D AN HTD Hệ thống thu sét là một bộ phận công trình quan trọng

Hệ thống thu sét là một bộ phận công trình quan trọng nhằm bảo vệ các bộ phận của hệ thống điện như đường dây, trạm biến áp khỏi hư hỏng khi bị sét đánh.. Yêu cầu đối với hệ thống thu sé

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện đường dây và trạm biến áp

là một thể thống nhất 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

Trạm biến áp rất dễ bị quá điện áp có thể là do quá điện áp khí quyển

(sét đánh trực tiếp), hoặc do quá áp cục bộ Trong đó, sự quá điện áp khí

quyển do sét đánh trực tiếp là rất nguy hiểm và gây những thiệt hại

nghiêm trọng cho các công trình trong trạm mà còn có thể dẫn đến việc

ngừng cung cấp điện toàn bộ trong một thời gian dài làm ảnh hưởng

nghiêm trọng đến hệ thống điện Vì vậy, bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

là một trong những yêu cầu hàng đầu khi thiết kế và vận hành một mạng

điện

Hệ thống thu sét là một bộ phận công trình quan trọng nhằm bảo

vệ các bộ phận của hệ thống điện như đường dây, trạm biến áp khỏi hư

hỏng khi bị sét đánh Đối với đường dây, để bảo vệ chống sét đánh trực

tiếp người ta sử dụng hệ thống dây chống sét Đối với trạm biến áp và

nhà máy điện người ta sử dụng các cột thu lôi Các cột thu lôi có thể đặt

độc lập hoặc trong điều kiện cho phép có thể đặt trên các kết cấu của

trạm và của nhà máy

Yêu cầu đối với hệ thống thu sét là phải có điện trở nối đất đủ

nhỏ để đảm bảo tản nhanh dòng điện sét xuống đất, tránh hiện tượng

phóng ngược dòng điện sét từ thiết bị này sang thiết bị khác, hoặc từ cột

thu sét hay dây chống sét sang các công trình mang điện đặt lân cận Khi

thiết kế bảo vệ chống sét thì cần đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, kinh

tế và mỹ thuật

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các yêu cầu đối với hệ thống chống sét đánh thẳng.

a) Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải được đặt trọn trong phạm vi an

toàn của hệ thống bảo vệ Tùy 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 trình như xà, cột đèn chiếu sáng…, hoặc được đặt độc lập

Khi đặt hệ thống 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 110kV trở lên do có cách điện

cao (khoảng cách giữa 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 có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm

Theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện khuếch 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 4

Khi đặt cách li giữa hệ thống thu sét và công trình phải có khoảng

cách nhất định, nếu khoảng cách này qá bé sẽ có phóng điện trong

không khí và đất

b) Phần dẫn điện của hệ thống thu sét phải có tiết diện đủ lớn để thỏa

mãn điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua

2.2 Cách xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét.

2.2.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập.

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét có độ cao là h tính cho độ cao hx là

một hình chóp tròn xoay có đường sinh được xác định như sau:

Hình 2.1 Phạm vi bảo vệ cho một cột thu sét

Trong đó: + h: chiều cao cột sét

+ hx: chiều cao cần được bảo vệ

+ h - hx: chiều cao hiệu dụng

Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc abc được

xác định như sau:

Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (đường sinh gấp khúc)

Trong đó: ab: đường thẳng nối từ đỉnh cột đến điểm trên mặt đất cách

xa chân cột là 0.75h

bc: là đường thẳng nối 1 điểm có độ cao trên thân cột là 0.8h

đến 1 điểm trên mặt đất cách chân cột là 1.5h

Các công thức chỉ để sử dụng cho hệ thống thu sét có độ cao h ≤ 30m

Khi 30m < h ≤ 60m ta cần hiệu chỉnh các công thức đó theo hệ sô p

2.2.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét.

a Hai cột thu sét có độ cao bằng nhau:

Xét 2 cột thu sét có độ cao bằng nhau h1 = h2 = h, cách nhau 1 khoảng a

Hình 2.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau

Khi a = 7h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng cách giữa hai cột

không bị sét đánh vào

Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h0

được xác định như sau: h 0 = h -

Phạm vi bảo vệ:

- Phần ngoài: giống như của từng cột

- Phần giữa: cung tròn đi qa 3 điểm 1,2,3 (điểm 3 là điểm đặt cột giả

- Các công thức trên được áp dụng khi hệ thống chống sét có độ cao

nhỏ hơn 30m Nếu hệ thống chống sét có độ cao lớn hơn 30m thì các

công thức cần được hiệu chỉnh theo hệ số p

b Hai cột thu sét có độ cao khác nhau.

