TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220110 kV

Bài Tập Dài Môn Kỹ Thuật Điện Cao Áp
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Trần Hoàng Hiệp.
Sinh viên thực hiện: Tạ Quang Tú
Lớp: Đ3-H3
Đề bài
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP
220/110 kV
I. Số liệu ban đầu:
 Trạm biến áp: phía 220 kV có diện tích 76x81 m
2
 Phía 110 kV có diện tích 76 x 129 m
2

 Điện trở suất của đất:
m
d
.99Ω=
ρ
 Đường dây:
- Trạm 220 kV có 3 lộ.
- Trạm 110 kV có 4 lộ.
- Dây dẫn : ACO – 240
- Dây chống sét: C – 70.
 Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110 kV: l = 300 m
 Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220 kV: l = 200 m
 Khi tính nối đất: R
c
= 7 Ω
II. Nội dung tính toán:
Phần 1:
 Chương I: Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110

kV.
 Chương II: Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp 220/110 kV.
Phần II: Các bản vẽ liên quan
PHẦN I
Chương I
Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110 kV
I.1 Cơ sở lý thuyết chung:
I.1.1 Những yêu cầu đối với hệ thống thu sét:
Các thiết bị phân phối điện đặt ngoài trời như đường dây, trạm biến áp rất
dễ bị quá điện áp có thể là do quá điện áp khí quyển (sét đánh trực tiếp, cảm
ứng hay lan truyền trên đường dây), hoặc quá điện áp nội bộ. Trong đó, sự quá
điện áp khí quyển do sét đánh là rất nguy hiểm và gây những thiệt hại nghiêm
trọng cho các công trình trong hệ thống điện. Vì vậy, bảo vệ chống sét đánh trực
tiếp là một trong những yêu cầu hàng đầu khi thiết kế và vận hành một mạng
điện.
Hệ thống thu sét là một bộ phận công trình quan trọng nhằm bảo vệ các
bộ phận của hệ thống điện như đường dây, trạm biến áp khỏi hư hỏng khi bị sét
đánh. Đối với đường dây, để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp người ta sử dụng
hệ thống dây chống sét. Đối với trạm biến áp và nhà máy điện người ta sử dụng
các cột thu lôi. Các cột thu lôi có thể đặt độc lập hoặc trong điều kiện cho phép
có thể đặt trên các kết cấu của trạm và của nhà máy.
Yêu cầu chính đối với hệ thống thu sét là phải có điện trở nối đất đủ nhỏ
để đảm bảo tản nhanh dòng điện sét xuống đất, tránh hiện tượng phóng ngược
dòng điện sét từ thiết bị này sang thiết bị khác, hoặc từ cột thu sét hay dây
chống sét sang các công trình mang điện đặt lân cận. Khi thiết kế bảo vệ chống
sét thì cần đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, kinh tế và mỹ thuật.
- Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ 110 kV trở lên do có mức cách
điện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối. Các trụ cột
của các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng
điện sét I

S
khuếch tán vào đất theo 3÷4 thanh cái của hệ thống nối đất . Ngoài ra
ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện chỉ số điện trở nối
đất.
- Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời với điện áp từ 110 kV trở
lên là cuộn dây 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 vào hệ thống nối đất của cột thu
lôi và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15m.
- Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110 kV trở
lên phải thực hiện các điểm sau:
+ Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần
phải có nối đất bổ sung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở khuếch
tán không được quá 4Ω (ứng với dòng điện tần số công nghiệp).
+ Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm 35kV phải tăng cường cách
điện của nó lên đến mức cách điện của cấp 110 kV.
+ Trên đầu ra của cuộn dây 6 – 10kV của máy biến áp phải đặt các cột
chống sét van (CSV), các thiết bị chống sét này có thể đặt ngay trên vỏ máy.
+ Để bảo vệ cuộn dây 35 kV cần đặt các cột chống sét van. Khoảng
cách giữa chỗ nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van
(theo đường điện) phải nhỏ hơn 5m. Khoảng cách ấy có thể tăng lên nếu điểm
nối đất của chống sét van ở vào giữa hai điểm nối đất của vỏ máy biến áp và của
kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi.
+ Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột
thu lôi và bộ phận mang điện không được bé hơn chiều dài của chuỗi sứ.
- Có thể nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối
cấp điện áp 110kV nếu như các yêu cầu trên được thực hiện.
- Không nên đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối20 ÷ 35 kV,
cũng như không nên nối các cột thu lôi vào hệ thống nối đất của trạm 20 ÷ 35
kV.
- Khi dùng cột thu lôi độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi

đến các bộ phân của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vật
được bảo vệ.
- Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho các cột thu lôi phải cho
dây dẫn điện đến đèn vào ống chì và chôn vào đất.
- Đối với các nhà máy điện dùng sơ đồ bộ thì chỉ được đặt cột thu lôi trên
xà máy biến áp khi máy phát điện và máy biến áp được nối với nhau bằng cầu
bọc kín và hai đầu được nối đất. Nếu cầu có phân đoạn thì không được phép đặt
cột thu lôi trên xà của máy biến áp. Với máy bù đồng bộ cũng áp dụng điều này.
- Có thể nối dây chống sét bảo vệ đoạn đến trạm vào hệ thống nối đất của
trạm nếu như khoảng cách từ chỗ nối đất của trạm đến điểm nối đất của máy
biến áp lớn hơn 15m.
- Để đảm bảo về mặt cơ tính (độ bền cơ học) và chống ăn mòn cần phải
theo đúng quy định về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dùng trên mặt dất và dưới
đất phải theo bảng sau:
Loại vật liệu Dây dẫn dòng điện sét
dùng trên mặt đất
Dây dẫn dòng điện sét
dùng dưới mặt đất
Thép tròn mạ kẽm
φ
8 mm
φ
10 mm
Thép dẹt mạ kẽm 20 x 2,5 mm
2
30 x 3,5 mm
2
Cáp thép Không được dùng Không được dùng
Thanh đồng tròn
φ

8 mm
φ
8 mm
Thanh đồng dẹt 20x2,5 mm
2
20x2,5 mm
2
Dây đồng xoắn Không được dùng Không được dùng
Thanh nhôm tròn Không được dùng Không được dùng
I.1.2 Cách xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét:
I.1.2.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét có độ cao là h tính cho độ cao h
x
là
một hình chóp tròn xoay có đường sinh được xác định như sau:
r
x

)hh(
h
h
1
6,1
x
x
−⋅
+
=

Trong đó:

- h: chiều cao cột thu sét.
- h
x
: chiều cao cần được bảo vệ.
- h – h
x
: chiều cao hiệu dụng.
Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc abc được
xác định như sau:
Hình 1.1. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.
trong đó:
- ab: đường thẳng nối từ đỉnh cột đến điểm trên mặt đất cách xa chân cột
một khoảng là 0,75h.
- bc: là đường thẳng nối 1 điểm có độ cao trên thân cột là 0,8h đến 1 điểm
trên mặt đất cách chận cột là 1,5h.
• Khi:
h
x

≤

h
3
2
Thì:
r
x
= 1,5h(1-
h8,0
h

x
) = 1,5h – 1,875h
x

• Khi:
h
x

≥

h
3
2
Thì:
r
x
= 0,75h(1-
h
h
x
) = 0,75h – 0,75h
x
Các công thức chỉ để sử dụng cho HTTS có độ cao h < 30m. Khi h
≥
30m
ta cần hiệu chỉnh các công thức đó theo hệ số p.
p
h
5,5
=

I.1.2.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét:
I.1.2.2.1 Hai cột thu sét có độ cao bằng nhau:
Xét 2 cột thu sét có độ cao bằng nhau h
1
= h
2
= h, cách nhau 1 khoảng a.
h
h
x
1
3
2
h
0
O
1
O
O
2
O
1
O
O
2
+ Khi a = 7h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa 2 cột không bị
sét đánh vào.
+ Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h
0

được xác định như sau:
h
0
= h -
7
a
Phạm vi bảo vệ:
- Phần ngoài: giống như của từng cột.
- Phần giữa: cung tròn đi qua 3 điểm 1,2,3 (điểm 3 là điểm đặt cột giả
tưởng có độ cao h
0
.
+) Tính toán phạm vi bảo vệ:
- Bán kính bảo vệ của từng cột: r
x1
= r
x2
= r
x
- Bán kính bảo vệ giữa hai cột: r
0x
.
- Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa hai cột: h
0
= h -
7
a
Nếu:
h
x

0
h
3
2
≤
Thì:
r
0x
= 1,5h
0
.(1 -
0
x
h8,0
h
)
Nếu:
h
x

0
h
3
2
≥
Thì:
r
0x
= 0,75h
0

.(1 -
0
x
h
h
)
Các công thức trên được áp dụng khi hệ thống chống sét có độ cao nhỏ
hơn 30m. Nếu hệ thống chống sét có độ cao lớn hơn hoặc bằng 30m thì các
công thức cũng cần được hiệu chỉnh theo hệ số p đã nêu ở mục.
I.1.2.2.2 Hai cột thu sét có độ cao khác nhau:
Xét 2 cột thu sét có độ cao là h
1
và h
2
, cách nhau 1 khoảng a được bố trí
như hình vẽ:
+ Xác định phạm vi bảo vệ:
- Phần ngoài: giống như của từng cột.
- Phần trong: từ đỉnh cột h
1
dóng đường thằng nằm ngang cắt phạm vi bảo
vệ của cột h
2
tại 3
’
, với 3
’
là vị trí đặt cột giả tưởng có độ cao là h
1
.

