Bài tập dài môn Cao Áp trong hệ thống điện

Bài tập dài môn Cao Áp

Lời nói đầu
Sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất
hay giữa các đám mây mang các điện tích trái dấu.
Sét không những mang đến hậu quả nghiêm trọng đối với con người
khi bị sét tác động mà với các thiết bị phân phối cũng vậy.
Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng bao gồm NMĐ
- đường dây - TBA và các hộ tiêu thụ điện. Trong đó có phần tử có số lượng
lớn và khá quan trọng đó là các TBA, đường dây. Trong quá trình vận hành
các phần tử này chịu ảnh hưởng rất nhiều sự tác động của thiên nhiên như
mưa, gió, bão và đặc biệt nguy hiểm khi bị ảnh hưởng của sét. Khi có sự cố
sét đánh vào TBA, hoặc đường dây nó sẽ gây hư hỏng cho các thiết bị trong
trạm dẫn tới việc ngừng cung cấp điện và gây thiệt hại lớn tới nền kinh tế
quốc dân.
Để nâng cao mức độ cung cấp điện, giảm chi phí thiệt hại và nâng cao
độ an toàn khi vận hành chúng ta phải tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho
HTĐ
Vì vậy việc thiết kế bảo vệ chống sét là một việc rất quan trọng đối với
những sinh viên nghành hệ thống điện.Dưới sự hướng dẫn của thầy Trần
Hoàng Hiệp thì em đã hoàn thành bài tập dài Cao áp. Tuy nhiên em không thể
tránh khỏi những sai sót, do vậy em mong được sự đóng góp cho em về bài
tập dài này.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy đã hướng dẫn cho em hoàn
thành bài tập dài này.

1

Lực

Sinh viên : Nguyễn1Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện

Bài tập dài môn Cao Áp

CHƯƠNG I
BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP TRẠM BIẾN ÁP
A. Lý thuyết chung
1.1 Đặt vấn đề:

Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân
phối điện.
Đối với trạm biến áp 220/110kV 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 gây nên những
hậu quả cho những ngành công nghiệp khác do bị ngừng cung cấp điện . Do
vậy trạm biến áp thường có yêu cầu bảo vệ cao..
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.
1.2 Yêu cầu kĩ thuật đối với hệ thống thu sét:

+ Công trình cần bảo vệ an toàn phải được nằm gọn trong phạm vi bảo
vệ của hệ thống thu sét.Hệ thống này có thể đặt ngay trên bản thân công trình
hoặc đặt cách ly tùy thuộc vào hoàn cảnh và điều kiện 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 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
2

Lực

Sinh viên : Nguyễn2Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện


Bài tập dài môn Cao Áp

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.Để chống ăn mòn phần dẫn điện cần
phải sơn hoặc tráng kẽm và không nên dùng loại dây xoắn.Các mối nối dọc
theo mạch điện của hệ thống thu sét phải đảm bảo có tiếp xúc tốt ,nếu không
tại các nơi này có thể quá nóng hoặc có phóng điện tia lửa.
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.
1.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và bố trí 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 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.
1.3.1 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 xác định bởi phương trình:
rx = 1, 6h

h − hx
h + hx

Trong đó:
h: độ cao cột thu sét.
3

Sinh viên : Nguyễn3Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện
Lực


Bài tập dài môn Cao Áp

hx: độ cao cần bảo vệ.
h-hx = ha: độ cao hiệu dụng cột thu sét, được xác định theo từng nhóm cột (
ha ≤ D/8m ).
( Với D là đường kính ngoại tiếp vòng tròn đa giác tạo bởi các chân cột)
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 dạng đơn giản hoá đường sinh của hình chóp có dạng đường gẫy
khúc như hình sau:

a
0,2h
h

b
0,8h
c

a'
0,75h

1,5h

R

Hình 1.1. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.
Bán kính được tính toán theo công thức sau:
Nếu
Nếu

hx ≤

h
2
rx = 1,5h(1 − x )
h
0,8h
3 thì

hx >

2
h
h
rx = 0, 75h(1 − x )
3 thì
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

4

Lực

Sinh viên : Nguyễn4Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện


Bài tập dài môn Cao Áp

thêm hệ số hiệu chỉnh
1,5h.p.

P=

5,5
h và trên hình vẽ dùng hoành độ 0,75h.p và

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu sét thì lớn hơn tổng phạm vi
bảo vệ các cột đơn cộng lại. Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được
thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a ≤ 7h (trong đó h là độ cao của
cột thu sét).
1.3.2 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét
a. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao.
Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như
của một cột. Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là
hai đỉnh cột và điểm có độ cao h0 - phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai
cột được xác định theo công thức:
h0 = h −

a
7
R

0,2h
h
ho
0,75h

hx
1,5h

a
rx
r0x

Hình 1.2. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao giống nhau.
Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân
cột là r0x và được xác định như sau:
Nếu
Nếu

5

hx ≤
hx >

Lực

h
2
r0 x = 1,5h0 (1 − x )
h0
0,8h0

3
thì
2
h0
3

thì

r0 x = 0, 75h0 (1 −

hx
)
h0

Sinh viên : Nguyễn5Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện


Bài tập dài môn Cao Áp

Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì có các hiệu chỉnh hệ số
5,5

P=

h , trên hoành độ lấy các giá trị 0,75h.p và 1,5h.p; khi đó h0 lấy theo công

thức:

h0 = h −

a
7p

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

2
0,2h2

h1

h2

1,6h2

ho
a'

0,75h2

x

0,75h1

1,6h1

a

Hình 1.3. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.

Nếu
Nếu

h2 ≤

h
2
x = 1,5h1 (1 − 2 )
h1
0,8h1
3
thì

h2 >

h
2
x = 0, 75h1 (1 − 2 )
h1

h1
3
thì

a' = a − x
Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ của hai cột có độ cao bằng nhau h2
c. Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột thu sét ( số cột > 2 ).
Khi công trình cần bảo vệ chiếm một diện tích rộng lớn thì người ta
thường dùng một hệ thống nhiều cột thu sét để bảo vệ. Để xác định phạm vi
6

Lực

Sinh viên : Nguyễn6Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện


Bài tập dài môn Cao Áp

bảo vệ, ta chia hệ thống cột thu sét thành từng nhóm ba hoặc bốn cột thu sét ở
gần nhau.
Bên ngoài diện tích của đa giác đi qua chân các cột thu sét, phạm vi bảo
vệ được xác định như giữa hai cột thu sét với nhau.

Hình1.4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ nhật.
Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một đa giác thì độ cao của cột

thu lôi phải thoả mãn: D ≤ ha . p = 8(h − hx ) p

Trong đó: D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân
cột. Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b,c có:

D = 2 R = 2.

abc
abc
=
4 p ( p − a )( p − b)( p − c) 2 p ( p − a )( p − b)( p − c)

Với p là nửa chu vi:

p=

a+b+c
2

Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật:
D = a 2 + b2

Với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật.
Chiều cao tác dụng của cột thu sét ha phải thoả mãn điều kiện:
ha ≥

D
8

B. Tính toán
1.1 Bố trí cột thu sét

Theo sơ đồ kết cấu của trạm thì ta biết được mặt bằng mà chưa biết cụ
thể vị trí đặt các thiết bị trong trạm. Với thông tin này ta chỉ cần bố trí cột
chống sét sao cho các cột có thể bảo vệ được phần diện tích mặt bằng của

trạm với độ cao hX là được.Với hx là chiều cao của trạm cần được bảo vệ.
Đối với trạm 220 kV xà cao: 16,5m và 11,5m nên chọn độ cao cần bảo
vệ hx = 16,5m
Đối với trạm 110 kV xà cao: 11m và 7,5m nên chọn độ cao cần bảo vệ hx
= 11m
7

Lực

Sinh viên : Nguyễn7Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện


Bài tập dài môn Cao Áp

Diện tích mặt bằng:

l1 =80+75 = 155 m.
l2 = 121 m
Điện trở suất của đất 85 Ω.cm
Với kết cấu của trạm ta có 2 phương án bố trí các cột có khoảng cách
giữa các cột như 2 hình vẽ sau.

8

Lực

Sinh viên : Nguyễn8Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện


Bài tập dài môn Cao Áp

Phương án 1
Trạm 220 kV
Đường kính của vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm cột 1, 2, 6, 7 là:
D = 402 + 60,52 = 72,53m.

Chiều cao cần bảo vệ hx = 16,5 m.
Nên chiều cao tối thiểu của cột chống sét là:
h1,2,6,7 ≥

D
72,53
+ hx =
+ 16,5 = 25,57m.
8
8

Trạm 110 kV
Đường kính của vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm cột 3, 4, 9, 8 là:
D = 37,52 + 60,52 = 71,18m.

