Tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110KV

Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
chơng I
TíNH TOáN BảO Vệ Chống SéT ĐáNH TRựC TIếP VàO
TRạM Biến áp 220/110KV
*******
1.1 CáC YÊU CầU Kỹ THUậT
1)Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải đợc nằm trọn trong phạm vi an toàn của hệ thống
bảo vệ. Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp mà hệ thống các cột thu
sét có thể đợc đặt trên các độ cao có sẵn của công trình nh xà, cột đèn chiếu sáng. . . hoặc
đợc đặt độc lập.
- Khi đặt hệ thống cột thu sét trên bản thân công trình, sẽ tận dụng đợc độ cao vốn có
của công trình nên sẽ giảm đợc độ cao của hệ thống thu sét. Tuy nhiên điều kiện đặt hệ
thống thu sét trên các công trình mang điện là phải đảm bảo mức cách điện cao và trị số
điện trở tản của bộ phận nối đất bé
+Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên do có cách điện cao (khoảng
cách các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể đặt cột thu sét trên các kết cấu
của trạm. Tuy nhiên 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 đờng ngắn nhất và sao cho dòng điện i
s
khuyếch
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 nhằm đảm bảo điện trở không quá 4.
+Nơi yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời điện áp 110 kV trở lên là cuộn dây của
MBA. Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ MBA thì yêu cầu khoảng cách giữa hai
điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA theo đờng điện phải lớn
hơn 15m.
- Khi đặt cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình phải có khoảng cách nhất định,
nếu khoảng cách này quá bé thì sẽ có phóng điện trong không khí và đất
2) Phần dẫn điện của hệ thống thu sét có phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo thoả mãn
điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua.
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng

3
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
1.2 phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét
1.2.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét
1) Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập.
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là miền đợc giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp
tròn xoay có đờng kính xác định bởi công thức.

)hh(
h
h
1
6,1
r
x
x
x

+
=
( 1 1 )
Trong đó:
h: độ cao cột thu sét
h
x
: độ cao vật cần bảo vệ
h- h
x
= h
a

: độ cao hiệu dụng cột thu sét
r
x
: bán kính của phạm vi bảo vệ
Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thờng dùng phạm vi bảo vệ dạng dạng
đơn giản hoá với đờng sinh của hình chóp có dạng đờng gãy khúc đợc biểu diễn nh hình vẽ
dới đây.
a'
b
c
a
h
0,8h
0,2h
0,75h
1,5h
R
Hình 1- 1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.
Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau đợc tính toán theo công thức sau.
+ Nếu
h
3
2
h
x

thì
)
h.8,0
h

- 1,5.h.(1 r
x
x
=
( 1 2 )
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
4
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
+ Nếu
h
3
2
h
x
>
thì
)
h
h
- 0,75.h.(1 r
x
x
=
( 1 3 )
Chú ý:
Các công thức trên chỉ đúng trong trờng hợp cột thu sét cao dới 30m. Hiệu quả của cột thu
sét cao quá 30m có giảm sút do độ cao định hớng của sét giữ hằng số. Có thể dùng các công
thức trên để tính phạm vi bảo vệ nhng phải nhân với hệ số hiệu chỉnh p. Với
h
5,5

p
=
và trên
hình vẽ dùng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp.
2) Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét.
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệ của
hai cột đơn. Nhng để hai cột thu sét có thể phối hợp đợc thì khoảng cách a giữa hai cột thì phải
thoả mãn điều kiện a < 7h (h là chiều cao của cột).
a) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao.
- Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cách a (a < 7h) thì độ cao
lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét h
o
đợc tính nh sau:

7
a
- h h
o
=
( 1 4 )
Sơ đồ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau.
h
0,2h
0,75h
a
h
o
h
x
1,5h

r
x
R
r
0x
Hình 1- 2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét giống nhau.
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
5
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
Tính r
ox
:
+ Nếu
ox
h
3
2
h

thì
)
h8,0
h
(1 h1,5 r
o
x
oox
=
( 1 5 )
+ Nếu

ox
h
3
2
h

thì
)
h
h
- (1 0,75h r
o
x
oox
=
( 1 6 )
Chú ý:
Khi độ cao của cột thu sét vợt quá 30m thì ngoài các hiệu chỉnh nh trong phần chú ý
của mục 1 thì còn phải tính h
o
theo công thức:

p7
a
- h h
o
=
( 1 7 )
b) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.
Giả sử có hai cột thu sét : cột 1 có chiều cao h

1
, cột 2 có chiều cao h
2
và
h
1
> h
2
. Hai cột cách nhau một khoảng là a.
Trớc tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h
1
, sau đó qua đỉnh cột thấp h
2
vẽ đờng thẳng
ngang gặp đờng sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao tại điểm 3. Điểm này đợc xem là đỉnh
của cột thu sét giả định, nó sẽ cùng với cột thấp h
2
, hình thành đôi cột ở độ cao bằng nhau
và bằng h
2
với khoảng cách là a. Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ của cột 1
h
2
0,2h
2
0,75h
2
a'
h
o

1,6h
2
3
0,75h
1
1,6h
1
a
x
h
1
2
1
Hình 1- 3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét khác nhau.
c) Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột (số cột >2).
Một nhóm cột sẽ hình thành 1 đa giác và phạm vi bảo vệ đợc xác định bởi toàn bộ
miền đa giác và phần giới hạn bao ngoài giống nh của từng đôi cột
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
6
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
a
b
c
D
a
b
D
Hình 1- 4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột.
Vật có độ cao h
x

nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét sẽ đợc bảo vệ nếu
thoả mãn điều kiện:
D

h
a
= 8.(h - h
x
) ( 1 8 )
Với D là đờng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét.
Chú ý:
Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần đợc hiệu chỉnh theo p.
D

h
a
.p= 8.(h - h
x
).p ( 1 9 )
1.2.2 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét
1) Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét
Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng. Chiều rông của phạm vi bảo vệ phụ
thuộc vào mức cao h
x
đợc biểu diễn nh hình vẽ.
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
7
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
a'
b

c
a
h
0,8h
0,2h
0,6h
1,2h
2b
x
Hình 1- 5: Phạm vi bảo vệ của một day thu sét.
Mặt cắt thẳng đứng theo phơng vuông góc với dây thu sét tơng tự cột thu sét ta có các
hoành độ 0,6h và 1,2h.
+ Nếu
ox
h
3
2
h

thì
)
h8,0
h
- h.(11,2. b
x
x
=
( 1 - 10 )
+ Nếu
ox

h
3
2
h

thì
)
h
h
- 0,6.h.(1 b
x
x
=
( 1 - 11 )
Chú ý:
Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần đợc hiệu chỉnh theo p.
2) 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 s < 4h.
Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ đợc các điểm có độ cao.

4
h
-h h
o
=
( 1 12 )
Phạm vi bảo vệ nh hình vẽ.
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
8

Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
h
0,2h
0,6h
s
h
o
h
x
1,2h
bx
R
Hình 1- 6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.
Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống của một dây còn phần bên trong đợc giới hạn bởi
vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao
4
s
-h h
o
=
so với
đất.
1.3 mô tả trạm biến áp cần bảo vệ
Trạm có tổng diện tích 19366m
2
, gồm hai phần 110kV và 220kV. Tại trung tâm của trạm
đặt hai máy biến áp AT
1
và AT
2

có công suất là 125MVA. Hai phần 110kV và 220kV đặt tại
hai góc lệch nhau của trạm ở hai phía khác nhau của máy biến áp.
- Phía 110kV có diện tích là 104x51(m
2
) bao gồm 8 lộ dây ra và xà đỡ. Độ cao của các xà
cần bảo vệ là 8m và 11m.
- Phía 220kV có diện tích 178x79(m
2
) bao gồm 4 lộ dây đến và các xà đỡ. Độ cao của
các xà cần bảo vệ là 11m và 17m. (hình 1)
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
9
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
AT1
48m
40m8m 10m
4
m
8
m
1
4
m
1
6
m
9
m
9m
17m16m34m3m

34m8m 34m 51m51m
72m
56,5m
8
4
,
5
m
79m
AT2
Nhà điều hành
Hình1: Sơ đồ mặt bằng trạm
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
220kV
110kV
10
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
1.4 các phơng án bố trí cột thu sét
1.4.1 Ph ơng án 1 (hình 2)
9m17m
16m
34m3m
34m8m 34m
51m51m
72m
56,5m
8
4
,
5

m
79m
PA1 bố trí 14 cột thu sét
.

-Phía 110kV bố trí 6 cột
- Phía 220kV bố trí 8 cột
Nhà điều hành
48m 40m8m 10m
4
m
8
m
1
4
m
1
6
m
9
m
Hình2: Sơ đồ bố trí cột của phơng án 1
Sơ đồ mặt bằng trạm và cách bố trí cột thu sét nh hình 1 - 8.
- Phía 110kV đặt 6 cột thu sét bao gồm 5 cột N
1
, N
2
, N
3
, N

4
, N
6
đặt trên xà 8m và 1 cột
N
5
đặt trên xà 11m.
- Phía 220kV bố trí 8 cột thu sét bao gồm 6 cột N
9
, N
10
, N
11
, N
12
, N
13
, N
14
đợc đặt trên
xà 11m và 2 cột N
7
, N
8
đặt trên xà 17m.
1) Tính độ cao tác dụng của cột thu sét
Để tính đợc độ cao tác dụng h
a
của các cột thu sét, trớc hết cần xác định đờng kính D
của đờng tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác) qua 3 (hoặc 4) đỉnh cột.

NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
11
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hoặc tứ giác) đó đợc bảo vệ thì D

8
h
a
hay
8
D
h
a

.
a) Xét nhóm cột 1, 2, 5, 6.
- Nhóm 4 cột này tạo thành một hình chữ nhật có các cạnh là:
a
1,2
= a
5,6
= 30(m).
a
1,6
= a
2,5
= 48(m).
- Đờng kính đờng tròn ngoại tiếp hình chữ nật này chính là đờng chéo:

(m). 56,6 3048aa a a D

22
2
5,2
2
2,12,61,5
=+=+===

- Độ cao tác dụng để nhóm cột 1, 2, 5, 6 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi
chúng phải thoả mãn điều kiện:
)m(08,7
8
6,56
8
D
h
a
==
.
b) Xét nhóm cột 2, 3, 4, 5.
- Nhóm 4 cột này tạo thành một hình chữ nhật có các cạnh là:
a
2,3
= a
4,5
= 40 (m).
a
2,5
= a
3,4
= 30(m).

- Đơng kính của đờng tròn ngoại tiếp hình vuông này chính là đờng chéo.
(m). 50 3040aa aa D
22
2
25
2
23
,4
21,5
=+=+===
- Độ cao tác dụng để nhóm 4 cột 2, 3, 4, 5 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi
chúng phải thoả mãn điều kiện:
)m(25,6
8
50
8
D
h
a
==
c) Xét nhóm cột 6, 8, 9.
- Nhóm cột này tạo thành hình tam giác.
a = a
6, 8
= 26,86(m).
b = a
8, 9
= 51(m).
c = a
6, 9

= 44,68(m).
- Đờng kính của đờng tròn ngoại tiếp tam giác là:
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
12
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
)cp)(bp)(ap(p.4
c.b.a
2. R 2. D

==
Trong đó:
p : là nửa chu vi của tam giác
a, b, c: là độ dài tơng ứng 3 cạnh của tam giác
(m) 61,27
2
68,445186,26
2
cba
p
=
++
=
++
=
Vậy đờng kính của tam giác là:
)m(06,51
)68,4427,61).(5127,61).(68,2627,61.(27,61.4
68,44.51.68,26
. 2 D
=

=
- Độ cao tác dụng để nhóm 3 cột 6, 8, 9 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích của chúng phải
thoả mãn điều kiện:
)m(38,6
8
06,51
8
D
h
a
==
d) Xét nhóm cột 6, 8, 5.
- Nhóm cột này tạo thành hình tam giác.
a = a
6,8
= 26,86(m).
b = a
8,5
= 42,15(m).
c = a
6,5
= 48(m).
-Tính toán tơng tự nh nhóm cột 6, 8, 9 ta có:
D = 48,18 m
m02,6h
a

e) Xét nhóm cột 5, 7, 8,
- Nhóm cột này tạo thành hình tam giác.

a = a
5, 8
= 42,15(m).
b = a
7, 8
=34 (m).
c = a
5, 7
=23,52 (m).
- Tính toán tơng tự nh trên ta có
D = 42,19 m
m27,5 h
a

f) Xét nhóm cột 4, 5, 7.
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
13
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
- Nhóm cột này tạo thành hình tam giác.
a = a
4, 5
= 40(m).
b = a
5, 7
= 23,52(m).
c = a
4, 7
= 47,25(m).
- Tính toán tơng tự trên ta có:
D = 47,29 m

m91,5 h
a

g) Xét nhóm cột 7, 8, 13, 14.
- Nhóm 4 cột này tạo thành một hình chữ nhật có các cạnh là:
a
7,8
= a
13 14
= 34(m).
a
7,14
= a
8,13
= 67(m).
- Đờng kính của đờng tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này chính là đờng chéo:
)m(13,756734aa a a D
22
2
14,8
2
9,88,147,13
=+=+===
- Độ cao tác dụng để 4 cột 7, 8, 13, 14 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi
chúng thì phải thoả mãn điều kiện:
)m(39,9
8
13,75
8

D
h
a
==
h) Xét nhóm cột 8, 9, 12, 13.
- Nhóm 4 cột này tạo thành một hình chữ nhật có các cạnh là:
a
8,9
= a
12,13
= 51(m).
a
9,12
= a
8,13
= 67(m).
- Đờng kính của đờng tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này chính là đờng chéo:
)m(2,846751aa a a D
22
2
13,8
2
9,89,138,12
=+=+===
- Độ cao tác dụng để 4 cột 8, 9, 12, 13 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi
chúng thì phải thoả mãn điều kiện:
)m(53,10
8
2,84
8

D
h
a
==
i) Xét nhóm cột 9, 10, 11, 12.
- Nhóm 4 cột này tạo thành một hình chữ nhật có các cạnh là:
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
14