- Phần giữa: giống như của hai cột có độ cùng độ cao h
1
.
(
xaOOOOaOO
2
'
321
''
31
−=−==
, x là bán kính bảo vệ của cột cao
h
2
cho cột giả tưởng
'
1
h
).
+ Tính toán phạm vi bảo vệ:
- Tính bán kính bảo vệ từng cột r
x1
, r
x2
.
- Tính bán kính bảo vệ giữa hai cột r
ox
.
- Khoảng cách giữa cột thấp và cột giả tưởng 3
a

’
= a – x (trong đó x là bán kính bảo vệ của cột cao h
2
cho cột giả
tưởng có độ cao h
1
).
- Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa 1, 3
’
.
'301
h
−
= h
1
-
7
'a
I.1.2.3 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu sét:
+) Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét:
Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét có độ cao h
1
= h
2
= h
3
= h cùng bảo vệ
cho độ cao h
x
được minh họa như hình vẽ dưới đây

Trong đó:
- r
x1
= r
x2
= r
x3
= r
x
: bán kính bảo vệ của từng cột.
- r
ox1-2
= r
0x1-3
= r
0x3-2
: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 2-3, 3-1.
+) Phạm vi bảo vệ cho 4 cột thu sét:
Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét có độ cao h
1
= h
2
= h
3
= h
4
= h cùng bảo
vệ cho độ cao h
x
được minh họa như hình vẽ dưới đây

Với: r
x1
= r
x2
= r
x3
= r
x4
= r
x
r
ox1-2
= r
0x3-4
: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 3-4
r
ox1-4
= r
0x2-3
: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-4, 2-3
Điều kiện để công trình nằm trong miền giới hạn bởi các cột thu sét được
bảo vệ an toàn là:
D
≤
8.(h-h
x)
)
- trong đó: D là đường tròn ngoại tiếp phần mặt bằng có dạng hình tam
giác, chữ nhật; h: chiều cao cột thu sét; h
x

: chiều cao cần bảo vệ.
I.2 Tính toán:
Theo sơ đồ kết cấu của trạm, ta mới chỉ biết diện tích mặt bằng trong
trạm mà chưa biết vị trí của các thiết bị trong trạm. Vì vậy chỉ cần bố trí các cột
thu sét sao cho bảo vệ được phần diện tích mặt bằng có độ cao h
x
.
Đối với phía 220 kV: h
x
= 16,5m
Đối với phía 110 kV: h
x
= 11m
Ta thực hiện tính toán cho các phía. Ta sẽ xét 2 phương án đặt vị trí cột
thu sét cho trạm biến áp.
Phương án A
Trong phương án này, ta sử dụng 15 cột thu sét được bố trí trên mặt bằng
trạm biến áp như hình vẽ.
47
50
50
97 110
60
50
1
4 7 10 13
14
15
129
6

3
2
5
11
8
I.2.1A Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 220 kV:
Điều kiện cần để công trình được bảo vệ an toàn là:
D
≤
8.(h-h
x
)
Suy ra:
h
≥
h
x
+
8
D

Ta kiểm tra phạm vi bảo vệ của nhóm cột (5,8,9,6) tạo thành hình vuông
bảo vệ cho độ cao 16.5m.
Đường kính D
1
của đường tròn ngoại tiếp qua các đỉnh cột là:
D=
983,574141
2222
=+=+

fe
m
(Với:e = f = 56 = 69 = 41 m là khoảng cách giữa các cột 5,6 và 6,9)
Độ cao tác dụng tổi thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới
hạn bởi chúng là:
h
a
=
8
983,57
= 7,248m
Độ cao của cột thu lôi là:
h = h
x
+ h
a
= 16,5 + 7,5 = 24m

I.2.2A Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 110 kV:
Xét nhóm cột (11,14,12,15) tạo thành hình chữ nhật bảo vệ cho độ cao
11m.
+ Cạnh (11,14) = 63m = a
+ Cạnh (11,12) = 41m = b
Đường kính D của đường tròn ngoại tiếp đi qua các đỉnh cột là:
D =
2222
4163
+=+
ba
= 75,166 m

Độ cao tác dụng tối thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới
hạn bởi chúng là:
h
a
=
=
8
166,75
9,396 m
Độ cao của cột thu lôi là:
h = h
x
+ h
a
= 11 + 9,5 = 20,5 m
Xác định phạm vi bảo vệ của các nhóm cột cho trạm biến áp:
r
x:
: bán kính bảo vệ của các cột 1,2,3,4,5,6,7,8,9 cho độ cao 16,5m.
h = 24 m là chiều cao của các cột thu sét phía 220 kV.
Do: h
x
= 16,5>
1624
3
2
3
2
==
h

nên:
r
x
= 0,75h – 0,75h
x
= 0,75.24 – 0,75.16,5 = 5,625 m
r
0x1-4
= r
0x3-6
= r
0
: bán kính bảo vệ chung giữa 2 cột 1-4 và 3-6
h
01 4
= h
03-6
= h
0
: độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa 2 cột 1-4 và 3-6. Ta có:
h
0
= h -
m
a
571,18
7
38
24
7

=−=
Do: h
x
= 16,5>
mh 381,12571,18
3
2
3
2
0
==
nên:
r
0
= 0,75.18,571 – 0,75.16,5 = 1,553 m.
+ Xác định bán kính bảo vệ chung giữa các cột (1,2), (2,3), (6,9), (4,7) là
r
0x1-2
.
Khoảng cách giữa các cột đều bằng nhau và bằng a = 41 m.
h
0
: độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa 2 cột
h
0
= h -
m
a
143,18
7

41
24
7
=−=
Do: h
x
= 16,5>
095,12143,18
3
2
3
2
0
==
h
nên:
r
0
= 0,75.18,143 – 0,75.16,5 = 1,232 m
+ Xác định bán kính bảo vệ chung giữa các cột (7,10), (9,12), ta chỉ cần
tính toán cho 2 cột 7 và 10, gọi là r
0x7-10
. 2 cột này có chiều cao khác nhau.
Chiều cao cột 7: h
7
= 24 m
Chiều cao cột 10: h
10
= 20,5 m.
Gọi 10

’
là cột giả tưởng có chiều cao bằng cột 10. Ta có:
h
10’
= 20,5 m >
1624
3
2
3
2
7
=⋅=⋅
h
Như vậy bán kính bảo vệ của cột 7 cho cột giả tưởng 10
’
được tính như
sau:
x
mhh 625,2)5,2024.(75,0)(75,0
'107
=−=−=
Khoảng cách giữa cột 10 và cột giả tưởng 10
’
là:
a
’
= a – x = 41 – 2,625 = 38,375 m.
Độ cao lớn nhất bảo vệ được giữa cột 10 và cột giả tưởng 10
’
là

Ta có:
Bán kính bảo vệ giữa cột 10 và cột giả tưởng 10
’
cho độ cao h
x
= 11 m là:
Khoảng cách giữa 2 cột này bằng a’= 38,375 m. Độ cao lớn nhât bảo vệ
được giữa 2 cột là:
h
0
= h -
m
a
018,15
7
375,38
5,20
7
=−=
Do: h
x
= 11>
mh 012,10018,15
3
2
3
2
0
==
nên:

r
0
= 0,75.15,018 – 0,75.11 = 3,0135 m
+ Xác định bán kính bảo vệ chung giữa các cột (10,13), (12,15), gọi là
r
0x10-13
. Đây là bán kính bảo vệ giữa hai cột có chiều cao bằng nhau.
h
10
= h
13
= 20,5m
Khoảng cách giữa các cột bằng a = 63 m. Độ cao lớn nhât bảo vệ được
giữa 2 cột là:
h
0
= h -
m
a
5,11
7
63
5,20
7
=−=
Do: h
x
= 11>
mh 667,75,11
3

2
3
2
0
==
nên:
r
0
= 0,75.11,5 – 0,75.11 = 0,375 m
+ Xác định bán kính bảo vệ chung giữa các cột (13,14), (14,15).,gọi là
r
0x13-14
Khoảng cách giữa các cột bằng a = 41 m. Độ cao lớn nhât bảo vệ được
giữa 2 cột là:
h
0
= h -
m
a
643,14
7
41
5,20
7
=−=
Do: h
x
= 11>
mh 762,9643,14
3

2
3
2
0
==
nên:
r
0x13-14
= 0,75.14,643 – 0,75.11 = 2,732 m
Ta vẽ được phạm vi bảo vệ của các cột thu sét cho mặt bằng như hình vẽ:
Phương án B
Trong phương án này, ta sử dụng 20 cột thu sét được bố trí trên mặt bằng
trạm biến áp như hình vẽ.
47
60
1
5 9 13 17
18
201612
8
4
7
6
14
10
3
2
11
15
19