Xét 2 cột thu sét có độ cao là h1 và h2, cách nhau 1 khoảng a được bố trí

như hình vẽ:

Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột có độ cao khác nhau

Xác định phạm vi bảo vệ:

+ Phần ngoài: giống như của từng cột

+ Phần trong: từ đỉnh cột h1 dóng đường thẳng nằm ngang cắt phạm vi

bảo vệ của cột h tại 3’, với 3’ là vị trí đặt cột giả tưởng có độ cao là h

+ Phần giữa: giống như của hai cột có cùng độ cao h1.

(, x: là bán kính bảo vệ của cột cao h2 cho cột giả tưởng

Tính toán phạm vi bảo vệ:

+ Tính bán kính bảo vệ từng cột: rx1, rx2

+ Tính bán kính bảo vệ giữa 2 cột: rox

+ Khoảng cách giữa cột thấp nhất và cột giả tưởng 3:

+ Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột 1 và 3: h01-3 = h1

-2.2.3 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu sét.

a Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét.

Phạm vi bảo vệ cho 3 cột thu sét có độ cao h1 = h2 = h3 = h cùng bảo vệ

cho một độ hx được minh họa như hình vẽ sau:

Hình 2.5 Bán kính bảo vệ của 3 cột có độ cao bằng nhau.

Đó là phần diện tích nằm trong đường bao mà các đường tròn tạo ra

Trong đó:

rx1 = rx2 = rx3 = rx : bán kính bảo vệ của từng cột

rox1-2 = rox2-3 = rox1-3 : bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 2-3, 1-3

b Phạm vi bảo vệ cho cột thu sét.

Phạm vi bảo vệ cho cột thu sét có độ cao h1 = h2 = h3 = h4 = h cùng bảo

vệ cho một độ hx được minh họa như hình vẽ sau:

Hình 2.6 Phạm vi bảo vệ của bốn cột thu sét có độ cao bằng nhau

Phạm vi bảo vệ là phần diện tích công trình nằm trong đường bao ngoài

cùng của hình vẽ

Với: rx1 = rx2 = rx3 = rx4 = rx

rox1-2 = rox3-4: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-2, 3-4

rox1-4 = rox2-3: bán kính bảo vệ chung giữa các cột 1-4, 2-3

Chú ý: Điều kiện để công trình nằm trong miền giới hạn bởi các cột thu

sét bảo vệ an toàn là: D ≤ 8.(h-hx)

Với D: là đường tròn ngoại tiếp phần mặt bằng có dạng hình tam giác,

chữ nhật; h: chiều cao cột thu sét; hx: chiều cao cần bảo vệ

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT

CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110 kV 3.1 Trạm biến áp cần bảo vệ

- Trạm biến áp 220/110 kV: Tổng diện tích 47.600 m2

- Phía 220 kV: có 6 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có

thanh góp vòng, được cấp điện từ 2 máy biến áp T3 và T4

- Phía 110 kV: có 8 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có

thanh góp vòng, được cấp điện từ 2 máy biến áp T1 và T2

- Trạm 220 kV có điện tích: 28.000m2 Độ cao xà cần bảo vệ là

được xây thêm

- Vậy chiều cao tính bảo vệ cho trạm:

+ 220 kV là hx = 16m

+ 110 kV là hx = 11m

3.2.2 Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi.

- Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi tam giác, tứ giác nào

đó thì độ cao cột thu lôi phải thỏa mãn:

D ≤ 8.ha hay ha ≥

D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ

giác

- Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột bao giờ cũng lớn hơn phạm

vi bảo vệ của một cột Điều kiện để hai cột thu lôi phối hợp được với

nhau là a ≤ 7.h (Trong đó: a là khoảng cách giữa 2 cột thu sét, h là chiều

cao toàn bộ cột thu sét)

- Xét nhóm cột 1-2-5-4 là hình chữ nhật: a12 = 50m, a25 = 40m

Nhóm cột này tạo thành hình chữ nhật có đường chéo:

Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi: ha ≥

- Xét nhóm cột 9-14-18 tạo thành hình tam giác:

Áp dụng công thức Pitago:

Nửa chu vi tam giác là:

Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác là:

Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi là:

 Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại, kết quả được trình bày

3.2.3 Tính toán độ cao tác dụng và bán kính bảo vệ cho trạm

biến áp.

