đồ án chống sét và tiếp địa đề tài thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất cho trạm biến áp 11022 kv

Hình 1: Sơ đồ mặt bằng trạm phân phối bố trí cột thu lôiIII.Nội dung thực hiệnChương 1: Thiết kế chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến ápChương 2: Thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTKHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN CHỐNG SÉT VÀ TIẾP ĐỊA

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾPVÀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 110/22 kV

GVHD : TS TRƯƠNG THỊ HOA

Đà Nẵng, 7/2023

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

II Dữ liệu ban đầu

Cho trạm biến áp như sau :

Tham số tính toán

- Mặt bằng bố trí và độ cao các thiết bị cho trên hình vẽ

- Điện trở dây chống sét trên đơn vị chiều dài : ro = 1,72+0.01*n=1.75 [/ km] - Điện trở nối đất cột điện : Rc = 10 

- Chiều dài khoảng vượt L= 175+n [m];

- Điện cảm trên đơn vị chiều dài cột thu sét: Lo = 1.7 H/m - Điện trường cho phép trong không khí Ekk = 483 kV/m - Điện trường cho phép trong đất : Eđ = 293 kV/m -Điện áp phóng điện xung kích của MBA U50% = 460 kV

- Tham số dòng điện sét: Is =154 kA; a =22 kA/s -Các cột thu lôi đặt trên công trình có nối đất phân bố dài với hình thức nối đất nằm ngang thanh tròn với các thông số

+ Chiều dài điện cực L= …m + bán kính điện cực r0 = 25 mm

+ Độ chôn sâu: t = 0,8 m

Hình 1: Sơ đồ mặt bằng trạm phân phối bố trí cột thu lôi

III.Nội dung thực hiện

Chương 1: Thiết kế chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến ápChương 2: Thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp

Bản vẽ: - Phạm vi bảo vệ của hê thống bảo vê chống sét đánh trực tiếp - Hệ thống nối đất trạm biến áp

Ghi chú: Tất cả các bản vẽ thực hiện trên khổ giấy A3

Thuyết minh đồ án được format theo tiêu chuẩn

MỤC LỤC

CHƯƠNG I.BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG CHO TRẠM PHÂN

PHỐI ĐIỆN NGOÀI TRỜI 5

1.1KHÁI NIỆM CHUNG 5

1.2 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT 5

1.3.1.Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét được xác định như sau 7

1.3.2.Xác định phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét 8

1.3.3.Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét 9

1.4TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG CHO TRẠM PHÂN PHỐI ĐIỆN NGOÀI TRỜI 10

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 20

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG 20

2.2 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN 20

2.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của nối đất an toàn 20

2.2.2 Số liệu dùng trong tính toán nối đất an toàn 21

2.2.3 Tính toán nối đất tự nhiên 21

2.2.4 Tính toán điện trở nối đất của các điện trở đơn giản 22

a)Tính toán nối đất tự nhiên 25

b)Nối đất nhân tạo 25

2.3 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT 27

2.3.1 Yêu cầu kĩ thuật của nối đất chống sét 27

2.3.2 Số liệu dung trong tính toán nối đất chống sét: 28

2.3.3 Xác định điện trở xung kích của nối đất tập trung 28

2.3.4 Trình tự tính toán nối đất chống sét 30

2.3.5 Trình tự tính toán nối đất chống sét 32

Kết luận : 38

CHƯƠNG I.BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG CHO TRẠMPHÂN PHỐI ĐIỆN NGOÀI TRỜI

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho công trình thường dùng các hệ thống thu sét – cột thu sét, dây thu sét (gồm bộ phận kim và dây), bộ phận nối đất và các dây dẫn liên hệ hai bộ phận trên với nhau (dây nối đất) Tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét là ở chỗ tập trung điện tích ở đỉnh bộ phận thu sét, tạo nên từ trường lớn nhất giữa nó và đầu tia tiên đạo… Do đó, nó thu hút các phóng điện sét và hình thành khu an toàn ở bên dưới và xung quanh hệ thống sét Ngoài ra, bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trở bé để việc tập trung điện tích cảm ứng phía mặt đất dễ dàng và khi có dòng điện sét đi qua, điện áp trên các bộ phận của hệ thống thu sét sẽ không đủ để gây phóng điện ngược từ nó đến công trình cần bảo vệ

1.2.CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT.

Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế và mỹ thuật của công trình,khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm phân phối điện ngoài trời cần phải chú ý đến nối đất của cột thu sét và tính chất của công trình Vì vậy cần thoả mãn các yêu cầu sau:

a Phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét phải bao trùm toàn bộ công trình cần bảo vệ an toàn.

b Hệ thống thu sét có thể đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt cách ly công trình tuỳ thuộc vào từng điều kiện cụ thể :

* Đối với các trạm phân phối điện ngoài trời có Uđm ¿ 110 kV , do có mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất bé nên cho phép đặt hệ thống thu sét ngay trên công trình Tuy nhiên, khi bố trí cột thu lôi lên kết cấu của trạm phân phối có Uđm ¿ 110 kV cần phải chú ý điểm sau:

+ Các trụ của các kết cấu trên có đặt cột thu lôi phải được nối vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất, tại chỗ nối phải có nối đất bổ sung nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4  (ứng với dòng điện tần số công nghiệp).

5

* Đối với các trạm phân phối có Uđm ¿ 35 kV thì hệ thống thu sét phải đặt cách ly công trình Khi đặt cách ly,giữa chúng phải có khoảng cách nhất định để không gây phóng điện ngược từ hệ thống đến công trình.

c Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho cột thu sét thì phải cho dây dẫn điện đến đèn vào ống chì và chôn vào đất.

d Khoảng cách trong không khí giữa kế cấu mà trên đó có đặt hệ thống thu sét và bộ phận mang điện không được bé hơn độ dài chuỗi sứ.

e Dây nối đất trong hệ thống thu sét có tiết diện phải đảm bảo điều kiện ổn định

Bước 2: Xác định đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi cột

chống sét (D).

- Với tam giác : D=a b c

2√p ( p−a) ( p−b )( p−c )

Trong đó: a,b,c là cạnh của tam giác p là nửa chu vi tam giác - Với tam giác vuông, hình chữ nhật:

Trong đó: D là đường chéo của hình vuông hoặc hình chữ nhật.

Bước 3: Xác định độ cao của cột thu sét.

h = ha + hx

Trong đó: ha là độ cao tác dụng của cột thu sét, được xác định theo từng nhóm cột (ha ≥ D/8 m).

hx là độ cao của công trình được bảo vệ.

Công trình có độ cao hx nằm hoàn toàn trong phạm vi bảo vệ của cột thu sét có độ cao h sẽ được bảo vệ an toàn nếu được thỏa mãn điều kiện:

D ≤8(h−hx)=8 ha⇒ ha≥D

Bước 4: Xác định phạm vi bảo vệ của hệ thông thu sét

1.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét được xác định như sau.

7

Hình 1.1: Phạm Vi bảo vệ của cột thu sét Trong đó: h là độ cao thu sét (m).

rx là bán kính của phạm vi bảo vệ ở độ cao hx (m) hx là độ cao công trình cần được bảo vệ (m).

Bán kính bảo vệ của cột thu lôi đối với công trình có độ cao hx được xác định

1.3.2 Xác định phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có kích thước lớn hơn rất nhiều so với phạm vi bảo vệ của 1 cột.

Bằng thực nghiệm xác suất 100% phóng điện vào cột chống sét có bán kính r = 3,5h (m) Như vậy, khi hai cột thu sét đặt cách nhau một khoảng a = 7h (m) thì mọi điểm trên đường thẳng nối liền giữa hai chân cột sẽ không bị sét đánh, từ đó suy ra rằng nếu hai cột thu sét đặt cách nhau một khoảng a < 7h thì sẽ bảo vệ được độ cao h

Trong đó: h0 là độ cao giả tưởng của cột thu sét nằm giữa hai cột a là khoảng cách giữa hai cột.

