ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế bảo vệ chống sét và quá điện áp trạm biến áp 220110 kV

lOMoARcPSD|18351890

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
ĐỖ ĐỨC QUANG


Khoa Điện
Bộ môn Hệ thống điện

Giảng viên hướng dẫn:

Ths. Phạm Thành Chung

Bộ môn:

Hệ thống điện

Khoa:

Điện

HÀ NỘI,

/2023

Downloaded by MAI ??I CÁT ()

Chữ ký của GVHD


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
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 và đường dây
truyền tải điện 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 phía điện áp 110 kV; 3 mạch
đường dây 220 kV; 6 mạch đường dây 110 kV; 2 MBA 220/110 kV;
Kích thước chính : độ cao xà đón dây 220 kV :17 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 : 9 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: 110 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 110kV và Cột
• Loại cột: Sắt, 1 mạch trên một cột
• Chiều cao cột: 24m
Dây dẫn:
Loại dây

Độ võng

Độ treo cao

Xà

Pha A

AC300

3m

18m

2,5m

Pha B

AC300

3m

13m

3m

Pha C

AC300

3m

13m

3m

Dây chống sét:
• Loại dây: C70
• Số dây: 1
• Độ võng: 2,5m
Cách điện chuỗi gồm: 7 phần tử trong một chuỗi
• Loại ∏-4,5
• Đặc tính: Tra bảng
Khoảng vượt: L220 = 290m và L110 = 210m
Điện trở cột điện: R220 = 12 Ω và R110 = 13 Ω
Mức giông bão 92 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 110 kV.
2

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
iv. Bảo vệ chống sóng truyền từ đường dây 110 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 tồn và nối đất chống sét của trạm.
iii. Phương pháp và kết quả tính toán 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:
Nộp quyển:
Bảo vệ:

19/10/2022
/2022
/2022
Hà nội, ngày 19 tháng 10 năm 2022
Giảng viên hướng dẫn

3

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

Downloaded by MAI ??I CÁT ()

lOMoARcPSD|18351890

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp
ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Phạm Thành Chung giảng viên Khoa
Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong
suốt q trình làm khố luận.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường nói chung, các thầy
cơ trong Khoa nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng
như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo
điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện,
quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án
tốt nghiệp.
Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một sinh viên, luận
văn này khơng thể tránh được những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo,
đóng góp ý kiến của các thầy cơ để tơi có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của
mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này.
Hà Nội, ngày…..tháng…..năm 2023
Sinh viên

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

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 20162020 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:
Chương I. Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp
Chương II. Thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp.
Chương III. Tính toán chống sét của đường dây 110 kV.
Chương IV. Bảo vệ chống sóng truyền từ đường dây 110 kV vào trạm biến áp.

2

Downloaded by MAI ??I CÁT ()

lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

MỤC LỤC
CHƯƠNG MỞ ĐẦU. HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NĨ
ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN. ........................................................................................ i
1.1

Hiện tượng dơng sét................................................................................... i

1.2

Ảnh hưởng của dông sét tới hệ thống điện Việt Nam. ............................ iii

1.3

Kết luận về vấn đề chống sét. .................................................................. iv

CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC
TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP. ................................................................................ 1
1.3.1

Phạm vi bảo vệ cột thu sét và dây chống sét ..................................... 1

1.3.2

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét. ......................................................... 6

1.4

Các phương án bảo vệ hệ thống chống sét ............................................... 7

1.4.1

Phương án 1 ....................................................................................... 7

1.4.2

Phương án 2 ..................................................................................... 11

1.4.3

Phương án 3 ..................................................................................... 15

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP. ....... 22
2.1

Yêu cầu kỹ thuật nối đất trạm biến áp .................................................... 22

2.1.1

Nối đất làm việc. .............................................................................. 22

2.1.2

Nối đất an toàn. ................................................................................ 22

2.1.3

Nối đất chống sét. ............................................................................ 22

2.1.4

Một số yêu cầu về kỹ thuật của điện trở nối đất .............................. 23

2.2

Các số liệu dùng tính tốn nối đất .......................................................... 23

2.2.1

Nối đất an toàn ................................................................................. 24

2.2.2

Nối đất chống sét ............................................................................. 27

2.2.3

Nối đất bổ sung ................................................................................ 32

CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY 110 kV........... 37
3.1

Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây. ....... 37

3.2

Các chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây ............................................... 37

3.2.1

Phạm vi bảo vệ cột thu sét ............................................................... 37

3.2.2

Tính tốn chung về chỉ tiêu chống sét ............................................. 38

3.3

Tính tốn chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây. .............................. 41

3.3.1

Thông số đường dây cần bảo vệ. ..................................................... 41

3.3.2 Xác định độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, của dây chống sét
và đường dây. ............................................................................................... 42
3

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
3.3.3

Tính số lần sét đánh vào đường dây ................................................ 45

3.3.4

Tính suất cắt khi sét đánh vào đường dây ....................................... 46

CHƯƠNG 4. BẢO VỆ CHỐNG SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY 110 kV
VÀO TRẠM BIẾN ÁP. ....................................................................................... 72
4.1

Lý thuyết chung ...................................................................................... 72

4.1.1

Quy tắc Peterson. ............................................................................. 73

4.1.2

Quy tắc sóng đẳng trị. ...................................................................... 74

4.1.3

Xác định điện áp trên điện dung (phương pháp tiếp tuyến). ........... 75

4.1.4

Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van. ......................... 76

4.2

Trình tự tính tốn .................................................................................... 78

4.2.1

Sơ đồ tính tốn q trình truyền sóng trong trạm biến áp ............... 78

4.2.2

Tính sóng truyền trong trạm biến áp ............................................... 81

4.2.3

Kiểm tra an toàn cách điện tại các nút bảo vệ ................................. 87

4.3

Tính tốn mơ phỏng hệ thống cần bảo vệ bằng phần mềm ATP/EMTP 89

4.3.1

Giới thiệu phần mềm ....................................................................... 89

4.3.2

Ứng dụng tính tốn .......................................................................... 91

4.3.1

Nhận xét ........................................................................................... 95

4

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1 Sự biến thiên của dịng điện theo thời gian ................................................ ii
Hình 2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét ............................................................ 2
Hình 3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao giống nhau. ......................... 4
Hình 4 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau ........................... 4
Hình 5 Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ nhật. ................. 5
Hình 6 Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét ........................................................... 6
Hình 7 Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét. ........................................................... 7
Hình 8 Vị trí đặt cột thu sét Phương án 1............................................................... 8
Hình 9 Phạm vi bảo vệ phương án 1 .................................................................... 11
Hình 10 Vị trí đặt cột thu sét Phương án 2........................................................... 12
Hình 11 Phạm vi bảo vệ phương án 2 .................................................................. 15
Hình 12 Vị trí đặt cột-dây thu sét Phương án 3 ................................................... 17
Hình 13 Phạm vi bảo vệ phương án 3 .................................................................. 20
Hình 14 Sơ đồ mặt bằng trạm .............................................................................. 26
Hình 15 Đồ thị hệ số hình dạng ........................................................................... 27
Hình 16 Sơ đồ đẳng trị hệ thống nối đất .............................................................. 28
Hình 17 Sơ đồ đẳng trị rút gọn ............................................................................. 28
Hình 18 Dịng điện sét.......................................................................................... 30
Hình 19 Sơ đồ nối đất bổ sung ............................................................................. 33
Hình 20 Xác suất hình thành hồ quang ................................................................ 40

Hình 21 Kết cấu cột điện ...................................................................................... 42
Hình 22 Sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét ............................................... 47
Hình 23 Đồ thị Ucd(a,t) và đường đặc tính của chuỗi .......................................... 50
Hình 24 Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét .......................................... 52
Hình 25 Sơ đồ tương đương mạch dẫn khi chưa có sóng phản xạ ...................... 54
Hình 26 Sơ đồ mạch dẫn dịng điện sét khi có sóng phản xạ tới ......................... 55
Hình 27 Đồ thị Ucd(a,t) và đường đặc tính chuỗi sứ ............................................ 69
Hình 28 Đồ thị miền nguy hiểm ........................................................................... 70
Hình 29 Sơ đồ truyền sóng giữa hai nút............................................................... 73
Hình 30 Sơ đồ thay thế Petersen .......................................................................... 73
Hình 31 Sơ đồ nút có nhiều đường dây nối vào................................................... 74
Hình 32 Sơ đồ thay thế petersen xác định điện áp trên điện dung ....................... 75
Hình 33 Đặc tính V-A của chống sét van ............................................................ 76
Hình 34 Sơ đồ thay thế Petersen cho chống sét van ............................................ 77
Hình 35 Đồ thị xác định U(t), I(t) của chống sét van từ đặc tính V-A ................ 78
5

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Hình 36 Sơ đồ nguyên lý trạng thái nguy hiểm nhất. .......................................... 78
Hình 37 Sơ đồ trạng thái nguy hiểm nhất ............................................................ 79
Hình 38 Sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất .................................. 79
Hình 39 Quy tắc phân bố lực ............................................................................... 80
Hình 40 Sóng truyền tại các nút ........................................................................... 82
Hình 41 Sóng truyền tại nút 0 .............................................................................. 83
Hình 42 Sóng tại nút 1 ......................................................................................... 84

Hình 43 Sóng tại nút 2 ......................................................................................... 85
Hình 44 Sóng tại nút 3 ......................................................................................... 86
Hình 45 Điện áp tại các nút ................................................................................. 87
Hình 46 Dịng điện qua chống sét van ................................................................. 87
Hình 47 Đồ thị điện áp cách điện tại nút 2 .......................................................... 88
Hình 48 Đồ thị điện áp cách điện đặt lên thành góp ............................................ 89
Hình 49 Sơ đồ mơ phỏng ..................................................................................... 91
Hình 50 Hộp thoại nguồn sét dạng xiên góc ........................................................ 91
Hình 51 Hộp thoại đường dây từ nút 0 đến nút 1 ................................................ 92
Hình 52 Hộp thoại chống sét van......................................................................... 93
Hình 53 Đặc tính của chống sét van .................................................................... 93
Hình 54 Hộp thoại thanh góp ............................................................................... 94
Hình 55 Kết quả mơ phỏng điện áp tại các nút .................................................... 94
Hình 56 Kết quả mơ phỏng dịng điện qua chống sét van ................................... 95

6

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Tình hình sự cố lưới điện 220 kV miền Bắc từ năm 1987-2009. ............. iii
Bảng 2 Chiều cao lớn nhất của kim chống sét phía 110 kV phương án 1 ............. 9
Bảng 3 Chiều cao lớn nhất kim chống sét nhóm tam giác phương án 1................ 9
Bảng 4 Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220 kV cao 27 m ................................... 9
Bảng 5 Phạm vi bảo vệ cột biên phía 220 kV phương án 1 ................................. 10
Bảng 6 Phạm vi bảo vệ cột biên phía 110 kV phương án 1 ................................. 10
Bảng 7 Phạm vi bảo vệ các cột độ cao khác nhau phương án 1 .......................... 10

Bảng 8 Chiều cao lớn nhất kim chống sét phía 220 kV phương án 1 .................. 12
Bảng 9 Chiều cao lớn nhất của kim chống sét phía 110 kV phương án 1 ........... 13
Bảng 10 Chiều cao lớn nhất kim chống sét nhóm tam giác phương án 1............ 13
Bảng 11 Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220 kV cao 25 m ............................... 13
Bảng 12 Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110 kV cao 18 m ............................... 14
Bảng 13 Phạm vi bảo vệ cột biên phía 220 kV phương án 2 ............................... 14
Bảng 14 Phạm vi bảo vệ cột biên phía 110 kV phương án 2 ............................... 14
Bảng 15 Phạm vi bảo vệ các cột độ cao khác nhau phương án 1 ........................ 15
Bảng 16 Phạm vi bảo vệ vị trí đầu cột phía 220 kV phương án 3 ....................... 17
Bảng 17 Phạm vi bảo vệ vị trí thấp nhất phía 220 kV phương án 3 .................... 18
Bảng 18 Phạm vi bảo vệ vị trí đầu cột phía 110 kV phương án 3 ....................... 18
Bảng 19 Phạm vi bảo vệ vị trí thấp nhất phía 110 kV phương án 3 .................... 18
Bảng 20 Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220 kV cao 31 m .............................. 19
Bảng 21 Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110 kV cao 20 m ............................... 19
Bảng 22 Phạm vi bảo vệ vị trí cột biên phía 220 kV độ cao bảo vệ 17m ............ 19
Bảng 23 Phạm vi bảo vệ vị trí cột biên phía 220 kV độ cao bảo vệ 11m ............ 19
Bảng 24 Phạm vi bảo vệ vị trí cột biên phía 110 kV độ cao bảo vệ 11m ............ 19
Bảng 25 Phạm vi bảo vệ vị trí cột biên phía 110 kV độ cao bảo vệ 9m .............. 20
Bảng 26 Phạm vi bảo vệ độ cao khác nhau phương án 3 .................................... 20
Bảng 27 Giá trị hệ số hình dạng K ....................................................................... 26
Bảng 28 Tính dịng điện sét ................................................................................. 32
Bảng 29 Tính giá trị Bk theo Xk ........................................................................... 36
Bảng 30 Giá trị xác xuất hình thành hồ quang ..................................................... 40
Bảng 31Tính Ucđ(a,t) khi sét đánh vào khoảng vượt ........................................... 49
Bảng 32 Đặc tính của chuỗi sứ ............................................................................ 49
Bảng 33 Tính xác suất phóng điện 𝜗𝑝𝑑 ............................................................... 51

Bảng 34 Điện áp cách điện của các pha khi a=10 kA/µs và t=3µs ...................... 59
Bảng 35 Tính Uđcu(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột ................................................ 60
Bảng 36 Tính Utcu(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột ................................................. 61

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Bảng 37 Tính ic(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột .................................................... 64
Bảng 38 Tính 𝑑𝑖𝑐(𝑎, 𝑡)𝑑𝑡 khi sét đánh vào đỉnh cột ........................................... 65
Bảng 39 Tính Uc(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột ................................................... 66

Bảng 40 Tính Udcs(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột ................................................ 67
Bảng 41 Tính Ucđ(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột ................................................. 68

Bảng 42 Giá trị điện dung các phần tử thay thế................................................... 80
Bảng 43 Thời gian sóng xuất hiện tại các nút ...................................................... 82
Bảng 44 Đặc tính cách điện của chuỗi sứ ............................................................ 88
Bảng 45 Các mơ hình trong ATPDraw ................................................................ 91

ii

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

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 5 km). 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  và mật độ điện trường của
điện tích trong tia tiên đạo là  thì trong một đơn vị thời gian thì điện tích đi và

trong đất sẽ là:

is =  .

(i.1)

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.

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
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 dịng 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 dông sét khá mạnh. Theo
tài liệu thống kê cho thấy trên mỗi miền đất nước Việt nam có một đặc điểm dông
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
250-300 lần dơng 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) dơng 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 dơng khoảng 10 ngày/tháng như Tuy
Hồ 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 dông đều quan sát
ii

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
được trung bình có từ 15 -20 ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dơng nhất trung
bình gặp trên 20 ngày/tháng như ở thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23
ngày…

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 vơ 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 dịng 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 cơng 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 không 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 1 Tình hình sự cố lưới điện 220 kV miền Bắc từ năm 1987-2009.
Loại sự cố
năm

Dưới 220kV

ĐDK Phả Lại- Hà Đông

Tổng số Vĩnh cửu Tổng số Vĩnh cửu Do sét
1987

2

1

2

1

1

1989

2

5

5

2

1

1996

24

3

6

2

1

2000

25

4

2

1

1

2004

30

2

3

1

1

2009

19

4

4

4

3

Tổng số

106

16

22

11

8

iii

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
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 dơng sét ở Việt Nam và ảnh hưởng của dông
sét tới hoạt động của lưới điện. Ta thấy rằng việc tính toán chống sét cho lưới điện
và trạm biến áp là rất cần thiết để nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện.

iv

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG

SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP.
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 không 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 ngoài 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.
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 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

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

a) 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 ngoài
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:
Nếu hx 

h 
2

h thì rx = 1,5h 1 − x 
3
 0,8h 

Nếu hx 

2
 h 
h thì rx = 0,75h 1 − x 
3
h


(1.2)
(1.3)

2

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
Các công thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dưới 30m. Hiệu quả của
cột thu sét cao trên 30 m 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
5,5
hiệu chỉnh p =
và trên hoành độ lấy các giá trị 0,75hp và 1,5hp.
h
b) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau
Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lơi 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:

a
(1.4)
7

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:
h0 = h −


2
h 
Nếu hx  h0 thì rx = 1,5h0 1 − x 
3
 0,8h0 

(1.5)

 h 
2
Nếu hx  h0 thì rx = 0,75h0  1 − x 
3
 h0 

(1.6)

Khi độ cao của cột thu sét vượt q 30m thì có các hiệu chỉnh hệ số p =

5,5
h

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)

3

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

R
0,2h
h
ho
0,75h

hx
1,5h

a
rx
r0x

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

c) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.

0,2h2

A

1
0,75 h 1

a'

1,5 h 1

hx

h0

h1

h2

0,2h1

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:

2
x

0,75h2
1,5h2

a

R

R
R

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

Nếu h2 


2
h 
h1 thì x = 1,5h1 1 − 2 
3
 0,8h1 

(1.8)
4

Downloaded by MAI ??I CÁT ()

lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

Nếu h2 

 h 
2
h1 thì x = 0,75h2 1 − 2 
h1 
3


a' = a − x

(1.9)

(1.10)

Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ cột 1.
d) 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:

D  8ha

(1.11)

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 :

a+b+c
2

(1.13)

D = a 2 + b2

(1.14)

p=
Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật:

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)

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

5

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

a) 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:
Nếu hx 

h 
2

h thì bx = 1, 2h 1 − x 
3

 0,8h 

Nếu hx 

2
 h 
h thì bx = 0,6h 1 − x 
h
3


(1.16)

(1.17)

Khi độ cao cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p.
b) 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 ≤ 7h.
Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao h0.

h0 = h −

S
7

(1.18)

6

Downloaded by MAI ??I CÁT ()


lOMoARcPSD|18351890

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
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.

1.4 Các phương án bảo vệ hệ thống chống sét
a) Sơ đồ bố trí cột thu sét
Ta bố trí các cột thu sét như sau:
Phía 220 kV đặt 8 cột, 6 cột (1-4, 5, 8) đặt trên xà 17 m, 2 cột (6-7) đặt trên xà 11
m.
Phía 110 kV đặt 2 cột (10,11) đặt trên xà 8 m, 6 cột (13-16,9,12) đặt trên xà 11 m.

7

Downloaded by MAI ??I CÁT ()