nhà máy nhiệt điện - thiết kế bảo vệ chống sét

Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

CHƯƠNG XI:
BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP
I.TỔNG QUAN :
Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn của đường dây tải điện ,vào các thiết bò và bộ phận
mang điện của nhà máy sẽ gây nên quá điện áp nguy hiểm làm ngắn mạch, chạm đất các
pha, gây hư hỏng cách điện của các thiết bò, gây gián đọan cung cấp điện, làm thiệt hại
đến nền kinh tế, vì vậy hệ thống điện phải được chống sét một cách có hiệu quả. Ta bảo
vệ sét đánh trực tiếp bằng dây dẫn, hoặc cộtt thu sét
Đối với vùng có điều kiện thời tiết khắc nghiệt như nước ta thì nên dùng cột thu sét.

II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU SÉT – TÍNH TOÁN PHẠM VI BẢO VỆ :
1. Khu vực trạm 220 kV và hai tổ máy biến áp tự ngẫu :
Các độ cao cần được bảo vệ :
• Xà đỡ dây MBA và dây vượt có độ cao 16,5m.
• Xà đỡ thanh góp và thanh góp có độ cao 11m
• Tất cả 6 máy biến áp tự ngẫu 1 pha có kích thước mỗi máy: cao 8m, rộng 6m, dài
10m
Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm và các máy biến áp ta dùng hệ thống
cột thu sét đánh số từ 1 đến 17 cột ( cột 12 được dùng để phối hợp với cột 17 bảo vệ cho
các xà treo dây liên lạc giữa các cấp điện áp ) như sơ đồ mặt bằng.
Dựa vào sơ đồ mặt bằng ta chọn đa giác có đường kính ngoại tiếp lớn nhất là hình
chữ nhật ( tạo bởi 4 cột9,10,13,14) có kích thước : 50 x 61,6m 2


D= 50 2 + 61,62 = 79,34 m
Độ cao lớn nhất h x = 16,5m đặt trong diện tích hình chữ nhật (tam giác ) được bảo
vệ hoàn toàn nếu thỏa mãn điều kiện :

D
1
+h x =79,34* +16,5=26,4 m
8
8
Như vậy chon độ cao của tất cả các cột thu sét h = 27m.
Xác đònh phạm vi bảo vệ bên ngoài các cột thu sét cho độ cao h x = 16,5m
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét ở độ cao 16,5m :

h≥

•

r= 1,6h
Nguyễn Đình Vinh

h − hx
27 − 16,5
=1,6*27
=10,43 m
h + hx
27 + 16,5
1


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

• Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét ở độ cao 11m :

h − hx
26 − 11
=1,6*26
= 18,2 m
h + hx
26 + 11
Phạm vi bảo vệ của đôi cột 1 – 2:

r=1,6*h

•

a
1
h01=h- =27-61,6* =18,2 m
7
7
h01 − hx
18,2 − 16,5
r01=1,6*h 0 1
=1,6*18,2
=1,427 m
h01 + hx
18,2 + 16,5

• Phạm vi bảo vệ của đôi cột 1 – 5 : ( đôi cột này chỉ bảo vệ độ cao 11m )
a
40,5
h02=h- =27=21,44 m
7

7
21.4 − 11
r02=1,6*21,44
=10,67 m
21,4 + 11
• Phạm vi bảo vệ của đôi cột 5 – 9 : (đôi cột này chỉ bảo vệ độ cao 11m)
a
41
h 03 = h- =27- =21,14 m
7
7
21,14 − 11
r 03 =1,6*21,14
=10,67 m
21,14 + 11
• Phạm vi bảo vệ của đôi cột 9 – 13 : (đôi cột này chỉ bảo vệ độ cao 11m)
a
50
h04= h- =27- =19,86 m
7
7
10,86 − 11
r04=1,6*19,86
=9,12 m
19,86 + 11
• Phạm vi bảo vệ của đôi cột 12-16:
a
68,62
h05= h- =27=17,2 m
7

7
17,2 − 11
r05=1,6*17,2
=6,05 m
17,2 + 11

2. Đối với trạm 110kV và khu vực đặt 2 máy biến áp:


Các độ cao cần được bảo vệ:
• Xà đỡ dây MBA và dây trượt có độ cao 11m.
• Xà đỡ thanh góp và thanh góp có độ cao 7,5m.
• Hai máy biến áp có kích thước mỗi máy là : cao 5m, rộng 5m, dài 8m.

Nguyễn Đình Vinh

2


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm và máy biến áp ta dùng hệ thống cột
thu sét đánh số từ 18 đến 30 như sơ đồ mặt bằng.
Dựa vào sơ đồ mặt bằng ta chọn đa giác có đường kính lớn nhất là hình chữ nhật
(tạo bởi 4 cột 25,26,29,30) có kích thước : 27 x 30m 2
Độ cao lớn nhất hx = 11m đặt trong diện tích hình chữ nhật (tam giác) được bảo vệ
hoàn toàn nếu thoảõ mãn điều kiện :
D= 27 2 + 302 =40,36 m

D
1
h ≥ +h x =40.36* +11=16,045 m
8
8
Như vậy chọn độ cao của tất cả các cột thu sét h = 17m
• Xác đònh phạm vi bảo vệ bên ngoài các cột thu sét ở độ cao h x= 11m:
h − hx
17 − 11
r x = 1,6h
=1,6*17
=5,83 m
h + hx
17 + 11
• Xác đònh phạm vi bảo vệ bên ngoài các cột thu sét ở độ cao hx = 7,5m:
h − hx
17 − 7,5
r x = 1,6h
=1,6*17
=10,55 m
h + hx
17 + 7,5
Ta thấy các cột thu sét như vậy hoàn toàn bảo vệ được các xà đỡ ở độ cao 7,5m.
• Phạm vi bảo vệ của đôi cột18-19:
a
27
h01=h- =17- =13,14 m
7
7
h01 − hx

