Đồ án kỹ thuật điện cao áp kết hợp mô phỏng ATP draw

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế bảo vệ chống sét và
quá điện áp trạm biến áp
220/110 kV
ĐOÀN VĂN THẮNG


Ngành Kỹ thuật điện
Chuyên ngành Hệ thống điện

Giảng viên hướng dẫn:

Ths. Phạm Thành Chung

Bộ môn:
Viện:

Hệ thống điện
Điện

Chữ ký của GVHD


HÀ NỘI, 8/2022

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1- TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
+ Thiết kế bảo vệ chống sét và quá điện áp trạm biến áp 220/110 kV
Số liệu Trạm biến áp 220/110 kV

Cho sơ đồ nối điện chính và các kích thước cơ bản của trạm biến áp,
Sơ đồ 2 thanh góp phía điện áp 220 kV, 2 thanh góp có thanh góp vịng phía điện
áp 110 kV; 6 mạch đường dây 220 kV; 14 mạch đường dây 110 kV; 2 MBA
220/110 kV;
Kích thước chính : độ cao xà đón dây 220 kV :16.5 m; độ cao xà thanh góp
220kV : 11 m; độ cao xà đón dây 110 kV : 11 m; độ cao xà thanh góp 110 kV : 8
m; khoảng cách pha phía 220 kV: 4,25 m; khoảng cách pha phía 110 kV : 2,50 m.
Điện trở suất của đất tại trạm: 100 Ωm (phục vụ tính tốn nối đất)
Số liệu Đường dây tải điện
Cho các số liệu chính của đường dây truyền tải, tính chỉ tiêu bảo vệ chống sét của
đường dây
Cấp điện áp 220kV
Cột
• Loại cột: Sắt, 2 mạch trên một cột
• Chiều cao cột: 34m
Dây dẫn:
Pha A
Pha B
Pha C

Loại dây
AC300
AC300
AC300

Độ võng
6,5m
6,5m
6,5m

Dây chống sét:
• Loại dây: C95
• Số dây: 2
• Độ võng: 5m
Cách điện chuỗi gồm: 13 phần tử trong một chuỗi
• Loại ∏-4,5
• Đặc tính: Tra bảng
Khoảng vượt 250m
Điện trở cột điện 12 Ω

Độ treo cao
28m
22m
16m

Xà
3,5m
4m
4m


Mức giông bão 90 ngày/năm

2- CÁC NỘI DUNG YÊU CẦU TÍNH TỐN :
i. Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp.
ii. Thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp.
iii. Tính tốn chống sét của đường dây 220 kV.
iv. Bảo vệ chống sóng truyền từ đường dây 220 kV vào trạm biến áp.
3- CÁC BẢN VỄ Ao TỐI THIỂU
i. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét, các phương án bảo vệ chống sét đánh trực tiếp.

ii. Các kết quả tính tốn nối đất an toàn và nối đất chống sét của trạm.
iii. Phương pháp và kết quả tính tốn chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây.
iv. Kết quả tính tốn bảo vệ chống sóng truyền từ đường dây vào trạm.
4- TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN
Ngày giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp:
19/4/2022
Nộp quyển
/2022
Bảo vệ
/2022
Hà nội, ngày 19 tháng 04 năm 2022
Giảng viên hướng dẫn

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên


LỜI CẢM ƠN
Nhờ sự chỉ bảo, dạy dỗ, góp ý của các thầy, cô giáo ở bộ môn Hệ
thống
điện
trong suốt thời gian vừa qua em đã hoàn thành đồ án này. Tuy
nỗ lực rất nhiều nhưng do hạn chế cả về mặt thời gian lẫn kiến
thức và kinh nghiệm nên sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót trong
q trình thực hiện nên em mong được các thầy cô chỉ dạy thêm
để em được mở rộng, nâng cao kiến thức của mình
Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy, cô
giáo
trong
bộ

môn, đặc biệt là thầy Phạm Thành Chung đã rất tận tình giúp đỡ
em trong thời gian vừa qua.
LỜI NÓI ĐẦU
Với bất kỳ một quốc gia nào sự phát triển và phát triển bền vững là hết sức quan
trọng. Đặc biệt trong bối cảnh nước ta hiện nay vấn đề này càng cần được quan
tâm nhiều hơn nữa. Để đảm bảo được điều này thì ngồi hàng loạt chính sách xã
hội đồng bộ vấn đề an ninh năng lượng là một trong những ưu tiên hàng đầu
trong đó có điện năng.
Trong giai đoạn hiện tại tốc độ tăng trưởng GDP của nước ta đang đạt 6,42 %
trong 6 tháng đầu năm 2022, trong đó tốc độ phát triển công nghiệp giai đoạn
2016-2020 là 7,16%.
Để đảm bảo cung cấp đủ điện năng thì tốc độ phát triển nguồn điện phải đạt tốc
độ 10 % đồng thời đảm bảo lưới điện vận hành ổn định.
Đường dây, trạm biến áp là những phần tử chính trong hệ thống truyền tải và
phân phối điện năng. Công suất phụ tải tăng mạnh,kèm theo sự đòi hỏi ngày một
cao về chất lượng điện năng thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của hệ thống
điện.Đặc trưng của hệ thống điện là dàn trãi trong một khơng gian rộng lớn nên
thường có nhiều sự cố xãy ra đối với chúng.Khi thiết kế đường dây truyền tải
điện, trạm biến áp thì để đảm bảo sự an toàn của hệ thống,độ tin cậy cung cấp
điện phải đảm bảo sao cho xác suất xảy ra sự cố là thấp nhất đảm bảo các chỉ tiêu
kinh tế - kỹ thuật. Sự cố hay xảy ra nhất đối với đường dây truyền tải điện ngoài
trời là do sét đánh.Khi bị sét đánh thường dẫn đến việc cung cấp và truyền tải
điện năng cùng với thiệt hại lớn về kinh tế, xã hội và tính mạng con người....
Để đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định thì vấn đề bảo vệ cho hệ thống
điện có một vị trí vơ cùng quan trọng trong đó có bảo vệ Trạm Biến Áp.
Trong phạm vi khuôn khổ đồ án này em tiến hành làm một số nhiệm vụ
sau:
i.Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp.
ii. Thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp.
iii. Tính tốn chống sét của đường dây 220 kV.

iv. Bảo vệ chống sóng truyền từ đường dây 220 kV vào trạm biến áp.
Tuy đã có cố gắng nhưng do thời gian và hiểu biết của em có hạn nên bản đồ án
khơng khỏi tránh những thiếu sót, em mong được sự góp ý và chỉ bảo thêm của
các thầy, các cơ. Bản đồ án được hồn thành với sự cố gắng của bản thân, sự giúp
đỡ động viên của bạn bè, thầy cô trong nghành Kỹ Thuật Điện Trường Đại Học
Bách khoa Hà Nội và đặc biệt là sự chỉ bảo, hướng dẫn của ThS Phạm Thành
Chung.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày…..tháng…..năm 2022
Sinh viên


MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU


CHƯƠNG MỞ ĐẦU: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG
CỦA NĨ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN.
1.1 Hiện tượng dơng sét.
Dơng sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi
khoảng cách giữa các điện cực khá lớn (trung bình khoảng 5km). Hiện tượng
phóng điện của dơng sét gồm hai loại chính đó là phóng điện giữa các đám mây
tích điện và phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất.
Ở đây ta chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất

(phóng điện mây - đất). Vì hiện tượng phóng điện này gây ảnh hưởng trực tiếp
tới hệ thống điện.
Các đám mây được tích điện với mật độ điện tích lớn, có thể tạo ra cường độ
điện trường lớn sẽ hình thành dịng phát triển về phía mặt đất. Giai đoạn này là
giai đoạn phóng điện tiên đạo. Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của
lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5.107 cm/s, các lần phóng điện sau thì tốc độ
tăng lên khoảng 2.108 cm/s (trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng
điện kế tiếp nhau bởi vì trong cùng một đám mây thì có thể hình thành nhiều
trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lượt phóng điện xuống đất).
Tia tiên đạo là mơi trường Plasma có điện tích rất lớn. Đầu tia được nối với một
trong các trung tâm điện tích của đám mây nên một phần điện tích của trung tâm
này đi vào trong tia tiên đạo. Phần điện tích này được phân bố khá đều dọc theo
chiều dài tia xuống mặt đất. Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có
sự tập trung điện tích khác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tùy thuộc vào
tình hình dẫn điện của đất. Nếu vùng đất có địên dẫn đồng nhất thì điểm này nằm
ngay ở phía dưới đầu tia tiên đạo. Cịn nếu vùng đất có điện dẫn khơng đồng nhất
(có nhiều nơi có điện dẫn khác nhau) thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có
điện dẫn cao.
Q trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên
đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt
đất đã được định sẵn.
Do vậy để định hướng cho các phóng điện sét thì ta phải tạo ra nơi có mật độ tập
trung điện diện tích lớn. Nên việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các cơng
trình được dựa trên tính chọn lọc này của phóng điện sét.
Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngược là ν và mật độ điện trường của điện
tích trong tia tiên đạo là
đất sẽ là:

δ

thì trong một đơn vị thời gian thì điện tích đi và trong

is = ν .δ
Cơng thức này tính tốn cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số
điện trở nhỏ khơng đáng kể).


Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dịng điện sét, dịng điện này có biên độ
và độ dốc phân bố theo hàm biến thiên trong phạm vi rộng (từ vài kA đến vài
trăm kA) dạng sóng của dịng điện sét là dạng sóng xung kích, chỗ tăng vọt của
sét ứng với giai đoạn phóng điện ngược.
Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khí
quyển và gây hậu quả nghiêm trọng như: Ngắn mạch đầu thanh góp, cháy nổ,
mất điện trên diện rộng….

Hình 1 Sự biến thiên của dòng điện theo thời gian

Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và cao độ an toàn khi vận hành, đồng thời
chúng ta phải tính tốn và bố trí bảo vệ chống sét cho hệ thống điện.
Việt Nam là một trong những nước khí hậu nhiệt đới, có cường độ dơng sét khá
mạnh. Theo tài liệu thống kê cho thấy trên mỗi miền đất nước Việt nam có một
đặc điểm dơng sét khác nhau:
Ở miền Bắc, số ngày dông dao động từ 70-110 ngày trong một năm và số lần
dông từ 150-300 lần như vậy trung bình một ngày có thể xảy ra từ 2-3 cơn dông.
Vùng dông nhiều nhất trên miền Bắc là Móng Cái. Tại đây hàng năm có từ 250300 lần dông tập trung trong khoảng 100-110 ngày. Tháng nhiều dông nhất là các
tháng 7, tháng 8. Một số vùng có địa hình thuận lợi thường là khu vực chuyển
tiếp giữa vùng núi và vùng đồng bằng, số trường hợp dông cũng lên tới 200 lần,
số ngày dông lên đến 100 ngày trong một năm. Các vùng còn lại có từ 150-200
cơn dơng mỗi năm, tập trung trong khoảng 90-100 ngày. Nơi ít dơng nhất trên
miền Bắc là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có dưới 80 ngày dơng.

Xét dạng diễn biến của dơng trong năm, ta có thể nhận thấy mùa dơng khơng
hồn tồn đồng nhất giữa các vùng. Nhìn chung, ở Bắc Bộ mùa dơng tập chung
trong khoảng từ tháng 5 đến tháng 9. Trên vùng Duyên Hải Trung Bộ, ở phần
phía Bắc (đến Quảng Ngãi) là khu vực tương đối nhiều dông trong tháng 4, từ
tháng 5 đến tháng 8 số ngày dông khoảng 10 ngày/tháng, tháng nhiều dông nhất
(tháng 5) quan sát được 12-15 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/tháng, Bồng Sơn 16
ngày/tháng ...), những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10)
dông cịn ít, mỗi tháng chỉ gặp từ 2-5 ngày dơng.


Phía Nam dun hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) là khu vực ít dơng nhất,
thường chỉ có trong tháng 5 số ngày dông khoảng 10 ngày/tháng như Tuy Hoà 10
ngày/tháng, Nha Trang 8 ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng. Ở miền Nam
khu vực nhiều dông nhất ở đồng bằng Nam Bộ từ 120 - 140 ngày/năm, như ở
thành phố Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/năm. Mùa dông ở
miền Nam dài hơn mùa dông ở miền Bắc đó là từ tháng 4 đến tháng 11 trừ tháng
đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày dơng đều quan sát
được trung bình có từ 15 -20 ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dông nhất trung
bình gặp trên 20 ngày/tháng như ở thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23
ngày…
Số ngày dơng trên các tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem Bảng
sau:
Bảng 1 Số ngày dông trong tháng của một vùng trên lãnh thổ Việt Nam
Tháng
Cao bằng
Bắc Cạn
Lạng Sơn
Móng Cái
Hồng Gai
Hà Giang

Sa Pa
Lào Cai
Yên Bái
Tuyên
Quang
Phú Thọ
Thái Nguyên
Hà Nội
Hải Phòng
Ninh Bình
Lai Châu
Điện Biên
Sơn La
Nghĩa Lộ
Thanh Hố
Vinh
Con Cng
Đồng Hới
Cửa Tùng
Huế
Đà Nẵng
Quảng Ngãi
Quy Nhơn
Nha Trang
Phan Thiết

1
0,2
0,1
0,2

0,0
0,1
0,1
0,6
0,4
0,2

2
0,6
0,3
0,4
0,4
0,0
0,6
2,6
1,8
0,6

3
4,2
3,0
2,6
3,9
1,7
5,1
6,6
7,0
4,1

4

5,9
7,0
6,9
6,6
1,3
8,4
12
10
9,1

5
12
12
12
14
10
15
13
12
15

6
17
18
14
19
15
17
15
13

17

7
20
20
18
24
16
22
16
17
21

8
19
21
21
24
20
20
18
19
20

9
10
10
10
13
15

9,2
7,3
8,1
11

10
11
2,8
2,8
4,2
2,2
2,8
3,0
2,5
4,2

11
0,5
0,2
0,1
0,2
0,2
0,9
0,9
0,7
0,2

12
0,0
0,1

0,0
0,0
0,0
0,0
0,3
0,0
0,0

Cả
năm
94
97
90
112
87
102
97
93
104

0,2
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,4
0,2
0,0
0,2

0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,2

0,0
0,6
0,3
0,3
0,1
0,4
1,8
2,7
1,0
0,5
0,2
0,5
0,2
0,3
0,2
0,2
0,3
0,3

0,3
0,1
0,0

4,0
4,2
3,0
2,9
7,0
8,4
13
12
14
9,2
7,3
6,9
13
6,3
7,8
1,9
2,5
1,2
0,6
0,6
0,2

9,2
9,4
7,7
7,9

7,0
8,4
12
12
14
9,2
7,3
6,9
13
6,3
7,8
4,9
6,5
5,7
3,6
3,2
4,0

15
16
13
16
13
16
15
17
16
14
16
17

17
15
18
10
14
10
8,6
8,2
13

17
17
17
16
19
21
16
21
18
15
16
13
14
7,7
10
6,2
11
13
5,3
5,2

7,2

22
22
17
20
21
20
14
17
15
19
18
13
13
9,6
12
5,3
9,3
9,7
5,1
4,6
8,8

21
21
22
20
23
21

14
18
16
18
18
19
20
9,6
12
5,1
12
1,0
7,3
5,8
7,4

11
11
12
11
17
14
5,8
8,3
6,2
10
13
15
14
11

12
4,8
8,9
7,8
9,6
8,5
9,0

4,2
3,4
3,3
3,1
4,4
5,0
3,4
5,3
6,2
5,2
3,3
5,6
5,2
5,3
5,3
2,3
3,7
0,7
3,3
2,3
6,8

0,5
0,5
0,1
0,6
1,0
0,7
1,9
1,1
1,0
0,0
0,7
0,2
0,2
0,3
0,3
0,3
0,5
0,0
0,6
0,6
1,8

0,0
0,0
0,0
0,9
0,0
0,0
0,3
0,0

0,2
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,1
0,2

106
107
97
99
111
112
93
112
99
99
100
95
103
70
85
41,8

69,5
59,1
43,3
39,2
59,0


Kon Tum
Playcu
Đà Lạt
Blao
Sài Gịn
Sóc Trăng
Hà Tiên

0,2
0,3
0,6
1,8
1,4
0,2
2,7

1,2
1,7
1,6
3,4
1,0
0,0
1,3

6,8
5,7
3,2
11
2,5
0,7
10

10
12
6,8
13
10
7,0
20

14
16
10
10
22
19
23

8,0
9,7
8,0
5,2
19

16
9,7

3,4
7,7
6,3
3,4
17
14
7,4

0,2
8,7
4,2
2,8
16
15
9,0

8,0
17
6,7
7,2
19
13
9,7

4,0
9,0
3,8

7,0
15
1,5
15

1,2
2,0
0,8
4,0
11
4,7
15

0,0
0,1
0,1
0,0
2,4
0,7
4,3

58,2
90,7
52,1
70,2
138
104
128

Qua số liệu khảo sát ta thấy rằng tình hình dơng sét trên ba miền Bắc-TrungNam, những vùng lân cận có mật độ dơng sét tương đối giống nhau. Ta có thể

phân thành 5 vùng, 147 khu vực. Các thông số ghi ở bảng sau:
Bảng 2 Thông số về dông sét các vùng trung bình trong năm.

Vùng

Miền núi
trung du
Miền Bắc

Cao
nguyên

Ven biển
Miền
Trung

Đồng bằng
miền Nam

Đồng
bằng ven
biển miền
Nam

Ngày dông

61,6

47,6

44

60,1

81,1

Giờ dông

219,1

126,21

95,2

89,32

215,6

Mật độ sét

6,33

3,31

3,55

5,37

6,47

Tháng
dông cực
đại

7

5; 8

5; 8

5; 9

8

Miền
Trung

Từ các số liệu về ngày giờ dông, số lượng đo lường nghiên cứu đã thực hiện qua
các giai đoạn có thể tính toán đưa ra các số liệu dự kiến về mật độ phóng điện
xuống các khu vực. Các thơng số ghi ở bảng sau:
Số ngày
dông

Khu vực ven
biển miền
Bắc

Khu vực
trung du
miền Bắc

Khu vực
cao
nguyên
miền
Trung

Khu vực
ven
biển miền
Trung

Khu vực
ven
biển miền
Nam

20-40

2,43-4,68

2,1-4,2

1,2-2,4

1,22-2,44

1,26-2,52

40-60

4,68-7,92

4,2-6,3

2,4-3,6

2,44-3,65

2,52-3,78

60-80

7,92-9,72

6,3-8,4

3,6-4,8

3,65-4,87

3,78-5,06

80-100

9,72-12,15

8,4-10,5

4,8-6,0

4,87-6,09

5,06-6,3

100-120

12,15-14,58

10,5-12,6

6,0-7,2

6,09-7,31

6,3-7,76

Từ bảng trên ta thấy Việt Nam là nước phải chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét,


đây là điều bất lợi cho hệ thống điện Việt nam, đòi hỏi ngành điện phải đầu tư
nhiều vào các thiết bị chống sét. Đặc biệt hơn nữa nó địi hỏi các nhà thiết kế
phải chú trọng khi tính tốn thiết kế các cơng trình điện sao cho hệ thống điện
vận hành kinh tế, hiệu quả, đảm bảo cung cấp điện liên tục và tin cậy.
1.2 Ảnh hưởng của dông sét tới hệ thống điện Việt Nam.
Như đã trình bày ở phần trước, biên độ dịng sét có thể đạt tới hàng trăm kA, đây
là nguồn sinh nhiệt vô cùng lớn khi dịng điện sét đi qua vật nào đó. Thực tế đã
có dây tiếp địa do phần nối đất khơng tốt, khi bị dịng điện sét tác dụng đã bị
nóng chảy và đứt, thậm chí có những cách điện bằng sứ khi bị dòng điện sét tác
dụng đã bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch, phóng điện sét cịn kèm theo việc di

chuyển trong khơng gian lượng điện tích lớn, do đó tạo ra điện từ trường rất
mạnh, đây là nguồn gây nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử, ảnh hưởng
của nó rất rộng, ở cả những nơi cách xa hàng trăm km.
Khi sét đánh thẳng vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần đường dây sẽ sinh ra
sóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách
điện của đường dây. Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây nên ngắn
mạch pha-đất hoặc ngắn mạch pha–pha buộc các thiết bị bảo vệ đầu đường dây
phải làm việc. Với những đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy
có thể gây mất ổn định cho hệ thống, nếu hệ thống tự động ở các nhà máy điện
làm việc khơng nhanh có thể dẫn đến rã lưới. Sóng sét cịn có thể truyền từ
đường dây vào trạm biến áp hoặc sét đánh thẳng vào trạm biến áp đều gây nên
phóng điện trên cách điện của trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm vì nó tương
đương với việc ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng. Mặt khác,
khi có phóng điện sét vào trạm biến áp, nếu chống sét van ở đầu cực máy biến áp
làm việc khơng hiệu quả thì cách điện của máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt
hại vô cùng lớn.
Ở Việt Nam đã lắp đặt các thiết bị ghi sét và bộ ghi tổng hợp trên các đường dây
tải điện trong nhiều năm liên tục, kết quả thu thập tình hình sự cố lưới điện
220kV miền Bắc từ năm 1987-2009 được cho trong bảng sau:
Bảng 3 Tình hình sự cố lưới điện 220kV miền Bắc từ năm 1987-2009.

Vĩnh cửu
1
5
3
4
2
4

16

Qua đó ta thấy rằng sự cố do sét gây ra rất lớn, nó chiếm chủ yếu trong sự cố lưới
điện, vì vậy dơng sét là mối nguy hiểm lớn nhất đe doạ hoạt động của lưới điện.
1.3 Kết luận về vấn đề chống sét.
Sau khi nghiên cứu tình hình dông sét ở Việt Nam và ảnh hưởng của dông sét tới
hoạt động của lưới điện. Ta thấy rằng việc tính tốn chống sét cho lưới điện và
trạm biến áp là rất cần thiết để nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện.


CHƯƠNG 1. BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP
1.4 Các yêu cầu
Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn
của hệ thống bảo vệ.
Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các yêu cầu cụ thể, hệ thống các cột
thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn như xà, cột đèn chiếu sáng... hoặc
được đặt độc lập.
Khi đặt hệ thống cột thu sét trên kết cấu của trạm sẽ tận dụng được độ cao vốn có
của cơng trình nên sẽ giảm được độ cao của cột thu sét. Tuy nhiên đặt hệ thống
thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có sét đánh sẽ gây nên một điện áp
giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột. Phần điện áp này
khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang các phần tử
mang điện khi cách điện khơng đủ lớn. Do đó điều kiện để đặt cột thu sét trên hệ
thống các thanh xà trạm là mức cách điện cao và điện trở tản của bộ phận nối đất
nhỏ.
Đối với trạm ngoài trời từ 110kV trở lên do có cách điện cao nên có thể đặt cột
thu sét trên các kết cấu của trạm phân phối. Các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột
thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối theo đường ngắn
nhất và sao cho dòng điện Is khuyếch tán vào đất theo 3 - 4 cọc nối đất. Ngoài ra
ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối

đất.
Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngài trời điện áp 110kV trở lên là cuộn dây của
máy biến áp. Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu
khoảng cách giữa hai điểm nối đất trong hệ thống nối đất của cột thu sét và vỏ
máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m.
Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm ngồi trời 110kV trở lên cần chú ý nối đất
bổ sung ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu sét vào hệ thống nối đất nhằm
đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4Ω.
Khi dùng cột thu sét độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu sét đến các
bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu sét đến vật được bảo
vệ.
Việc lắp đặt các cột thu sét làm tăng xác suất sét đánh vào diện tích cơng trình
cần bảo vệ, do đó cần chọn vị trí lắp đặt các cột thu sét một cách hợp lý.
Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi
có dịng điện sét chạy qua.
Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu sét thì các dây dẫn điện
đến đèn phải được cho vào ống chì và chèn vào.
1.4.1

Phạm vi bảo vệ cột thu sét và dây chống sét

Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thu hút phóng
điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫn dịng
điện sét xuống đất.
Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chính xác vào một điểm định
14


sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào trên cơng trình. Cột thu
sét tạo ra một khoảng khơng gian gần cột thu sét (trong đó có vật cần bảo vệ), ít

có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ.
1.4.1.1. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngồi
của hình chóp trịn xoay có đường kính xác định bởi phương trình.

rx =

1,6
(h − hx )
hx
1+
h

(1.1)

Trong đó :
h: độ cao cột thu sét.
hX: độ cao cần bảo vệ.
ha=h-hX: độ cao hiệu dụng cột thu sét.
rX: bán kính của phạm vi bảo vệ.
Để dễ dàng và thuận tiện trong tính tốn thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ
dạng dạng đơn giản hoá đường sinh của hình chóp có dạng đường gẫy khúc như
hình sau:

Hình 2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.

Bán kính được tính tốn theo cơng thức sau:

h 


2
rx = 1,5h  1 − x ÷
hx < h
 0,8h 
3 thì
Nếu

(1.2)

15


(1.3)

 h 
2
rx = 0,75h  1 − x ÷
hx > h
h

3 thì
Nếu
Các cơng thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dưới 30m. Hiệu quả của cột thu
sét cao trên 30m giảm đi do độ cao định hướng của sét giữ hằng số. Có thể dùng
các cơng thức trên để tính tốn phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân thêm hệ số hiệu
chỉnh

p=

5,5

h và trên hoành độ lấy các giá trị 0,75hp và 1,5hp

1.4.1.2. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau
Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vi bảo vệ
các cột đơn cộng lại. Nhưng để các cột thu lơi 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 sét).
Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một
cột. Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai đỉnh cột và
điểm có độ cao h0 - phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột được xác định
theo công thức:

h0 = h −

a
7

(1.4)

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là
rx0 và được xác định như sau:


h 
2
rx = 1,5h0  1 − x ÷
hx < h0
 0,8h0 
3 thì
Nếu

(1.5)

 h 
2
rx = 0,75h0  1 − x ÷
hx > h0
 h0 
3 thì
Nếu

(1.6)

p=

5,5
h

Khi độ cao của cột thu sét vượt q 30m thì có các hiệu chỉnh hệ số
trên hoành độ lấy các giá trị 0,75hp và 1,5hp ; khi đó h0 tính theo cơng thức:

h0 = h −

a
7p

(1.7)

16

Hình 3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao giống nhau.

1.4.1.3. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.
Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác định phạm vi
bảo vệ được xác định như sau:
Vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao (cột 1) và cột thấp (cột 2) riêng rẽ. Qua đỉnh cột
thấp (cột 2) vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở
điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của một cột thu sét giả định. Cột 2 và cột 3
hình thành đơi cột có độ cao bằng nhau và bằng h2 với khoảng cách a’. Bằng cách
giả sử vị trí x có đặt cột thu lơi 3 có độ cao h2. Điểm này được xem như đỉnh của
một cột thu sét giả định. Ta xác định được các
khoảng cách giữa hai cột có cùng độ cao h2 là a' và x như sau:

