Đồ án Tốt nghiệp Cao áp trạm 220-110 Bắc Ninh

Chương1: Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 1.1 Mở đầu Trạm biến áp và đường dây truyền tải là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Đối với trạm biến áp thì các thiết bị phân phối của trạm thường được đặt ngoài trời, nên khi bị sét đánh trực tiếp có thể sẽ gây ra nhưng hậu quả nặng nề (phong điện, phá hủy cách điện, gây cắt điện…) nếu không được bảo vệ. Sự cố mất điện ở trạm còn ảnh hưởng đến các ngành công nghiệp khác do hậu quả của việc mất điện. Do vậy trạm biến áp có yêu cầu bảo vệ cao. Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng cột thu lôi và dây chống sét bởi vì dùng như vậy sẽ đảm bảo về mặt kinh tế và mỹ thuật. Tác dụng của hệ thống này là tập trung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó tạo ra khu vực an toàn bên dưới hệ thống này. Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dãn dòng sét từ kim thu sét vào hê thống nối đất. Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi có dòng điện sét đi qua thi điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến các thiết bị gần đó. Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lí và đảm bảo về mặt kĩ thuật, mỹ thuật. 1.2 Các yêu cầu kĩ thuật đối với hệ thống chông sét đánh thẳng Yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đánh trực tiếp của trạm biến áp là tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ. Đối với trạm biến áp 220kV ta dùng cột thu lôi, còn đối với đường dây 220kV ta dùng dây chống sét. Đối với trạm biến áp 220kV có mức cách điện cao, do dó có thể đặt các thiết bị thu lôi trên các kết cấu của trạm. Các kết cấu đó phải gắn vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vào hệ thống nối đất theo 3 đến 4 thanh nối đất với hệ thống, mặt khác phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số của điện trở nối đất. Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời là cuộn dây máy biến áp, vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa điểm nối vào cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp phải lớn hơn 15m. Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng sét chạy qua. Đối với các dây chống sét ta treo dọc theo chiều dài của đường dây bảo vệ và đặt cao hơn các đường dây được bảo vệ. 1.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét a, Các công thức sử dụng để tính toán: - Độ cao cột thu lôi: h=hx+ha (1.1) Trong đó : hx: Độ cao vật được bảo vệ ha: Độ cao tác dụng của cột thu lôi, được xác định theo từng nhóm cột (ha ( D/8 m, D là đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh là các chân cột) -Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi độc lập là:
(1.2) - Nếu hx ( 2/3h thì:
(1.3) - Nếu hx > 2/3h thì:
(1.4) - Phạm vi bảo vệ của nhiều cột lớn hơn từng cột cộng lại. Nhưng để phối hơp bảo vệ giữa các cột thì khoảng cách giữa hai cột phải thoả mãn a ( 7h. Khi có 2 cột thu lôi đặt gần nhau thì phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa 2 cột la h0 được xác định theo công thức:
-Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là rxo và được xác định như sau:


Hình 1.1: Trường hợp 2 cột thu lôi có chiều cao bằng nhau -Trường hợp hai cột thu lôi có độ cao khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo vệ như sau: -Khi cột thu lôi A và B có độ cao h1 và h2 như hình vẽ dưới đây:
Hình1.2: Trường hợp 2 cột thu lôi có chiều cao khác nhau -Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi C có độ cao h2, khi đó các khoảng cách AB=a, BC=a’. Khi đó xác định được khoảng cách x và a’ như sau: (1.7) b, Phạm vi bảo vệ của dây chống sét Phạm vi bảo vệ của dây chống sét được thể hiện như hình vẽ:
Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét Chiều rộng của phạm vi bảo vệ được tính theo công thức sau: + Khi hx> 2/3h thì bx=0,6h(1- ℎ 𝑥 ℎ ) (1.8) + Khi hx ( h thì bx=1,2h(1- ℎ 𝑥 0,8ℎ ) (1.9) Chiều dài của phạm vi bảo vệ dọc theo chiều dài đường dây như hình vẽ:
Hình 1.4 : Góc bảo vệ của một dây chống sét Có thể tính toán được góc giới hạn ( là ( là 30
nhưng thực tế thường lấy khoảng (=20
( 25
1.4 Mô tả đối tượng bảo vệ -Trạm biến áp 220kV/110kV Bắc Ninh, gồm hai máy biến áp AT1và AT2 -Chiều rộng trạm 136m -Chiều dài trạm 133m -Các xà ngang phía 110kV cao 8m và các xà dọc cao 11m, các xà ngang phía 220kV cao 11m, các xà dọc cao 17m. -Mặt bằng trạm như hình vẽ : / Hình1.5: Mặt bằng trạm 220kV Bắc Ninh 1.5. Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 1.5.1. Phương án 1: 1.5.1.1 Bố trí các cột thu lôi: Phương án bố trí các cột thu sét được thể hiện trên hình vẽ 1.6 : / Hình 1.6: Bố trí các cột thu lôi của phương án 1 + Phía 110kV bố trí 6 cột trên các xà cao 11m. + Phía 220kV bố trí 10 cột trong đó các cột 8; 10; 11; 14; 15 được đặt trên các xà cao 17m, các cột 9; 12; 13; 16 đặt trên các cột cao 11m 1.5.1.2 Tính toán cho phương án 1: a) Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét Để tính được độ cao tác dụng của các cột thu sét ta phải xác định được đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đi qua các chân cột D. Độ cao tác dụng thoả mãn điều kiện: ha
+) Phía 110kV: Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật (1; 2; 5; 6) là:
Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột 1; 2; 5; 6 là: ha=
Ta nhận thấy các cột 3; 4 cũng có độ cao tác dụng là 8,01m Như vậy ta có thể lấy độ cao tác dụng của các cột phía 110kV là 9m Độ cao cột thu lôi phía 110kV là: h=hx+ha=11+9=20(m) +) Phía 220kV: Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật (8; 9; 12; 13) là:
Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột 8; 9; 12; 13 là: ha=
Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật (12; 13; 15; 16) là:
Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột 12; 13; 15; 16 là: ha=
Đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác vuông (7; 8; 13)
Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột 7; 8; 13 là: ha=
Như vậy ta có thể lấy độ cao tác dụng chung cho các cột là 9m Độ cao cột thu lôi phía 220kV là: h=hx+ha=17+9=26(m) b) Phạm vi bảo vệ của từng cột: b1) Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 20m Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m hx=8<
h=
.20=13,33 nên r8=1,5.20.(1-
)=15(m) Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m hx=11<
h=
.20=13,33 nên r11=1,5.20.(1-
)=9,375(m) b2) Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 26m Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m hx=11<
h=
.26=17,33 nên r’11=1,5.26.(1-
)=18,375(m) Bán kính bảo vệ ở độ cao 17m hx=17<
h=
.26=17,33 nên r17=1,5.26.(1-
)=7,125(m) c) Phạm vi bảo vệ vủa các cặp cột biên. Bảng 1.1. Kết quả tính bán kính bảo vệ giữa các cột thét liền kề + Các cột phía 110kV Cặp cột  Độ cao cột (m)  a (m)  h0 (m)  2/3*h0 (m)  r0x (m)        hx=8m  hx=11m   1-2  20  60  11,43  7,62  3,23  0,35   2-3  20  60  11,43  7,62  3,23  0,35   3-4  20  22,5  16,79  11,19  9,52  5,59   1-6  20  22,5  16,79  11,19  9,52  5,59   + Các cột phía 220kV Cặp cột  Độ cao cột (m)  a (m)  h0 (m)  2/3*h0 (m)  r0x (m)        hx=11m  hx=17m   10-11  26  17  23,57  15,71  13,71  6,1   11-14  26  34,5  21,07  14,04  10,58  3,6   14-15  26  34  21,14  14,09  10,67  3,67   15-16  26  34  21,14  14,09  10,67  3,67   16-7  26  54,85  18,16  12,11  7,14  0,96   + Các cột có độ cao khác nhau giữa phía 110 kV và 220kV Cặp cột  Độ cao cột (m)  a (m)  x (m)  a' (m)  h'o (m)  r0x (m)         hx=8m  hx=11m   4-10  20-26  32  5,43  26,5  15,93  8,44  4,66   6-7  20-26  44,7  5,43  39,3  14,38  6,56  3,06   1.5.1.3 Phạm vi bảo vệ của phương án 1 / Hình 1.7: Phạm vi bảo vệ của phương án 1 Nhận xét: Ta thấy tất cả các thiết bị trong trạm đều được bảo vệ. Tổng số cột là 16 cột. Tổng chiều dài các cột là L=6.9+5.9+4.15+26=185 (m) 1.5.2 Phương án 2: 1.5.2.1 Bố trí các cột thu lôi: Phía 110kV bố trí 10 cột thu lôi trên các xà cao 11m. Phía 220kV bố trí 10 cột thu lôi đặt trên các xà cao 17m và 11m. Riêng cột 11 đặt ở dưới đất như thể hiện trên hình 1.8. / Hình 1.8: Bố trí cột thu lôi cho phương án 1.5.2.2 Tính toán cho phương án 2: a) Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét: +) Phía 110kV Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật (4; 5; 6; 7) là:
Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột 4; 5; 6 là:
=4,69(m) Ta nhận thấy các hình chữ nhật (1; 2; 9; 10); (2; 3; 8; 9); (3; 4; 7; 8) đều có diện tich bằng hình chữ nhật (4; 5; 6; 7) nên độ cao tác dụng tối thiểu của chung đều bằng nhau và bằng 4,69m. Như vậy phía 110kV ta có thể lấy chung độ cao tác dụng cho các cột là ha=5m. Độ cao cột thu lôi phía 110kV là: h=hx+ha=11+5=16(m) +) Phía 220kV Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật (12; 13; 16; 17):
Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột 12; 13; 16; 17 là:
=6,01(m) Hình chữ nhật (13; 14; 15; 16) bằng hình chữ nhật (12; 13; 16; 17) nên độ cao tác dụng tối thiểu của các cột 10; 15 cũng là 6,01m. Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật (15; 16; 18; 19):
Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột 15; 16; 18; 19 là:
=6,05(m) Của cột17; 20cũng là 6,05m. Đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác vuông (11; 17; 12)
Độ cao tác dụng tối thiểu của các cột 11; 17; 20 là:
Như vậy phía 220kV ta có thể lấy độ cao tác dụng chung cho tất cả các cột là 7m. Độ cao cột thu lôi phía 220kV là: h=hx+ha=17+7=24(m) b) Phạm vi bảo vệ của từng cột b1) Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 16m Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m. hx=8<
.16 nên r8=1,5.16.(1-
)=9(m) Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m hx=11>
.16 nên r11=0,75.16.(1-
)=3,75(m) b2) Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 24m Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m hx=11<
.24 nên r11=1,5.24.(1-
)=15,375(m) Bán kính bảo vệ ở độ cao 17m hx=17>
.24 nên r17=0,75.24.(1-
)=5,25(m) c)Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên: Bảng 1.2 : Kết quả tính bán kính bảo vệ giữa các cột thét liền kề + Các cột phía 110kV Cặp cột  Độ cao cột (m)  a (m)  h0 (m)  2/3*h0 (m)  r0x (m)        hx=8m  hx=11m   1-2  16  30  11,71  7,81  3,53  0,59   2-3  16  30  11,71  7,81  3,53  0,59   3-4  16  30  11,71  7,81  3,53  0,59   4-5  16  30  11,71  7,81  3,53  0,59   5-6  16  22,5  12,78  8,52  4,71  1,53   + Các cột phía 220kV Cặp cột  Độ cao cột (m)  a (m)  h0 (m)  2/3*h0 (m)  r0x (m)        hx=11m  hx=17m   14-15  24  34  19,14  12,76  8,27  1,81   15-18  24  34,5  19,07  12,71  8,19  1,75   18-19  24  34  19,14  12,76  8,27  1,81   19-20  24  34  19,14  12,76  8,27  1,81   17-11  24  40,55  18,21  12,14  1,6  1,01   + Các cột có độ cao khác nhau giữa phía 110 kV và phía 220kV Cặp cột  Độ cao cột (m)  a (m)  x (m)  a' (m)  h'o (m)  r0x (m)         hx=8m  hx=11m   6-14  16-24  32  7,68  24,32  12,52  4,41  1,29   10-11  16-24  37,5  7,68  29,82  11,74  3,56  0,61   1.5.2.3 Phạm vi bảo vệ của phương án 2: / Nhận xét: Như vậy toàn bộ các thiết bị của trạm đều được bảo vệ Tổng số cột là 20 Tổng chiều dài các cột là: L=10.5+2.7+7.13+24=179(m) 1.6 So sánh và lựa chọn phương án Qua 2 phương án ta thấy cả 2 phương án đều bảo vệ được các thiết bị trong trạm. Tổng chiều dài các cột của phương án 2 nhỏ hơn phương án 1 như vậy về mặt kinh tế có lợi hơn, hơn nữa phạm vi bảo vệ của phương án 2 cũng rộng hơn nên ta lựa chọn phương án 2 làm phương án thiết kế. Chương2: Tính toán nối đất cho trạm 2.1 Yêu cầu nối đất cho trạm biến áp. Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện áp trên vật nối đất có trị số bé. Hệ thống nối đất là một bộ phận quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp, Tuỳ theo nhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia làm 3 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 trung tính trực tiếp nối đất -Nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dung trong bù ngang cho các đường dây cao áp. Nối đất an toàn Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho 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 nhỏ không gây nguy hiểm cho người. Nối đất chống sét Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi có sét đánh vào cột thu lôi hay dây chống sét. Hạn chế sự 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 kì trên cột điện và đất. Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trong thực tế 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 điện trở nối đất phải nhỏ. Khi điện trở nối đất nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng của nối đất an toàn hơn. Nhưng để đạt được điện trở nối đất nhỏ thì rất tốn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho hợp lí cả hai yếu tố đảm bảo kỹ thuật và 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:
. + 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 khong 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, a xít ... 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: 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 Tính toán nối đất Điện trở suất đo được của đất:
. Điện trở nối đất cột đường dây ta xét với giá trị:
. Dây chống sét sử dụng loại C- 90, điện trở của 1km đường dây này là 1,85
/km 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 và 220kV tới trạm. Ta có công thức sau:
. (2.3) Trong đó : n: số lộ dây. Rcs: điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt. Rc : điện trở nối đất của cột điện, với Rc=8(
) Vậy
Ta thấy RTN<0,5Ω đạt yêu cầu về lý thuyết. Tuy vậy nối đất tự nhiên có nhiều thay đổi vì vậy để đảm bảo an toàn ta phải nối đất nhân tạo. b. Điện trở nối đất nhân tạo. Nối đất có các hình thức cọc dài 2-3m bằng sắt tròn hay sắt chôn thẳng đứng. Thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu 0,5-0,8m đặt theo hình tia; mạch vòng hoặc tổ hợp của hai hình thức trên. - Đối với nối đất chôn nằm ngang có thể dùng công thức chung sau:
(2.4) Trong đó : L: chiều dài tổng của điện cực. d: đường kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn. Nếu dùng sắt dẹt thì trị số
thay bằng
với b là chiều rộng của sắt dẹt. t: độ chôn sâu. K: hệ số hình dạng phụ thuộc sơ đồ nối đất. - Hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu vi mạch vòng:
. (2.5) Trong đó: RC: điện trở tản của một cọc. RT: điện trở tản của tia hoặc của mạch vòng. n: số cọc. ηT: hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng. ηC: hệ số sử dụng của cọc. Đối với trạm biến áp này thì ta thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo sử dụng hình thức nối đất mạch vòng xung quanh trạm bằng các thanh dẹt. Mạch vòng cách móng tường bao quanh trạm mỗi chiều 1m. Mạch vòng bao quanh trạm có chiều dài là l1=134m, chiều rộng là l2 =131m và có chu vi là Lt=530 (m) Điện trở mạch vòng của trạm là:
(2.6) Trong đó: Lt: chu vi mạch vòng, Lt=530m. t: Độ chôn sâu của thanh lấy t= 0,8m. ρtt: 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 t=0,8m ta có kmùa=1,6.
d: đường kính thanh làm mạch vòng. Chọn thanh có bề rộng là b=4cm.
K: hệ số hình dạng phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất. Giá trị của
được cho ở bảng sau: Bảng 2.1: Bảng
l1/l2  1  1.5  2  3  4   K  5,53  5,81  6,42  8,17  10,4   Ta có đồ thị sau: / Hình 2.1: Hệ số hình dạng

Tra đồ thị ta có:
Vậy điện trở mạch vòng là:

đạt yêu cầu. Ta có điện trở nối đất của hệ thống:

đạt yêu cầu. 2.2.2