Thiết kế hệ thống chống sét cho một trạm biến áp và đường dây cao áp dẫn tới trạm.

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
5
lưới điện. Vì vậy việc đầu tư nghiên cứu chống sét là cần thiết để nâng cao độ
tin cậy trong vận hành lưới điện ở nước ta.


CHƯƠNG I : TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH
TRỰC TIẾP
1.1 :Giới thiệu chung.
 Khi các thiết bị điện của trạm phân phối điện ngoài trời bị sét đánh trực
tiếp thì sẽ gây những hậu quả ngiêm trọng : gây nên hư hỏng các thiết bị điện,
dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn bộ trạm trong một thời gian dài làm
ảnh hưởng đến việc sản xuất điện năng và các ngàng kinh tế quốc dân khác.

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho công trình thường
dùng các hệ thống thu sét như: cột thu sét, dây thu sét. Hệ thống thu sét gồm
các bộ phận thu sét (kim, dây ), bộ phận nối đất và các dây dẫn liên hệ hai bộ
phận với nhau. Cột thu sét có thể đặt độc lập hoặc trong những điều kiện cho
phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm và nhà máy.
 Thông thường để giảm v
ốn đầu tư và để tận dụng các độ cao ở các trạm
biến áp người ta có thể đặt cột thu sẻt trên các xà đỡ, các cột đèn chiếu sáng,
trên mái nhà Cột thu lôi độc lập thường đắt hơn nên chỉ dùng khi không thể
tận dụng các độ cao khác.
 Nếu đặt cột thu lôi trên các kết cấu trạm phân phối điện ngoài trời và
dùng dây chống sét để bảo vệ cho đoạn dây dẫn n
ối từ xà cuối cùng của trạm
đến cột đầu tiên của đường dây thì chúng sẽ được nối đất chung vào hệ thống
nối đất của trạm.Vì vậy khi sét đánh vào thu lôi hay đoạn dây chống sét ấy thì
toàn bộ dòng điện sét sẽ đi vào hệ thống nối đất của trạm và do đó làm tăng
thế các thiết bị được nối đất chung với hệ thống nối
đất của trạm. Độ tăng thế
đó lớn thì có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị, do vậy chỉ trong điều kiện

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
6
cho phép mới được đặt cột thu lôi trên các công trình trong trạm hoặc dùng
dây chống sét ở trong trạm.
 Tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét là ở chỗ tập trung điện tích ở đỉnh
bộ phận thu sét, tạo nên điện trường lớn nhất giữa nó với đầu tia tiên đạo. Do
đó thu hút các phóng điện sét và hình thành khu vực an toàn ở bên dưới,
chung quanh hệ thống thu sét. Bộ phận nối đất của h
ệ thống thu sét cần có
điện trở nối đất bé để việc tập trung điện tích cảm ứng trong đất được dễ dàng
và khi có dòng điện sét đi qua điện áp trên các bộ phận của hệ thống thu sét sẽ
không đủ gây nên phóng điện ngược từ nó tới công trình đặt gần.
. Khi thiết kế hệ thống chống sét phải chú ý so sánh về các mặt kỹ thuật,
mỹ thuậ
t và vấn đề nối đất của cột thu lôi. Đối với trạm phân phối ngoài trời
110kV trở nên do có mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên các kết
cấu của trạm phân phối ,các trụ của các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi phải
được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét khuếch tán vào trong đất theo 3÷4
thanh cái của hệ thống nối đất. Ngoài ra ở mỗi trụ của các kế
t cáu ấy phải có
nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất. Khi bố trí cột thu sét của
trạm phân phối ngoài trời 110kV trở lên phải0 thực hiện các điều sau:
+ Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải
có nối đất bổ xung nhằm đảm bảo điện tr
ở không được quá 4Ω.
+ Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm 35kV phải tăng cường cách điện
của nó lên đến mức cách điện của cấp 110kV .
+Trên đầu ra của cuộn dây 6÷10kV cần đặt các chống sét van .
+Để bảo vệ cuộn dây 35kV cần đặt chống sét van. Khoảng cách giữa chỗ
nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van phải nhỏ
hơn 5m . + Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt
cột thu lôi và bộ phận mang điện không được bé hơn chiều dài của chuỗi sứ.
+ Có thể nối cột thu lôi vào hệ thống nối đất của trạm phân phối cấp110kV
nếu các yêu cầu trên được thực hiện . Khi dùng cột thu lôi độc lập phảI chú ý

