Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp
