tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và ðýờng dây 220 110kv

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

KHOA HỆ THỐNG ĐIỆN

Độc Lập - Tự Do – Hạnh Phúc
-----  -----

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN
ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 220/110kV

I – DỮ LIỆU BAN ĐẦU
 Bản vẽ sơ đồ mặt bằng và kích thước trạm biến áp 220/110kV
Trạm biến áp 220/110 kV:
+ Phía 220 kV có 4 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng, được
cấp điện từ 2 MBA (T3, T4) và 2 MBA tự ngẫu (AT1, AT2).
+ Phía 110 kV có 4 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng, được
cấp điện từ 2 MBA tự ngẫu (AT1, AT2).
+ Độ cao xà cần bảo vệ phía 220 kV là 11m và 16m
+ Độ cao xà cần bảo vệ phía 110 kV là 8m và 11m
+ Các kích thước hình học khác được cho trên bản vẽ

 Đường dây trên không


Điện áp:
 Loại cột:

220kV
cột kim loại



Trạm 220kV:



Dây dẫn:

AAC - 120



Dây chống sét:

C - 70

 Khoảng cách giữa hai cột:

320m

 Chiều cao cột:

30m

 Điện trở suất của đất:

100Ωm


 Điện trở của cột:

10Ω

 Số ngày sét đánh:

100 ngày/năm

 Mức độ ô nhiễm:

Trung bình

II – NỘI DUNG TÍNH TOÁN
Phần I: Tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và nối đất trạm biến áp và đường
dây
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 vào trạm biến áp
Chương 3: Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp
Chương 4: Bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện.
Phần II: Chuyên đề tính toán quá điện áp và lựa chọn công suất kháng điện cho
đường dây vận hành không tải trong chế độ xác lập
III – CÁC BẢN VẼ:
 Các phương án bảo vệ chống sét đánh trực tiếp. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét
trong các phương án khác nhau.
 Các kết quả tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét cho trạm biến áp.
 Phương pháp và kết quả tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện.
 Các kết quả tính toán quá điện áp và công suất kháng bù ngang cho đường dây tải

điện 500kV.
………………….
Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 22/10/2013
Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

Ngày 20 tháng 10 năm 2013


Trưởng khoa

Người hướng dẫn

TS. TRẦN THANH SƠN

TS. TRẦN ANH TÙNG


MỤC LỤC


LỜI NÓI ĐẦU
Là một sinh viên đang học tập và rèn luyện tại trường đại học Điện Lực Hà
Nội, em cảm thấy một niềm tự hào và động lực to lớn cho sự phát triển của bản thân
trong tương lai. Sau bốn năm học đại học, dưới sự chỉ bảo, quan tâm của các thầy cô,
sự nỗ lực của bản thân, em đã thu được những bài học rất bổ ích, đựơc tiếp cận các
kiến thức khoa học kĩ thuật tiên tiến phục vụ cho lĩnh vực chuyên môn mình theo
đuổi. Có thể nói, những đồ án môn học, bài tập lớn hay những nghiên cứu khoa học
mà một sinh viên thực hiện chính là một cách thể hiện mức độ tiếp thu kiến thức và
vận dụng sự dạy bảo quan tâm của thầy cô.
Chính vì vậy em đã dành thời gian và công sức để hoàn thành đồ án tốt nghiệp“

Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và đường dây 220/110kV ”này
như một cố gắng đền đáp công ơn của thầy cô cũng như tổng kết lại kiến thức thu
được sau một quá trình học tập và rèn luyện tại trường đại học Điện Lực.
Trong thời gian học tập cũng như thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp em luôn
nhận được sự chỉ bảo, động viên tận tình của các thầy cô, gia đình và các bạn, đặc biệt
là sự hướng dẫn của thầy giáo Trần Anh Tùng đã giúp em hoàn thành tốt bản đồ này.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn TS. Trần Anh Tùng và các thầy,
các cô cùng toàn thể các bạn trong bộ môn Hệ thống điện.
Sinh viên
Trần Hữu Kiên


PHẦN I: TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀ
NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY
Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp và hộ tiêu thụ
điện. Trong đó trạm biến áp là một phần tử hết sức quan trọng, nó thực hiện nhiệm vụ
truyền tải và phân phối điện năng. Do đó khi các thiết bị của trạm bị sét đánh trực tiếp
thì sẽ dẫn đến những hậu quả rất nghiêm trọng 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 ngành kinh tế quốc dân
khác. Do đó việc tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp đặt ngoài
trời là rất quan trọng. Qua đó ta có thể đưa ra những phương án bảo vệ trạm một cách
an toàn và kinh tế. Nhằm đảm bảo toàn bộ thiết bị trong trạm được bảo vệ an toàn
chống sét đánh trực tiếp.
Ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào các thiết bị trong trạm ta cũng
phải chú ý đến việc bảo vệ cho các đoạn đường dây gần trạm và đoạn đây dãn nối từ
xà cuối cùng của trạm ra cột đầu tiên của đường dây.
Do đó tùy từng trạm cụ thể mà ta thiết kế hệ thống chống sét phù hợp và đáp
ứng nhu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế của trạm.

1

HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ
THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

1.1. Hiện tượng dông sét
1.1.1. Khái niệm chung
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 dông sét gồm hai loại chính đó là:
+ Phóng điện giữa các đám mây điện tích với nhau
+ Phóng điện giữa các đám mây điện tích với mặt đất
Trong phạm vi đồ án này ta chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích
điện với mặt đất (phóng điện mây - đất). Với hiện tượng phóng điện này gây nhiều trở
ngại cho đời sống 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 1,5.10 7cm/s, các lần phóng điện sau thì tốc độ tăng lên khoảng
2.10 8 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 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 địên 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 và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất
đã được định sẵn.
Do vậy để định hướng cho các phóng điện sét thì ta phải tạo ra nơi có mật độ
tập trung điện diện tích lớn. Nên việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các công
trình được dựa trên tính chọn lọc này của phóng điện sét.


Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngược là ν và mật độ điện trường của điện
tích trong tia tiên đạo là δ thì trong một đơn vị thời gian thì điện tích đi và trong đất sẽ
là:
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 với
giai đoạn phóng điện ngược (hình 1-1)
- 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 dông 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 dông 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 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 ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem bảng 11.
Từ bảng 1.1 ta thấy Việt Nam là nước phải chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét,
đây là điều bất lợi cho H.T.Đ 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.


Bảng 1.1 Số ngày dông trong tháng
Thán
g
Địa điểm
Phía Bắc
Cao bằng
Bắc Cạn
Lạng Sơn
Móng Cái
Hồng Gai
Hà Giang
Sa Pa
Lào Cai
Yên Bái
Tuyên Quang
Phú Thọ
Thái Nguyên
Hà Nội
Hải Phòng

Ninh Bình
Lai Châu
Điện Biên
Sơn La

1

2

0,
2
0,
1
0,
2
0,
0
0,
1
0,
1
0,
6
0,
4
0,
2
0,
2
0,

0
0,
0
0,
0
0,
0
0,
0
0,
4
0,
2
0,

0,
6
0,
3
0,
4
0,
4
0,
0
0,
6
2,
6
1,

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

3

4

6

7

8

9

10

11

4,2 5,9 12

17

20

19

10

11

0,5 0,0

94

3,0 7,0 12

18

20

21

10

0,2 0,1

97

2,6 6,9 12

14

18

21

10

0,1 0,0

90

3,9 6,6 14

19

24

24

13

0,2 0,0

112

1,7 1,3 10

15

16

20

15

0,2 0,0

87

5,1 8,4 15

17

22

20 9,2

0,9 0,0

102

6,6

12

13

15

16

18 7,3

0,9 0,3

97

7,0

10

12

13

17

19 8,1

0,7 0,0

93

4,1 9,1 15

17

21

20

11

0,2 0,0

104

4,0 9,2 15

17

22

21

11

0,5 0,0

106

4,2 9,4 16

17

22

21

11

0,5 0,0

107

3,0 7,7 13

17

17

22

12

0,1 0,0

97

2,9 7,9 16

16

20

20

11

0,6 0,9

99

7,0 7,0 13

19

21

23

17

1,0 0,0

111

8,4 8,4 16

21

20

21

14

0,7 0,0

112

13

12

15

16

14

14 5,8

1,9 0,3

93

12

12

17

21

17

18 8,3

1,1 0,0

112

14

14

16

18

15

16 6,2

1,0 0,2

99

2,

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

3
6,

12

Cả
năm

5


Nghĩa Lộ
Thanh Hoá
Vinh
Con Cuông
Đồng Hới
Cửa Tùng

0
0,
2
0,
0
0,
0
0,
0
0,
0
0,

0

0
0,
5
0,
2
0,
5
0,
2
0,
3
0,
2

0,
0
0,
0
0,
0
0,
0
0,
0
0,
2
0,
2

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

0,
2
0,
3
0,
3
0,
3
0,
1
0,
0
1,
2
1,
7
1,

6
3,
4
1,
0
0,
0
1,
3

9,2 9,2 14

15

19

18

10

7,3 7,3 16

16

18

18

13

6,9 6,9 17

13

13

19

15

13

14

13

20

14

6,3 6,3 15 7,7

9,
6

9,
6

11

7,8 7,8 18

12

12

12

5,
3
9,
3
9,
7
5,
1
4,
6
8,
8
3,
4
7,
7
6,
3
3,
4

5,

1

4,8

13

17

10

2
5,
2
3,
3
5,
6
5,
2
5,
3
5,
3

0,0 0,0

99

0,7 0,0

100

0,2 0,0

95

0,2 0,0

103

0,3 0,0

70

0,3 0,0

85

Phía Nam
Huế
Đà Nẵng
Quảng Ngãi
Quy Nhơn
Nha Trang
Phan Thiết
Kon Tum
Playcu
Đà Lạt
Blao
Sài Gòn

Sóc Trăng
Hà Tiên

1,9 4,9 10 6,2
2,5 6,5 14

11

1,2 5,7 10

13

0,6 3,6
0,6 3,2

8,
6
8,
2

5,3
5,2

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

10

14 8,0

5,7

12

16 9,7

3,2 6,8 10 8,0

12 8,9
1,
0
7,
3
5,
8
7,
4
0,
2
8,
7
4,
2
2,
8

7,8
9,6
8,5
9,0

8,0
17
6,7

0,3 0,0 41,8
0,5 0,0 69,5
0,0 0,0 59,1
0,6 0,0 43,3
0,6 0,1 39,2
1,8 0,2 59,0
1,2 0,0 58,2
2,0 0,1 90,7
0,8 0,1 52,1

11

13

10 5,2

2,5

10

22

19

17

16

19

15

11

2,4

138

0,7 7,0 19

16

14

15

13

1,
5

4,7 0,7

104

23 9,7

7,
4

9,
0

9,7 15

15

128

10

20

7,2

2,
3
3,
7
0,
7
3,
3
2,
3
6,

8
4,
0
9,
0
3,
8
7,
0

4,0 0,0 70,2

4,3


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
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 doạ 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.


CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO
TRẠM BIẾN ÁP

2.1. Mở đầu
Trong quá trình truyền tải điện năng việc đặt các trạm biến áp dùng để tăng áp
hay giảm áp là một điều kiện bắt buộc không thể thiếu. Vì vậy trạm biến áp là một
phần tử trong hệ thống điện . Quá trình vận hành trạm biến áp ảnh hưởng đến chất
lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện trong toàn bộ hệ thống điện. Các sự cố
xảy ra đến quá trình vận hành và có thể gây ra hư hỏng các thiết bị.
Với trạm biến áp 110/220kV, các thiết bị của trạm đặt ngoài trời nên khi có sét đánh
trực tiếp vào trạm sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng: gây hư hỏng các thiết bị
điện, có thể đưa đến việc cung cấp điện bị ngừng toàn bộ trong thời gian dài, làm ảnh
hưởng đến việc sản xuất điện năng và các nghành kinh tế quốc dân khác..Do đó việc
tính toán bảo vệ chống sét cho trạm là rất quan trọng.
Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm, ta dùng hệ thống cột thu sét. Tác
dụng của hệ thống này là định hướng 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 thống nối đất. Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở của bộ phận
thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến các thiết bị khác ở gần đó.
Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào bên cạnh vấn
đề đảm bảo về yêu cầu kỹ thuật, ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế và mỹ
quan của công trình.

