Chương trình hóa thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao thế theo tiểu chuẩn IEEE Std 80-2013

Nội dung text: Chương trình hóa thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao thế theo tiểu chuẩn IEEE Std 80-2013

1. CHƯƠNG TRÌNH HÓA THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP CAO THẾ THEO TIỂU CHUẨN IEEE Std 80 - 2013 PROGRAMING DESIGNING THE GROUNDING SYSTEM FOR THE HIGH VOLTAGE SUBSTATION FOLLOW IEEE STD 80-2013 STANDARD Mai Đại Hoạch Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Trong bài báo này chúng tôi đưa ra các bước thiết kế hệ thống nối đất đối với lưới nối đất đều và không đều dựa trên tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013. Phân tích và nghiên cứu tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 về thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao thế, cũng như các bài báo và đề tài nghiên cứu liên quan, từ đó xây dựng được trình tự khoa học thiết kế hệ thống nối đất đối với lưới nối đất đều và không đều, cung cấp công cụ tính toán hệ thống nối đất trạm biến áp, cho phép tính toán nhanh với độ chính xác cao cho các công ty điện lực, công ty tư vấn thiết kế điện, công ty xây dựng điện. Từ khóa: Thiết kế nối đất; Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013; Lưới nối đất đều; Lưới nối đất không đều; ABSTRACT In this paper we present the grounding system design steps for even and uneven grounding grid based on IEEE Std 80-2013 standards. Analyze and research IEEE Std 80-2013 standards for the design of grounding systems for high voltage substations, as well as articles and related research topics, from which the scientific design sequence grounding system for even and uneven grounding grid, providing a grounding station calculation tool, enables fast calculation with high precision for power companies, electrical design consultants, power construction companies. Keywords: Grounding design; IEEE Std 80-2013 Standards; Even grounding grid; Uneven grounding grid. 1. GIỚI THIỆU thay đổi phương pháp tính hệ số suy giảm bề Nối đất an toàn trong hệ thống điện đóng mặt so với những phiên bản trước đó. Thay vai trò rất quan trọng để bảo vệ an toàn cho đổi việc đánh giá lựa chọn thanh dẫn và kết người và thiết bị. Vì vậy, khi đề cập đến lưới nối. Mô hình đất nhiều lớp để tính toán điện nối đất an toàn, ta không chỉ quan tâm đến trở suất của hệ thống nối đất được đưa vào giá trị của điện trở nối đất mà còn phải quan tính toán [2], [3]. tâm đến độ chênh lệch điện thế trong lưới nối 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT đất nhằm giảm điện áp bước và điện áp tiếp ĐÓI VỚI LƯỚI ĐỀU xúc khi xảy ra sự cố chạm vỏ. 2.1 Các bước thiết kế Mục đích của tiêu chuẩn IEEE Std 80 – 2013[1] là cung cấp những hướng dẫn và Có 2 mục tiêu để cần phải đạt được khi thông tin thích hợp để thiết kế hệ thống nối thiết kế hệ thống nối đất khi vận hành bình đất cho trạm biến áp cao thế đối với lưới đều thường cũng như sự cố [4], [5]: và lưới không đều thỏa các điều kiện an toàn Đảm bảo thoát hết dòng trong đất mà về điện trở nối đất cũng như điện áp bước và không có sự gia tăng lớn hơn giới hạn điện áp tiếp xúc. Các công thức được mở của thiết bị cũng như điều khiện vận. rộng tính toán cho lưới hình vuông, hình chữ Đảm bảo người tiếp cận với những thiết nhật, dạng tam giác, dạng T và dạng L; và bị nối đất thì không bị điện giật.
2. Bước 1: Xác định sơ đồ và vị trí trạm biến áp Bước 10: Nếu điện áp bước và điện áp tiếp từ đó lựa chọn nơi thích hợp nhất để thực xúc thấp hơn giới hạn chịu đựng thì thiết kế hiện nối đất. Xác định kích thước của lưới chỉ yêu cầu đảm bảo kết nối vào thiết bị nối nối đất A. Kiểm tra điện trở suất của đất, xác đất. Nếu không thi phải thay đổi lại thiết kế định mô hình đất, tính toán điện trở suất của ban đầu. đất ρ. Bước 11: Nếu giới hạn chịu đựng của điện Bước 2: Xác định tiết diện dây dẫn. Dòng sự áp bước và điện áp tiếp xúc gia tăng cần phải cố 3I0 là dòng sự cố lớn và từ dòng điện này thay đổi thiết kế ban đầu. Sự thay đổi này có ta tính toán lựa chọn dây dẫn cho hệ thống thể giảm khoảng cách giữa các dây nối đất và nối đất. Thời gian tc là thời gian lớn nhất cô thêm cọc nối đất. Thay đổi thiết kế để đảm lập sự cố. bảo giới hạn điện áp tiếp xúc và điện áp Bước 3: Xác định giới hạn điện áp bước, bước. điện áp tiếp xúc và xác định khoảng thời gian Bước 12: Sau khi đảm bảo yêu cầu về điện điện giật. áp bước và điện áp tiếp xúc, yêu cầu phải Bước 4: Thiết kế sơ bộ ban đầu bao gồm nối thêm lưới và cọc nối đất. Thêm vào dây dẫn đất xung quanh chu vi và dây nối đất dọc bên của lưới nếu trong thiết kế không bao gồm trong chu vi để đảm bảo đường đi vào thuận dây dẫn nối thiết bị nối đất xuống hệ thống lợi cho những thiết bị nối đất. Xác định nối đất. Thêm cọc nối đất dưới các thiết bị khoảng cách giữa các dây nối đất và vị trí chống sét và trung tính máy biến áp. cọc nối đất dựa vào dòng IG và diện tích nối 2.2 Lưu đồ thiết kế theo tiêu chuẩn IEEE đất. Std 80 - 2013 Bước 5: Tính toán ban đầu điện trở của hệ thống nối đất trong mô hình đất đồng nhất. Khi thiết kế cuối cùng phải tính chính xác giá trị này dựa vào mô phỏng các thành phần của hệ thống nối đất, đảm bảo mô hình đất lựa chọn là chính xác. Bước 6: Xác định dòng lớn nhất chạy vào lưới nối đất và đất. Tránh thiết kế dư chỉ cần đảm bảo dòng sự cố tổng 3I0 dòng này sẽ qua lưới đi tới khu vực đất xa được dùng trong thiết kế. Dòng IG thể hiện loại sự cố và vị trí sự cố, hệ số suy giảm và mở rộng hệ thống trong tương lai. Bước 7: Nếu giá trị gia tăng điện áp GPR thấp hơn điện áp tiếp xúc có thể chịu đựng được thì không cần phải tính toán gì thêm. Thêm dây nối từ thiết bị nối đất đến hệ thống nối đất. Bước 8: Tính toán điện áp bước và điện áp lưới cho lưới mới vừa hoàn thành. Bước 9: Nếu điện áp của lưới thấp hơn điện áp tiếp xúc chịu đựng quá trình thiết kế đã hoàn thành. Nếu điện áp lưới lớn hơn điện áp tiếp xúc chịu đựng thì thiết kế ban đầu phải thay đổi. Hình 1. Lưu đồ thiết kế theo tiêu chuẩn IEEE Std 80 – 2013 đối với lưới đều
3. 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT kim loại màu λ khi dùng phương pháp phân ĐÓI VỚI LƯỚI KHÔNG ĐỀU bố lưới nối đất không đều [10]. Bước 1: Xác định giới hạn điện áp tiếp xúc - Hàm độ lợi khi 120 ≤ ρ 200 Ωm thì λ phụ thuộc nhiều vào Bước 2: Xác định giá trị tổng chiều dài thanh dòng điện sự cố chạm đất, do đó ta xác định nối đất sử dụng [7]: λ theo các khoảng giá trị của dòng điện sự cố chạm đất Is: ηρI L = s (2) - Hàm đ ộ lợ i khi 200 ≤ ρ < 300 Ωm Etouch70 + Dòng sự cố 2000 ≤ Is < 5000 A Trong đó: λ=(-3.1588e-6n^7+0.00066n^6-0.04341n^5+ ρ : điện trở suất của đất (Ωm) 1.81389n^4-44.946n^3+658.742n^2-5282.77 Is : dòng điện sự cố (A) n+17872)/n (6) η : hệ số tỉ lệ, được xác định như sau: + Dòng sự cố 5000 ≤ Is < 11000 A Is = (2000 – 5000) A thì η = 1.6 ÷ 1.8 λ=(-1.268e-7n^7+3.33e-5n^6-0.00037n^5+1 Is = (5000 – 7000) A thì η = 1.9 ÷ 2.7 0.2252n^4-8.081n^3+170.98n^2-1971.55n+9 Is = (7000 – 15000) A thì η = 2.8 ÷ 3.2 539.7)/n (7) Bước 3: Xác định tổng số lượng thanh dẫn + Dòng sự cố 11000 ≤ Is < 15000 A nối đất sử dụng (theo phân bố lưới đều) [8]: λ=(-1.724e-7n^7+5.86e-5n^6-0.00846n^5+0. L + L1 − L2 672n^4-31.72n^3+890.13n^2-13737.8n+899 n2 = (3) 2L1 956.2)/n (8) Trong đó: - Hàm độ lợi khi 300 ≤ ρ < 400 Ωm L1 : chiều dài của lưới nối đất (m) + Dòng sự cố 2000 ≤ Is < 5000 A L2 : chiều rộng của lưới nối đất (m) λ=(3.074e-7n^7-7.8e-5n^6+0.00841n^5-0.49 n2 : số lượng thanh dẫn theo chiều dọc 6n^4+17.5n^3-366.39n^2+4231.95n+20768. Số lượng thanh dẫn theo chiều ngang n1 89)/n (9) được xác định như sau: + Dòng sự cố 5000 ≤ Is < 11000 A n1=Kt×n2 (4) λ=(3.43e-8n^7-1.4e-5n^6+0.0026n^5-0.252n Trong đó Kt được xác định theo bảng tỉ lệ: ^4+14.78n^3-514.3n^2+9846.79n-80023.54) /n (10) Bảng 1. Hệ số Kt theo tỉ lệ L1/L2 [9] + Dòng sự cố 11000 ≤ Is < 15000 A Tỉ lệ L1/L2 Hệ số Kt 1.00 – 1.06 1 λ=(1.034e-8n^7-5.5e-5n^6+0.0123n^5-1.54n 1.07 – 1.09 1.058 ^4+114.95n^3-5125.14n^2+126526.35n-133 1.10 – 1.16 1.075 1050.71)/n (11) 1.17 – 1.19 1.105 - Hàm độ lợi khi 400 ≤ ρ < 500 Ωm 1.20 – 1.22 1.115 + Dòng sự cố 2000 ≤ Is < 5000 A 1.23 – 1.25 1.150 λ=(-1.67e-7n^7+5.14e-5n^6-0.00673n^5+0.4 1.26 – 1.28 1.165 84n^4-20.63n^3+512.96n^2-7251.92n+4266 1.29 – 1.35 1.210 3.83)/n (12) 1.36 – 1.40 1.250 1.41 – 1.46 1.270 + Dòng sự cố 5000 ≤ Is < 11000 A 1.47 – 1.53 1.315 λ=(1.3118e-8n^7-6.7e-5n^6+0.0014n^5-0.17 1.54 – 1.61 1.338 3n^4+12.3n^3-522.8345n^2+12275.044n-12 1.62 – 1.67 1.378 2774.334)/n (13) 1.68 – 1.75 1.420 + Dòng sự cố 11000 ≤ Is < 15000 A Bước 4: Xác định hệ số tiết kiệm khối lượng
4. λ=(3.93e-8n^7-2.7e-5n^6+0.008n^5-1.323n^ đều: 4+129.92n^3-7633.53n^2+248516.22n-3458 Đầu tiên ta cần xác định khoảng cách giữa 257.77)/n (14) các thanh đầu tiên theo chiều dài, dựa theo - Hàm độ lợi khi 500 ≤ ρ < 600 Ωm phân bố đều: + Dòng sự cố 2000 ≤ Is < 5000 A a=L1/(n1-1) (22) λ=(1.3e-7n^7-4.7e-5n^6+0.0007n^5-0.056n^ Từ đó suy ra khoảng cách giữa các thanh ở 4+2.7n^3-75.6n^2+1108.2n-692.04)/n (15) khoảng thứ id theo chiều dài: + Dòng sự cố 5000 ≤ Is < 11000 A Sid = a [1 + 0.22(id – 1)] (23) λ=(5.02e-8n^7-3.1e-5n^6+0.0082n^5-0.1186 Khoảng cách giữa các thanh đầu tiên theo 4n^4+10.27n^3-529.752n^2+15075.1n-1825 chiều rộng, dựa theo phân bố đều: 48.01)/n (16) b=L1/(n1-1) (24) + Dòng sự cố 11000 ≤ Is < 15000 A Từ đó suy ra khoảng cách giữa các thanh ở λ=(-1.994e-8n^7+1.66e-5n^6+0.0006n^5-1.1 khoảng thứ ir theo chiều rộng: 66n^4+137.71n^3+9729.53n^2-380934.3n+6 S = b [1 + 0.22(i – 1)] (25) 375634.66)/n (17) ir r Bước 5: Xác định tổng số thanh sử dụng của hệ thống lưới nối đất phân bố không đều: 4. KẾT LUẬN Đối với lưới hình vuông: Nghiên cứu tiêu chuẩn IEEE Std 80 - nʹ = n(1 - λ) (18) 2103 thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến Đối với lưới hình chữ nhật: áp cao thế trong trường hợp lưới nối đất đều. n1ʹ = n1 (1 - λ) (19) Xây dựng được hàm độ lợi cũng như các n2ʹ = n2 (1 - λ) (20) bước thiết kế hệ thống nối đất lưới không nʹ = n1ʹ + n2ʹ (21) đ ề u dựa trên bảng số liệu thực nghiệm. Trong đó: Chưa xuất so sánh tính tối ưu về kinh tế n1 : số lượng thanh dẫn theo chiều dài và kỹ thuật giữa phương pháp thiết kế lưới n2 : số lượng thanh dẫn theo chiều rộng nối đất đều và không đều. Bước 6: Xác định phân bố các thanh dẫn song song trong lưới nối đất phân bố không TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEEE Std. 80-2013, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. [2] Effect of the changes in IEEE Std. 80 on design and Analysis of power system grounding, J.Ma, F.P.Dawalibi, R.D.Souththey. [3] A Comparison of IEC 479-1 and IEEE Std 80 on Grounding Safety Criteria, Chien-Hsing LEE, A. P. Sakis Meliopoulos, Proc. Natl. Sci. Counc. ROC(A), Vol. 23, No. 5, 1999. pp. 612-621. [4] A Method to Apply IEEE Std. 80 Safe Touch and Step Potentials to Relay Coordination, Dr. Lance Grainger, P. Eng. & Mr. Richard Boulton, P. Eng., October 29, 2005. [5] Designing safe and reliable grounding in ac substations with poor soil resistivity: an interpretation of ieee std. 80, Andrew Ackerman, P.K. Sen, P.E., Clifton Oertli, P.E. [6] Giáo trình An toàn điện, PGS.TS Quyền Huy Ánh, NXB Đại học quốc gia TPHCM, 2012. [7] Quá điện áp trong hệ thống điện, Hoàng Việt, NXB Đại học quốc gia TPHCM, 2007. [8] MATLAB ứng dụng, Trần Quang Khánh, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2010. [9] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 9385, Chống sét cho công trình xây dựng - Hướng dẫn thiết kế kiểm tra và bảo trì hệ thống, 2012. [10] Luận văn cao học “Nghiên cứu phân bố lưới nối đất an toàn trạm biến áp”, Ths Trần Ngọc Định.
5. Giảng viên hướng dẫn Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: Họ tên: Mai Đại Hoạch Đơn vị: Học viên Cao học, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh PGS.TS. Hồ Văn Nhật Chương Điện thoại: 0977347533 Email: hoachspkt@gmail.com
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.