Hình 1.2: Phạm vi bảo vệ của cột thu sét

Bán kính bảo vệ rox của cột thu sét giả tưởng có độ cao đối với công trình có độ cao hx được tính như sau:

1.3.3 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét

Khi công trình cần được bảo vệ an toàn chiếm khu vực rộng lớn, nếu phải dùng một vài cột sẽ rất cao gây khó khăn cho thi công, lắp ráp Trong trường hợp này sẽ dùng nhiều cột phối hợp bảo vệ Phần ngoài của phạm vi bảo vệ được xác định như của từng đôi cột Không cần xác định phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét mà chỉ kiểm tra điều kiện bảo vệ an toàn Công trình có độ cao hx nằm

9

trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét có độ cao h sẽ đảm bảo an toàn nếu thỏa

hx là độ cao công trình cần bảo vệ (m) ha là độ cao hiệu dụng của cột thu sét (m).

Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét

1.4 TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG CHO TRẠM PHÂNPHỐI ĐIỆN NGOÀI TRỜI

1.4.1 Bố trí cột thu sét theo mặt bằng

a) Mô tả sơ đồ

Trong phạm vi thiết kế của đồ án ta thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm phân phối ngoài trời cấp điện áp 110 kV, cấp điện áp này có mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu sét ngay trên kết cấu của trạm, đồng thời có thể giảm giá thành xây dựng của công trình.

Trạm phân phối cần được bảo vệ gồm 2 mạch máy biến áp và 3 mạch đường dây Trạm dùng hệ thống 2 thanh góp vòng có mạch máy cắt nối.

Trạm có 2 cấp độ cao xà trạm là 9 m và 11 m Do vậy phải yêu cầu xác định vị trí và độ cao cần thiết của cột thu sét để bảo vệ được các xà trạm có độ cao như trên trong phạm vi diện tích của trạm và các thiết bị có độ cao thấp hơn nằm trong phạm vi.

Theo sơ đồ mặt bằng và các số liệu đã cho ta phân bố cột thu sét gồm 9 cột thu sét: CA, CB, CC, CD, CE, CF, CH, CI, CG.

Trong đó: + CA, CB, CC, CD, CE, CF: được bố trí trên bản thân công trình.

+ CH, CI, CG: được bố trí cách ly công trình.

b) Hình vẽ sơ đồ trạm 2 thanh góp

Hình 1.4: Sơ đồ mặt bằng trạm

11

i Số liệu tính toán

Các số liệu trên mặt bằng phân phối với các độ cao công trình cần được bảo vệ là:

+ hx = 9 m

+ hx = 11 m

ii Xác định độ cao của cột thu sét1.4.1.1 Bố trí các cột thu sét đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

Theo mặt bằng của trạm phân phối, ta bố trí 9 cột thu sét và kí hiệu trên sơ đồ là CA, CB, CC, CD, CE, CF, CH, CI, CG.

Trong đó: + CA, CB, CC, CD, CE, CF: được bố trí trên bản thân công trình + CH, CI, CG: được bố trí cách ly công trình.

1.4.1.2 Độ cao cột thu sét

Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật như trong tính toán ta chọn độ cao của 9 cột thu sét như sau và có độ cao là h (m).

1 Đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét:

Từ sơ đồ bố trí cột thu sét trên mặt bằng thì đa giác hình thành bởi các cột thu sét được xác định như sau:

+ Hình chữ nhật : CACBCECD + Hình chữ nhật : CBCCCFCE + Hình tam giác : CDCECH + Hình tam giác : CECFCG + Hình tam giác : CECHCI + Hình tam giác : CECICG

Ta sẽ xác định đường kính vòng tròn ngoại tiếp như sau:

+ D1,D2 lần lượt là đường kính vòng tròn ngoại tiếp hình chữ nhật: CACBCECD và CBCCCFCE

+ D3,D4 lần lượt là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác : CDCECH , CECFCG , CECHCI , CECICG

Xác định đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột (D).

