BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
1

BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC
KĨ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Họ và tên sinh viên:
Lớp: Hệ Thống Điện Hà Tĩnh.
STT: 14.
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
2
LỜI NÓI ĐẦU
Bài tập môn học kĩ thuật điện cao áp bước đầu giúp sinh viên ngành hệ
thống điện làm quen với việc thiết kết bảo vệ, tính toán bảo vệ, đánh giá các tiêu
chuẩn kĩ thuật của công trình điện. Thông qua ba nhiệm vụ cơ bản là thiết kế hệ
thống chống sét cho trạm biến áp, thiết kế và đánh giá hệ thống nối đất an toàn
và hệ thống nối đất chống sét và cuối cùng là tính toán sóng quá điện áp lan
truyền vào trạm.
Thông qua việc thiết kế hệ thống chống sét sinh viên bước đầu vận dụng
kiến thức lý thuyết vào việc bảo vệ một công trình điện cụ thể là một trạm biến
áp. Biết cách tính toán vùng bảo vệ, khả năng ngăn ngừa sự cố sét đánh vào các
thiết bị điện, bố trí các kết cấu cột thu lôi và đồng thời tính toán phạm vi bảo vệ
của hệ thống thu sét.
Việc thiết kế hệ thống nối đất chống sét và an toàn yêu cầu sinh viên nêu

TIẾP CHO TBA 220/110 kV 7
1.1. Giới thiệu: 7
1.2. Tính toán: 9
PHẦN 2. TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN VÀ NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
CHO TRẠM BIẾN ÁP 14
2.1. Giới thiệu: 14
2.2. Tính toán hệ thống nối đất 15
PHẦN 3. BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP LAN TRUYỀN VÀO TRẠM 22
3.1. Xác định yêu cầu: 22
3.2. Điện áp tại nút 1: 24
3.3. Tính điện áp tại nút 2: 25
3.4. Tính điện áp tại nút 3: 27
3.4. Kết quả tính toán: (bảng số liệu đi kèm) 29
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
4
A – ĐỀ BÀI:
Số thứ tự 14
PHẦN 1. BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP
1. Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp.
2. Tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét của trạm đảm bảo tiêu chuẩn
nối đất an toàn và yêu cầu chống sét khi có dòng sét 150 kA, độ dốc 50 kA/μs
PHẦN 2. BẢO VỆ CHỐNG SÓNG QUÁ ĐIỆN ÁP LAN TRUYỀN
Tính điện áp tại các điểm nút của trạm biến áp khi có sóng quá điện áp lan
truyền từ đường dây tới. Sóng tới xiên góc biên độ U
50%
, độ dốc a , chống sét
van cấp điện áp tương ứng
CÁC THÔNG SỐ ĐỀ BÀI :
PHẦN 1

MBA-TG : l
2
= 15+14=29 m
TG-CSV : l
1
= 20+14=34 m
Độ dốc
a = 300+14=314 kV/μs
Điện dung MB
1500+14*10=1640 pF
Điện dung TG
8,33*5*17 pF/m

CÁC HÌNH VẼ :
MBA
TG
CSV
l2 = 29 m
l
1
= 34 m

Hình 1.1. Sơ đồ trạm bảo vệ chống sóng quá điện áp lan truyền

BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
6
M¸y biÕn ¸p
§-êng ®i
§-êng ®i

xuất, phân phối và cung cấp điện năng.
Trước khi đi vào thiết kế hệ thống chống sét cho trạm biến áp nêu ta xác
định các yêu cầu thiết kế như sau:
Nhằm đảm giảm thấp nhất vốn đầu tư khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho
trạm biến áp ta cố gắng đặt các cột thu sét trên các kết cấu cao có sẵn của trạm
mà không ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kĩ thuật cần thiết. Ngoài các tiêu chuẩn kĩ
thuật cũng cần xem xét mặt mỹ thuật của công trình.
Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ cấp 110kV trở lên do mức cách điện
cao nên có thể đặt cột thu lôi ngay trên kết cấu của trạm phân phối. Phải đặt để
các cột thu lôi thấp nhất và cho dòng điện sét khuếch tán vào đất nhanh và phải
có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất.
Khi bố trí cột thu lôi trên xà cần chú ý:
+ các kết cấu có cột thu lôi cần có nối đất bổ sung ngay trụ của các kết
cấu này nhằm đảm bảo điện trở nối đất không vượt quá 4Ω
+ khi dùng cột thu lôi phải đảm bảo khoảng cách đến các phần mang
điện của trạm để tránh rò điện và chạm chập qua cột thu lôi. Đồng thời phải đảm
bảo cho dòng điện sét được thông thoát nhanh chóng và tránh hiện tượng phóng
điện từ cột thu lôi đến các vật cần được bảo vệ.
Nếu không thể tận dụng được các kết cấu trạm thì bố trí các cột thu lôi nối
đất độc lập
Theo yêu cầu của đề bài thì ở đây ta quan tâm đến bào vệ chống sét đánh
thẳng vào trạm, tạm thời không sét đến quá điện áp lan truyền vào trạm.
Ta sẽ bố trí cho các thiết bị cần bảo vệ nằm trọn trong phạm vi bảo vệ
của hệ thống cột thu lôi
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
8
Phần thứ 2 không kém quan trọng là thiết kế nối đất để tản dòng điện sét
vào đất một cách an toàn.
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP

Khi có hai cột thu lôi đặt gần nhau thì phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất
giữa hai cột là ho và được xác định theo công thức:

7
o
a
hh

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân
cột là r
xo
và được xác định như sau:

1,6
1
xo
x
o
r
h
h



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 các khoảng cách x và a' như
sau:
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
10

o


Tương tự ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột B và C là:

)hh.(
h
h
,
ah
7
a'
hh
o 21
1
2
22
1
61


)hh.(
h
h
,
r
xoxo

C 14
C 13

Hỡnh 2.2. Phm vi bo v cỏc ct thu sột
* Phớa cao ỏp 220kV:
Bán kính của đ-ờng tròn đi qua 4 đỉnh của các hình chữ nhật: C4, C2, C3,
C5 và 4 đỉnh C2, C1, C6, C5 là :
BI TP DI MễN HC KT CAO P
Sinh viờn:
12

22
52 59
R 39,632 (m)
2



Vậy để toàn bộ phần diện tích giới hạn bởi các hình chữ nhật đó đ-ợc bảo
vệ thì:

x
h
8
D
h
với h
x
là chiều cao vật cần bảo vệ


là chiều cao vật cần bảo vệ

28,7788.2
h 11 18,19 m
8


Vậy ta chọn chiều cao của các cột thu sét là h
2
= 20 (m) với số l-ợng
cột là 8 cột ( tính cho phía 110kV).
* Ngoi ra cn tớnh n phm vi bo v riờng r ca tng ct:
- Ct bo v phớa 220kV:
Ta có
x1
22
h 17 .h .28 18,67
33

m
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
13

x
1x 1
1
h
r 1,5.h .(1 )
0,8.h



Sau khi vẽ các pham vi bảo vệ ở hình 2.2 thấy tất cả các phần tử đều
thuộc phạm vi bảo vệ của hệ thống các cột thu sét đã thiết kế (Phần bảo vệ chính
trong bài tập dài này là phía cấp điện áp 110kV)
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
14
PHẦN 2. TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN VÀ NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
CHO TRẠM BIẾN ÁP
2.1. Giới thiệu:
Trong hệ thống điện có 3 loại nối đất như sau:
Nối đất làm việc
Nối đất an toàn (hay còn gọi là nối đất bảo vệ )
Nối đất chống sét
Trong phần này ta xét 2 loại nối đất cuối cùng. Do 2 loại nối đất an toàn
và nối đất chống sét có các mục đích khác nhau dẫn đến yêu cầu kĩ thuật của
chúng phải khác nhau. Về nguyên tắc là phải tách rời 2 hẹ thống nối đất này vì
phảo đề phòng khi có dòng điện sét hay dòng ngắn mạch lớn thì hệ thống nối đất
không được gây quá áp lên hệ thống nối đất an toàn. Mặc dù vậy việc tách rời sẽ
gây lãng phí và không kinh tế do vậy 2 hệ thống này được gộp chung vào làm 1,
khi ấy hệ thống nối đất chung phải có yêu cầu kĩ thuật là điện trở nối đất bé.
Theo yêu cầu thì điện trở nối đất không nhỏ hơn 0,5 Ω
Các yêu cầu kĩ thuật cần đạt tới khi thiết kế hệ thống nối đất chung:
Trị số điện trở nối đất cho phép của nối đất an toàn được chọn sao cho các
trị số điện áp bước và điên áp tiếp xúc trong mọi trường hợp không được phép
vượt quá trị số cho phép. Theo quy phạm thì tiêu chuẩn nối đất ăn toàn như sau:

