Bài giảng hệ thống cung cấp điện - Trần Tấn Lợi - Chương 11

Chia sẻ: Impossible_1 Impossible_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

96
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đòng điện đi qua cơ thể con người gây nên những tác hại nguy hiểm: gây bỏng; giật; trường hợp nặng có thể gây chết người. Về trị số, dòng điện từ 10 mA trở lên là nguy hiểm và từ 50 mA trở lên thường dẫn đến tai nạn chết người.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng hệ thống cung cấp điện - Trần Tấn Lợi - Chương 11

Chương XI Nối đất và chống sét 12.1 Khái niệm về nối đất: Đòng điện đi qua cơ thể con người gây nên những tác hại nguy hiểm: gây bỏng; giật; trường hợp nặng có thể gây chết người. Về trị số, dòng điện từ 10 mA trở lên là nguy hiểm và từ 50 mA trở lên thường dẫn đến tai nạn chết người. Điện trở cơ thể cong người thay đổi trong giới hạn rất rộng, phụ thuộc vào tình trạng của da, diện tích tiếp xúc với điện cực, vị trí điện cực đặt vào người, thời gian dòng điện chạy qua, điện áp giữa các điện cực và nhiều yếu tố khác. Khi điện trở của người nhỏ (khoảng 800  1000 ) chỉ cần 1 điện áp 40  50 V cũng đủ gây nguy hiểm cho tính mạng con người. Người bị tai nạn về điện trước hết là do chạm phải những phần tử mang điện, bình thường có điện áp. Để ngăn ngừa hiện tượng này, cần đặt những rào đặc biệt ngăn cách con người với các bộ phận mang điện đó. Xong người bị tai nạn về điện cũng có thể là do chạm phải các bộ phận của TB điện bình thương không mang điện nhưng lại có điện áp khi cách điện bị hỏng (như sứ cách điện, vỏ ĐC điện, các giá thép đặt thiết bị điện .v…). Trong trường hợp này, để đảm bảo an toàn, có thể thực hiện bằng cách nối đất tất cả những bộ phận bình thường không mang điện, nhưng khi cách điện hỏn có thể có điện áp. Khi có nối đất, qua chỗ cách điện chọc thủng và thiết bị nối đất sẽ có dòng điện ngắn mạch một pha với đất và điện áp đối với đất của vỏ thiết bị bằng: ĐC Uđ Uđ = Iđ . Rđ Trong đó: Iđ - dòng điện 1 pha chạm đất. Rđ Rđ - điện trở nối đất của trang TB nối đất Trường hợp người chạm phải có TB. có điện áp, dòng điện qua người xác định theo biểu thức: I ng Rd  Id R ng Bởi Rđ
Khi dòng ngắn mạch xuất hiện do cách điện của TB. bị hỏng. Dòng ngắn mạch IN sẽ qua vổ TB. theo dây nối đất xuống điện cực và chạy tản vào trong đất (HV). Trên HV ta thất đường cong phân bố điện thế trên mặt đất. mặt đất tại chỗ đặt điện cực ( điểm 0) có điện thế cao nhất (đ )  càng xa điện cực điện thế càng giảm dần và tại điểm a & a’ cách khoảng 15  20 m thì điện thế nhỏ tới mức không đáng kể và được coi bằng không. ĐN: “ Điện trở nối đất là điện trở của khối đất nằm giữa điện cực và mặt có điện thế bằng không”. Nếu bỏ qua điện trở nhỏ của dây dẫn nối và điện cực thì điện trở đất được xác định theo biểu thức: Ud Rd  Id Trong đó: Ud - điện áp của trang bị nối đất. Id - dòng ngắn mạch (dòng điện trong đất). Khái niệm về điện áp tiếp xúc: Nếu tay người tiếp xúc với vỏ TB. (bị hỏng cách điện) thì điện áp tiếp xúc nghĩa là điện áp giữa tay và chân người bằng: Utx  d  1 d - Điện thế lớn nhất tại điểm 0. 1 - Điện thế tại chỗ người đứng. Khái niệm về điện áp bước: Khi người đến gần thiết bị hỏng cách điện thì điện áp giữa 2 chân (giả thiết 2 chân không cùng 1 điểm) sẽ có 2 điện thế khác nhau  tạo thành điện áp gọi là điện áp bước. Ub  1  2 Để tăng an toàn, tránh Utx và Ub lớn nguy hiểm đến con người, người ta sẽ dùng các hình thức nối đất phức tạp với sự bố trí thích hợp các điện cực trên diện tích đặt thiết bị điện và mạch vòng xung quanh TB. (HV). Utx Ub TB. phân phối 23 m
Thực hiện nối đất ở mạng hạ áp: Trong cá mạng 4 dây 380/220 V có điểm trung tính trực tiếp nối đất thì vỏ TB. có thể được nối trung tính (vì trung tính đã được nối đất). Phương án chỉ được phép dùng nếu tất cả các phụ tải đều là TB. ba pha  U0 = 0. (tức lưới không có nhiều thiết bị 1 pha). Tuy vậy không phải lúc nào cũng an toàn vì nếu mất trung tính từ tram các TB. vẫn có thể làm việc bình thường (PA này chỉ ưu điểm là rẻ và dễ thực hiện). Khi yêu cầu cao về an toàn người ta sử dụng hệ thông nối đất riêng cho các TB, hoặc hệ thống nối đất lập lại (tức là dây trung tính ngoài việc nối đất ở trạm rồi lại cần phải nối đất thêm cả ở phân xưởng hoặc tại thiết bị). Yêu cầu nối đát trong PX; các trạm biến áp; PP: Tất cả các đế máy, vỏ máy điện, các bộ truyền động của TB. điện, khung sắt, bảng phân phối, bảng điều khiển, các kết cấu kim loại của thiết bị phân phối trong nhà và ngoài trời, hàng rào kim loại ngăn cách phần mang điện, vỏ đầu cáp, các TB. chống sét, cột sắt của đường dây tải điện, của sắt các trạm BA, trạm PX .v.v… Không yêu cầu nối đất:: Đối với các TB. xoay chiều điện áp  280 V hoặc một chiều  440 V nếu các TB. này đặt trong nhà và ở nơi khô ráo. Các thiết bị điện áp 127 V xoay chiều và 110 V một chiều đặt trong nhà không cần phải nối đất. Trừ trường hợp ở những nơi có khả năng đẽ nổ hoặc cháy. 12.2 Cách thực hiện và tính toán trang bị nối đất: 1) Khái niệm chung: trong thực tế thường tồn tại 2 hình thức nối đất là nối đất nhân tạo và nối đất tự nhiên. Nối đất tự nhiên: là hình thức nối đất tận dụng các công trình ngầm hiện có, như các ống dẫn bằng kim loại (trừ các ồng dẫn nhiên liệu lỏng và khí dẽ cháy) đặt trong đất. Các kết cấu bằng kim loại của nhà, các công trình xây dựng có nối với đất, các vỏ cáp bọc kim loại của cáp đặt trong đất .v.v… Khi xây dựng trang bị nối đất trước hết phải sử dụng các vật nối đất tự nhiên có sẵn, điện trở nối đất của các vật tự nhiên xác định bằng cách đo tại chố hoặc lấy theo tài liệu thực tế. Nối đất nhân tạo: thường được thực hiện bằng các cọc thép (dạng ống, dạng thanh, hoặc thép góc) dài từ 23 m và được chôn sâu dưới đất. Thông thường các điện cực nối đất được đóng sâu xuống đất sao cho đầu trên của chúng cách mặt đất khoảng 0,5  0,7 m. Nhờ vậy sẽ giảm được sự thay đổi điện trở nối đất theo thời tiết. Các điện cực nối đất hay các cọc được nối với nhau bằng cách hàn với các thanh thép nối (dạng dẹt hoặc tròn) đặt ở độ sâu 0,5 – 0,7 m. Khi không có điều kiện đóng điện cực xuống sâu (Ví dụ ở các vùng đất đá…) người ta dùng các thanh thép dẹt hoặc tròn đặt nằm ngang ở độ sâu 0,7 – 1,5 m. Để chống ăn mòn các ôngd thép đặt trong đất phải có bề dầy không nhỏ hơn 3,5 mm. Các thanh thép dẹt, thép góc không được nhỏ hơn 4 mm. Tiết diện nhỏ nhất cho phép theo ĐK này là 48 mm2 . Dây nối đất cần có tiết diện thoả mãn độ bề cơ khí, ổn định nhiệt và chịu được dòng cho phép lâu dài, nó không được phép bé hơn 1/3 tiết diện của dây dẫn các pha. Thông thường người ta hay dùng thép tiết diện 120 mm2 , dây nhôm 35 mm2 ; dây đồng 25 mm2 . Điện trở của trang bị nối đất không được lớn hơn trị số qui định trong qui phạm. Đối với mạng Udm 110 kV: là mạng có trung tính trực tiếp nối đất hoặc nối đất qua 1 điện trở nhỏ. Khi xẩy ra ngm. bảo vệ rơle tương ứng sẽ tác động cắt bộ phận hư hỏng của TB. Vì vậy sự
