BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP ĐỀ THI CUỐI KÌ

CHƯƠNG 3

BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP
Biên soạn và trình bày: TS. Nguyễn Đức Tường


MỤC TIÊU

2

Trang bị bảo vệ chống sét cấp 1 cho các phần tử trong Hệ thống điện Giới thiệu chung.
1. Mô hình hình học.
2. Mô hình điện hình học.
3. Tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện.
4. Tính toán bảo vệ chống sét cho trạm biến áp.

2


NỘI DUNG

1. Giới thiệu chung.
2. Mô hình hình học.
3. Mô hình điện hình học.
4. Tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện.

5. Tính toán bảo vệ chống sét cho trạm biến áp.

3

3

GIỚI THIỆU CHUNG


3.1. GIỚI THIỆU CHUNG

5

Các cấp bảo vệ:

- Bảo vệ cấp 1: hạn chế các ảnh hưởng của phóng điện sét trực tiếp vào các thiết bị và các phần
tử của hệ thống điện => Bảo vệ bằng hệ thống chống sét đánh trực tiếp.
- Bảo vệ cấp 2: hạn chế độ lớn điện áp dư của sóng cắt tới giới hạn an toàn cho cách điện của
các thiết bị điện trong trạm biến áp và nhà máy điện => Bảo vệ bằng các thiết bị
chống quá áp (khe hở phóng điện, chống sét van...).

- Bảo vệ cấp 3: Bảo vệ quá điện áp cảm ứng cho các thiết bị điện áp thấp, điện tử, hệ thống máy
tính, hệ thống tự động điều chỉnh, thiết bị truyền tín hiệu... do sét đánh gần trạm
biến áp => Bảo vệ bằng các bộ lọc hoặc các thiết bị bảo vệ quá áp.

5


3.1. GIỚI THIỆU CHUNG

6

 Tiêu chuẩn thiết kế
 IEEE Std 998-2012, “Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations”

 IEEE Std 1243-1997, “Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission

Lines”.
 IEEE Std 1410-2011, “Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power
Overhead Distribution Lines”.

 IEC 62305-2013, “Protection against lightning”.
 NFPA 780-2014, “Standard for the Installation of Lightning Protection Systems”.

6


3.1. GIỚI THIỆU CHUNG

 Tổng quan về thiết kế
o Khó dự báo do xác suất ngẫu nhiên của sét,
o Thiếu dữ liệu do tần suất của sét,
o Phân tích chi tiết phức tạp, đòi hỏi chi phí cao,
o Các phương pháp không đảm bảo bảo vệ 100%...

 Đánh giá tầm quan trọng của công trình cần bảo vệ,
 Hậu quả có thể có khi công trình bị sét đánh trực tiếp,
 Tần suất và mức độ nguy hiểm của vùng bão,
 Phương pháp bảo vệ,
 Đánh giá hiệu quả và chi phí thiết kế...

7


1. Hệ thống bảo vệ cấp 1.

- Bộ phận thu hút phóng điện sét là kim thu sét hoặc dây thu sét.
- Hệ thống nối đất làm nhiệm vụ tập trung các điện tích phía dưới mặt đất

8

8

Kim thu sét

3.1. GIỚI THIỆU CHUNG

- Bộ phận dẫn dòng điện sét nối giữa bộ phận thu sét và hệ thống nối đất.

Dây dẫn dòng điện sét

và tản dòng điện sét.

Hệ thống nối đất


3.1. GIỚI THIỆU CHUNG

9

 Lịch sử phát triển
o Năm 1750, Benjamin Franklin xuất bản một bài viết đề xuất một thí
nghiệm để chứng minh rằng sét là điện bằng cách thả một chiếc
diều trong cơn bão, nhận thấy nó trở thành một cơn bão sét.

Thomas-François Dalibard

o Ngày 15/06/1752, Franklin tiến hành thí nghiệm với diều nổi tiếng
của mình tại Philadelphia và thu được những tia lửa điện từ một
đám mây.

Benjamin Franklin

17 /01/1706
Boston, Massachusetts
17/04/1790
Philadelphia, Pennsylvania


3.1. GIỚI THIỆU CHUNG
 Phương pháp thiết kế
 Mô hình hình học (≤ 69 kV):
Dựa trên thực nghiệm để xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét (dây, kim) bằng mô
tả, biến đổi hình học. Phạm vi bảo vệ chỉ phụ thuộc vào độ cao của hệ thống thu sét.

 Phương pháp góc cố định,
 Phương pháp đường cong thực nghiệm,
Nhược điểm:
-

Không chính xác khi chiều cao của cột thu sét lớn hơn nhiều đối tượng bảo vệ,

-

Không kể tới độ lớn của dòng điện sét.

10


3.1. GIỚI THIỆU CHUNG
 Phương pháp Góc cố định
o 1924, Frank William Peek đặt nền tảng nghiên cứu về phạm vi bảo vệ, đường giới hạn bảo vệ

của kim thu sét và được ứng dụng tính toán trong thực tiễn.

 Phương pháp đường cong thực nghiệm
o 1941, Wagner, McCann và MacLane công bố kết quả thực nghiệm của mình với thí nghiệm

sử dụng nguồn xung dương 1,5/40 s, cho phóng điện từ điện cực xuống mặt đất hoặc dây
nối đất.
o 1942, Wagner, McCann, và Lear tiếp tục công bố kết quả khi thực nghiệm phóng điện từ điện

cực tới trạm biến áp.

11


3.1. GIỚI THIỆU CHUNG
 Mô hình điện hình học > 69 kV (Electrogeometric Method-EGM).

Dựa trên hiệu ứng thu hút phóng điện sét, khoảng cách phóng điện (S) phụ thuộc vào độ lớn
dòng điện sét (IS).
-

Có thể chấp nhận bị sét đánh với những cú sét có dòng điện nhỏ,

-

Ngăn chặn các cú sét có dòng điện lớn,

-

Chỉ cho phép các cú sét đánh vào công trình mà không gây ra phóng điện nguy hiểm hay
gây thiệt hại cho đối tượng được bảo vệ.
 Phương pháp quả cầu lăn của Whitehead (Rolling Sphere),
 Phương pháp quả cầu lăn của Mousa,
 Phương pháp EGM của Eriksson.

12


3.1. GIỚI THIỆU CHUNG
 Mô hình điện hình học > 69 kV (Electrogeometric Method-EGM).
o Năm 1945, Golde công bố mô hình EGM, nhưng chưa được ứng dụng.
o Năm 1960, J. G. Anderson mô phỏng quá trình phóng điện sét bằng máy tính,

o Năm 1963, nhóm của Young tiếp tục phát triển phương pháp EGM,
o Năm 1971, được Viện Edison Electric (EEI) phát triển và ứng dụng cho Hệ thống truyền tải,
o Năm 1973, Whitehead và Gilman đã công bố những nghiên cứu được xem là đầy đủ nhất

về bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho đường dây truyền tải,
o Năm 1976 đến năm 1991, Mousa và Srivastava phát triển phương pháp quả cầu lăn dựa
trên cơ sở lý thuyết EGM của Whitehead.

o Năm 1977, Ralph H. Lee phát triển phương pháp quả cầu lăn (Rolling Sphere) dựa trên cơ
sở lý thuyết EGM của Whitehead.

13


MÔ HÌNH HÌNH HỌC


3.2. MÔ HÌNH HÌNH HỌC

15

1. Phương pháp góc bảo vệ

Dây thu sét

h

o Góc  =
o Góc  = 30-450
o Sai số 0,1%



450

Bán kính bảo vệ Rx ở độ cao hx :




ha



ĐỐI TƯỢNG
BẢO VỆ

hx

S

rx

h






ha



ĐỐI TƯỢNG
BẢO VỆ
S

hx
x

Cột thu sét
Vùng không
được bảo vệ

Rx = (h - hx).tg = ha.tg

x

Trong đó:
Rx là bán kính bảo vệ ở độ cao hx (m)

MẶT BẰNG
Vùng bảo vệ

h là độ cao của cột thu sét (m)
hx là độ cao cần bảo vệ của công trình (m)
ha là độ cao hiệu dụng của cột thu sét (m).

Rx

Vùng được
bảo vệ

MẶT BẰNG


3.2. MÔ HÌNH HÌNH HỌC

16

 Ví dụ: Một trạm biến áp 35 kV có sơ đồ mặt cắt và

4m

8m

các kích thước khác cho trên hình.
 Giải: xác định bán kính bảo vệ R:

Cột chống sét

Rx = (h - hx).tg =ha.tg
4

hx (m)
4

45

30

Rx của cột cao h (m)

Chú thích

15

20

11

16

Thanh góp

8

7

12

Dao cách ly

9

6

11

Néo cột cuối

4

6,4

9,2

Thanh góp

8

4

6,9

Dao cách ly

9

3,5

6,4

Néo cột cuối

18m

Góc
bảo vệ (o)

45o

15m

thu sét (1, 2, 3, 4, 5). Biết góc bảo vệ  =  = 45o,

45o

20m

mặt bằng như hình… Trạm được bảo vệ bằng 5 cột

3
5

2

1
20m


3.2. MÔ HÌNH HÌNH HỌC
Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét
o Được thực hiện trong phòng thí
nghiệm để xác định số lượng,
vị trí và độ cao của cột chống
sét và dây chống sét có tính
đến suất rủi ro bảo vệ (che
chắn) 0,1; 1,0; 5,0; 10 và 15%.