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
7
đến khoảng cach giữa các cột thu lôi đến các bộ phận của trạm để tránh khả
năng phóng điện từ cột thu lôi đến vật được bảo vệ.
Đối với các nhà máy điện dùng sơ đồ bộ thì chỉ được đặt cột thu lôi trên xà
máy biến áp khi máy phát điện và máy biến áp được lối với nhau bằng cầu
bọc kín và hai đầu được lối đất. Nếu cầu có phân đo
ạn thì không được phép
đặt cột thu lôi trên xà máy biến áp. Để đảm bảo về mặt cơ khí và để trống ăn
mòn cần phải theo đúng qui định về loại vật liệu, tiếp diện dây dẫn dùng trên
mặt đất và dưới đất.
1.2. Yêu cầu đối vơí cột tròng sét và dây thu sét
.
Cột thu sét lên dùng giá đỡ bằng cột bê tông cốt thép để làm dây dẫn dòng
điện sét từ kim thu sét đến hệ thống lối đất để giảm vốn đầu tư.
+ Cột thu lôi được thiết kế làm việc ở trạng thai tự do không làm việc ở
trạng thá căng.
+ Khi trọn các phần tử của cột thu lôi (phần thu và dây dẫn dòng điện sét)
dựa trên sự phát nóng của chúng và trong tính toán có thể bỏ qua sự tả
n nhiệt
ra môi trường xung quanh.
Kim thu sét phải nhỏ và nhọn để tập trung điện tích tạo lên trường lớn nhất
với tia tiên đạo do đó thu hút dòng điện sét và hình thành khu vực an toàn ở
bên dưới và xung quanh hệ thống thu sét.
+ Dây thu sét phải có tiết diện nhỏ và bề mặt dẫn điện tốt để đảm bảo dòng
điện sét chạy qua, tập trung điện tích và thu hút dòng điện sét về phía mình
không gây ảnh hưởng
đến phần tử nằm trong phạm vi bảo vệ đem lại sự an
toàn cho các thiết bị đó.
- Khi bố trí dây thu sét để bảo vệ cho đường dây cao áp thì tuỳ theo cách
bố trí dây đãn trên cột có thể treo một hoặc hai thu sét. Các dây trống sét được
treo trên đường dây tải điện sao cho dây dẫn của cả ba pha đều nằm trong
phạm vi bảo vệ của các dây đó.
1.3. Tính toán hệ thống chống sét.


ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
8
1.3.1.Các công thức sử dụng trong tính toán bảo vệ chống sét.
a. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:

Phạm vi bảo vệ của cột thu sét là miền giới hạn bởi mặt ngoài hình chóp
tròn xoay có bán kính đáy được xác định bởi phương trình :

) -(
1
6,1
x
x
hh
h
h
r
x
+
=
(1-1)
Trong đó : - h là độ cao cột thu sét.
- r
x
là bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức cao
x
h
.
- h
x
là độ cao của vật cần được bảo vệ.
- h - h
x
là độ cao hiệu dụng của cột thu sét.
Để dễ dàng thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo
vệ dạng đơn giản hoá (hình 1-1) đường sinh hình chóp có dạng gấp khúc. Khi
đó bán kính bảo vệ được tính toán theo công thức sau đây :
- Khi
x
h
≤
h
3
2
;
x
r
= 1,5h (1 -
h
h
x
8,0
) ( 1 - 2 )
- Khi
x
h
≥
h
3
2
;
x
r
= 0,75h (1 -
h
h
x
) ( 1 - 3 )
Các công thức trên chỉ dùng trong trường hợp cột thu sét cao tới 30m. Khi
cột có độ cao trên 30m thì phải nhân theo hệ số hiệu chỉnh P với P =
h
5,5
và
trên hình vẽ dùng các hoành độ 0,75h.P và 1,5h.P

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
9

Hình 1.2 . Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét .

b. Phạm vi bảo vệ cuả hai cột thu sét có cùng độ cao.

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có kích thước lớn hơn nhiều so với
tổng số phạm vi bảo vệ của hai cột đơn. Bằng thực nghiệm người ta đã chứng
minh được khu vực có xác suất 100% phóng điện vào cột thu sét có bán kính r
=3,5h. Như vậy khi hai cột thu sét đặt cách nhau a = 2R = 7h thì bất kỳ điểm
nào trên mặt đất trong khoảng giữa hai cột sẽ không bị sét đánh. Từ đ
ó suy ra
nếu hai cột thu sét đặt cách nhau khoảng cách a < 7h thì sẽ bảo vệ được độ
cao
0
h
xác định bởi :
h -
0
h
=
7
a

⇒
0
h
= h -
7
a
( 1 - 4 )
Mặt cắt thẳng đứng đi qua hai cột thu sét của phạm vi bảo vệ cho trên
hình ( 1-3):
Mặt bằng của
phạm vi bảo vệ ở
mức cao hx

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
10

Hình 1. 3 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có cùng độ cao.
c. Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau.

Cột 1 có độ cao h
1.

