Bài tập dài môn Kỹ thuật điện cao áp

Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

BÀI TẬP DÀI MÔN:
KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
A. ĐỀ BÀI:
I.
II.

Lý thuyết nối đất trong HTĐ.
Tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét.

1. Tính toán hệ thống nối đất an toàn của TBA 220/110 kV
Sơ đồ mặt bằng:

n : số thứ tự của sinh viên.

ρ đất = 100 Ω.m ; kmùa = 1, 6 ; kmùa quy đổi chống sét = 1, 25 ;

Hệ số hình dạng : khd = 5,6
Tính RHT an toàn (giá trị tiêu chuẩn 0,5 Ω )
2. Tính toán nối đất chống sét cho TBA với các số liệu cho ở phần 1
B. BÀI LÀM
I.

Lý thuyết về nối đất trong HTĐ.

Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện sét xuống đất để đảm bảo điện áp trên vật nối
đất có trị số bé. Trong việc bảo vệ quá điện áp, nối đất của trạm biến áp, của các cột
thu lôi, của đường dây và của các thiết bị chống sét rất quan trọng.
Đối với thiết bị cao áp thường có các loại nối đất sau:

Trang 1


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Lớp: Đ5H4

-

Nối đất làm việc.

-

Nối đất an toàn hay còn gọi là nối đất bảo vệ.

Giáo viên bộ môn:

Trần Anh Tùng

Nối đất làm việc có nhiệm vụ bảo đảm sự làm việc bình thường của các thiết bị ở
trạng thái đã quy định. Loại này gồm: nối đất của các điểm trung tính MBA, của các
máy biến điện áp (TU), của các thiết bị chống sét, của các thiết bị bù ngang trên
đường dây truyền tải siêu cao áp.
Nối đất bảo vệ có mục đích bảo vệ con người bằng cách nối đất các bộ phận kim loại

có thể mang điện khi rò điện. Ví dụ như: nối vỏ của máy điện, cột sắt của đường dây
tải điện, cuộn thứ cấp của TU, …
Ở các nhà máy điện và trạm biến áp về nguyên tắc phải tách rời hai hệ thống nối đất
làm việc và hệ thống nối đất bảo vệ, đề phòng khi có dòng ngắn mạch lớn hay dòng
điện sét đi vào hệ thống nối đất làm việc sẽ không gây điện thế cao trên hệ thống nối
đất an toàn. Nhưng trong thực tế điều đó khó thực hiện vì nhiều lý do, nên thường chỉ
dùng một hệ thống nối đất để làm hai nhiệm vụ. Do vậy hệ thống nối đất chung ấy
phải thỏa mãn các yêu cầu của các thiết bị, cần có điện trở nối đất bé nhất. Điện trở
của hệ thống nối đất này không được vượt quá 0,5 Ω .
Để đảm bảo về yêu cầu nối đất cũng như để giảm khối lượng kim loại trong việc xây
dựng hệ thống nối đất, nên tận dụng tất cả các hệ thông nối đất tự nhiên như:
-

Ống nước chôn dưới đất hay các ống kim loại khác (không chứa các chất dễ
gây cháy nổ)

-

Hệ thống dây chống sét – cột

-

Kết cấu kim loại của công trình

Khi dùng nối đất tự nhiên phải tuân thủ các quy định của quy phạm. Nếu điện trở nối
đất tự nhiên đã thỏa mãn các yêu cầu của thiết bị có dòng ngắn mạch ngắn mạch chạm
đất bé thì không cần nối đất nhân tạo nữa. Nhưng đối với các thiết bị có dòng điện
ngắn mạch lớn thì cần phải nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân
tạo vẫn phải nhỏ hơn 1 Ω .
Nối đất chống sét có nhiệm vụ tản dòng điện sét khi có sét đánh vào đường dây hay

cột thu lôi. Hạn chế lan truyền và hình thành song quá điện áp do phóng điện sét gây
nên. Nếu không mỗi khi sét đánh vào cột chống sét hay đường dây thì hình thành song
quá điện áp có khả năng phóng ngược tới các thiết bị và công trình cần được bảo vệ,
làm phá hủy các thiết bị điện và MBA.
Về nguyên tắc phải tách rời các hệ thống nối đất trên, nhưng trong thực tế ta thiết kế,
xây dựng 1 hệ thống nối đất chung cho tất cả các các nhiệm vụ. Song hệ thống nối đất
Trang 2


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Lớp: Đ5H4

Giáo viên bộ môn:

Trần Anh Tùng

chung phải đảm bảo yêu cầu của các thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm đất lớn, do
vậy hệ thống điện trở nối đất phải nhỏ.
Khi điện trở nối đất nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn. Nhưng để có được
điện trở nối đất lớn thì tốn kém, do đó phải tính toán đảm bảo vừa kỹ thuật, vừa kinh
tế.
II.

Tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét.

1. Tính toán nối đất an toàn.
1.1.

Các số liệu tính toán:

Điện trở suất đo được của đất: ρ đất = 100 Ω.m ;
Hệ số mùa của đất: kmùa = 1, 6 ; kmùa quy đổi chống sét = 1, 25 ;
Hệ số hình dạng : khd = 5, 6
-

Nối đất an toàn cho phép sử dụng chung với nối đất làm việc thành một hệ
thống nối đất. Điện trở nối đất của hệ thống nối đất:

RHT = RTN / / RNT =

RTN .RNT
≤ 0,5 Ω
RTN + RNT

Trong đó : RTN - điện trở nối đất tự nhiên.
RNT - điện trở nối đất nhân tạo. RNT ≤ 1Ω

Do đặc điểm của trạm thiết kế không có hệ thống cột, kết cấu xây dựng nên ta cần xây
dựng nối đất nhân tạo cho trạm.
a. Điện trở nối đất của các cọc thẳng đứng.
Rc =

ρtt  2.l 1 4.t ' + l  '
1
.  ln
+ .ln ' ÷; t = h +
2π .l  d 2 4.t − l 
2

Trong đó: l - chiều dài cọc

ρtt - điện trở suất tính toán của đất phụ thuộc vào hệ số mùa ( Ω.m )
h - độ sâu chôn cọc

Nếu sử dụng cọc sắt góc có bản rộng là b, cần thay d trong biểu thức trong biểu thức
trên bằng 0,95.b

Trang 3


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng
’

Chọn cọc có chiều dài: l = 3m ; t =1,3m
Thay số liệu đề bài vào công thức, ta được:
Rc =

100.1, 6 
2.3
1 4.1,3 + 3 
.  ln
+ .ln
= 48,551(Ω)

2π .3  0,95.0, 04 2 4.1,3 − 3 ÷


b. Điện trở nối đất của các thanh nằm ngang (mạch vòng)
Đối với các điện cực dạng thanh nằm ngang (mạch vòng): Rmv =

ρtt
k .l 2
.ln hd
2π .l
h.d

Trong đó : Rmv - điện trở nối đất của hệ thống mạch vòng.

ρtt - điện trở suất tính toán của đất phụ thuộc vào hệ số mùa ( Ω.m )
h - độ sâu chôn cọc
l - chiều dài toàn bộ thanh nối, nếu là mạch vòng thì sẽ lấy chu vi của

mạch vòng (m).
d - đường kính thanh nối đất. Nếu là thanh nối dẹt thì đường kính thanh

nối sẽ được lấy bằng b/2, với b là chiều rộng của thanh dẹt.
khd - phụ thộc vào hình dạng của thanh. khd = 5, 6

Chu vi của hệ thống nối đất mạch vòng: p = 2. ( (300 + 2 − 2) + (200 + 2 − 2) ) = 1000 ( m)
Thay số liệu vào công thức, ta được:
100.1, 6
5, 6.10002
Rmv =
.ln

= 0,501(Ω)
2π .1000 0,8.0, 04.0,5

Nếu dùng hệ thống nối đất chỉ là thanh ngang mạch vòng thì
RHT = Rmv = 0,501(Ω) > 0,5(Ω)

 Không thỏa mãn.
Vậy ta phải tiến hành nối đất bổ sung.
Ta dùng hệ thống nối đất bổ sung gồm 1 thanh ngang kết hợp với 5 cọc được chôn sâu
trong lòng đất.

Trang 4


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Lớp: Đ5H4

Giáo viên bộ môn:

Trần Anh Tùng

R 1
RBS = n.Rc / / Rt =  c .
 n ηc

Trong đó : Rt =

  Rt 
÷/ /  ÷

  ηt 

k .l 2
ρ
.ln hd
2π .l
h.d

a - khoảng cách giữa hai cọc a = 6 (m)
l - chiều dài thanh l = n.b + (n − 1).a = 5.0, 04 + 4.6 = 24, 2 (m)
n - số lượng cọc bổ sung.
b - bản rộng của thanh dẹt b = 0, 04 (m)

Tỷ số a l =

6
=2
3

Tra bảng 4 và bảng 6 – ‘Hướng dẫn thiết kế tôt nghiệp KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP’
của Nguyễn Minh Chước. ta có
ηc = 0,83 ;ηt = 0,86

Ta thay vào công thức tính RBS .
Ta được:
Rt =

k .l 2 100.1, 6
ρ
5, 6.24, 22

.ln hd =
.ln
= 10, 447 (Ω)
2π .l
h.d
2π .24, 2 0,8.0, 04.0,5

Điện trở bổ sung:
RBS =

Rc .Rt
48,551.10, 447
=
= 5,96 (Ω)
Rc .ηt + n.Rt .ηc 48,551.0,86 + 5.10, 447.0,83

Vậy điện trở nối đất của hệ thống sau khi bổ xung là:
BS
RHT
= RHT / / RBS =

RHT .RBS
0,501.5,96
=
= 0, 462 (Ω)
RHT + RBS 0,501 + 5,96

 Vậy nối đất bổ sung đã thỏa mãn.
2. Nối đất chống sét cho trạm biến áp.
2.1.

Yêu cầu kỹ thuật với hệ thống chống sét

Trang 5


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Lớp: Đ5H4

Giáo viên bộ môn:

Trần Anh Tùng

Với mục đích giảm vốn đầu tư khi thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào nhà
máy điện và trạm phân phối ngoài trời thường cố gắng bố trí cột thu lôi trên các độ
cao có sẵn như xà, cột đèn…nhưng cũng có những trường hợp phải dùng cột thu lôi
độc lập tùy theo đặc điểm của từng tram và nhà máy.
Khi thiết kế cần so sánh về mặt kin tế kỹ thuật và mỹ thuật phải chú ý đến vấn đề nối
đất của cột thu lôi.
Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ 110kV 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 từ 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 điện áo 110kV 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 thong 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 110kV 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 110kV.

-

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.

Trang 6


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

-

Trần Anh Tùng

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 sư.

-

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 chon vào đất.

Đối với các nhà máy điện dung 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 chông 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 lơn 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 dung trên mặt dất và dưới đất phải theo bảng
sau:
Loại vật liệu

Dây dẫn dong điện sét Dây dẫn dòng điện sét
dung trên mặt đất

dung dưới mặt đất

Thép tròn mạ kẽm

Φ 8 mm

Φ 10 mm

Thép dẹt mạ kẽm

20x2,5 mm2

30x3,5 mm2

Cáp thép

Không được dùng

Không được dùng

Thanh đồng tròn

Φ 8 mm

Φ 8 mm

Thanh đồng dẹt

20x2,5 mm2

20x2,5 mm2

Dây đồng soắn

Không được dùng

Không được dùng

Trang 7


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

Thanh nhôm tròn

2.2.

Không được dùng

Không được dùng

Cách xác định, công thức tính toán phạm vi bảo vệ của cột

a. Phạm vi bảo vệ 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.

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của
hình chóp tròn xoay có đường kính được xác định bởi phương trình:

rx = 1,6.h.

h − hx
h + hx

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

Trang 8


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

Hình 2.2.1. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.
Bán kính được tính theo công thức sau:

hx 

2
Nếu hx ≤ h thì rx = 1,5.h.  1 −
÷. p

3
 0,8.h 
2
 h
Nếu hx > h thì rx = 0,75.h 1 − x
h
3



÷. p


Với p là hệ số hiệu chỉnh:
Nếu h ≤ 30 m → p = 1
Nếu h > 30 m → p =
-

5,5
h

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 cách a
giữa hai cột phải thỏa mãn a ≤ 7.h ( 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

Trang 9


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

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 −

a
7

Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là r0x và
được xác định theo công thức sau:
Nếu hx ≤


h
2
h0 thì rox = 1,5.h0 . 1 − x
3
 0,8h0

 h
2

Nếu hx > h0 thì rox = 0,75.h0 .  1 − x
3
 h0


÷. p



÷. p


Với p là hệ số hiệu chỉnh:
Nếu h ≤ 30 m → p = 1
Nếu h > 30 m → p =

5,5
h

Hình 2.2.2 : Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao giống nhau.
-

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

Trang 10


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

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:

Hình 2.2.3 : Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.
Nếu h1 ≤

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

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

( Ta coi x là bán kính bảo vệ của cột cao h2 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.
Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cột thu

lôi phải thỏa mãn : D ≤ 8.ha
Trong đó: D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột.
• Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét:
Nhóm cột tam giác có 3 cạnh là a, b, c ta có:

Trang 11


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

D = 2.R = 2.

a.b.c
4. p.( p − a )( p − b)( p − c )

Với p là nửa chu vi : p = (a + b + c )/2
• Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét:

D = a2 + b2
Với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật.
Như vậy độ cao hiệu dụng của cột thu sét ha phải thỏa mãn điều kiện : ha ≥

rx1

1

rx1

2
(a)

r0x12

r0x13

D
8

(b)

r0x12

hx
rx2

rx3
r0x23

4

3

Hình 2.2.4 : Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét.
b. Phạm vi bảo vệ của dây thu sét.
-

Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

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

Trang 12


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

a
0,2h

b

0,8h h
c

a'
1,2h

0,6h

2bx
Hình 2.2.5 : Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.
Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta có
các hoành độ 0,6h và 1,2h.

hx 

2
Nếu hx ≤ h thì bx = 1, 2.h. 1 −
÷
3
 0,8h 
Nếu hx >

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

Khi độ cao lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p.
-

Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữa hai dây thu sét phải thỏa
mãn điều kiện S ≤ 4h.
Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao h0:
h0 = h −

S
4

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

Trang 13


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Lớp: Đ5H4

Giáo viên bộ môn:

Trần Anh Tùng

Hình 2.2.6 : Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

2.3.

Nối đất chống sét.

Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất, nếu tốc độ biến thiên của dòng điện theo
thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu điện cảm sẽ ngăn cản không cho dòng điện đi
tới các phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều, sau một thời
gian ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp phân bố sẽ đều hơn.
Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian T = L.g.l 2
Từ đó ta thấy T tỉ lệ với trị số điện cảm tổng L và điện dẫn g.l = 1/R của điện cực.
Từ biểu thức trên ta cũng thấy rằng : khi dòng điện tản trong đất là dòng điện 1 chiều
hoặc xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh hưởng của L không đáng kể và bất kỳ hình
thức nối đất nào cũng đều biểu thị bởi trị số điện trở tản.
Khi dòng điện tản trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất tùy thuộc
vào tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng của dòng điện.
Khi T << τđs (dòng điện đạt trị số cực đại) thì cần xét quá trình quá độ đã kết thúc và
nối đất thể hiện như một điện trở tản. Trường hợp này ứng với các hình thức nối đất
dùng cọc hoặc thanh có chiều dài không lớn lắm và gọi là nối đất tập trung.
Trong tính toán thiết kế trạm biến áp 220/110 kV, thường thì phần nối đất nối chung
với mạch vòng nối đất an toàn của trạm. Như vậy sẽ gặp trường hợp nối đất phân bố
dài, tổng trở xung kích Zxk có thể lớn gấp nhiều lần so với điện trở tản xoay chiều làm
tăng điện áp giáng trên bộ phận nối đất và có thể gây phóng điện ngược đến các phần

Trang 14


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

mang điện của trạm. Do đó ta phải tính toán, kiểm tra theo yêu cầu của nối đất chống
sét trong trương hợp có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất.
Yêu cầu kiểm tra : ta kiểm tra theo điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cho cách điện của
máy biến áp : I.Z(0;τđs) ≤ U50%MBA
Trong đó : I – là trị số dòng điện sét lấy bằng 150 kA
Z(0;τđs) – tổng trở xung kích nối đất tại thời điểm ngay chỗ dòng
điện sét đi vào điện cực.
U50% - trị số điện áp phóng điện bé nhất của máy biến áp
Trạm 110 kV : U50% = 460 kV
Trạm 220 kV : U50% = 900 kV
Ta chỉ cần so sánh giá trị U50%(MBA-110kV) là đủ.
Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:
L

G

R

L

G

C

R

L

G

C

R

L

G

C

R

C

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

Trong đó:
L : điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài.

