Đang tải... (xem toàn văn)
Các trạm biến áp phân phối 220/110 KV thường được bố trí trên diện tích rộng ngoài trời và có những kết cấu cao so với mặt đất, do hệ thống nối đất tạo cho khu vực có điện dẫn lớn. Vì vậy khu vực trạm luôn có xác suất là điểm phóng điện cao. Khi các thiết bị của trạm phân phối bị sét đánh trực tiếp thì sẽ đưa đến những hậu quả nghiêm trọng như gây nên hư hỏng thiết bị có thể dẫn đến việc ngừng cung cấp điện trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc cung cấp điện năng, sản xuất điện năng và các ngành kinh tế quốc dân dẫn tới những hậu quả nghiêm trọng, thậm trí gây ảnh hưởng tới an ninh, chính trị x• hội. Vì vậy việc bảo vệ chống sét đánh thẳng là một việc không thể thiếu được khi thiết kế một trạm biến áp. Cột thu sét hay dây thu sét có độ cao lớn, trị số điện trở nối đất nhỏ sẽ thu hút về nó các phóng xạ điện sét và tạo nên các khu vực an toàn xung quang chúng. Các kim thu sét kết cấu chắc chắn, thi công đơn giản và tận dụng được các kết cấu trong trạm để đặt kim thu sét ( Xà trạm, cột đèn pha... ) do đó sẽ giảm được vốn đầu tư.
Chơng I tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110 KV Mở đầu Các trạm biến áp phân phối 220/110 KV thờng đợc bố trí trên diện tích rộng ngoài trời và có những kết cấu cao so với mặt đất, do hệ thống nối đất tạo cho khu vực có điện dẫn lớn. Vì vậy khu vực trạm luôn có xác suất là điểm phóng điện cao. Khi các thiết bị của trạm phân phối bị sét đánh trực tiếp thì sẽ đa đến những hậu quả nghiêm trọng nh gây nên h hỏng thiết bị có thể dẫn đến việc ngừng cung cấp điện trong một thời gian dài làm ảnh hởng đến việc cung cấp điện năng, sản xuất điện năng và các ngành kinh tế quốc dân dẫn tới những hậu quả nghiêm trọng, thậm trí gây ảnh hởng tới an ninh, chính trị xã hội. Vì vậy việc bảo vệ chống sét đánh thẳng là một việc không thể thiếu đợc khi thiết kế một trạm biến áp. Cột thu sét hay dây thu sét có độ cao lớn, trị số điện trở nối đất nhỏ sẽ thu hút về nó các phóng xạ điện sét và tạo nên các khu vực an toàn xung quang chúng. Các kim thu sét kết cấu chắc chắn, thi công đơn giản và tận dụng đợc các kết cấu trong trạm để đặt kim thu sét ( Xà trạm, cột đèn pha . ) do đó sẽ giảm đợc vốn đầu t. I/ SƠ Đồ bảo vệ. Bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp dùng kim thu sét Việc tính toán ở đây chỉ giới hạn trong phạm vi - Xác định số lợng kim thu sét. - Tính toán chiều cao của cột thu sét. - Tính phạm vi bảo vệ của chúng. Để giảm vốn đầu t ban đầu các phơng án đều tận dụng tối đa các kết cấu trong trạm để đặt kim thu sét. 1 II - Tính toán kỹ thuật. 