xuất hiện điện thế trên trang bị nối đất khi ngm. chạm đất có tính chất tạm thời. Vì xác xuất sẩy ra ngm. chạm đất đồng thời với việc người tiếp xúc với vỏ thiết bị có điện áp Uđ = Iđ. Rd là rất nhỏ nên qui phạm không qui định điện áp cho phép lớn nhất mà chỉ đòi hỏi ở bất kỳ thời gian nào trong năm, điện trở của trang bị nối đất cũng phải thoả mãn Rd  0,5  Khi dòng điện chạm đất lớn, điện áp đối với trang bị nối đất mặc dù chỉ trong thời gian ngắn có thể đạt trị số rất lớn. Ví dụ khi Id = 3000 A mà Rd = 0,5  thì U = 1500 V. Vì vậy để nâng cao an toàn cho người phục vụ cần phải tự động cắt ngm. với thời gian nhỏ nhất, đồng thời đảm bảo trị số điện áp tiếp xúc và điện áp bước nhỏ nhất có thể. Cần thực hiện nối đất theo mạch vòng và dùng các biện pháp bảo vệ phục vụ cho người vận hành như ủng cách điện và ghế cách điện. Trong lưới có dòng chạm đất lớn buộc phải có nối đất nhân tạo trong mọi trường hợp không phụ thuộc vào nối đất tự nhiên, đồng thời điện trở nối đất nhân tạo không đuợc lớn hơn 1 . Với lưới trung áp Udm > 1000V: là lưới có dòng chạm đất bé, tức mạng có điểm trung tính không nối đất, hoặc nối đất qua cuộn dây dập hồ quang  thường bảo vệ rơle không tác động cắt bộ phận của TB. có chạm đất 1 pha. Vì vậy chạm đất 1 pha có thể kéo dài Ud trên thiết bị chạm đất cũng tồn tại lâu hơn  làm tăng xác xuất người tiết xúc với những phần tử của TB. đó. Vì vậy qui phạm qui định rằng điện trở của trang bị nối đất tại mọi thời điểm bất kỳ trong năm không được vượt quá qui định. Khi dùng trang bị nối đất chung có cả lưới trên và dưới 1000 V thì: 125 Rd  (4) Id Khi dùng riêng (chỉ dùng cho TB. >1000 V) thì: 250 Rd  (5) Id Trong đó 125 và 250 là điện áp cho phép lớn nhất của trang bị nối đất. Id - Dòng chạm đất 1 pha lớn nhất. + Trong cả hai trương hợp, điện trở nối đất không được vượt quá 10 . Rd  10  Lưới Udm < 1000 V: điện trở nối đất tại mọi thời điểm trong năm không vượt quá 4  (riêng TB. nhỏ khi tổng công suất của máy phát và trạm BA không vượt quá 100 kVA, cho phép Rd đến 10 ). + Nối đất lặp lại của dây trung tính trong mạng 380/220 V phải có R d< 10  + Nếu tại điểm nào đó có nhiều TB. phân phối với điện áp khác nhau đặt trên cùng khu đất, nếu thực hiện nối đất chung. Thì điện trở nối đất phải thoả mãn yêu cầu của trang bị nối đất nào đồi hỏi có Rd nhỏ nhất.
Đối với đường dây trên không: Udm  35 kV cần nối đất tất cả các cột bê tông, cột thép. Udm 3  20 kV – chỉ cần nối đất các cột ở gần nơi dân cư. Cần phải nối đất cho tất cả các cột bê tông, cột thép, cột gỗ của tất cả các loại đường dây ở mọi cấp điện áp khi trên cột đó có đặt bảo vệ chống sét hay dây chống sét. Điện trở nối đất cho phép của cột phụ thuộc vào điện trở suất của đất lấy 10  30 . + Trên các đường dây 3 pha 4 dây, điện áp 380/220 V có điểm trung tính trực tiếp nối đất các cột sắt và xà của cột bê tông cần phải được nối với dây trung tính. + Mạng Udm < 1000 V có dây trung tính cách đất, cột sắt, bê tông cốt thép cần có điện trở nối đất không quá 50 . 2) Tính toán hệ thống nối đất:: a) Điện trở nối đất của cọc và thanh nối: Phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và độ chôn sâu trong đất và điện trở xuất của đất tại nơi thực hiện nối đất. Các công thức tính toán và cách lắp đặt cho trong bảng dưới đây. b) Tính toán hệ thống nối đất:: Hệ thống nối đất thường bao gồm một số điện cực nối song song với nhau một khoảng tương đối nhỏ (vì lý do không gian và kinh tế). Vì vậy khi có dòng ngắn mạch chạm đất, thể tích đất tản dòng từ mỗi cực giảm đi  do đó làm tăng điện trở nối đất của mỗi cọc. NHư vậy, nếu nối đất gồm n điện cực (cọc) thì điện trở nối đất của toàn hệ thống (không kể đến thanh nối ngang) không phải là Rcọc/n mà là: Bảng công thức xác định điện trở tản dòng của các điện cực khác nhau
Bảng 12-1 Cách đặt Chú Kiểu nối điện cực Công thức thích đất Chôn l thẳng  ttd 4 l l>d Rdc  ln đứng, làm d 2 .l d băng thép tròn, đầu trên tiếp xúc với mặt đất. t Chôn  ttd 2 l 1 4t  l l Rdc  (ln  ln ) thẳng d 2 .l d 2 4t  l l>d đứng, làm bằng thép tròn, đầu trên nằm sâu cách mặt đất một khoảng. Chôn nằm ngang, làm bằng b t thép dẹt,  ttng 2l 2 l  2 ,5 R dc  ln 2t dài, nằm l 2 .l b.t sâu cách mặt đất một khoảng. b – chiều rộng của thanh dẹt, nếu điện cực tròn có đường kính d thì b=2d
Tấm thẳng đứng, sâu  ttd a R dc  0 ,25 cách mặt b a.b đất một khoảng a, b kích thước của tấm. Vành t
Điện trở suất của đất không phải cố định trong cả năm mà thay đổi do ảnh hưởng của sự thay đổi độ ẩm và nhiệt độ của đất, do đó điện trở của trang bị nối đất cũng thay đổi. Vì vậy trong tính toán nối đất phải dùng điện trở suất tính toán là trị số lớn nhất trong năm. tt = Kmax . (7) Trong đó: Kmax – hệ số tăng cao, phụ thuộc điều kiện khí hậu ở nơi xây dựng trang bị nối đất. Đối với các ống và thanh thép góc dài 2 – 3 m khi chôn sâu mà đầu trên cách mặt đất 0,5 – 0,8 m thì hệ số Kmax = 1,2 – 2. Còn khi đặt nằm ngang cách mặt đất 0,8 m thì hệ số Kmax = 1,5 – 7. Tóm lại trình tự tính toán nối đât như sau: Trình tự tính toán: Bước 1: Xác định điện trở cần thiết của trang bị nối đất (của hệ thống nối đất) theo tiêu chuẩn (cách thông thường hoặc theo INmax). Rd Bước 2: Xác định điện trở nối đất của HT nối đất tự nhiên có sẵn Rtn . Bước 3: Nếu Rtn < Rd như đã nói ở phần trên, với lưới trung áp có dòng chạm đất nhỏ và ở lưới hạ áp  không cần phải đặt nối đất nhân tạo. Còn ở lưới điện áp cao U  110 kV có dòng chạm đất lớn (hoặc ngay cả ở lưới trung áp khi có dòng chạm đất lớn, tức lưới dài)  lúc đó vẫn nhất thiết phải đặt nối đất nhân tạo với điện trở không lớn hơn 1 . Nếu Rtn > Rd thì phải xác đình điện trở của nối đất nhân tạo theo công thức sau: Từ (HV.) ta có: 1 1 1 Rtn Rnt Rđ   R d R nt Rtn tương đương R nt .Rtn HV.  Rd  R nt  Rtn Rd .Rnt + Rd .Rtn = Rnt.Rtn  Rnt (Rd - Rtn) = Rd.Rnt R d .Rtn (8) R nt  R tn  R d Bước 4: Từ trị số Rnt (8) ta sẽ tính ra số điện cực cần thiết, cần bố trí các điện cực để sao cho giảm Utx và Ub . Để tính được số điện cực cần thiết trước tiên ta chọn một loại điện cực thường dùng (thép góc hoặc thép tròn)  Tra bảng hoặc tính Rcọc theo các công thức cho trong Bảng
12-1. Trong khấu này cần có tt ; kích thước bố trí, độ sâu chôn cọc .v.v… Những điều này phụ thuộc cả vảo không gian có thể được phép sử dụng, hoặc có thể cho phép thi công dẽ dàng. Bước 5: Sơ bộ xác định số điện cực cần thiết của HT. R coc (9) n R nt .K sdc Chú ý: số cọc trong hệ thống nối đất không được phép nhỏ hơn 2 (để giảm điện áp bước). Ksdc – Hệ số sử dụng cọc, tham số này phụ thuộc vào số lượng cọc, khoảng cách cọc, loại HT (mạch vòng hay tia)  có thể sơ bộ tra bảng theo các kích thước dự kiến. Ksdc = f ( n, khoảng cách, loại HT).  tạm xác định. Bước 6: Khi cần xét đến điện trở nối đất của các thanh nối nằm ngang. Sơ bộ ước lượng chiều dài (chu vi mạh vòng có thể cho phép lắp đặt HT nối đất). Việc tính R t (điện trở của thanh nối) theo công thức (tra bảng); Sau đó điện trở của toàn bộ thanh nối sẽ được tính theo công thức sau: Rt Rt'  t Trong đó: Rt – Tính theo công thức tra bảng. t – Hệ số sử dụng thanh nối ngang. Bước 7: Tính chính xác điện trở cần thiết của các cọc (điện cực) thẳng đứng có xét tới điện trở của thanh nối nằm ngang. 1 1 R nt .R t' R nt   '  R  coc  ' (11) R  cäc Rt Rt  R nt Bước 8: Tính chính xác số cọc thẳng đứng có xét tới ảnh hưởng của thanh nằm ngang và hệ số sử dụng cọc. R coc n (12) K sdc .R  Ví dụ: Tính toán trang bị nối đất trạm phân phối 10 kV. Dòng điện điện dung chạm đất 1 pha của mạng 10 kV bằng 25 A. Bảo vệ chống chạm đất 1 pha của mạng 10 kV tác động phát tín hiệu. Trong trạm có đặt máy biến áp giảm áp 10/0,38; 0,22 kV phía hạ áp có trung tính trực tiếp nối đất. - Đất thuộc loại đất sét, có  = 0,6 . 104 cm.