Trang 15


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

G: điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài.
 l

L = 0, 2.  ln − 0,31÷ ( µ H / m)
 r


Với: l : chiều dài điện cực (chiều dài mỗi tia).

Vì nối đất chống sét là nối đât phân bố dài mạch vòng, nên mạch vòng này được xem
như là hai tia ghép song song do vậy l = p/2 = 1000/2 = 500 m.
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 :

 500

 l

L = 0, 2.  ln − 0,31÷ = 0, 2.  ln
− 0,31÷ = 2,16( µ H / m)
 r

 0,01

Điện dẫn của điện cực được xác định theo công thức sau:
G=

 1 

÷
RHTcs .l  Ωm 
1

Trong đó:

RHTcs là điện trở mạch vòng tính cho mùa sét và được xác định theo công thức
sau:

RHTcs =

RHTat cs
.K mua
at
K mua

Trong đó:
BS
at
cs
RHTat = RHT
= 0, 462 ( Ω ) ; K mua
= 1,6; K mua
= 1, 25

Thay số vào công thức ta được:
RHTcs =

RHTat cs
0, 462
.K mua =
.1, 25 = 0,361( Ω )
at
K mua
1,6

Khi đó ta được điện dẫn điện cực là:

G=

1
RHTcs .l

=

1
 1 
= 5,541.10−3 
÷
0,361.500
 Ωm 

Từ sơ đồ đẳng trị ta có:
Trang 16


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

Gọi Z(x,t) là điện trường xung kích của nối đất kéo dài, nó là hàm số của không gian
và thời gian.
Z ( x, t ) =

U ( 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:

∂I
 ∂U
 − ∂x = L. ∂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(0,t) = a.t ta sẽ được điện áp tại điểm bất kỳ trên điện
cực:
Suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất nhân tạo là :
Z (0, t ) =

U (0, t ) 1  2.T1 ∞ 1

=
t+
1 − e − t /TK 
∑
2

I (0, t ) G.l 
t k =1 k


(

)

Trong thiết kế tính toán ta chọn dạng sóng của dòng điện sét là sóng dạng xiên góc có
biện độ không đổi.
Phương trình sóng có dạng như sau:
a.t
IS = 
I max = 150kA

khi a < t < τ ds
khi t > τ ds

Biên độ dòng điện sét được quy định là: I = 150 kA.
Độ dốc của dòng điện sét là :
Thời gian đầu sóng là :

a = 30 kA/μs
τds = I/a = 5μs

Trang 17


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

Ta có tổng trở xung kích của hệ thống nối đất nhân tạo tại thời điểm t = τds là:

 2.T1 ∞ 1
−τ ds /Tk 
Z (0,τ ds ) = RHTcs 1 +
1
−
e
∑ 2

 τ ds k =1 k


(

∞

1

∑k

Xét chuỗi :

k =1

2

(1 − e

−

τ ds
Tk

∞

∞

)

−

τ ds
Tk

1
e
−∑ 2
2
k =1 k
k =1 k

)=∑

Dễ dàng nhận thấy rằng từ e-4 thì giá trị rất bé so với các giá trị trước nên có thể bỏ
τ ds
≤4
qua, tức là phải tìm k sao cho
Tk

τ ds
T .4
T .4
≤ 4 ⇒ k2 ≤ 1 ⇒ k ≤ 1
⇒ T1
τ ds
τ ds
2
k

Ta có :

Tk =

T1
k2

Thay

T1 =

L.G.l 2 2,16.5,541.10 −3.500 2
=
= 303,167 ( µ s )
π2
π2

 k≤

4.303,167

= 15,573
5

Như vậy ta sẽ tính toán với k lớn nhất là 15, tức là K = 1÷ 15. Ta có bảng kết quả tính
như sau:

k

1/ K2

Tk(µs)