Các kết cấu trạm sử dụng móng cọc bố trí như sau:
L
d

Trong đó thường chọn các đơn vị theo biểu thức tính sau:
Công thức tính điện trở toàn móng:

t
1 1,25.1,4 4
R .( ln )
. . 2
mc
R
L
n n L d





Điện trở suất hỗn hợp của betông và đất

d
1,25. 1,25.(65 0,1*14) 83 .
t
m

    
L
R
tt
mv


Trong đó:
Điện trở suất tính toán của đất đã hiệu chỉnh theo hệ số mùa:

. 1,6.66,4 106,24
mua
tt d
m
k

   

t: độ chôn sâu của điện cực làm mạch vòng, t=0,8m
L: chu vi mạch vòng hình chữ nhật ta đặt các thanh sắt cách hàng rào
(tường) 1m mà trạm biến áp thiết kế có kích thước là 108m x 186 m vậy ta có:
L=2.(
ll
21

)=2.(141+186)=654 m.
d :đường kính thanh tròn làm điện cực, d=0,02m
K: hệ số hình dạng, phụ thuộc tỷ số l
1
/ l
2

NT
mv
R
R
   


Như vậy trị số điện trở nối đất của hệ thống chưa đạt yêu cầu. Do đó ta
cần thực hiện phương án bổ sung các cọc đóng dọc theo chu vi của mạch vòng.
Tính điện trở nối đất của cọc

)]
'.4
'.4
ln(.
2
1.2
.[ln
2 lt
lt
d
l
l
R
tt
c





92,96 2.3 1 4.2,3 3
.[ln( ) .ln( )] 26,405
2. .3 0,057 2 4.2,3 3
c
R

   


Tính toán điện trở nối đất tổng hợp mạch vòng_cọc:

R
n
R
RR
R
mv
c
c
mv
mvc
ht

.


mv

Tra bảng ta có:

.
26,405.0,6382
0,364 0,5
0,26.26,405 112.0,55.0,6382
. . .
c mv
ht
c mv
mv c
n
RR
R
RR

     



Như vậy điện trở nối đất thỏa mãn.
2.2.2. Hệ thống nối đất chống sét :
Trong phần tính toán nối đất ở trên ta chỉ tính toán điện trở nối đất của hệ
thống ở tần số công nghiệp và là điện trở ổn định. Thực tế hệ thống nối đất ở đây
là hệ thống nối đất dài không tập trung dọc theo chu vi trạm ta tiến hành tính
toán điện trở nối đất xung kích của hệ thống ngay sau đây
Trong tính toán nối đất chống sét ta sử dụng phần nối đất an toàn đã đợc tính
toán ở trên.
Trong trạm biến áp, phần tử quan trọng và có mức cách điện yếu nhất là máy
biến áp. Vì vậy việc tính toán nối đất chống sét cho mọi trường hợp phải thoả

G G
I
0
0
0 0

BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
19

Hệ phương trình truyền sóng cho mô hình trên:

t
i
L
x
U




.
0


(1)
U
G
x
i



Trong đó:


2
2
0
0
1

lG
L
T
;
k
T
k
lG
L
T
k
2
1
2
2
2
0
0
.

1
),0(
1
2
1
0
e
T
k
ds
k
T
l
G
Z
k
ds
ds
xk









(*)


a
I
s
ds


3
50
150


Để đơn giản hoá, người ta bỏ qua quá trình phóng điện tia lửa trong đất và giả
thiết bỏ qua nối đất tự nhiên, bỏ qua các thanh cân bằng áp.
Lúc này ta xem như mạch vòng chỉ có 2 tia có chiều dài l ghép song song với
nhau:
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
20
l=
654
327
22
L
m

và có tham số là G
0
và L
0
.

2
1

Hiệu chỉnh trị số điện trở nối đất mạch vòng theo hệ số mùa sét:

.
0,638.1,25
0,4986
1,6
ms
mv ms
mv
mua
RK
R
K
   

Hiệu chỉnh trị số điện trở nối đất của cọc theo hệ số mùa sét:

.
26,405.1,15
21,69
1,4
ms
c ms
c
mua
RK
R

1
=
1
0,00514(1/ . )
2.0,2975.327
m

Trong phương trình (*) ta chỉ tính toán với k thoả mãn điều kiện:
4
T
k
ds

hay
4
.

2
2
2
0
0


k
lG
L
ds




Chọn k=1,2,3,…,12
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
21
Theo công thức (*) thì tổng trở xung kích chỉ được tính cho 1 mạch. Do đó tổng
trở xung kích của cả hệ thống được tính theo công thức:

)]1(
1
.
2
1.[
.
.2
1
),0(
1
2
1
0
e
T
k
ds
k
T
l
G
Z



)/
k
2

14
1

( 1-
e
T
k
ds


)/
k
2

Z(0,

ds
)
U
d

1
3
115.8915

7
3
115.8915
2.365133
0.014668
8
3
115.8915
1.810805
0.012644
9
3
115.8915
1.430759
0.010829
10
3
115.8915
1.158915
0.009249
11
4
115.8915
0.957781
0.008138
12
5
115.8915
0.804802
0.006931


)
Chống sét van không có khe hở
Bảo vệ điện áp phía 110kV
Hãy tính điện áp tại các điểm nút của TBA khi có sóng quá điện áp lan
truyền từ đường dây tới.
Sóng tới có dạng xiên góc biên độ U
50%
, độ dốc:
a=300+N=300+14=314kV/s
Chống sét van cấp điện áp tương ứng.(110kV)
Sơ đồ mô hình mạch để tính sóng truyền :

BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KTĐ CAO ÁP
Sinh viên:
23
CC
0
3
1
2
1
2

Thanh góp : Điểm 1.
Điểm đặt máy biến áp : Điểm 2.
Điểm dặt chống sét van: Điểm 3.
TG phía 110 kV dài : 5.15 = 75 m (tham khảo tài liệu nhà máy điện và
trạm biến áp, ta chọn kích thước ngăn lộ cho phía cấp điện áp 10kV có chiều dài
là 75m như hình vẽ trong phần tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho

13
34
2. 0,24
300
s
v
l



Trong quá trình tính toán còn cần kể đến các đặc tính V-S, đặc tính V-A
của CSV. Các đặc tính này cần tra trong các sổ tay và phải phù hợp với cấp điện
áp đang xét.
Để tiến hành tính toán, cần chọn bước thời gian tính
t
. Khoảng chia
t

càng nhỏ thì kết quả tính toán càng chính xác. Việc tính toán sẽ đỡ phức tạp hơn
nhiều nếu chọn
t
là ước số chung của các khoảng thời gian truyền sóng đi và
về giữa các nút.
Vì vậy ta chọn:
t
=0,02
s

để tính toán.
Bây giờ lần lượt xét biểu thức tính toán điện áp tại các nút 1, 2, 3.

13
21
31
31
13
'
'
'
'
'
1
U
10

Gốc thời gian t=0 được chọn là thời điểm sóng
U
'
01
tới nút 1.
Đoạn đường dây 0-1 dài vô hạn, nghĩa là nếu tại nút 1 có sóng phản xạ
U
10
trở về 0 thì không có sóng phản xạ trở lại.
Sơ đồ Petecxen:
2U
Z
C
1
®t1
®t1


667,0
3
23/.22
1

Z
Z
Z
Z
m
dt

m
mdt
UU
'
11
.667,02

Do đó:

).(667,02
'

Sinh viên:
25
Khi 0,2
s


t<2t
13
=0,24
s

thì
'
31
0
U

nên
''
dt1 21 01
2 0,667.( )
U U U


(
U
'
31
là sóng tới nút 1 do sóng từ nút 3 là
U



Với

'
21 21
( 0,1)t
UU
'
31 31
( 0,12)t
UU


Theo sơ đồ Petecxen, phương trình vi phân với điện áp tại nút 1 là:

U
dt
U
d
C
Z
U
C
C
dt
dt 1

t
C
C
Cdt
C
1
1
11
1
.2.


1 1 1 1 1 1 1
1
0,02
.(2 ) .(2 ) 0,301.(2 )
0,0665
C dt C dt C dt C
C
t
U U U U U U U
T

      

Trong đó:


211121
'
2112
'
311131
'
3113



3.3. Tính điện áp tại nút 2:
Nút 2 chỉ có một đường dây đi tới có chiều dài l
12
hữu hạn, tổng trở sóng
Z=400

.