Tính toán nối đất cho trạm 110/35 kv Châu Khê - Bắc Ninh

Chương 2: Tính toán nối đất cho trạm 110/35 kv Châu Khê - Bắc Ninh 2.1- Giới thiệu chung và một số vần đề kỹ thuật khi tính toán nối đất trạm biến áp. Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé. Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp, do đó việc nối đất của trạm biến áp, các cột thu lôi, các đường dây, các thiết bị chống sét phải được tính toán cụ thể trong khi thiết kế. Nối đất làm việc. Nhiệm vụ chính của nối đất làm việc là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị, hoặc một số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ nối đất trực tiếp. Thường là nối đất điểm trung tính máy biến áp. Trong hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện. Nối đất chống sét. Nối đất chống sét có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất (khi sét đánh vào cột thu lôi hay đường dây) để giữ cho điện thế mọi điểm trên thân cột không quá lớn tránh trường hợp phóng điện ngược từ cột thu lôi đến các thiết bị cần được bảo vệ. Nối đất an toàn. Nối đất an toàn có tác dụng đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hư hỏng. Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại để khi cách điện bị hư hỏng do lão hoá thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhỏ không nguy hiểm (nếu không nối đất thì điện thế này sẽ làm nguy hiểm đến con người khi chạm vào chúng). Do đó nối đất các bộ phận này là để giữ điện thế thấp và bảo đảm an toàn cho con người khi tiếp xúc với chúng.Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trong thực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ. Song hệ thống nối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của các thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm đất lớn do vậy yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ. Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng của nối đất tốt hơn an toàn hơn. Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏ thì rất tốn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế. Một số yêu cầu về kỹ thuật của điện trở nối đất: + Đối với các thiết bị điện nối đất trực tiếp,dòng điện ngắn mạch lớn(>500A), yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mãn: R Ê 0,5W. + Đối với các thiết bị có điểm trung tính không trực tiếp nối đất thì: + Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một hệ thống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì: + Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thoả mãn yêu cầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì không cần nối đất nhân tạo nữa. Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thoả mãn đối với các thiết bị cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R Ê 1W. Bất kỳ một hệ thống nối đất nào cũng phải có các điện cực chôn trong đất và nối với thiết bị mà ta cần nối đất (điện cực thường sử dụng là các cọc sắt thẳng đứng hay các thanh dài nằm ngang) các điện cực này được chôn trong đất có mức tản dòng điện sét phụ thuộc vào trạng thái của đất (vì đất là môi trường không đồng nhất, khá phức tạp, nó phụ thuộc vào thành phần của đất như các loại muối, a xít ... chứa trong đất ). Điều kiện khí hậu cũng ảnh hưởng đến độ dẫn điện của đất. ở Việt nam khí hậu thay đổi theo từng mùa độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất cuả đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng. Do vậy trong tính toán thiết kế về nối đất thì trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn. Công thức hiệu chỉnh như sau: rtt = rđ.Km Trong đó: rtt: là điện trở suất tính toán của đất. rđ: điện trở suất đo được của đất. Km : hệ số mùa của đất. Hệ số K phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực. Vì trạm trạm biến áp có hai cấp điện áp là 35kV và 220kV nên đối với điện áp 35 kv nối đất chống sét và nối đất an toàn riêng biệt đối với điện áp 220 kv nối đất chống sét và nối đất an toàn chung 2.2- Các số liệu dùng để tính toán nối đất. Điện trở suất đo được của đất: rđ = 0,65.104 Wcm =0,65.102 Wm. Điện trở nối đất cột đường dây: Rc = 9 W. Dây chống sét sở dụng loại C- 70 có điện trở đơn vị là: Ro =2,38W/km. Chiều dài khoảng vượt đường dây là: Đối với 110kV: l = 200m. Dạng sóng tính toán của dòng điện sét: Trong đó: a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/ms I: biên độ dòng điện sét I = 150kA tđs: thời gian đầu sóng lấy bằng 5ms = 2.3- trình tự tính toán. 2.3.1Nối đất an toàn. a.đối với điện áp 35 kv Nối đất an toàn với mục đích là bảo vệ con người. Nối đất an toàn với trạm có điện áp 35kV phải thoả mãn điều kiện sau: Rđ≤ 4 Ω Ta sử dụng các thanh kim loại tiết diện tròn đường kính 2cm chôn sâu 0.8m xung quanh trạm cách hệ thống chống sét 1 m để đảm bảo dễ thi công và hệ thống nối đất của 2 phía không ảnh hưởng lẫn nhau . hình (2.2) nối đất an toàn mạch vòng phiá 35kV Trong đó: - RT: điện trở của thanh nối đất - r : điện trở suất. r=0,65 102  ( W.m) -km:hệ số mùa km=1.6 - h: độ chôn sâu. h = 0,8 m. - L: chu vi mạch vòng nối đất. L = 2( l1 + l2 ) = 2(55+27,175 ) =164,35( m). - d: đường kính thanh, d = 2 cm=0,02 m. - k: hệ số hình dáng . k = f(l1/ l2) = f(55/27,175) = f(2,023) k=6,43 hệ số hình dáng tra đồ thị hình (2.3) 0 2 4 6 8 10 12 0 1 2 3 4 5 l1/l2 k Hình 2.3 Với các số liệu trên ta có giá trị điện trở nối đất mạch vòng là. Ta có Rmv=1,63Ω < 4Ω nên ta không phải đóng thêm cọc. b.đối với khu vực trạm có điện áp điện áp 110 kv RHT Ê RTN // RNT Ê 0,5 W. RNT Ê 1 W. Nối đất an toàn với mục đích là bảo vệ con người. Nối đất an toàn với trạm có điện áp từ 110kV trở lên phải thoả mãn 2 điều kiện sau: Trong đó : RTN : điện trở nối đất tự nhiên . Ta lợi dụng hệ thống dây chống sét cột. Với: n: Số tuyến đường dây của trạm ta có n=2. Dây chống sét ta sử dụng loại C-70 có r0=2,38(W/km) - Rcs: Điện trở của dây chống sét trong một khoãng vượt Rcs = R0.L = 2,38.L - Rc: Điện trở nối đất của cột Rc = 1 0W.(theo đề bài) - L: Chiều dài khoảng vượt Đường dây 110kV có L = 200m. Với các giá trị trên ta có điện trở nối đất tự nhiên ta nối đất nhân tạo - Với RNT: Điện trở nói đất nhân tạo. W ị Kết hợp với điều kiện khi nối đất nhân tạo thì RNT1(W) ta có điều kiện đối với điện trở nhân tạo là: RNT1(W). Ta tiến hành nối đất nhân tạo với RNT1(W). Đối với nối đất nhân tạo cho trạm biến áp thì có nhiều cách thức khác nhau như nối đất kiểu lưới ,kiểu mạch vòng … . Ta sẽ sử dụng nối đất dạng mạch vòng xung quanh trạm bằng các thanh nối tròn đường kính d=2 cm.Kích thước của trạm có dạng hình chữ nhật,các cạnh có chiều dài là l1= 57(m), l2=29,175(m).Do đó ta sử dụng mạch vòng nối đất hình chữ nhật theo chu vi trạm 110 kv Vì điều kiện RNT Ê 1 W nên lấy RNT = 1 W. Ta thiết kế hệ thống nối đất theo điện trở nối đất nhân tạo. Trong đó: - RT: điện trở của thanh nối đất . - h: độ chôn sâu. h = 0,8 m. - L: chu vi mạch vòng nối đất. L = 2( l1 + l2 ) = 2( 57 + 29,175 ) =172,35m. - d: đường kính thanh. Sử dụng thanh có tiết diện tròn với d = 2 cm.=0,02m - k: hệ số hình dáng . k = f(l1/ l2) = f(57/29,175) = f(1.95) = 6,35 Thay các giá trị vào ta có: Ta có: RMV ≥RNT nên phải đóng cọc vào hệ thống nối đất Chọn cọc dài 2m đường kính 6 cm điện trở của cọc được tính theo công thức trong đó; t=h+l/2 = 1,8 m r=0,65.104 W cm l=2m d=6 cm kmc =1,4 h a l=2m Hình (4 – 3 ): Sơ đồ bố trí mạch vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm =34,54 W công thức tính điện trở của hệ thống mạch vòng và cột rnt= trong đó n: số cột c hệ số sử dụng cột t hệ số sử dụng thanh chọn n=100 a= =1,7235 a/l=1,7235/2=0,86 tra bảng phụ lục ta có c=0,33 t=0,18 vậy r= W Vậy nối đất an toàn đã thỏa mãn 2.3.2Nối đất chống sét a)Nối đất chống sét cho phía 35kV Trạm ở phía 35kV nối đất chống sét riêng biệt với nối đất an toàn Ta sẽ tính điện trở nối đất theo điều kiện đảm bảo khoảng cách an toàn trong đất và trong không khí để không bị phóng điện ngược lên thiết bị cường độ điện trường cách điện xung kích kk =500kv/m dất 300 kv/m Trong đó: Is: Dòng điện sét, Is=150kA L: Điện cảm đơn vị của dây cột thu sét, L=1.7mH/m l: độ cao cần bảo vệ l=9 m a=dis/dt: Độ dốc dòng sét, a=30kA/ms Theo quy định thì Sk≥5m, Sđ≥3m Với Sk=5m W Với Sđ=3m W Vậy ta chọn Rđ= 6 Ω Ta sử dụng sơ đồ nối đất hình tia tại chân mỗi cột, số tia là 3, chiều dài mỗi tia là 10 m. Điện trở của tia được tính theo công thức. Trong đó: l: Tổng chiều dài các tia, l=30m : Hệ số mùa sét của thanh =1,25 K: Hệ số hình dáng của tia, K=2.38 h: Độ chôn sâu, h=0.8m d: Đường kính thanh, d=2cm Vậy điện trở nối đất của tia là Ta có =5,08Ω< 6Ω vậy nối đất chống sét thoả mãn 10 m b). đối với trạm 110 kv Vì trạm sử dụng hệ thống nối đất phân bố dài (nối đất mạch vòng) nên đồng thời phải xét đến cả hai quá trình là : Quá trình quá độ và quá trình phóng điện trong đất. Do việc sử dụng một hệ thống nối đất chung cho cả nối đất an toàn và nối đất chống sét nên ta phải tính toán lại điện trở nối đất nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét . Vì trong nối đất chống sét : Khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8(m) thì kmùa=1,25. Khi dùng cọc dài 2(m) chôn sâu 0,8 (m) thì kmùa=1,25 Nên ta có : =1,56.=1,22 W = 34,54. W = Để đơn giản bỏ qua ảnh hưởng của quá trình phóng tia lửa điện trong đất và cho rằng điện trở suất của đất là không đổi ,như vậy trong tính toán điện trở xung kích của nối đất kéo dài có thể dùng sơ đồ thay thế tương tự như đối với đường đây trên không .Vì điện trở bản thân cực bé hơn rất nhiều so với điện cảm của nó, ảnh hưởng của điện dung C cũng rất nhỏ so với ảnh hưởng của điện dẫn g nên có thể bỏ qua do đó ta có sơ đồ thay thế : Hình 4: Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất. LO GO IS Các tham số phân bố L0, G 0xác định theo công thức: . L0 :Điện cảm trên một đơn vị dài của cực nối đất - l: chiều dài của một nửa vòng nối đất l=L/2 = 172,35/2 = 86,175 m. - r: bán kính của thanh nối đất tiết diện tròn (r = d/2 = 1(cm)). . Và: . G0 :Điện dẫn trên một đơn vị dài của cực nối đất