các thiết bị trong trạm nhất là máy biến áp. Nước ta là nước nhiệt đới gió mùa nên vào mùa mưa xác suất sét đánh vào đường dây rất cao nên việc tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây là một khâu rất quan trọng, phải đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật. Khi tính toán bảo vệ chống sét đường dây phải kết hợp chặt chẽ với bảo vệ chống sét cho trạm, đặc biệt là đoạn đường dây gần trạm phải được bảo vệ cẩn thận, vì khi sét đánh vào khoảng này sẽ đưa vào trạm các quá điện áp với thông số lớn gây nguy hiểm tới các thiết bị của trạm.

Do trị số quá điện áp khí quyển rất lớn nên không thể chọn mức cách điện đường dây đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp khí quyển vì khi đó vốn đầu tư vào đường dây là quá lớn. Vì vậy việc bảo vệ chống sét cho đường dây đến mức an toàn tuyệt đối không thể thực hiện được mà chỉ hạn chế sự cố đến mức thấp nhất, đảm bảo mức độ hợplý về mặt kinh tế và kỹ thuật.

Để đánh giá khả năng chịu sét của những đường dây khác nhau người ta dùng đại lượng suất cắt đường dây.

Lý thuyết tính toán