Đồ án Kỹ thuật điện cao áp

ĐẶT VẤN ĐỀ Trong hệ thống điện trạm biến áp và đường dây điện là 2 phần tử quan trọng, làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối năng lượng điện.Bảo vệ trạm biến áp và đường dây là nhiệm vụ quan trọng để việc cung cấp năng lượng điện được liên tục và ổn định. Bảo vệ chống sét trạm biến áp,đường dây bao gồm các phần: + Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp: các trạm biến áp được bảo vệ bằng dây chống sét (treo trên các thiết bị và các xà đỡ dây, thanh cái) hoặc các cột chống sét kiểu Franklin. + Mạng lưới nối đất: để tản dòng điện sét trong đất hạn chế các phóng điện ngược trên các công trình cần bảo vệ. + Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào đường dây . + Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm. Yêu cầu đề ra là thiết kế chống sét cho trạm phân phối 110/22kV Mỹ Xá với số liệu sau : Sơ đồ: 110kV Sơ đồ một thanh góp . 22kV được bọc chì chôn xuống đất. Độ cao cần bảo vệ: Trạm 110kV là 11m và 8m. Máy biến áp: TM 110/22kV. Có 2 đường dây 110kV vào trạm. Điện trở suất của đất: 95 Ωm. Sơ đồ mặt bằng, mặt cắt đi kèm. CHƯƠNG I: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 1.1. CÁC YÊU CẦU: Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ. Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các yêu cầu cụ thể, hệ thống các cột thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn như xà, cột đèn chiếu sáng... hoặc được đặt độc lập. Khi đặt hệ thống cột thu sét trên kết cấu của trạm sẽ tận dụng được độ cao vốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của cột thu sét. Tuy nhiên đặt hệ thống thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có sét đánh sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột. Phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang các phần tử mang điện khi cách điện không đủ lớn. Do đó điều kiện để đặt cột thu sét trên hệ thống các thanh xà trạm là mức cách điện cao và điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ. Đối với trạm phân phối ngoài trời từ 110kV trở lên do có cách điện cao nên có thể đặt cột thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối. Các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối theo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện IS khuếch tán vào đất theo 3 - 4 cọc nối đất. Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất. Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngài trời điện áp 110kV trở lên là cuộn dây của máy biến áp. Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của cột thu sét và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m. Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110kV trở lên cần chú ý nối đất bổ sung ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu sét vào hệ thống nối đất nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4Ω. Khi dùng cột thu sét độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu sét đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu sét đến vật được bảo vệ. Việc lắp đặt các cột thu sét làm tăng xác suất sét đánh vào diện tích công trình cần bảo vệ, do đó cần chọn vị trí lắp đặt các cột thu sét một cách hợp lý. Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua. Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện đến đèn phải được cho vào ống chì và chèn vào. 1.2. PHẠM VI BẢO VỆ CỦA HỆ THỐNG THU SÉT: 1.2.1. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét. Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thu hút phóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫn dòng điện sét xuống đất. Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào một điểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào trên công trình.Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vật cần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ . a. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi phương trình.
(1-1) Trong đó : h: độ cao cột thu sét. hX: độ cao cần bảo vệ. ha=h-hX: độ cao hiệu dụng cột thu sét. rX: bán kính của phạm vi bảo vệ. Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ dạng đơn giản hoá đường sinh của hình chóp có dạng đường gẫy khúc như hình sau:
 Hình 1.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét. Bán kính được tính toán theo công thức sau: Nếu
thì
(1.2) Nếu
thì
(1.3) Các công thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dưới 30m. Hiệu quả của cột thu sét cao trên 30m giảm đi do độ cao định hướng của sét giữ hằng số. Có thể dùng các công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh
và trên hoành độ lấy các giá trị
và
. b. Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét. Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vi bảo vệ các cột đơn cộng lại. Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn
(trong đó h là độ cao của cột thu sét). Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột. Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm: 2 đỉnh cột và điểm có độ cao h0 - độ cao lớn nhất giữa hai cột được bảo vệ xác định theo công thức:
(1.4) Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là r0xvà được xác định như sau: Nếu
thì
(1.5) Nếu
thì
(1.6) Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì có các hiệu chỉnh hệ số
; trên hoành độ lấy các giá trị
và
; khi đó h0 tính theo công thức :
(1.7)
 Hình 1.2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau. c. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau. Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo vệ được xác định như sau: Vẽ phạm vi bảo vệ của cột thấp (cột 1) và cột cao (cột 2) riêng rẽ. Qua đỉnh cột thấp (cột 1) vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của một cột thu sét giả định. Cột 1 và cột 3 hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau (h1) với khoảng cách a’. Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h1. Điểm này được xem như đỉnh của một cột thu sét giả định. Ta xác định được các khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h1 là a' và x như sau: / Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.
(1.8)
(1.9) Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ 2 cột có độ cao bằng nhau. d. Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột thu sét (số cột >2). Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao tác dụng của cột thu lôi phải thoả mãn:
(1.10) Trong đó: D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột. ha=h- hx : độ cao hiệu dụng của cột thu sét. Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b,c có:
(1.11) với p là nửa chu vi :
(1.12) Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật:
(1.13) với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật. Độ cao tác dụng của cột thu sét ha phải thoả mãn điều kiện:
(1.14)

 Hình1.4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ nhật. 1.2.1. Phạm vi bảo vệ của dây thu sét. a. Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét. Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng. Chiều rộng của phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như sau :
 Hình1.5 : Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét. Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta có các hoành độ 0,6h và 1,2h. Nếu
thì
(1.15) Nếu
thì
(1.16) Khi độ cao cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p. b. Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét. Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữa hai dây thu sét phải thoả mãn điều kiện :
Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao h0.
(1.17) Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của một dây, còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm là hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao h0.
 Hình 1.6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét. 1.3. PHƯƠNG ÁN BẢO VỆ CỦA HỆ THỐNG THU SÉT 1.3.1. Phương án 1. 1.3.1.1. Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét. Ta bố trí các cột thu sét như sau: Phía 110kV đặt 4 cột: Hai cột 1, 4 đặt trên xà cao 11m ; hai cột 2, 3 được xây dựng độc lập. / Hình 1.7: Sơ đồ mặt bằng bố trí cột thu sét 1.3.1.2. Tính toán cho phương án 1 a). Tính độ cao tác dụng của cột thu sét: Để tính được độ cao tác dụng ha của các cột thu sét ta cần xác định đường kính D của đường tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác) qua ba (hoặc bốn) đỉnh cột. Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hoặc bốn) đó được bảo vệ thì phải thoả mãn điều kiện
Phía 110kV: Loại cột  Nhóm cột  a (m)  b (m)  D (m)  ha (m)   Chữ nhật  1-2-3-4  25  28  37,54  4,69   Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=11m và ha=4,69m. ta chọn ha=5m. Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 110kV là :
và ở đây dùng xà để làm giá đỡ cho cột thu lôi. b). Phạm vi bảo vệ của từng cột : Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 16m. Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m. Do
vậy
Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m. Do
vậy
c). Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên : NHÓM CỘT CẠNH NHAU   110kV   Cặp cột  Độ cao cột (m)  a (m)  h0 (m)  2/3*h0 (m)  r0x (m)        hx=11m  hx=8m   1-2  16,00  25  12,43  8,29  1,07  3,65   2-3  16,00  28  12  8  0,75  3   3-4  16,00  25  12,43  8,29  1,07  3,65   4-1  16,00  28  12  8  0,75  3   1.3.1.3. Phạm vi bảo vệ phương án 1. Vì phạm vi bảo vệ cho dộ cao h
=11m đã được bảo vệ nên với độ cao h
=8m chắc chắn được bảo vệ nên ta không vẽ phạm vi bảo vệ cho h
=8m.Phạm vi bảo vệ cho phương án 1 như hình vẽ sau: / Hình 1.8: Phạm vi bảo vệ phương án 1 1.3.1.4. Kết luận: Phương án bảo vệ thoả mãn yêu cầu đặt ra. Tổng số cột : 4 cột cao 16m. Tổng chiều dài:
1.3.2. Phương án 2. 1.3.2.1. Sơ đồ mặt bằng bố trí dây thu sét. / Hình 1.9: Sơ đồ mặt bằng bố trí dây thu sét Trạm 110kV có treo 4 dây chống sét C-70 , 2 dây 12 và 34 dài l= 25m, 2 dây 14 và 23 dài 28m. Khoảng cách giữa hai dây 12 và 34 là S=28m, khoảng cách giữa 2 dây 14 và 23 là 25m. Để bảo vệ toàn bộ xà trong trạm thì : ho = hxmax = 11m Xét 2 dây 12 và 34:
Xét 2 dây 14 và 23:
Do dây thu sét bị võng nên độ cao của cột treo dây phải tính đến độ võng của dây. 1.3.2.2. Tính toán cho phương án 2 Độ võng của dây Ứng suất cho phép: δcp = 31kg/mm2 Môđun đàn hồi: E=200.103kg/mm2 Hệ số dãn nở nhiệt:
Nhiệt độ ứng với trạng thái bão: θbão=25oC Nhiệt độ ứng với trạng thái min: θmin=5oC Tải trọng do trọng lượng gây ra: g1=8.10-3kg/m.mm2 Tải trọng do gió gây ra (áp lực gió cấp 3 với v=30m/s) :

có


Tải trọng tổng hợp:
Ta có:

