Thiết kế hệ thống chống sét, nối đất và bảo vệ rơle

PHẦN B THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT ,NỐI ĐẤT VÀ BẢO VỆ RƠLE Chương III: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM I.KHÁI NIỆM CHUNG: Sét đánh là sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây vào trong đất hoặc giữa các đám mây mang điện tích trái dấu.Đặc trưng của phóng điện sét là dòng điện sét và sự loé sáng mảnh liệt của khe phóng điện .Dòng điện sét lan truyền trong không gian dưới dạng sóng điện tử và gây nhiễu cho hệ thống viễn thông gây quá điện áp khí quyển trên hệ thống điện .Đặc biệt ,sét đánh trực tiếp vào đường dây dẫn điện ,thiết bị gây nên điện áp quá lớn dẫn đến ngắn mạch chạm đất giữa các pha làm hư hỏng thiết bị và có thể làm tê liệt việc cung cấp điện .Vì vậy ,việc chống sét cho trạm biến áp là rất quan trọng và cần thiết. Bộ phận thu sét (1). Bộ phận dẫn dòng sét (2). Bộ phận nối đất tản dòng điện sét (3). II.YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP: -Yêu cầu kỹ thuật:phạm vi bảo vệ phải phủ kín toàn bộ các thiết bị điện và các bộ phận mang điện của trạm ,nghĩa là giảm nhỏ khả năng sét đánh trực tiếp vào trong thiết bị của trạm . -Hệ thống nối đất chống sét phải được thiết kếvà tính toán sao cho không xảy ra phóng điện ngược trên cách điện của trạm . -Về mặt kinh tế :phương án được chọn phải có chi phí thấp nhưng vẫn thoả mãn tuyệt đối các yêu cầu kỹ thuật. -Trong điều kiện kỹ thuật cho phép cần tận dụng các kết cấu công trình của trạm để đặt hệ thống thu sét như :xà đỡ ăngten ,cột đèn chiếu sáng …ngoài ra hệ thống thu sét được xây dựng không gây trở ngại cho sự vận hành bình thường của trạm như:giao thông xe cộ và người trong trạm ,và đồng thời chú ý tới mỹ quang công trình . III.XÁC ĐỊNH PHẠM VI BẢO VỆ CỦA CỘT THU SÉT. 1.Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét : Phạm vi bảo vệ của cột thu sét là hình chóp tròn xoay có đường sinh là hyperbol. Hình 1:phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét . Bán kính bảo vệ được tính theo công thức thực nghiệm: hoặc theo phương pháp đơn giản. Nếu hx < 2/3h Nếu hx > 2/3h Trong đó : hx :chiều cao cần bảo vệ. h :chiều cao cột thu sét. ha : chiều cao hiệu dụng cột thu sét. P : hệ số phụ thuộc h; p=1 khi h£ 30m P= khi 30 < h < 60m 2.Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét: a.Hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau : -Chiều cao bảo vệ đặt giữa hai cột thu sét có khoảng cách ađược xác định : Hoặc nói 1 cách khác ,để bảo vệ 1 độ cao giữa 2 cột thu sét thì khoảng cách a giữa 2 cột thu sét phải thoả điều kiện Hình 2:phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao bằng nhau Bề rộng phạm vi bảo vệ ở chính giữa 2 cột thu sét r0x = b.Trường hợp hai cột thu sét có chiều cao khác nhau: Giả sử : Hình 3:phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau -Phạm vi bảo vệ ở phía ngoài 2 cột thu sét giống như phạm vi bảo vệ của từng cột riêng lẻ. -Phạm vi bảo vệ giữa 2 cột có được băng cách qua đỉnh cột ( )vẽ 1 đường thẳng ngang ,nó cắt đương sinh của phạm vi bảo vệ của cột () ở d8iểm này được xem như là đỉnh của 1 cột thu sét giả tưởng 3.Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét : Khi công trình bảo vệ chiếm diện tích rộng lớn đặt nhiều cột thu sét để bảo vệ. Chia vùng bảo vệ thành 3 cột hay 4 cột gần nhau để tính. Mặt bằng phạm vi bảo vệ 3 cột không nằm trên một đường thẳng và 4 cột nằm trên 4 đỉnh của hình chữ nhật được xác định như hình sau Hình 4:phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét Bên ngoài các đa giác qua các đỉnh cột thu sét (hình tam giác hay hình chữ nhật ) phạm bi bảo vệ được xác định từng đôi một với nhau. Còn tất cả các thiết bị có độ cao hx đặt trong diện tích tam giác hay hình chữ nhật sẽ được bảo vệ an toàn nếu điều kiện sau được thỏa mãn. D£ 8.p.(h-hx). D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp tam giác hay hình chữ nhật tạo bởi đỉnh của các cột thu sét. IV.Bố trí và tính toán cụ thể cho trạm. Diện tích trạm (160,5 x 130,5)m. Độ cao đường dây cần bảo vệ. Trạm 220KV hx =16m. Trạm 110KV hx =11m. Độ cao xà đỡ thanh góp Trạm 220KV hx =11m. Trạm 110KV hx =8m. Kiểm tra phạm vi bảo vệ bên ngoài của các cột thu sét. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét. - Độ cao xà đỡ dây dẫn hx =16m, h=24m (cột cái 220KV) = - Độ cao xà đỡ thanh góp 220KV hx =11m, h=24m = - Độ cao thiết bị trong trạm 220KV hx =6m, h=24m = Độ cao nhà điều khiển hx =5m. Độ cao cột anten h=35m >30m nên p=. Bán kính bảo vệ của cột anten = Tính Toán Cụ Thể Cho Các Cột Thu Sét Xét phạm vi bảo vệ của hai cột 1-2 Khoảng cách giữa hai cột 1-2 Độ cao bảo vệ được giữa 2 cột 1-2. Bề rộng bé nhất giữa hai cột 1-2. = Bán kính bảo vệ của cột 1-2. = Bán kình bảo vệ thiết bị của cột 1-2 = Tương tự xét phạm vi bảo vệ của hai cột 3-4 Vì: Suy ra: Bề rộng bé nhất giữa hai cột 3-4. Bán kính bảo vệ của cột 3-4 Bán kính bảo vệ thiết bị của cột 3-4 Xét phạm vi bảo vệ của hai cột 2-3 Khoảng cách giữa 2 cột 2-3 Độ cao bảo vệ được giữa 2 cột 2-3 Bề rộng bé nhất giữa 2 cột 2-3. = Bán kính bảo vệ của cột 2-3 = Bán kính bảo vệ thiết bị của cột 2-3 = Xét phạm vi bảo vệ của hai cột 5-6 Khoảng cách giữa hai cột 5-6 Độ cao bảo vệ được giữa 2 cột 5-6. Bề rộng bé nhất giữa hai cột 5-6. = Bán kính bảo vệ của cột 5-6. = Bán kình bảo vệ thiết bị của cột 5-6 = Tương tự xét phạm vi bảo vệ của hai cột 7-8 và cột 9-10 Vì: Suy ra: Bề rộng bé nhất giữa hai cột 7-8 và cột 9-10 Bán kính bảo vệ của cột 7-8 và cột 9-10 Bán kính bảo vệ thiết bị của cột 7-8 và cột 9-10 Xét phạm vi bảo vệ của hai cột 6-7 Khoảng cách giữa hai cột 6-7 Độ cao bảo vệ được giữa 2 cột 6-7. Bề rộng bé nhất giữa