13,13 − 11
r01=1,6*h01
=1,6*13,24
=1,86 m
h01 + hx
13,14 + 11

• Phạm vi bảo vệ của đôi cột 18-23 :
a
27,5
h02=h- =17= 13,07 m
7
7
13,07 − 7,5
r02=1,6*13,07
=5,66 m
13,07 + 7,5
• Phạm vi bảo vệ của đôi cột 23-28 :

•

a
40,36
h03=h- =17=11,23 m
7
7
Phạm vi bảo vệ của đôi cột 27-30 :

h04=h 03 =11,23 m
r04=r 03 =3,58 m

Với độ cao hx = 5m (các máy biến áp) ta tính được phạm vi bảo vệ của cột là:
h − hx
17 − 5
r x = 1,6h
=1,6*17
=14,84 m
h + hx
17 + 5
Nguyễn Đình Vinh

3


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

• Hình vẽ cho thấy rằng xà đỡ thanh góp có độ cao 7,5m và các máy biến áp được
bảo vệ hoàn toàn.
Đối với những khu vực đường dây mà các cột thu sét không thể che phủ hết được
thì ta sẽ đi thêm dây chống sét.

Như vậy với cách bố trí các cột thu sét như hình vẽ thì trạm 220kV, trạm 110kV và
khu vực đặt MBA được bảo vệ hoàn toàn.
3. Khu vực nhà máy:
• Nhà máy có 3 ống khói , các ống khói có độ cao 70m, ta phải bảo vệ cho các ống
khói này. Lợi dụng độ cao của các ống khói ta bố trí bốn kim thu sét tạo thành hình
vuông trên miệng vành ống khói và đặt vòng (đai) dây kim loại trên 4 kim để liên kết
các kim lại với nhau.
• Chọn kim thu sét có độ cao h kim = 15m, thì độ cao của cột thu sét h= 70 + 15 =

85m, nằm trong khoảng (60 ÷ 100)m, nên chiều cao của phạm vi bảo vệ của cột thu sét
giảm còn :
h’= h-Δh
Δh = 0,5(h-60)= 12,5 m
⇒ h´ = 85-12,5 = 72,5 m
• Phạm vi (bán kính) bảo vệ của cột thu sét ở độ cao h x= 10m (độ cao trần nhà
máy):
5,5
h − hx
72,5 − 10
r x = 1,6h
p=1,6*72,5
*
=56,76 m
h + hx
72,5
72,5 + 10
Dựa trên phạm vi bảo vệ của các cột thu sét đặt trên ống khói ta nhận thấy
phần nhà máy gần như được bảo vệ toàn bộ. Ngoài ra ta cần đặt các kim thu sét ở
các góc đỉnh nhọn, làm đường viền chung quanh mái nhà, nối đất mái nhà làm
bằng kim loại.
 Vậy với cách bố trí như trên thì khu vực nhà máy được bảo vệ hoàn toàn.

Nguyễn Đình Vinh

4


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

CHƯƠNG XII :
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
• Nối đất của hệ thống thu sét (HTTS) đóng vai trò rất quan trọng trong công việc
phát huy tac dụng của bảo vệ HTTS. Nếu nối đất không đạt yêu cầu thì nhiều khi hậu
quả còn xấu hơn khi không đặt HTTS. Bởi vì HTTS với độ cao vượt hẳn độ cao của công
trình, có tác dụng câu sét vào công trình (nghóa là xác suất sét đánh phụ thuộc vào độ
cao), nếu tổng trở xung (điện trở xung kích) của hệ thống nối đất (HTNĐ) khi tản dòng
sét quá cao, điện áp giáng xung trên HTNĐ đó lớn có thể sẽ gây nguy hiểm, làm phóng
điện xuyên thủng cách điện các trang thiết bò của trạm hoặc gây nên phóng điện ngược
trong trạm (và cả trên đoạn đường dây gần trạm) sẽ tạo nên dạng sóng cắt có biên độ,
nhất là độ dốc rất lớn, rất nguy hiểm cho cách điện dọc của máy biến áp.

I. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT :
1. Tính toán nối đất tự nhiên:
a. Đối với trạm 220kV:
• Điện trở suất của đất đo vào lúc khô ráo : pđo =182 Ω m
Do đó điện trở tính toán : ptt= pđo* km = 184*1,6=294,4 Ωm
• Đối với trạm 220kV :
Có 7 đường dây đấu vào trạm 220kV và có đặt DSC trên toàn tuyến, nen :
Rc
Rc 1
Rcs_c = 1
+
+
2
Rcs 4
Do: ρ tt =294,4 < 500 Ωm
Nên chọn Rc =10 Ω m

Điện trở tác dụng của đoạn DCS trong một khoảng vượt : Rcs = k.ro.l
• Đường dây 220kV sử dụng dây chống sét TK – 70 nên ro = 2,38 Ω /km
• Chiều dài trung bình của khoảng vượt : 1kv = 300m. (= 0,3km)
• Đường dây 220kV có hai DCS nên k = 0,5
Rcs = k.ro.l =0,5*2,38*0,3=0,357 Ω
10
⇒ Rcs_c= 1
10
1
+
+ = 1,72
2
0,357 4

Có 7 đường dây đấu vào
Nguyễn Đình Vinh

:

Ω

R tn _ 220 =

5

Rcs 1,72
=
=0,246 Ω
n
7

Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

b.Đối với trạm 110kV :
•
Có 6 đường dây đấu vào trạm 110kV và có đặt DCS trên toàn tuyến,
nên :
Do : ptt = 294,4 Ω m < 500 Ω m, nên chọn Rc = 10 Ω
• Điện trở tác dụng của đoạn DCS trong một khoảng vượt Rcs= k.ro.l
• Đường dây 110kV sử dụng dây chống sét TK – 50 nên ro=3,7 Ω /km
• Chiều dài trung bình khoảng vượt : 1kv =200m (0,2km)
• Đường dây 110kV có một DCS nên k= 1
Rcs= k.ro.l= 1*3,7*0,2 =0,74 Ω
10
Rc
⇒ Rcs_c= 1
10
1 = 2,375 Ω
Rc 1 = 1
+
+
+
+
2
0,74 4
2
Rcs 4

Trạm có 6 đường dây đấu vào nên n = 6
Rcs _ c 2,375
Rtt_110 =
=
= 0,396 Ω
6
6

Vậy điện trở nối đất tự nhiên của toàn nhà máy là :
Rtn _ 220 * Rtn _110 0,246 + 0396
Rtn =
=
=0,162 Ω
Rtn _ 220 + Rtn _ 110 0,246 + 0,396
2. Thiết kế nối đất nhân tạo:
a. Nối đất mạch vòng :
Mặc dù nối đất tự nhiên nên đã đạt yêu cầu R tn=0,162 Ω < 0,5 Ω nhưng nhằm tăng
cường an toàn và dự phòng cho các trường hợp khi nối đất tự nhiên có thay đổi, ta phải
đặt thêm bộ phận nối đất nhân tạo có điện trở tản Rnt ≤ 1Ω .
Mạch vòng nối đất chạy ven chu vi nhà máy (Rmv) có dạng thanh.
Mặt bằng theo thiết kế của toàn nhà máy có kích thước (280 x 250)m 2.
Chu vi nhà máy : l = 2(l1 + l2) = (280+ 250) = 1060m.
Tỷ số l1/l2 = 280/245 = 1,12 bằng cách nội suy tuyến tính ta được hệ số hình dáng của
mạch vòng :
1,12 − 1
K=
(5,81-5,53)+ 5,53 =5,59
1,5 − 1
• Ta chọn thép tròn có đường kính d=20mm để tạo mạch vòng :
• Độ chôn sâu của thanh là to=0,8m

• Điện trở suất của chất đo vào lúc khô ráo pđo=184 Ω m.
• Với nối đất an toàn, tra bảng ta được : km=1,6 ⇒ ptt = pđokm=184*1,6=294,4 Ω m
Vậy điện trở tản xoay chiều của mạch vòng thanh là :
k * L2
294,4
5,59 * 10602
1
Rmv= Rt =ptt * 2π * L ln t0 * d = 2 * 3,14 * 1060 ln 0.02 * 0,8 =0,87
Nguyễn Đình Vinh

6


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

Do Rmv = 0,87 Ω 〈1 Ω nên ta vẫn sẽ sử dụng nối đất bổ sung.
b. Nối đất bổ sung :
Ta chỉ xét nối đất bổ sung cho trạm, bỏ qua nối đất bổ sung cho khu vực nhà máy.
Nối đất bổ sung có nhiều dạng và kích thước khác nhau.
• Chọn nối đất bổ sung dạng 2 tia 3 cọc như hình vẽ, chiều dài mỗi tia l t =10m,
có đường kính dt=20mm, chiều dài mỗi cọc là lc=2m, đường kính dc=20mm, độ chôn
sâu t0 =0,8m.
• Điện trở tản xoay chiều của hệ 2 tia K – hệ số phụ thuộc vào cách bố trí thanh
ngang có tính đến hiệu ứng màn che (phụ thuộc hình dáng) : tra bảng ta được K = 1.
2
t= t 0 +l c /2=1,8+ =1,8 m
2
2

k * Lt
1
202
1
tia
R = ptt * 2π * L ln t0 * dt =294,4* 2 * 3,14 * 20 Ln 0,8 * 0,02 =23,74 ω
Rc=ptt *

1
2π * Lc

4 * t + lc 
 2lc 1
 Ln dc + 2 Ln 4 * t − lc 

 =130,84 Ω

Do khoảng cách giữa các cọc là lớn (10m) so với chiều dài mỗi cọc là 2m nên ta
có thể bỏ qua hiệu ứng màn che và xem hệ số sử dụng của tổng hợp là η = 1 .
23,74 * 130,84
R * Rc
Rth = Rc +tian * R = 130,84 + 3 * 23,74 =15,37 Ω
Tia

Ta đặt cả 30 điểm nối đất bổ sung (tương ứng với số cột thu sét) nên điện trở tản
xoay chiều của toàn bộ nối đất bổ sung là :
15,37
Rbs Σ = Rmbs = 30 =0,53 Ω
Điện trở nối đất nhân tạo của hệ thống là:
Nguyễn Đình Vinh

7


Nhà Máy Nhiệt Điện

R

nt

=

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

R
R

mv

bsΣ

* R bsΣ

+ R mv

=

0.87 * 0,53
=0,33 Ω ≤ 1( Ω ) thỏa ĐK nối đất nhân tao
0,87 + 0,53

• Điện trở tản tổng của toàn bộ HTNĐ :
Rtn * Rnt 0,162 * 0,33
Rt=
=
0,11 Ω ≤ 0,5 Ω
Rtn + Rnt 0,162 * 0,33
Vậy thoả điều kiện về quy phạm nối đất an toàn.
3. Tính tổng trở xung của HTNĐ có nối đất bổ sung (NĐBS) :
• Nhiệm vụ chủ yếu của NĐBS là tản dòng sét một cách thuận lợi, để có hiệu quả
tốt cần sử dụng các dạng nối đất tập trung. Vì là nối đất tập trung, nên khi dòng điện
đạt trò số cực đại ( t = τ ds ) thì quá trình quá độ đã kết thúc( τ ds ≤ T ). Trò số điện trở tản
'
ổn đònh của NĐBS ( Rbs ) như trong phần nối đất an toàn nhưng được quy đổi về mùa
mưa.
Tổng trở xung của HTNĐ được tính một cách gần đúng theo các tiên đề, giả thiết sau:
 Coi như chỉ có nối đất bổ sung dưới chân cột bò sét đánh trực tiếp và mạch
vòng nối đất ven chu vi của trạm tham gia vào việc tản dòng sét.
 Bỏ qua hiệu ứng màn che giữa nối đất bổ sung và mạch vòng nối đất của trạm
(do mạch vòng của trạm tải trên một khu vực rộng).
 Bỏ qua hiện tượng phóng tia lửa điện trong đất (nẹt lửa trong đất), chỉ kể đến
ảnh hưởng của mạch vòng nối đất.

Nguyễn Đình Vinh

8


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

• Các giả thiết này làm cho việc tính toán tổng trở tản xung của HTNĐ sẽ đơn
giản hơn, kết quả sẽ tương đối chính xác, tuy nhiên có thể thực hiện bằng phương
pháp gỉai tích, như vậy kết quả sẽ lớn hơn thực tế và sẽ nghiêng về phía an toàn.
R'bs * Z (0,τ ds)
Nghiệm có dạng tổng quát có dạng : với Z(0, τ ds )=
, tổng trở xung đầu vào
R'bs + Z (0,τ
ds

(x = 0, nơi dòng sét đi vào HTNĐ) của mạch vòng nối đất khi dòng sét đạt trò số cực đại
( t = τ ds ) .
1,25
K 'm
R’bs=Rbs
=15,37
=12,01 Ω
1,6
Km
Trong đó:
km - hệ số mùa của thanh về mùa khô : km=1,6.
k’m - hệ số mùa của thanh về mùa sét : k’m=1,25
Do sử dụng mạch vòng thanh thuần tuý nên.
1,25
K 'm
R’mv =Rmv
=0.87
=0.7 Ω
1,6

Km
Tổng trở xung đầu vào của mạch vòng nối đất bằng tổng trở xung đầu vào của
một tia tương đương có chiều dài bằng l’(hình XII- 4), với l’= l1+l2 = 280+250 = 530m.
Các thông số rãi được tính (theo đơn vò dài m) như sau:
1
L’ =Lo*
2
G’=2*Go


 l'

 Lo = 0,2 ln r − 0.31




Với 
−1
1
Go =
(Ωm) 


2 * R' mv * l '
R=d/2=0,02/2=0,01 m
Do đó :

Nguyễn Đình Vinh

9


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

480
-0,31)=2,094 µH / m
0,01
⇒ L' =0,5*2,094=1,047 µH / m

Lo=0,2(ln

1
−1
=1,408. 10 −3 (Ωm)
2 * 0,7 * 530
⇒ G ' = 2 *1,408 * 10 −3 =2,816. 10 −3 (Ωm) −1

Go=

Ta được điện cảm tổng ,điện dẫn tổng :
L=L’*l’=1,047*530=502,56( µH )
G=G’*l’=2,816. 10 −3 *530=1,352 (Ωm)

−1

Tổng trở xung đ ầu vào của HTNĐ đạt trò số cực đại gần đúng vào lúc dòng sét
qua biên độ, tức lúc t = τ ds . từ hệ phương trình vi phân:

∂u
∂i
∂u 2
∂u
−
= L'
− 2 = L' G '
∂x
∂t
∂x
∂t
⇒ [[
2
∂i
∂i
∂u
− G '*u
− 2 = L' G '
∂x
∂x
∂t
 Xk 

2

τ ds

−
 *
R ' bs * R ' mv n

e  π  T1
⇒ Z Σ (0, τ ds )=
2
*
R
'
mv
+∑
(1)
R ' mv
1
R ' bs + R ' mv k =1
+
R ' bs cos 2 Xk
(Dùng phương pháp toán tử Laplace giải hệ phương trình vi phân)
τ ds = 5µs ;
Trong đó:
1
Thời hằng T 1 =LG/ π 2 =502,56*1,352 2 =68,914 ( µs )
π
Xk- nghiệm của phương trình vi tuyến (siêu việt) :
0,74
R ' mv
tg X +
X=0 ⇒ tg X+
X=0
12,01
R ' bs
⇒ tgX +0,0616X =0
Chuỗi số hạng (1) chỉ cần tính đến số hạng thứ k – mà tại đó,

X K 2 τ ds
≤ 3
) *
A= (
T1
π
Vì eA ≤ 0,05 có nghóa là ta chỉ nhận những gía trò :

3 * 69,914 * π 2
=20,19(rad)
5
Giải phương trình:(bằng chương trình MATLAB) với điều kiện: X K ≤ 20,19 rad
ta được các nghiệm gần đúng :
X1= 3.1419 , X2= 6.3210 , X3 = 9.4120

XK ≤

Nguyễn Đình Vinh

10


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

X4= 12.578 , X5= 15.800 ,
Ta thiết lập được bảng tính :
K
1

2
3
4
5
6

Xk
A
3,141 0,07264203
9
6,320 0,29392559
9,412
0
12,57
8
15,80
18,85
0

X6 = 18.8500

B
0,92993366

C
-0,99999819

D
1,00000362

F
0,87564076

0,99919929

1,00160335

0,70076119

0,65187914

O,7453319
5
0,52106570

-0,99996797

1,00006406

0,41001307

1,16419688

0,31217327

0,99983784

1,00032439

0,28385871

1,83703497
2,61472464

0,15928902
0,07318794

-0,99499910
0,99994995

1,01007733
1,00010011

0,14857979
0,06890870

Tổng ( ∑ F )

2,48776222

Vậy tổng trở xung của HTNĐ có nối đất bổ xung là:
n
12,01 * o,7
R ' bs * R ' mv
Z ∑ (0,τ ds )=
+2R’mv ∑ F =
+ 2*0,7*2,48776222=4,38 Ω
12,01 + 0,7
R ' bs + R ' mv
k =1

III. KIỂM TRA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT THEO ĐIỀU KIỆN CHỐNG SÉT:
Dòng sét tản qua HTNĐ của trạm sẽ tạo nên một điện áp giáng xung trên tổng trở
xung của nó, mà trò số cực đại bằng : U = I S Z ∑ ( 0,τ ds ) , với Is là biên độ dòng sét ở đầu
vào của HTNĐ.
• Để không xảy ra phóng điện làm hư hỏng cách điện của các trang thiết bò điện
trong trạm, hoặc phóng điện ngược đến các bộ phận mang điện thì điện áp giáng xung
phải nhỏ hơn mức cách điện xung bé nhất của trạm, tức là: U x = I S Z ∑ ( 0,τ ds ) < U 0,5 , (U0,5 –
mức cách điện xung bé nhất của thiết bò – cho bởi thực nghiệm).
• Theo thiết kế, điểm nối đất của cột thu sét cách điểm nối đất trung tính của
MBA lớn hơn 15m theo đường thanh dẫn nên ta chỉ kiểm tra với U 0,5 của cách điện ngoài
của chuỗi sứ mà không cần kiểm tra với U0,5 của cách điện trong của MBA.
• Tra bảng U0,5 của mỗi chuỗi sứ ở cấp điện áp 110kV là 660kV, 220kV là
1140kV.
• Theo yêu cầu phải kiểm tra với dòng sét I = a*t có các thông số là:
• Từ đó tính được điện áp xung kích cực đại là:

Nguyễn Đình Vinh

11


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

Ux =Is*Z ∑ (0, τ ) = 150*4,38 = 657 (KV) ≤ 660 KV

Vậy HTNĐ đã thiết kế thoả mãn yêu cầu theo điều kiện chống sét.

CHƯƠNG XIII:
CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY 110kV
I.

KHÁI NIỆM CHUNG :
• Đường dây tải điện nêu trên không là phần tử có chiều dài lớn nhất trong
hệ thống điện nên có khả năng (xác suất) bò sét đánh cao nhất và chòu tác dụng của
quá trình điện áp. Sóng quá điện áp không chỉ gây nên phóng điện trên cách điện
đường dây, đưa đến cắt điện mà còn mà còn có thể truyền vào trạm theo đường dây
gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bò trong trạm, đặc biệt khi sét đánh trực
tiếp vào dây dẫn hoặc vào cột gây nên phóng điện ngược ở các đoạn đường dây gần
trạm.
• Quá điện áp khí quyển xuất hiện trên đường dây theo hai khả năng: hoặc
do sét đánh trực tiếp vào đường dây, hoặc do sét đánh gần đướng dây gây nên quá
điện áp cảm ứng (điện áp ngẫu hợp). Trường hợp đầu nguy hiểm nhất vì đường dây
chòu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét, việc bảo vệ chống sét cho đường dây
chính là nhằm để hạn chế quá điện áp trong trường hợp này.
• Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, cường độ hoạt động của sét
tương đối lớn, số ngày sét trong năm có thể lên đến trên dưới 100, do đó hầu hết các
đường dây tải điện trên không điện áp từ 110kV trở lên đều được bảo vệ bằng dây
chống sét (DCS). Số DCS và góc bảo vệ ( α ) tuỳ thuộc vào tính chất quan trọng của
Nguyễn Đình Vinh

12


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

đường dây và công suất truyền tải, và có ảnh hưởng đáng kể đến chỉ tiêu kinh tế – kỹ
thuật của đường dây.
• Đường dây có DCS có thể bò sét đánh trực tiếp theo ba khả năng:
 Sét đánh vào đỉnh cột hay vào DCS ở gần đỉnh cột.
 Sét đánh vào DCS ở giữa khoảng vượt.
 Sét đánh vòng qua DCS vào dây dẫn.
 Chiều dài khoảng vượt : 1kv=200m.
 Độ võng của dây dẫn : fDD =2,20m.
 Độ võng của dây chống sét : fDCS =1,84m.
 Cỡ dây chống sét : TK – 50 .
 Bán kính của dây chống sét : rCS = 4,6mm.

Trong chương này ta sẽ xác đònh chỉ tiêu chống sét cho đường dây tải điện 110kV.
(vò trí của sét có ảnh hưởng đến sự phân bố dòng sét trên các phần tử của đường dây, ảnh
hưởng đến các thành phần điện áp do sét gây ra trên cách điện của đường dây. Đối với
đường dây có U ≥ 110 KV có thể bỏ qua trường hợp quá điện áp cảm ứng do sét đánh gần
đường dây, vì trò số quá điện áp bé so với mức cách điện xung của đường dây (mức cách
điện xung của đường dây 110KV là 660KV) nên ít có khả năng gây phóng điện trên cách
điện dẫn đến cắt điện).

II.

TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CẦN THIẾT :
1. Các thông số của đường dây:
Dạng trụ thép dùng cho đường dây tải điện 110kV như hình XIII-1. trong đó :
• Chiều dài khoảng vượt : 1kv=200m.
• Độ võng của dây dẫn : fDD =2,24m.
• Độ võng của dây chống sét : fDCS =1,84m.
• Cỡ dây chống sét : TK – 50 .
• Bán kính của dây chống sét : rCS = 4,6mm.

• Kích cỡ tối thiểu của đường dây : dmin=11,3mm.
• Loại sứ thường dùng và số sứ : 7* Π − 4,5.
• U0,5 của chuỗi sứ : U0,5 =660kV.
• Chiều dài toàn bộ chuỗi sứ :1cs =1,3m.
• Chiều dài phần cách điện của chuỗi sứ : 1cđ = 1,2m.
• Hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của vầng quãng xung (đường dây có một
DCS): λ = 1,3
• Điện áp làm việc : U1v =57kV.
2. Các thông số thống kê :
Nguyễn Đình Vinh

13


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

• Số ngày có sét trong năm : n = 100 ngày
• Mật độ sét trung bình : m = 0,1 lần/km2 ngày sét.
• Hệ số phóng điện ngược : β = 0,3 .
• Điện trở nối đất của cột : Rc = 10Ω .
3. Các thông số cần thiết trong tính toán :
• Xác đònh pha dùng cho toàn bộ quá trình tính toán: ta nhận thấy rằng pha A có góc
bảo vệ lớn nhất:
2,1
α A = tan −1 (
)
=32,47 0
2 + 1,3

4,1
) =29,9 0
α b = tan −1 (
2 + 1,3 + 4,1
2,1
α c = tan −1 (
) = 16,5 0
2 + 1,3 + 4,1
Nên pha A sẽ được chọn dùng trong tính toán.
• Độ treo cao trung bình của DCS:
−
1
2
hcs = hcs - 3 f dd = 25-2*1,84* 3 = 23,77 m
hcs – độ treo cao của DCS tại cột : hcs =25m
fcs – độ võng của DCS : fcs =1,84m.
• Độ treo cao trung bình của DD:
hDD – độ treo của dây dẫn tại cột;
fDD – độ võng của dây dẫn(2,40m).
−
2
=h
f DD
DD DDA
h
3

Nguyễn Đình Vinh

14

Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

2
2 * 2,4
*2.4= 21,7= 20,1 m
3
3
Hệ số ngẫu hợp k giữa dây dẫn và DCS :
Đường dây có một DCS, hệ số ngẫu hợp hình học tính theo :
⇒ h' DDA = h' DDA -

_

ln

K=

D1a
d1a
_

2h
cs
ln
rCS

Trong đó :

D1a - là khoảng cách trung bình giữa ảnh của DCS và dây dẫn pha A :
_

=

D1a

(hcs + hdd ) 2 + 2 2 =

( 23,77 + 20,1) 2 + 4 =43,915 m

d1a - là khoảng cách trung bình giữa DCS và dây dẫn pha A :
−

d1a =

hcs − hdd + 4 =2,796 m

43,915
2,796
⇒ K=
2 * 23,77 = 0,299
ln
0.0046
ln

Hệ số ngẫu hợp động (khi xét đến ảnh hưởng vầng quang) k vq : k vq = λk .
Hệ số hiệu chỉnh theo ảnh hưởng của vầng quang xung = λ

Đường dây có một DCS thì :
k vq = 1,3*0,299 =0,389
Nguyễn Đình Vinh

15


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

Điện cảm của cột tính đến độ treo cao của dây dẫn :
2H
∆H
H
DD
Lc = 0,2h DDA ( ln r td (c) + 2 * hdd * ln ∆h − 1 )
rtđ(c) –bán kính tương đương của cột điện.
2,8 * 2,8
a *b
1,58
π
π
r
m
tđ(c) =

=

=

h = h DDA + hCS =21,7+25 =46,7 m
∆h = h CS -h DDA =25-21,7= 3,3 m
2H
∆H
H
DD
ln
+
* ln
− 1)
=0,2h
(
DDA
LC
r td (c) 2 * hdd ∆h
2 * 46,7
3.3
46,7
+
Ln
− 1 ) =14,24 µH
1,58
2 * 21,7
3,3
Điện cảm của cột khi tính đến độ treo cao của DCS :
4hcs
4 * 25
SC
− 1 ) =0,2*25(ln

− 1 )=15,74 µH
=0,2*h
(ln
CS
LC
1,58
r ttd (c)

=0,2*21,7(ln

Hỗ cảm giữa khe sét và mạch vòng kín “Dây dẫy– đất” :
_
−
∆h
v *t + H
ln
−
DD
−
H_ +1)
M S =0,2 h DD ( ln
− 2
*
hDD ∆ h
(1 + β ) H
Trong đó : β - là hệ số phóng điện ngược : β =0,3.
v - là vận tốc phóng điện ngược : v = β *c =0,3*300 =90 m / µs
−

−

−

H = hCS + hDDA =23,77+20.1=43,87
−

−

∆h = h
= 23,77-20,1= 3,67m
CS hDDA
_
−
∆h
v
*
t
+
ln H
−
DD
H
−
⇒ M S =0,2 h DD (ln
+1)
− _
(1 + β ) H 2 * hDD
∆h
90t + 43,87
3,67

43n87
=0,2*20,1( ln
ln
+1)
(1 + 0,3)43,87 2 * 20,1
3,67

=4.02ln(1,578t+0,769)+3,109

Hỗ cảm giữa khe sét và mạch vòng kín “DCS – đất” :
−

M

CS
S

Nguyễn Đình Vinh

−

=0,2 h (ln
CS

vt + 2 * hcs
−

2(1 + β ) h
CS

+1)

16

m


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

=4,754ln(1,052t+0,769)+3,507
vq
•
Tổng trở sóng của DCS có xét đến ảnh hưởng của vầng quang xung : Z cs được
tính bởi
1
Vq
Z CS =Z CS * λ
Zcs –tổng trở sóng của DCS :
−

Zcs = 60ln

rCS

Z

Z DD

Vq

CS

2 * 23,77
=554,596 Ω
0,0046

=Z CS *

-tổng trở sóng của dây dẫn :

ZDDA= 60ln
=
⇒

•

=60ln

554,596
1
=
426,61 Ω
1,3
λ
vq
Tổng trở sóng của dây dẫn có xét đến ảnh hưởng của vầng quang xung : Z DD
⇒

•

2 hcs

vq
Z DD

=

2*h

−

DDA
rDDA
2 * 20,1
60ln 0,00565 =532,918 Ω
532,918
= 409,383 Ω
1,3

Điện cảm của đoạn DCS trong một khoảng vượt :

Lcs =

Z cs l kv
c

lkv –chiều dài khoảng vượt : lkv=200m.
c –vận tốc ánh sáng trong môi trường không khí : c = 300 m / µs

⇒

L =
CS

554,596 * 200
=369,731 µH
300

III. XÁC SUẤT PHÓNG ĐIỆN VP TRÊN ĐƯỜNG DÂY :
1. Khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc DCS gần đỉnh cột :
Sơ đồ phân bố dòng sét như hình vẽ :

Nguyễn Đình Vinh

17


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

Do Rx << ZDCS nên dòng sét chủ yếu đi qua cột bò sét đánh vào nối đất của cột
điện, còn phần nhỏ theo DCS đến các cột kế cận và vào nối đất của chúng. Trong trường
hợp này chuỗi sứ của cột bò sét đánh chòu quá điện áp nặng nề nhất.
Quá điện áp gồm các thành phần sau :
• Điện áp giáng trên điện trở tản xung của nối đất cột điện bò sét đánh: U R = i C * RX
Với Rx = 10 Ω ,
iC = i S -2* i DCS = at -2*i i DCS
Do đó : U R = i C * RX =10(at -2*i i DCS )

(1)
Điện áp cảm ứng từ :

Utcư Gồm hai thành phần gây lên bơỉ dòng qua cột tác dụng lên điện cảm của cột và
bởi dòng khe sét tác dụng lên hổ cảm giữa khe sét và mạch vòng kín “ DD -đất”
∂i
∂i
LDD C C M DD S S
t
∂t +
∂t
U cư =
Nguyễn Đình Vinh

18


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

∂iC
4,02ln(1,758t+0,769)+3,109
(2)
∂t
Điện áp cảm ứng điện : cư
•
Do sự trung hoà điện tích trong khe sét trong giai đoạn phóng điện ngược, các điện tích
ràng buộc trên dây dẫn (được tạo nên cảm ứng trong giai đoạn phóng điện tiên đạo) được
giải phóng, chạy về 2 phía của dây dẫn (tính từ cột bò sét đánh) tạo nên thành phần điện

áp cảm ứng điện. DCS có tác dụng làm giảm U đcư , vì trong giai đoạn phóng điện tiên đạo
DCS có tác dụng màn che làm giảm số lượng điện tích cảm ứng trên DD.
Gọi U'đcư là điện áp cảm ứng điện khi chưa kể đến tác dụng của DCS, thì khi kể
đến ảnh hưởng của DCS sẽ có :
23,77
h − CS
đ
'đ
K
U cư = U cư (1- vq − ) = U'đcư (1-0,389
)= 0,615 U'đcư
20,1
h DD

=14,24

0,1a ⋅ h − DD
'đ
U cư =
ln
β

(vt + −

−

−
h CS ) (vt + ∆ h)(vt + H )
(1 + β )

−

2

hCS

−

∆

−

h* H

= 6,567*a*ln(0,618t+0,044) (90t + 3,67)(90t + 43,87)
cư = 0,615 U'đcư
=4,039 *a*ln(0,618t+0,044) (90t + 3,67)(90t + 43,87)

(3)

• Thành phần điện áp cảm ứng tónh điện (điện áp ngẫu hợp) trên DD gây nên bởi
dòng điện chạy trong DCS :
NH
U DD = -kUcs
Với K: là hệ số ngẫu hợp hình học giữa dây dẫn và DCS ( phần I-3)
Ta có :
k = 0,245
∂iS
∂i
CS

U CS = R X * i C + L C C + M CS S
∂t
∂t
∂iC
∂iS
=10* i C +15,74
+ [4,754 ln(1,025t+0,769) + 3,507]
∂t
∂t
NH
Do đó :
U DD = -kUcs
∂iC
∂iS
= -2,45i C -3,856
-[1,165ln(1,052t +0,769)+0,86]
(4)
∂t
∂t

•

Điện áp làm việc của đường dây : Ulv

Nguyễn Đình Vinh

19


Nhà Máy Nhiệt Điện

U LV =

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

2 T / 2U Udm
2
sin ωt.∂t =
∫
3
T
π

2
2
m=
3
π

0



2
110
3

(5)

⇒ U LV = 57,207 k
V

Vậy điện áp tác dụng lên chuỗi sứ bằng : tổng các phần trên (1) ÷ (5):
∂iC
h − CS
DD
CS
DD
CS
K
U CU (t)=i C R X (1-k)+( L C -k L C )
+a[ M S (t)+k M S (t)]+(1- vq − ) U'đcư +
∂t
h DD

U LV


Để xác đònh các thành phần điện áp xung trên chuỗi sứ, trước hết ta sẽ xác đònh
các thành phần của dòng sét chạy qua cột (ic) và chạy qua DCS (ics).
Có hai trường hợp xét đến:
+Trường hợp 1 : khi chưa có sóng phản xạ từ các cột lân cận trở về

Hình :sơ đồ phân bố thay thế dòng sét khi:
1 2 * 200
t ≤ 2 L KV * =
= 1,3 µs
C
300
Từ sơ đồ thay thế ta có hệ phương trình:
iC (t) +2 iCS (t)= i S (t)=at
CS ∂iC (t )

Rx* i C (t)+ L
-2 i S (t) Z
∂t
C

Tính một cách gần đúng:
a

iC (t)=

Z

Vq

+ 2 RX [ Z

Z
Nguyễn Đình Vinh

Z

Vq

Vq
CS

+a M CS S (t)= 0

2

.t-2* M CS S (t)CS

CS

a*

=

Vq

Vq
CS

+ 2 * Rx
CS

20

:

Z

Vq

*
CS

1 ∂iC (t )
]
α1

∂t


Nhà Máy Nhiệt Điện
⇒ α 1 =(

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

Z

Vq
CS

+ 2*Rx)* 2 *

1

L

CS

C

=

426,61 + 2 * 10
= 14,187
2 *15,74

a

∂iC (t )
[426,61.t-9,508ln(1,052t+0,769)+21,661]
=0,995a
426,61
∂t
+ Trường hợp 2: khi đã có sóng phản xạ từ các cột lân cận trở về:
t ≥ 1,33 µs
⇒

i C (t) =

Nghiêm gân đúng:

∂iC (t )
LCS − 2 M cs c
i C (t)=a(
)(1- e −α 2t )
∂t
2 * Rx
LCS − 2 M cs c
−α 2t
=a(
) α 2 .e
2 * Rx
2 * Rx
2 * 10
α
Với 2 =
=
=0,04985 ≈ 0,05

CS
LCS + 2 L C
369,731 + 2 *15,74
⇒ Vậy: i C (t)=a(

LCS − 2 M CS c
−α 2t
)(1-e
)
2 * Rx

=a(1- e-0.05t)[18,012- 0,475ln(1,052t+0,76
Và:

CS
∂iC (t )
−α 2t
L
−
2
M
=a( CS
) α 2 .e
C
∂t
2 * Rx
=0,05a .e-0.05t.[18,012-0,475ln(1,025t+0,769)]


Ta nhận thấy khi đã có sóng phản xạ trở về thì dòng trên DCS tăng do phản xạ

dươnng (Rx<< Zc), còn dòng trên cột sẽ giảm. Tuy nhiên mức độ chênh lệch các vò trí này
trước và sau khi có sóng phản xạ trở về không lớn lắm (do i cs<< ic), nên trong công thức
tính
toán
chỉ
cần
tính
với
trường
hợp
sau

khi có sóng phản xạ trở về.


Biểu thức Ucđ(t) sau khi đã có sóng phản xạ trở về :

Nguyễn Đình Vinh

21


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

Ucđ(t)=i C *Rx(1-k)+(L

DD

-kL

CS

C

)
C

∂iC
h − CS
CS
DD
+a[M
(t)-kM
(t)]+(1- K vq − )U'đcư
∂t
h DD
S
C

+U

LV

=7,55i C +10,384

∂iC
CS
DD

+a[M
-0,245 M
(t)]+0,615 U'đcư+57,207
∂t
S
C

Trong đó:
U'đcư (t) =6,567a*ln(0,618t+0,044) (90 + 3,67)(90t + 43,87)
Và:

M

DD

(t)=4,02ln(1,052t+0,769) +3,109
S

M

CS

(t) =4,754ln(1,025t+0,769)+3,507
C

Ta có hệ phương trình:
LCS − 2 M cs c
−α 2t
i C (t) = a(
)(1-e

)
2 * Rx

=a(1-e-0.05t)[18,012-0,475ln(1,052t+0,769)]
=a( LCS − 2 M

CS
C

) α 2 .e

∂iC (t )
∂t

−α 2t

2 * Rx
=0,05a . e-0.05t.[18,012-0,475ln(1,025t+0,769)]
Kết quả tính toán Ucđ(t) – cho ta bảng sau :
t – thời gian ( µs ) , a – độ dốc đầu sóng của dòng sét KA / µs .
Bảng XIII-1
A
t=1 µ s
2
3
4
5

6

7

5
10
15

195,997
325,44
456,9

252,74
446,267
645,41

273,192
489,29
705,27

290,16
521,17
750,27

304,14
541,85
782,22

369,4
609,12
848,21

409,89
768,9
1029,95

20

586,64

835,336

921,26

982,1

1024,379

1088,62

1294,4

25

716,78

1029,886

1137,24

1262,3

1268,79

1328,3

1553,38

30

816,90

1224,397

1354,21

1492,28

1508,1

1561,42

1814,96

35

977,85

1418,935

1568,66

1673,97

1794,75

1812,25

2073,95

40

1107,89

1613,997

1788,33

1904,81

1991,56

2062,98

2333,87

45

1238,32

1807,626

2001,7

2135,784

2233,44

2314,23

2593,62

50

1373,43

2002,523

2217,19

2366,86

2473,12

2564,66

2853,83

Nguyễn Đình Vinh

22

Nhà Máy Nhiệt Điện

t( µs)
U dm (kV)

1
1020

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét

2
930

3
860

4
815

5
790

6
780

7
770

Hình : đặc tuyến Ucđ(t)a và đặc tuyến Upđ.cs (t) khi sét đánh ở đỉnh cột.

Từ đặc tuyến (V-s) của chuỗi sứ U pđ.cs (t) và đặc tuyến (V-s) của họ đường cong
Ucđ(t)a ta xác đònh được các thời gian phóng điện tp1, tp2 ,… và trò số của dòng sét
với độ dốc đầu sóng ai vào lúc xảy ra phóng điện : i s = a i t p
i

i

a(KA/ µs )

10

15

20

25

30

35

t P ( µs )

6,8

4,1

2,8

2,1

1,5

1,25

i S (kA)

68

61,5

56

52,5

45

43,75

Nguyễn Đình Vinh

23


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét


Xác suất phóng điện vp trên chuỗi sứ chính là xác suất xuất hiện dòng sét có độ

dốc và biên độ nằm trong vùng nguy hiểm (p).
ng với một độ dốc dòng sét cho trước a = a i thì điều kiện để xảy ra phóng điện là:i S ≥ i

si

tức là:

và :


P a






i
dv p2 =p i s ≥ i  =V i S =e − S
26

s i 





= a i  =P a i < a < a i + ∆a 





=F(a i + ∆a
⇒ dv

)-F(a i ) +dv a

p2 = V i S * dv a


Tất cả các thống kê về thông số dòng sét cho thấy giữa biên độ và độ dốc không
có mối quan hệ toán học chặt chẽ, do đó có thể coi chúng như những biến số độc lập và
xác suất phóng điện v


Vp 2 = ∫ dv

p được tính theo :

1

1

0

0

p2 = ∫ v i * dv a = ∫ v i * dvi

Từ biểu thức trên cho thấy v p có giá trò bằng diện tích (S) giới hạn bởi đường

2

cong xác suất v a =f(v i ),
Trong đó: ⇒

Nguyễn Đình Vinh

i
vi = e − S

26

24


Nhà Máy Nhiệt Điện

Thiết kế Bảo Vệ Chống Sét
a
v a =e −
15,7

a(kA µs )
i s (kA)
vi
va

10
68

15
61,5

20
56

25
52,5

30
45

35
43,75

0,07314

0,0939

0,116037

0,132758

0,177148

0,185873

0,5289

0,3846

0,279745

0,203446

0,147958

0,107603

Từ bảng số liệu trên ta vẽ được đường cong xác suất v a = f ( vi ) 0



Một cách gần đúng có thể xem diện tích (S) bằng với diện tích hình thang vuông,

khi đó : Vp 2 =0,5(0,168+0,073).0,53=0,069


Suất cắt điện khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc DCS gần đỉnh cột xác đònh theo :
n c =N(1-vα )

Nguyễn Đình Vinh

4h cs
l kv

* Vp 2 *η 1

25