Kiểm tra điều kiện ta thấy l < lgh + Với khoảng vượt l1 =25m. Phương trình trạng thái ứng vơi θmin có dạng:



Ta có phương trình :
có nghiệm
Độ võng:
Độ cao cột treo dây thu sét :
+ Với khoảng vượt l2 =28m. Phương trình trạng thái ứng vơi θmin có dạng:



Ta có phương trình :
có nghiệm
Độ võng:
Độ cao cột treo dây thu sét :
Vậy chọn độ cao treo dây thu sét là h=19m. a.)Phạm vi bảo vệ của dây thu sét: Ta chỉ tính cho vị trí cao nhất ứng với đỉnh cột(vì độ chênh lệch giữa vị trí cao nhất và thấp nhấp không đáng kể). Bảo vệ ở độ cao 11m: Do
thì
Bảo vệ ở độ cao 8m: Do
thì
Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai dây12 và 34
Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa hai dây14 và 23
b.)Phạm vi bảo vệ của từng cột thu sét phía 110kV: Ta đăt cột thu sét bao biên có độ cao 19m. Do
vậy
Do
vậy
1.3.2.3. Phạm vi bảo vệ của phương án 2: Ta chỉ cần vẽ phạm vi bảo vệ cho độ cao h
=11m / Hình 1.10. Phạm vi bảo vệ của phương án 2 1.3.2.4. Kết luận: Phương án có phạm vi bảo vệ thoả mãn yêu cầu đặt ra. Tổng số cột : 4 cột cao 19m . Tổng chiều dài cột:
Tổng chiều dài dây chống sét:
* NHẬN XÉT: Qua tính toán ta thấy cả 2 phương án trên đều thoả mãn nhu cầu kỹ thuật đề ra. Phương án 1: Có chiều dài cột phải xây dựng là 42m. Phương án 2: Có chiều dài cột phải xây dựng là 54m, dây chống sét là 106m. Mặt khác nếu chọn phương án 2 phải thêm cột, dây néo, do vậy ta chọn phương án 1 chống sét đánh trực tiếp vào trạm. CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM 2.1. YÊU CẦU KỸ THUẬT KHI NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP. Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúc với dòng điện (hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất. 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. Tuỳ theo nhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia làm ba loại. Nối đất làm việc. Nhiệm vụ chính 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 làm việc đã được quy định sẵn. + Nối đất điểm trung tính máy biến áp. + 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 an toàn. Có nhiệm vụ 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. Khi cách điện bị hư hỏng do lão hoá thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhưng do nối đất nên điện thế này có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho người tiếp xúc. 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. Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng quá điện áp do phóng điện sét gây nên. Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ trên cột điện và đất. Nếu không, mỗi khi có sét đánh vào cột chống sét hoặc trên đường dây, sóng điện áp  có khả năng phóng điện ngược tới các thiết bị và công trình cần bảo vệ, phá huỷ các thiết bị điện và máy biến áp. 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: Trị số điện trở nối đất của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số điện áp bước và tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không vượt quá giới hạn cho phép. + Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mãn:
+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện 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:
. Dòng điện I tùy theo mỗi 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 (cả mạng trên không và mạng cáp): I = 3.Uf.(. C Trong đó: C là điện dung của một pha của hệ thống nối đất. Uf là điện áp pha. * Nếu hệ thống có thiết bị bù thì dòng điện tính toán I là phần dòng điện còn lại hay chưa được bù của dòng điện ngắn mạch chạm đất trong mạng khi đã cắt đi thiết bị bù có công suất lớn nhất, nhưng chú ý là phần dòng điện ấy không được 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. + 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:
. + Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn có như các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chôn trong đất...Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia. + Vì đất là môi trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất như các loại muối, axít ... chứa trong đất,độ ẩm , nhiệt độ và điều kiện khí hậu. 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:
(2.1) Trong đó: (tt: là điện trở suất tính toán của đất. (đo: điện trở suất đo được của đất. Km: hệ số mùa của đất. Hệ số Km phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực. 2.2- CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT. Điện trở suất đo được của đất:
. Điện trở nối đất cột đường dây:
. Dây chống sét sử dụng loại C- 70 có điện trở đơn vị là:
. Chiều dài khoảng vượt đường dây là:
. Điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt là :
. Số lộ trong trạm:
. 2.2.1. Nối đất an toàn. Cho phép sử dụng nối đất an toàn với nối đất làm việc thành một hệ thống. Điện trở nối đất của hệ thống là :
.  (2.2) Trong đó : RTN: điện trở nối đất tự nhiên. RNT: điện trở nối đất nhân tạo
. a- Điện trở nối đất tự nhiên. Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đường dây và cột điện 110kV. Ta có công thức sau:
. (2.3)