BI TP DI MễN HC K THUT IN CAO P
Sinh viờn thc hin:
1
Họ và tên :
Lớp :
Số thứ tự : N = 55 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
6
Kớch thc ngn l
Nh s hỡnh 1.2
cao cn bo v
11m (110kV) +8,5m (35kV)
S nụi in chớnh
2 thanh gúp
ng i rng


BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
2
CÁC HÌNH VẼ :

MBA
TG
CSV
l2 = 70 m
l
1
= 75 m
Hình 1.1. Sơ đồ trạm bảo vệ chống sóng quá điện áp lan truyền

BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
3
M¸y biÕn ¸p
§-êng ®i
§-êng ®i
Xµ ®-êng d©y phÝa 110kV
Xµ ®-êng d©y phÝa 35kV
Nhµ ®iÒu khiÓn vµ lµm viÖc

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 KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
5
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 KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:

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 KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
7




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


* Phớa cao ỏp 110kV:
Bán kính của đ-ờng tròn đi qua 4 đỉnh của các hình chữ nhật: C1, C2, C5,
C6 ; 4 đỉnh C2, C3, C4, C5 v C5, C6, C7, C8
BI TP DI MễN HC K THUT IN CAO P
Sinh viờn thc hin:
9

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:

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

28,6577.2
h 11 18,16 m
8


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

m
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
10

x
1x 1
1
h
r 1,5.h .(1 )
0,8.h
11
1,5.20.(1 )
0,8.20
9,375 m

Ta có pham vi bảo vệ ở hình 2.2 BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
11
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

BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
12
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

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






.
ln.
2
2



dt
L
K
L
R
tt
mv


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

. 1,6.88,125 112,8
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:


Do đó:
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
14

2
112,8 6,0.480
.ln( ) 0,0,89979
2. .480 0,8.0,02
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

t’ = t+
2
3
8,0
2

l
= 2,3m
Suy ra:

98,7 2.3 1 4.2,3 3
.[ln( ) .ln( )] 28,03563
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

cọc không đảm bảo được chỉ tiêu chống sét, ta cần tăng số cọc đóng lên.

55,0

c26,0

mv

Tra bảng ta có: .
28,03563.0,899792
0,538101 0,5
0,26.28,03563 80.0,55.0,899792
. . .
c mv
ht
c mv
mv c
n
RR
R
RR

     


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
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 

BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
16
Với trạm 110 kV ta phải có:
kVBAU
U
d


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

1
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)
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
17
Với t


nhau: l=
480
240
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
240
0,01
-0,31] =2,017159
mH /


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

.
28,03563.1,15
23,02927
1,4
ms
c ms
c
mua
RK
R
K
   .
23,02927.0,899792
0,362565
0,26.23,02927 100.0,55.0,899792
. . .
c mv
ht
c mv
mv c
n
RR
R
RR


.

2
2
2
0
0


k
lG
L
ds
42
0
0
2
2


lG
L
k
ds

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

k

ds



Z(0,

ds
)
U
d

1
3
67.714
67.714
0.043
0.245932
4.387745
658.1617
2
3
67.714
16.928
0.041
3
3
67.714
7.524
0.037
4
3
67.714
4.232

Do đó ta không cần tiến hành nối đất bổ sung.
BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
19
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+55 = 70 (m)
TG - CSV l
1
= 20+N = 20+55= 75 (m)
Tổng trở sóng : Z
c
= 400


Độ dốc : a = 300+N = 300+55 = 355 (kV/
s

)
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.

2
= 1500+10*55=2050 pF =2050.10
-12
F
Thời gian truyền sóng trên các đoạn đường dây 1-2 và 1-3:
2.t
12
=2.
12
70
2. 0,467
300
s
v
l



2.t
13
=2.
13
75
2. 0,5
300
s
v
l



1
= 749,7 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
'
'
'
'

Z
Z Z Z Z
    U
Z
Z
U
m
m
m
dt
dt
'
1
1
1
.
2
2

667,0
3
23/.22
1


Khi t< 2t
12
=0,46
s

thì :
0
'
31
'
21

UU
nên
UU
dt
'
011
.667,02 

BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
22
Khi 0,46
s


t<2t
13
=0,5

một khoảng thời gian là t
13
=0,25
s

)
Khi t

0,5
s

thì
).(667,02
'
01
'
31
'
211
UUUU
dt


Với

'
21 21
( 0,234)t
UU


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
1
1
11
1


  UU
C11


Vậy:

U
t
U
tt
U
C111
)()( UUUUUU
UUUUUU
'
211121
'
2112
'
311131
'
3113


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:

U
dt
U
d


Hay:

dt2 C2 C2
C2 C2
tt
.2 .
U U U
TT

  2 2 2 2 2 2 2
2
0,03
.(2 ) .(2 ) 0,0366.(2 )
0,82
C dt C dt C dt C
C
t
U U U U U U U
T

      

BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
24
Trong đó :

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
3
®t3
U
, do đó :
UU
113


BÀI TẬP DÀI MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Sinh viên thực hiện:
25
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


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
I
U
csv
csv