ĐỒ án môn học kỹ THUẬT điện CAO áp TÍNH TOÁN THIẾT kế bảo vệ CHỐNG sét CHO TRẠM BIẾN áp và ĐƯỜNG dây 220

HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN

Hiện tượng dông sét

Dông sét là hiện tượng tự nhiên xảy ra khi có sự phóng tia lửa điện giữa các điện cực, thường cách nhau khoảng 5km Hiện tượng này bao gồm hai loại chính: phóng điện giữa các đám mây tích điện và phóng điện giữa đám mây tích điện với mặt đất Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào phóng điện từ các đám mây tích điện xuống mặt đất.

Hiện tượng phóng điện ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống điện, khi các đám mây tích điện với mật độ cao tạo ra cường độ điện trường lớn Điều này dẫn đến sự hình thành dòng phóng điện tiên đạo hướng về phía mặt đất.

Tia tiên đạo trong lần phóng điện đầu tiên di chuyển với tốc độ trung bình khoảng 1,5 x 10^7 cm/s, và tốc độ này tăng lên khoảng 2 x 10^8 cm/s trong các lần phóng điện tiếp theo Trong một đợt sét, có thể xảy ra nhiều lần phóng điện liên tiếp do sự hình thành nhiều trung tâm điện tích trong cùng một đám mây, mỗi trung tâm sẽ lần lượt phóng điện xuống đất Tia tiên đạo là một môi trường Plasma với điện tích rất lớn, đầu tia được kết nối với một trong các trung tâm điện tích của đám mây, cho phép một phần điện tích từ trung tâm này đi vào tia tiên đạo.

Điện tích trong tia tiên đạo phân bố đều dọc theo chiều dài của tia khi tiếp xúc với mặt đất Dưới tác động của điện trường, điện tích trái dấu sẽ tập trung trên mặt đất, với vị trí tập kết phụ thuộc vào khả năng dẫn điện của đất Nếu đất có độ dẫn điện đồng nhất, điểm tập trung này sẽ nằm ngay dưới đầu tia tiên đạo.

Khi vùng đất có điện dẫn không đồng nhất, điện tích sẽ tập trung tại nơi có điện dẫn cao, dẫn đến việc sét đánh vào vị trí đã được định sẵn Để định hướng phóng điện sét, cần tạo ra khu vực có mật độ điện tích lớn Việc bảo vệ công trình khỏi sét đánh trực tiếp dựa vào tính chọn lọc của phóng điện sét Công thức tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt cho thấy rằng điện tích trong đất sẽ thay đổi theo tốc độ phát triển của phóng điện Dòng điện sét có biên độ và độ dốc phân bố rộng, từ vài kA đến vài trăm kA, với dạng sóng xung kích Khi sét đánh vào thiết bị phân phối, có thể gây ra quá điện áp khí quyển, dẫn đến các sự cố nghiêm trọng như ngắn mạch, cháy nổ và mất điện trên diện rộng.

Để đảm bảo độ tin cậy và an toàn trong cung cấp điện, việc tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho hệ thống điện là rất cần thiết Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét mạnh, với số ngày dông ở miền Bắc dao động từ 70 đến 110 ngày mỗi năm, trung bình có từ 150 đến 300 lần dông Móng Cái là khu vực có số lần dông cao nhất, với 250 đến 300 lần trong khoảng 100 đến 110 ngày Mùa dông chủ yếu diễn ra từ tháng 5 đến tháng 9 ở Bắc Bộ, trong khi miền Trung có số ngày dông nhiều nhất vào tháng 5 với 12 đến 15 ngày Khu vực phía Nam duyên hải Trung Bộ lại có ít dông hơn, thường chỉ xuất hiện khoảng 10 ngày trong tháng 5.

Nha Trang 8 ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng Ở miền Nam khu vực nhiều dông nhất ở đồng bằng Nam Bộ từ 120  140 ngày/năm, như ở thành phố Hồ

Mùa dông ở miền Nam dài hơn miền Bắc, kéo dài từ tháng 4 đến tháng 11, với số ngày dông trung bình từ 15 đến 20 ngày mỗi tháng Tháng 5 là tháng có nhiều dông nhất, với thành phố Hồ Chí Minh ghi nhận trung bình 22 ngày dông và Hà Tiên 23 ngày Trong khi đó, thành phố Hồ Chí Minh có tổng cộng 138 ngày dông mỗi năm, còn Hà Tiên là 129 ngày.