- Giả thiết xây dựng nối đất hình mạch vòng bằng thanh thép góc, chu vi mạch vòng 80 m. Không có nối đất tự nhiên. Giải: Điện trở trang bị nối đất xác định theo công thức: 125 Rd   5 25 Để nối đất điểm trung tính của các máy biến áp ở phía 380/220 V phải có trang bị nối đất với điện trở R = 4   Như vậy điện trở nối đất chung của trạm không được lớn hơn 4 . Nối đất được làm bằng thanh thép góc L50x50x5 dài 2,5 m với độ chôn sâu 0,7 m. Các thanh thép góc được nối với nhau bằng thanh thép dẹt 20x4 mm, Không tính đến điện trở nối đất của các thanh nối. Giả thiết hệ số tăng điện trở suất của đất khi thực hiện nối đất bằng các thanh thép góc lấy Kmax = 2. + Tính điện trở suất tính toán của đất: tt = kmax .  = 2x0,6. 104 = 1,2 . 104  cm + Điện trở của một thanh thép góc theo công thức (7). Rcọc = 0,00318. tt = 38,16  + Số cọc (thép góc) cần thiết cho TH nối đất. R coc 38 n   15 R d . 4 x 0 ,65 Hệ số sử dụng  = 0,65 tìm được theo đường cong cho sắn (lấy với tỷ số a/l = 2. Tỷ số giữa khoảng cách giữa các cọc và chiều dài cọc). Tức là ta giả thiết khoảng cách giữa các cọc là a = 5 m. Khoảng cách giữa các cọc là a = 80/15 = 53 m  gần đúng với điều đã giả thiết. 12.3 Quá điện áp thiên nhiên và đặc tính của sét: Sét là sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất hay giữa các đám mây mang điện tích khác dấu. Trước khi có sự phóng điện của sét đã có sự phân chia và tích luỹ rất mạnh các điện tích trong các đám mây giông do tác dụng của các luồng không khí nóng thổi bốc lên và hơi nước ngưng tụ trong các đám mây rất mãnh liệt. Câc đám mây mang điện tích là do kết quả của sự phân tích các điện tích trái dấu và sự tập trung chúng trong các phần khác nhau của đám mây. Phần dưới của đám mây giông thường tích điện tích âm, nó cùng với mặt đất hình thành một tụ điện “mây-đất”. Ở phía trên của đám mây thường tích luỹ các điện tích dương. Cường độ điện trường của tụ điện mây-đất tăng dần lên và nếu tại chỗ nào đó cường độ đạt đến trị số tới
hạn 25  30 kV/cm thì không khí bị ion hoá, tức là bắt đầu trở thành dẫn điện và sự phóng điện bắt đầu phát triển ở dưới đất. Phóng điện của sét chia làm 3 giai đoạn: + Phóng điện giữa đám mây và đất được bắt đầu bằng sự xuất hiện một dòng sáng phát triển xuống đất chuyển động từng đợt với tốc độ 100  1000 km/s. Dòng này mang phần lớn điện tích của đám mây, tạo nên ở đầu cực nó một thế rất cao “hàng trăm triệu vôn”, giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng điện tiên đạo từng bậc. Khi dòng tiên đạo vừa mới phát triển đến đất hay các vật dẫn điện nối với đất thì giai đoạn thứ hai bắt đầu phóng điện chủ yếu của sét. Trong giai đoạn này các điện tích dưng của đất (sóng điện tích) di chuyển hướng đất theo dòng điện đạo với tốc độ lớn (6.104 – 105 km/s) chạy lên và trung hoà các điện tích âm của dòng điện đạo. Sự phóng điện chủ yếu được đặc trung bởi dòng điện lớn qua chỗ sét đánh ggọi là dòng điện sét và sự loé sáng mãnh liệt của dòng phóng điện. Không khí trong dòng phóng điện được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 10.000 0C và dãn nở rất nhanh chóng, tạo thành sóng âm thanh. Trong giai đoạn phóng điện thứ ba của sét sẽ kết thúc sự di chuyển các điện tích của mây mà từ đó bắt đầu có sự phóng điện, và sự loé sáng bbắt đầu biến mất. Thường phóng điện sét gồm một loạt phóng điện kế tiếp nhau do sự dịch chuyển điện tích từ những phần khác của đám mây. Tiên đạo của những lần phóng điện sau đi theo dòng đã bị ion hoá ban đầu, vì vậy chóng phát triển liên tục và được gọi là tiên đạo dạng mũi tên. Dòng điện sét ghi được trên caca máy hiện sóng cực nhanh có dạng như hình 11-3 Hai tham số quan trọng nhất của dòng điện sét là biên độ I (kA) Is và dốc đầu sóng a. 2 dI s a max  1 dt a Is đầu sóng t (s) Hình 11-3 Dòng điện sét 1 - Dòng điện sét ghi trên máy hiện sóng. 2 - Dòng điếnét tính toán. Is - Biên độ dòng điện sét. Biên độ của dòng điện sét không vượt quá 200 – 230 kV và rất hiểm trường hợp dòng điện sét bằng và lớn hơn 100 kV. Vì tầm quan trọng của vật được bảo vệ, trong tính toán thường lấy dòng điện sét bằng 50 – 100 kA. Độ dốc cực đại của đầu sóng dòng điện sét không vượt quá 50 kA/s. Thấy rằng biên độ dòng điện sét lớn thì độ dốc đầu sóng cũng lớn. Vì vậy với dòng điện sét tính toán 100 kV và lớn
hơn thường lấy độ dốc đầu sóng trung bình 30 kA/s và khi dòng điện sét tính toán nhỏ hơn 100 kA thì lấy khoảng 10 kA/s. Quá điện áp khí quyển phát sinh khi sét đánh trực tiếp vào các vật đặt ngoàI trời (đường dây tảI điện, thiết bị phân phối ngoàI trời) cũng như khi sét đánh vào các công trình điện. Quá điện áp do sét đánh trực tiếp là nguy hiểm nhất. Đặc điểm của quá điện áp khí quyển là tính chất ngắn hạn của nó. Phóng điện của sét chi kéo dàI trong mấy chục micro-giây và điện áp tăng cao có đặc tính xung. Mỗi điện áp định mức có mức (hay cấp) cách điện của nó. Các cấp này xác định bởi trị số điện áp thí nghiệm đặc trưng cho khả năng cách điện. Dùng mức cách điện cao một cách quá đáng sẽ làm tăng giá thành thiết bị điện, còn nếu hạ thấp mức cách điện có thể dẫn đến những sự cố nặng nề. Vì vậy mức cách điện phảI được xác định tuy theo đặc tính và trị số quá điện áp có thể có và các tham số của thiết bị dùng để hạn chế quá điện áp. Khả năng của cách điện chịu được quá điện áp khí quyển được xác định bởi điện áp thí nghiệm xung kích. Các thiết bị điện được bảo vệ chống quá điện áp khí quyển bằng hệ thống thu lôI giữ cho đối tượng được bảo vệ không bị sét đánh trực tiếp và các thiết bị chống sét khác nhằm hạ thấp quá điện áp phát sinh trong thiết bị đến trị số thấp hơn ddiện áp thí nghiệm. 12.4 Bảo vệ chống sét đường dây tảI điện: Trong vận hành, sự cố cắt điện do sét đánh vào đường dây tảI điện trên không chiếm tỉ lệ lớn trong toàn bộ sự cố của hệ thống điện. Bởi vậy bảo vệ chống sét đường dây có tầm quan trọng rất lớn trong việc đảm bảo vận hành an toàn và cung cấp điện liên tục. Để đảm bảo chống sét cho đường dây tốt nhất là treo dây chống sét toàn bộ tuyến đường dây. Song biện pháp này rất đắt, vì vậy nó chỉ được dùng cho các đường dây 110 – 220 kV cột sắt và cột bê tông cốt sắt. Đường dây 35 kV dùng cột sắt hoặc bê tông cốt sắt ít được bảo vệ chống sét toàn tuyến. Tuy nhiên cột của các đường dây này, cũng như cột của các đường dây 110 – 220 kV đều phảI nối đất. Dể tăng cường khả năng chống sét cho những đường dây đó có thể đặt chống sét ống hoặc tăng thêm bất cứ ở những nơI cách điện yếu, những cột vượt cao, chỗ giao chéo với đường dây khác, những đoạn tới trạm. Còn ở những đường dây yêu cầu mức an toàn cung cấp điện rất cao thì tốt nhất là dùng đường dây cáp. Dây chống sét: Tuy theo cách bố trí dây dẫn trên cột, có thể treo một hoặc hai dây chống sét. Các dây chống sét được treo trên đường dây tảI điện sao cho dây dẫn của cả ba pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của các dây chống sét. Với một cột thu lôI bán kính bảo vệ R x được tính theo công thức: 0 ,8 R x  (h  hx ) với h ≤ 30 m (12-13) h 1 x h a h  a / 4 h Rx     hx
Bán kính bảo vệ và phạm vi ngoàI của hai dây (trường hợp treo 2 dây chống sét) cũng được xá định theo công thức trên. Phía trong, giữa hai dây, phạm vi bảo vệ được giới hạn bởi một cung tròn đI qua các dây chống sét và điểm giữa có độ cao h = a/4. Đối với cột điện thông thường, dây dẫn sẽ được bảo vệ chắc chắn nếu góc bảo vệ  không quá 300. Giảm góc bảo vệ sẽ làm giảm xác suất sét đánh vào dây dẫn nhưng lại làm tăng giá thành vì phảI tăng chiều cao cột, thường lấy 200 ≤  ≤ 300 . Trang bị nối đất của dây chống sét gần dây nối đất và cực nối đất. Điện trở nối đất Rxk (còn gọi là điện trở xung kích) thường nhỏ hơn hay bằng 10 . 