Nghiên cứu giải pháp chống sét cho các đối tượng thuộc khu vực nhà điều khiển của trạm biến áp

...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHƯƠNG THẾ ANH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG
THUỘC KHU VỰC NHÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA TRẠM BIẾN ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN

Hà Nội, 2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHƯƠNG THẾ ANH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG
THUỘC KHU VỰC NHÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA TRẠM BIẾN ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS NGUYỄN LÂN TRÁNG

Hà Nội, 2008

Luận văn tốt nghiệp cao học.
MụC LụC
Mở đầu .......................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1 ...................................................................................................... 5
nhà điều khiển trạm biến áp trong hệ thống truyền
tải điện Việt Nam ................................................................................... 5
1.1. Kết cấu xây dựng của nhà điều khiển ........................................................ 5
1.2. Phòng phân phối trung áp ........................................................................... 6
1.3. Phòng thiết bị điều khiển............................................................................ 6
1.3.1. Bố trí chung của phòng thiết bị điều khiển ............................................. 6
1.3.2. Tủ phân phối điện xoay chiều hạ áp (tự dïng) ........................................ 7
1.3.3. Tđ ®iỊu khiĨn ®iƯn 1 chiỊu ...................................................................... 7
1.3.4. Hệ thống điều khiển của trạm biến áp truyền tải .................................... 8
1.4. Phần thiết bị viễn thông ............................................................................ 10
1.5. Một số đánh giá chung về các thiết bị trong hệ thống điều khiển trạm biến
áp hiện nay trong hệ thống điện Việt Nam. .................................................... 10
CHƯƠNG 2 .................................................................................................... 13
Phân tích nguyên lý phát sinh và tác hại của xung
quá điện áp do sét tác động đến các thiết bị ở nhà
điều khiển................................................................................................. 13
2.1. Phân tích một số loại xung quá ®iƯn ¸p ................................................... 13
2.1.1. Xung qu¸ ®iƯn ¸p chun tiÕp .............................................................. 13
2.1.2. Nguyên nhân sinh ra quá điện áp xung.................................................15
2.2. §iĨm qua mét sè kiÕn thøc vỊ sÐt ............................................................ 16
2.3. Phân tích các nguyên nhân dẫn đến quá điện áp xung làm hư hỏng thiết bị
nhà điều khiển và phòng thiết bị thông tin viễn thông .................................... 21
2.3.1. Kết nối dạng điện trở ............................................................................. 21
2.3.2. Kết nối cảm ứng.....................................................................................24

2.3.3. Kết nối điện dung .................................................................................. 24
2.3.4. ảnh hưởng của sét lên mạch cung cấp nguồn cho thiết bị trong nhà điều
khiển và thiết bị phòng thông tin viễn thông. .................................................. 24
2.3.4. ¶nh h­ëng cđa sÐt qua hƯ thèng tiÕp ®Êt ............................................... 26
2.4. Hậu quả do tác động của quá điện áp xung do sét đến các thiết bị nhà điều
khiển và thiết bị viễn thông ............................................................................. 30
2.5. Sự bảo vệ có cần thiết hay không ............................................................. 32
CHƯƠNG 3 .................................................................................................... 34
sử dụng mô hình nguồn phát xung sét chuẩn và mô
hình chống sét van trung áp để đánh giá ảnh hưởng
của sét trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh trực
tiếp lên đường dây trung áp ...................................................... 34
3.1 Mô hình nguồn phát xung sét chuẩn. ........................................................ 34
Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao häc kho¸ 2005-2007.

1


Luận văn tốt nghiệp cao học.
3.1.1. Xung sét quy định theo tiêu chuẩn đối với thử nghiệm bằng dòng điện
xung sÐt: .......................................................................................................... 34
3.1.2. Mơ hình nguồn phát xung sét chuẩn xây dựng trong mơi trường Matlab.
......................................................................................................................... 35
3.1.3. Tính tốn các thơng số cho mơ hình ..................................................... 39
3.1.4. Chạy mơ phỏng mơ hình nguồn phát xung dịng điện sét chuẩn cho
dịng điện sét chuẩn có dạng sóng 10kA_10/350μs. ....................................... 41
3.2. Mơ hình chống sét van trung áp MV_ MOV ........................................... 44
3.2.1. Mơ hình sử dụng ................................................................................... 44
3.2.2. Phương pháp xác định các thơng số ...................................................... 44
3.2.3. Mơ hình các phần tử phi tuyến A 0 và A 1 .............................................. 45

3.2.4. Mô hình chống sét van trung thế hồn chỉnh ........................................ 47
3.2.5 Thực hiện mơ hình mơ phỏng cho chống sét van ca cỏc hóng trờn th
gii................................................................................................................... 48
3.3. Khảo sát hiện tượng quá điện áp trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh trực
tiếp tới đường dây trung áp .............................................................................. 52
3.3.1. Mụ phỏng hệ thống bảo vệ quá áp do sét lan truyền trên đường dây. .. 52
3.3.2. Mơ hình hệ thống bảo vệ quá áp ......................................................... 53
4.3. Đánh giá hiệu quả bo v ca van chng sột trung ỏp ............................ 56
CHƯƠNG 4 .................................................................................................... 59
Đề XUấT giải PHáP ChốNG ảNH HƯởNG CủA XUNG QUá ĐIệN
áP DO SéT TáC ĐộNG ĐếN CáC THIếT Bị TRONG NHà ĐIềU
KHIểN............................................................................................................ 59
4.1. Chống các xung quá điện áp bằng phương pháp đi dây, nối đất .............. 59
4.1.1. Biện pháp đi dây cáp các loại ................................................................ 59
4.1.2. Biện pháp liên quan tới nối đất .............................................................. 60
4.2. Chống xung quá điện áp do sét cho các thiết bị bằng thiết bị chống sét . 63
4.2.1. Giải pháp chống xung quá điện áp ........................................................ 63
4.2.2. Cách lựa chọn thiết bị chống xung quá điện áp do sét .......................... 64
4.2.3. Một số điểm quan trọng khi lắp đặt thiết bị chống xung quá áp........... 71
4.3. Mức đầu tư về bảo vệ chống xung quá điện áp ........................................ 75
Kết luận .................................................................................................... 77
TàI LIƯU THAM KH¶O ............................................................................ 79
Giíi thiƯu mét sè trang web liên quan ............................... 80
một số từ viết tắt trong đề tài ................................................ 80
MộT Số PHụ LụC
Phụ lục 1: Thông số kü tht cđa mét sè MOV trung thÕ.
Phơ lơc 2: Mét sè thiÕt bÞ chèng sÐt lan trun.
Phơ lơc 3: Một số hình ảnh khảo sát thực tế.
Phụ lục 4: HƯ thèng cÊp ®iƯn tù dïng cho TBA 110kV Can lộc.
Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học khoá 2005-2007.