Chiều cao cần bảo vệ hx = 11 m.
Nên chiều cao tối thiểu của cột chống sét là:
h3,4,9,8 ≥

D
71,14
+ hx =
+ 11 = 19,89m.
8

8

Vậy phương án 1 có:
Cột 1, 2, 3, 6, 7, 8, 11, 12, 13 cao 26 m. Còn các cột còn lại cao 20 m
Cột
h(m)

1
2
6

2
2
6

Tổn
g

3
2
6

4
20

5
20

6
2

6

7
2
6

8 9
2 20
6
354 m

10
20

11
26

12
26

13
26

14
20

15
20

Phương án 2

Trạm 220 kV
Đường kính của vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm cột 1, 2, 6,7 là:
9
Sinh viên : Nguyễn9Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện
Lực


Bài tập dài môn Cao Áp
D = 40,332 + 402 = 56,80m.

Chiều cao cần bảo vệ hx = 16,5 m.
Nên chiều cao tối thiểu của cột chống sét là:
h1,2,7,8 ≥

D
56,80
+ hx =
+ 16,5 = 23, 6m.
8
8

Trạm 110 kV
Đường kính của vòng tròn qua 4 đỉnh của các nhóm cột 3,4,8,9 là:
D = 40,332 + 37,52 = 55, 07 m.

Chiều cao cần bảo vệ hx = 11 m.
Nên chiều cao tối thiểu của cột chống sét là:
h4,5.10,11 ≥

D

55,07
+ hx =
+ 11 = 17,88m.
8
8

Vậy phương án 2 có:
Cột 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
h(m) 24 24 24 18 18 24 24 24 18 18 24 24 24 18 18 24 24 24 18 18
Tổng
432

1.2 Tính toán và vẽ phạm vi bảo vệ của các cột thu sét

2.1 Phương án 1
Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kv cao 26m.
+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 16,5m:
2
2
〈 .h = .26 = 17,33
3
Do hx=16,5 3
m

Bán kính bảo vệ của từng cột độc lập phía 220kv là:
h
16,5
rx = 1,5 h.(1 − x ) 1,5.26.(1 −
)
0,8.26 =8,06( m)

0,8h =
+ Bán kính bảo vệ của các cặp cột
Tính toán cho cặp cột (1,6)
Bán kính bảo vệ của từng cột độc lập là 8,06m.
Chiều cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột (1,6) ở độ cao hx=16,5m.
a
60,5
h0 h − 7 = 26 − 7 = 17,36
(m)
=
2
2
〉 .h0 = .17,36 = 11,57
3
Do hx=16,5 3
m

Bán kính bảo vệ của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi (1,6) ở độ cao
hx=16,5m là:
r0 x = 0,75.h0 .(1 −

hx
16,5
) 0, 75.17,36.(1 −
)
h0 =
17,36 =0,65( m)

Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi ở độ cao hX = 16,5 m
a

40
h
−
=
26
−
= 20, 29m
h0
7
7
=

gồm nhóm hai cột (1, 2) :
10
Sinh viên : Nguyễn10
Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện
Lực


Bài tập dài môn Cao Áp

Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét (1,2) ở hX = 16,5m
Do hX = 16,5 > 2/3h0 = 13,52 nên:
r0 x = 0,75.h0 .(1 −

hx
16,5
) 0, 75.20, 29.(1 −
)
h0 =

20, 29 =2,84( m)

Tính toán tương tự với các cặp cột khác ta có bảng sau:
NHÓM CỘT CẠNH NHAU
220kV
Cặp cột

Độ cao

r0x

a

h0

2/3*h0

(m)

(m)

(m)
hx=16.5m

1-6

(m)
26

(m)

60,5

17,36

11,57

0,65

3-8

26

60,5

17,36

11,57

0,65

6-11

26

60,5

17,36

11,57

0,65

8-13

26

60,5

17,36

11,57

0,65

1-2

26

37,5

20,29

13,52

2,84

2-3

26

37,5

20,29

13,52

2,84

11-12

26

37,5

20,29

13,52

2,84

12-13

26

37,5

20,29

13,52

2,84

cột

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kv cao 20m.
+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 11m:
2
2
〈 .h = .20 = 13,33
3
Do hx=11 3
m

Bán kính bảo vệ của từng cột độc lập phía 110kv là:
h
rx = 1,5 h.(1 − x ) 1,5.20.(1 − 11 )
0,8.20 =9,375( m)
0,8h =
+ Bán kính bảo vệ của các cặp cột
Tính toán cho cặp cột 4-5
Bán kính bảo vệ của từng cột là 9,375m.
Chiều cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi (4-5)ở độ cao
hx=11m.
a
37,5
h0 h − 7 = 20 − 7 = 14, 64
(m)
=
2
2

〉 .h0 = .14, 64 = 9, 76
3
Do hx=11 3
m

Bán kính bảo vệ của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi (4-5) ở độ cao
hx=11m là:
11
Sinh viên : Nguyễn11
Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện
Lực


Bài tập dài môn Cao Áp
r0 x = 0,75.h0 .(1 −

hx
11
) 0, 75.14, 64.(1 −
)
h0 =
14, 64 =2,73( m).

Tính toán cho cặp cột 5-10
Bán kính bảo vệ của từng cột là 9,375m.
Chiều cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi (5-10) ở độ cao
hx=11m.
a
60,5
h0 h − 7 = 20 − 7 = 11,36

(m)
=
2
2
〉 .h0 = .11, 36 = 7, 57
3
Do hx=11 3
m

Bán kính bảo vệ của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi (5-10) ở độ cao
hx=11m là:
r0 x = 0,75.h0 .(1 −

hx
11
) 0, 75.11,36.(1 −
)
h0 =
11,36 =0,27( m).

Tính toán tương tự với các cặp cột khác ta có bảng sau:
NHÓM CỘT CẠNH NHAU
110kV
Cặp cột

Độ cao

r0x

a

h0

2/3*h0

(m)

(m)

(m)

(m)
hx=11m

5-10

20
23,5

37,5
70

14,64
11,36

9,76
7,57

2,73
0,27

10-15

23,5

70

11,36

7,57

0,27

14-15

20

37,5

14,64

9,76

2,73

cột
(m)

4-5

Bán kính bảo vệ cho cặp cột có độ cao khác nhau:
Tính toán cho cặp cột 3-4:
Cột 3 có độ cao 26m,bán kính bảo vệ của cột 3 là: r03=8,06 m
Cột 4 có độ cao 20m, bán kính bảo vệ của cột 4 là: r04=9,375 m
Bán kính bảo vệ của cột 3 cho cột 4.
2
2
〉 .h = .26 = 17,33
3
Do hx=20 3
m
h
rx = 0,75.h .(1 − x ) 0, 75.26.(1 − 20 )
h
26

=>
=
Khoảng cách từ cột 4 tới cột giả tưởng là:
12

Lực

=4,5( m).

Sinh viên : Nguyễn12
Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện


Bài tập dài môn Cao Áp

’

a =a-rx=37,5-4,5=33m
Chiều cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa cột 4 và cột giả tưởng
a'
33
=
=
h0=h4 - 7 20- 7 15,29m

Bán kính bảo vệ giữa hai cột là:
2
2
〉 .h0 = .15, 29 = 10,19
3
Do hx=11 3
m
h
11
r0 x = 0,75.h0 .(1 − x ) 0, 75.15, 29.(1 −
)
h0 =
15, 29 =3,22( m).
=>

Tính toán tương tự đối với cặp cột 8-9,13-14 ta có bảng sau:
NHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO KHÁC NHAU
Cặp

r0x

Độ cao cột

a

x

a'

ho

(m)

(m)

(m)

(m)

(m)

(m)
hx=11 m

8-9

26-20

37,5

4,5

33

15,29

3,22

13-14

26-20

37,5

4,5

33

15,29

3,22

cột

1.2.2 Phương án 2
Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kv cao 24m.
+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 16,5m:
2
2
> .h = .24 = 16

3
Do hx=16,5 3
m

Bán kính bảo vệ của từng cột độc lập phía 220kv là:
rx = 0, 75.h.(1 −

hx
16,5
) 0,75.24.(1 −
)
h =
24 =5,625( m)

+ Bán kính bảo vệ của các cặp cột
Tính toán cho cặp cột (1-2)
Bán kính bảo vệ của từng cột độc lập là 5,625 m.
Chiều cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột (1,2) ở độ cao hx=16,5m.
a
40
h0 h − 7 = 24 − 7 = 18, 29
(m)
=
2
2
〉 .h0 = .18, 29 = 12,19
3
Do hx=16,5 3
m