τ ds / Tk (µs)

e

−

τ ds
Tk

( µs)

1
1 − e−τ ds /Tk
2
k

(

Trang 18

)


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

1

1

303,167

0,016

0,984

0,016

2

0,25

75,792

0,066

0,936

0,016

3

0,111

33,652

0,149

0,862

0,015

4

0,063

19,1

0,262

0,77

0,014

5

0,04

12,127

0,412

0,662

0,014

6

0,028

8,489

0,589

0,555

0,012

7

0,02

6,063

0,825

0,438

0,011

8

0,016

4,851

1,031

0,357

0,01

9

0,012

3,638

1,374

0,253

0,009

10

0,01

3,032

1,649

0,192

0,008

11

0,008

2,425

2,062

0,127

0,007

12

0,007

2,122

2,356

0,095

0,006

13

0,006

1,819

2,749

0,064

0,006

14

0,005

1,516

3,298

0,037

0,005

15

0,004

1,213

4,122

0,016

0,004

Tổng

0,153

Từ bảng trên ta tính được :

 2.T 15 1

Z (0,τ ds ) = RHTcs . 1 + 1 ∑ 2 1 − e −τ ds /Tk 
 τ ds k =1 k

 2.303,167

= 0,361. 1 +
.0,153
5



= 7,059(Ω)

(

)

Do máy biến áp là phần tử yếu nhất nên ta chỉ cần kiểm tra với máy biến áp.
Điện áp tại điểm dòng điện sét đi vào là :
Us = I.Z(0;τđs) = 150.7,059 = 1058,839 kV.
Vậy Us = 1058,839 kV > U50% MBA = 460 kV.(không đạt yêu cầu)

Trang 19


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

Nhận xét : Do điện trở nối đất không đạt yêu cầu nên ta phải tiến hành nối đất bổ sung
cho hệ thống chống sét.
Trong nối đất bổ sung ta sử dụng dạng nối đất tập trung gồm thanh và các cọc tại chân
các cột thu sét. Do việc xác định Z BS bằng lý thuyết lại rất khó khăn nên ta chọn hình
thức nối đất bổ sung như sau:
Sơ đồ nối đất của hệ thống khi có nối đất bổ sung như sau:

-

Điên trở nối đất của cọc được xác định như sau:

Rc =

ρtt  2.l 1 4.t ' + l  '
1
.  ln
+ .ln ' ÷; t = h +
2π .l  d 2 4.t − l 
2

Trong đó: l - chiều dài cọc

ρtt - điện trở suất tính toán của đất phụ thuộc vào hệ số mùa ( Ω.m )
h - độ sâu chôn cọc
’

Chọn cọc có chiều dài: l = 3m ; t =1,3m
Thay số liệu đề bài vào công thức, ta được:
Rc =

-

100.1, 6  2.3 1 4.1,3 + 3 
. ln
+ .ln
= 44, 765(Ω)
2π .3  0, 04 2 4.1,3 − 3 ÷



Điên trở nối đất của thanh được xác định như sau:

Rt =

k .l 2
ρ
.ln hd
2π .l
h.d

Trong đó :

Trang 20


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

a - khoảng cách giữa hai cọc a = 6 (m)
l - chiều dài thanh l = n.b + (n − 1).a = 5.0, 04 + 4.6 = 24, 2 (m)

n - số lượng cọc bổ sung.
b - bản rộng của thanh dẹt b = 0, 04 (m)

Tỷ số a l =

6
=2
3

Tra bảng 4 và bảng 6 – ‘Hướng dẫn thiết kế tôt nghiệp KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP’
của Nguyễn Minh Chước. ta có
ηc = 0,83 ;ηt = 0,86

Ta thay vào công thức tính Rt .
Ta được: Rt =
cs
RBS
=

k .l 2 100.1, 6
ρ
5, 6.24, 22
.ln hd =
.ln
= 10, 447 (Ω)
2π .l
h.d
2π .24, 2 0,8.0, 04.0,5