30
40100
110
97
I.2.1B Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 220 kV:
Xét nhóm cột (7,6,10,11) tạo thành hình chữ nhật bảo vệ cho độ cao
16,5m.
+ Cạnh (7,11) = 41m = a
+ Cạnh (6,7) = 30 m = b
Đường kính D của đường tròn ngoại tiếp đi qua các đỉnh cột là:
D =
2222
3041
+=+
ba
= 50,804 m
Độ cao tác dụng tối thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới
hạn bởi chúng là:
h
a
=
=
8
804,50
6,351m
Độ cao cần thiết của cột thu lôi là:
h
c
= h
a

+ h
x
= 6,351 + 16,5 = 22,851 m.
Vậy ta chọn độ cao của cột thu lôi là 23 m.
I.2.2B Tính toán phạm vi bảo vệ cho phía 110 kV:
Chiều cao cần bảo vệ của phía 110 kV là 11 m.
Ta nhận thấy nhóm cột (14,18,19,15) là nhóm cột có diện tích cần bảo vệ
là lớn nhất.
+ Cạnh (14,18) = 63 m = a
+ Cạnh (14,15) = 30 m = b
Đường kính D để cảu đường tròn ngoại tiếp đi qua các đỉnh cột là:
D =
mba 778,693063
2222
=+=+
Độ cao tác dụng tối thiểu để cho các cột bảo vệ hoàn toàn diện tích giới
hạn bởi chúng là:
h
a

m
D
722,8
8
788,69
8
===
Độ cao cần thiết của cột thu lôi là
h
c

= h
a
+ h
x
= 11 + 8,722 = 19,722 m
Vậy ta chọn chiều cao cột thu lôi bằng 20 m.
+ Tính toán so sánh chọn phương án tối ưu:
Phương án A:
- Phía 220 kV có 9 cọc chiều cao mỗi cọc là 24 m.
- Phía 110 kV có 6 cọc chiều cao mỗi cọc là 20,5 m
Tổng chiều dài của các cọc tiếp địa là:
h
Σ
= 9.24 + 6.20,5 = 339 m
Phương án B:
- Phía 220 kV có 12 cọc chiều cao mỗi cọc là 23 m.
- Phía 110 kV có 8 cọc chiều cao mỗi cọc là 20 m
Tổng chiều dài của các cọc tiếp địa là:
h
Σ
= 12.23 + 8.20 = 436 m
Nhận xét:
Như vậy sau khi tính toán ta nhận thấy phương án A có tổng chiều dải cột
thu sét ít hơn tức khối lượng sắt thép nhỏ hơn phương án B. Như vậy phương án
A là phương án tối ưu. Ta chọn phương án A để tính tiếp.
CHƯƠNG II
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110kV
2.1 YÊU CẦU KĨ THUẬT KHI NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP.
Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúc với dòng
điện(hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất. Nhiệm vụ của nối đất là tản

dòng điện xuống đất để dảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé. Hệ
thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp. Tùy theo
nhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia là ba loại.
- Nối đất làm việc.
- Nối đất an toàn.
- Nối đất chống sét.
*)Nối đất làm việc.
Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự là việc bình thường của thiết bị, hoặc một
số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ làm việc đã được quy
định sẵn.
+ Nối đất điểm trung tính máy biến áp.
+ Hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất.
+ Nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dùng trong bù
ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện.
*)Nối đất an toàn.
Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hư hỏng.
Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phần kim loại không mang
điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại. Khi cách điện bị
hư hỏng do lão hóa thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhưng do
nối đất nên điện thế này có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho người tiếp xúc.
*)Nối đất chống sét.
Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi sét đánh vào cột thu
lôi hay đường dây. Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng điện áp do phóng
điện sét gây nên. Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa
hai điểm bất kỳ trên cột điện và đất. Nếu không, mỗi khi co sét đánh vào cột
chống sét hoặc trên đường dây, sóng điện áp có khả năng phóng điện ngược tới
các thiết bị và công trình cần bảo vệ, phá hủy các thiết bị điện và máy biến áp.
Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trong
thực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ. Song hệ thống
nối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm

đất lớn do vậy yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ.
Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác
dụng của nối đất tốt hơn an toàn. Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏ
thì rất tổn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cả
hai được cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế.
- Một số yêu cầu kỹ thuật của điện trở nối đất.
Trị số điện trở nối đất của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số
điện áp bược và tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không vượt quá giới hạn cho
phép.
+ Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu
điện trở nối đất phải thỏa mãn : R ≤ 0,5 Ω.
+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì:
tt
250
R ( ).
I
≤ Ω
+ Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một hệ
thống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì :
tt
125
R ( ).
I
≤ Ω
+ Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thỏa mãn yêu
cầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì không cần nối đất nhân
tạo nữa. Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thỏa mãn đối với các thiết bị
cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất nhân tạo và
yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R ≤ 1 Ω. Thực tế dù R
TN

≤ 0,5 Ω
thì vẫn phải nối đất nhân tạo vì R
TN
có thể xảy ra biến động như đứt dây chống
sét tại khoảng vượt gần trạm.
+ Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn có
như các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chộn trong đất… Việc
tính toán điện trở tản của các đường ống chon trong đất hoàn toàn giống với
điện cực hình tia.
+ Vì đất là một trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suất
của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất như các loại muối,
axit…chứa trong đất, độ ẩm, nhiệt độ và điều kiện khí hậu. Ở Việt Nam khí hậu
thay đổi theo từng mùa, độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất
của đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng. Do vậy trong tính toán thiết kế về nối
đất thì trị số điện trở của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa và sau đó phải
hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn.
Công thức hiệ chỉnh như sau:
tt d mua
.kρ = ρ

Trong đó:
tt
ρ
là điện trở suất tính toán của đất.

d
ρ
là điện trở suất đo được của đất.

mua

k
là hệ số mùa của đất.
Hệ số
mua
k
của đất phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chộn sâu của điện cực.
2.2 CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT.
Điện trở suất đo được của đất
d
ρ
=99 Ωm.
Điện trở nối đất cột đường dây : R
c
= 7 Ω.
Dây chống sét sử dụng loại C-70 có điện trở đơn vị là r
0
= 2,38 Ω/km.
Chiều dài khoảng vượt đường dây:
Phía 220kV: l
220
= 200m.
Phía 110kV: l
110
= 300m.
Điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt là:
)(714,010.300.38,2.
)(476,010.200.38,2.
3
1100110
3

2200220
Ω===
Ω===
−
−
lrR
lrR
cs
cs
Số lộ trong trạm:
Trạm 220kV : n = 3 lộ.
Trạm 110kV : n = 4 lộ.
2.2.1 Nối đất an toàn.
Cho phép sử dụng nối đất an toàn với nối đất làm việc thành một hệ
thống. Điện trở nối đất của hệ thống là :
( )
TN NT
HT TN NT
TN NT
R .R
R R / /R 0,5
R R
= = ≤ Ω
+

Trong đó:
TN
R
: Điện trở nối đất tự nhiện.

NT
R
: Điện trở nối đất nhân tạo,
NT
R
≤ 1 Ω.
a/ Điện trở nối đất tự nhiên.
Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đường dây và cột điện
110kV và 220kV tới trạm.
Ta có công thức sau:
c
TN
c
cs
R
1
R .
n
R
1 1
2 R 4
=
+ +

Trong đó: n : là số lộ dây.
R
cs
:là điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng
vượt.
R

c
: là điện trở nối đất của cột điện.
- Phía 220 kV.
( )
c
TN.220
c
cs.220
R
1 1 6
R . . 0,581
n 3
R 1 6 1
1 1
2 0,714 4
2 R 4
= = = Ω
+ +
+ +
- Phía 110 kV.
( )
c
TN.110
c
cs.110
R
1 1 6
R . . 0,349
n 5
R 1 6 1

1 1
2 0,714 4
2 R 4
= = = Ω
+ +
+ +
( )
1
TN TN.220 TN.110
1 1
R R / /R 0,208
0,581 0,349
−
 
→ = = + = Ω
 ÷
 
Ta thấy giá trị điện trở R
TN
< 0,5Ω đạt yêu cầu về lý thuyết. Tuy vậy nối
đất tự nhiên có nhiều thay đổi vì vậy để đảm bảo an toàn ta phải nối đất nhân
tạo.
b/ Điện trở nối đất nhân tạo.
Nối đất có các hình thức cọc dài 2-3m bằng sắt tròn hay sắt chọn thẳng
đứng. Thanh dài chon nằm ngang ở độ sâu 0,5 ÷ 0,8 m đặt theo hình tia, mạch
vòng hoặc tổ hợp của hai hình thức trên.
Trạm biến áp khi thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo ta sử dụng hình thức
nối đất mạch vòng xung quanh trạm bằng các thanh dẹt.
Điện trở mạch vòng của trạm là:
2

tt
MV
K.L
R .ln
2. .l d.t
ρ
=
π
Trong đó L là chu vi mạch vòng L=2.(l
1
+l
2
)=2.(90+220)=620(m)
t : độ chon sâu của thanh lấy t = 0,8m.
ρ
tt
: điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chon ở độ
sâu t:
tt d mua
.kρ = ρ
Tra bảng với thanh ngang chộn sâu 0,8m ta có k
mua
= 1,6
tt d mua
.k 100.1,6 160( m)
→ ρ = ρ = = Ω
d: đường kính thanh làm mạch vòng. Chọn thanh có bề rộng 4cm.
( )
2
2

b 4.10
d 2.10 m
2 2
−
−
= = =
K : hệ số hình dạng phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất.
Giá trị của K phụ thuộc vào kích thước mạch vòng và được cho ở bảng
sau:
L
1
/L
2
1 1,5 2 3 4
K 5,53 5,81 6,42 8,17 10,4
Đồ thị
5,53
5,53
5,81
6,42
8,17
10,4
7,144
l
1
/l
2
K
1
1,5

2
2,444
3 4
Từ đồ thị ứng với tỉ số l
1
/l
2
=220/90=2,444 ta nội suy đựơc K=7,144
Như vậy điện trở mạch vòng là :
( )
2 2
tt
MV
2
K.L 160 7,144.620
R .ln .ln 0,779
2. .l d.t 2. .620 2.10 .0,8
−
ρ
= = = Ω
π π

MV NT
R R 0,779 1
= = Ω < Ω
như vậy điện trở của hệ thống nối đất nhân tạo đạt
yêu cầu. Nên không phải đóng thêm cọc vào hệ thống nối đất
Ta có điện trở nối đất của hệ thống:
HT NT TN
0,208.0,779

R R / /R 0,164( )
0,208 0,779
= = = Ω
+

HT
R 0,164 0,5
= Ω < Ω
Nên hệ thống nối đất đã chọn là thỏa
mãn yêu cầu của nối đất làm việc và an toàn.
2.2.2 Nối đất chống sét.
Ở đây đề cập đến cả hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản
trong đất :
- Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực.
- Quá trình phóng điện trong đất.
Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung) thì không cần xét quá
trình quá độ mà chỉ cần xét quá trình phóng điện trong đất. Ngược lại khi nối
đất dùng hình thức phân bố dài (tia dài hoặc mạch vòng) thì đồng thời phải xét
cả hai quá trình có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả nối đất. Vì hình thức nối
đất chúng ta chọn cho trạm biến áp là nối đất dài (mạch vòng theo chu vi trạm)
nên sẽ đồng thời xét cả hai quá trình. Vì hệ thống nối đất của chúng ta được
dùng cho cả ba nhiệm vụ nên ta sẽ dùng nối đất an toàn và làm việc để tính toán
cho nối đất chống sét.
*)Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong
đất.
Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:
L R
G
C
L R L R L R

G
C
G
C
G
C
Hình 2.2 : Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất.
Trong mọi trường hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng R vì nó bé so
với trị số điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét tới phần điện dung C vì
ngay cả trong trường hợp sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với
dòng điện trở tản.
L
G
L
G
L
G
L
G
Hình 2.3: Sơ đồ đẳng trị rút gọn.
Trong đó: L
0
- điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài.
G
0
- điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài.
0
l
L 0,2. ln 0,31 H / m
r

 
= − µ
 ÷
 
Với: l - chiều dài điện cực, l = L=620m (nối đất mạch vòng theo chu vi của
trạm)
r - bán kính cực ở phần trước nếu cực là thép dẹt có bề rộng b (m).
Do đó r = b/4 = 0,01m
Thay số ta có :
0
l 620
L 0,2. ln 0,31 0,2. ln 0,31 2,145 H / m
r 0,01
 
 
= − = − = µ
 ÷
 ÷
 
 
Khi đó ta được điện dẫn của điện cực:
0
1 1
G
R.l m
 
=
 ÷
Ω
 

Trong đó: R: điện trở xoay chiều tính cho mùa sét:
Trong nối đất chống sét khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8 m thì k
mùa
= 1,25.
at
set set
MV
MV mua
at
mua
R
R .k
k
=
Vì ta thực hiện việc nối đất bằng cách dùng một mạch vòng bao quanh
trạm mà không đóng thêm cọc nên giá trị điện trở nhân tạo mùa sét được tính
theo công thức:
set
set set set
mua
NT MV mua
at
mua
R 0,779.1,25
R R .k 0,608
k 1,6
= = × = = Ω
Thay số vào ta được điện dẫn của điện cực là:
3
0

1 1 1
G 2,653.10 ( )
R.l 0,608.620 m
−
= = =
Ω
*)Tính tổng trở xung kích của hệ thống nối đất.
Từ sơ đồ đẳng trị ta có:
Gọi Z(x,t) là điện trường xung kích của nối đất kéo dài, nó là hàm số của
không gian và thời gian:
U(x, t)
Z(x,t)
I(x,t)
=
Trong đó U(x,t) ; I(x,t) là dòng điện và điện áp xác định từ hệ phương trình vi
phân:
U I
L.
x t
I
G.U
x
∂ ∂

− =


∂ ∂

∂


− =

∂

Giải hệ phương trình vi phân trên với dạng sóng của dòng điện ở đầu vào
của hệ thống nối đất có dạng sóng xiên góc i(o,t) = a.t ta sẽ được điện áp tại
điểm bất kỳ trên điện cực:
( )
K
t/T
1
2
k 1
1 k. .x
U(x,t) a.R t 2.T 1 e .cos
k l
∞
−
=
π
 
= + −
 
 
∑
Suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất:
( )
k
t/T

1
2
k 1
2.T
U(0,t) 1 1
Z(0,t) 1 1 e
I(0,t) G.l t k
∞
−
=
 
= = + −
 
 
∑
Trong đó
2 2
0 0 0 0
1 k ds
2 2 2
L .G .l L .G .l
T ,T ,t 5 s
k .
= = = τ = µ
π π
Thay số:
( )
2
3
2

1
2 2
620
2,145.2,653.10 .
L.G.l
2
T 55,41 s
3,14
−
 
 ÷
 
= = = µ
π
Tổng trở tiến tới trị số ổn định khi:
k
t
4
T
≤
<=>
1
2
5
4 k 6,658
T
k
≤ <=> ≤
lấy k = 6
k k

t t
2
6
T T
2 2
k 1 k 1
1 1
1 e e
k 6 k
∞
− −
= =
 
π
− = −
 ÷
 ÷
 
∑ ∑
5 5.4 5.9 5.16 5.25 5.36
2
55,41 55,41 55,41 55,41 55,41 55,41
1 1 1 1 1
1. . . . . .
6 4 9 16 25 36
0,488
− − − − − −
 
π
= − + + + + +

 ÷
 ÷
 
=
e e e e e e
Do đó tổng trở sóng đầu vào sẽ được tính bằng:
(0,t)
3
1 2.55,41
Z .(1 .0,488) 7,184
2,653.10 .620 5
−
= + = Ω
Tổng trở sóng xung kích Z
xk
=
1
Z(0,t) 3,592
2
= Ω
Điều kiện nối đất chống sét thỏa mãn khi U
xk
= I
S
. Z
xk
< U
50%

Trong đó, dòng điện sét I

S
= 150kA, và điện áp 50% của trạm U
50%
=
460kV
Ta có điện áp xung kích : U
xk
= 3,592. 150 = 538,8kV > U
50%.
Tức là giá trị điện trở nối đất này chưa đạt nên ta cần tiến hành tính toán
nối đất bổ sung
Nối đất bổ sung:
Việc tiến hành nối đất bổ sung nhằm đảm bảo cho giá trị điện trở nối đất đạt
trị số yêu cầu và để đảm bảo an toàn. Chúng ta thực hiện việc này bằng cách đặt
thêm một điện trở nối đất ở ngay chân cột thu lôi, chân máy biến áp. Về hình
thức thì nối đất bổ sung là loại nối đất tập trung (gồm thanh hay thanh và cọc).
Do việc xác định Z
bs
là phức tạp nên để thuận tiện cho quá trình tính toán ta
chọn hình thức nối đất bổ sung như sau:
- Thanh nối đất bổ sung là thép dẹt tròn có chiều dài là 10 m, bề rộng b =
0,04 m.; dọc theo chiều dài thanh có chôn ba điện cực tròn có kích thước: chiều
dài cọc là 2,5 m; đường kính d = 0,04 m, khoảng cách giữa hai cọc là 5 m. Cọc
và thanh được chôn ở độ sâu 0,8 m.
Ta có trong nối đất chống sét:
- Với thanh ngang chôn ở độ sâu 0,8 m thì hệ số k
mùa
= 1,25.
- Với cọc dài 2,5 m chôn sâu 0,8 m thì hệ số k
mùa

= 1,15.
Như vậy, điện trở của thanh nối đất bổ xung bằng:
T 2 2
tt
T
K.l 1,25.100 1.10
R .ln ln
0,04
2. .l t.d 2.3,14.10
0,8.
2
ρ
= =
π
= 17,388 Ω
Điện trở nối đất của cọc bổ sung:

C
tt
C
2l 1 4t ' l 1,15.100 2.2,5 1 4.2,05 1
R . ln ln ln ln
2. .l d 2 4t ' l 2 .2,5 0,04 2 4.2,05 1
ρ
+ +
 
 
= + = + × =
 ÷
 ÷

π − π −
 
 
36,246
Ω.
Điện trở nối đất bổ sung của hệ thống thanh cọc được xác định theo công
thức:
t c
bs
t c C t
R .R
R
R . .n R .
=
η + η
trong đó:
:,
CT
ηη
hệ số sử dụng của thanh và cọc.