Bán kính bảo vệ của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi (1,2) ở độ cao
r0 x = 0,75.h0 .(1 −

hx
16,5
) 0, 75.18, 29.(1 −
)
h0 =
18, 29 =1,34( m)

hx=16,5m là:
Tính toán tương tự với các cặp cột khác ta có bảng sau:
NHÓM CỘT CẠNH NHAU
220kV

13

Lực

Sinh viên : Nguyễn13
Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện


Cặp cột

Bài tập dài môn Cao Áp
r0x
2/3*h0
(m)
(m)

hx=16.5m

Độ cao cột

a

h0

(m)

(m)

(m)

1-2

24

40

18,29

12,19

1,34

16-17

24

40

18,29

12,19

1,34

2-3

24

40

18,29

12,19

1,34

7-8

24

40

18,29

12,19

1,34

17-18

24

40

18,29

12,19

1,34

1-6

24

40,33

18,24

12,16

1,30

6-11

24

40,33

18,24

12,16

1,30

11-16

24

40,33

18,24

12,16

1,30

3-8

24

40,33

18,24

12,16

1,30

8-13

24

40,33

18,24

12,16

1,30

13-18

24

40,33

18,24

12,16

1,30

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kv cao 18 m.
+ Bán kính bảo vệ của từng cột ở độ cao 11m:
2
2

> .h = .18 = 12
3
Do hx=11 3
m

Bán kính bảo vệ của từng cột độc lập phía 110kv là:
rx = 0, 75.h.(1 −

hx
11
) 0, 75.18.(1 − )
h =
18 =5,25( m)

+ Bán kính bảo vệ của các cặp cột
Tính toán cho cặp cột 4-9
Bán kính bảo vệ của từng cột là 5,25.
Chiều cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi (13,16)ở độ cao
hx=11m.
a
40,33
h
−
=
18
−
= 12, 24
h0
7
7

(m)
=
2
2
〉 .h0 = .12, 24 = 8,16
3
Do hx=11 3
m

Bán kính bảo vệ của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi (4-9) ở độ cao
hx=11m là:
r0 x = 0,75.h0 .(1 −

hx
11
) 0, 75.12, 24.(1 −
)
h0 =
12, 24 =0,93 ( m).

Tính toán tương tự với các cặp cột khác ta có bảng sau:
NHÓM CỘT CẠNH NHAU
110kV
Cặp cột

14

Lực

Độ cao

cột

a
(m)

h0
(m)

2/3*h0
(m)

r0x
(m)

Sinh viên : Nguyễn14
Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện


Bài tập dài môn Cao Áp
(m)

hx=11m

4-5

18

37,5

12,24

8,16

0,93

5-10

18

40,33

12,64

8,43

1,23

10-15

18

40,33

12,64

8,43

1,23

15-20

18

40,33

12,64

8,43

1,23

20-19

18

40,33

12,24

8,16

0,93

Bán kính bảo vệ cho cặp cột có độ cao khác nhau:
Tính toán cho cặp cột 3-4:
Cột 3 có độ cao 24 m,bán kính bảo vệ của cột 3 là: r03=5,625 m
Cột 4 có độ cao 18 bán kính bảo vệ của cột 4 là: r04=5,25 m
Bán kính bảo vệ của cột 3 cho cột 4.
2
2

〉 .h = .24 = 16
3
Do hx=18 3
m
h
rx = 0,75.h .(1 − x ) 0, 75.24.(1 − 18 )
h
24

=>

=

=4,5( m).

Khoảng cách từ cột 13 tới cột giả tưởng là:
a’=a-rx=37,5-4,5=33m
Chiều cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa cột 3 và cột giả tưởng
a'
33
=
=
h0=h4 - 7 18- 7 13,29m

Bán kính bảo vệ giữa hai cột là:
2
2
> .h0 = .13, 29 = 8,86
3
Do hx=11 3

m
hx
11
r0 x = 0, 75.h0 .(1 − ) 0, 75.13, 29.(1 −
)
h0 =
13, 29 =1,72( m).
=>

Tính toán tương tự đối với cặp cột 11-14, 12-15 ta có bảng sau:
NHÓM CỘT CÓ ĐỘ CAO KHÁC NHAU
Cặp

r0x

Độ cao cột

a

x

a'

ho

(m)

(m)

(m)

(m)

(m)

(m)
hx=11 m

3-4

24-18

37,5

4,5

33

13,29

1,72

18-19

24-18

37,5

4,5

33

13,29

1,72

cột

So sánh hai phương án:
Qua các tính toán ta thấy cả hai phương án đều thỏa mãn điều kiện bảo
vệ cho mặt bằng trạm biến áp.
Phương án 1 có tổng chiều dài cần xây dựng là: 354m
Phương án 2 có tổng chiều dài cần xây dựng là : 432m

15

Lực

Sinh viên : Nguyễn15
Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện


Bài tập dài môn Cao Áp

Nếu sử dung cùng một loại vật liệu thì tính kinh tế của phương án 1 hơn
phương án 2, vì vậy ta chọn phương án 1 làm phương án thi công bảo vệ cho
trạm biến áp.

