Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp chương 3

đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
Ch ơng 3
bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
trạm biến áp 110/35 kV.
3.1-Khái niệm chung .
Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối
điện.
Đối với trạm biến áp 110/35kV thì các thiết bị điện của trạm đợc 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 thờng có yêu cầu bảo vệ khá cao.
Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp ngời ta dùng hệ
thống cột thu lôi, dây thu lôi. Tác dụng cuả hệ thống này là tập trung điện tích để
định hớng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên dới
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 ngợc 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.
3.2- Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống
sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp .
Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải đợc nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn
của hệ thống bảo vệ. Hệ thống bảo vệ trạm 110/35kV ở đây ta dùng hệ thống cột
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang
1
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp

thu lôi, hệ thống này có thể đợc đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt độc lập
tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể.
Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng đợc độ cao của phạm
vi bảo vệ và sẽ giảm đợc độ cao của cột thu lôi. Nhng mức cách điện của trạm phải
đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngợc 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 ngợc từ hệ thống thu
sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện không đủ lớn. Do
đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách
điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ.
Đối với trạm phân phối có điện áp từ 110kV trở lên có mức cách điện khá cao
(cụ thể khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) do đó có thể
đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và các kết cấu trên đó có đặt cột thu
lôi thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đờng 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 đờng điện .
Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt
khi có dòng điện sét chạy qua.
Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện
phải đợc cho vào ống chì và chôn trong đất.
3.3- Tính toán thiết kế, các ph ơng án bố trí cột thu
lôi .
Với yêu cầu thiết kế hệ thống chống sét cho trạm 110kV và dựa vào độ cao của
các thiết bị ta có thể bố trí đợc các cột thu lôi và tính đợc độ cao của chúng.
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang

2
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
3.3.1- Các công thức sử dụng để tính toán .
- Độ cao cột thu lôi:
h =h
x
+ h
a
(3 1)
Trong đó: + h
x
: độ cao của vật đợc bảo vệ.
+ h
a
: độ cao tác dụng của cột thu lôi, đợc xác định theo từng
nhóm cột. (h
a
D/8 m).
(với D là đờng kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột)
- Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là:
)23()hh(
h
h
1
6,1
r
x
x
x

+
=
- Nếu h
x
2/3h thì:
)
h8,0
h
1.(h5,1r
x
x
=
(3 3)
- Nếu h
x
> 2/3h thì:
)
h
h
1.(h75,0r
x
x
=
(3-4)
Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn từng cột đơn cộng
lại. Nhng để các cột thu lôi có thể phối hợp đợc thì khoảng cách a giữa hai cột
phải thoả mãn a 7h ( trong đó h là độ cao của cột thu lôi ).
Khi có hai cột thu lôi đặt gần nhau thì phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa
hai cột là h
o

và đợc xác định theo công thức:
)(
a
hh
o
53
7
=
Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đờng nối hai chân cột là
r
xo
và đợc xác định nh sau:
)(
h
h
,
r
o
x
xo
63
1
61

+
=
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang
3
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
Hình (3 1 ):

Trường hợp hai cột thu lôi có chiều cao bằng nhau .
r
x
0,2h
h
1,5h
0,75h
r
xo
r
x
h
o
=h-a/7
R
h
x
0
a
- Trờng hợp hai cột thu lôi có độ cao khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo
vệ đợc xác định nh sau:
- Khi có hai cột thu lôi A và B có độ cao h
1
và h
2
nh hình vẽ dới đây:
(Hình 3 2 ):
Trường hợp hai cột thu lôi có chiều cao khác
nhau
a

'
2
h
2
1
h
1
3
R
a
- Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi C có độ cao h
2
, khi đó các khoảng
cách AB = a; BC = a
'
. Khi đó xác định đợc các khoảng cách x và a
'
nh
sau:
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang
4
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
)()hh.(
h
h
,
-ax-aa'
)hh.(
h
h

,
x
73
1
61
1
61
21
1
2
21
1
2

+
==

+
=
Đối với trờng hợp khi có hai cột thu lôi cao bằng nhau ta có phạm vi bảo vệ ở
độ cao lớn nhất giữa hai cột là h
o
:
7
a
hh
o
=
Tơng tự ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột B và C là:
)hh.(

h
h
,
ah
7
a'
hh
o 21
1
2
22
1
61

+
+==
)hh.(
h
h
,
r
xoxo

+
=
1
2
1
61
3.3.2- Các số liệu dùng để tính toán thiết kế cột thu lôi bảo vệ trạm biến áp

110/35kV .
- Trạm có diện tích là: 57 x 58,350m và bao gồm:
+ Hai máy biến áp T
1
và T
2

+ 2 lộ 110kV và 6 lộ 35kV.
- Độ cao các thanh xà phía 110kV là 10m và 8m.
- Độ cao các thanh xà phía 35kV là 9m và 7m.
- Ngoài ra trạm còn có 3 cột chiếu sáng cao 21m.
3.3.3- Trình tự tính toán .
Trạm biến áp E35 Phủ Lý đợc hai đờng 110kV cấp, một đờng từ Hà Đông cấp
về, một đờng từ Ninh Bình cấp lên, hai đờng 110kV này đợc nối với nhau qua máy
cắt liên lạc giữa hai hệ thống thanh góp.
Trạm có cấp điện áp 110/35kV và có hai máy biến áp T
1
; T
2
đợc nối với hai lộ
đờng dây vào 110kV và sáu lộ đờng dây 35kV.
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang
5
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
Phía 110kV có hai hệ thống thanh góp và có máy cắt liên lạc.
Sau khi khảo sát sơ bộ sơ đồ mặt bằng trạm, vị trí bố trí các thiết bị trong trạm
và yêu cầu bảo vệ của mỗi thiết bị, ta đa ra hai phơng án đặt cột thu lôi nh sau:
3.3.3.1- Ph ơng án 1 .
- Các cột thu lôi phía trạm 110kV đợc bố trí độc lập là cột số 5 có độ cao là
21m; các cột số 1 đến số 4 đợc bố trí trên các thanh xà có độ cao 10m và các cột

này có độ cao là 21m ( tính từ xà đến kim thu sét là 6m, kim thu sét cao 5m)
- Các cột thu lôi phía 35kV đợc bố trí trên các thanh xà có độ cao 9m, cột cao
thêm 7m, kim thu sét cao 5m là các cột số 6;7;8;9. Ngoài ra còn hai cột thu lôi
độc lập cao 21m là cột số 10 và 11. Hình ( 3 3 )
5
1 0 2
Tính độ cao tác dụng của cột thu lôi:
Để bảo vệ đợc một diện tích giới hạn bởi một tam giác (hoặc tứ giác) thì độ
cao của cột thu lôi phải thoả mãn: D 8h
a
Trong đó:
- D: Là đờng kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác ( hoặc tứ giác), tạo bởi các
chân cột. đó là phạm vi mà nhóm cột có thể bảo vệ đợc.
- h
a
: Là độ cao tác dụng của cột thu lôi.
Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo
vệ của cột đơn cộng lại. Điều kiện để cho hai cột thu lôi có thể phối hợp đợc với
nhau để bảo vệ đợc vật có độ cao h
x
nào đó là: a 7h
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang
6
Hình (33): Đờng tròn ngoại tiếp tam giác đi qua 3 chân cột thu lôi
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
Với a là khoảng cách giữa hai cột thu lôi.
- Xét nhóm cột 1;2;5.
Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đờng tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các
cột 1;2;5. (1 ữ 2 = 26m; từ điểm giữa 1ữ2 với 5 = 8,5m ) Và đờng kính vòng tròn
là:

Xét tam giác (1;2;5) , ta có: (1;2)=26 m ; (0;5)=8,5 m, suy ra :
m53,155,813)2;0()5;0()5;2(
2222
=+=+=
Ta có công thức để tính đờng kính đờng tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5):
)(
)cp).(bp).(ap.(p.
c.b.a
r 83
4


=
Trong đó: + p là nửa chu vi tam giác (1;2;5):
2
cba
p
++
=
+ r là bán kính đờng tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5).
Thay số vào (3 8 ) ta có:
Bán kính đờng tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5) là:
5328
2
5315531526
,
,,
p =
++
=

m.,
),,).(,,).(,.(,.
,.,.
r 214
531553285315532826532853284
5315531526
=

=
Đờng kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5) là: D =14,2. 2 = 28,4m.
Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 1;2;5 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới
hạn bởi chúng là:
m.,
,D
h
a
553
8
428
8
===
- Xét nhóm cột (3;4;5) ta có:
Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đờng tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các
cột 3;4;5. (3 ữ 4 = 17m; khoảng cách từ 5 đến (3ữ4)= 20,35m ).
Đoạn (4ữ5):
m.,, 9205204
22
=+=
Đoạn (3ữ5):

m.,, 272452013
22
=+=
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang
7
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
31
2
272492017
=
++
=
,,
p
m.,
),).(,).(.(.
,.,.
r 5512
272431920311731314
272492017
=

=
Đờng kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (3;4;5) là: D =12,55. 2 = 25,1m.
Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 3;4;5 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới
hạn bởi chúng là:
m.,
,D
h
a

143
8
125
8
===
- Xét nhóm cột (6;7;11) ta có:
Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đờng tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các
cột 6;7;11. Có: (6 ữ 7) = 15m; (6ữ11) = 15m ); (7ữ11) = 15.1,41 = 21,2m
625
2
2211515
,
,
p =
++
=
m.,
),,).(,).(,.(,.
,..
r 610
22162515625156256254
2211515
=

=
Đờng kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (6;7;11) là: D = 10,6. 2 =21,2m.
Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 6;7;11 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới
hạn bởi chúng là:
m.,
,D

h
a
652
8
221
8
===
Vì tam giác (8;9;10)bằng tam giác (6;7;11) nên ta có độ cao tác dụng tối thiểu
để các cột 8;9;10 bảo vệ đợc hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là:
m.,
,D
h
a
652
8
221
8
===
Các cột 2;5;3. Có: (2 ữ 5) = 19m; (3ữ5) = 24m ); (2ữ3) = 28,85m
935
2
85282419
,
,
p =
++
=
m.,
),,).(,).(,.(,.
,..

r 7514
852893524935199359354
85282419
=

=
Đờng kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (6;7;11) là: D = 14,75. 2 =29m.
Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang
8