(TIỂU LUẬN) đồ án tốt NGHIỆP THIẾT kế bảo vệ CHỐNG sét CHO TBA 220110KV (hx= 17m và 11m, ρ = 93ωm) và TÍNH CHỈ TIÊU CHỐNG sét CHO ĐƯỜNG dây 220KV (cột CAO 33m, nngs= 83)

Đồ án gồm 2 phần: Phần I: Thiết kế bảo vệ chống sét cho TBA 220kV và tính chỉ tiêu chống sét cho đường dây 220kV Phần II: Tính toán sóng truyền từ đường dây tải điện 110kV vào trạm biến

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn: Ths PHẠM THỊ THANH ĐAM

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: HỆ THỐNG ĐIỆN

Lớp: D12H1

Khóa: 2017-2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn: Ths PHẠM THỊ THANH ĐAM

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: HỆ THỐNG ĐIỆN

Lớp: D12H1

Khóa: 2017-2022

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lù Minh Hiếu Mã sinh viên: 1781110032

Lớp: D12H1 Hệ đào tạo: Chính quy

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật điện, điện tử Chuyên ngành: Hệ thống điện

1/ Tên đồ án/khoá luận tốt nghiệp

Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho TBA 220/110kV (hx =17m và 11m,

=93Ωm) và Tính chỉ tiêu chống sét cho đường dây 220kV (cột cao 33m, nngs=83)

2/ Các số liệu

 Trạm biến áp: Bản vẽ sơ đồ mặt bằng và kích thước của trạm

Chiều cao xà phía 220kV: Xà đón dây: 17m, Xà thanh góp: 11m Chiều cao xà phía 110kV: Xà đón dây: 11m, Xà thanh góp: 8m

 Điện trở suất của đất đo được khi đất khô là: đ = 93 m

 Sơ đồ cột 220kV: Cột kim loại, 3 pha mạch đơn, 1 dây chống sét cao 33m

 Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220 kV: 530 m

 Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110 kV: 330 m

 Điện trở nối đất của cột: Rc = 10 Ω

 Sóng sét tiêu chuẩn để tính nối đất là dạng sóng xiên góc có biên độ 150kA,

a=30 kA /μs

 Sóng sét truyền vào TBA để tính Phần 2 là sóng xiên góc, biên độ U = 600

kV, a= 300 kV/s, chống sét van có đặc tính U = 285.I0.025 (kV), thời điểm ban đầu các tụ điện có U0 = 1 kV

3/ Nội dung, nhiệm vụ thực hiện

Phần I: Thiết kế bảo vệ chống sét cho TBA 220kV và tính chỉ tiêu chống sét cho

đường dây 220kV

Chương 1: Hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện Việt Nam

Chương 2: Thiết kế hệ thống bảo vệ sét đánh trực tiếp cho Trạm biến áp 220/110kV

Chương 4: Tính toán chỉ tiêu chống sét của Đường dây 220kV

Phần II: Tính toán sóng truyền từ đường dây tải điện 110kV vào trạm biến áp

Kết luận chung

Yêu cầu các bản vẽ: tối thiểu 2 bản vẽ A0

1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét, các phương án bảo vệ chống sét đánh trực tiếp (bắt buộc)

2 Các kết quả tính toán nối đất an toàn và nối đất chống sét cho trạm biến áp (bắt buộc)

3 Phương pháp và kết quả tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện (Có thể trình bày trên slide hoặc bản vẽ A0)

4 Các kết quả tính toán bảo vệ trạm biến áp chống sóng truyền (Có thể trình bày trên slide hoặc bản vẽ A0)

3/ Ngày giao đề tài: / /2021

Tôi, Lù Minh Hiếu, cam đoan những nội dung trong đồ án này là do tôi thực hiện dưới

sự hướng dẫn của Ths Phạm Thị Thanh Đam Các số liệu và kết quả trong đồ án làtrung thực và chưa được công bố trong các công trình khác Các tham khảo trong đồ ánđều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian và nơi công bố Nếukhông đúng như đã nêu trên, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về đồ án của mình

Hà Nội, ngày……tháng…… năm 2022

Người cam đoan

Lù Minh Hiếu

trò quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế quốc dân Trong cuộc sống điện năngrất cần cho phục vụ sản xuất và sinh hoạt Cùng với sự phát triển của xã hội đòi hỏiviệc cung cấp điện phải đảm bảo liên tục và có chất lượng cao Xuất phát từ thực tế đóviệc đảm bảo cho các trạm biến áp và đường dây truyền tải điện làm việc an toàn,không gặp sự cố, không gây gián đoạn cung cấp điện là đặc biệt quan trọng