D= a b c

2√p ( p−a) ( p−b ).( p−c )

a,b,c làđộ dài cạnh của tam giác p = a+b+c2 là nửa chu vi của tam giác

Nếu tam giác là tam giác vuông hoặc tứ giác hình chữ nhật,hình vuông thì

Nhóm 3 cột này hình thành một tam giác có độ dài các cạnh là :

cEH= 80,99 (m) ; cHI = 55 (m) ; cEI = √682+112= 68,88 (m)

15

D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét (E),

Nhóm 3 cột này hình thành một tam giác có độ dài các cạnh là : cEI= 68,88 (m) ; cEG = 94,76 (m) ; cIG = 55 (m)

D là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét

Từ điều kiện trên chọn ha = 12 (m).

Khi đó độ cao cột thu sét được xác định bởi: h – hx = ha⇒ h = ha + hx (1.3.1) Với các độ cao công trình hx khác nhau sẽ xác định được độ cao cột thu sét khác

hx : Độ cao công trình cần được bảo vệ (11 m và 9 m) ha : Độ cao hiệu dụng của cột thu sét

Mặt khác dựa vào bản vẽ mặt bằng trạm phân phối của trạm ta thấy rằng phạm vi bảo vệ giữa hai cột thu sét muốn bảo vệ được cho những xà có độ cao 9 m ở thanh góp

rx = 1,5.h.(1 - hx

b) Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét với:

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

Cột thu sét giả tưởng có độ cao h0 = h - a7(m) Trong đó:

h0 là độ cao của cột thu sét giả tưởng

a : khoảng cách giữa hai cột

Hình 1.6: Phạm vi bảo vệ giữa 2 cột thu sét Do khoảng cách giữa các cặp cột CACD và cặp cột CCCF bằng nhau nên ta xác định phạm vi bảo vệ giữa hai cột CACD :

Độ cao cột thu sét giả tưởng giữa hai cột CACD :

Tương tự, ta có bán kính bảo vệ của cột thu sét giả tưởng giữa hai cột CBCE là

+ Do khoảng cách giữa các cặp cột CHCI và cặp cột CICG bằng nhau nên ta xác định phạm vi bảo vệ giữa hai cột CICG :

Trong khu vực trạm phía thiết bị và đường dây ở cấp điện áp 110 kV ta chọn các cột thu sét có độ cao là 23m và 21m Khoảng cách giữa các cột đã được xác định ở trên đều đạt yêu cầu kỹ thuật về bảo vệ chống sét đánh thẳng trực tiếp vào trạm.

Vậy để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng như để thuận lợi cho thi công xây lắp mỹ quan của trạm ta chọn chiều cao các cột chống sét có cấp điện áp 110 kV có độ cao h = 23 m

Hình 1.7 Phạm vi bảo vệ các cặp cột thu sét có hx = 9m và 11m

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG.

Tác dụng của nối đất là tản nhanh dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các vật được nối đất khi có phóng điện sét hay khi cách điện của vật bị hư hỏng.

Trong hệ thống nối đất có ba loại: - Nối đất làm viêc

- Nối đất an toàn( nối đất bảo vệ)

21

- Nối đất chống sét

- Nối đất làm việc: nhiệm vụ của nối đất này là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc của một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã quy định sẵn.

Nối đất an toàn (bảo vệ): có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện bị hư

hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thường không mang điện ( vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ…) Khi cách điện bị hư hỏng, trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế nhưng do đã được nối đất nên giữ được mất điện thế thấp…do đó đảm bảo an toàn cho người tiếp xúc với chúng.

- Nối đất chống sét: nhằm tản dòng điện sét trong đất (khi có sét đánh vào cột thu sét hoặc trên đường dây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn…do đó hạn chế được các phóng điện ngược tới công trình cần bảo vệ.

- Ngoài ra , ở các nhà máy điện và trạm biến áp về nguyên tắc là phải tách rời hệ thống nối đất làm việc và an toàn để đề phòng khi dòng điện ngắn mạch lớn( hay dòng điện sét ) đi vào hệ thống nối đất làm việc sẽ không gây điện thế cao trên hệ thống nối đất an toàn Nhưng trong thực tế điều đó khó thực hiện vì nhiều lý do, cho nên thường chỉ dung một hệ thống nối đất để làm hai nhiệm vụ Do đó hệ thống nối đất chung ấy phải thỏa mãn các yêu cầu của các thiết bị, cần có điện trở nối đất bé nhất Điện trở nôi đất của hệ thống này yêu cầu không quá 0,5Ω.