16

Lực

Sinh viên : Nguyễn16
Đình Trung- Lớp D1H3- Trường Đại Học Điện


Bài tập dài môn Cao Áp


Bài tập dài môn Cao Áp


Bài tập dài môn Cao Áp

CHƯƠNG II
TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP
A. Lý thuyết chung
2.1 Đặt vấn đề

Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện thế trên
vật nối đất có trị số bé.Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo
vệ quá điện áp,do đó việc nối đất của trạm biếp áp,các cột thu lôi,các đường
dây,các thiết bị chống sét phải được tính toán cụ thể trong khi thiết kế.Tùy
theo nhiệm vụ và hiệu quả mà hệ thống nối đất được chia làm 3 loại:
I. Nối đất làm việc.
Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc một
số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ nối đất trực
tiếp.Thường là nối đất điểm trung tính của máy biến áp,trong hệ thống điện
có điểm trung tính trực tiếp nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường và các
kháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện.

II.

Nối đất chống sét
Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất khi sét đánh vào cột
thu lôi hay đường dây. Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng quá điện
áp do phóng điện sét gây nên. Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn chế
hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ trên cột điện và đất. Nếu không, mỗi khi
có sét đánh vào cột chống sét hoặc trên đường dây, sóng điện áp có khả năng
phóng điện ngược tới các thiết bị và công trình cần bảo vệ, phá huỷ các thiết
bị điện và máy biến áp.
Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trong
thực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ. Song hệ
thống nối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của các thiết bị khi có dòng ngắn
mạch chạm đất lớn do vậy yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ.
Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác
dụng của nối đất tốt hơn an toàn hơn. Nhưng để đạt được trị số điện trở nối
đất nhỏ thì rất tốn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp
được cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế.
III. Nối đất an toàn
Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hư hỏng. Thực
hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mang điện
như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại. Khi cách điện bị hư
hỏng do lão hoá thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhưng do nối
đất nên điện thế này có giá trị nhỏ không nguy hiểm cho người tiếp xúc


Bài tập dài môn Cao Áp

2.2 Một số yêu cầu kỹ thuật điện trở nối đất

Trị số điện trở nối đất của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số
điện áp bước và tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không vượt quá giới hạn
cho phép.
- Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất yêu cầu điện
trở nối đất phải thoả mãn: R ≤ 0,5Ω
- Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì:

R≤

250
Ω
I tt

- Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một hệ
thống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì:

R≤

125
Ω
I tt

- Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thoả mãn yêu
cầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì không cần nối đất
nhân tạo nữa. Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thoả mãn đối với các
thiết bị cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất
nhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R ≤ 1Ω . Thực tế
dù RTN ≤ 0,5 Ω thì ta vẫn phải nối đất nhân tạo vì RTN có thể xảy ra biến động
như đất đây chống sét tại khoảng vượt gần trạm.
- Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất sẵn có

như các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chôn trong
đất...Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất hoàn toàn
giống với điện cực hình tia.
- Vì đất là môi trường không đồng nhất, khá phức tạp do đó điện trở suất
của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần của đất như các loại muối, a
xít ... chứa trong đất, độ ẩm, nhiệt độ và điều kiện khí hậu. Ở Việt Nam khí
hậu thay đổi theo từng mùa độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện
trở suất cuả đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng. Do vậy trong tính toán
thiết kế về nối đất thì trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lường
thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an
toàn.
Công thức hiệu chỉnh như sau:

ρ TT = ρ do .K m
Trong đó:
ρtt: là điện trở suất tính toán của đất.
ρđo: điện trở suất đo được của đất.
Km: hệ số mùa của đất.
Hệ số Km phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực.


Bài tập dài môn Cao Áp

Đối với các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé khi điện trở tản của
các phần nối đất có sẵn đạt yêu cầu thì không cần nối đất bổ xung. Với các
thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì phải đặt thêm nối đất nhân tạo
với trị số điện trở tản không quá 1Ω.
Nối đất chống sét thông thường là nối đất của cột thu sét, cột điện và nối
đất của hệ thống thu sét của trạm biến áp và nhà máy điện.
Do bộ phận nối đất của cột thu sét và cột điện thường bố trí độc lập

(không có liên hệ bộ phận khác) nên cần sử dụng nối đất tập trung để có hiệu
quả tản dòng điện lớn nhất. Hiện nay tiêu chuẩn nối đất cột điện được quy
định theo điện trở suất của đất và cho trong bảng:
B¶ng §iÖn trë nèi ®Êt cét ®iÖn
§iÖn trë suÊt cña ®Êt ρ ( Ω .
cm)

Rc( Ω )

ρ <104
104< ρ <5. 104

10

5. 104< ρ <105

20

ρ >105

30

15

Khi đường dây đi qua vùng dất ẩm ( ρ ≤ 3.104 Ω . Cm) nên tận dụng phần
nối đất có sẵn của móng và chân cột bê tong để bổ xung hay thay thế cho
phần nối đất nhân tạo.
Đối với nối đất của hệ thống thu sét ở các trạm biến áp khi bộ phận thu
sét đặt ngay trên xà trạm thì phần nối đất chống sét buộc phải nối chung với
mạch vòng nối đất an toàn của trạm. Lúc này sẽ xuất hiện nối đất phân bố dài

làm Zxk lớn làm tăng điện áp giáng gây phóng điện trong đất. Do đó việc nối
đất chung này chỉ được thực hiện với các trạm biến áp có cấp điện áp ≥
110kV. Ngoài ra còn phải sử dụng một số biện pháp bổ xung, khoảng cách
theo mạch dẫn điện trong đất từ chỗ nối đất của hệ thống thu sét phải từ 15m
trở lên.v..v
2.3 Lý thuyết tính toán nối đất

2.3.1 Tính toán nối đất an toàn.
Với cấp điện áp lớn hơn 110kV nối đất an toàn phải thỏa mãn điều kiện:
-

Điện trở nối đất của hệ thống phải có giá trị R ≤ 0,5 Ω .

-

Cho phép sử dụng nối đất an toàn và nối đất làm việc thành một hệ thống.

Điện trở nối đất của hệ thống:


Bài tập dài môn Cao Áp

R HT = R NT // R TN =

R NT .R TN
≤ 0,5Ω
R TN + R NT

Trong đó:
RTN: điện trở nối đất tự nhiên.

RNT: điện trở nối nhân tạo.
RNT ≤ 1 Ω .
2.3.1.1 Nối đất tự nhiên.
Ta chỉ xét nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống chống sét đường dây và
cột điện 110kV và 220kV tới trạm.
Ta có công thức tính toán:

RTN =

Rc
1
.
n 1
Rc
1
+
+
2
Rcs 4

Trong đó : n: số lộ dây.
Rcs: điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng
vượt.
Rc : điện trở nối đất của cột điện.
2.3.1.2 Nối đất nhân tạo.
-

Đối với nối đất chôn nằm ngang có thể dùng công thức chung sau:
ρ
K.L2

R=
ln
2.π.l
d.t
Trong đó :
L: chiều dài tổng của điện cực.
d: đường kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn. Nếu dùng sắt dẹt
thì trị số d thay bằng b/2 với b là chiều rộng của sắt dẹt.
t: độ chôn sâu.
K: hệ số hình dạng phụ thuộc sơ đồ nối đất.

-

Hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu
vi mạch vòng:

R ht =

Rt .Rc
Rc .ηt + n.Rt .ηc

Trong đó:
RC: điện trở tản của một cọc.


Bài tập dài môn Cao Áp

RT: điện trở tản của tia hoặc của mạch vòng.
n: số cọc.
ηT: hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng.