2


Luận văn tốt nghiệp cao học.
Mở đầu
Trong những năm qua Tập đoàn Điện Lực Việt Nam rất quan tâm đến
lĩnh vực nghiên cứu chống sét. ĐÃ có một số đề tài nghiên cứu khoa học đề
cập tới nhiều mặt trong lĩnh vực này, nhưng các tài liệu đó chủ yếu quan t©m
nhiỊu tíi néi dung chèng sÐt cho hƯ thèng điện như đường dây và trạm biến áp
(TBA). Trên thế giới vấn đề nghiên cứu chống sét tác động vào các đối tượng
của nhà điều khiển TBA rất được chú ý quan tâm. Qua nghiên cứu này rút ra
được những ý nghĩa cần thiết như: có những nội dung tưởng chừng như không
quan trọng nhưng lại có vai trò lớn trong bảo vệ chống sét nhất là với những
đối tượng cần bảo vệ nhạy cảm với các xung quá điện áp như các thiết bị điện
tử, thông tin viễn thông.
Hiện nay ở Việt Nam chưa có tài liệu chuyên về chủ đề chống sét cho
đối tượng là nhà điều khiển TBA. Các quy phạm, tiêu chuẩn của Việt Nam về
lĩnh vực này chưa cập nhật, bổ xung những nội dung mới cho phù hợp với tình
hình phát triển chung của công nghệ trên thế giới. Việc nghiên cứu đề tài này
có mục đích như sau:
- Đánh giá được hiệu quả của hệ thống bảo vệ quá áp trên lưới điện
trung áp và ảnh hưởng của sét lên mạch cung cấp nguồn cho các thiết bị trong
nhà điều khiển qua hệ thống mô phỏng mô hình nguồn phát xung sét chuẩn và
mô hình chống sét van trung áp để từ đó đề xuất giải pháp chống sét cho các
thiết bị điện tử và thiết bị thông tin trong nhà điều khiển.
-Hoàn thành một tài liệu có thể dùng để tham khảo trong quá trình thiết
kế các dự án.
Thông tin chung và qua khảo sát ở một số trạm biến áp cho thấy thực tế
chưa có nhiều hiện tượng hư hỏng được xác định gắn với hiện tượng sét xong

cũng có một số sự cố hư hỏng ở các thiết bị điều khiển, tự động hoá các trạm
điện, nhà máy điện thuộc EVN quản lý nhưng việc xác định nguyên nhân gặp
nhiều khó khăn. Nhiều ý kiến cho rằng có những sự cố gắn với nguyên nhân
do quá điện áp thiên nhiên. Việc này hoàn toàn có lý khi mà các thiết bị đang
được nâng cấp chuyển sang thế hệ dùng các mạch tích hợp (IC), các chíp vi xử
lý mật độ cao... ngày càng nhiều. Những thế hệ thiết bị mới này tuy có những
tính năng rất ưu việt song lại có nhược điểm là mức chịu quá điện áp rất thấp.
Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học khoá 2005-2007.

3


Luận văn tốt nghiệp cao học.
Các thiết bị thế hệ cũ có khả năng chịu được những xung quá điện áp mà thế
hệ mới có thể dễ dàng bị phá hủy. Trong phụ lục 3, ảnh P4.6 có ghi lại sự kiện
lúc 23g30 phút tại TBA 220kV-Việt Trì có hiện tượng sét đánh làm lỗi đường
truyền từ rơ le vào máy tính làm hệ thống bị cô lập không điều khiển được. Để
chống quá điện áp cho thiết bị hiệu quả cần phải có đầu tư nghiên cứu các
biện pháp tổng hợp như nối đất, lắp đặt các thiết bị chống sét mới, đi dây
cáp
Em xin chân thành cảm ơn về sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn
PGS.TS. Nguyễn Lân Tráng, các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điệntrường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, cùng bạn bè, đồng nghiệp đà giúp đỡ em
trong quá trình hoàn thiện bản luận văn này. Tuy nhiên, do thời gian hạn chế,
nhiệm vụ nghiên cứu có liên quan đến nhiều vấn đề đòi hỏi một vốn kiến thức
rộng và một lượng thông tin rất lớn trong lĩnh vực hệ thống điện và hệ thống
thông tin nên mặc dù đà hết sức cố gắng, song chắc chắn em không tránh khỏi
những sai sót. Em mong muốn và chân thành cảm ơn mọi góp ý nhận xét của
thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà nội, ngày

tháng 4 năm 2008

Người viết

Khương Thế Anh

Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao häc kho¸ 2005-2007.

4


Luận văn tốt nghiệp cao học.
CHƯƠNG 1
nhà điều khiển trạm biến áp trong hệ thống truyền
tải điện Việt Nam
Để có căn cứ xem xét ảnh hưởng của các xung sét đến các thiết bị điện
tử trong nhà điều khiển trạm biến áp, ở đây ta đi xem xét cấu tạo các thành
phần cơ bản của nhà điều hành làm căn cứ cho việc nghiên cứu chống sét cho
các thiết bị.
1.1. Kết cấu xây dựng của nhà điều khiển
Nhà điều khiển trạm biến áp của các trạm truyền tải 110kV, 220kV nói
chung thường là loại nhà 1 tầng, có diện tích khoảng 20 x 25m, và tùy theo
quy mô công suất và số lượng máy biến áp, số lộ tới và lộ ra có thể có nhà
được xây dựng đến diện tích 500m2. Trong nhà thường có các phòng: phòng
đặt thiết bị điều khiển, phòng đặt thiết bị phân phối, phòng acquy, phòng trực
nhân viên, phòng kho... Tùy theo nhu cầu và thực tế dạng thiết bị mà các
phòng có diện tích khác nhau. Đối với các trạm hiện đang dùng thiết bị cũ của
Liên Xô có kích thước lớn thì chiếm diện tích nhiều, với các trạm mới xây
dựng gần đây chủ yếu là các thiết bị thế hệ mới dạng số hoá với các công nghệ

cao có độ chiếm dụng không gian nhỏ thì hiện nay được bố trí trong khuôn
viên gọn nhỏ.
Một số nhà điều hành có thể là nhà 2 tầng hoặc hơn như nhà điều hành
trạm biến áp 220 - 110kV Thái Nguyên.
Các nhà điều khiển hiện nay được thiết kế nằm trong khuôn viên mặt
bằng chung của trạm. Phần xây dựng được chống sét trực tiÕp b»ng hƯ thèng
chèng sÐt chung cđa tr¹m. Ph¹m vi bảo vệ của các hệ thống chống sét này
được các kỹ sư thiết kế trạm tính toán theo tiêu chuẩn ngành xây dựng. Với
các trạm do Việt Nam và Liên Xô thiết kế thường tính theo tiêu chuẩn chống
sét cho công trình của Bộ Xây dựng: TCXD 46-84. Đây là bộ tiêu chuẩn thực
tế được soạn thảo từ bộ tiêu chuẩn chống sét cho các công trình xây dựng của
Liên Xô trong thập niên 1960. Với trạm được các tổ chức tư vấn nước ngoài
thiết kế như trạm 500kV Hoà Bình, Phú Lâm, Hà Tĩnh ... thì được tính theo
các tiêu chuẩn chống sét của các tổ chức quốc tế như bộ tiêu chuẩn chống sét
cho các công trình xây dựng: IEC 61024; NPA 780; BS 61024 ...
Học Viên: Khương ThÕ Anh-Líp cao häc kho¸ 2005-2007.

5


Luận văn tốt nghiệp cao học.
Phần hệ thống nối đất của nhà trạm nói chung được thiết kế gắn liền với
tổng thể mạng nối đất của trạm biến áp.
1.2. Phòng phân phối trung áp
Các tủ điện phân phối thường ở các cấp điện áp trung như: 35kV; 22kV;
10kV; 6kV. Các lộ ra trung áp cấp đi các tuyến trung thế, các khu công nghiệp
hoặc các phụ tải cao áp như các nhà xưởng, động cơ dùng điện áp cao ... Như
vậy phòng phân phối trung áp gồm các tủ phân phối, các thiết bị đóng cắt
chuyển mạch, các thiết bị bảo vệ, thiết bị phụ khác. Các đường cáp điện lực
vào ra các tủ phân phối thường được đi ngầm theo các mương cáp bằng bê

tông cốt thép hoặc xây bằng gạch xi măng. Các cáp đặt trên các giá chuyên
dụng. Phòng phân phối thường được xây dựng chung với nhà điều khiển và có
hình dạng, quy mô, theo nhu cầu của từng hộ phụ tải và quy hoạch tương lai.
Với các trạm biến áp truyền tải cho các hộ bình thường thì phòng phân phối
thường ít lộ ra nhưng với các trạm biến áp của các nhà máy lớn như cán thép,
xi măng, nhà máy lọc dầu, hóa chất ... thì thường có nhiều lộ ra cung cấp cho
các hộ phụ tải chuyên dùng. Các trạm này có phòng phân phối lớn và nhiều
đường, mương cáp điện lực, cáp điều khiển...
1.3. Phòng thiết bị điều khiển
1.3.1. Bố trí chung của phòng thiết bị điều khiển
Gồm nhiều tủ chứa các thiết bị điều khiển, đo đếm, chỉ thị các thông số
của hệ thống điện. Thường phòng điều khiển của các trạm điện 110kV, 220kV
có công suất trung bình và nhỏ, có ít lộ đến và đi, ít máy biến áp thì phòng bố
trí các tủ điều khiển, các tủ đo đếm công tơ, tủ viễn thông, tủ phân phối điện
xoay chiỊu, tù dïng mét chiỊu ... chung trong mét phßng. Một số nhà điều
khiển của trạm có số lượng biến áp lớn, nhiều ngăn lộ thì có thể sẽ bố trí riêng
như có phòng chứa thiết bị điều khiển, phòng thiết bị phân phối, phòng viễn
thông v.v ... Tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam cũng nhiều loại nhà điều khiển có
bố trí khác nhau phụ thuộc vào điều kiện địa hình, mức độ diện tích cho phép
và cả ý ®å thÈm mü riªng cđa ngi thiÕt kÕ. Nh­ng tÊt cả đều có một khuôn
mẫu chung là các tủ lắp thiết bị đều bằng tôn khung sắt bố trí trên mặt bằng
nhà trạm có các mương cáp ngầm. Các cáp cấp nguồn và cáp tín hiệu thu nhận,
điều khiển ... đều được bố trí chạy trong mương cáp đó. Một số nhà điều khiển
2 tầng (ví dụ như nhà điều khiển của trạm biến áp 110 220kV Thái Nguyên)
Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học khoá 2005-2007.
6


Luận văn tốt nghiệp cao học.
thì có thêm một tầng lửng và tầng này được coi như mương cáp ngầm, các cáp

điện được bố trí chạy trong tầng lửng này. Đây cũng là một mô hình hay rất
thuận tiện cho thi công và kiểm tra vận hành, sửa chữa. Các nhân viên trực
điều hành thường được bố trí vị trí làm việc ngay trong phòng thiết bị điều
khiển.

1.3.2. Tủ phân phối điện xoay chiều hạ áp (tự dùng)
Thường ở các trạm điện có 2 máy biếp áp tự dùng được lấy từ 2 nguồn
trung thế khác nhau mục đích để tăng cường an toàn cung cấp điện. Các nhu
cầu dùng điện của toàn trạm được lấy từ các máy biến áp này. Tủ phân phối
xoay chiều có nhiệm vụ phân phối cho các hộ phụ tải điện tự dùng của trạm.
Các phụ tải tự dùng ở trạm bao gồm: máy nạp acquy, ánh sáng trong và ngoài
trạm, các thiết bị sử dụng điện xoay chiều hạ áp trong hệ thống tự động điều
khiển, các thiết bị dân dụng phục vụ nhân viên ... Các máy biến áp tự dùng
thường được bố trí trên mặt bằng gần nhà trạm điều khiển, có thể được đặt
trên mặt đất, một số được bố trí
trên giá sắt. Các cáp điện lực
trung áp và hạ áp đều được bố trí
đi ngầm trong hào cáp. Các điều
kiện nối đất được thực hiện theo
quy định chung của quy phạm
ngành. Tủ điều khiển phân phối
xoay chiều có nhiệm vụ điều
khiển việc cấp điện cho các phụ
tải yêu cầu của trạm. Hình 1-1 là
sơ đồ tự dùng trạm biến áp 110
kV Gò Đầm Thái Nguyên.
Hình 1-1- Sơ đồ điện tự dùng trạm
biến áp 110 kV Gò Đầm
1.3.3. Tủ điều khiển điện 1 chiều
Trong trạm có nhiều phụ tải dùng điện một chiều như chiếu sáng sự cố,

mạch cấp điện cho các động cơ máy cắt, cấp điện cho các tủ điều khiển, các
thiết bị đo lường, thiết bị viễn thông. Thường các trạm đều được trạng bị ít
nhất là 2 bộ acquy và 2 tủ thiết bị nạp acquy. Cáp nguồn của các bộ nạp được
lấy từ nguồn phân phối xoay chiều tại trạm. Các cáp cấp điện cho bộ nạp và
các cáp cấp nguồn 1 chiều đi các phụ tải cũng được bố trí đi trong các mương
cáp.
Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học khoá 2005-2007.

7


Luận văn tốt nghiệp cao học.

1.3.4. Hệ thống điều khiển của trạm biến áp truyền tải
Đây là các phần phức tạp
nhất của nhà điều khiển. Các
thiết bị được bố trí thành các tủ
có nhiều chức năng, nhiệm vụ.
Các chức năng chính gồm các
nhiệm vụ sau:
- Các hiển thị thông số của
máy biến áp, đường dây như:
điện áp, dòng điện các lộ,
nhiệt độ, tần số điện áp nguồn, công suất các loại ...
- Các thiết bị điều khiển đóng cắt: máy cắt cao áp các lộ, máy cắt phân đoạn,
đóng cắt các thiết bị khác ra khỏi mạng cao áp, đóng cắt tiếp đất ...
- Các thiết bị đo lường công suất tiêu thụ.
- Các thiết bị rơle bảo vệ máy biến áp, rơle bảo vệ đường dây...
Hiện nay với các trạm 220kV trở lên và ở một số trạm 110kV cũng
đà lắp đặt và vận hành hệ thống SCADA/EMS/DMS. Đây là hệ thống hiện đại

dùng trong công tác tự động hóa, giám sát, điều khiển từ xa ... Các thiết bị hầu
hết ở thế hệ kỹ thuật số. Các đường truyền chủ yếu là dùng qua mạng nội bộ,
mạng viễn thông Điện lực, mạng viễn thông của ngành viễn thông. Như vậy
việc giao tiếp của thiết bị với nhau là rất phong phú. Nhưng cũng vì vậy khả
năng tiếp xúc với các nguồn quá điện áp cũng lớn và việc nghiên cứu chống
các tác động này càng trở lên cần thiết.
Các thiết bị trong nhà điều khiển được liên kết với nhau và với các thiết
bị khác trong trạm bằng các dây cáp điện điều khiển và đều được đi trong các
mương cáp nội bộ trong trạm và nhà điều khiển. Tùy theo quy mô của từng
trạm mà mức độ thiết bị có khác nhau nhưng nói chung số lượng cáp tham gia
hệ thống điều khiển là rất lớn.
ở đây luận văn trình bày tóm lược quy mô và yêu cầu chung của hệ
thống điều khiển tích hợp trạm biến áp làm căn cứ cho các đề xuất giải pháp
chống sét cho các thiết bị điện tử, thiết bị kỹ thuật số và thiết bị thông tin
trong nhà điều khiển trạm biến áp trạm biến áp.
Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao häc kho¸ 2005-2007.