Nhằm hoàn thiện kiến thức đã học và bước đầu làm quen với thực tế em được nhàtrường và khoa Kỹ thuật điện giao cho đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế bảo vệ chống sétcho TBA 220/110kV (hx =17m và 11m, =93Ωm) và tính chỉ tiêu chống sét chođường dây 220kV (cột cao 33m, nngs= 83)” Đồ án gồm 2 phần:

Phần I: Thiết kế bảo vệ chống sét cho TBA 220kV và tính chỉ tiêu chống sét cho đường dây 220kV

Phần II: Tính toán sóng truyền từ đường dây tải điện 110kV vào trạm biến áp

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trường Điện Lực nói chung vàcác thầy cô trong khoa Kĩ thuật điện nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em

những kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua Đặc biệt em xin cảm ơn đến Ths.

Phạm Thị Thanh Đam đã tận tình giúp đỡ trực tiếp chỉ bảo hướng dẫn em trong suốt

quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Do còn thiếu kinh nghiệm thực tế nên đề tài không thể tránh khỏi những sai xót,nhầm lẫn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô vàcác bạn để kiến thức của em trong lĩnh vực hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2022.

Sinh Viên Thực Hiện

Lù Minh Hiếu

TT Nội dung Ý kiến nhận xét

1 Hình thức trình bày

2 Đồ án thực hiện đầy đủ các nội dung

của đề tài

3 Các kết quả tính toán

4 Thái độ làm việc

5 Tổng thể

Các ý kiến khác:

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2022

Giảng viên hướng dẫn

Phạm Thị Thanh Đam

TT Nội dung Ý kiến nhận xét, đánh giá

1 Hình thức trình bày của đồ án

2 Đồ án thực hiện đầy đủ các nội

dung của đề tài

3 Các kết quả tính toán

4 Kỹ năng thuyết trình

5 Trả lời câu hỏi

6 Tổng thể

Các ý kiến khác:

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2022

Ủy viên hội đồng Thư ký hội đồng Chủ tịch hội đồng

TBA Trạm biến áp

ĐƯỜNG DÂY 110KV 1

CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG GIÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG

CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 1

1.1 Hiện tượng giông sét 1

1.1.1 Khái niệm chung 1

1.1.2 Tình hình giông sét ở Việt Nam 2

1.2 Ảnh hưởng của hiện tượng giông sét tới hệ thống điện Việt Nam 2

1.3 Kết luận 3

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110KV 4

2.1 Khái niệm chung 4

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 4

2.3 Lý thuyết để tính chiều cao cột & dây và phạm vi bảo vệ 5

2.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi 5

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi 6

2.3.3 Phạm vi bảo vê ̣ của dây chống sét 8

2.4 Đề xuất phương án bố trí cột và dây chống sét cho trạm biến áp 10

2.4.1 Phương án 1 10

2.4.2 Phương án 2 17

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110KV 26

3.1 Khái niệm chung 26

3.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống nối đất 27

3.2.1 Trị số cho phép của điện trở nối đất 27

3.2.2 Hệ số mùa 27

3.3 Trình tự tính toán 28

3.3.1 Nối đất an toàn làm việc 28

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY 220KV 40

4.1 Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây 40

4.2 Lý thuyết tính toán 40

4.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 40

4.2.2 Tính toán chung về chỉ tiêu chống sét 42

4.3 Tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây 220kV 44

4.3.1 Các tham số tính toán 44

4.3.2 Xác định tổng số lần sét đánh vào đường dây 48

4.3.3 Tính suất cắt đường dây ncđ 49

PHẦN II: TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 110KV VÀO TRẠM BIẾN ÁP 71

VÀO TRẠM BIẾN ÁP 71

5.1 Lý thuyết chung 71

5.1.1 Quy tắc Petersen 72

5.1.2 Quy tắc sóng đẳng trị 73

5.1.3 Xác định điện áp trên điện dung 74

5.1.4 Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van 75

5.2 Trình tự tính toán 78

5.2.1 Sơ đồ tính toán quá trình truyền sóng trong trạm biến áp 78

5.2.2 Tính sóng truyền trong trạm biến áp 81

5.3 Kết luận 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

Bảng 2.2 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1 13

Bảng 2.3 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên phương án 1 16

Bảng 2.4 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 2 19

Bảng 2.5 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 2 20

Bảng 2.6 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên của phương án 2 23

