Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và đường dây 220110kv

Đồ án của em gồm 2 phần: Phần 1: Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV/110kV Chương 1: Hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện Việt Nam Chương 2: T

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước thì ngành năng lượng

là một ngành công nghiệp quan trọng, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao

do vậy luôn được ưu tiên phát triển hang đầu Năng lượng, theo cách nhìn tổng quát

là rất rộng lớn, là vô tận

Tuy nhiên, nguồn năng lượng mà con người có thể khai thác phổ biến hiện nayđang trở nên khan hiếm và trở thành một vấn đề lớn trên thế giới.Hệ thống điện làmột phần của hệ thống năng lượng Việc xây dựng các nhà máy điện, mạng lướiđiện…hòa vào hệ thống điện sẽ nâng cao tính đảm bảo cung cấp điện liên tục chocác hộ tiêu thụ điện, vì chúng hỗ trợ cho nhau khi có sự cố nào đó xảy ra, nâng caochất lượng điện năng, công suất truyền tải, giảm tổn thất điện năng, ổn định caotrong hệ thống điện và đáp ứng các yêu cầu về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đề ra củangành năng lượng

Sau khi kết thúc bốn năm học của ngành hệ thống điện, em được giao nhiệm vụTính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho Trạm biến áp và Đường dây 220/110kV Đồ

án của em gồm 2 phần:

Phần 1: Tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV/110kV

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

Nam

Chương 2: Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp

Chương 3: Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp

Chương 4: Bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện

Phần 2:Chuyên đề tính toán sóng truyền từ đường dây tải điện vào trạm biến áp

Về sơ lược em cũng hiểu biết được sâu hơn kiến thức về kĩ thuật điện cao áphiện nay Đó là sự trang bị kiến thức rất hữu ích cho công việc của em sau khi ratrường

Hà Nội ngày 05 tháng 01năm 2015

Sinh viên thực hiện

Tống Xuân Tùng

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hệ thống điện đặc biệt là côgiáo TS Đặng Thu Huyền đã hướng dẫn em nhiệt tình và trang bị cho em mộtlượng kiến thức sâu rộng về bộ môn kỹ thuật điện cao áp để em hoàn thành tốt bản

đồ án tốt nghiệp này Thiết kế tính toán bảo vệ chống sét cho trạm biến áp là mộtmảng đề tài rất lớn và đặc trưng của ngành điện nói chung và khoa Hệ thông điệnnói riêng đòi hỏi kiến thức chuyên môn sâu rộng, do vậy trong quá trình thiết kế emcũng có sự giúp đỡ và phối hợp rất tốt với bạn bè trong nhóm đồ án

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn các Thầy/Cô đãtận tình giảng dạy và giúp đỡ em trong những năm học vừa qua

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

LỜI CẢM ƠN 2

PHẦN I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV/110kV 9

CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 9

1.1 Hiện tượng dông sét 9

1.1.1 Khái niệm chung 9

1.1.2 Tình hình dông sét ở Việt Nam 11

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Việt Nam 13

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM PHÂN PHỐI 220/110kV 15

2.1 Khái niệm chung 15

2.2 Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 15

2.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét 16

2.3.1 Phạm vi của cột thu sét 19

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 23

2.4 Mô tả trạm phân phối 220kV cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 24

2.4.1 Phương án 1 25

2.4.1.1 Bố trí các cột thu lôi 25

2.4.1.2.Tính toán cho phương án 1 25

2.4.1.3 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1 30

2.4.2 Phương án 2 31

2.4.2.1 Bố trí các cột thu lôi 31

2.4.2.2.Tính toán cho phương án 2 31

2.4.2.3 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 2 39

2.4.3 Phương án 3 39

2.4.3.1 Bố trí dây thu sét 39

2.4.3.2 Tính toán cho phương án 3 40

2.4.3.3 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 3 44

2.5 So sánh các phương án 44

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM PHÂN PHỐI 220/110kV 45

3.1 Yêu cầu kĩ thuật khi nối đất trạm biến áp 45

3.2 Tính toán nối đất an toàn 47

3.2.1 Nối đất tự nhiên 47

3.2.2 Nối đất nhân tạo 48

3.3 Nối đất chống sét 49

3.3.1 Khái niệm 49

3.3.2 Trình tự tính toán 51

3.3.2.1 Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong

đất 51

3.3.2.2 Tính toán trị số điện trở nối đất nhân tạo trong mùa sét 52

3.3.2.3.Tính toán cho trạm thiết kế 52

3.3.2.4 Kết luận 55

CHƯƠNG IV:BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 56

4.1 Mở đầu 56

4.2 Lý thuyết tính toán 56

4.3 Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây 58

4.3.1 Thông số đường dây cần bảo vệ 58

4.3.2 Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây .60

4.3.2.1 Độ võng của dây 60

4.3.2.2 Độ treo cao trung bình của dây dẫn và dây chống sét 60

4.3.2.3 Góc bảo vệ của dây thu sét 60

4.3.2.4 Tổng trở sóng của dây dẫn và dây chống sét 61

4.3.2.5 Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn các pha với dây chống sét 62

4.3.2.6 Nhận xét 63

4.3.3 Tính số lần sét đánh vào đường dây 63

4.3.3.1 Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 63

4.3.3.2.Số lần sét đánh vào đỉnh cột và khoảng vượt 64

4.3.4 Suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vòng qua dây dẫn vào dây pha64 4.3.5 Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vào khoảng vượt 66

4.3.6 Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 71

4.3.7 Tính suất cắt tổng và chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện 87

4.4 Kết luận 87

PHẦN HAI: CHUYÊN ĐỀ TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN VÀO TRẠM BIẾN ÁP 88

A.KHÁI NIỆM CHUNG 88

B.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP TRÊN CÁCH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ KHI CÓ SÓNG TRUYỀN VÀO TRẠM 89

I Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp lặp bảng 89

I.1 Nội dung phương pháp 89

I.1.1 Quy tắc Petersen 90

I.1.2 Quy tắc sóng đẳng trị 91

I.1.3 Xác định điện áp trên điện dung 92

b, Phương pháp tiếp tuyến liên tiếp 93

I.1.4 Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van 95

I.2) Sơ đồ tính toán 97

II Trình tự tính toán 98

II.1 Thiết lập phương pháp tính điện áp các nút trên sơ đồ rút gọn 101

II.2 Các đặc tính cách điện tại các nút cần bảo vệ 106

II.3 Kiểm tra an toàn các thiết bị trong trạm 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

DANH MỤC BẢNG

Bảng I-1:Số ngày dông sét trong tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam 12

Bảng II-1: Kết quả tính bán kính bảo vệ giữa các cột thép liền kề 30

Bảng II-2:Kết quả tính bán kính bảo vệ giữa các cột thép liền kề 38

Bảng II-3:Kết quả tính bán kính bảo vệ giữa các cột thép liền kề 43

Bảng II-3: Bảng thống kê số lượng cột và chiều dài thiết bị 44

Bảng III-1: Hệ số hình dáng K… 40

Bảng III-2: Bảng tính toán chuỗi số 54

Bảng III-3: Bảng thống kê các thông số chính trong tính toán nối đất 55

Bảng IV-1: Quan hệ phụ thuộc của Elv và η 65

Bảng IV-2: Các giá trị của Ucd (a,t) 68

Bảng IV-3: Đặc tính Vol – giây (V-S) của chuỗi sứ cách điện 62

Bảng IV-4:Bảng các giá trị của I=ai.ti 69

Bảng IV-5 : Bảng tính toán các giá trị 71

Bảng IV-6 : Các giá trị của Mcs(t) và Mdd(t) ứng với thời gian t 78

Bảng IV-7: Giá trị của ic(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột 80

BảngIV-8: Giá trị của khi sét đánh vào đỉnh cột ,lân cận đỉnh cột 81

Bảng IV-9 : Các giá trị khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột 82

Bảng IV-10 : Các giá trị của ucs(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột 83

Bảng IV-11 : Các giá trị của ucd(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột 84

Bảng IV-12 : Bảng các giá trị của I=ai.ti 85

Bảng IV-13 : Bảng tính toán các giá trị 86

Bảng II-1: Giá trị điện dung tương đương thay thế của 1 số thiết bị 98

Bảng II-2: Điện áp chịu đựng của máy biến áp theo thời gian 106

PHẦN I: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM

BIẾN ÁP 220kV/110kV

CHƯƠNG 1 HIỆN TƯỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ

THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng bao gồm: Nhà máy điện,đường dây, trạm biến áp và các hộ tiêu thụ điện Trong đó trạm biến áp và đườngdây có số lượng khá lớn và quan trọng.Trong quá trình vận hành các phần tử nàychịu nhiều tác động của thiên nhiên như mưa, gió, bão và đặc biệt là của sét đánh.Khi có sét đánh vào trạm biến áp hoặc đường dây, nó có thể gây hư hỏng cho cácthiết bị điện trong trạm dẫn đến việc ngừng cung cấp điện liên tục gây thiệt hại lớnđến nền kinh tế quốc dân

Để nâng cao mức độ cung cấp điện, giảm chi phí thiệt hại và nâng cao độ antoàn khi vận hành chúng ta phải tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho hệ thốngđiện

1.1 Hiện tượng dông sét

1.1.1 Khái niệm chung

Dông sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khikhoảng cách giữa các điện cực khá lớn (trung bình khoảng 5km) Hiện tượng phóngđiện của giông sét gồm hai loại chính đó là:

+) Phóng điện giữa các đám mây tích điện với nhau

+) Phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất

Trong phạm vi đồ án này chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điệnvới mặt đất Hiện tượng này gây nhiều trở ngại cho con người Các đám mây đượctích điện với mật độ điện tích lớn có thể tạo ra cường độ điện trường lớn sẽ hìnhthành dòng phát triển về phía mặt đất Giai đoạn này là giai đoạn phóng điện tiênđạo Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng điện đầu tiên

(trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau bởi vì trongcùng một đám mây thì có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lầnlượt phóng điện xuống đất)

Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích rất lớn Đầu tia được nối với một

này đi vào trong tia tiên đạo Phần điện tích này được phân bố khá đều dọc theochiều dài tia xuống mặt đất Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có sựtập trung điện tích khác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tùy thuộc vào tìnhhình dẫn điện của đất Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì điểm này nằm ngay ởphía dưới đầu tia tiên đạo Còn nếu vùng đất có điện dẫn không đồng nhất (có nhiềunơi có điện dẫn khác nhau) thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có điện dẫncao.

Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiênđạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất, vì ở đó cường độ điện trường có trị sốlớn nhất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn.Tính chất chọnlọc của phóng điện đã được vận dụng trong việc đảm bảo chống sét đánh thẳng chocác công trình Cột thu sét có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất bé sẽ thu hút cácphóng điện về phía mình, do đó tạo nên khu vực an toàn quanh nó

Nếu ở mặt đất, điện tích khác dấu được tập trung dễ dàng và có điều kiện thuậnlợi để tạo nên khu vực trường mạnh (ví dụ như đỉnh cột điện đường dây cao áp) thì

có thể đồng thời xuất hiện tia tiên đạo từ phía mặt đất phát triển ngược chiều tia tiênđạo từ phía lớp mây điện

Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất thì trường trong khoảng không giangiữa các điện cực sẽ có trị số lớn và có quá trình ion hóa mãnh liệt dẫn tới sự hìnhthành dòng plasma với mật độ ion lớn hơn nhiều so với của tia tiên đạo Do có điệndẫn bản thân rất cao, nên đầu dòng sẽ có điện thế mặt đất và như vậy toàn bộ hiệu

số điện thế giữa tia tiên đạo với mặt đất được tập trung vào khu vực giữa nó với đầutia tiên đạo Trường trong khu vực này tăng cao và gây ion hóa mãnh liệt dòngplasma được kéo dài và di chuyển ngược về phía trên Giai đoạn này được gọi làgiai đoạn phóng điện ngược Tốc độ phát triển của phóng điện ngược thay đổi trong

phát triển của phóng điện ngược và mật độ điện trường của điện tích trong tia tiênđạo bằng , thì trong một đơn vị thời gian điện tích đi vào trong đất sẽ là . và đócũng là công thức tính dòng điện sét:

Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị sốđiện trở 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 hàng biến thiên trong phạm vi rộng (từ vài kA đến vài trămkA) dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xung kích, chỗ tăng vọt của sét ứngvới giai đoạn phóng điện ngược

Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khíquyển và gây hậu quả nghiêm trọng như đã trình bày ở trên.

1.1.2 Tình hình dông sét ở Việt Nam

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

Ở miền Bắc, số ngày dông dao động từ 70  110 ngày trong một năm và số lầndông từ 150  300 lần như vậy trung bình một ngày có thể xảy ra từ 2  3 cơndông

Vùng dông nhiều nhất trên miền Bắc là Móng Cái Tại đây hàng năm có từ 250

 300 lần dông tập trung trong khoảng 100  110 ngày Tháng nhiều dông nhất làcác tháng 7, tháng 8

Một số vùng có địa hình thuận lợi thường là khu vực chuyển tiếp giữa vùng núi

và vùng đồng bằng, số trường hợp dông cũng lên tới 200 lần, số ngày dông lên đến

100 ngày trong một năm Các vùng còn lại có từ 150  200 cơn dông mỗi năm, tậptrung trong khoảng 90  100 ngày

Nơi ít dông nhất trên miền Bắc là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có dưới 80ngày dông

Xét dạng diễn biến của dông trong năm, ta có thể nhận thấy mùa giông khônghoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nhìn chung ở Bắc Bộ mùa dông tập chungtrong khoảng từ tháng 5 đến tháng 9 Trên vùng Duyên Hải Trung Bộ, ở phần phíaBắc (đến Quảng Ngãi) là khu vực tương đối nhiều dông trong tháng 4, từ tháng 5đến tháng 8 số ngày giông khoảng 10 ngày/ tháng, tháng nhiều dông nhất (tháng 5)quan sát được 12  15 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/ tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng ),những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) dông còn ít, mỗitháng chỉ gặp từ 2  5 ngày dông

Phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) là khu vực ít dông nhất,thường chỉ có trong tháng 5 số ngày dông khoảng 10/tháng như Tuy Hoà10ngày/tháng, Nha Trang 8 ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng

Ở miền Nam khu vực nhiều dông 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 Mùadông ở miền Nam dài hơn mùa dông ở miền Bắc đó là từ tháng 4 đến tháng 11 trừtháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày dông đều quan sátđược trung bình có từ 15  20 ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dông nhất trung

23 ngày.

Ở khu vực Tây Nguyên mùa dông ngắn hơn và số lần dông cũng ít hơn, thángnhiều dông nhất là tháng 5 cũng chỉ quan sát được khoảng 15 ngày dông ở Bắc TâyNguyên, 10  12 ở Nam Tây Nguyên, Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, PLâycu

17 ngày

Số ngày dông trên các tháng một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem bảng I-1

Bảng I-1:Số ngày dông sét trong tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam

1.2 Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Việt Nam

Như đã trình bày ở phần trước biên độ dòng sét có thể đạt tới hàng trăm kA.Đây là nguồn sinh nhiệt vô cùng lớn khi dòng điện sét đi qua vật nào đó Thực tế đã

có 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 trongkhông gian lượng điện tích lớn, do đó tạo ra điện từ trường rất mạnh, đây là nguồngây nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử, ảnh hưởng của nó rất rộng, ở cảnhững nơi cách xa hàng trăm 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 điệncủa đường dây Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây nên ngắn mạch

làm việc Với những đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thểgây mất ổn định cho hệ thống, nếu hệ thống tự động ở các nhà máy điện làm việckhông nhanh có thể dẫn đến rã lưới Sóng sét còn có thể truyền từ đường dây vàotrạm biến áp hoặc sét đánh thẳng vào trạm biến áp đều gây nên phóng điện trên cáchđiện của trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm vì nó tương đương với việc ngắnmạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng Mặt khác, khi có phóng điện sétvào trạm biến áp, nếu chống sét van ở đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu quảthì cách điện của máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn

Qua đó ta thấy rằng sự cố do sét gây ra rất lớn, nó chiếm chủ yếu trong sự cốlưới điện, vì vậy dông sét là mối nguy hiểm lớn nhất đe dọa hoạt động của lướiđiện

*Kết luận:

Sau khi nghiên cứu tình hình dông sét ở Việt Nam và ảnh hưởng của dông séttới hoạt động của lưới điện Ta thấy rằng việc tính toán chống sét cho lưới điện vàtrạm biến áp là rất cần thiết để nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM

PHÂN PHỐI 220/110kV2.1 Khái niệm chung

Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phốiđiện năng Đối với trạm biến áp 220kV thì các thiết bị điện của trạm được đặt ngoàitrời, nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề, khôngnhững chỉ làm hỏng đến các thiết bị trong trạm mà còn có thể dẫn đến việc ngừngcung cấp điện toàn bộ trong một thời gian dài, làm ảnh hưởng đến việc sản suất điệnnăng và các nghành kinh tế quốc dân khác.Vì vây, việc tính toán bảo vệ chông sétđánh trực tiếp vào trạm biến áp đặt ngoài trời là rất quan trọng

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng hệthống cột thu lôi, dây thu lôi Tác dụng cuả hệ thống này là tập trung điện tích đểđịnh hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bêndưới hệ thống này

Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệnối 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 một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi

có dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn để gâyphóng điện ngược đến các thiết bị khác gần đó

Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cầnphải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo về yêu cầu về kỹthuật, mỹ thuật

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

Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàncủa hệ thống bảo vệ Hệ thống bảo vệ trạm 220/110kV ở đây ta dùng hệ thống cộtthu lôi, hệ thống này có thể được đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt độc lậptùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể

Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm

vi bảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi Nhưng mức cách điện của trạmphải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sangthiết bị Vì đặt kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét,

điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệthống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện không đủlớn Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mứccách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ.

Đối với trạm phân phối có điện áp từ 110kV trở lên có mức cách điện khá cao(cụ thể khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) do đó có thể đặtcác cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thìphải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điệnsét khuyếch tán vào đất theo 3 đến 4 cọc nối đất, mặt khác mỗi trụ phải có nối đất

bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất

Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời điện áp từ 110kV trở lên là cuộndây máy biến áp vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầukhoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thốngnối đất của vỏ máy biến 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 nhiệtkhi có dòng điện sét chạy qua Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cộtthu lôi thì các dây dẫn điện phải được cho vào ống chì và chôn trong đất

2.3 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét

Phạm vi bảo vệ của cột thu sét được xác định bằng thực nghiệm trên mô hình

và xử lí số liệu theo nguyên lí thống kê Phóng điện sét được mô phỏng bằng phóng điện tia lửa xung quanh trong một khoảng cách không khi lớn hơn một điện cực thanh (1), đặc trưng cho một tia tiên đạo và một điện cực thanh (2), đặc trưng cho cột thu sét đặt trên một tấm kim loại nối đất tốt, đặc trưng cho mặt đất (3) theo Hình II.1

Hình II.1: Sơ đồ nguyên lí của mô hình xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét

Cột thu sét (2) đặt trên tấm kim loại (3) có độ cao h Điện cực thanh (1) đượcđặt ở độ cao định hướng H (theo tỉ lệ đã chọn của mô hình) so với mặt đất

Giữa độ cao định hướng H và độ cao của cột thu sét h có quan hệ: k = H/h

Tỷ lệ này cũng được xác định bằng thực nghiệm k = 20 đối với cột thu sét có h ≤30m, đối với cột có độ cao h ≥ 30m thì độ cao định hướng H gần như không phụthuộc vào h, lúc này H có giá trị khoảng 600m

thì độ cao định hướng H không phụ thuộc vào h, và lúc H có giá trị khoảng 300m

Trên điện cực thanh (1) cho áp dụng một điện áp xung chuẩn dương có biên

điện cực thanh (1) và tấm kim loại (3) Phải dùng sóng cực tính dương (mặc dùphần lớn sét đánh xuống đất có cực tính âm) để cho phóng điện tiên đạo xuất phát

từ điện cực thanh (1) chứ không phải từ cột thu sét Như vậy, kích thước mô hình béhơn, ngoài ra sẽ có độ dự trữ nhất định trong việc xác định phạm vi bảo bảo vệ củacột (hoặc dây) thu sét (trong điện trường rất không đồng nhất phóng điện xuất phát

từ điện cực thanh dương và điện áp phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí béhơn hai lần so với khi cực thanh âm) Cột thu sét (2) giữ cố định, thay đổi vị trí củađiện cực (1) trên mặt phẳng ngang tương ứng với độ cao định hướng H và xác địnhxác suất sét đánh vào cột thu sét phụ thuộc vào vị trí điện cực (ở mỗi vị trí của điệncực cho phóng nhiều lần vì mức độ tản mạn của phóng điện trong khoảng cách lớnrất cao)

Kết quả thực nghiệm cho thấy khi R ≤ 3,5.h (Hình II.2) thì toàn bộ số lầnphóng sét đầu tập trung vào đỉnh cột thu sét, khu vực này được coi là khu vực cóxác suất 100% sét đánh vào đỉnh cột Khi R > 3,5.h thì có một số lần phóng điệnxuống đất

Hình II.2: Khu vực có xác suất 100% sét đánh vào đỉnh cột thu sét

Khi R tăng thì số lần phóng điện xuống đất càng nhiều Do cột thu sét làm biến dạng trường của dòng tiên đạo nên nơi đổ bộ của dòng tiên đạo xuống mặt đất

Hình II.3: Xác định xác suất sét đánh vào cột thu sét

nằm trong một mặt phẳng vuông góc với mặt đất (3)

Hình II.4: Cách xác định phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

Ở mỗi vị trí của điện cực (1) dê dịch vật được bảo vệ (4) xa ra dần cột thu

vị trí tương hỗ đó, chúng ta phóng điện nhiều lần Từ đó, xác định được khoảng

Số lần phóng điện ở mỗi vị trí của điện cực càng lớn thì độ tin cậy của phạm

vi bảo vệ càng cao

Cách xác định phạm vi bảo vệ của một hệ thống cột thu sét và của dây thu sét cũng được tiến hành tương tự

Từ phương pháp thực nghiệm trên mô hình đó, ta xác định được phạm vi bảo

2.3.1 Phạm vi của cột thu sét

Cột thu sét là thiết bị không phải để tránh sét mà ngược lại dùng để thu hútphóng điện sét về phía nó bằng cách sử dụng các mũi nhọn nhân tạo sau đó dẫndòng điện sét xuống đất Sử dụng các cột thu sét với mục đích là để sét đánh chínhxác vào một điểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là vào điểm bất kỳ nào đótrên công trình Cột thu sét tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó

có vật cần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi là phạm vi bảo vệ

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoàicủa hình chop tròn xoay có đường kính được xác định bởi phương trình:

h

Trong đó :

1,5h 0, 75h

(2/3)h 0,8h

h x

r x h

Hình II-5: Phạm vi bảo vệ của cột thu sét độc lập

Bán kính được tính theo công thức sau:

Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn tổng phạm vi bảo vệcủa các cột đơn cộng lại Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng

Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột.Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm đỉnh cột và

định theo công thức sau:

rox và được xác định theo công thức sau:

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau

Trường hợp hai cột thu sét có độ cao h1 và h2 khác nhau thì việc xác địnhphạm vi bảo vệ được xác định như sau: Vẽ phạm vi bảo vệ của cột thấp (cột 1) vàcột cao (cột 2) riêng rẽ Qua đỉnh cột thấp vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinhcủa phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh của cột thu sét giảđịnh Cột 1 và cột 3 hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau và bằng h1 với khoảngcách a’ Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi 3 có độ cao h1 Điểm này đượcxen như đỉnh cột thu sét giả định Ta xác định được khoảng cách giữa hai cột có

thì

1 2

thì

1 2

Phần còn lại tính toán giống phạm vi bảo vệ cột 1

Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét

Khi công trình cần được bảo vệ chiếm một khu vực rộng lớn nếu chỉ dùng mộtvài cột thì cột phải rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công và lắp ráp Trongtrường hợp này ta dùng phối hợp nhiều cột với nhau để bảo vệ Phần ngoài củaphạm vi bảo vệ sẽ được xác định cho từng đôi cột một (với yêu cầu khoảng cách là

a  7h) Còn phần bên trong đa giác sẽ được kiểm tra theo điều kiện an toàn

Hình II-8: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét Hình II-9: Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét

Với: D:đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu lôi

Nếu độ cao cột vượt quá 30 m thì điều kiện an toàn sẽ được hiệu chỉnh là:

5,5ph



2.3.2 Ph m vi b o v c a dây ch ng sét ạm vi bảo vệ của dây chống sét ảo vệ của dây chống sét ệ của dây chống sét ủa dây chống sét ống sét

+ Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét là một dải rộng.Chiều rộng của phạm

hx 1,2h 0,6h

(a) (b)

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây chống sét ta có các hoành

+ Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét

Để phối hợp bảo vệ của hai dây chống sét thì khoảng cách hai dây phải thỏa mãnđiều kiện S  4h.Với khoảng cách trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ

2.4 Mô tả trạm phân phối 220kV cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

-Trạm phân phối 220kV/110kV gồm 3 máy M220 và 2 máy M110

-Chiều dài trạm 208m, chiều rộng trạm 140m

-Các xà phía 220kV cao 17m, các xà phía 110kV cao 11m

Hình II-11: Sơ đồ mặt bằng toàn trạm

Theo sơ đồ kết cấu của trạm, ta cần bố trí các cột thu sét sao cho bảo vệ được phần

Ta thực hiện tính toán cho các phía Ta sẽ xét 3 phương án đặt vị trí cột thu sétcho trạm biến áp

2.4.1 Phương án 1

2.4.1.1 Bố trí các cột thu lôi

Trong phương án này, ta sử dụng 20 cột thu sét được bố trí trên mặt bằng trạmbiến áp như hình vẽ II-8 Trong đó phía 220kV ta bố trí 12 cột được đặt trên xà cao,phía 110kV ta bố trí 8 cột được đặt trên xà cao

Hình II-8: Bố trí các cột thu lôi của phương án 1 2.4.1.2.Tính toán cho phương án 1

a) Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét

Để tính được độ cao tác dụng của các cột thu sét ta phải xác định được đường

kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đi qua các chân cột D.

Như vậy ta có thể lấy độ cao tác dụng chung cho các cột là 6 m

b) Phạm vi bảo vệ của từng cột chống sét

Kiểm tra phạm vi bảo vệ của các cột thu sét đối với hệ thống mương cáp trong trạm:

Đường mương cáp có độ cao bằng với mặt đất Nên ta có điều kiện để sétđánh trực tiếp không đánh vào đường cáp ngầm Theo kết quả thực nghiệm cho thấykhi R ≤ 3,5.h thì toàn bộ số lần phóng điện đều tập trung vào cột thu sét, khu vựcnày gọi là khu vực có 100% sét đánh vào cột Khi R > 3,5.h thì có một số lần sétđánh xuống đất

+ phía trạm 110kV có chiều cao cột thu sét là h = 17m, vậy 3,5.h = 3,5.17 = 59,5m

Từ sơ đồ mặt bằng trạm và phương án thiết kế chống sét ta thấy khoảng cách lớn

Vậy thỏa mãn điều kiện khoảng cách từ cột tới đường cáp ngầm

+ phía trạm 220kV có chiều cao cột thu sét là h = 23m, vậy 3,5.h = 3,5.23 = 80,5m

Từ sơ đồ mặt bằng trạm và phương án thiết kế chống sét ta thấy khoảng cách lớn

Vậy thỏa mãn điều kiện khoảng cách từ cột tới đường cáp ngầm

Tính bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi.

110,8.17 )= 4,875 (m)

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

Hai cột có chiều cao như nhau:

Phía 220kV:chiều cao cần bảo vệ h x =17m

h

1720,857 )= 2,893 (m)Xét 2 cột (3-5): khoảng cách giữa 2 cột là 26 m

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

h

1719,286 )= 1,715 (m)

Phía 110kV:chiều cao cần bảo vệ h x =11m

h

1111,968 )= 0,922 (m)+Xét 2 cột (13-15): khoảng cách giữa 2 cột là 15 m

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

h

11

Hai cột cột chiều cao khác nhau:

+Xét hai cột (13-8) với khoảng cách giữa 2 cột a=21m

Ta tính bán kính bảo vệ của từng cột cho độ cao 11 m Cột 13 theo kết quả phần

110,8.23)= 13,875 m

)= 0,75.14,643.(1-

1114,643)= 2,732(m)

Tính toán tương tự cho các cột còn lại ta có kết quả ghi trong bảng sau:

Bảng II-1: Kết quả tính bán kính bảo vệ giữa các cột thép liền kề

2.4.1.3 Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1

Xem hình vẽ: Phạm vi bảo vệ phương án 13 ( xem bản vẽ A3)

Kết luận:

Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra

Tổng số cột là 20 cột, trong đó có 12 cột cao 23 m và 8 cột cao 17 m

Hình II-9: Bố trí các cột thu lôi của phương án 2 2.4.2.2.Tính toán cho phương án 2

a) Tính độ cao tác dụng của các cột thu sét

Để tính được độ cao tác dụng của các cột thu sét ta phải xác định đượcđường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đi qua các chân cột D Độ cao tác dụng

Thay số vào ta có:

Bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (8,9,10) là:

39 27,933 27,933

47, 433( )2

Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (8,9,10) là: D =19,506 2 = 39,012m

Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 8,9,10 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giớihạn bởi chúng là:

39,012

4,876

D

Nhóm cột (11,12,13) giống với nhóm cột ta đang xét

Vậy độ cao tác dụng tối thiểu là:

Ta chọn thiết kế cột có chiều cao là: 21m

.

a b c r

Thay số vào ta có:

Bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (5,6,7) là:

45 27,933 27,933

50, 433( )2

Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (5,6,7) là: D =23,568 2 = 47,136m

Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 5,6,7 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giớihạn bởi chúng là:

Ta thiết kế cột có chiều cao là: 26m

b) Phạm vi bảo vệ của từng cột chống sét

Kiểm tra phạm vi bảo vệ của các cột thu sét đối với hệ thống mương cáp trong trạm:

Đường mương cáp có độ cao bằng với mặt đất Nên ta có điều kiện để sétđánh trực tiếp không đánh vào đường cáp ngầm Theo kết quả thực nghiệm cho thấykhi R ≤ 3,5.h thì toàn bộ số lần phóng điện đều tập trung vào cột thu sét, khu vựcnày gọi là khu vực có 100% sét đánh vào cột Khi R > 3,5.h thì có một số lần sétđánh xuống đất

+ phía trạm 110kV có chiều cao cột thu sét là h = 21m, vậy 3,5.h = 3,5.21 = 73,5m

Từ sơ đồ mặt bằng trạm và phương án thiết kế chống sét ta thấy khoảng cách lớn

Vậy thỏa mãn điều kiện khoảng cách từ cột tới đường cáp ngầm

Từ sơ đồ mặt bằng trạm và phương án thiết kế chống sét ta thấy khoảng cách lớn

Vậy thỏa mãn điều kiện khoảng cách từ cột tới đường cáp ngầm

Tính bán kính bảo vệ của 1 cột thu lôi.

170,8.26 )=7,125 (m)

110,8.21 )= 10,875 (m)

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

Hai cột có chiều cao như nhau:

Phía 220kV:chiều cao cần bảo vệ h x =17m

h

1719,571 )=1,930 (m)Xét 2 cột (1-3): khoảng cách giữa 2 cột là 41 m

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

Vậy bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là:

11

Hai cột cột chiều cao khác nhau:

+Xét hai cột (4-8) với khoảng cách giữa 2 cột a=25,807m