Cột 2 có độ cao h
2
(h
1
< h
2
)
Khoảng cách giữa 2 cột là a.
Ta có cách vẽ phạm vi bảo vệ :

Hình 1. 4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau.
Khi độ cao cột thu sét vượt quá 30m cũng có hiệu chỉnh tương tự như trên và:
0
h
= h -
p
a
7

Cách vẽ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao khác nhau đựoc
trình bày trên ( hình 1 - 4 ). Trước tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao, sau
đó qua đỉnh cột thấp vẽ đường thẳng gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
11
cao ở điểm 3, điểm này được xem là đỉnh của cột giả định nó sẽ cùng với cột
thấp ( cột 2 ) hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau (
2
h
) với khoảng cách a
/

Khoảng cách giữa cột 1 với cột giả định là
LΔ
.
Khi đó : a’= a -
LΔ

Nếu h
2
>
3
2
h
1
Thì:

LΔ
= 0.75 h
1
( 1- h
2
/h
1
)
Nếu h
2
≤
3
2
h1 Thì:

LΔ
=1,5 h
1
(1- h
2
/ h
1
)
d.Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét
.
Khi công trình cần được bảo vệ chiếm khu vực rộng lớn, nếu chỉ dùng
vài cột thì phải rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công, lắp giáp. Trong
trường hợp này ta nên bố trí nhiều cột thu sét để phối hợp cùng bảo vệ . Vật
có độ cao hx nằm trong đa giác hình thành bởi các cột sẽ được bảo vệ nếu
thoả mãn điều kiện:
D ≤ 8 ( h -
x
h
) = 8
a
h
( 1 - 5 )
Trong đó:
- D : đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi đỉnh các
cột thu sét.
-
a
h
= h -
x
h
: độ cao hiệu dụng cột thu sét, là phần vượt cao hơn so với
mức cao
x
h

Khi các cột thu sét bố trí bất kỳ cần phải kiểm tra điều kiện bảo vệ an
toàn cho từng cặp ba cột đặt gần nhau. Nếu độ cao vượt quá 30m điều kiện
bảo vệ ở (1-5) được hiệu chỉnh theo

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
12
D ≤ 8 (h-
x
h
) p = 8
a
h
p Khi xét các nhóm cột bảo vệ gồm có ba cột hợp
với nhau thành một tam giác có ba cạnh là a, b, c thì D được tính như sau :
D =
))()((.2

cpbpapp
cba
−−−
(m) (1 - 7)
Trong đó : p là nửa chu vi tam giác ABC.
P =
.2
cba
++

a) b)
Hình 1 . 4
a.Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét b.Phạm vi bảo vê của 4 cột thu sét
!.3.2 Các thiết bị trong trạm và nhiệm vụ tính toán :
a. Kích thước trạm :
 Trạm có kích thước :
• Chiều dài : 50m.
• Chiều rộng : 35m.
 Phía 110 kV có :
• Hai lộ 110 kV dẫn điện vào trạm.
• Thiết bị phân phối cao áp gồm hai hệ thống thanh góp có chiều
dài 18,5 m.
• Hai maý biến áp có độ cao 4 m.
• Chi
ều cao của xà kéo dây cao nhất là 11 m.

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
13
• Chiều cao thanh góp cứng là 8m.
• Nhà điều khiển cao 5m , chiều dài 27 m , chiều rộng 7 m đặt các
thiết bị phân phối, thiết bị dự phòng và thiết bị điều khiển toàn bộ
trạm.
• Các thiết bị khác như dao cách li, máy cắt nằm dưới hai hệ
thống thanh góp nên ta không cần xét đến.
*Nhiệm vụ của chúng ta là phải bố trí cột thu sét trên mặt bằng của
trạm sao cho đảm bả
o chống sét đánh trực tiếp cho tất cả các thiết bị trong
trạm. Bao gồm : dự tính số lượng, vị trí đặt cột thu sét, độ cao của từng cột.
Phạm vi bảo vệ của một cột, phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột và phạm vi
bảo vệ của toàn bộ hệ thống thu sét.
*Ta bố trí các phương án như sau:

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
14
1.4 Vạch phương án và tính toán các phương án.
1.4.1 Phương án 1:
*Trong phương án này ta bố trí 4 cột thu sét A,B,C ,D đặt trực tiếp trên
xà đỡ dây và 2 cột E,F đặt trên nóc nhà đIều khiển. Vị trí của các cột như trên
hình vẽ 1.7
a.Tính độ cao của cột phía 110 kV.
+Độ cao của thiết bị cần bảo vê hx = 11 m.
-Xét nhóm 4 cột ABCD. Các cột này tạo thành hình chữ nhật với khoảng
cách các cột :
AD = BC =18,5 m
AB = CD = 27 m
Để cho toàn bộ diện tích giới hạn bởi 4 đỉnh cột được bảo vệ thì :
D ≤ 8 ha
Trong đó : D: là đường kíng đường tròn ngoại tiếp tứ giác ABCD.
ha : là độ cao tác dụng của các cột
Ta có D=
22
ADAB +
=
22
5,1827 +
= 32,73 m.
Ta có : ha ≥
8
D

⇒ ha ≥
8
73,32
⇒ ha ≥ 4,09.
Vậy độ cao tác dụng nhỏ nhất đảm bảo phạm vi bảo vệ là 4,09 m
⇒ Độ cao của cột thu lôi tối thiểu là :
h
1
= ha +h
x

= 4,09 + 11
= 15,09 m .
Do đó ta chọn chiều cao của các cột thu sét A,B,C,D là 15,5 m
b.Tính độ cao của các cột phía máy biến áp và nhà điều khiển.

Xem chi tiết: Thiết kế hệ thống chống sét cho một trạm biến áp và đường dây cao áp dẫn tới trạm.