hai cột 6-7. = Bán kính bảo vệ của cột 6-7. = Bán kình bảo vệ thiết bị của cột 6-7 = Tương tự xét phạm vi bảo vệ của hai cột 10,11 Vì: Suy ra: Bề rộng bé nhất giữa hai cột 10-11. Bán kính bảo vệ của cột 10-11 Bán kính bảo vệ thiết bị của cột 10-11 Xét phạm vi bảo vệ của hai cột 1-5 Khoảng cách giữa hai cột 1-5 Độ cao bảo vệ được giữa 2 cột 1-5. Bề rộng bé nhất giữa hai cột 1-5. = Bán kính bảo vệ của cột 1-5. = Bán kình bảo vệ thiết bị của cột 1-5 = Tương tự xét phạm vi bảo vệ của hai cột 4-8 Vì: Suy ra: Bề rộng bé nhất giữa hai cột 4-8. Bán kính bảo vệ của cột 4-8 Bán kính bảo vệ thiết bị của cột 4-8 Xét phạm vi bảo vệ của hai cột 5-9 Khoảng cách giữa hai cột 5-9 Độ cao bảo vệ được giữa 2 cột 5-9. Bề rộng bé nhất giữa hai cột 5-9. = Bán kính bảo vệ của cột 5-9. = Bán kình bảo vệ thiết bị của cột 5-9 = Xét phạm vi bảo vệ của hai cột 14-15 Khoảng cách giữa hai cột 14-15 Độ cao bảo vệ được giữa 2 cột 14-15. Bề rộng bé nhất giữa hai cột 14-15. = Bán kính bảo vệ của cột 14-15. = Bán kình bảo vệ thiết bị của cột 14-15 = Tương tự xét phạm vi bảo vệ của hai cột 12-13 Vì: Suy ra: Bề rộng bé nhất giữa hai cột 12-13. Bán kính bảo vệ của cột 12-13 Bán kính bảo vệ thiết bị của cột 12-13 Xét phạm vi bảo vệ của hai cột 12-14 Khoảng cách giữa hai cột 12-14 Độ cao bảo vệ được giữa 2 cột 12-14. Bề rộng bé nhất giữa hai cột 12-14. = Bán kính bảo vệ của cột 12-14. = Bán kình bảo vệ thiết bị của cột 12-14 = Tương tự xét phạm vi bảo vệ của hai cột 13-15 Vì: Suy ra: Bề rộng bé nhất giữa hai cột 13-15. Bán kính bảo vệ của cột 13-15 Bán kính bảo vệ thiết bị của cột 13-15 Xét phạm vi bảo vệ của cột ăngten(AT) ( độ cao nhà điều khiển) Bán kính bảo vệ của cột thu sét đặt trên ăngten: Vì hx =5m< 2/3h=2/3.35=23,3m Suy ra:= +Sử dụng cột đèn chiếu sáng cho trạm để đặt kim thu sét .Đặt 4 cột đèn chiếu sáng A,B,C,D ở 4 góc của trạm có chiều cao h=24m Xét phạm vi bảo vệ của cột đèn chiếu sáng A,B ở trạm 220KV: Bán kính bảo vệ của cột thu sét đặt trên cột đèn chiếu sáng: Vì ang16m< 2/3h=2/3.25=16,67m Suy ra:= Bán kính bảo vệ khi (độ cao các thiết bị) = Xét phạm vi bảo vệ của cột đèn chiếu sáng C,D ở trạm 110KV: Bán kính bảo vệ của cột thu sét đặt trên cột đèn chiếu sáng: Vì 16m< 2/3h=2/3.25=16,67m Suy ra:= Bán kính bảo vệ khi (độ cao các thiết bị) = Theo giả thuyết thì tất cả các thiết bị nằm trong hình tam giác và hình chữ nhật đều được bảo vệ an toàn nếu thoả mãn điều kiện sau: Xét nhóm cột 1,2,5,6 Vậây kim bố trí như trên thoả điều kiện cho phép. Xét nhóm cột 5,6,9,10 Vậây kim bố trí như trên thoả điều kiện cho phép. Xét nhóm cột 2,3,6,7 Vậây kim bố trí như trên thoả điều kiện cho phép. Xét nhóm cột 6,7,10,11 Vậây kim bố trí như trên thoả điều kiện cho phép. Xét nhóm cột 12,13,14,15 Vậây kim bố trí như trên thoả điều kiện cho phép. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM I.Khái niệm chung. Hệ thống nối đất đóng vai trò trong việc phát huy của hệ thống thu sét .Nối đất để tản vào trong đất dong điện sự cố (rò cách điện, ngắn mạch ,hoặc dòng điện sét )và giữ điện thế trên các phần tử được nối đất thấp. Theo chức năng của nó nối đất được chia ra làm 3 loại: +Nối đất làm việc :có nhiệm vụ đảm bảo sự làm việc của trang thiết bị điện trong các đìều kiện bình thường và sự cố theo chế độ qui định . +Nối đất an toàn hay nối đất bảo vệ có nhiệm vụ bảo đảm an toàn cho người phụ vụ khi cách điện của trang thiết bị hư hỏng gây rò điện . +Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét vào đất, giữ cho điện thế của các phần tử được nối đất không quá cao để hạn chế phóng điện ngược từ các phần tử đó đến các bộ phận mang điện và trang thiết bị điện khác . Đối với trạm đặt ngoài trời có điện áp thì hệ thống nối đất vừa làm nhiệm vụ nối đất an toàn và nối đất chống sét . II. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT AN TOÀN: Đối với lưới điện áp 110KV trở lên thuộc hệ thống có trung tính nối đất (có dòng ngắn mạch trạm đất lớn ).Theo qui định an toàn thì điện trở nối đất (an toàn của toàn trạm phài thoả mãn yêu cầu: Để 1 phần nào dễ dàng thoả mãn yêu cầu trên và nhất là để giảm bout chi phí xây dựng hệ thống nối đất trong thiết kế cần tận dụng các kết cấu kim loại chôn trong đất (như các đường ôùng kim loại , ống dẫn nước ,các kết cấu kim loại của móng cột …)để tham gia vảo việc tản dòng điện sự cố ,gọi là nối đất tự nhiên có điện trờ tản ,còn nối đất thiết kế là nối đất nhân tạo . Nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo phải thoả điều kiện : Qui định Rnt £ 1 W nhằm mục đích tăng cường an toàn và dự phòng cho trường hợp khi nối đất tự nhiên có thể thay đổi. Tính toán nối đất tự nhiên. -Điện trở nối đất tự nhiên có thể tận dụng được như cáp ngầm ,ống nước betông coat thép của xà đỡ,cột trong trạm và nối đất dây chống sét (DCS-C) điện của các đường dây cáp DCS kéo đến tận xà trạm. -Trong luận án này ,do các thiết kế có tính chất giả định ,không đầy đủ các số liệu về các loại nối đất tự nhiên khác ,nên khi tính toán nối đất tự nhiên em chỉ xét điện trở nối đất của hệ thống DCS-C của các đường dây dẫn điện đến trạm biến áp và phụ tải. Trong đó : RC :điện trở nối đất của cột điện tới trạm ,tuỳ theo tính chất kết cấu của đất mà có giá trị khác nhau. Với: r£ 500 W Þ RC =10W r> 500 W Þ RC =15W +Tính r: r =rđo .k Với rđo =140(W.m) kmùa =1,6 Suy ra:r =140.1,6=224W.m < 500(W.m) Chọn RC =10W :điện trở tác dụng của đoạn dây chống sét trong 1 khoảng vượt. RCS=k.r0.l Trong đó: r0 =2,38W /km (dây chống sét loại TK-70 cho cấp điện áp 220KV ) r0 =3,7W /km (dây chống sét loại TK-50 cho cấp điện áp 110KV ) l: chiều dài khoảng vượt. Đường dây 220kv chọn l=300m. Đường dây 110kv chọn l=200m. K: hệ số tuỳ thuộc số dây chống sét