BI TP DI
Sinh viờn thc hin:
1
Họ và tên :
Lớp :
Số thứ tự : N = 39 CC THễNG S BI :

A.Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp.
B.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 điện sét 150 kA, độ dốc 50 kA/
s

.
(N- số thứ tự của sinh viên) PHN 1

Cp in ỏp
110/35 kV
S mch ng dõy
9
Kớch thc ngn l
Nh s hỡnh 1.2
cao cn bo v

2
= 15+39=54 m
TG-CSV : l
1
= 20+39=59 m
dc
a = 300+39=339 kV/s
in dung MB
1500+39*10 = 1890 pF
in dung TG
8,33 pF/m

BÀI TẬP DÀI
Sinh viên thực hiện:
2
CÁC HÌNH VẼ :

MBA
TG
CSV
l2 = 54 m
l
1
= 59 mHình 1.1. Sơ đồ trạm bảo vệ chống sóng quá điện áp lan truyền

BÀI TẬP DÀI
Sinh viên thực hiện:
4
PHẦN 1. BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP
1.1. Giới thiệu:
Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp và nhà máy điện là việc
phải làm và có ý nghĩa quan trọng để bảo vệ các công trình điện và tránh những
hậu quả nghiêm trọng do sét đánh gây ra từ đó đảm bảo an toàn tin cậy trong sản
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.

h

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn từng 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 a < 7h ( trong đó h là độ cao của cột thu lôi ).
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

vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho :

7
a
hh
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.(

C5
C 6
C 7
C 8
C 9
C 10
C 11
C 12
C 13
C 14
C 15
C 16
C 17
C 18

Hỡnh 2.2. Phm vi bo v cỏc ct thu sột
* Phớa cao ỏp 110kV:
Bán kính của đ-ờng tròn đi qua 4 đỉnh của các hình chữ nhật: C1, C2, C7,
C8 ; 4 đỉnh C2, C3, C6, C7 v C5, C6, C3, C4 v C7, C8, C9, C10

22
48 35
R 28,6577 (m)
2



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



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

19,0858.2
h 8,5 13,27 m
8


Vậy ta chọn chiều cao của các cột thu sét là h
2
= 14 (m) với số l-ợng
cột là 8 cột ( tính cho phía 35kV).
* Ngoi ra cn tớnh n phm vi bo v riờng r ca tng ct:
- Ct bo v phớa 110kV:
Ta có
x1
22
h 11 .h .20 13,3
33

1x 1
1
h
r 1,5.h .(1 )
0,8.h
8,5
1,5.14.(1 )
0,8.14
5,06 m




Lẽ ra ta nên tính cả phạm vi bảo vệ giữa 2 cột có cùng độ cao và 2 cột có
độ cao khác nhau nhưng do phạm vi bảo vệ của các hình chữ nhật đã đủ bảo vệ
cho trạm nên ta không tính nữa.
Ta có pham vi bảo vệ ở hình 2.2


250
R.
I


Nếu phần nối đất chỉ dành cho phần cao áp thì

125
R.
I


Khi dùng chung cho cả phía cao áp và hạ áp thì điện trở không được vượt
quá 10Ω
Như vậy với nối đất an toàn và trạm của ta là 110kV/35kV thì trung tính
trực tiếp nối đất nên yêu cầu là điện trở nối đất nhỏ hơn 0,5 Ω.
BÀI TẬP DÀI
Sinh viên thực hiện:
11
Đối với nối đất của hệ thống thu sét ở các trạm biến áp khi bộ phận thu sét
đặt ngay trên các xà nhừ trong đồ án này thì phần nối đất chống sét phải nối
chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm.
2.2. Tính toán hệ thống nối đất
2.2.1. Cách bố trí hệ thống nối đất an toàn :
Thứ nhất ta sử dung các móng, cốt sắt và phần cột chôn dưới đất của các
cột chống sét, các trụ đỡ và các xà đỡ trong các kết cấu của trạm.
Các kết cấu trạm sử dụng móng cọc bố trí như sau:
L
d


R   
> 0,5 Ω
Như vậy ta có thể tiến hành nối kết hợp các móng với nhau bằng các
thanh nối nhưng biện này không thể sử dụng vì ảnh hưởng màn che lớn nên cuối
cùng ta vẫn phải xây dựng hệ thống nối đất nhân tạo và coi như nối đất tự nhiên
là 1 biện pháp hỗ trợ thêm.
BÀI TẬP DÀI
Sinh viên thực hiện:
12
Ta chọn hình thức nối đất là dùng các thanh tròn đường kính d=2cm làm
mạch vòng quanh trạm và chôn sâu cách mặt đất 0,8m theo chu vi của trạm là
hình chữ nhật
Điện trở nối đất của mạch

)(
.
.
ln.
2
2



dt
L
K
L
R
tt
mv

5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
10.5
11
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2
l1/l2
K

Do đó:

2
110,24 6,0.580
.ln( ) 0,74393
2. .580 0,8.0,02
NT
mv
R
R
   



(t=0,8m).
Điện trở suất tính toán của đất ứng với cọc:


d
mua
tt
K
.
=1,4.86,125= 96,46
m

Đường kính cọc:
d = 0,95.b = 0,95.0,06 = 0,057m
Độ chôn sâu tính từ đỉnh cọc tới mặt đất: t=0,8m
Độ chôn sâu tính từ giữa cọc tới mặt đất:
t’ = t+
2
3
8,0
2

l
= 2,3m
Suy ra:

96,46 2.3 1 4.2,3 3
.[ln( ) .ln( )] 27,39936
2. .3 0,057 2 4.2,3 3
c


: hệ số sử dụng của cọc (phụ thuộc vào số cọc và được thể hiện
qua tỷ số a/l).
Với L=580 m; l=3m; chọn a/l=2 hay a=2.l=2.3=6m
Số cọc thêm vào
580
96,67
6
L
n
a
  
. Ta chọn n = 115 cọc. Ở đây ta đã xét
đến cho trường hợp tính toán hệ thống nối đất chống sét, nên ta tăng mức độ dự
phòng lên (nếu chọn số cọc là 97 thì không đảm bảo được chỉ tiêu về điện áp tại
chỗ nối đất_ quá trình này đã được tính toán nhưng trong phạm vi bài tập dài
BÀI TẬP DÀI
Sinh viên thực hiện:
14
này em không đưa ra bảng tính lại nữa mà chọn số cọc tăng lên cần thiết thỏa
mãn cho cả hệ thống nối đất chống sét). Trường hợp nếu số cọc không đảm bảo
được chỉ tiêu chống sét, ta cần tăng số cọc đóng lên.

55,0

c26,0


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
mãn yêu cầu:
Điện áp nối đất tại chỗ có dòng đIện sét
i
s
đi vào hệ thống nối đất là
),0(.

dsd
ZI
U

phải nhỏ hơn mức cách điện trung bình của cách điện máy biến
áp.
Với trạm 220 kV ta phải có:
kVBAU
U
d
990%50 

Với trạm 110 kV ta phải có:
kVBAU
U
d
660%50 

Sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất kéo dài khi bỏ qua ảnh hưởng của quá trình
phóng điện tia lửa trong đất và cho rằng điện trở của đất suất cùa đất là không

U
G
x
i
.
0




(2)
Với dạng sóng xiên góc ta tìm được điện áp u(x,t) trên hệ thống nối đất:

2
1
1
1
( , ) .[ 2. . (1 ).cos( )]
.
k
t
k
o
a k x
u x t t
T
G l l
e
T
k

2
2
2
0
0
.
.




Từ đây suy ra tổng trở xung kích lớn nhất của hệ thống nối đất (x=0, t=

ds
):

),0(
),0(
),0(



ds
ds
ds
xk
i
u
Z








(*)

Theo bài ra ta có dòng điện sét
i
s
có dạng xiên góc (a=50 kA/
s

):
Với t<

ds
thì
at
i
s

=50.t (kA)
Với t

ds

thì
kA

580
290
22
L
m

và có tham số là G
0
và L
0
.
r: bán kính của tiết diện thanh điện cực: r = d/2=0,01m
L
0:
là điện cảm của 1 đơn vị dài của đIện cực nối đất (
mH /

):
L
0
= 0,2.[ln
r
l
-0,31] = 0,2.[ln
290
0,01
-0,31] =2,055008
mH /




.
27,39936.1,15
22,50662
1,4
ms
c ms
c
mua
RK
R
K
   .
0,581195.22,50662
0,306971
0,26.22,50662 115.0,55.0,581195
. . .
c mv
ht
c mv
mv c
n
RR
R
RR

   

2
0
0


k
lG
L
ds


BÀI TẬP DÀI
Sinh viên thực hiện:
17

42
0
0
2
2


lG
L
k
ds


1
0
e
T
k
ds
k
T
l
G
Z
k
ds
ds
xk










k

ds

T

Z(0,

ds
)
U
d

1
3
98.45214
98.45214
0.030012
0.199347
4.323413
648.5119
2
3
98.45214
24.61303
0.028688
3
3
98.45214
10.93913
0.02665
4
3
98.45214
6.153259
0.024117

Như vậy điện áp nối đất tại chỗ có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất
có giá trị: U
d
=648,5519 kV < U50%BA = 660 kV.
Do đó ta không cần tiến hành nối đất bổ sung.
BÀI TẬP DÀI
Sinh viên thực hiện:
18
PHẦN 3. BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP LAN TRUYỀN VÀO TRẠM
3.1. Xác định yêu cầu:
TG
CSV
MBA Khoảng cách : MBA - TG l
2
= 15+N (m) = 15+39 = 54 (m)
TG - CSV l
1
= 20+N = 20+39= 59 (m)
Tổng trở sóng : Z
c
= 400


Độ dốc : a = 300+N= 300+39 = 339 (kV/
s

)

= 8,33*135=1249,510
-12
F
C
2
= 1500+10*39=1890 pF =1890.10
-12
F
Thời gian truyền sóng trên các đoạn đường dây 1-2 và 1-3:
2.t
12
=2.
2
54
2. 0,36
300
s
v
l



2.t
13
=2.
13
59
2. 0,4
300
s

Nút 1 có ba đường dây đi tới đều có tổng trở sóng là Z=400

. Nút 1 có
điện dung tập trung C
1
= 1249,5 pF nên phải áp dụng phương pháp tiếp tuyến.
0
U
U
U
U
U
U
U
U
U
C
U1
2
3
01
01
12
12
21
13
21
31
31
13

400
// // 133
33
dt
Z
Z Z Z Z
    U
Z
Z
U
m
m
m
dt
dt
'
1
1
1
.
2
2

667,0

UUUU
dt


Khi t< 2t
12
=0,36
s

thì :
0
'
31
'
21

UU
nên
UU
dt
'
011
.667,02 

BÀI TẬP DÀI
Sinh viên thực hiện:
21
Khi 0,36
s


chậm
sau
U
31
một khoảng thời gian là t
13
=0,2
s

)
Khi t

0,4
s

thì
).(667,02
'
01
'
31
'
211
UUUU
dt


Với

'

U
dt
U
d
T
U
C
C
C
dt 1
1
1
1
.2 

Tính theo sai phân ta được :

U
T
t
UU
T
t
C
C
Cdt
C

C dt
s
C
TZ

  UU
C11


Vậy:

U
t
U
tt
U
C111
)()( UUUUUU
UUUUUU
'
211121
'
2112
'

Sơ đồ Petecxen:

2U
Z
C
®t2
®t2
2
2

Nút 2 có điện dung tập trung C
2
= 2050pF nên ta áp dụng phương pháp
tiếp tuyến để tính điện áp.

 400
2
Z
Z
dtUU
dt
'
122
22 

Lại có:


.2
2



Hay:

dt2 C2 C2
C2 C2
tt
.2 .
U U U
TT

  2 2 2 2 2 2 2
2
0,03
.(2 ) .(2 ) 0,039683.(2 )
0,756
C dt C dt C dt C
C
t
U U U U U U U
T

      


21
=U
2
–U’
12

3.4. Tính điện áp tại nút 3:
'
U
U
CSV
U
1
3
13
13
31

Nút 3 có một đường dây đi tới có chiều dài l
13
hữu hạn, tổng trở sóng
Z=400

. Nút 3 có tổng trở tập trung là điện trở phi tuyến của chống sét van có
khe hở nên ta áp dụng phơng pháp đồ thị để tính toán điện áp.
Sơ đồ Petcxen:
®t3
2U
Z
CSV

0
'
31

U
, do đó :
UU
113


Tính được U
3
bằng phương pháp đồ thị (dựa vào
U
dt
,
Z
dt
, đặc tính V-S,
V-A của chống sét van):

U
IZ
U
csv
csvdt
dt
 .2
3
3


Vẽ đường thẳng
IIZ
U
csvcsvdt
.400.
3


Cộng đồ thị hai đờng vừa vẽ ta được đường cong có phương trình:

0,025
245. 0,4.
csv csv
U
II


Với mỗi giá trị của
U
dt3
2
kẻ một đường thẳng nằm ngang cắt đường
0,025
245. 0,4.
csv csv
U
II

tại điểm 1. Từ điểm 1 kẻ một đường thẳng đứng cắt đường

U
I
t
3.4. Kết quả tính toán: (bảng số liệu đi kèm)