17


3.2. MÔ HÌNH HÌNH HỌC
Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét

18

Mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở độ cao d

(ứng với suất sự cố 0,1%)


3.2. MÔ HÌNH HÌNH HỌC
Phạm vi bảo vệ của 1 dây thu sét

19


3.2. MÔ HÌNH HÌNH HỌC
Phạm vi bảo vệ của 2 dây thu sét

20


MÔ HÌNH ĐIỆN HÌNH HỌC


3.3. MÔ HÌNH ĐIỆN HÌNH HỌC (EGM)
 Các thông số cần tính toán

 Xác định tổng trở sóng của hệ thống chống sét ZS theo kích thước hình học. Nếu có
chiều cao khác nhau hãy tính cho hệ thống có chiều cao lớn nhất,
 Xác định điện áp phóng điện trung bình (CFO) hoặc mức cách điện xung cơ bản (BIL).

Khi tính toán BIL cần xét tới hệ số cao độ (Ka),
 Tính toán biên độ dòng điện sét cho phép (IC),
 Tính toán khoảng cách sét đánh (S) hoặc bán kính quả cầu lăn,
 Sử dụng hai hoặc nhiều khoảng cách sét đánh (S) tương ứng với nhiều giá trị BIL khác
nhau đối với trạm biến áp có nhiều cấp điện áp.

22


3.3. MÔ HÌNH ĐIỆN HÌNH HỌC (EGM)

23

 Nội dung EGM
Khoảng cách phóng điện (khoảng cách định hướng):

S = AIb
Trong đó:
S là khoảng cách phóng điện(m), cho trong bảng…

SG

A, b là hệ số kinh nghiệm.
I là cường độ dòng điện sét (giá trị đỉnh) (kA).

Tác giả

Khảng cách phóng điện
xuống đất SG (m)

Khoảng cách phóng điện vào
dây dẫn SC (m)

A

b

A

b

14,2

0,42

14,2

0,42

6

0,8

6,7

0,8

Brown và Whitehead

6,4

0,75

7,1

0,75

Love và IEC

10

0,65

10

0,65

Mousa và IEEE-2012

8

0,65

8

0,65

Wagner
Armstrong và Whitehead


3.3. MÔ HÌNH ĐIỆN HÌNH HỌC (EGM)

 Mô hình EGM của Mousa :
o Phát triển tiên đạo sét vào hệ thống thu sét theo hướng thẳng đứng,

o Khoảng cách định hướng của kim, dây và đất là khác nhau,

o Dòng điện sét trung bình cho lần phóng điện đầu tiên lấy bằng 24 kA,
o Mô hình không gán cố định với khảng cách phóng điện:
S = 8.k.I2/3

Trong đó:

S là khoảng cách phóng điện (m),

I là dòng phóng điện trong khe sét (kA),
k là hệ số phụ thuộc vào kết cấu bị phóng điện sét.
k=1 đối với dây chống sét hoặc mặt đất,
k=1,2 đối với cột thu sét.

24


3.3. MÔ HÌNH ĐIỆN HÌNH HỌC (EGM)

o Dòng điện cho phép (Dòng điện tới hạn): là dòng điện sét có biên độ sao cho những cú sét
đánh trúng đối tượng bảo vệ mà không gây ra phóng điện:
IC 

1,1.BIL 2,2.BIL

ZS
ZS
2

hoặc

IC 

0,94.1,1.CFO 2,068.CFO

ZS
ZS
2

Trong đó: IC là dòng điện sét cho phép đánh vào thiết bị điện hay dòng điện sét tới hạn (kA),
1,1 là hệ số kể tới sự suy giảm của dòng điện sét ở cuối vật dẫn.
BIL là mức cách điện xung cơ bản của thiết bị điện (kV),
CFO là mức cách điện xung sét trung bình (tới hạn) (kV),
ZS = 300400 () là tổng trở sóng của phần kim loại dẫn dòng điện sét.

25