8


Luận văn tốt nghiệp cao học.
Quy mô của hệ thống tích hợp

Hệ thống tích hợp trạm trên cơ sở một hệ thống máy tính được sử dụng
để tập hợp các hệ thống hoạt động độc lập, chẳng hạn như hệ thống SCADA,
thông tin liên lạc, rơ le bảo vệ, điều khiển thiết bị điện, đo lường, báo sự cố,
điều khiển tự động hệ thống phân phối, đưa vào một hệ thống lưu trữ dữ liệu,
điều khiển và giám sát thống nhất trong trạm. Hệ thống tích hợp trạm sẽ đưa
ra một khuôn khổ chung tạo điều kiện cho việc phối hợp hoạt động giữa các
thiết bị điện tử thông minh (IEDs), thiết bị cơ điện, hiện tại và tương lai nhằm

làm cho hệ thống điều khiển và giám sát trong các trạm của Tập đoàn Điện
lực Việt Nam hiệu quả hơn, tiết kiệm hơn.
Sự tích hợp trong quy định này là sự giao diện với các thiết bị ngoài
trạm và các thiết bị điện tử thông minh (IEDs) cho phép liên kết mạng và trao
đổi dữ liệu giữa các hệ thống, giữa những người sử dụng trong và ngoài trạm.
Xét trên diện rộng, các thiết bị đặt ngoài trạm và các thiết bị điện tử thông
minh có thể được lắp đặt tại các nhà máy điện, trong trạm, mặt bằng ngoài
trạm, các đường dây truyền tải, các lộ phân phối hoặc tại các giao diện với
khách hàng.
Hệ thống tích hợp trạm bao gồm các phần chính sau đây:
1. Bộ xử lý chủ (trung tâm) tại trạm: đây là giao diện liên lạc trung tâm
và khối xử lý của hệ thống tích hợp. Bộ xử lý tại trạm hoạt động như là bộ xử
lý chủ tại chỗ để lưu trữ dữ liệu, tính toán, điều khiển, hiện diện các thông tin
về trạm dưới các khuôn dạng khác nhau trên giao diện của người sử dụng tại
chỗ (UI), cất giữ các thông tin cho công việc phân tích trong tương lai và lưu
giữ các bản ghi.
2. Mạng cục bộ tại trạm (LAN): LAN tạo ra sự liên lạc giữa các phần tử
của hệ thống tích hợp và các thiết bị điện tử thông minh IEDs.
3. Các giao diện của hệ thống liên lạc: giao diện với các thiết bị IED s
của trạm nhằm dịch các thủ tục IED s sang thủ tục chung của LAN phục vụ
các dịch vụ truy nhập. Giao diện với hệ thống SCADA/EMS hiện hữu và hệ
thống MINI SCADA cđa l­íi ph©n phèi (nÕu cã). HƯ thèng tÝch hợp trao đổi
thông tin với các hệ thống bên ngoài và người sử dụng từ xa. Trợ giúp các

Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học khoá 2005-2007.

9


Luận văn tốt nghiệp cao học.

dạng giao diện khác nhau khi mở rộng hệ thống tích hợp tới các lộ phân phối
hoặc tại các trạm khách hàng nhỏ hơn.
4. Giao diƯn víi ng­êi sư dơng: cho phÐp ng­êi vËn hµnh truy nhập,
phát triển và bảo dưỡng hệ thống dữ liệu và thực hiện các thao tác điều khiển
các thiết bị trong trạm.
1.4. Phần thiết bị viễn thông
Hiện nay mức độ trang bị thiết bị viễn thông trong các trạm biến áp
truyền tải điện đều được trang bị hệ thống cáp quang. Tuy nhiên mỗi trạm tùy
theo yêu cầu mà được trang bị các loại thiết bị thông tin khác nhau và mức độ
cũng khác nhau. Với chiến lược phát triển của ngành viễn thông điện lực hiện
nay và tương lai thì ngoài nhiệm vụ nâng cao khả năng phục vụ các nhu cầu
thiết yếu cho các hoạt động của hệ thống điện, viễn thông điện lực còn phải
tham gia hoạt động viễn thông công cộng. Vì vậy tương lai các trang bị cho
ngành viễn thông điện lực cũng được hiện đại hóa cao. Việc phòng chống các
loại tác động của sét đến thiết bị này là hết sức cần thiết.
1.5. Một số đánh giá chung về các thiết bị trong hệ thống điều khiển trạm
biến áp hiện nay trong hệ thống điện Việt Nam.
Qua khảo sát và các số liệu cho thÊy hiƯn nay trong hƯ thèng ®iƯn ViƯt
Nam ®ang tồn tại nhiều loại thiết bị điều khiển, có thể phân loại như sau:
1. Thế hệ thiết bị điều khiển rơle cơ. Hiện nay vẫn còn tồn tại ở các
trạm biến áp cũ và đang được thay thế dần bằng các thế hệ thiết bị mới. Đặc
điểm chung của thế hệ thiết bị này là chiếm một không gian lớn, khả năng đáp
ứng mức độ tự động hóa không cao, không còn phù hợp với yêu cầu hiện nay
cho các trạm biến áp hiện đại. Mức độ chịu quá áp xung cao hơn các loại sử
dụng bán dẫn, vi mạch tổ hợp.
2. Thiết bị thế hệ kỹ thuật tương tự (Analoge). Trong đó lại có thể phân
loại ra các loại là thiết bị dùng các mạch điện tử bán dẫn. Loại dùng thuần bán
dẫn, vi mạch tổ hợp.
3. Thiết bị thế hệ kỹ thuật số (Digital). Đây là thế hệ dùng chủ yếu
mạch điện tử bán dẫn và vi mạch với các chip điện tử có mật độ bán dẫn cao.

ưu thế của thế hệ này là có độ nhạy cao, tích hợp được nhiều chức năng trong
một thiết bị, chiếm không gian nhỏ, tiêu thụ ít điện năng, khả năng thực hiện
lập trình cho tự động hóa cao. Nói chung đây là thế hệ thiết bị hiện đại và đáp
Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học khoá 2005-2007.

10


Luận văn tốt nghiệp cao học.
ứng ngày càng tốt cho tự động hóa cao của ngành điện song chúng có chung
một nhược điểm quan trọng là khả năng chịu quá điện áp rất thấp. Với những
mức điện áp những thế hệ thiết bị trước đây chịu đựng được thì thế hệ sau
không có khả năng chống chịu. Các nguyên lý gây hỏng và cách phòng chống
sẽ được trình bày trong các phần sau của đề tài.
4. Một trong các yếu tố cũng cần xem xét đó là trong các nhà điều
khiển hiện nay có nhà có các thiết bị điều khiển thế hệ cũ của Liên Xô, có nhà
thì vừa tồn tại cả thiết bị cũ và được bổ sung các tủ thiết bị mới. Những nhà
thuộc các trạm mới xây dựng thì hầu như được trang bị mới các thiết bị kỹ
thuật số.
5. Một trong những vấn đề cũng cần quan tâm là hiện nay cùng tồn tại 2
loại cáp dẫn truyền tín hiệu là cáp kim loại và cáp quang. Các loại cáp này
cũng phản ứng rất khác nhau với các xung quá điện áp cảm ứng. Việc xem xét
khả năng chống quá áp cảm ứng của từng loại là rất cần thiết.
6. Qua phân tích các quy mô và yêu cầu chung của hệ thống tích hợp
điều khiển trạm biến áp ở phần 1.3.4 cho thấy với các trạm biến áp trang bị hệ
thống tích hợp hiện ®¹i sÏ cã møc ®é phøc t¹p rÊt cao, tõ đó sẽ có những nguy
cơ xảy ra hư hỏng do tác động của quá điện áp theo nhiều con đường khác
nhau. ở đây có thể tóm tắt các ý chính cần phân tích cho các nội dung liên
quan của đề tài:
- Hệ thống hầu hết là các thiết bị điện tử kỹ thuật số với các mạch tích

hợp vi xử lý có mức hoạt động ở nguồn thấp (vài vol đến vài chục vol). Độ
nhạy của mạch cao đồng nghĩa với mức chịu đựng quá áp các loại thấp (vài
chục vol).
- Hệ thống có độ giao tiếp lớn: các mạng LAN, WAN, mạng với các
thiết bị viễn thông khác. Do đó việc đánh giá các nguy cơ hư hỏng do tác động
của các nguồn quá áp khác nhau là rất phức tạp.
- Các tổ hợp thiết bị được nối với nhau bằng các đường dây có tính chất
khác nhau như: cáp đồng có bọc kim, cáp đồng không bọc kim, cáp quang có
bọc kim, cáp quang có phần kim loại chịu lực.
- Khoảng cách nối bằng các loại cáp khác nhau, từ các thiết bị ngoài
mặt bằng trạm (vài trăm mét) đến giữa các thiết bị trong trạm (có khoảng cách
vài mét đến hàng chục mét).
Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao häc kho¸ 2005-2007.

11


Luận văn tốt nghiệp cao học.
- Cáp nối giữa các thiết bị được đi trong các rÃnh cáp hoặc trong nhà
trạm, tủ thiết bị. Cáp quang đi theo đường dây cao áp sau đó đi vào trạm và đi
vào nhà điều khiển và viễn thông.
Kết luận: Qua trình bầy tổng quan về nhà điều khiển của trạm biến áp ta thấy
trong nhà điều khiển có các thiết bị điện tử, thiết bị kỹ thuật số và các thiết bị
thông tin rất quan trọng, các thiết bị này có độ nhạy cao, tích hợp được nhiều
chức năng trong một thiết bị, chiếm không gian nhỏ, tiêu thụ ít điện năng, khả
năng thực hiện lập trình cho tự động hóa cao. Nói chung đây là thế hệ thiết bị
hiện đại và đáp ứng ngày càng tốt cho tự động hóa cao của ngành điện song
chúng có chung một nhược điểm quan trọng là khả năng chịu quá điện áp rất
thấp nên cần phải có biện pháp bảo vệ an toàn cho các thiết bị này khỏi các
xung quá điện áp.

Học Viên: Khương ThÕ Anh-Líp cao häc kho¸ 2005-2007.

12


Luận văn tốt nghiệp cao học.
CHƯƠNG 2
Phân tích các nguyên lý phát sinh
và tác hại của các xung quá điện áp do sét tác động
đến các thiết bị ở nhà điều khiển
Một nhà điều khiển cũng như các công trình xây dựng khác, yêu cầu về
chống sét trực tiếp là rất cần thiết. Qua khảo sát thực tế, thấy hầu hết các nhà
trạm đều có thiết kế chống sét trực tiếp bằng các cột độc lập. Các thông số
chuyên môn đều đạt yêu cầu chống sét theo quy phạm hiện hành. Nói chung
do ở trong mặt bằng trạm và yêu cầu tiếp đất của trạm biến áp bao giờ cũng
cao hơn yêu cầu của chống sét trực tiếp mà hai hệ thống tiếp đất này thường
nối chung với nhau do vậy trị số tiếp đất của hệ thống chống sét trực tiếp luôn
đạt yêu cầu. Có thể nói vấn đề nối đất và chống sét đánh trực tiếp cho nhà điều
hành của trạm không cần xem xét tới trong đề tài này. Để làm căn cứ khoa
học cho các nội dung giải pháp bảo vệ thiết bị, chương này sẽ phân tích một
số nguyên lý tác động của xung quá điện áp tới các thiết bị cần phòng chống.
2.1. Phân tích một số loại xung quá điện áp
Các thiết bị ®iƯn tư, kü tht sè cđa nhµ ®iỊu khiĨn vµ viễn thông rất dễ
bị hư hỏng do một loại xung quá điện áp. Xung quá điện áp này có thể do sét
sinh ra và có thể phát sinh trong các mạch điện do các hoạt động như đóng
ngắt tải lớn, đóng cắt mạch do sự cố .... Để có thể thuận lợi cho theo dõi ở đây
luận văn đi phân tích một số các dạng sóng quá điện áp.
2.1.1. Xung quá điện áp chuyển tiếp
Xung quá điện áp chuyển tiếp là sự tăng điện áp trong thời gian cực

ngắn đo được giữa hai hay nhiều dây dẫn. Sự tăng điện áp này trong khoảng
thời gian từ vài phần triệu giây đến vài phần nghìn giây. Mức tăng điện áp có
thể có giá trị từ vài vôn đến vài nghìn vôn. Điện áp này tồn tại giữa hai hay
nhiều dây dẫn. Đối với một nguồn cung cấp điện chính, các dây dẫn này có
thể là dây nóng, dây pha, dây trung hòa hoặc dây nối đất.

Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao häc kho¸ 2005-2007.

13


Luận văn tốt nghiệp cao học.

Theo định nghĩa, xung quá điện áp
chuyển tiếp là một dạng nhiễu loạn hoạt
động đặc biệt. Do vậy ta cần liệt kê ngắn
gọn các dạng nhiễu điện khác để hiểu rõ
xung quá điện áp quá độ là những hiện
tượng nào.
Hầu như mọi dạng nhiễu điện ®Ịu
cã thĨ biĨu diƠn d­íi d¹ng biÕn thĨ cđa
ngn cÊp điện thông thường (như hình
2.1)
Sự ngừng hoạt động, cắt điện hoặc
mất điện (power cut) đều là những thuật
ngữ được dùng để chỉ sự ngắt hoàn toàn
nguồn điện trong thời gian từ vài phần
nghìn giây đến nhiều giờ. Sự mất điện
trong thời gian cực ngắn làm cho đèn
nhấp nháy cũng có thể đủ để phá hỏng

máy tính và các thiết bị điện có độ nhạy
cao khác (hình 2.2).

Hình 2.1- Nguồn cấp điện
thông thường

Hình 2.2- Cắt điện

Hình 2.3- Sự sụt áp

Hình 2. 4- Quá áp

Sự sụt áp (undervoltage) là hiện
tượng điện áp nguồn cung cấp giảm được
duy trì, kéo dài từ vài giây trở lên (hình
2.3).
Sự quá áp (swell) là hiện tượng
điện áp cung cấp tăng được duy trì, kéo
dài từ vài giây trở lên (hình 2.4).
Hình 2.5- Quá điện áp xung

Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học khoá 2005-2007.

14


Luận văn tốt nghiệp cao học.
Xung quá điện áp chuyển tiếp (Transient overvoltages) hay Quá áp
xung là hiện tượng tăng điện áp kéo dài không quá phần nghìn giây. Đây là
dạng quá điện áp chủ yếu tác động vào thiết bị điện tử nhạy cảm và làm hư

hỏng thiết bị hoặc làm sai lệch thông số dẫn
tới làm hư hại hoặc rối loạn sự làm việc của hệ
thống. Để đơn giản từ đây ta gọi loại quá điện
áp này là: quá điện áp xung (hình 2.5).
Tiếng ồn điện hay sự nhiễu sóng radio Hình 2.6- Nhiễu sóng radio
(RFI) là những hiện tượng sóng hình sin thông
thường bị bóp méo liên tục bởi một tần số cao
từ 5kHz trở lên (hình 2.6).
Xung điện từ hạt nhân (NEMP- Nuclear
Electromagnetic Pulse) là các xung năng lượng
do nổ hạt nhân hoặc do bức xạ cường độ lớn
của mặt trời gây ra. Xung quá điện ¸p chun
tiÕp NEMP diƠn ra nhanh h¬n nhiỊu so víi các
xung quá điện áp chuyển tiếp thông thường
Hình 2.7- Xung điện từ
(hình 2.7).
hạt nhân
Sự phóng điện tĩnh (ESD- Electrostatic
dischage) là một hiện tượng có bản chất khác.
Không giống các trường hợp trên, hiện tượng
này không có xu hướng được truyền đi trên các
đường dây điện hoặc đường truyền dữ liệu. Các
điện tích tĩnh được tạo ra khi hai vật cách điện
Hình 2.8 - Phóng điện tĩnh
cọ xát với nhau. Một vËt tÝch ®iƯn sÏ phãng
®iƯn khi nã tiÕp xóc víi một vật dẫn điện. Một
ví dụ thông thường cho cơ chế tích điện là 1 người đi trên các thảm làm từ sợi
tổng hợp. Hiện tượng phóng điện xảy ra khi người mang điện tích này chạm
vào tay nắm cửa hoặc bàn phím máy vi tính (hình 2.8).
2.1.2. Nguyên nhân sinh ra quá điện áp xung

Quá điện áp xung có 2 nguồn chính gây ra: sét và hoạt động đóng ngắt
điện. Sét có thể gây ra quá điện áp xung ở cả nguồn cấp điện chính và các
đường truyền dữ liệu, tín hiệu hoặc đường dây điện thoại.
Học Viên: Khương ThÕ Anh-Líp cao häc kho¸ 2005-2007.

15


Luận văn tốt nghiệp cao học.
Sự phóng sét có thể đạt trị số dòng từ vài kA đến vài trăm kA (hầu hết
các tài liệu như Lightning của Mactin Uman hay các tiêu chuẩn của IEC;
IEEE; BSI; AS ... đều lấy giá trị dòng sét lớn nhất có thể đạt tới là 200kA
nhưng có tài liệu ghi nhận giá trị này có thể đạt tới 530kA nhưng có xác suất
xuất hiện cực nhỏ). Nếu sét đánh vào một tòa nhà không có hệ thống chống
sét trong cấu trúc, dòng điện này sẽ tìm đường xuống đất qua tòa nhà và dàn
khung của nó theo một lối thoát thường không thể đoán trước được. Khi đó tòa
nhà có nguy cơ bị hỏng hóc và có thể còn bắt lửa. Mặc dù hiện tượng quá điện
áp có thể xảy ra, trong trường hợp này nó chỉ là một trong những mặt thiệt hại
to lớn của tòa nhà và đồ đạc trong đó.
Tuy nhiên, nếu sét đánh vào một tòa nhà có hệ thèng chèng sÐt trùc tiÕp
trong kÕt cÊu, sÐt sÏ ®i xuống đất qua một lối đi xác định trước. Quá điện áp
có thể xảy ra qua ghép nối điện trở cảm ứng hoặc điện dung.
Khi sét đánh vào cáp điện treo hạ thế hoặc đường dây điện thoại, hầu
như toàn bộ dòng điện sẽ được truyền ngay xuống đất khi đường dây phóng tia
lửa điện xuống mặt đất. Một phần tương đối nhỏ (nhưng có sức tàn phá lớn)
của dòng sét sẽ được truyền dọc theo đường dây đến các thiết bị điện tử.
2.2. Điểm qua một số kiến thức về sét
Cần thiết nêu lại một số kiến thức cơ bản về sét để phân tích các tác
động của sét tới đối tượng xem xét.
Sự phát triển của một phóng điện sét

Qua nhiều nghiên cứu của các
nhà khoa học, Mactin Uman (Mỹ)
đà tổng kết được nhiều các nghiên cứu
tỉ mỷ về quá trình phát triển và các
thông số của một phóng điện sét.
Hình 2.9 cho ta thấy một sơ đồ trực
quan về quá trình phát triển của một
cú phóng điện sét điển hình. Trong
khoảng 20ms đầu các tiên đạo của
Hình 2.9- Sự phát triển của sét
sét hình thành và có hướng phát triển đi
xuống phía dưới mặt đất. Từ một điểm
dưới mặt đất (có thể là một cột thu sét của công trình xây dựng, một điểm cao
Học Viên: Khương ThÕ Anh-Líp cao häc kho¸ 2005-2007.

16


Luận văn tốt nghiệp cao học.
hoặc thậm trí một điểm nào đó rất bình thường trên mặt đất) sẽ có một tiên
đạo đi lên gặp đầu tiên đạo đi xuống và thành cú phóng điện sét đầu tiên kéo
dài khoảng 20sec. Tuy nhiên một cú phóng điện tiếp theo kênh vừa rồi sẽ có
thể được tiếp tục xảy ra tiếp theo khoảng 40msec sau đó. Người ta đà ghi nhận
được các cú phóng điện sét thường có từ 3 đến 5 thành phần và có cú đạt đến
20 thành phần. Cường độ dòng sét phổ thông thường từ 5kA đến 50kA. Các
giá trị dòng nhỏ hơn 2kA và lớn đến hàng 100kA cũng có nhưng tần suất rất
nhỏ. Có thể trong một cú sét, thành phần sau có dòng phóng lớn hơn và độ dốc
sườn trước dốc hơn. Các xung sét này sẽ gây ra các cảm ứng dòng xung trong
các dây dẫn kim loại và nếu đây là các dây dẫn tới các thiết bị điện tử thì đó là

nguyên nhân làm các thiết bị này hư hại.
Viện kỹ sư Điện - Điện tử Mỹ (IEEE) đà tiến hành nghiên cứu quy mô
lớn đối với quá áp xung do sét gây ra. Bộ Tiêu chuẩn Mỹ IEEE C62.41 khẳng
định:
- Trường hợp quá áp lớn nhất từng xảy ra ở hệ thống phân phối điện
năng của một tòa nhà có thể đạt giá trị 6.000V.
- Đối với các dây cấp điện chính của một tòa nhà, dòng sét thứ cấp
thường không vượt quá 3.000A và chắc chắn không vượt quá 10.000A.
Trường hợp quá áp lớn nhất xảy ra đối với các dây truyền dữ liệu thông
tin, truyền tín hiệu hay dây điện thoại thì khó xác định chắc chắn hơn. Tuy
nhiên, có thể trường hợp tồi tệ nhất thực tế gặp phải có độ lớn là 5.000V và
dòng điện hàng trăm A [2].
Để đánh giá độ bền của các thiết bị điện tử đối với các tác động của
dòng sét thì quan trọng nhất là các tham số sau đây:
- Trị số điện tích mang.
- Dòng điện trong kênh sét.
- Số sét lặp trên một kênh sét.
- Cường độ hoạt động của dông sét.
Các tham số này được xác định không phải là số đơn trị mà là số mang
đặc tính xác suất.
Trị số điện tích mang
Trong quá trình hình thành phóng điện sét, điện tích mang dao động
trong phạm vi từ 0,1 đến hơn 100 Culong [C]. Sét đánh xuống các vùng khác
nhau sẽ đưa xuống đất các lượng điện tích khác nhau. Sét đánh xuống vùng
Học Viên: Khương ThÕ Anh-Líp cao häc kho¸ 2005-2007.