Điện trở bổ sung:
Rc .Rt
44, 765.10, 447

=
= 5, 713(Ω)
Rc .ηt + n.Rt .ηc 44, 765.0,86 + 5.10, 447.0,83

Tổng trở đầu vào lúc này là:

Z BS (0,τ ds ) =

cs
BS
cs
BS

RHTcs .R
RHTcs + R

∞

+∑
k =1

2.RHTcs
RHTcs
1
+
cs
RBS
cos 2 ( X k )

2

.e

X  τ
− k ÷ . ds
 π  T1

= A+B
Ta có:
cs
RHTcs .RBS
0,361.5, 713
A=
=
= 0,34 (Ω)
cs
RHTcs + RBS 0,361 + 5, 713

∞

B =∑
k =1

2.RHTcs
RHTcs
1
+
cs
RBS
cos 2 ( X k )

2

.e

X  τ
− k ÷ . ds
 π  T1

Trang 21


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Lớp: Đ5H4

Giáo viên bộ môn:

Trần Anh Tùng

Trong đó : Xk là nghiệm của phương trình:

tan( X k ) = −

RHTcs
.X k
cs
RBS

→ tan( X k ) = −

0,361
. X k = −0, 063. X k
5, 713

Tương tự như trên ta chỉ xét đến số hạng e -4 với T1 = 303,167 và τđs = 5μs
Tính đến Xk sao cho:
X K ≤ 2.π .

T1
303,167
= 2.π .
= 48, 926
τ ds
5

Giải phương trình trên bằng phương pháp đồ thị.
Dùng chương trình Malab để giải.
y = tan( X k )
y = −0, 063. X k

Nhập chương trình vào Matlab như sau:
>> x=0:0.1:49;
>> y=tan(x);
>> z=-0.063*x;
>> plot(x,y,x,z)

Trang 22

Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

Trần Anh Tùng

Dựa vào đồ thị vẽ được, ta lập được bảng sau:

K
1
2
3

X k2 τ ds
.
π 2 T1

Xk

1
2
cos ( X k )

RHTcs
1
+
cs
2

RBS cos ( X k )

2,641

1,299

1,362

0,988

0,524

5,699

1,437

1,5

0,947

0,456

8,479

2,921

2,984

0,887

0,215

e

−

Bk

Trang 23


Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Giáo viên bộ môn:

Lớp: Đ5H4

4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

Trần Anh Tùng

11,815

1,873

1,936

0,792

0,295

14,873

2,22

2,283

0,691

0,219

17,931

2,714

2,777

0,584

0,152

20,989

3,449

3,512

0,479

0,098

24,235

2,573

2,636

0,374

0,102

27,105

6,549

6,612

0,293

0,032

29,885

629,422

629,485

0,224

0

33,221

18,557

18,62

0,158

0,006

36,418

12,256

12,319

0,109

0,006

39,476

23,88

23,943

0,074

0,002

42,812

6,579

6,642

0,047

0,005

45,87

10,297

10,36

0,03

0,002

48,925

19,189

19,252

0,018

0,001
2,115

Tổng
Từ kết quả của bảng trên ta tính được:

B = ∑ Bk = 2,115
Như vậy ta tính được tổng trở xung kích khi có nối đất bổ sung:
bs
Z XK
(0,τ ds ) = A + B = 0,34 + 2,115 = 2, 455 ( Ω )

Điện áp khi có dòng điện đi vào nối đất tại thời điểm dòng điện sét đạt giá trị cực đại
là:
Us = I.Z(0;τđs) = 150.2,455 = 368,25 kV.
Vậy Us = 368,25 kV < U50% MBA = 460 kV.( đạt yêu cầu)
Trang 24

Họ và tên: Nguyễn Tuấn Anh

Lớp: Đ5H4

Giáo viên bộ môn:

Trần Anh Tùng

Nhận xét : Sau khi nối đất bổ sung thì yêu cầu chống sét đã đảm bảo điện áp giáng
trên máy biến áp khi có dòng sét đi vào Us = 368,25 kV < U50% (110kV) = 460 kV.
Ta chỉ cần kiểm tra thỏa mãn U50% (110kV) thì U50% (220kV) cũng thỏa mãn.

Trang 25