Số ngày dông trên các tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem Bảng

1.1 Bảng 1.1: Thông số về các ngày dông sét ở các khu vực.

Khu vực ven biển miền Bắc

Khu vực trung du miền Bắc

Khu vực cao nguyên miền Trung

Khu vực ven biển miền Trung

Khu vực ven biển miền 2040 2,434,68 2,14,2 1,22,4 1,222,44 Nam1,262,52 4060 4,687,92 4,26,3 2,43,6 2,443,65 2,523,78 6080 7,929,72 6,38,4 3,64,8 3,654,87 3,785,06 80100 9,7212,15 8,410,5 4,86,0 4,876,09 5,066,3 100120 12,1514,58 10,512,6 6,07,2 6,097,31 6,37,76

Việt Nam là quốc gia chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét, điều này gây bất lợi cho hệ thống điện và yêu cầu ngành điện phải đầu tư mạnh vào thiết bị chống sét Hơn nữa, các nhà thiết kế cần chú trọng trong việc tính toán và thiết kế các công trình điện để đảm bảo hệ thống vận hành kinh tế, hiệu quả, đồng thời cung cấp điện liên tục và tin cậy.

Ảnh hưởng của dông sét tới hệ thống điện

Dòng sét có thể đạt biên độ hàng trăm kA, tạo ra nguồn nhiệt lớn khi đi qua vật thể Nhiều trường hợp dây tiếp địa bị nóng chảy hoặc đứt do tiếp đất kém khi bị sét tác động, và cách điện bằng sứ có thể vỡ ra như nhũ thạch Phóng điện sét còn mang theo lượng điện tích lớn, tạo ra điện từ trường mạnh, gây nhiễu loạn vô tuyến và ảnh hưởng đến thiết bị điện tử, tác động đến cả những khu vực xa hàng trăm km Khi sét đánh vào đường dây hoặc gần mặt đất, sóng điện từ được sinh ra sẽ truyền dọc theo đường dây, gây ra quá điện áp ảnh hưởng đến cách điện của hệ thống.

Khi cách điện của đường dây bị hỏng, sẽ xảy ra ngắn mạch pha-đất hoặc pha-pha, buộc thiết bị bảo vệ phải hoạt động Đối với các đường dây truyền tải công suất lớn, việc máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định cho hệ thống, và nếu hệ thống tự động tại các nhà máy điện không phản ứng kịp thời, có thể dẫn đến rã lưới Sóng sét có thể truyền từ đường dây vào trạm biến áp, hoặc sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp, gây phóng điện trên cách điện, tương đương với ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố nghiêm trọng Nếu chống sét van ở đầu cực máy biến áp không hoạt động hiệu quả, cách điện của máy biến áp sẽ bị chọc thủng, gây thiệt hại lớn Tại Việt Nam, các thiết bị ghi sét và bộ ghi tổng hợp đã được lắp đặt trên các đường dây tải điện trong nhiều năm, với kết quả thu thập sự cố lưới điện 220kV miền Bắc từ năm 1987-2009 được trình bày trong bảng sau.

Bảng 1.2: Tình hình sự cố lưới điện 220kV miền Bắc từ năm 1987-2009.

Dưới 220 kV ĐDK Phả Lại-Hà Đông

Tổng số Vĩnh cửu Tổng số Vĩnh cửu Do sét

Trong tổng số sự cố vĩnh cửu của đường dây 220kV Phả Lại-Hà Đông, 72% nguyên nhân do sét gây ra, với 8/11 sự cố liên quan Đường dây Phả Lại-Hà Đông là một trong những tuyến quan trọng của miền Bắc, vì vậy kết quả này có thể được xem là đại diện cho các sự cố lưới điện trong khu vực Điều này cho thấy rằng sự cố do sét là một vấn đề nghiêm trọng, chiếm tỷ lệ lớn trong các sự cố lưới điện, và dông sét được coi là mối nguy hiểm lớn nhất đối với hoạt động của lưới điện.

Vấn đề chống sét

Nghiên cứu tình hình dông sét ở Việt Nam cho thấy ảnh hưởng của dông sét đến hoạt động của lưới điện là đáng kể Do đó, việc tính toán và thiết kế hệ thống chống sét cho lưới điện và trạm biến áp là rất cần thiết để nâng cao độ tin cậy và an toàn trong vận hành lưới điện.

VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM

Đặc điểm về kết cấu cột thu lôi

Trong các điều kiện cho phép, việc tận dụng độ cao của các công trình trong trạm để làm giá đỡ cho cột thu lôi là rất hiệu quả Đối với các trạm biến áp 110 kV trở lên, cột thu lôi thường được đặt trên các xà, và để kết nối cột thu lôi với hệ thống nối đất, có thể sử dụng ngay xà sắt hoặc cốt sắt bên trong cột bê tông cốt sắt Đối với cột thu lôi độc lập, cần có những biện pháp phù hợp để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

Đối với cột thu lôi có độ cao không quá 20 m, nên sử dụng các ống kim loại ghép lại Nếu cột thu lôi cao hơn 20 m, cần áp dụng kết cấu kim loại kiểu mạng để làm giá đỡ Tuy nhiên, phương án kinh tế nhất là sử dụng cột thu lôi có giá đỡ bằng gỗ cho cột không quá 20 m, và sử dụng cột bê tông cốt thép cho cột cao hơn 20 m Trong trường hợp này, có thể tận dụng cốt thép của cột để làm dây dẫn dòng điện sét từ phần thu sét đến hệ thống nối đất.

Khi sử dụng giá đỡ bằng gỗ, cần phải lắp đặt dây dẫn riêng theo chiều dọc của giá đỡ Cột thu lôi được thiết kế để hoạt động trong trạng thái tự do, không nên hoạt động trong trạng thái căng.

Khi lựa chọn tiết diện cho các phần tử của cột thu lôi, cần dựa vào sự phát nóng của chúng và có thể bỏ qua hiện tượng tản nhiệt ra môi trường xung quanh trong quá trình tính toán Dưới đây là kích thước tiêu chuẩn của một số loại kim thu sét.

Chiều cao có ích ha

(mm) Đường kính nhỏ nhất

Bảng 2.3 Chiều cao có ích ha

(mm) Đường kính nhỏ nhất

Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét

2.2.1: Phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu sét. a,Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.

Phạm vi bảo vệ của cột thu sét có độ cao h được tính cho độ cao hx dưới dạng một hình chóp tròn xoay Đường sinh của hình chóp này được xác định bằng công thức: rx = 1 + 1,6 hx h (h - hx).

Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ cho một cột thu sét.

- h : chiều cao cột thu sét

- hx : chiều cao cần được bảo vệ

- h – hx :chiều cao hiệu dụng

Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc abc được xác định như sau:

Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (đường sinh gấp khúc). Trong đó:

- ab: đường thẳng nối từ đỉnh cột đến điểm trên mặt đất cách xa chân cột một khoảng là 0,75h.

- bc: là đường thẳng nối 1 điểm có độ cao trên thân cột là 0,8h đến 1 điểm trên mặt đất cách chận cột là 1,5h.

Các công thức chỉ áp dụng cho hệ thống thu sét (HTTS) với độ cao h dưới 30m Khi độ cao h đạt 30m hoặc hơn, cần điều chỉnh các công thức theo hệ số p = 5,5 √ h Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao tương đương là như nhau.

Xét 2 cột thu sét có độ cao bằng nhau h1 = h2 = h, cách nhau 1 khoảng a.

Hình 2.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau.

Khi a = 7h, mọi vật trên mặt đất giữa hai cột sẽ không bị sét đánh Tuy nhiên, khi a < 7h, khoảng giữa hai cột có khả năng bảo vệ cho độ cao lớn nhất h0, được tính theo công thức h0 = h - a/7.

- Phần ngoài: giống như của từng cột

- Phần giữa: cung tròn đi qua 3 điểm 1,2,3 (điểm 3 là điểm đặt cột giả tưởng có độ cao h0

Tính toán phạm vi bảo vệ:

- Bán kính bảo vệ của từng cột: rx1 = rx2 = rx

- Bán kính bảo vệ giữa hai cột: r0x.

- Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa hai cột: h0 = h - a/7

Các công thức áp dụng cho hệ thống chống sét có độ cao dưới 30m Đối với hệ thống có độ cao từ 30m trở lên, cần điều chỉnh các công thức theo hệ số p đã đề cập Ngoài ra, phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét với độ cao khác nhau cũng cần được xem xét.

Xét 2 cột thu sét có độ cao là h1 và h2, cách nhau 1 khoảng a được bố trí như hình vẽ:

Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột có độ cao khác nhau.

- Phần ngoài: giống như của từng cột.

Đỉnh cột H1 tạo ra một đường thẳng ngang cắt qua phạm vi bảo vệ của cột H2 tại vị trí 3’, trong đó 3’ là vị trí giả tưởng có độ cao tương đương với cột H1.

- Phần giữa: giống như của hai cột có độ cùng độ cao h1.

(O1O3'  a'  O1O2  O3' O2  a  x) - x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giả tưởng h1'

Tính toán phạm vi bảo vệ:

- Tính bán kính bảo vệ từng cột rx1, rx2.

- Tính bán kính bảo vệ giữa hai cột rox

- Khoảng cách giữa cột thấp và cột giả tưởng 3 a' = a – x ( trong đó x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giả tưởng có độ cao h1).

- Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1, 3’: h01 - 3' =h1 - a' 7 d, Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét.

+) Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét có độ cao h1 = h2 = h3 = h cùng bảo vệ cho độ cao hx được minh họa như hình vẽ dưới đây

Hình 2.5 Bán kính bảo vệ của 3 cột có độ cao bằng nhau Đó là phần diện tích nằm trong đường bao mà các đường tròn tạo ra.

- rx1 = rx2 = rx3 = rx: bán kính bảo vệ của từng cột.

- rox1-2 = r0x1-3 = r0x3-2: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 2-3, 3-1.

+) Phạm vi bảo vệ cho 4 cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét có độ cao h1 = h2 = h3 = h4 = h cùng bảo vệ cho độ cao hx được minh họa như hình vẽ dưới đây.

Hình 2.6 Phạm vi bảo vệ của bốn cột thu sét có độ cao bằng nhau

Phạm vi bảo vệ là phần diện tích công trình nằm trong đường bao ngoài cùng của hình vẽ.

Để đảm bảo an toàn cho công trình nằm trong miền giới hạn bởi các cột thu sét, cần tuân thủ các điều kiện về bán kính bảo vệ Cụ thể, bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2 và 3-4 được xác định là rx1 = rx2 = rx3 = rx4 = rx rox1-2 = r0x3-4 Đồng thời, bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-4 và 2-3 là rox1-4 = r0x2-3 Quan trọng là chiều cao công trình phải thỏa mãn điều kiện D ≤ 8.(h - hx).

D là đường tròn ngoại tiếp phần mặt bằng có dạng hình tam giác,chữ nhật; h: chiều cao cột thu sét; hx: chiều cao cần bảo vệ.

2.2.2,Phạm vi bảo vệ của dây chống sét.

Phạm vi bảo vệ cả dây chống sét được thể hiện như hình vẽ:

Hình 2.7 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

3.Các phương án cột thu sét cho sơ đồ trạm theo yêu cầu

- Trạm biến áp 220/110kV có kích thước 172,5 x 120,5 (m)

- Các xà phía 110 kV cao 8m và 11m

- Các xà phía 220 kV cao 11m và 17m

- Ta chia trạm thành hai phần:

Khu vực chứa các xà 220kV yêu cầu độ cao bảo vệ là 17m, trong khi khu vực chứa các xà 110kV và khoảng giữa hai khu vực này có độ cao bảo vệ lần lượt là 11m và 8m.

+ Bước 1: Chọn vị trí đặt cột thu lôi.

+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng lớn nhất của từng phía ha max.

+ Bước 3: Tính chiều cao của cột thu lôi các phía: h = hx + ha max.

+ Bước 4: Tính và vẽ phạm vi bảo vệ và kiểm tra.

- Ta xét hai phương án như sau:

Phương án 1

+ Bước 1: Ta bố trí 34 cột thu lôi ở các vị trí như hình vẽ sau:

Phía 220kV bố trí 19 cột, trong đó có 9 cột trên xà đón dây cao 17m (số 1 đến 5, số 16 đến 19), 10 cột trên xà thanh góp cao 11m (số 6 đến 15)

Phía 110kV bố trí 15 cột, trong đó có 6 cột trên xà đón dây cao 11 m (số

29 đến 34), 9 cột trên xà thanh góp cao 8 m (số 20 đến 28)

Hình 2.8: Bố trí các cột thu lôi của phương án 1 + Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:

Do các cột thu lôi tạo thành lưới cột, chúng ta sẽ phân chia lưới cột thành các nhóm đa giác đỉnh Sau đó, cần tính toán độ cao hiệu dụng ha của từng nhóm cột theo các điều kiện đã được xác định.

Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh.

Ta chia 15 cột thành 8 hình chữ nhật

Xét nhóm cột (1-2-7-6) là hình chữ nhật với kích thước:

- Chiều rộng cạnh 2-7: b = 16m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là: Độ cao tối thiểu của các cột trên là:

Xét nhóm cột (12-13-16) là hình tam giác có kích thước:

+ Nửa chu vi tam giác trên là: p = 44,806 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là: Độ cao hiệu dụng của nhóm cột là:

Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:

Bảng 2.4 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 1

Tên đa giác a( m) b(m) c(m) P( m) D(m) ha(m) ha, max

Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là:

Chiều cao tối đa cần bảo vệ cho hệ thống 220kV là 17 m, vì vậy cột thu lôi được nâng lên đến 24 m để đảm bảo thi công thuận tiện và tăng cường độ an toàn cho thiết bị.

Ta chia 15 cột phía 110kV thành 6 hình chữ nhật và kết hợp với phía 220kV ta chia thành 9 hình tam giác.