1/ Phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu sét. a/ Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là miền đợc giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp xoay có bán kính đáy đợc xác định bởi công thức: Trong đó: h: độ cao cột thu sét r x: bán kính của phạm vi bảo vệ ở độ cao h x h x : độ cao của vật cần bảo vệ h - h x độ cao hiện dụng của cột thu sét. 2 h h - )h(h-. =r x x x 1 61 h 1,5 h 0,75 h r x h 0,2 h b h h x r x Hình vẽ (1-1) Để thuận tiện cho tính toán, thiết kế thờng dùng phạm vi bảo vệ đơn giản hóa (hình 1 - 1) Đờng sinh của hình chóp có dạng gẫy khúc Một trong những đoạn của nó là (đoạn ab) là phần đờng thẳng nối đỉnh cột thu sét có chiều cao h tới điểm trên mặt đất cách chân cột 0,75 h. Còn đoạn bc là phần đờng thẳng nối giữa điểm cao 0,8h trên thân cột tới điểm cách xa chân cột 1,5h. Từ hình vẽ có thể thấy điểm b có độ cao bằng 3 2 h Bán kính bảo vệ ở các độ cao khách nhau đợc tính toán theo công thức. Khi h x 3 2 h thì r x = 1,5 h (1- h h x 8,0 ) Khi h x > 3 2 h thì r x = 0,75 h (1- h h x ) Các công thức này chỉ dùng trong trờng hợp cột thu sét cao tới 30m. Hiệu quả của cột cao quá 30m có giảm sút do độ cao định hớng giữ hằng số. Có thể dùng các công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh. h . =P 55 Và trên hình vẽ dùng các hoành độ 0,75 hp và 1,5 hp. b/ Phạm vi bảo vệ của 2 và nhiều cột thu sét. Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có kích thớc lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệ của 2 cột đơn. Trong thực nghiệm ngời ta đã chứng minh đợc khu vực có xác suất 100% phóng điện sét vào cột thu sét có bán kính là: R = 3,5 h. Vậy thì a = 2R = 7h là khoảng cách giữu 2 cột thu sét đặt cạnh nhau một khoảng cách a < 7h thì sẽ bảo vệ đợc độ cao h o Xác định bởi công thức h - h o = 7 a (1 - 2a) hoặc h o = h - 7 a (1- 2b). 3 Các phần bên ngoài khoảng cách giữa 2 cột của phạm vi bảo giống nh tr- ờng hợp một cột, còn phần bên trong đợc giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm: 2 đỉnh cột và điểm có độ cao h o Mặt cắt thẳng đứng cắt theo mặt phẳng vuông góc đặt giữa hai cột của phạm vi bảo vệ đợc vẽ giống nh của một cột có độ cao h o Dùng giá trị này để tính ra r ox (sẽ đợc trình bày sau). Từ đó ta có thể vẽ đ- ợc mặt phẳng của phạm vi bảo vệ ở các độ cao khác nhau. Một công trình cần đợc bảo vệ an toàn bằng 2 cột thu sét thì phải nằm gọn trong phạm vi bảo vệ này, nghiã là có độ cao công trình. h x h o = h - 7 a (1-3) Và mặt bằng công trình đợc giới hạn trong mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở độ cao h x . Khi độ cao cột thu sét vợt quá 30m cũng có các hiệu chỉnh tơng tự nh trên và có độ cao h o sẽ đợc tính theo h o = h - p a 7 (1- 4) Khi có hai cột thu sét có chiều cao khác nhau(hình 1-2) Trớc tiên ta vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao, sau đó từ đỉnh cột thấp vẽ đ- ờng thẳng ngang gặp đờng sinh của cột cao ở đâu thì coi đó là một thu sét giả 4 a ' 1 h 1 2 h 2 3 R a Hình 1-2 định (3) Nó sẽ cùng với cột thấp (cột 1) hình thành một đôi cột có độ cao bằng nhau (cột 1 và cột 3) Khi công trình nằm trên một phạm vi rộng lớn nếu chỉ dùng một vài cột thu sét thì cột phải rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công, lắp ráp. Trong trờng hợp này cần phải có nhiều cột phối hợp bảo vệ (hình 1 - 3) phần ngoài của phạm vi bảo vệ đợc xác định nh đối với từng đôi cột (yêu cầu khoảng cách a 7h ) Không cần vẽ phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột mà chỉ kiểm tra điều kiện bảo vệ an toàn. Vật có độ cao h x nằm trong đa giác sẽ đợc bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện D 8 (h - h x ) = 8 h a Trong đó: D đờng kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi 3 cột thu sét. h a : độ cao hiện dụng của cột thu sét. h a = h - h x tức là phần cột cao vợt hơn độ cao h x Khi các cột vợt quá độ cao 30m điều kiện bảo vệ đợc hiệu chỉnh theo công thức D 8(h - h x ) P = 8 h a P Trong đó: P là hệ số hiệu chỉnh: P = h 5,5 5 D O a Hình 1-3 2/ Tính toán các phơng án bảo vệ. Ta phải tính toán phạm vi bảo vệ của từng nhóm cột để từ đó tìm ra độ cao của các cột thu sét có thể đảm bảo an toàn cho trạm biến áp. Xác định chiều cao tác dụng h a của các nhóm cột dựa theo điều kiện sau D 8(h - h x ) = 8 h a ( Đã diễn giải ở 1-5) Khi sét nhóm cột gồm 3 cột hợp với nhau thành một tam giác có 3 cạnh là a, b và c thì D đợc tính: Trong đó: P là nửa chu vi tam giác ABC Sau khi tính toán độ cao tác dụng h a chung cho cả trạm ta lấy h a cộng với độ cao của vật cần bảo vệ để đợc độ cao h của cột thu sét. Bán kính bảo vệ của cột thu lôi Nếu h x > h 3 2 thì r x =0,75 h (1- h h x 8,0 ) (1-7) Nếu h x h 3 2 thì r x =1,5 h (1- h h x 8,0 ) (1-8) Trong đó: r x phạm vi bảo vệ của cột thu lôi h x chiều cao của vật cần bảo vệ h chiều cao của cột thu sét. Độ cao lớn nhất đợc bảo vệ giữa hai cột cao bằng nhau là h o a khoảng cách giữa hai cột Tại độ cao h x đó bán kính bảo vệ dọc theo đờng nối giữa hai cột đợc tính theo công thức Nếu h x > 0 3 2 h thì r 0x =0,75 h 0 (1- 0 h h x ) (1-9) Nếu h x 0 3 2 h thì r 0x =1,5 h 0 (1- 0 8,0 h h x ) (1-10) 6 ( ) 61 2 ., -(m) )(p-c)p(p-a)(p-b cba D= 2 a+b+c p= 7 a -h=h o A/ Phơng án I. Sơ đồ bố trí cột thu lôi nh hình vẽ (1- 4) Ta có 13 cột thu sét. I/ Tính phạm vi bảo vệ của các nhóm cột 1/ Xét nhóm cột 1, 3, 4: Nhóm cột này tạo thành hình tam giác vuông có các cạnh là: + Cạnh (13) = 60 m + Cạnh (34) = 40 m Đờng tròn ngoại tiếp hình tam giác này có đờng kính là: D = 22 40+60 = 72,11 (m) Chiều cao tối thiểu h a của cột thu sét để diện tích tam giác 1,3,4 đợc bảo vệ là: h a 8 D = 8 11,72 = 9,01 (m) 2/ Xét nhóm cột 1, 2, 4: Nhóm cột này có khoảng cách giữa các cột là: + Cạnh (14) = 72,11 (m) + Cạnh (12) = 64 (m) + Cạnh (24) = 22 40+60 = 64,62 (m) Ta có kích thớc của p. p = ( ) m365,100 2 62,646411,72 = ++ 7 2 a+b+c p= )6,64-365,100)(64-365,100)(11,72-365,100(365,1002 62,64.64.11,72 2 = )(p-c)p(p-a)(p-b cba D= §êng kÝnh vßng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c qua 3 ®Ønh cét lµ D = 77,66 (m). ChiÒu cao tèi thiÓu h a cña cét thu sÐt ®Ó diÖn tÝch tam gi¸c 1, 2, 4 ®îc b¶o vÖ lµ h a ≥ m D 7,9 8 66,77 8 == 3/ XÐt nhãm cét 2, 4, 5: Nhãm cét nµy cã kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c cét lµ + C¹nh (24) = 64,62 (m) + C¹nh (45) = 40 (m) + C¹nh (25) = 09,62=16+60 22 (m) Ta cã kÝch thíc cña P lµ. §êng kÝnh vßng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c qua 3 ®Ønh cét lµ D = 67,75 (m) ChiÒu cao tèi thiÓu h a cña cét thu xÐt ®Ó diÖn tÝch tam gi¸c 2, 4, 5 ®îc b¶o vÖ lµ h a ≥ ( ) m D 47,8 8 25,71 8 == 4/ XÐt nhãm cét 2, 5, 8: Nhãm cét nµy cã kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c cét lµ. 8 ( ) m a+b+c p= 355,83= 2 09,62+40+62,64 = 2 )09,62-355,83)(40-355,83)(62,64-355,83(355,832 09,62.40.62,64 2 = )(p-c)p(p-a)(p-b cba D= + C¹nh (28) = 46 (m) + C¹nh (25) = 62,09 (m) + C¹nh (58) = ( ) m11,72=40+60 22 Ta cã kÝch thíc cña P lµ §êng kÝnh vßng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c qua 3 ®Ønh cét lµ D = 75,38 (m) ChiÒu cao tèi thiÓu h a cña cét thu xÐt ®Ó diÖn tÝch tam gi¸c 2, 5, 8 ®îc b¶o vÖ lµ h a ≥ ( ) m D 42,9= 8 38,75 = 8 5/ XÐt nhãm cét 5, 8, 10: Nhãm cét nµy cã kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c cét lµ. + C¹nh (58) = 72,11 (m) + C¹nh (510) = 54 (m) + C¹nh (810) = ( ) m61.61=14+60 22 Ta cã kÝch thíc cña P lµ §êng kÝnh vßng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c qua 3 ®Ønh cét lµ D = 74,04 (m) ChiÒu cao tèi thiÓu h a cña cét thu xÐt ®Ó diÖn tÝch tam gi¸c 5, 8,10 ®îc b¶o vÖ lµ 9 )(1,90= 2 11,72+09,62+46 = 2 m a+b+c p= )1,72-1,90)(09,62-1,90)(46-1,90(1,902 11,72.09,62.46 2 = )(p-c)p(p-a)(p-b cba D= )(86,93= 2 61,61+54+11,72 = 2 m a+b+c p= )61,61-86,93)(54-86,93)(11,72-86,93(86,932 61,61.54.11,72 2 = )(p-c)p(p-a)(p-b cba D= h a ≥ ( ) m D 25,9= 8 04,74 = 8 6/ XÐt nhãm cét 8, 9, 10: Nhãm cét nµy cã kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c cét lµ. + C¹nh (89) = 64 (m) + C¹nh (810) = 61,61 (m) + C¹nh (910) = ( ) m1,78=60+50 22 Ta cã kÝch thíc cña P lµ §êng kÝnh vßng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c qua 3 ®Ønh cét lµ D = 80,198 (m) ChiÒu cao tèi thiÓu h a cña cét thu xÐt ®Ó diÖn tÝch tam gi¸c 8, 9, 10 ®îc b¶o vÖ lµ h a ≥ ( ) m D 02,10= 8 198,80 = 8 7/ XÐt nhãm cét 9, 10, 11: Nhãm cét nµy t¹o thµnh h×nh tam gi¸c vu«ng cã c¸c c¹nh lµ + C¹nh (911) = 60 (m) + C¹nh (1011) = 50 (m) §êng trßn ngo¹i tiÕp h×nh tam gi¸c nµy cã ®êng kÝnh lµ: D = ( ) m1,78=50+60 22 ChiÒu cao tèi thiÓu h a cña cét thu xÐt ®Ó diÖn tÝch tam gi¸c 9, 10, 11 ®îc b¶o vÖ lµ h a ≥ ( ) m D 76,9= 8 1,78 = 8 8/ XÐt nhãm cét 3, 4, 6 10 )(855,101= 2 1,78+61,61+64 = 2 m a+b+c p= )1,78-855,101)(61,61-855,101)(64-855,101(855,1012 1,78.61,61.64 2 = )(p-c)p(p-a)(p-b cba D=