17


Luận văn tốt nghiệp cao học.

đồng bằng đưa xuống đất một lượng điện tích (10 ữ 50) C (trung bình 25 C),
khi sét đánh xuống vùng núi đưa đi một lượng điện tích (30 ữ 100) C (trung
bình 60 C), khi sét đánh xuống các tháp anten viễn thông đưa đi một lượng
điện tích đến 160 C. Điện tích âm đưa xuống đất chiếm (85 ữ 95)% trong đa
số các trường hợp khi sét đánh xuống đất.
Dòng điện trong kênh sét
Dòng chảy trong kênh sét là đặc trưng định lượng cơ bản của sét. Dòng
trong kênh sét là dòng xung, tăng nhanh từ không đến cực đại (sườn trước của
sóng xung) và giảm tương đối chậm (sườn sau của sóng xung).
Một dòng sét bao gồm các thành phần dòng xung, dòng vầng quang và
dòng một chiều. Các thông số cơ bản của dòng sét đà được trình bày trong
nhiều tài liệu, ở đây ta chỉ tóm tắt các ý chính liên quan tới các phân tích cần
thiết.
Xung dòng sét được xác định thông qua đặc tính Biên độ - Thời gian
với các thông số sau:
- Biên độ dòng sét I s .
- Thời gian (độ dài) sườn trước của xung T 1
- Thời gian (độ dài) cho đến lúc sườn sau đạt một nửa giá trị biên
độ dòng sét T 2 .

Hình 2.10: Đồ thị dòng sét thử tiêu chuẩn
Xung dòng sét được đặc trưng bằng tỷ số độ dài sườn trước của xung T 1
và độ dài cho đến lúc sườn sau đạt một nửa giá trị biên độ dòng sét T 2 , có
nghĩa là (T 1 /T 2 ).
Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học khoá 2005-2007.

18


Luận văn tốt nghiệp cao học.

Ngoài đặc tính "Biên độ - Thời gian" của xung dòng sét được nêu ra ở
trên, trong thực tế còn dùng cả tham số độ dèc trung b×nh s­ên tr­íc cđa xung
I' s = di s (t)/dt.
Dòng trong kênh sét thay đổi trong một phạm vi rộng từ 2kA đến hàng
100kA.
Sét có dòng lớn xuất hiện rất hÃn hữu. Sét có dòng 200kA xuất hiện
chiếm (0,7 - 1,0) % trong tổng số các trường hợp sét quan sát được. Số trường
hợp sét đánh có dòng 20kA chiếm khoảng 50%.
Thời gian kéo dài sườn trước của xung dòng sét khi đánh xuống đất dao
động trong phạm vi từ 0,5às đến 10às. Thời gian kéo dài trung bình sườn
trước của xung dòng sét thường lấy bằng T 1 = 2às.
Thời gian kéo dài của xung dòng sét về cơ bản được xác định bởi thời
gian lan truyền của sét ngược từ đất đến đám mây, vì thế nó thay đổi từ 20às
đến (80 - 100) às. Thời gian kéo dài của xung dòng sét khoảng 50às.
Các đặc tính của sét
Sét có xu hướng đánh trước tiên vào các kết cấu hoặc vật thể ở cao. Tuy
nhiên, các cú đánh xuống mặt đất cũng rất phổ biến tại những nơi có kết cấu
khác nhau.
Hình 2.11 minh họa cách thức dòng sét truyền vào tòa nhà và các hệ
thống điện tử nối kết sau khi sét đánh vào các tòa nhà, dây điện hoặc mặt đất
xung quanh.

Hình 2.11- Sét đánh vào bất kỳ phần nào của địa điểm cũng sẽ truyền
dòng sét đi xa điểm đánh - mũi tên chỉ các hướng dòng điện có thể di chuyển

Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học khoá 2005-2007.

19

Luận văn tốt nghiệp cao học.
Để chống sét thì một tòa nhà có khả năng dẫn điện tốt, với mái nhà và
lớp sơn mạ bảo vệ bằng kim loại là mét kÕt cÊu lý t­ëng. Mét kÕt cÊu nh­ vËy
sÏ tạo cho các thiết bị điện tử bên trong một không gian được bảo vệ. Nhiều
tòa nhà có khung thép hoặc nhà bê tông cốt thép có lớp sơn mạ bảo vệ bằng
kim loại cũng gần đáp ứng được mô hình lý tưởng này. Nếu sét đánh vào tòa
nhà dòng sét sẽ chạy khắp bề mặt tòa nhà và truyền xuống đất, với điều kiện
là mái nhà và lớp sơn mạ bảo vệ có nối đất với nhau. Những chênh lệch nhỏ về
điện trở sẽ ảnh hưởng rất ít đến đường truyền, vì các đường truyền điện được
xác định bởi độ tự cảm chứ không phải bởi điện trở.
Đường truyền của dòng điện trong khung thép hoặc trong kết cấu bê
tông cốt thép đều cho thấy dòng sét truyền qua các dây dẫn bên ngoài nhiều
hơn. Hình 2.12 cho thấy ngay cả khi sét đánh vào giữa mái nhà, phần lớn dòng
sét truyền xuống qua các dây dẫn bên ngoài chứ không phải các dây dẫn bên
trong gần hơn. Dòng điện chạy qua ba cột bên trong nhà tương đối nhỏ, tạo ra
các từ trường rất nhỏ bên trong tòa nhà.

Hình 2.12- Sự phân bố dòng sét trong một kết cÊu nhµ cã 15 trơ
(Theo BS 6651.1992- Anh)
Nh­ vËy viƯc bố trí một số lượng lớn các dây dẫn xung quanh tòa nhà sẽ
làm giảm rất đáng kể từ trường trong nhà, giảm thiểu tối đa nguy cơ bị nhiễu
quá áp ngắn cho các thiết bị điện tử từ hệ thống chống sét của tòa nhà.
Hiệu ứng nhiễu xung của sét có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng
cho việc truyền dữ liệu. Sau kỳ phóng điện sét đầu tiên, có thể có đến 20 cú
đánh lặp lại (restrike) theo sau (xem phÇn 2.2.1), diƠn ra trong tỉng céng từ 1
đến 2 giây. Nếu quá áp xung kèm theo không đủ lớn để gây hỏng hóc, chúng
cũng sẽ làm rối loạn hoặc phá hỏng dữ liệu đang được truyền đi. Rõ ràng, điều
Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học kho¸ 2005-2007.

20

Luận văn tốt nghiệp cao học.
quan trọng là thiết bị kiểm tra lỗi của máy tính phải có khả năng từ chối
không tiếp nhận những đoạn dữ liệu nhiễu đó kéo dài đến 2 giây.
2.3. Phân tích các nguyên nhân dẫn đến quá điện áp xung làm hư hỏng
thiết bị nhà điều khiển và phòng thiết bị thông tin viễn thông
2.3.1. Kết nối dạng điện trở
Đây là nguyên nhân thông thường nhất gây ra quá áp xung và nó tác
động đến cả đường dây treo và đường dây ngầm. Quá điện áp xung do kết nối
điện trở xảy ra khi sét đánh làm tăng điện thế của một hoặc hơn một trong số
các tòa nhà (hay kết cấu) có nối kết về điện với nhau. Chẳng hạn như: các
đường dây điện nối từ trạm biến áp đến tòa nhà, các dây dẫn điện nối giữa hai
tòa nhà, các dây cấp điện nối từ trong nhà đến các đèn, thiết bị quan sát hoặc
thiết bị an ninh ngoài trời, đường dây điện thoại nối từ tổng đài đến tòa nhà,
các đường dây điện thoại giữa hai tòa nhà, đường truyền dữ liệu thông tin hoặc
đường dây kết nối mạng LAN giữa các tòa nhà, đường truyền tín hiệu hay
đường truyền điện từ tòa nhà đến các thiết bị cảm biến đặt ngoài trời...

Hình 2.13- Kết nối điện trở thông qua đường truyền dữ liệu

Hình 2.14- Kết nối điện trở thông qua dây nóng, dây trung hòa và dây
nối đất của nguồn cấp điện chính
Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học khoá 2005-2007.

21


Luận văn tốt nghiệp cao học.
Hình 2.13 mô tả hai tòa nhà. Mỗi tòa nhà có chứa các thiết bị điện tử

được nối đất thông qua nguồn cấp điện chính của nó. Một đường truyền dữ
liệu thông tin nối hai loại thiết bị ở hai tòa nhà, và do đó nối hai phần mặt đất
cách biệt với nhau.
Một cú sét đánh gần một trong hai tòa nhà sẽ truyền vào mặt đất một
dòng điện cực lớn. Dòng điện này sẽ truyền đi xa điểm đánh - đặc biệt theo
đường truyền có điện trở thấp. Các điện cực nối đất, cáp điện và hệ thống
mạch điện của thiết bị điện tử đều dẫn điện tốt hơn đất. Khi dòng điện truyền
đi, các quá áp ngắn có sức phá hủy lớn xuất hiện và truyền qua những bộ phận
có độ nhạy cao của các thiết bị.
Hình 2.14 cho thấy một ví dụ về sự hình thành quá điện áp xung do kết
nối điện trở tại một nguồn cấp điện chính.
Quá điện áp xung do kết nối điện trở có thể xảy ra khi các kết cấu nối
đất riêng rẽ chỉ cách nhau vài mét. Kết nối điện trở sẽ tác động đến cả cáp treo
và cáp ngầm.
Cáp và dây nối giữa các thiết bị thường có chiều dài ngắn và được bố trí
đi trong mương cáp, về cơ bản nó ít bị ảnh hưởng do sét đánh trực tiếp mà dễ
bị ảnh hưởng điện từ do dòng sét chảy trong đất.
Để đánh giá ảnh hưởng của dòng chảy trên vỏ cáp nối giữa các thiết bị,
tham số quan trọng nhất là trở kh¸ng ghÐp Zg [Ω/m], cã quan hƯ tíi sơt ¸p
xt hiện ở bề mặt bên trong của vỏ cáp với dòng điện chảy theo mặt ngoài
của vỏ trên một đơn vị chiều dài của cáp.
ảnh hưởng điện từ của sét lên cả dây và cáp nối giữa các thiết bị. Điện
dung C và điện cảm L là các đặc tính cơ bản xác định ảnh hưởng điện từ của
sét lên dây và cáp nối giữa các thiết bị.
Do chiều dài đường dây nối giữa các thiết bị ngắn nên người ta có thể
xem xét các ảnh hưởng từ và điện của sét riêng biệt.
Xét cho trường hợp ở trạm biến áp có thể xảy ra trường hợp ghép nối
này khi có cú sét đánh trúng cột thu lôi hoặc dây chống sét trong khu vực trạm
và được dẫn truyền xuống hệ thống nối đất của trạm tại vị trí chân cột thu sét
sẽ có một vùng áp dâng cao xung quanh khu vực đó, tất nhiên nếu hệ thống

nối đất của trạm được thiết kế tốt thì thế đó được san bằng. Các dây dẫn tín
hiệu điều khiển từ các thiết bị trong mặt bằng trạm được đi theo các hào cáp
về tủ thiết bị điều khiển trong nhà thường kéo dài từ vài chục mét đến hàng
trăm mét vì thế có thể vẫn xảy ra kết nối điện trở và có sự chênh lệch áp. Điện
áp này có thể gây nguy hiểm cho thiết bị.

Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao häc kho¸ 2005-2007.

22


Luận văn tốt nghiệp cao học.
Trong thực tế đối với trạm biến áp thì ảnh hưởng đến các thiết bị trong
nhà điều khiển qua dạng kết nối này thường khó xảy ra vì hệ thống nối đất của
trạm được thiết kế theo yêu cầu trong Quy phạm, đảm bảo cân bằng thế tại các
điểm nối đất.
2.3.2. Kết nối cảm ứng
Đây là hiệu ứng biến áp do từ trường xảy ra giữa tia sét và dây cáp. Bản
thân tia sét là một dòng điện cực lớn và khi dòng điện này trun ®i, xung
quanh nã xt hiƯn mét tr­êng ®iƯn tõ. Nếu cáp điện hoặc cáp dữ liệu chạy
qua từ trường này, trên cáp sẽ xuất hiện một điện áp cảm ứng.

Hình 2.16- Kết nối cảm ứng
Hiện tượng này thường xảy ra khi sự phóng điện sét diễn ra gần đường
dây điện treo hay đường dây điện thoại (hình 2.16).
Hiện tượng gần tương tự xảy ra khi hệ thống chống sét của tòa nhà bị
sét đánh. Dòng sét chạy xuống đất qua các dây dẫn xuống của tòa nhà. Từ
trường do dòng này sinh ra rất có thể tác động đến hệ thống cáp trong nhà,
gây ra quá áp xung cảm ứng.
Trong nhà điều khiển của trạm biến áp cũng có thể chịu tác động của

kiểu kết nối này khi có sét đánh giữa mây với mây hoặc mây với đất trong khu
vực trạm hay gần trạm. Các tác động đó có thể là: Tác động đến các dây nối từ
thiết bị ngoài trạm về nhà điều khiển như các dây cáp lấy tín hiệu dòng, áp, so
lệch, điều khiển. Trong thực tế các dây cáp lấy tín hiệu dòng, áp, so lệch, điều
khiển của trạm biến áp được thiết kế đi trong mương cáp ngầm, đều được bọc
kim và nối đất đúng kỹ thuật và theo Quy phạm nên khả năng ảnh hưởng qua
kết nối cảm ứng là rất nhỏ.

Học Viên: Khương Thế Anh-Lớp cao học khoá 2005-2007.

23