Xét nhóm cột (20-21-23-24) là hình chữ nhật có kích thước:

+ Chiều rộng: b = 16 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là: Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột là:

Xét nhóm cột (11-20-21) là hình tam giác có kích thước:

+ Cạnh 11-20: a = 27,373m + Cạnh 20-21: b = 20 m + Cạnh 11-21: c = 36,459 m + Nửa chu vi tam giác trên là: p = 41,916 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là: Độ cao hiệu dụng của nhóm cột là:

Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:

Bảng 2.5 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1

Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m ha, max

Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là:

Để đảm bảo an toàn cho thiết bị và thuận tiện trong thi công, chiều cao của các nhóm cột thu sét cần được nâng lên 16 m, trong khi độ cao bảo vệ tối đa ở phía 110kV là 11 m.

+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi

Chúng ta chỉ xem xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo đa giác đỉnh, vì diện tích bên trong đã được bảo vệ Do chiều cao của các cột thu lôi đều nhỏ hơn 30m, nên trong công thức tính toán, không cần nhân với hệ số hiệu chỉnh p.

Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi:

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 24 m

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 17 m là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là:

-Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 16 m:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11 m là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8m là:

Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên:

+ Xét cặp cột (1-2) có cùng độ cao 24m và đặt cách nhau một khoảng là a 34m

Do nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 17m và hx = 11m là:

+ Xét cặp cột (20-23) có độ cao 16m và đặt cách nhau một khoảng là a = 16 m

Do a = 16 m < 7×16 = 112 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 11m và h x = 8m là:

+ Xét cặp cột (11-20) có độ cao 24m và 16m và đặt cách nhau một khoảng 27,372 m

+Bán kính bảo vệ của cột số 11 cao 24m cho phần độ cao 16m là:

+Khoảng cách từ cột số 20 đến cột giả tưởng có cùng độ cao là: a’ = a – x = 27,372 – 6 = 21,372 m

+Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột số 20 và cột giả tưởng cùng độ cao là:

+Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng h011’-20 cho độ cao 11m là:

+Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8m là:

+ Xét cặp cột (15-22) có độ cao 24m và 16m và đặt cách nhau một khoảng 27,041 m

+Bán kính bảo vệ của cột số 15 cao 24m cho phần độ cao 16m là:

Khoảng cách từ cột số 22 đến cột giả tưởng có cùng độ cao là: a’ = a – x = 27,041 – 6 = 21,041 m

+Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột số 22 và cột giả tưởng cùng độ cao là:

Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng h015’-22 cho độ cao 11m là:

+Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8m là:

Tính toán tương tự cho các cặp cột biên còn lại đã cho kết quả như được trình bày trong bảng 2.6, thể hiện bán kính bảo vệ của các cặp cột biên trong phương án 1.

2 a ho 2/3ho hx1 rox1 hx2 rox2

5 11 1,496 8 4,491-Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được hiển thị trong hình sau:

Hình 2.9 Phạm vi bảo vệ của phương án 1

Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra.

Tổng chiều dài kim thu sét là:

Phương án 2

+ Bước 1: Ta bố trí 26 cột thu lôi ở các vị trí như hình vẽ sau:

Phía 220kV bố trí 14 cột, trong đó có 9 cột trên xà đón dây cao 17m, 5 cột trên xà thanh góp cao 11m.

Phía 110kV bố trí 12 cột trong đó có 6 cột trên xà đón dây cao 11m, 6 cột trên xà thanh góp cao 8m.

Hình 2.10 Bố trí các cột thu lôi của phương án 2 + Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:

Do các cột thu lôi tạo thành lưới cột, chúng ta sẽ phân chia lưới cột thành các nhóm đa giác đỉnh Sau đó, cần tính toán độ cao hiệu dụng ha của từng nhóm cột dựa trên các điều kiện đã được xác định.

Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh.

+ Xét nhóm cột (1-2-7-6) là hình chữ nhật với kích thước:

- Chiều rộng: b = 34 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là: Độ cao tối thiểu của các cột trên là:

+ Xét nhóm cột (7-8-11) là hình tam giác có kích thước:

Nửa chu vi tam giác là 44,806 m, trong khi đường kính của đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét cần được xác định Đồng thời, độ cao tối thiểu của các cột thu sét cũng cần được xem xét để đảm bảo hiệu quả và an toàn.

Tính toán tương tự PA1 cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:

Bảng 2.7 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 2

Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m ha, max 7-8-11 34,000 27,784 27,827 44,806 35,138 4,392

Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là:

Chiều cao tối đa cần bảo vệ cho hệ thống 220kV là 17m, do đó chiều cao của các cột thu lôi được tính là 24,558m (17m + 7,558m) Để thuận tiện cho thi công và tăng cường độ an toàn cho thiết bị, cột thu lôi sẽ được nâng lên tới 25m.

Ta chia 12 cột phía 110kV thành 3 hình chữ nhật và 15 tam giác, trong đó có 11 tam giác kết hợp với phía 220kV

Xét nhóm cột (15-16-22-21) là hình chữ nhật có kích thước:

+ Chiều rộng: b = 20 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là: Độ cao tác dụng tối thiểu của các nhóm 1là:

Xét nhóm cột (6-15-16) là hình tam giác có kích thước:

+ Nửa chu vi tam giác trên là: p = 41,916 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh là: Độ cao hiệu dụng của nhóm 2 là:

Tính toán tương tự PA2 cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:

Bảng 2.8 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 2

Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m hamax, m 6-15-16 27,37

Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là:

Chiều cao tối đa cần bảo vệ cho hệ thống 110kV là 11m, do đó chiều cao của các nhóm cột thu lôi được tính là 15,831m (bao gồm cả 4,831m) Để đảm bảo thuận tiện trong thi công và tăng cường độ an toàn cho thiết bị, cột sẽ được nâng lên tới 16m.

+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi.

Chúng ta chỉ xem xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo chu vi của trạm, vì phần diện tích bên trong đã được bảo vệ Do chiều cao các cột thu lôi đều nhỏ hơn 30m, nên trong công thức tính, không cần thiết phải nhân với hệ số hiệu chỉnh p.

 Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 25m

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 17m là: nên

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là: nên

- Phạm vi bao vệ của các cột phía 110kV cao 16 m:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là: nên

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8m là: nên

 Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên:

+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao 25m và đặt cách nhau một khoảng là a = 34m

Do a = 34m < 7×25 = 175 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao 17m là:

Nên:Bán kính bảo vệ cho độ cao 11m là:

+ Xét cặp cột (15-21) có cùng độ cao 16m và đặt cách nhau một khoảng là a 30mDo a = 30m < 7×16 = 112 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao 11m là:

Nên:Bán kính bảo vệ cho độ cao 8m là:

+ Xét cặp cột (6-15) có độ cao 25m và 16m và đặt cách nhau khoảng a 27,372m

Bán kính bảo vệ của cột số 6 cho độ cao 17m là:

Khoảng cách từ cột số 15 đến cột giả tưởng có cùng độ cao 17m là 21,372m, được tính bằng công thức a’ = a – x = 27,372 – 6,000 Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột số 15 và cột giả tưởng này là 17m.

Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng ho6-15 cho độ cao 11m là:

Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng hNên: 06-15 cho độ cao 8m là:

+ Xét cặp cột (10-17) có độ cao 25m và 16m và đặt cách nhau khoảng a = Nên 27,041m

Bán kính bảo vệ của cột số 10 cho độ cao 17m là:

Khoảng cách từ cột số 17 đến cột giả tưởng có độ cao 17m được tính là 21,041m, với công thức a’ = a – x, trong đó a = 27,041m và x = 6,000m Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột số 17 và cột giả tưởng này là 17m.

Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng ho10-17 cho độ cao 11m là:

Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng hNên: o10-17 cho độ cao 8m là:

Kết quả tính toán bán kính bảo vệ cho các cặp cột biên trong phương án 2 được trình bày trong bảng 2.6 dưới đây.

Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được hiển thị trong hình sau:1

Hình 2.11 Phạm vi bảo vệ của phương án 2

Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra.

Tổng chiều dài kim thu sét là:

Chọn phương án tối ưu

Cả hai phương án đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, do đó cần xem xét yếu tố kinh tế để đưa ra lựa chọn Phương án tối ưu sẽ là phương án có tổng chiều cao cột thu sét nhỏ nhất, như được thể hiện trong bảng dưới đây.

Bảng 2.7 So sánh 2 phương án

Chỉ tiêu Phương án 1 Phương án 2

Phương án 2 được chọn để thi công vì có số lượng cột và tổng chiều dài kim thu sét nhỏ hơn so với phương án 1.

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP

Hệ thống nối đất có tác dụng phân tán dòng điện và duy trì mức điện thế thấp trên các thiết bị được nối đất Trong hệ thống điện, có ba loại nối đất khác nhau.

Nối đất an toàn là biện pháp bảo vệ cần thiết nhằm đảm bảo an toàn cho người sử dụng khi hệ thống cách điện gặp sự cố Việc nối đất được thực hiện bằng cách kết nối mọi bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng máy biến áp và máy cắt điện Khi cách điện bị hư hỏng, các bộ phận này có thể xuất hiện điện thế, nhưng nhờ vào hệ thống nối đất, điện thế được giữ ở mức thấp, từ đó bảo vệ an toàn cho người tiếp xúc với thiết bị.

Nối đất làm việc là một loại nối đất quan trọng, có nhiệm vụ đảm bảo thiết bị hoạt động bình thường theo chế độ đã quy định Loại nối đất này bao gồm nối đất điểm trung tính của máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường, và nối đất của điện kháng sử dụng trong bù ngang trên các đường dây tải điện xa trong hệ thống điện.

Nối đất chống sét là biện pháp quan trọng giúp tản dòng điện sét vào đất, giữ cho điện thế trên thân cột không vượt quá mức an toàn, từ đó hạn chế phóng điện ngược tới công trình bảo vệ Tại các nhà máy điện và trạm biến áp, cần tách rời hệ thống nối đất làm việc và nối đất an toàn để tránh điện thế cao do dòng điện ngắn mạch hay sét Tuy nhiên, trong thực tế, việc này thường khó thực hiện, dẫn đến việc sử dụng một hệ thống nối đất cho cả hai nhiệm vụ Do đó, hệ thống nối đất chung cần đáp ứng yêu cầu về điện trở, với giá trị tối đa không vượt quá 0,5Ω Để đảm bảo hiệu quả và giảm khối lượng kim loại, nên tận dụng các loại nối đất tự nhiên.

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

- Hệ thống dây chống sét – cột.

- Kết cấu kim loại của các công trình.

Khi sử dụng nối đất tự nhiên, cần tuân thủ các quy định của tiêu chuẩn Nếu điện trở nối đất tự nhiên đáp ứng yêu cầu cho thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất nhỏ, không cần thực hiện nối đất nhân tạo Tuy nhiên, đối với thiết bị có dòng điện ngắn mạch lớn, bắt buộc phải có nối đất nhân tạo với trị số điện trở nhỏ hơn 1Ω.

1.2,Trị số cho phép của điện trở nối đất.

Trị số điện trở nối đất càng nhỏ thì hiệu quả của hệ thống nối đất càng cao, tuy nhiên, việc giảm trị số này sẽ dẫn đến tăng chi phí xây dựng do cần nhiều kim loại hơn Do đó, cần quy định trị số cho phép của điện trở nối đất Đối với hệ thống nối đất hoạt động, trị số này phải đáp ứng yêu cầu của từng thiết bị trong điều kiện làm việc cụ thể.

- Đối với các thiết bị nối đất trực tiếp thì yêu cầu điện trở nối đất phải thỏa mãn:

R ≤ 0,5 (Ω) -Đối với các thiết bịcó điểm trung tính không nối đất trực tiếp thì yêu cầu:

R ≤ 250 I (Ω) nếu như hệ thống nối đất ấy dùng cho các thiết bị cao áp.

- Nếu như hệ thống có điểm trung tính cách điện và hệ thống nối đất cho cả các thiết bị cao áp và hạ áp thì yêu cầu:

Dòng điện I tùy theo từng trường hợp sẽ có trị số khác nhau:

- Trong hệ thống không có thiết bị bù thì dòng điện tính toán I là dòng điện khi có chạm đất một pha:

C là điện dung của một pha của hệ thống nối đất.

Nếu hệ thống có thiết bị bù, dòng điện tính toán I là phần dòng điện ngắn mạch chạm đất chưa được bù sau khi đã cắt đi thiết bị bù có công suất lớn nhất, nhưng không được vượt quá 30 A.

- Dòng điện tính toán trong hệ thống nối đất mà trong đó có nối thiết bị bù được lấy bằng 125% dòng điện định mức của thiết bị bù.

Để đảm bảo an toàn điện, ngoài việc duy trì trị số điện trở nối đất theo quy định và giảm điện trở nối đất của trạm và nhà máy, cần chú ý cải thiện sự phân bố thế trên toàn bộ diện tích của trạm.

Hệ số mùa ảnh hưởng đến điện trở suất của đất, một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống nối đất Đất có cấu trúc và thành phần phức tạp, do đó điện trở suất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần, độ ẩm và nhiệt độ Thay đổi khí hậu theo mùa làm cho độ ẩm và nhiệt độ của lớp đất bề mặt biến động, trong khi lớp đất sâu ít bị ảnh hưởng hơn Khi tính toán điện trở suất, cần chú ý đến trị số lớn nhất của nó trong các mùa, được xác định qua công thức ρ = ρđo.K, trong đó K là hệ số mùa.