Từ sơ đồ đẳng trị có thể thành lập được hệ phương trình vi phân Điều kiện : i(0,t) = at I(l,t) = 0 Sau khi giải các phương trình vi phân trên (dạng sóng của dòng điện ở đầu vào của bộ phận nối đất có dạng sóng xiên góc i(o,t) = a.t), sẽ được điện áp tại điểm bất kỳ trên điện cực. Z(x,t) là điện trở xung kích của nối đất kéo dài , nó là hàm số của không gian x và thời gian t. Tổng quát : Suy ra tổng trở xung kích đầu vào: ZXK = Z ( 0 , t) / 2 = Ta có ZXK ở thời điểm đs : ZXK = Để xác định được ZS(0, tđs),ta xét các chuỗi số sau: Chuỗi số : Chuỗsố: Trong chuỗi số này ta chỉ xét đến số hạng chứa e-4(Từ số hạng e-5 trở đi có giá trị rất nhỏ so với các số hạng trước nên ta có thể bỏ qua ).Tức là ta tính với k sao cho :``` kẻZ+. hay Ta có : ; k ≥4 Ta chọn k trong khoảng từ 1á4(kẻZ+) Với: t = tđs = 5 ms, , Với 1á6(kẻZ+) ta có bảng kết quả sau : k 1 2 3 4 Tk(ms) 19.750 9.875 6.583 4.938 0.776 0.603 0.468 0.363 0.776 0.151 0.052 0.023 1,002 Từ bảng trên ta có . Vậy : Uđ=I.ZS(0, tđs)=150.4,62=693 (kV). Vì Uđ=693(kV) >U50%MBA=460(kV) nên phải tiến hành nối đất bổ xung để đảm bảo không có phóng điện ngược Nối đất bổ sung : Tại tất cả cỏc chõn cột thu sột , ta sử dụng nối đất tập trung gồm thanh và cọc . + )Với thanh nối đất bổ xung là thộp dẹt cú kớch thước : Chiều dài : l = 10 m Bề rộng : b = 0,04 m + ) Dọc theo chiều dài thanh cú chụn 3 cọc trũn cú kớch thước : Chiều dài cọc : l = 2 m Đường kớnh cọc : d = 0,04 m Khoảng cỏch giữa 2 cọc : a = 5 m + ) Độ chụn sõu của thanh và cọc : t = 0,8 m Sơ đồ nối đất của tia bổ xung : t = 0,8m t’ LT Lcoc + ) Điện trở nối đất của thanh bổ sung : ρtt = Kmt. ρ = 1,25.0,65.10 = 81,25 Ωm l = 10m ; K = 1 ; h= 0,8 m ; d = b/2 = 0,04/2 = 0,02 m → = 11,3 Ω + ) Điện trở nối đất của cọc bổ sung : ρtt = Kmc . ρ = 1,15.0,65.10 = 74,75Ωm l = 2 m ; d = 0,04 m ; → Điện trở nối đất bổ sung của hệ thống nối đất thanh và cọc được xỏc định theo cụng thức : Trong đú : ηc ; ηt : Hệ số sử dụng của cọc và thanh . Với n = 3 ; lcoc = 2 m ; a = 5 m => ,tra bảng ta sẽ được : ηc = 0,86 ; ηt = 0,9 → Tổng trở vào của hệ thống nối đất khi cú nối đất bổ xung : = A + B A = = Xột chuỗi số : , với chuỗi số này ta chỉ sột đến e-4 ( vỡ từ etrở đi cú giỏ trị rất nhỏ ) , tương đương với việc tỡm XK sao cho : = 2. . = .3,97 = 12,48 Trong đú XK là nghiệm của phương trỡnh : , tương đương với việc giải hệ phương trỡnh : y2 = - 0,12.xk Ta dựng phương phỏp đồ thị để giải hệ phương trỡnh trờn Ta được cỏc nghiệm giải bằng phương phỏp đồ thị như sau : X1 = 2.85 (rad ) X2 = 5,67 (rad ) X3 = 8,64(rad ) X4 = 11,65 (rad ) X5 = 14,67 (rad ) > 12,48 nờn ta chỉ lấy 4 nghiệm trờn Từ đú ta lập bảng để tớnh giỏ trị của chuỗi số với cỏc giỏ trị XK ( K=1 ữ 6 ) Ta cú = 0,253 ; = . Từ đú ta cú kết quả tớnh BK như sau : K 1 2 3 4 xk 2.85 5.67 8.64 11.65 cos xk -0.9578 0.8178 -0.7075 0.6087 1/ cos2 xk 1.0901 1.4952 1.9975 2.6989 1.2101 1.6152 2.1175 2.8189 0.253 0.253 0.253 0.253 0.2082 0.8241 1.9136 3.4791 0.8120 0.4386 0.1476 0.0308 BK 1.0200 0.4128 0.1059 0.0166 Tổng 1,555 Trong đú : Từ bảng kết quả trờn ta cú : Suy ra ZXK ( 0 , τđs ) = A + B = 0,67 + 1,555 = 2,225Ω Suy ra UXK = IS . ZXK ( 0 , τđs ) = 150.2,225= 333,75 kV < U= 460 kV Kết luận : Như vậy là hệ thống nối đất trờn cú nối đất bổ sung thỏa món yờu cầu chống sột . Ta có sơ đồ nối đất cho toàn trạm: