Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho Trạm biến áp và Đường dây 220-110kV

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2 MB, 126 trang )

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước thì ngành năng lượng
là một ngành công nghiệp quan trọng, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao
do vậy luôn được ưu tiên phát triển hang đầu. Năng lượng, theo cách nhìn tổng quát
là rất rộng lớn, là vô tận.
Tuy nhiên, nguồn năng lượng mà con người có thể khai thác phổ biến hiện nay
đang trở nên khan hiếm và trở thành một vấn đề lớn trên thế giới.Hệ thống điện là
một phần của hệ thống năng lượng. Việc xây dựng các nhà máy điện, mạng lưới
điện…hòa vào hệ thống điện sẽ nâng cao tính đảm bảo cung cấp điện liên tục cho
các hộ tiêu thụ điện, vì chúng hỗ trợ cho nhau khi có sự cố nào đó xảy ra, nâng cao
chất lượng điện năng, công suất truyền tải, giảm tổn thất điện năng, ổn định cao
trong hệ thống điện và đáp ứng các yêu cầu về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đề ra của
ngành năng lượng.
Sau khi kết thúc bốn năm học của ngành hệ thống điện, em được giao nhiệm vụ
Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho Trạm biến áp và Đường dây 220/110kV. Đồ
án của em gồm 2 phần:
Phần 1: Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV/110kV
Chương 1: Hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện Việt
Nam
Chương 2: Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp
Chương 3: Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp
Chương 4: Bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện
Phần 2:Chuyên đề tính toán sóng truyền từ đường dây tải điện vào trạm biến áp
Về sơ lược em cũng hiểu biết được sâu hơn kiến thức về kĩ thuật điện cao áp
hiện nay. Đó là sự trang bị kiến thức rất hữu ích cho công việc của em sau khi ra
trường.
Hà Nội ngày 05 tháng 01năm 2013

Sinh viên thực hiện
Vũ Hoàng Long

SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp
GVHD:TS Đặng Thu Huyền

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hệ thống điện đặc biệt là cô
giáo TS. Đặng Thu Huyền đã hướng dẫn em nhiệt tình và trang bị cho em một
lượng kiến thức sâu rộng về bộ môn kỹ thuật điện cao áp để em hoàn thành tốt bản
đồ án tốt nghiệp này. Thiết kế tính toán bảo vệ chống sét cho trạm biến áp là một
mảng đề tài rất lớn và đặc trưng của ngành điện nói chung và khoa Hệ thông điện
nói riêng đòi hỏi kiến thức chuyên môn sâu rộng, do vậy trong quá trình thiết kế em
cũng có sự giúp đỡ và phối hợp rất tốt với bạn bè trong nhóm đồ án.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn các Thầy/Cô đã
tận tình giảng dạy và giúp đỡ em trong những năm học vừa qua.

SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

MỤC LỤC

SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp
GVHD:TS Đặng Thu Huyền

DANH MỤC BẢNG

SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp
GVHD:TS Đặng Thu Huyền

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................................................

Dông sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi
khoảng cách giữa các điện cực khá lớn (trung bình khoảng 5km). Hiện tượng phóng
điện của giông sét gồm hai loại chính đó là :
+) Phóng điện giữa các đám mây tích điện với nhau.
+) Phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất.
Trong phạm vi đồ án này chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điện
với mặt đất. Hiện tượng này gây nhiều trở ngại cho con người. Các đám mây được
tích điện với mật độ điện tích lớn có thể tạo ra cường độ điện trường lớn sẽ hình
thành dòng 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 1,5.107cm/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 môi 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
7
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

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 điện dẫn đồng nhất thì điểm này nằm ngay ở
phía dưới đầu tia tiên đạo. Còn nếu vùng đất có điện dẫn không đồng nhất (có nhiều
nơi có điện dẫn khác nhau) thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có điện dẫn

cao.
Quá 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, vì ở đó cường độ điện trường có trị số
lớn nhất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn.Tính chất chọn
lọc của phóng điện đã được vận dụng trong việc đảm bảo chống sét đánh thẳng cho
các công trình. Cột thu sét có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất bé sẽ thu hút các
phóng điện về phía mình, do đó tạo nên khu vực an toàn quanh nó.
Nếu ở mặt đất, điện tích khác dấu được tập trung dễ dàng và có điều kiện thuận
lợi để tạo nên khu vực trường mạnh (ví dụ như đỉnh cột điện đường dây cao áp) thì
có thể đồng thời xuất hiện tia tiên đạo từ phía mặt đất phát triển ngược chiều tia tiên
đạo từ phía lớp mây điện.
Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất thì trường trong khoảng không gian
giữa các điện cực sẽ có trị số lớn và có quá trình ion hóa mãnh liệt dẫn tới sự hình
thành dòng plasma với mật độ ion lớn hơn nhiều so với của tia tiên đạo. Do có điện
dẫn bản thân rất cao, nên đầu dòng sẽ có điện thế mặt đất và như vậy toàn bộ hiệu
số điện thế giữa tia tiên đạo với mặt đất được tập trung vào khu vực giữa nó với đầu
tia tiên đạo. Trường trong khu vực này tăng cao và gây ion hóa mãnh liệt dòng
plasma được kéo dài và di chuyển ngược về phía trên. Giai đoạn này được gọi là
giai đoạn phóng điện ngược. Tốc độ phát triển của phóng điện ngược thay đổi trong
giới hạn 1,5.109 – 1,5.109 (cm/s) tức là (0,05 – 0,5) tốc độ ánh sáng. Nhưng tốc độ
phát triển của phóng điện ngược và mật độ điện trường của điện tích trong tia tiên
đạo bằng δ, thì trong một đơn vị thời gian điện tích đi vào trong đất sẽ là ν.δ và đó
cũng là công thức tính dòng điện sét:
is = ν. δ
Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số
điện trở nhỏ không đáng kể).
Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét, dòng điện này có biên độ
và độ dốc phân bố theo hàng biến thiên trong phạm vi rộng (từ vài kA đến vài trăm
kA) dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xung kích, chỗ tăng vọt của sét ứng
8

SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

với giai đoạn phóng điện ngược.
Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khí
quyển và gây hậu quả nghiêm trọng như đã trình bày ở trên.
1.1.2. Tình hình dông sét ở Việt Nam
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 dông tập trung trong khoảng 100 ÷ 110 ngày. Tháng nhiều dông nhất là
các tháng 7, tháng 8.
Một số vùng có địa hình thuận lợi thường là khu vực chuyển tiếp giữa vùng núi
và vùng đồng bằng, số trường hợp dông cũng lên tới 200 lần, số ngày dông lên đến
100 ngày trong một năm. Các vùng còn lại có từ 150 ÷ 200 cơn dông mỗi năm, tập
trung trong khoảng 90 ÷ 100 ngày.
Nơi ít dông nhất trên miền Bắc là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có dưới 80
ngày dông.
Xét dạng diễn biến của dông trong năm, ta có thể nhận thấy mùa giông không
hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng. Nhìn chung ở Bắc Bộ mùa dông 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 giông khoảng 10 ngày/ tháng, tháng nhiều dông nhất (tháng 5)

quan sát được 12 ÷ 15 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/ tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng ...),
những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) dông còn ít, mỗi
tháng chỉ gặp từ 2 ÷ 5 ngày dông.
Phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) là khu vực ít dông nhất,
thường chỉ có trong tháng 5 số ngày dông khoảng 10/tháng như Tuy Hoà
10ngày/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 được trung bình có từ 15 ÷ 20 ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dông
9
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

nhất trung bình gặp trên 20 ngày dông/tháng như ở thành phố Hồ Chí Minh 22
ngày, Hà Tiên 23 ngày.
Ở khu vực Tây Nguyên mùa dông ngắn hơn và số lần dông cũng ít hơn, tháng
nhiều dông nhất là tháng 5 cũng chỉ quan sát được khoảng 15 ngày dông ở Bắc Tây
Nguyên, 10 ÷ 12 ở Nam Tây Nguyên, Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, PLâycu
17 ngày.
Số ngày dông trên các tháng một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem bảng I-1
Bảng I-1:Số ngày dông sét trong tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam

Tháng

5

6

7

8

9

10

Cao Bằng

0,2 0,6 4,2 5,9 12

17

20

19

10

11 0,5 0,0

94

Bắc Cạn

0,1 0,3 3,0 7,0 12

18

20

21

10 2,8 0,2 0,1

97

Lạng Sơn

0,2 0,4 2,6 6,9 12

14

18

21

10 2,8 0,1 0,0

90

Bắc Ninh

0,2 0,4 2,6 6,9 10

12

16

18

9

2,8 0,1 0,0

80

Móng Cái

0,0 0,4 3,9 6,6 14

19

24

24

13 4,2 0,2 0,0

112

Hòn Gai

0,1 0,0 1,7 1,3 10

15

16

20

15 2,2 0,2 0,0

87

Hà Giang

0,1 0,6 5,1 8,4 15

17

22

20 9,2 2,8 0,9 0,0

102

Sa Pa

0,6 2,6 6,6 12

13

15

16

18 7,3 3,0 0,9 0,3

97

Lào Cai

0,4 1,8 7,0 10

12

13

17

19 8,1 2,5 0,7 0,0

93

Yên Bái

0,2 0,6 4,1 9,1 15

17

21

20

11 4,2 0,2 0,0

104

Tuyên Quang 0,2 0,0 4,0 9,2 15

17

22

21

11 4,2 0,5 0,0

106

Địa điểm

1

2

3

4

11 12 Cả năm

Phía Bắc

Phú Thọ

0,0 0,6 4,2 9,4 16

17

22

21

11 3,4 0,5 0,0

107

Thái Nguyên

0,0 0,3 3,0 7,7 13

17

17

22

12 3,3 0,1 0,0

97

Hà Nội

0,0 0,3 2,9 7,9 16

16

20

20

11 3,1 0,6 0,9

99

Hải Phòng

0,0 0,1 7,0 7,0 13

19

21

23

17 4,4 1,0 0,0

111

Ninh Bình

0,0 0,4 8,4 8,4 16

21

20

21

14 5,0 0,7 0,0

112

Lai Châu

0,4 1,8 13

12

15

16

14

14 5,8 3,4 1,9 0,3

93

Điện Biên

0,2 2,7 12

12

17

21

17

18 8,3 5,3 1,1 0,0

112

Sơn La

0,0 1,0 14

14

16

18

15

16 6,2 6,2 1,0 0,2

99

Nghĩa Lộ

0,2 0,5 9,2 9,2 14

15

19

18

10 5,2 0,0 0,0

99

Thanh Hoá

0,0 0,2 7,3 7,3 16

16

18

18

13 3,3 0,7 0,0

100

Vinh

0,0 0,5 6,9 6,9 17

13

13

19

15 5,6 0,2 0,0

95

10
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

Con Cuông

0,0 0,2 13

13

17

14

14 5,2 0,2 0,0

103

Đồng Hới

0,0 0,3 6,3 6,3 15 7,7 9,6 9,6 11 5,3 0,3 0,0

70

Cửa Tùng

0,0 0,2 7,8 7,8 18

85

10

13
12

20
12

12 5,3 0,3 0,0

Phía Nam
Huế

0,0 0,2 1,9 4,9 10 6,2 5,3 5,1 4,8 2,3 0,3 0,0

41,8

Đà Nẵng

0,0 0,3 2,5 6,5 14

11 9,3 12 8,9 3,7 0,5 0,0

69,5

Quảng Ngãi

0,0 0,3 1,2 5,7 10

13 9,7 1,0 7,8 0,7 0,0 0,0

59,1

Quy Nhơn

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

43,3

Nha Trang

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

39,2

Phan Thiết

0,2 0,0 0,2 4,0 13 7,2 8,8 7,4 9,0 6,8 1,8 0,2

59,0

Kon Tum

0,2 1,2 6,8 10

14 8,0 3,4 0,2 8,0 4,0 1,2 0,0

58,2

Playcu

0,3 1,7 5,7 12

16 9,7 7,7 8,7 17 9,0 2,0 0,1

90,7

Đà Lạt

0,6 1,6 3,2 6,8 10 8,0 6,3 4,2 6,7 3,8 0,8 0,1

52,1

1,8 3,4 11

10 5,2 3,4 2,8 7,2 7,0 4,0 0,0

70,2

22

19

17

16

19

11 2,4

138

0,2 0,0 0,7 7,0 19

16

14

15

13 1,5 4,7 0,7

104

Blao

Sài Gòn
Sóc Trăng
Hà Tiên

13

1,4 1,0 2,5 10
2,7 1,3 10

20

15

23 9,7 7,4 9,0 9,7 15

15 4,3

128

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

không 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
11
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

sóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện
của đường dây. Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây nên ngắn mạch
pha - đất hoặc ngắn mạch pha – pha buộc các thiết bị bảo vệ đầu đường dây phải
làm việc. Với những đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể
gây mất ổn định cho hệ thống, nếu hệ thống tự động ở các nhà máy điện làm việc
không nhanh có thể dẫn đến rã lưới. Sóng sét còn 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 không hiệu quả
thì cách điện của máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn.
Qua đó ta thấy rằng sự cố do sét gây ra rất lớn, nó chiếm chủ yếu trong sự cố
lưới điện, vì vậy dông sét là mối nguy hiểm lớn nhất đe dọa hoạt động của lưới
điện.
*Kết luận:
Sau khi nghiên cứu tình hình dông sét ở Việt Nam và ảnh hưởng của dông sét
tới hoạt động của lưới điện. Ta thấy rằng việc tính 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.

12
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

CHƯƠNG II
TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM
PHÂN PHỐI 220/110kV
2.1. Khái niệm chung
Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối
điện năng. Đối với trạm biến áp 220kV thì các thiết bị điện của trạm được đặt ngoài
trời, nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề, không
những chỉ làm hỏng đến các thiết bị trong trạm mà còn có thể dẫn đến việc ngừng
cung cấp điện toàn bộ trong một thời gian dài, làm ảnh hưởng đến việc sản suất điện
năng và các nghành kinh tế quốc dân khác.Vì vây, việc tính toán bảo vệ chông sét
đánh trực tiếp vào trạm biến áp đặt ngoài trời là rất quan trọng.
Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng hệ
thống cột thu lôi, dây thu lôi. Tác dụng cuả hệ thống này là tập trung điện tích để
định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên
dưới hệ thống này.
Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ
nối đất. Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của bộ
phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi
có dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn để gây
phóng điện ngược đến các thiết bị khác gần đó.
Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần

phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo về yêu cầu về kỹ
thuật, mỹ thuật.
2.2. Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào
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. Hệ thống bảo vệ trạm 220/110kV ở đây ta dùng hệ thống cột
thu lôi, hệ thống này có thể được đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt độc lập
tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể.
Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm
vi bảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi. Nhưng mức cách điện của trạm
phải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang
thiết bị. Vì đặt kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét,
dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần
13
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ
thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện không đủ
lớn. Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức
cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ.
Đối với trạm phân phối có điện áp từ 110kV trở lên có mức cách điện khá cao
(cụ thể khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) do đó có thể đặt
các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thì
phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện
sét khuyếch tán vào đất theo 3 đến 4 cọc nối đất, mặt khác mỗi trụ phải có nối đất

bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất.
Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời điện áp từ 110kV trở lên là cuộn
dây máy biến áp vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu
khoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống
nối đất của vỏ máy biến áp là phải lớn hơn 15m theo đường điện.
Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt
khi có dòng điện sét chạy qua. Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột
thu lôi thì các dây dẫn điện phải được cho vào ống chì và chôn trong đất.
2.3. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét
2.3.1. Phạm vi của cột thu sét
Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thu hút
phóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫn
dòng 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 đó
trên công trình. Cột thu sét tạo ra một khoảng không 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.
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoài
của hình chop tròn xoay có đường kính được xác định bởi phương trình:

rx =

1,6
(h − h x )
hx
1+
h

Trong đó :
h:độ cao cột thu sét
hx : độ cao cần bảo vệ.

h – hx : độ cao hiệu dụng cột thu sét.
14
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

rx : bán kính của phạm vi bảo vệ.
Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ
dạng đơn giản hóa đường sinh của hình chóp có dạng đường gẫy khúc như hình vẽ
sau:

Hình II-1: Phạm vi bảo vệ của cột thu sét độc lập

Bán kính được tính theo công thức sau:

Nếu

Nếu

2
hx ≤ h
3
2
hx > h
3

thì

thì

h 

rx = 1,5 1 − x ÷
 0,8h 

 h 
rx = 0,75 1 − x ÷
h 


Các công thức trên chỉ đúng khi cột thu sét cao dưới 30m. Hiệu quả của cột thu
sét cao trên 30m giảm đi do độ cao định hướng của sét giữ hằng số. Có thể dùng các
công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh

p=

5,5
h

và trên các hoành độ lấy các giá trị là 0,75.h.p và 1,5.h.p

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau.
Hai cột thu sét có độ cao h1 = h2 đặt cách nhau một khoảng a.
Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vi bảo vệ
của các cột đơn cộng lại. Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng

15

SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

a ≤ 7h

cách a giữa hai cột phải thỏa mãn
(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 điểm đỉnh cột và
điểm có độ cao h0 - h0 là độ cao bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột và được xác
định theo công thức sau:

h0 = h −

rox

a
7

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

Nếu

2
h x ≤ h0

3
hx >

Nếu

2
h0
3

thì

thì


h 
rox = 1,5.h 0 . 1 − x ÷
 0,8h 0 
 h 
rox = 0,75.h 0 . 1 − x ÷
 h0 

Các công thức trên chỉ đúng trong trường hợp cột thu lôi cao dưới 30m. Khi cột
thu lôi cao quá 30m thì các công thức trên phải nhân với hệ số hiệu chỉnh p.

p=
Với

5,5
h

và trên các hình vẽ dùng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp.

Hình II-2: Phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau

16
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

Nếu

Nếu

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

2
hx ≤ h0
3


h 
rox = 1,5.h 0 . 1 − x ÷
 0,8h 0 

thì

2
hx > h0
3

 h 
rox = 0,75.h 0 . 1 − x ÷
 h0 

thì

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

3'

1
3

h2

h1

h0

hx

O

O'3

O3

1

O

2

x

O

1

O'3

O3

O

2

r0x
r03'

r01

r02

Hình II-3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau.

Nếu

2
h1 ≤ h2
3

17
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

thì


h 
x = 1,5.h2 . 1 − 1 ÷
 0,8h2 

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

Nếu

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

2

h1 > h2
3

thì

 h 
x = 0,75.h2 . 1 − 1 ÷
 h2 

(ta coi x là bán kính bảo vệ của cột cao h 2 cho cột thấp h1). Khi đó khoảng cách
giữa cột thấp h1 và cột giả tưởng là :
a’ = a – x.
Phần còn lại tính toán giống phạm vi bảo vệ cột 1.
Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét.
Khi công trình cần được bảo vệ chiếm một khu vực rộng lớn nếu chỉ dùng một
vài cột thì cột phải rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công và lắp ráp. Trong
trường hợp này ta dùng phối hợp nhiều cột với nhau để bảo vệ. Phần ngoài của
phạm vi bảo vệ sẽ được xác định cho từng đôi cột một (với yêu cầu khoảng cách là
a ≤ 7h). Còn phần bên trong đa giác sẽ được kiểm tra theo điều kiện an toàn.

1

rx1
(a)
(b)

rx1

2
r0x12

r0x12

r0x13
hx

4

3

rx2

rx3
r0x23

Hình II-4: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét.Hình II-5: Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét

Vật có độ cao hx nằm trong đa giác sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:
18
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

D ≤ 8 ( h − h x ) = 8h a

Với: D:đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu lôi
ha = h – hx: độ cao hiệu dụng của cột thu sét

Nếu độ cao cột vượt quá 30 m thì điều kiện an toàn sẽ được hiệu chỉnh là:
D ≤ 8 ( h − h x ) p = 8h a p

p=
với

5,5
h

2.3.2. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét
+ Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét
Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét là một dải rộng.Chiều rộng của phạm vi
bảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx được thể hiện như hình vẽ dưới đây:
Dây chống sét

0,2h

h
hx

1,2h

0,6h

hx

Hình II-6: Phạm vi bảo vệ của dây chống sét

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây chống sét ta có các hoành
độ 0,6h và 1,2h.

Khi hx >

Khi hx ≤

2
h
3

2
h
3

thì bx= 0,6h(1-

hx
h

)

hx
)
0,8.h

thì bx=1,2h(1-

+ Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét
Để phối hợp bảo vệ của hai dây chống sét thì khoảng cách hai dây phải thỏa
mãn điều kiện S ≤ 4h.Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có

19
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp
ho = h −

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

S
4

độ cao ho:
. 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 3 điểm là 2 điểm
treo dây chống sét và điểm có độ cao ho.
2.4. Mô tả trạm phân phối 220kV cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
- Trạm phân phối 220kV/110kV gồm 3 máy M220 và 1 máy M110.
-Chiều dài trạm 248m, chiều rộng trạm 192m.
- Các xà phía 220kV cao 17m, các xà phía 110kV cao 11m
248

21

15

M220

M220

NÐK

18

192

21

10

18

38

M220

22

18

18

18

M110

12

29

15

15

29

15

15

29

15

15

29

30

Hình II-7 : Sơ đồ mặt bằng toàn trạm
Theo sơ đồ kết cấu của trạm, ta cần bố trí các cột thu sét sao cho bảo vệ được phần
diện tích mặt bằng có độ cao hx.
Đối với phía 220 kV: hx = 17m
Đối với phía 110 kV: hx = 11m
Ta thực hiện tính toán cho các phía. Ta sẽ xét 3 phương án đặt vị trí cột thu sét
cho trạm biến áp.
2.4.1. Phương án 1
2.4.1.1. Bố trí các cột thu lôi
Trong phương án này, ta sử dụng 26 cột thu sét được bố trí trên mặt bằng trạm

biến áp như hình vẽ II-8. Trong đó phía 220kV ta bố trí 20 cột được đặt trên xà
20
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

cao,phía 110kV ta bố trí 6 cột trong đó 2 cột 22 , 25 được xây dựng còn các cột còn
lại được đặt trên xà cao.
21

248

38

1

11

6
M220

15

M220

16
M220

NÐK

7

12

17

3

8

13

18

4

9

14

19

5

10

15

20

192

24

21

22

M110

25

23

26

22

18

18

18

18

21

10

18

2

12

29

15

15

29

15

29

15

15

15

29

30

Hình II-8:Bố trí các cột thu lôi của phương án 1

2.4.1.2.Tính toán cho phương án 1
a) Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét
Để tính được độ cao tác dụng của các cột thu sét ta phải xác định được đường
kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đi qua các chân cột D.
≥

Độ cao tác dụng thoả mãn điều kiện: ha

D
8

.

Trong đó:
-D: Là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (hoặc tứ giác), tạo bởi
các chân cột. đó là phạm vi mà nhóm cột có thể bảo vệ được.
- ha: Là độ cao tác dụng của cột thu lôi.
+) Phía 110kV:
-Xét nhóm cột (21,22,25,24). Nhóm này tạo thành hình chữ nhật có các cạnh là:

a 21− 22 = a 24 − 25 = 36m a 21− 24 = a 22 − 25 = 29m
;
+ Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này là đường chéo:
D = 362 + 292 = 46, 228(m)
21
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

+ Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột (21,22,25,24) là:

ha ≥

D 46, 228
=
= 5,779(m)
8
8

Ta nhận thấy hình chữ nhật (21,22,25,24) có diện tích bằng hình chữ nhật
(22,25,26,23) nên độ cao tác dụng tối thiểu đều bằng nhau và bằng 5,779 m
- Xét nhóm cột (17,18,21 ) có các cạnh a=(17,18);b=(18,21);c=(17,21). Trong đó
cạnh a=39m; b = 30m;

c = 392 + 302 = 49, 204m

Ta có công thức để tính đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (17,18,21):
r=

a.b.c
4. p.( p − a).( p − b).( p − c)

p=

Trong đó:

+ p là nửa chu vi tam giác (17,18,21):

a+b+c
2

+ r là bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (17,18,21).
Thay số vào ta có:
Bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (17,18,21) là:
p=

39 + 30 + 49, 204
= 59,102
2

r=

39.30.49, 204
= 24, 602( m)
4. 59,102.(59,102 − 39).(59,102 − 30).(59,102 − 49, 204)

Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (17,18,21) là: D =24,602. 2 = 49,204m
Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 17,18,21 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới
hạn bởi chúng là:
ha =