Bảng 2.7 So sánh 2 phương án 25

Bảng 3.1 Bảng hệ số kmùa 28

Bảng 3.2 Bảng hệ số hình dáng của mạch vòng nối đất 31

Bảng 3.3 Bảng kết quả chuỗi 1 k2e −τ ds T k .34

Bảng 3.4 Kết quả tính toán các giá trị Bk 38

Bảng 4.1 Bảng xác suất hình thành hồ quang

η=f ( E

)

Bảng 4.2 Đặc tính V-S của chuỗi sứ 52

Bảng 4.3 Giá trị Ucđ(a,t) tác dụng lên chuỗi sứ 53

Bảng 4.4 Các cặp thông số (ai,Ii) 54

Bảng 4.5 Kết quả tính toán xác suất phóng điện 54

Bảng 4.6 Kết quả tính giá trị Ucđ(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột 67

Bảng 4.7 Kết quả tính xác suất phóng điện 69

Bảng 4.8 Kết quả tính toán suất cắt tổng do sét đánh vào đường dây 70

Bảng 5.1 Giá trị điện dung của các phần tử thay thế 80

Hình 2.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi 5

Hình 2.2: Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi trong tính toán (đường sinh gấp khúc) 6

Hình 2.3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau 7

Hình 2.4: Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi có độ cao khác nhau 7

Hình 2.5: Phạm vi bảo vệ của nhóm 3 và 4 cột thu lôi có độ cao bằng nhau 8

Hình 2.6: Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét 9

Hình 2.7: Phạm vi bảo vê ̣ của 2 dây chống sét 10

Hình 2.8: Bố trí các cột thu lôi của phương án 1 11

Hình 2.9 Phạm vi bảo vệ của phương án 1 17

Hình 2.10 Bố trí các cột thu lôi của phương án 2 18

Hình 2.11 Phạm vi bảo vệ của phương án 2 24

Hình 3.1 Mạch vòng nối đất của trạm 30

Hình 3.2 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất 32

Hình 3.3 Sơ đồ đẳng trị rút gọn 32

Hình 3.4 Sơ đồ nối đất bổ sung 36

Hình 3.5 Sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất 37

Hình 3.6 Sơ đồ nối đất toàn trạm biến áp 39

Hình 4.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét 41

Hình 4.2 Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét treo cùng độ cao 41

Hình 4.3 Góc bảo vệ của dây thu sét 42

Hình 4.4 Kết cấu cột 220kV 45

Hình 4.5 Dây dẫn và ảnh của nó qua mặt đất 47

Hình 4.6 Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 49

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ  = f (Elv) 50

Hình 4.7 Sét đánh vào khoảng vượt 50

Hình 4.8 Dạng sóng tính toán của dòng điện sét 51

Hình 4.9 Đồ thị Ucđ(a,t) 53

Hình 4.10 Đường cong nguy hiểm 54

Hình 4.11 Sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột 55

Hình 4.14 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ucđ(t) = f(a,t) 68

Hình 4.15 Đường cong nguy hiểm khi sét đánh vào đỉnh cột 69

Hình 5.1 Sơ đồ truyền sóng giữa hai nút 72

Hình 5.2 Sơ đồ thay thế Petersen 73

Hình 5.3 Sơ đồ nút có nhiều đường dây nối vào 73

Hình 5.4 Sơ đồ thay thế Petersen xác định điện áp trên điện dung 74

Hình 5.5 Phương pháp tiếp tuyến liên tiếp xác định điện áp trên điện dung 75

Hình 5.6 Đặc tính V-A của chống sét van 76

Hình 5.7 Sơ đồ thay thế Petersen cho chống sét van 76

Hình 5.8 Đồ thị xác định U(t), I(t) của chống sét van từ đặc tính V-A 78

Hình 5.9 Sơ đồ nguyên lý trạng thái nguy hiểm nhất 79

Hình 5.10 Sơ đồ thay thế trạng thái trạng thái sóng trường hợp nguy hiểm nhất 79

Hình 5.11 Sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất 79

Hình 5.12 Quy tắc phân bố lực 80

Hình 5.13 Sơ đồ Petersen tại nút 1 82

Hình 5.14 Sơ đồ Petersen tại nút 2 84

Hình 5.15 Sơ đồ Petersen tại nút 3 84

Hình 5.16 Điện áp trên cách điện chuỗi sứ thanh góp khi có sóng truyền vào trạm 85

TBA 220KV VÀ ĐƯỜNG DÂY 220KV CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG GIÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG

CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

1.1 Hiện tượng giông sét

1.1.1 Khái niệm chung

Giông sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi khoảngcách giữa các điện cực khá lớn (trung bình khoảng 5km) Hiện tượng phóng điện củagiông sét gồm hai loại chính đó là phóng điện giữa các đám mây tích điện với nhau vàphóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất

Ở đây ta chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất (phóngđiện mây-đất) Hiện tượng phóng điện này gây ảnh hưởng trực tiếp tới hệ thống điện.Các đám mây được tích điện với mật độ điện tích lớn, có thể tạo ra cường độ điệntrường lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất Giai đoạn này là giai đoạnphóng điện tiên đạo Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng điệnđầu tiên khoảng 1,5.107cm/s, các lần phóng điện sau thì tốc độ tăng lên khoảng 2.108cm/s(trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau bởi vì trong cùngmột đám mây thì có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lượt phóngđiện xuống đất)

Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích rất lớn Đầu tia được nối với một trongcác trung tâm điện tích của đám mây nên một phần điện tích của trung tâm này đi vàotrong tia tiên đạo Phần điện tích này được phân bố khá đều dọc theo chiều dài tia xuốngmặt đất Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích khácdấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tùy thuộc vào tình hình dẫn điện của đất Nếu vùngđất có điện dẫn đồng nhất thì điểm này nằm ngay ở phía dưới đầu tia tiên đạo Còn nếuvùng đất có điện dẫn không đồng nhất (có nhiều nơi có điện dẫn khác nhau) thì điện tíchtrong đất sẽ tập trung về nơi có điện dẫn cao Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọctheo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất vànhư 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 tậptrung điện tích lớn Việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các công trình được dựatrên tính chọn lọc này của phóng điện sét

Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngược là n và mật độ điện trường của điện tíchtrong tia tiên đạo là d thì trong một đơn vị thời gian thì điện tích đi và trong đất sẽ là:

is = n×d

Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số điệntrở 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 hàm 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 giaiđoạn phóng điện ngược

Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khí quyển vàgây hậu quả nghiêm trọng như: Ngắn mạch đầu thanh góp, cháy nổ, mất điện trên diệnrộng…

1.1.2 Tình hình giông sét ở Việt Nam

Việt Nam là một trong những nước khí hậu nhiệt đới, có cường độ giông sét khámạnh Theo tài liệu thống kê cho thấy trên mỗi miền đất nước Việt Nam có một đặcđiểm giông sét khác nhau

Ở miền Bắc, số ngày giông dao động từ 70÷110 ngày trong một năm và số lần giông

từ 150÷300 lần như vậy trung bình một ngày có thể xảy ra từ 2÷3 cơn giông Vùnggiông nhiều nhất trên miền Bắc là Móng Cái Tại đây hàng năm có từ 250÷300 lần giôngtập trung trong khoảng 100÷110 ngày Tháng nhiều giông nhất là các tháng 7, tháng 8.Một số vùng có địa hình thuận lợi thường là khu vực chuyển tiếp giữa vùng núi vàvùng đồng bằng, số trường hợp giông cũng lên tới 200 lần, số ngày giông lên đến 100ngày trong một năm Các vùng còn lại có từ 150÷200 cơn giông mỗi năm, tập trungtrong khoảng 90÷100 ngày Nơi ít giông nhất trên miền Bắc là vùng Quảng Bình hàngnăm chỉ có dưới 80 ngày giông

Xét dạng diễn biến của giông trong năm, ta có thể nhận thấy mùa giông không hoàntoàn đồng nhất giữa các vùng Nhìn chung, ở Bắc Bộ mùa giông tập trung trong khoảng

từ tháng 5 đến tháng 9 Phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) là khu vực

ít giông nhất, thường chỉ có trong tháng 5 số ngày giông khoảng 10 ngày/tháng như TuyHoà 10 ngày/tháng, Nha Trang 8 ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng Ở miền Namkhu vực nhiều giông 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

1.2 Ảnh hưởng của hiện tượng giông sét tới hệ thống điện Việt Nam

Như đã trình bày ở phần trước, biên độ dòng sét có thể đạt tới hàng trăm kA, đây lànguồn sinh nhiệt vô cùng lớn khi dòng điện sét đi qua vật nào đó Thực tế đã có trườnghợp dây tiếp địa (do phần nối đất không tốt) khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị nóngchảy 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 gianlượng 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 hàngtrăm km

Khi sét đánh thẳng vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần đường dây sẽ sinh rasóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện củađường dây Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây nên ngắn mạch pha-đấthoặc ngắn mạch pha–pha buộc các thiết bị bảo vệ đầu đường dây phải làm việc Vớinhững 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 thẳngvào trạm biến áp đều gây nên phóng điện trên cách điện của trạm biến áp, điều này rấtnguy hiểm vì nó tương đương với việc ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cốtrầm trọng Mặt khác, khi có phóng điện sét vào trạm biến áp, nếu chống sét van ở đầucực máy biến áp làm việc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp bị chọc thủnggây 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 lướiđiện, vì vậy giông sét là mối nguy hiểm lớn nhất đe dọa hoạt động của lưới điện

1.3 Kết luận

Sau khi nghiên cứu tình hình giông sét ở Việt Nam và ảnh hưởng của giông sét tớihoạt động của hệ thống điện, ta thấy rằng việc tính toán bảo vệ chống sét cho hệ thốngđiện là rất cần thiết để nâng cao độ tin cậy trong vận hành hệ thống điện

TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110KV

2.1 Khái niệm chung

Đối với Trạm biến áp 220 kV có các thiết bị đặt ngoài trời, khi có sét đánh trực tiếpvào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nghiêm trọng, làm hư hỏng các thiết bị điện, có thểphải ngừng cung cấp điện năng trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến sản xuất vàgây ra những chi phí tốn kém cho ngành điện, ảnh hưởng đến nền kinh tế quốc dân Dovậy, trạm biến áp thường có yêu cầu bảo vệ khá cao

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta thường dùng

hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng của hệ thống này là tập trung điện tích để địnhhướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra các khu vực an toàn bên dưới hệthống này

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệthống nối đất Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của bộphận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện sét một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khidòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóng điệnngược 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 phảiquan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, mỹthuật

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm gọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của

hệ thống bảo vệ Ở đây, hệ thống bảo vệ trạm 220/110kV ta dùng hệ thống cột thu lôi, hệthống này có thể đặt ngay trên bản thân công trình hoặc độc lập tùy thuộc vào các yêucầu cụ thể

Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm vibảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi Tuy nhiên trong điều kiện phóng điệnngược từ hệ thống thu sét sang thiết bị, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trênđiện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thểgây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mứccách điện không đủ lớn Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà củatrạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ

Trạm biến áp có điện áp từ 110 kV trở lên có mức cách điện khá cao (cụ thểkhoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) Do đó có thể đặt các cột thulôi trên các kết cấu của trạm Tuy nhiên cần lưu ý đặt cột thu lôi sao cho đường dẫn từ cộtthu sét xuống hệ thống nối đất là ngắn nhất và sao cho dòng điện sét khuếch tán vào đất

theo 3 đến 4 thanh dẫn của hệ thống nối đất Mặt khác phải có nối đất bổ sung để cảithiện trị số điện trở nối đất.

Khâu yếu nhất trong trạm biến áp ngoài trời điện áp từ 110 kV trở lên là cuộn dâymáy biến áp, vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cáchgiữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máybiến áp là phải lớn hơn 15m theo đường 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

Đối với cấp điện áp 110kV trở lên cần phải chú ý:

 Ở nơi có đặt cột thu lôi dẫn vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ sung (dùngnối đất bổ sung) nhằm đảm bảo điện trở khuyếch tán không được quá 4 (ứng với tần sốcông nghiệp)

 Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột thu lôi và bộ phậnmang điện không được bé hơn độ dài chuỗi sứ

Có thể nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp điện áp110kV nếu như các yêu cầu trên được thực hiện Khi dùng cột thu lôi độc lập thì cần phảichú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi đến các bộ phận của trạm để tránh khả năngphóng điện từ cột thu lôi đến các vật cần được bảo vệ

Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện phảiđược cho vào ống chì và chôn trong đất Có thể nối dây chống sét vào hệ thống nối đấtcủa trạm nếu như khoảng cách từ chỗ nối đất của điểm nối đất ấy đến điểm nối đất củamáy biến áp lớn hơn 15m

2.3 Lý thuyết để tính chiều cao cột & dây và phạm vi bảo vệ

2.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi

Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi có độ cao là hlà một hình chóp tròn xoay có đườngsinh được xác định như sau:



Hình 2.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi

Trong đó:

- h: chiều cao cột thu lôi

- hx: chiều cao cần được bảo vệ

0,8h2hh

x

rxO

1,5h

3

ABC

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi

2.3.2.1 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi

a Hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau

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

h1

O1

h0

3

O2

h2

rx1

r0x

x

rx2a

a’

hx

Hình 2.3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau+Khi a = 7h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa 2 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 địnhnhư sau: h0 = h -

a

7

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 hoặc bằng 30m thì các công thức cũng cầnđược hiệu chỉnh theo hệ số p đã nêu ở mục trên

b Hai cột thu lôi có độ cao khác nhau

Xét 2 cột thu lôi 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 thu lôi có độ cao khác nhau

1

2

3

rx12

rx23

rx13

1

2

rx12

rx23

rx34

rx14

D<8ha

r

2.3.2.2 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu lôi

Hình 2.5: Phạm vi bảo vệ của nhóm 3 và 4 cột thu lôi có độ cao bằng nhau

Vật có độ cao hx nằm trong đa giác được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:

D 8 (h h ) 8 h     

Trong đó:

- D: đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác được tạo bởi các cột thu lôi

- h: độ cao của cột thu lôi

- hx: độ cao của vật cần được bảo vệ

- ha = h – hx: là độ cao hiệu dụng

Ta cũng cần phải kiểm tra điều kiện an toàn cho từng cặp cột đặt gần nhau và nếu độ cao cột thu sét vượt quá 30m thì phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh p

2.3.3 Phạm vi bảo vê ̣ của dây chống sét

2.3.3.1 Phạm vi bảo vê ̣ của một dây chống sét

Phạm vi bảo vê ̣ của dây chống sét là mô ̣t dải rô ̣ng Chiều rô ̣ng của phạm vi bảo vê ̣ phụ thuô ̣c vào mức cao hx được biểu diễn như hình vẽ

a' b

c

a

h 0,8h

0,2h

0,6h

1,2h

2b x

Hình 2.6: Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

Mă ̣t cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây chống sét tương tự cô ̣t thu lôi ta có các hoành đô ̣ 0,6h và 1,2h

Chú ý: khi đô ̣ cao của cô ̣t lớn hơn 30 mét thì điều kiê ̣n bảo vê ̣ phải hiê ̣u chỉnh theo p

2.3.3.2 Phạm vi bảo vê ̣ của 2 dây chống sét

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây chống sét thì khoảng cách giữa hai dây chống sét phảithoả mãn điều kiện s < 4h

Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao

0

4

s

Phạm vi bảo vệ như hình vẽ

ho hx

1,2hbxHình 2.7: Phạm vi bảo vê ̣ của 2 dây chống sétPhần ngoài của phạm vi bảo vệ giống của một dây còn phần bên trong được giớihạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm treo dây chống sét và điểm có độ cao

+ Khu vực chứa các xà phía 220kV có độ cao cần bảo vệ là hx = 17m và hx = 11m

+ Khu vực chứa các xà phía 110kV và giữa 2 khu vực có độ cao cần bảo vệ là hx = 11m

và hx = 8m

-Trình tự tính toán :

+ Bước 1: Chọn vị trí đặt cột thu lôi

+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng lớn nhất của từng phía ha max.

+ Bước 3: Tính chiều cao của cột thu lôi các phía: h = hx + ha max

+ Bước 4: Tính và vẽ phạm vi bảo vệ và kiểm tra

- Ta xét hai phương án như sau:

2.4.1 Phương án 1

+ Bước 1: Ta bố trí 33 cột thu lôi ở các vị trí như hình vẽ sau:

Phía 220kV bố trí 18 cột, trong đó có 4 cột trên xà đón dây cao 17m (số 14 đến 17), 12cột trên xà thanh góp cao 11m (số 1 đến số 12) và 2 cột độc lập (số 13 và 18)

Phía 110kV bố trí 15 cột, trong đó có 1 cột trên xà đón dây cao 11 m (số 23), 10 cột trên

xà thanh góp cao 8 m và 4 cột độc lập

AT1 AT2

10

9

11 12

14 15

16 17 18

13

20 21

22 23

Do các cột thu lôi tạo thành lưới cột nên ta sẽ chia lưới cột thành các nhóm đa giác đỉnh

và tính độ cao hiệu dụng ha của từng nhóm cột theo điều kiện sau:

Ta chia 18 cột thành 6 hình chữ nhật và 9 hình tam giác

Xét nhóm cột (1-2-6-5) là hình chữ nhật với kích thước:

Độ cao tối thiểu của các cột trên là:

Nửa chu vi tam giác trên là: p = 69,647 m

Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét 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 phía 220kV phương án 1

Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m ha, max 9-13-14 43,741 38,210 57,342 69,647 57,361 7,170

+ Nửa chu vi tam giác trên là: p = 51,156 m

Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là:

2 2 ( ) ( ) ( )

a b c D

Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:

Bảng 2.2 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1

Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m ha, max 20-21-25 37 39,812 25,5 51,156 40,910 5,114

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn cho thiết bị ta nâng cột lên tới 19 m

+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi

Ta chỉ xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo đa giác đỉnh do phần diệntích bên trong đã được bảo vệ Chiều cao các cột thu lôi đều nhỏ hơn 30m nên trong côngthức tính ta không cần nhân với hệ số hiệu chỉnh p

Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi:

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 26 m

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 17 m là:

Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 19 m:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11 m là:

+ Xét cặp cột (1-2) có cùng độ cao 27m và đặt cách nhau một khoảng là a = 30,8m

Do

a  30,8 7      h

7 26 182( ) m

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 17m và hx = 11m là:

+ Xét cặp cột (19-24) có độ cao 19m và đặt cách nhau một khoảng là a = 24,5 m

Do a = 24,5 m < 7×19 = 133 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

01 2

h

= 15,5 (m)Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 11m và h x = 8m là:

-Tính toán tương tự cho các cặp cột biên còn lại ta có kết quả như bảng sau:

Bảng 2.3 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên phương án 1

Loại cặp cột Tên h1 h2 a ho 2/3ho hx1 rox1 hx2 rox2

110kV

19-24 19 19 24,5 15,5 10,333 11 3,375 8 8,250 24-29 19 19 29,5 14,786 9,857 11 2,839 8 7,179 29-30 19 19 33,5 14,214 9,476 11 2,411 8 6,321 30-31 19 19 36 13,857 9,238 11 2,143 8 5,786 31-32 19 19 54 11,286 7,524 11 0,214 8 2,464 32-33 19 19 36 13,857 9,238 11 2,143 8 5,786 33-28 19 19 29,5 14,786 9,857 11 2,839 8 7,179 28-23 19 19 25,5 15,357 10,238 11 3,268 8 8,036

220kV

1-2 27 27 30,8 22,600 15,067 17 4,200 11 13,275 2-3, 3-4 27 27 61,6 18,200 12,133 17 0,900 11 6,675 8-12, 5-9 27 27 36 21,857 14,571 17 3,643 11 12,161 12-18 27 27 33,8 22,171 14,781 17 3,879 11 12,632 1-5, 4-8 27 27 43 20,857 13,905 17 2,893 11 10,661 9-14 26 26 57,342 17,808 11,872 17 0,606 11 6,087 14-15, 16-17 27 27 15,400 24,800 16,533 17 5,850 11 16,575

15-16 27 27 46,200 20,400 13,600 17 2,550 11 9,975 17-18 27 27 33,481 22,217 14,811 17 3,913 11 12,701 9-13 27 27 43,741 20,751 13,834 17 2,813 11 10,502 13-14 27 27 38,21 21,541 14,361 17 3,406 12 9,812 220-110kV 13-19 27 19 26,622 23,197 15,465 11 3,791 8 9,081

18-23 27 19 46,077 20,418 13,612 11 1,706 8 4,912Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được hiển thị trong hình sau:

AT1 AT2

10

9

11 12

14 15

16 17 18

13

20 21

22 23

Hình 2.9 Phạm vi bảo vệ của phương án 1

Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra.

Tổng chiều dài kim thu sét là:

L110 = 10× (19-8) + 1× (19-11) + 4×19 = 194 m

L220 = 12× (27-11) + 4× (27-17) + 2×26 = 286 m

 L1 = 194 + 286 = 480 m

2.4.2 Phương án 2

+ Bước 1: Ta bố trí 52 cột thu lôi ở các vị trí như hình vẽ sau:

Phía 220kV bố trí 25 cột, trong đó có 7 cột trên xà cao 17m, 18 cột trên xà cao 11m, 4 cộtđộc lập

Phía 110kV bố trí 25 cột trong đó có 4 cột trên xà cao 11m, 15 cột trên xà cao 8m, 6 cộtđộc lập.

42 27

28

29 31

34

43 35

45

AT1 AT2

21 22

23 24 19

6

9 10 11

12

17

36

37 38 40

44

46 47 49

50

Hình 2.10 Bố trí các cột thu lôi của phương án 2

+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:

Do các cột thu lôi tạo thành lưới cột nên ta sẽ chia lưới cột thành các nhóm đa giác đỉnh

và tính độ cao hiệu dụng ha của từng nhóm cột theo điều kiện sau:

+ Xét nhóm cột (7-8-13) là hình tam giác có kích thước:

- Cạnh 7-8: a = 30,8 m

- Cạnh 7-13: b = 36 m

- Cạnh 8-13: c = 47,378 m

Nửa chu vi tam giác trên là: p = 57,089 m

Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:

Bảng 2.4 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 2

Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m ha, max 7-8-13 30,800 36,000 47,378 57,089 47,378 5,922

Do độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 220kV là

h

+ Nửa chu vi tam giác trên là: p = 48,535 m

Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh là:

2

a b c D

Tính toán tương tự PA2 cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:

Bảng 2.5 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 2

Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m h a , m h amax, m 20-26-27 26,614 36,955 33,5 48,535 38,279 4,785

Để thuận tiện cho việc thi công và tăng độ an toàn cho thiết bị tân nâng cột lên tới 17 m

+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi.

Ta chỉ xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo chu vi của trạm do phần diện tíchbên trong đã được bảo vệ Chiều cao các cột thu lôi đều nhỏ hơn 30m nên trong côngthức tính ta không cần nhân với hệ số hiệu chỉnh p

 Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi

- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 25m

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 17m là:

- Phạm vi bao vệ của các cột phía 110kV cao 17 m:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 11m là:

Bán kính bảo vệ cho độ cao hx = 8m là:

+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao 25m và đặt cách nhau một khoảng là a = 30,8m

Do a = 30,8m < 7×25 = 175 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

+ Xét cặp cột (26-33) có cùng độ cao 17m và đặt cách nhau một khoảng là a = 24,506m

Do a = 24,506m < 7×17 = 119 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:

-Tính toán tương tự cho các cặp cột biên còn lại ta có kết quả như bảng sau:

Bảng 2.6 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên của phương án 2

Loại cặp cột Tên h1 h2 a ho 2/3ho hx1 hx2 rox1 rox2

26-33 17 17 24,506 13,499 8,999 11 1,874 8 5,249 33-42 17 17 29,5 12,786 8,524 11 1,339 8 4,179 42-43 17 17 33,483 12,217 8,144 11 0,913 8 3,325 43-44, 44-45

1-2, 2-3 3-4, 4-5 5-6

25 25 30,8 20,600 13,733 17 2,700 11 10,275 1-7, 6-12 25 25 43 18,857 12,571 17 1,393 11 7,661 7-13, 12-18 25 25 36 19,857 13,238 17 2,143 11 9,161 13-20 25 25 43,741 18,751 12,501 17 1,313 11 7,502 13-21 25 25 52,441 17,508 11,672 17 0,381 11 5,638 21-22, 23-24 25 25 15,4 22,800 15,200 17 4,350 11 13,575 22-23 25 25 46,2 18,400 12,267 17 1,050 11 6,975 19-24 25 25 26,83 21,167 14,111 17 3,125 11 11,126 18-19 25 25 40,492 19,215 12,810 17 1,662 11 8,198 220-110kV 20-26 25 17 26,609 14,056 9,371 11 2,292 8 6,084

25-32 25 17 26,538 14,066 9,377 11 2,300 8 6,099Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được hiển thị trong hình sau:

AT1 AT2

21 22

23 24 19

20

42 27

28

29 31

34

43 35

6

9 10 11

12

17

36

37 38 40

44

46 47 49

50 32

41

Hình 2.11 Phạm vi bảo vệ của phương án 2

Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra.

Tổng chiều dài kim thu sét là:

L

L



L

2.5 Chọn phương án tối ưu

Cả hai phương án đều đảm bảo yêu cầu về mặt kĩ thuật nên ta xét đến yêu cầu về mặt kính tế để lựa chọn Phương án tối ưu là phương án có tổng chiều cao cột thu sétnhỏ nhất Ta có bảng sau:

Bảng 2.7 So sánh 2 phương án Phương án

Tổng chiều dài(m) 480 588

Từ bảng so sánh trên ta thấy phương án 1 có số lượng cột và tổng chiều dài kim thu sét nhỏ hơn phương án 1 Do vậy ta chọn phương án 1 để thi công