BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP 220110 kV

Phần 1 BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠMĐối với nhà máy điện và các trạm biến áp ngoài việc bảo vệ chống sét đánhtrực tiếp vào thiết bị điện cần phải chú ý bảo vệ các công trình k

Phần 1 BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM

Đối với nhà máy điện và các trạm biến áp ngoài việc bảo vệ chống sét đánhtrực tiếp vào thiết bị điện cần phải chú ý bảo vệ các công trình khác như:

- Đoạn dây nối từ xà cuối của trạm ra cột đầu tiên của đường dây

- Đoạn dây dẫn hay thanh dẫn nối máy phát điện và máy biến áp

- Gian máy của các loại nhà máy điện kiểu hở, các thiết bị thu đựng khíHidro ngoài trời, các thiết bị chứa dung dịch điện phân ngoài trời

- Kho dầu, các thùng dầu để ngoài trời, kho xăng

Đối với các công trình dễ cháy nổ thì không những cần bảo vệ chống sétđánh trực tiếp mà phải đề phòng sự phát sinh tia lửa do điện áp gây nên, vì vậy khitiến hành thiết kế bảo vệ đối với phần này cần nghiên cứu thêm qui trình đối vớicác công trình dễ cháy nổ

Để bảo vệ sét đánh trực tiếp ở các nhà máy điện và trạm biến áp cần dùngcột thu lôi Các cột thu lôi có thể được đặt độc lập hoặc trong các điều kiện chophép có thể đặt trên các kết cấu của trạm, nhà máy

Thông thường để giảm vốn đầu tư và cũng là để tận dụng độ cao ở các trạmbiến áp và nhà máy điện người ta cố gắng đặt các cột thu lôi trên các kết cấu trongtrạm, trên các cột đèn pha dùng để chiếu sáng, trên mái nhà … Cột thu lôi độc lậpthường đắt hơn nên chỉ dùng khi không tận dụng được độ cao khác

Nếu đặt cột thu lôi trên các kết cấu của trạm phân phối điện ngoài trời vàdùng dây chống sét để bảo vệ cho đoạn dây dẫn nối từ xà cuối của trạm đến cộtđầu tiên của đường dây thì chúng sẽ được nối đất chung vào hệ thống nối đất của

trạm Vì vậy khi sét đánh vào dây thu lôi hay vào dây chống sét thì toàn bộ dòngđiện sét sẽ đi vào hệ thống nối đất của trạm và do đó làm tăng thế của các thiết bịđược lối đất chung với hệ thống nối đất của trạm Độ tăng đó lớn thì có thể gây nênnguy hiểm cho các thiết bị ấy, do vậy chỉ trong điều kiện cho phép mới được đặtcột thu lôi trên các công trình trong trạm hoặc dùng dây chống sét ở trong trạm.

Khi thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và nhà máy điện ngoài cácyêu cầu kỹ thuật còn phải chú ý đến các mặt kinh tế và mỹ thuật

2 Các yêu cầu kỹ thuật :

Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ 110 kV trở lên do có mức cách điệncao nên có thể đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối Các trụ của các kếtcấu trên đó có đặt côt thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét Is

khuếch tán vào trong đất theo 3 đến 4 thanh cái của hệ thống nối đất Ngoài ra ởmỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số của điện trở nốiđất

- Nơi yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời điện áp 110 kV trở lên làcuộn dây của máy biến áp, vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máybiến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa 2 điểm nối vào hệ thống nối đấtcủa cột thu lôi và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15 m

- Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110 kV trởlên phải thực hiện các yêu cầu sau:

+ Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đấtcần phải có nối đất bổ xung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điệntrở khuếch tán không được quá 4 Ω (ứng với dòng điện tần số côngnghiệp)

+ Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cộtthu lôi và bộ phận mang điện không được bé hơn chiều dài của chuỗisứ

- Có thể nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phốicấp điện áp 110 kV nếu như các yêu cầu trên được thực hiện

- Khi dùng cột thu lôi độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôiđến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôiđến vật được bảo vệ

- Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho cột thu lôi phải cho dâydẫn điện đến đèn vào ống chì và chôn vào trong đất

- Có thể nối dây chống sét bảo vệ đoạn đến trạm vào hệ thống nối đất củatrạm nếu như khoảng cách từ chỗ nối đất của trạm đến điểm nối đất củamáy biến áp lớn hơn 15 m.

- Để đảm bảo về mặt cơ tính và để chống ăn mòn cần phải theo đúng quiđịnh về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dùng trên mặt đất và dưới đất:

Loại vật liệu sét dùng trên mặt đấtDây dẫn dòng điện Dây dẫn dòng điệnsét dùng dưới đất

3 Đặc điểm về kết cấu côt thu lôi:

Trong nhưng điều kiện cho phép, như trên đã nói, nếu tận dụng được các độcao của các công trình trong trạm như các xà để làm giá đỡ cho cột thu lôi Ví dụđối với các trạm biến áp 110 kV trở lên thì cột thu lôi thường đặt trên các xà và đểnối cột thu lôi với hệ thống nối đất thì dùng ngay xà ấy nếu là xà sắt hay dùng cốtsắt ở bên trong nếu là cột bê tông cốt sắt

Đối với cột thu lôi độc lập nếu:

+ Độ cao h của cột thu lôi không quá 20 m thì dùng các ống kim loại ghéplại

+ Độ cao h lớn hơn 20 m thì dùng loại kết cấu kim loại kiểu mạng để làmgiá đỡ bộ phận thu sét

Nhưng kinh tế nhất là dùng cột thu lôi có giá đỡ bằng gỗ nếu như độ cao hcủa cột thu lôi không quá 20 m và giá đỡ bằng cột bê tông cốt thép đối với cột thulôi cao quá 20 m, khi đó nên tận dụng cốt thép của cột làm dây dẫn dòng điện sét

từ phần thu sét đến hệ thống nối đất Trong trường hợp dùng giá đỡ bằng gỗ phảidùng dây dẫn riêng đặt dọc theo giá đỡ

Cột thu lôi được thiết kế để làm việc ở trạng thái tự do không được làm việc

ở trạng thái căng

Khi chọn tiết diện các phần tử của cột thu lôi dựa trên sự phát nóng củachúng và trong trong tính toán có thể bỏ qua sự tản nhiệt ra môi trường xungquanh

Kích thước tiêu chuẩn của một số loại kim thu sét:

4 Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi:

4.1 phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập:

Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là miền được giới hạn bởi mặtngoài hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi phương trình

r x= 1,61+h x

0.2h

h

0.75h 1.50h

rx hx

Hình 1-1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lậpChú ý các công thức trên chỉ đúng khi cột thu lôi cao dưới 30 m Hiệu quảcủa cột thu lôi cao quá 30 m có giảm sút do độ cao định hướng của sét giữ hằng số

Có thể dùng các công thức trên để tính phạm vi bảo vệ nhưng phải hiệu chỉnh kếtquả bằng cách nhân với hệ số hiệu chỉnh p=5,5

√h và trên hình vẽ dùng các hoành

độ 0,75hp và 1,5hp

4.2 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi:

Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi thì lớn hơn nhiều so với phạm

vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột đơn cộng lại Nhưng để hai cột thu lôi có thể phốihợp được thì khoảng cách a giữa chúng phải thỏa mãn điều kiện a < 7h

+ Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi có cùng độ cao:

Khi hai cột thu lôi có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cách a (a < 7h) thì

độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu lôi h0 được tính như sau:

h0=h− a

7

Rx hx a

Rx

1.5ho 1.5h

Hình 1-2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi cùng độ caoCác phần bên ngoài giống như các trường hợp một cột còn phần bên trongđược giới hạn bởi vòng tròn đi qua 3 điểm hai đỉnh cột và điểm ở giữa có độ cao

h0, mặt cắt thẳng đứng theo mặt phẳng vuông góc đặt giữa hai cột của phạm vi bảo

vệ được vẽ giống như một cột có độ cao h0, từ hai mặt cắt này có thể vẽ được phạm

vi bảo vệ của các mức cao khác nhau

Khi độ cao vượt qúa 30 m cũng có các hiệu chỉnh tương tự như trên và độcao h0 cũng được tính theo h0= h− a

7 p .

+ Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi không cùng độ cao:

Cách vẽ phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có chiều cao khác nhau được trìnhbày như hình vẽ Trước tiên ta vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao sau đó qua đỉnh cộtthấp vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3điểm này được xem là đỉnh cột thu sét giả định, nó sẽ cùng với cột thấp hình thànhđôi cột có độ cao bằng nhau với khoảng cách a’

Rx hx

Khi độ cao vượt qúa 30 m cũng có các hiệu chỉnh tương tự như trên và độcao h0 cũng được tính theo h0= h2− a'

7 p .

+ Phạm vi bảo vệ của nhóm cột thu lôi:

Khi công trình cần được bảo vệ chiếm khu vực rộng lớn, nếu chỉ dùng mộtvài cột thu lôi thì phải rất cao gây nhiều khó khăn cho thi công, lắp ráp Trong cáctrường hợp này sẽ dùng nhiều cột phối hợp bảo vệ Phần ngoài của phạm vi bảo vệđược xác định như của từng đôi cột (yêu cầu khoảng cách a≤7 h , không cần vẽphạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu lôi mà chỉ kiểm trađiều kiện an toàn Vật có độ cao hx nằm trong đa giác sẽ được bảo vệ nếu thỏa mãnđiều kiện:

- Xem xét toàn bộ các cột thu lôi ở những vị trí đã chọn

- Tính độ cao tác dụng ha của các cột xác định đường kính D vòng trònngoại tiếp tam giác qua 3 đỉnh cột (hoặc ngoại tiếp tứ giác)

Để cho toàn bộ diện tính giới hạn bởi tam giác (hoặc tứ giác ấy) được bảo vệ

thì D≤8h a

Lấy chung một độ cao tác dụng lớn nhất cho toàn trạm

- Tính độ cao h của cột thu lôi:

h = ha + hx,Trong đó :

hx độ cao của vật được bảo vệ

- Kiểm tra lại khả năng bảo vệ đối với các vật nằm ngoài phạm vi bảo vệ :

+ Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi:

+ Tính bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu lôi:

Tính độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu lôi h0:

h0=h− a

7 a là khoảng cách giữa 2 cột thu lôiTính rx như trên theo độ cao h0

- Vẽ các khu vực bảo vệ theo kích thước đã tính

- Kiểm tra lại nếu có vật được bảo vệ nào nằm ngoài khu vực bảo vệ thìcần phải tăng độ cao cột thu lôi hoặc bố trí thêm cột và tính toán theotrình tự trên

1.Các phương án bối trí hệ thống thu sét:

Phía 220 kV bố trí 8 (cột 1 đến cột 8) cột đặt trên xà bên trong trạm.

Phía 110 kV bố trí 6 (cột 9 đến cột 14) cột đặt trên xà bên trong trạm

Xác định độ cao hiệu dụng của các cột thu sét:

Để tính được độ cao tác dụng ha của các cột chống sét trên mặt bằng bản vẽ

coi những nhóm cột đó như những đa giác hình học, từ đó xác định được bán kính

đường tròn ngoại tiếp đa giác đó

Bên phía 220 kV ta có:

- Xét các nhóm cột (1, 4, 6), (3, 5, 8), (2, 4, 7) và (2, 5, 7) có cùng kích thước ta có:

Nhóm 3 cột này tạo thành một tam giác có các cạnh là:

Độ cao hiệu dụng của cột thu sét ha để nhóm 4 cột trên bảo vệ được hoàntoàn diện tích của chúng phải thỏa mãn:

=

30,8 42,62.54 ,19

2 √ 63,81(63,81−30,8)(63,81−42,62)(63,81−54,19) =54,31(m)

Độ cao hiệu dụng của cột thu sét ha để nhóm 3 cột trên bảo vệ được hoàntoàn diện tích của chúng phải thỏa mãn:

Độ cao hiệu dụng của cột thu sét ha để nhóm 3 cột trên bảo vệ được hoàntoàn diện tích của chúng phải thỏa mãn:

Độ cao hiệu dụng của cột thu sét ha để nhóm 3 cột trên bảo vệ được hoàn

toàn diện tích của chúng phải thỏa mãn:

2 35,84 51,11 65,04 51,88 6,485 Tam giác Ở giữa

Qua tính toán cụ thể độ cao tác dụng cho từng nhóm cột ta nhận thấy:

Đối với phía 220 kV thì hamax = 4,97 m vì vậy ta chọn ha=5 m

Đối với phía 110 kV và ở giữa thì ta chọn ha = 7 m

Phía 220 kV cần bảo vệ cho độ cao lớn nhất là hx = 17 m cho nên độ cao của

cột thu sét phía 220 kV là:

h = ha+hx = 17 + 5 = 22 (m)Phía 110 kV và ở giữa cần bảo vệ cho độ cao lớn nhất là hx = 11 m cho nên

độ cao của cột thu sét là:

h = ha+hx = 11 + 7 = 18 (m)

Tính bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi:

Bên phía 220 kV bảo vệ bằng cột thu lôi cao 22 m và các độ cao cần bảo vệ

- Bán kính bảo vệ ở độ cao hx = 8 m < 12 m là:

r x=1,5 h(1− h x

0,8⋅h)=1,5⋅18(1−

8 0,8⋅18)=12 (m)

Tính bán kính bảo vệ ở khu vực giữa 2 cột xung quanh trạm:

h0=h− a

7=22−

30 ,8

7 =17 , 6 (m)Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là:

hx = 11 m >

2

3h0 = 2

312,34=8,22 mNên r 0 x=0 ,75h0(1−

0,8⋅h)=1,5⋅12,86 (1−

8

0,8⋅12,86)=4,29 (m)Cuối cùng ta có bảng kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của từng cặp cột thusét :

Tổng chiều dài:

L1 = 5(22 - 17) + 3(22 - 11) + 3(18 - 11) + 3(18 – 8) = 109m

Ta có phạm vi bảo vệ của phương án 1 như sau:

8 m

11 10

5

4 3

2

18

14 13

1

6

17 16

- _ Phạm vi bảo vệ của cột chống sét ở độ cao 17 m

- Phạm vi bảo vệ của cột chống sét ở độ cao 11 m

- Phạm vi bảo vệ của cột chống sét ở độ cao 8 m