Hình 4 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau

17



h 
2
x = 1,5h1  1 − 2 ÷
h2 < h1
 0,8h1 
3 thì
Nếu

(1.8)

 h2 

2
x
=
0,75
h
1 − ÷
2
h2 > h1
 h1 
3 thì
Nếu

(1.9)

a' = a − x

(1.10)

D ≤ 8ha

(1.11)

Phần cịn lại giống phạm vi bảo vệ cột 1.
1.4.1.4. Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột thu sét (số cột >2)
Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cột thu lơi
phải thoả mãn:
Trong đó: D là đường kính vịng trịn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột.
Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b,c có:

D = 2R = 2 ×

abc
4 p( p − a)( p − b)( p − c)

(1.12)

với p là nửa chu vi :

p=

a+b+c
2

(1.13)

Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật:

D = a2 + b2

(1.14)

với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật.
Độ cao tác dụng của cột thu sét ha phải thoả mãn điều kiện:

ha ≥

D
8

(1.15)

18


Hình 5 Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ nhật.

1.4.2

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét.

1.4.2.1. Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.
Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng. Chiều rộng của phạm vi bảo vệ
phụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như sau :

Hình 6 Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vng góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta
có các hồnh độ 0,6h và 1,2h

h 

2
bx = 1, 2h  1 − x ÷
hx < h
 0,8h 
3 thì
Nếu

(1.16)

19


 h 
2
bx = 0,6h  1 − x ÷
hx > h
 h
3 thì
Nếu

(1.17)

Khi độ cao cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p.
1.4.2.2. Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.
Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữa hai dây thu sét
phải thoả mãn điều kiện S ≤ 4h
Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao h 0.

h0 = h −

S
4

(1.18)

Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống phạm vi bảo vệ của một dây, còn phần bên
trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm là hai điểm treo dây thu sét và
điểm có độ cao h0

Hình 7 Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

1.5 Các phương án bảo vệ hệ thống chống sét
1.5.1

Phương án 1

1.5.1.1. Sơ đồ bố trí cột thu sét
Ta bố trí các cột thu sét như sau:
Phía 220kV đặt 10 cột, 5 cột đặt trên xà 16.5 m, 5 cột đặt trên xà 11 m.
Phía 110kV đặt 8 cột đặt trên xà 8m.

20


Hình 8 Phương án bố trí cột thu sét 1

1.5.1.2. Tính tốn cho phương án 1
a. Tác dụng của cột thu lơi sét
Để tính được độ cao tác dụng ha của các cột thu sét ta cần xác định đường kính D
của đường trịn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác) qua ba (hoặc bốn) đỉnh cột. Để
cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi tam giác (hoặc bốn) đó được bảo vệ thì phải

ha ≥

D
8

thoả mãn điều kiện
phía 220kV:

Những cột độc lập phía 220 kV:
Bảng 4 Chiều cao lớn nhất kim chống sét phía 220kV phương án 1

Phía 220 kV
Nhóm cột

a
(m)

b
(m)

D
(m)

ha
(m)

ha
max
(m)

1-2-7-6
3-4-9-8

34.000
52.000

48.000
48.000

58.822
70.767

7.353
8.846

8.846

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=16.5 m và hmax=8.846 m.
Ta chọn ha=10 m Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 220 kV là :
h0 = hx + ha = 16.5 + 10 = 26.5(m)
Phía 110 kV:
21


Bảng 5 Chiều cao lớn nhất của kim chống sét phía 110 kV phương án 1

Nhóm chữ nhật

a
(m)

11-12-17-16
12-14-18-19

Phía 110 kV
b
D
(m)

(m)

ha
(m)

ha max
(m)

50

45

67.268

8.409

60

45

75.000

9.375

9.375

Bảng 6 Chiều cao lớn nhất kim chống sét nhóm tam giác phương án 1

Nhóm tam
giác

6--11-12
7--11-12
7--12-14
8--12-14
9--14-15
10--14-15
8--9-14

a
(m)

b
(m)

31.90
0
57.70
0
26.40
0
44.50
0
36.70
0
66.50
0
37.10
0

42.50

0
51.20
0
60.26
0
60.25
6
59.70
0
59.70
0
50.30
0

c
(m)

p
(m)

D
(m)

ha
(m)

51.200

62.800

51.343

6.418

26.400

67.650

57.700

7.213

65.100

75.880

65.126

8.141

37.100

70.928

60.465

7.558

44.100

70.250

59.913

7.489

26.600

76.400

66.575

8.322

36.800

62.100

50.436

6.305

hma
x
(m)

8.322

Từ bảng trên ta thấy độ cao lớn nhất cần bảo vệ là hx=11m và hmax=9.375. Ta
chọn ha=10 m. Do đó độ cao thực tế của các cột thu sét phía 110kV là :

h0 = hx + ha = 11+ 10 = 21(m)
b. Phạm vi bảo vệ với cột thu lôi
Bảng 7 Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 26.5 m
Độ cao hx
(m)
16.500
11.000

2/3 h
(m)
17.667
17.667

So sánh hx với Rx
2/3h
(m)
nhỏ hơn
8.813
nhỏ hơn
19.125

Bảng 8 Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 21 m
22


Độ cao hx
(m)
8.000
11.000

2/3 h
(m)
14.000
14.000

So sánh hx với
2/3h
Nhỏ hơn
Nhỏ hơn

Rx
(m)
16.500
10.875

c. Phạm vi bảo vệ cột biên
Ta chỉ xét những cột đại diện:
Phía 220 kV
Bảng 9 Phạm vi bảo vệ cột biên phía 220 kV phương án 1

Cột

a
(m)

h0
(m)

hx
(m)

2/3h0
(m)

1--2

34.00
0
51.00
0
34.00
0
51.00
0
52.00
0

21.64
3
19.21
4
21.64
3
19.21
4
19.07
1

16.500

3--4
6--7
8--9
1--6

rox
(m)

14.429

So sánh hx
với 2/3h0
Lớn hơn

16.500

12.810

Lớn hơn

2.036

11.000

14.429

Nhỏ hơn

11.839

11.000

12.810

Nhỏ hơn

8.196

16.500

12.714

Lớn hơn

1.929

rox
(m)

3.857

Cột

a
(m)

h0
(m)

hx

(m)

2/3h0
(m)

1--2

34.00
0
51.00
0
34.00
0
51.00
0
52.00
0

21.64
3
19.21
4
21.64
3
19.21
4
19.07
1

11.000

14.429

So sánh hx
với 2/3h0
Nhỏ hơn

11.000

12.810

Nhỏ hơn

6.161

11.000

14.429

Nhỏ hơn

11.839

11.000

12.810

Nhỏ hơn

8.196

11.000

12.714

Nhỏ hơn

6.054

3--4
6--7
8--9
1--6

Cột

a
(m)

h0
(m)

hx
(m)

2/3h0
(m)

1--2
3--4

6--7

34.000
51.000
34.000

21.643
19.214
21.643

16.500
16.500
16.500

14.429
12.810
14.429

So sánh hx
với 2/3h0
Lớn hơn
Lớn hơn
Lớn hơn

7.982

rox
(m)
3.857
2.036

3.857
23


8--9
1--6

51.000
52.000

19.214
19.071

16.500
16.500

12.810
12.714

Lớn hơn
Lớn hơn

2.036
1.929

Phía 110 kV:
Bảng 10 Phạm vi bảo vệ cột biên phía 110 kV phương án 1

Cột
11--12

12--13
13--14
11--15

a
(m)
50.00
0
60.50
0
60.00
0
44.50
0

h0
(m)
19.35
7
17.85
7
17.92
9
20.14
3

hx
(m)
8.000

2/3h0
(m)
12.905

So sánh
2/3h0
Nhỏ hơn

8.000

11.905

Nhỏ hơn

8.000

11.952

Nhỏ hơn

8.000

13.429

Nhỏ hơn

hx với rox
(m)
14.03
6

11.78
6
11.89
3
15.21
4

Những cột ở độ cao khác nhau: bảo vệ đọ cao 11m.
Bảng 11 Phạm vi bảo vệ các cột độ cao khác nhau phương án 1

Cột
6--11
10--14

h1
h2
(m) (m)
26.
21.0
5
26.
21.0
5

2/3h1
(m)
17.7
17.7

So

sánh
Lớn
hơn
Lớn
hơn

x
(m)

a
(m)

a'
(m)

4.1

31.2

27.1

4.1

26.6

22.5

ho' rox'
(m) (m)
17.

10.7
1
17.
11.7
8

24


1.5.1.3. Phạm vi bảo vệ phương án 1

Hình 1. Phạm vi bảo vệ phương án 1

1.5.1.4. Kết luận
Phương án bảo vệ thoả mãn yêu cầu đặt ra.
Tổng số cột: 18 cột trong đó có 10 cột 26.5 m , 8 cột 21 m.
Tổng chiều dài : 5.(26.5-16.5)+ 5.(26.5-11)+8.(21-8)=231.5 m.
1.5.2

Phương án 2

1.3.2.1 Sơ đồ bố trí cột thu sét
Ta bố trí các cột thu sét như sau:
Phía 220kV đặt 8 cột, 4 cột đặt trên xà 16.5 m, 2 cột đặt trên xà 11 m, 2 cột độc
lập
Phía 110kV đặt 6 cột đặt trên xà 8m.

25