- Phía 220 kV: có hmax = 9,763m nên ta chọn ha = 10m

- Phía 110 kV: có hmax = 8,004m nên ta chọn ha = 9m

 Tính toán độ cao của cột thu sét: h = h a + h x

Nên độ cao các cột thu sét: h = 9 + 11 = 20m

 Bán kính bảo vệ của cột thu sét ở các độ cao tương ứng:

Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

Bán kính bảo vệ của khu vực giữa 2 cột thu sét là:

Nên:

- Xét cặp cột 9-18 có độ cao khác nhau:

, h9 = 20m và h18 = 26mVì: Do vậy ta vẽ cột giả định 18’ có độ cao 20m cách cột 18 một

khoảng:

Vậy khoảng cách từ cột giả định đến cột 9 là:

- Phạm vi bảo vệ của hai cột 18’ và cột 9 là:

Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

Bán kính bảo vệ của khu vực giữa 2 cột thu sét là:

Nên:

 Tính toán tương tự cho các cặp cột còn lại ta có bảng sau:

Cặp Cột a (m) h (m) h0

(m) hx (m) r0x (m)1-2; 2-3; 4-5;

 Qua bảng vẽ ta thấy rằng trạm biến áp đã thỏa điều kiện chống

sét đánh thẳng

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM

BIẾN ÁP 220/110kV 4.1 Các yêu cầu kỹ thuật khi nối đất trạm biến áp.

Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ tiếp xúc với

dòng điện (hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất Trong hệ thống

điện có ba loại nối đất khác nhau:

a) Nối đất làm việc

Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị,

hoặc một số bộ phận của thiết bị yêu cầu làm việc ở chế độ làm việc đã

được quy định sẵn

+ Nối đất điểm trung tính máy biến áp

+ Hệ thống nối đất có điểm trung tính trực tiếp nối đất

+ Nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dung

trong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện

b) Nối đất an toàn

Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hư

hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận bằng kim

loại không mang điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ

kim loại Khi cách điện hư hỏng do lão hóa thì trên các bộ phận kim loại

sẽ có một điện thế nhưng do nối đất nên điện thế này có giá trị nhỏ

không nguy hiểm cho người tiếp xúc

c) Nối đất chống sét

Có tác dụng tản dòng điện sét vào trong đất khi sét đánh vào cột

thu lôi hay đường dây Hạn chế hình thành và lan truyền của sóng điện

áp do phóng điện sét gây nên Nối đất chống sét còn có nhiệm vụ hạn

chế hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ trên cột điện và đất Nếu không,

mỗi khi có sét đánh vào cột chống sét hoặc trên đường dây, sóng điện áp

có khả năng phóng điện ngược tới các thiết bị và công trình cần bảo vệ,

phá hủy các thiết bị điện và máy biến áp

4.2 Một số yêu cầu kỹ thuật của điện trở nối đất.

 Bộ phận nối đất có trị số điện trở tản càng bé càng tốt Tuy nhiên

việc giảm thấp điện trở tản đòi hỏi phải tốn nhiều kim loại và khối lượng

thi công Do đó việc xác định tiêu chuẩn nối đất và lựa chọn phương án

nối đất sao cho hợp lý về mặt kinh tế và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật

 Trị số điện trở đất cho phép của nối đất an toàn được chọn sao

cho các trị số điện áp bước và tiếp xúc trong mọi trường hợp đều không

vượt qa giới hạn cho phép Theo quy định hiện hành tiêu chuẩn nối đất

được quy định như sau:

- Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất trị số

điện trở nối đất cho phép là: R ≤ 0,5 Ω

- Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện thì :

R ≤ Ω)

- Nếu dùng cho các thiết bị cao áp:

R ≤ Ω)

- Nếu dùng cho cả cao áp và hạ áp:

+ Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, nối đất làm việc và nối

đất an toàn ở các cấp điện áp khác thường được nối thành hệ thống

chung Khi nối thành hệ thống chung phải đạt được yêu cầu của loại nối

đất nào có trỉ số điện trở nối đất cho phé bé nhất

+ Trong khi thực hiện nối đất có thể tận dụng các hình thức nối đất

sẵn có như các đường ống và kết cấu kim loại của công trình chôn trong

đất… Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất hoàn

toàn giống với điện cực hình tia

+ Do nối đất làm việc trong môi trường không đồng nhất nên điện

trở suất của nó lớn hơn so với điện trở suất của đất thuần túy và trong

tính toán lấy tăng lên 25%

 Nối đất chống sét thông thường là nối đất của cột thu sét, cột điện

và nối đất của hệ thống thu sét ở trạm biến áp và nhà máy điện

- Do bộ phận nối đất của cột thu sét và cột điện thường bố trí độc

lập (không liên hệ với bộ phận khác) nên cần sử dụng hình thức nối đất

tập trung để có hiệu quả tản dòng điện tốt nhất

- Khi đường dây đi qua các vùng đất ẩm nên tận dụng phần nối đất

của móng nền và chân cột bê tông để bổ sung hoặc thay thế cho phần

nối đất nhân tạo

- Đối với nối đất của hệ thống thu sét ở các trạm biến áp ≥ 110 kV

khi bộ phận thu sét đặt ngay trên xà trạm thì phần nối đất chống sét buộc

phải nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm Ngoài ra còn

phải tiến hành một số biện pháp nối đất bổ sung

4.3 Lý thuyết tính toán nối đất.

 Tính toán nối đất an toàn: với cấp điện áp lớn hơn 110kV nối

đất an toàn phải thỏa mãn điều kiện là:

- Điện trở nối đất của hệ thống có giá trị: R ≤ 0,5 ()

- Cho phép sử dụng nối đất an toàn và nối đất làm việc thành một

hệ thống Điện trở nối đất của hệ thống:

Trong đó: là điện trở nối đất nhân tạo

là điện trở nối đất tự nhiên



- Nối đất tự nhiên: Trong phạm vi của đề tài ta chỉ xét nối đất tự

nhiên của trạm là hệ thống chống sét đường dây và cột điện 110kV và

220kV của trạm Ta có công thức tính toán như sau:

Trong đó: RCS là điện trở tác dụng của dây chống sét

RC là điện trở nối đất của cột điện

- Nối đất nhân tạo: trong thực tế nối đất có các hình thức cọc dài

2 ÷ 3 m bằng kim loại tròn hay kim loại dẹt chôn thẳng đứng; thanh dài

chôn nằm ngang ở độ sâu 0,5 ÷ 0,8 m đặt theo hình tia hoặc mạch vòng

và tổ hợp của 2 hình thức trên Ở đề tài này ta chỉ xét hình thức chôn cọc

nằm ngang, có thể dùng công thức chung để tính trị số điện trở tản:

Trong đó: L là tổng chiều dài của điện cực

d: là đường kính điện cực khi điện cực dùng kim loại tròn Nếu

là kim loại dẹt thì trị số d thay bằng (b là chiều rộng của kim loại dẹt)

t: độ chôn sâu

K: hệ số phụ thuộc vào sơ đồ nối đât

 Tính toán nối đất chống sét.

- Gồm 2 quá trình:

+ Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực.

+ Quá trình phóng điện trong đất

- Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung) thì không cần xét

quá trình quá độ mà chỉ xét quá trình phóng điện trong đất Ngược lại

khi nối đất dùng hình thức tia dài hoặc mạch vòng (phân bố dài) thì

đồng thời phải xem xét đến cả hai quá trình, chúng có tác dụng khác

nhau đối với hệ thống nối đất

- Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung:

Điện trở tản xung kích không phụ thuộc vào kích thước hình học của

điện cực mà nó quy định bởi biên độ dòng điện I, điện trở suất và đặc

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

Hình 4-1:Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất thu gọn

Trong sơ đồ đẳng trị:

L0: điện cảm của điện cực trên một đơn vị chiều dài

G0: điện dẫn của điện cực trên 1 đơn vị dài

(µH/m)

Trong đó:

l: chiều dài cực

r: bán kính cực

Gọi Z(x, t) là điện trở xung kích của nối đất kéo dài, nó làm hàm số của

không gian và thời gian t

Trong đó: U(x, t) và I(x, t) là dòng điện và điện áp xác định từ phương

trình vi phân:

Giải hệ phương trình này ta được điện áp tại điểm bất kỳ và tại thời

điểm t trên điện cực:

Từ đó suy ra tổng xung kích ở đầu vào của nối đất:

Với: (hằng số thời gian)

Tính toán nối đất phân bố dài khi có xét quá trình phóng điện trong đất

Việc giảm điện áp và cả mật độ dòng điện ở các phần xa của điện cực

làm cho quá trình phóng điện trong đất ở các nơi này yếu hơn so với đầu

vào của nối đất Do đó điện dẫn của nối đất (trong sơ đồ đẳng trị) không

những chỉ phụ thuộc vào , I mà còn phụ thuộc vào tọa độ Việc tính toán

tổng trở sẽ rất phức tạp và chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng

Ở đây trong phạm vi của đề tài t có thể bỏ qa quá trình phóng điện trong

đất