trên đường dây K=1 nếu đường dây có một dây chống sét. K=0,5 nếu đường dây có 2 dây chống sét. Suy ra: Nếu có n đường dây có DCS nối vào trạm A. Xác định Rtn(220) Cấp 220KV có 2 đường dây nối vào hệ thống và 2 đường dây phụ tải, n=4 Rtn(220) = Rtn(220) = B. Xác định Rtn(110) Cấp 110KV có 2 đường dây phụ tải ,n=2 Rtn(110) = Rtn(110) = Vậy điện trở của hệ thống nối đất tự nhiên là Tính toán nối đất nhân tạo . Nối đất nhân tạo là bộ phận nối đất được thiết kế thêm để thoả mãn yêu cầu về điện trở nối đất và để các thiết bị điện của trạm được tiếp đất một cách thuận tiện , cân bằng thế. Nối đất nhân tạo gồm mạch vòng nối đất chạy ven chu vi trạm ()và nối đất bổ sung(tại các chân cột thu sét . Ngoài ra theo yêu cầu của quy phạm chống sét cho trạm phân phối điện ,thì khi nối đất chống sét nối chung với nối đất an toàn ,dưới chân các cột thu sét và dưới chân các cột xà đỡ DCS phải có nối đất bổ sung để tản dòng điện sét thuận lợi. Điện trở nối đất nhân tạo: a.Tính toán điện trở mạch vòng nối đất : -Giả sử rằng mạch vòng nối đất chì có 1 thanh chay dọc theo chu vi của trạm (hình chữ nhật )cách hàng rào 1m về phía trong trạm. Chọn thanh nối đất là thanh thép dẹt loại 50 x 5 đường kính tương đương d=b/2=50/2=25mm=0,025m Độ chôn sâu t0 =0,8m. Chiều dài ven chu vi l1 =160,5 - 2=158,5m. Chiều rộng ven chu vi l2 =130,5 –2=128,5m. Điện trở thanh : Trong đó : rtt =rđo .kmùa : điện trở suất tính toán của đất đối với thanh Với rđo =140(W.m) Kt =1,6:hệ số mùa của thanh Suy ra:rtt =140.1,6=224W.m l: Chiều dài ven chu vi trạm. l=2(158,5+128,5)=574m k: hệ số hình dáng mạch vòng, phụ thuộc vào tỷ số l1/l2 tra theo bảng dưới: l1/l2 1 1,5 2 3 4 k 5,53 5,81 6,42 8,17 10,4 Ta có l1/l2 = Suy ra điện trở thanh là: +Điện trở tản từng cọc Trong đó : t0 =0,8m. =2,5m (chiều dài của cọc). t: độ chôn sâu trung bình của cọc t=t0+=0,8+=2,05m đường kính của cọc nối đất dùng thép góc L được hàn lại có kích thước 50 x 5(b=50mm) Chọn kc =1,4:hệ số mùa của cọc rc =rđo . kc =140.1,4=196W.m Vậy : Gọi a là khoảng cách giữa 2 cọc liên tiếp trên thanh Tỷ số Số cọc của mạch vòng ven theo chu vi của trạm. n= Chọn 115cọc Hệ số sử dụng của cọc , thanh(hC ,ht ) tra bảng được hC =0,52 ht =0,24 b.Tính toán điện trở nối đất bổ sung. Chọn nối đất bổ sung ở mỗi chân cột gồm 2 tia nằm ngang có trong đó : k=1,46(do sơ nối đất hình 2 tia) rtt =rđo .km =140.1,6=224W.m : điện trở suất tính toán đối với thanh t0 :độ chôn sâu .t0 =0,8m l: chiều dài thanh.l=10m d: đường kính của thanh , chọn thanh thép dẹt 50x5 (b=50mm) d=b/2=0,025m. Suy ra: điện trở tản của tổ hợp nối đất là n=2 : số tia trong một tổ hợp. Trong sơ đồ bố trí có 20 cột thu sét trên mỗi cột có 2 tia ,trên một tia có 2 cọc. +Điện trở nối đất nhân tạo : Rnt=<1 +Điện trở nối đất an toàn của trạm: Vậy hệ thống nối đất đã chọn của trạm thỏa mãn điều kiện an toàn.