12.5 Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp: 1) Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp. Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các trang thiết bị điện và các công trình khác đặt trong trạm biến áp thực hiện bằng cột thu lôI (thu sét). Cột thu sét gồm kim thu sét bằng kim loại dựng cao hơn vật được bảo vệ để thu sét và một dây dẫn sét xuống đất cùng vơí trang bị nối đất. Khoảng không gian gồm cột thu lôI mà nếu vật bảo vệ đặt trong đó rất ít khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ của cột thu lôi. hhd Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôI (hình 12-5) là hình nín cong tròn xoay có tiết diện ngang là những hình tròn, ở độ h cao hx có bán kính Rx . Trị số của bán kính bảo vệ Rx xác hx định theo công thức. 1,5 h 1,5 h 1,6 Rx  hhd . (12 -14) Rx h 1 x .p h Hình 12 – 5 Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu lôi
Trong đó: hhd = h – hx - Chiều cao hiệu dụng của một cột thu lôI, tức là phần cao hơn của một cột thu lôI so với mốc đang xét. P - hệ số, với h ≤ 30 m thì p = 1 Với h > 30 m thì p = 5,5/ h . Để bảo vệ chống sét cho trạm biến áp lớn có thể dùng hai, ba cột thu lôI hoặc nhiều hơn nữa. R2 hhd hx R4 Rx bx Hình 12 – 6 Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi Trong đó Rx được xác định theo công thức (12-14) còn bx bề ngang hẹp nhất của phạm vi bảo vệ ở độ cao hx , xác định bởi công thức: 7.hhd  a bx  4.Rx . (12-15) 14.hhd  a Thí nghiệm cho thấy rằng khu vực có xác suất 100% phóng điện vào cột thu lôI có bán kính R = 3,5h. Như vậy khi hai cột đặt cách nhau a = 2R = 7h thì bất kỳ điểm nào nằm trên mặt đất trong khoảng giữa hai cột sẽ không bị sét đánh. Từ đó suy ra với hai cột thu lôI cách nhau a< 7h thì sẽ bảo vệ được độ cao hx xác định bởi biểu thức: h – hx = a/7 hay
hx = h - a/7 Khi h < 30m thì hx = h – a/7p Trường hợp trạm đặt nhiều cột thu lôI thì các phần ngoàI của khu vực bảo vệ cũng xác định theo công thức (12-14); (12-15). Cần kiểm tra điều kiện bảo vệ an cho toàn bộ diện tích cần bảo vệ. Vật có độ cao hx nằm trong trạm sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện. a1 D ≤ 8.(h – hx) với h ≤ 30 m D bx2 a2 D ≤ (h – hx).p với h > 30 m 2) Bảo vệ chống sét từ đường dây truyền vào trạm: Nếu có một cột thu lôI cao hơn các cột khác thì phần cao hơn của nó coi như một cột thu lôI Các đường dây trên không dù có được bảo đơn,chống sét hay không thì các thiết vệ bị điện có nối với chúng đều phảI chịu tác dụng của sóng sét chạy từ đường dây đến. Biên độ của quá điện áp khí quyển 7 Phạm vi bảo vệ của 4điện lôi cách điện của thiết bị điện dẫn đến chọc thủng cách điện, Hình 12 – có thể lớn hơn cột thu áp phá hoại thiết bị và mạch điện cắt ra. Vì vậy bảo vệ trạm biến áp cần phảI đặt các thiết bị chống sét. Như vậy thiết bị chống sét và thiết bị bảo vệ chống quá điện áp cho thiết bị điện bằng cách hạ thấp biên độ sóng quá điện áp đến trị số an toàn cho cách điện cần được bảo vệ (cách điện của máy biến áp và các thiết bị khác đặt trong trạm). Thiết bị chống sét chủ yếu cho trạm biến áp là chống sét van CSV kết hợp với chống sét ống CSO và khe hở phóng điện. Khe hở phóng điện là cáI thu lôI đơn giản nhất gồm hai điện cực, trong đó một điện cực nối với mạch điện còn điện cực kia nối đất (Hình 12-8). Khi làm việc bình thường khe hở cách ly những phần tử của mạng điện (dây dẫn) với đất. Dây dẫn Khi có sóng quá điện áp chạy trên đường dây khe hở phóng điện sẽ phóng điện qua và truyền xuống đất. Ưu điểm nổi bật của loại thiết bị này là đơn giản, rẻ tiền. Song vì nó không có bộ phận dập hồ quang nên khi nó làm việc bảo vệ rơ-le sẽ tác động cắt mạch điện. Vì vậy khe hở phóng điện thường chỉ được dùng làm biện pháp bảo vệ Chống sét ống CSO có sơ đồ bảo vệ các lý cấu tạo như hình vẽ (Hình phận trong các loại phụ (ví dụ để nguyên máy biến dòng) cũng như làm một bộ 12-9). Hình 12 – 8 chống sét khác. Khe hở phóng điện CSO gồm hai khe hở phóng điện S1; S2 trong đó S2 được đặt trong Dây dẫn ống làm bằng vật liệu sinh khí như fibrôbakêlit hoặc vinipơlat. Khi có dòng quá áp điện áp cả S1 và S2 đều phóng điện. Dưới tác dụng S1 của hồ quang chất sinh khí phát nóng và sản sinh ra nhiều khí làm cho áp suất trong ống lên tới hàng chucj ata và thổi tắt hồ quang. Khả năng dập hồ quang của CSO rất hạn chế với một trị S2 số dòng điện giới hạn nhất định. Nếu dòng điện lớn hơn thì hồ quang không bị dập tắt và rơle tác động cắt mạch điện như trong trường hợp dùng khe hở phóng điện. Hình 12-9 Sơ đồ cấu tạo chống sét ống
Chống sét ống chủ yếu dùng để bảo vệ chống sét cho các đường dây không treo dây chống sét cũng như dùng làm phần tử phụ trong các sơ đồ bảo vệ trạm biến áp. Chống sét van CSV bao gồm hai phần tử chính là khe hở phóng điện và điện trở làm việc. Khe hở phóng điện gồm một chuỗi khe hở nhỏ có nhiệm vụ như đã xét ở trên, còn điện trơ phi tuyến dùng để hạn chế trị số dòng điện kế tục (là dòng ngắn mạch chạm đất qua chống sét van khi sóng quá điện áp chọc thủng các khe hở phóng điện, dòng điện này được duy trì bởi điện áp định mức của mạng điện). Cần phảI hạn chế dòng điện kế tục để dập tắt dễ dàng hồ quang trong khe hở phóng điện sau khí chống set van làm việc. Nếu tăng điện trở làm việc thì sẽ làm dòng điện kế tục giảm xuống. Nhưng lại cần chú ý là, khi sóng quá điện áp tác dụng lên chống sét, dòng xung kích có thể đến mấy ngàn ampe đI qua điện trở làm việc, tạo trên điện trở đó một điện áp xung kích gọi là điện áp dư của chống sét. Để bảo vệ cách điện cần phảI giảm điện áp dư, do đó cần phảI giảm điện trở làm việc. Như vậy trị số của điện trở làm việc cần thoả mãn hai nhu cầu tráI ngược nhau, cần phảI có trị số lớn để hạn chế dòng kế tục, lại cần có trị số nhỏ để hạn chế điện áp dư. Chất vilít được dùng làm điện trở của chống sét van vì điện trở của nó giảm xuống khi tăng điện áp đặt vào. Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền vào trạm biến áp đạt được bằng cách đặt chống sét van và thực hiện các biện pháp bảo vệ đoạn dây gần trạm. (Hình 12-10) giới thiệu một sơ đồ bảo vệ thường dùng cho trạm 35 – 110 kV. Đoạn gần trạm khoảng 1-2 km được bảo vệ bằng dây chống sét để ngăn ngừa sét đánh trực tiếp vào đường dây. CSO1 đặt ở đầu đoạn đường dây gần trạm nhằm hạn chế biên độ MC BA Dây dẫn DCS sóng sét. Nếu đường dây được bảo vệ bằng DCS toàn tuyến thì không cần đặt CSO1. Chống sét ống CSO2 dùng để bảo vệ máy cắt khi nó ở vị trí CSO1 CSO2 cắt. CSV Với các trạm 3-10 kV được bảo vệ đơn giản hơn. Không cần đặt DCS ở đoạn gần trạm. Chỉ cần đặt CSO cách trạm khoảng 200 m trước Thiết bị phân phối khi vào trạm, trên các thanh góp hay sát máy biến áp đặt CSV. Hình 12-10 Sơ đồ bảo vệ trạm 35 – 110 kV NgoàI ra để bảo vệ chống quá điện áp cho trạm cần phối hợp cách điện của trạm biến áp. Các đặc tính chủ yếu của cách điện được bảo vệ chống quá điện áp là điện áp thí nghiệm. Điện áp dư trên CSV ứng với dòng xung kích cho phép (5.3 – 5 kA) là trị số chủ yếu để làm thí nghiệm xác định mức cách điện xung kích của cách điện. Mức đảm bảo độ bền về điện của cách điện lấy bằng: Udb = (1,1 + 1,15) Udư Điện áp thực nghiệm, tức khả năng cách điện lấy các trị số như sau: Đối với cách điện của máy biến áp Utn = 1,15Udb , đối với cách điện của sứ, khe hở phóng điện Utn = (1,15 – 1,2)Udb.
Sự phối hợp đặc tính của cách điện được bảo vệ với các đặc tính của CSV thông qua việc qui định một khoảng cách cần thiéet giữa chúng gọi là sự phân phối hợp cách điện. Nối đất chống sét cho trạm cần đảm bảo qui định sau: Với trạm có trung tính nối đất điện áp từ 110 kV trở lên thì điện trở nối đất cho phép là 0,5  , với trạm có trung tính cách điện điện áp dưới 110 kV là 4  , với trạm có công suất bé (dưới 100 kVA) là 10 .