D 49, 204
=
= 6,151

8
8

m

Như vậy phía 110kV ta có thể lấy độ cao tác dụng cho các cột là ha= 6,5 m.
Độ cao cột thu lôi phía 110kV là: h=hx+ha=11 + 6,5 = 17,5(m)
+) Phía 220kV:
-Xét nhóm cột (1,2,7,6). Nhóm này tạo thành hình chữ nhật có các cạnh là:
22
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

a1− 2 = a 6 −7 = 38m a1− 6 = a 2 − 7 = 59m
;
+ Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này là đường chéo:
D = 382 + 592 = 70,178(m)

+ Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột (1,2,7,6) là:

ha ≥

D 70,178
=
= 8,772(m)
8

8

Ta nhận thấy hình chữ nhật (1,2,7,6) có diện tích bằng hình chữ nhật
(6,7,12,11); nên độ cao tác dụng tối thiểu đều bằng nhau và bằng 8,772 m
-Xét nhóm cột (2,3,8,7).Nhóm này tạo thành hình chữ nhật có các cạnh là:

a 2 −3 = a 7 −8 = 39m a 3−8 = a 2 − 7 = 59m
;
+ Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này là đường chéo:
D = 392 + 592 = 70,725(m)

+ Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột (2,3,7,8) là:

ha ≥

D 70,725
=
= 8,841(m)
8
8

Ta nhận thấy hình chữ nhật (2,3,8,7) có diện tích bằng hình chữ nhật
(7,8,13,12); nên độ cao tác dụng tối thiểu đều bằng nhau và bằng 8,841 m
-Xét nhóm cột (3,4,9,8). Nhóm này tạo thành hình chữ nhật có các cạnh là:

a 3− 4 = a 8 −9 = 36m a 3−8 = a 4 −9 = 59m
;
+ Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này là đường chéo:
D = 362 + 592 = 69,116(m)

+ Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột (2,3,7,8) là:

ha ≥

D 69,116
=
= 8,369(m)
8
8

23
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

Ta nhận thấy hình chữ nhật (3,4,9,8) có diện tích bằng hình chữ nhật
(8,9,14,13);(4,5,10,9);(9,10,15,14) nên độ cao tác dụng tối thiểu của chung đều
bằng nhau và bằng 8,639 m
-Xét nhóm cột (11,12,17,16). Nhóm này tạo thành hình chữ nhật có các cạnh là:

a11−16 = a12 −17 = 29m a11−12 = a16 −17 = 38m
;
+ Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này là đường chéo:
D = 382 + 292 = 47,802(m)

24
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

Đồ Án Tốt Nghiệp Môn Cao Áp

GVHD:TS Đặng Thu Huyền

+ Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột (11,12,17,16) là:

ha ≥

D 47,802
=
= 5,975m
8
8

-Xét nhóm cột (13,14,19,18).Nhóm này tạo thành hình chữ nhật có các cạnh là:

a13−14 = a18 −19 = 36m a13−18 = a14 −19 = 29m
;
+ Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật này là đường chéo:
D = 362 + 29 2 = 46, 228(m)

+ Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột (13,14,19,18) là:

ha ≥

D 46, 228
=
= 5,778m

8
8

Ta nhận thấy hình chữ nhật (13,14,19,18) có diện tích bằng hình chữ nhật
(14,15,20,19); nên độ cao tác dụng tối thiểu đều bằng nhau và bằng 5,778 m
Như vậy ta có thể lấy độ cao tác dụng chung cho các cột là 9 m
Độ cao cột thu lôi phía 220kV là: h=hx+ha=17 + 9= 26(m)
b) Phạm vi bảo vệ của từng cột chống sét
+ Tính bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi.
-Xét cột 5: Bán kính bảo vệ cho độ cao hx=17m là:

hx=17(m) <

2
3

h=

2
3

.26=17,333(m)

hx
0,8.h
nên rx5=1,5.h(1-

17
0,8.26
)=1,5.26.(1-

)=7,125(m)

-Xét cột 22:Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là:

2
3

hx=11(m)< h=

25
SV:Vũ Hoàng Long – Đ4H2

2
3

.17,5=11,667(m)

Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho Trạm biến áp và Đường dây 220-110kV

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về