- Để đảm bảo về yêu cầu nối đất cũng như để giảm khối lượng kim loại trong việc xây dựng hệ thống nối đất, nên tận dụng các loại nối đất tự nhiên như:

o Ống nước chôn dưới đất hay các ống kim loại khác( không chứa các chất dễ nỗ, dễ cháy).

o Hệ thống dây chống sét, cột.

o Kết cấu kim loại của các công trình ( như ở các nhà máy thủy điện).

Khi dùng nối đất tự nhiên phải tuân theo những quy định Nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thõa mãn các yêu cầu của thiết bị có dòng điện ngắn mạch, chạm đất bé thì không cần làm them nối đất nhân tạo nữa Nhưng đối với các thiết bị có dòng điện ngắn mạch, chạm đất lớn thì cần phải nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số điện trở nối đất nhân tạo vẫn phải nhỏ hơn 1Ω.

2.2 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN.

2.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của nối đất an toàn.

Trị số điện trở nối đất càng bé thì tác dụng của nối đất càng cao.Nhưng việc giảm trị số của điện trở nối đất sẽ làm giá thành xây dựng tăng lên nhiều vì số lượng kim loại tăng, do trị số cho phép của điện trở nối đất được qui định như sau:

Đối với trạm phân phối có Uđm ≥ 110KV (mạng điện trung tính trực tiếp nối đất) thì điện trở nối đất an toàn là :Rat ≤0,5Ω

Đối với trạm phân phối có Uđm ≤ 35KV (smạng điện trung tính cách điện đối

Rat ≤ 250/Id (Ω): dùng cho thiết bị điện cao áp.

Rat≤ 150/Id (Ω): dùng cho cả thiết bị điện cao và hạ áp nhưng không được quá 10Ω.

Ngoài việc đảm bảo trị số điện trở nối đất đã qui định và giảm nhỏ điện trở nối đất của trạm và nhà máy điện, còn phải chú ý đến việc cải thiện sự phân bố thế trên toàn diện tích của trạm.

2.2.2 Số liệu dùng trong tính toán nối đất an toàn.

ρđo: điện trở suất của đất ( đo được ) Rc: điện trở nối đất của cột điện

Lkv: chiều dài khoảng vượt của đường dây( khoảng cách giữa hai cột) số lượng dây chống sét trên các đường dây tải điện.

Loại dây chống sét.

2.2.3 Tính toán nối đất tự nhiên.

Trước khi tính toán nối đất an toàn phải lợi dụng nối đất tự nhiên có sẵn trong đất, có thể là các ống nươc ngầm, các cáp ngầm võ kim loại chôn trong đất, các móng của công trình, các điện trở nối đất ở các cột điện ở các đường dây.

Nếu số lượng cột của đường dây n > 20( dùng cho trạm phân phối có Uđm ≥ 110KV) thì khi đó Rcs-c được xát định bởi công thức

Rc là điện trở của hệ thống nối đất ở các cột điện (Ω)

Rcs-c là điện trở của dây chống sét trong một khoảng vượt (Ω) Nếu số cột của đường dây n < 20( dùng cho trạm phân phối có Uđm ≤ 35KV), thì khi đó Rcs-c được xát định bới công thức:

Rcs-c¿√Rc Rcs coth√Rcs

Rc m (Ω) - Trong đó:

Rc là điện trở của hệ thống nối đất ở các cột điện (Ω)

Rcs-c là điện trở của dây chống sét trong một khoảng vượt (Ω) M: là số lượng cột trên một xuất tuyến đường dây tải điện.

Chú ý:

- Rc là như nhau trên toàn tuyến đường dây.

- Có số lượng dây chống sét là như nhau.

- Ứng với mỗi cấp điện áp thì có khoảng vượt tương ưng là như nhau.- Loại dây chống sét phải là cùng chủng loại.

- Nếu dùng hai dây chống sét thì điện trở giảm đi một nữa: Rcs/2.

2.2.4 Tính toán điện trở nối đất của các điện trở đơn giản.

23