2.2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với chống sét đánh thẳng
Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải được nằm trọn trong phạm vi an toàn của hệ
thống bảo vệ. Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp mà hệ thống
các cột thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn của công trình như xà, cột đèn
chiếu sáng... hoặc được đặt độc lập.
- Khi đặt hệ thống cột thu sét trên bản thân công trình, sẽ tận dụng được độ cao vốn có
của công trình nên sẽ giảm được độ cao của hệ thống thu sét. Tuy nhiên điều kiện đặt
hệ thống thu sét trên các công trình mang điện là phải đảm bảo mức cách điện cao và
trị số điện trở tản của bộ phận nối đất bé.
+ Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên do có cách điện cao (khoảng cách
các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể đặt cột thu sét trên các kết cấu


của trạm. Tuy nhiên các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào
hệ thống nối đất của trạm phân phối. Theo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện i s
khuyếch tán vào đất theo 3- 4 cọc nối đất. Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có
nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất nhằm đảm bảo điện trở không quá
4Ω.
+ Nơi yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời điện áp 110 kV trở lên là cuộn dây của
MBA. Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ MBA thì yêu cầu khoảng cách giữa
hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA theo đường điện
phải lớn hơn 15m.
- Khi đặt cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình phải có khoảng cách nhất định,

nếu khoảng cách này quá bé thì sẽ có phóng điện trong không khí và đất
Phần dẫn điện của hệ thống thu sét có phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo thoả
mãn điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua.

2.3. Phạm vi bảo vệ của cột chống sét và dây chống sét
2.3.1. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét
2.3.1.1. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập.
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của
hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi công thức.
rx =

1,6
( h − hx )
h
1+ x
h

(2-1)

Trong đó:

h: độ cao cột thu sét
hx: độ cao vật cần bảo vệ
h- hx= ha: độ cao hiệu dụng cột thu sét
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 với đường sinh của hình chóp có dạng đường gãy khúc được
biểu diễn như hình vẽ 1.1 dưới đây.
Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau được tính toán theo công thức sau:
hx ≤

Nếu
hx >

Nếu

2
h
3
2
h
3

thì

thì

rx = 1,5h − 1,875hx

rx = 0, 75(h − hx )

(2-2)

(2-3)


Chú ý:
a
0,2h
h

b
0,8h
c

a'
0,75h

1,5h

R

Hình 2- 1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.
Các công thức trên chỉ đúng trong trường hợp cột thu sét cao dưới 30m. Hiệu
quả của cột thu sét cao quá 30m có giảm sút do độ cao định hướng của sét giữ hằng số.
Có thể dùng các công thức trên để tính phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân với hệ số hiệu
p=

chỉnh p. Với

5,5
h

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

2.3.1.2. Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét.
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm
vi bảo vệ của hai cột đơn. Nhưng để hai cột thu sét có thể phối hợp được thì khoảng
cách a giữa hai cột thì phải thoả mãn điều kiện a < 7h (h là chiều cao của cột).
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao.

- Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cách a (a < 7h) thì độ cao
lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét ho được tính như sau:
a
ho = h 7
(2-4)
Sơ đồ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau.


R

0,2h
h
ho
0,75h

hx
1,5h

a
rx
r0x

Hình 2- 2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét giống nhau.
Tính rox:
hx ≤

+ Nếu
hx >

+ Nếu

2
h0
3
2
h0
3

thì

thì

r0 x = 1,5h0 − 1,875hx

r0 x = 0, 75(h0 − hx )

(2-5)

(2-6)

Chú ý:
Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì ngoài các hiệu chỉnh như trong
phần chú ý của mục 1 thì còn phải tính ho theo công thức:
ho = h -

a
7p

(2-7)
2.3.1.3. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau

Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h 1 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 h 1 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:


Hình 2-3 : Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau.

Nếu

2
h1 ≤ h2
3

h1 >

2
h2
3

thì

x = 1,5h2 − 1,875h1

(2-8)

x = 0, 75(h2 − h1 )

Nếu
thì
( 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.

(2-9)

2.3.1.4. Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét
Một nhóm cột sẽ hình thành 1 đa giác và phạm vi bảo vệ được xác định bởi toàn bộ
miền đa giác và phần giới hạn bao ngoài giống như của từng đôi cột
rx
rx

rox

a

rox

a
c

rox

D

b

b

D


Hình 2- 4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột.
Vật có độ cao hx nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét sẽ được bảo
vệ nếu thoả mãn điều kiện:

≤

D 8. ha = 8. (h - hx)
(2 –10)
Với D là đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét.
Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo
p.
D

≤

8.ha. p= 8. (h - hx).p

( 2-11)

2.3.2. Phạm vi bảo vệ của dây thu sét
2.3.2.1. Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét
Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng. Chiều rông của phạm vi bảo vệ
phụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như hình vẽ.
a

0,2h
b

h

0,8h
a'
c

0,6h

1,2h

2bx

Hình 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 ≤

Nếu

2
ho
3

2
hx ≥ ho
3

bx = 1,2.h.(1thì

hx
)
0,8h

( 2-12)

h
bx = 0,6.h.(1
- x)
h

Nếu
thì
( 2-13)
Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo
p.