Trong đồ án này ta có điện trở suất của đất là : ρđ= 100 + n = 100 + 955Ωm (n là 2 số cuối mã SV) Điện trở cột RC = 10Ω.

Nối đất an toàn

Để đảm bảo an toàn khi cấp điện áp lớn hơn 110 kV, điện trở nối đất của hệ thống phải đạt giá trị R ≤ 0,5 Ω Điều này là cần thiết do dòng điện ngắn mạch lớn có thể xảy ra khi chạm vào vỏ hoặc khi có rò điện, gây nguy hiểm cho con người Ở cấp điện áp 110 kV trở lên, với điện trở tản thấp và mức cách điện cao, việc thực hiện nối đất an toàn và nối đất chống sét chung là khả thi.

RTN: Điện trở nối đất tự nhiện.

RNT: Điện trở nối đất nhân tạo, RNT ≤ 1 Ω. a,Nối đất tự nhiên.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích hệ thống nối đất tự nhiên của trạm điện, bao gồm các biện pháp chống sét cho đường dây và cột điện 110kV và 220kV kết nối tới trạm.

+ Dây chống sét ta sử dụng loại C-70 có ro = 2,38

+ Điện trở suất của đất = 100 + n = 100 + 955Ωm (n là 2 số cuối mã SV) + Điện trở nối đất của cột đường dây: Rc = 10 Ω.

+ Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220kV là: l220 = 300 m

+ Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110kV là: l110 = 170 m.

 Nối đất tự nhiên bao gồm các dạng sau:

- Các hệ thống ống dẫn nước, các ống kim loại chôn dưới đất không chứa các chất dễ cháy, nổ.

- Hệ thống dây chống sét, điện trở nối đất, cột điện đường dây mà được nối vàohệ thống nối đất của trạm.

- Các kết cấu kim loại của trạm như móng nhà, tường trạm.

Trong đồ án này, chúng tôi tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống nối đất tự nhiên của trạm, bao gồm dây chống sét và điện trở của cột điện cho đường dây 110 kV và 220 kV đến trạm.

Ta có công thức tính toán điện trở của hệ thống dây chống sét cột với số lượng cột lớn hơn 20 cột là:

+ Rcs là điện trở của dây chống sét trong một khoảng vượt, nếu có 2 dây chống sét thì lấy R’cs= Rcs 2

+ Rc : là điện trở nối đất của cột điện.

Nếu trạm có n đường dây đi vào thì điện trở nối đất tự nhiên của trạm:

-Đối với lộ chống sét đường dây 220kV:

-Đối với lộ chống sét đường dây 110kV:

Ta thấy: RTN< 0,5 về mặt lý thuyết là đạt yêu cầu về nối đất an toàn

Trong hệ thống lưới điện trung tính, khi điện trở nối đất đạt yêu cầu, không cần nối đất nhân tạo Tuy nhiên, đối với lưới 220 kV và 110 kV, do dòng điện ngắn mạch lớn, cần thực hiện nối đất nhân tạo Yêu cầu điện trở nối đất nhân tạo phải đạt RNT ≤ 1 Ω và đảm bảo các tiêu chuẩn về nối đất chống sét.

Để thực hiện nối đất nhân tạo, chúng ta sử dụng nốt đất bằng thanh ngang dẹt có kích thước 50x5mm, được chôn sâu 0,8m xung quanh chu vi khu vực xà tường bao của trạm, cách tường bao 1m Kích thước cụ thể được thể hiện trong Hình vẽ 3.1.

Chu vi và diện tích mạch vòng nối đất của trạm:

Hình 3.1.Sơ đồ mạch vòng nhân tạo và tường trạm

{ l l 1 2 2,5 0,5 m m Điện trở suất của đất: = 195 Điện trở nối đất của hệ thống mạch vòng là:

Với: L: chu vi của mạch vòng L = (l1 + l2) 2 = 585,4 (m) t: độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng, lấy t = 0,8 m

: điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t :

Tra bảng với thanh ngang chôn sâu 0,8 m ta có kmùa =1,6

= 195 1,6 = 312 ( m) d: đường kính thanh làm mạch vòng, do thanh bằng thép dẹt nên:

K: hệ số phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất

120,5 =¿1,43 ta vẽ đồ thị và tìm ra được K = 5,79

Bảng 3.1: Hệ số K phụ thuộc vào (l1/l2) l1/l2 1 1,5 2 3 4

120,5 =¿1,43 ta vẽ đồ thị và tìm ra được K = 5,79

Thay các công thức trên vào công thức tính RMV ta được

Vậy điện trở nối đất của hệ thống là:

Kết luận: Hệ thống thiết kế nối đất trên đảm bảo an toàn cho trạm