ηC: hệ số sử dụng của cọc.
Đối với trạm biến áp khi thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo ta sử dụng
hình thức nối đất mạch vòng xung quanh trạm bằng các thanh dẹt. Mạch
vòng cách móng tường bao quanh trạm mỗi chiều 1m.
Điện trở mạch vòng của trạm là:

ρ
K .L2
R=
ln
2.π .L
d .t
Trong đó:
L: chu vi mạch vòng.
2.3.2 Nối đất chống sét.
Ở đây phải đề cập đến cả hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện
tản trong đất:
- Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực.
- Quá trình phóng điện trong đất.
Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung) thì không cần xét quá
trình quá độ mà chỉ cần xét quá trình phóng điện trong đất. Ngược lại khi nối
đất dùng hình thức phân bố dài (tia dài hoặc mạch vòng) thì đồng thời phải
xét cả hai quá trình có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả nối đất.
2.3.2.1. Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung.
Điện trở tản xung kích không phụ thuộc vào kích thước hình học của
điện cực mà nó được quy định bởi biên độ dòng điện I, điện trở suất ρ và đặc
tính xung kích của đất. Vì trị số điện trở tản xoay chiều nối đất tỷ lệ với ρ nên
hệ số xung kích có giá trị :

α xk =

R xk
=
R

1
I.ρ

hoặc ở dạng tổng quát:

α xk = f ( I , ρ )

2.3.2.2 Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện
trong đất.


Bài tập dài môn Cao Áp

Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:

H×nh 2-1: S¬ ®å ®¼ng trÞ cña hÖ thèng nèi ®Êt.
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 đên phần điện dung C
vì ngay cả trong trường hợp sóng xung kích,dòng điện dung cũng rất nhỏ so
với dòng điện qua điện trở tản.
Sơ đồ đẳng trị lúc này có dạng:

H×nh 2. 2: S¬ ®å ®¼ng trÞ thu gän.
Trong sơ đồ thay thế thì:
L : điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài .

G : điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài
l
L = 0, 2(ln − 0,31) µ H / m
r

Trong đó: l chiÒu dµi cùc.
r : bán kính cực ở phần trước nếu cực là thép dẹt có bề rộng
b(m).
Do ®ã : r = b/4
Gọi Z (x, t) là điện trở xung kích của nối đất kéo dài,nó là hàm số của
U (x, t )
không gian và thời gian t :
Z (x, t)= I(x, t )


Bài tập dài môn Cao Áp

Trong đó: U(x, t), I(x, t) là dòng điện và điện áp xác định từ hệ phương
∂I
 ∂U
− ∂x = L. ∂t

− ∂I = G.U
 ∂x

trình vi phân:
Giải hệ phương trình ta được điện áp tại điểm bất kỳ và tại thời điểm điện
∞
a 
1

t + 2.T1 .∑ 2
U ( x, t ) =
G.l 
k =1 k


t
−

1 − e TK





 cos k .π .x 

l 



cực:
Từ đó ta suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất.

Với:

t
−
1  2.T1 ∞ 1 
TK

1 +
Z ( 0, t ) =
.∑
1− e
G.l 
t k =1 k 2 

2
L.G.l
Tk = 2 2
k .π (hằng số thời gian)

T1 =

L.G.l 2
.π 2 ;

Tk =






T1
k 2.

Tính toán nối đất phân bố dài khi có xét quá trình phóng điện trong đất.
Việc giảm điện áp và cả mật độ dòng điện ở các phần xa của điện cực làm cho
quá trình phóng điện trong đất ở các nơi này có yếu hơn so với đầu vào của

nối đất.Do đố điện dẫn của nối đất(trong sơ đồ đẳng trị) không những chỉ phụ
thuộc vào I, ρ mà còn phụ thuộc vào tọa độ.Việc tính tổng trở sẽ rất phức tạp
và chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng.Ở đây trong phạm vi bài tập ta
có thể bỏ qua quá trình phóng điện trong đất.
B. Tính toán
Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện sét xuống đất để đảm bảo cho thế
trên vật nối đất có giá tri bé.
Trong việc bảo vệ quá điện áp, nối đất của trạm, của các cột thu sét, của
đường dây và của thiết bị chống sét rất quan trọng. Vì trạm trạm biến áp có
cấp điện áp từ 110kV và 220kV nên nói đất an toàn và nối đất chống sét
chung nhau.
• Nối đất an toàn
Nối đất an toàn với mục đích là bảo vệ con người. Nối đất an toàn với
trạm có điện áp từ 110kV trở lên phải thoả mãn 2 điều kiện sau:
RHT ≤ RTN // RNT ≤ 0,5 Ω.
RNT ≤ 1 Ω.
Điện trở nối đất tự nhiên sẽ là:
1
14
RTN = .
n 1
RC 1
+
+
2
RCS 4

Trong đó :
− RTN : điện trở nối đất tự nhiên . Ta lợi dụng hệ thống dây chống sét cột.
− Rcs: Điện trở của dây chống sét trong một khoãng vượt