2.3.2.2. 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 thoả mãn điều kiện s < 4h.
Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao.
h
ho = h 4
( 2-14)
Phạm vi bảo vệ như hình vẽ.

R

0,2h

h
ho
0,6h

hx

s

1,2h

bx

Hình 2- 6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.
Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống của một dây còn phần bên trong được
giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao
ho = h -

s
4

so với đất.

2.4. Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ và đề xuất phương án tính toán chống
sét đánh thẳng cho trạm biến áp
Trạm biến áp 220/110 kV:
+ Phía 220 kV có 4 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng, được
cấp điện từ 2 MBA (T3, T4) và 2 MBA tự ngẫu (AT1, AT2).
+ Phía 110 kV có 4 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng, được

cấp điện từ 2 MBA tự ngẫu (AT1, AT2).
Tổng diện tích trạm 59200 m2
+ Độ cao xà cần bảo vệ phía 220 kV là 11m và 16m
+ Độ cao xà cần bảo vệ phía 110 kV là 8m và 11m
Đề xuất phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng vào trạm biến áp
Ta bố trí các cột như hình vẽ


+ Phía 220 kV: dùng 9 cột gồm: cột 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Trong đó cột 4,5,6 được đặt
trên xà cao 16m; cột 7, 8, 9 được đặt trên xà cao 11m; cột 1,2 được xây thêm cao 16m
và cột 3 được đặt trên nóc nhà điều khiển cao 16m.
+ Phía 110 kV: dùng 9 cột gồm: cột 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18. Trong đó cột 13,
14, 15, 16 được đặt trên xà cao 11m; cột 10, 11, 12 được đặt trên xà cao 8m và cột 17,
18 được xây thêm.
Vậy:
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là hx =11 m và hx =16 m
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kV là hx =8 m và hx =11 m


Hình 2-7: Sơ đồ bố trí cột thu sét


2.5. Tính toán phương án sử dụng cột thu sét
2.5.1. Tính toán độ cao hiệu dụng của cột thu sét
Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi tam giác hoặc đa giác nào đó thì độ cao
cột thu lôi phải thỏa mãn:
≤

D
≥ 8

D 8. ha hay ha
Trong đó
D: Là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác hoặc đa giác.
ha: Độ cao hữu ích của cột thu lôi.
-Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo vệ của 1 cột.
≤

Điều kiện để hai cột thu lôi phối hợp được với nhau là a 7.h
Trong đó:
a – Khoảng cách giữa 2 cột thu sét.
h – Chiều cao toàn bộ cột thu sét.
Xét nhóm cột (1, 2, 5, 4) tạo thành hình chữ nhật có kích thước:
+ Chiều dài cạnh (1-2): a= 66(m)
+ Chiều dài cạnh (2-5): b= 60(m)
Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:
D = a 2 + b 2 = 662 + 602 = 89,196(m)

ha ≥

D 89,196
=
= 11,149( m)
8
8

Độ cao hiệu dụng của các cột trên là:
Xét nhóm cột (9, 10, 6) tạo thành tam giác có kích thước:
+ Chiều dài cạnh (9-10): a= 33,541(m)
+ Chiều dài cạnh (10-6): b= 50,803(m)

+ Chiều dài cạnh (9-6): c= 56(m)
a + b + c 33,541 + 50,803 + 56
p=
=
= 70,172( m)
2
2
Nửa chu vi của tam giác trên là:
Đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác đi qua chân các cột thu sét trên là:
D=
=

a.b.c
2 p( p − a)( p − b)( p − c)

33,541.50,803.56
= 56,800( m)
2. 70,172(70,172 − 33,541)(70,172 − 50,803)(70,172 − 56)


ha ≥

D 56,800
=
= 7,100(m)
8
8

Độ cao hiệu dụng của các cột trên là:
Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại, ta có bảng sau:

Bảng 2.1 chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột
Đa giác

Đường kính đường tròn
ngoại tiếp (m)

ha (m)

67,265

8,408

17,14,13,18
10,15,14,11
14,11,12,13
Phía 220 kV
1,4,5,2
2,5,6,3

67,265
67,265
67,265

8,408
8,408
8,408

89,196
89,196

11,149
11,149

4,7,8,5
5,8,9,6
Phía 110/220 kV

86,556
86,556

10,819
10,819

56,800
51,253
64,091
63,664

7,100
6,440
8,011
7,958

Phía 110 kV
15,16,17,14

9,10,6
6,10,15
15,6,3

3,16,15

Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét, ta chọn độ
cao tác dụng cho toàn trạm như sau:
- Phía 220Kv có hmax = 11,149 m nên ta chọn ha = 12m.
- Phía 110kV có hmax = 8,408 m nên ta chọn ha = 9 m.
2.5.2. Tính chiều cao của cột thu sét
- Phía 220 kV:
Độ cao tác dụng ha = 11(m)
Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 16m.
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 220kV là:
h = ha + hx = 12 + 16 = 28(m)
- Phía 110kV:
Độ cao tác dụng ha = 9 (m)


Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 11(m)
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 110kV là:

h = ha + hx = 9 + 11 = 20(m)

2.5.3. Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu sét
Ta chỉ xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo chu vi của trạm do
phần diện tích bên trong đã được bảo vệ. Chiều cao các cột thu sét đều nhỏ hơn 30m
nên trong công thức tính ta không cần nhân thêm hệ số hiệu chỉnh.
2.5.3.1. Tính bán kính bảo vệ của một cột thu sét
- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 20 m (cột 10÷18)
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11(m) là:
2
hx = 11( m) < .20 = 13,333( m)

rx (11) = 1,5.20 − 1,875.11 = 9,375(m)
3
nên
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8(m) là:
2
hx = 8(m) < .20 = 13,333(m)
rx (8) = 1,5.20 − 1,875.8 = 15( m)
3
nên
- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 28(m) (cột 1÷9)
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11(m) là:
2
hx = 11( m) < .28 = 18, 67( m)
rx (11) = 1,5.28 − 1,875.11 = 21,375( m)
3
nên
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 16(m) là:
2
hx = 16( m) < .28 = 18, 67( m)
rx (16) = 1,5.28 − 1,875.16 = 12( m)
3
nên
2.5.3.2. Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên
- Phía 110kV:
+ Xét cặp cột (10-11) có độ cao bằng nhau h 10 = h11 = 20(m) và đặt cách nhau một
khoảng là: a = 50(m)
Do a = 50(m) < 7h1 = 7.20 = 140(m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:
a
50
h010−11 = h − = 20 − = 12,857( m)

7
7
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11(m) và hx = 8(m) là:
2
2
hx = 11(m) > h = .12,857 = 8,571( m)
3
3
Do


rx 010−11(11) = 0, 75.(h 010−11 − h x ) = 0, 75.(12,857 − 11) = 1,393( m)

nên
hx = 8(m) <

Do

2
2
h = .12,857 = 8,571(m)
3
3

rx 010−11(8) = 1,5.h010−11 − 1,875.hx = 1,5.12,857 − 1,875.8 = 4, 285( m)

nên

- Phía 220kV:
+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao bằng nhau h 1 = h2 = 28(m) và đặt cách nhau một khoảng

là a = 66(m)
Do a = 66(m) < 7h1 = 7.28 = 196(m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:
a
66
h01−2 = h − = 28 −
= 18,571(m)
7
7
Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11(m) và hx = 16(m) là:
2
2
hx = 11(m) < h = .18,571 = 12,381( m)
3
3
Do
nên
rx 01− 2(11) = 1,5.h 01−2 − 1,875 h x = 1,5.18,571 − 1.875.11 = 7, 231( m)

hx = 16(m) >

Do

2
2
h = .18,571 = 12,381( m)
3
3

nên

rx 01−2(16) = 0, 75.(h 01−2 − h x ) = 0, 75.(18,571 − 16) = 1,928( m)

- Phía 220/110kV:
+ Xét cặp cột (9-10) có độ cao khác nhau h 9 =20(m), h10 = 28(m) và đặt cách nhau một
khoảng là a = 33,541(m)
Bán kính bảo vệ của cột h9-10 cho phần có độ cao h9 là:
2
2
h9 = 20(m) > h10 = .28 = 18, 667( m)
3
3
Do
nên
x = 0, 75.(h 9 −10 − h 9 ) = 0, 75.(28 − 20) = 6( m)

Khoảng cách từ cột h9 đến cột giả tưởng có cùng độ cao là:
a’ = a – x = 33,541 – 6 = 27,541(m)
Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột h9 và cột giả tưởng cùng độ cao là: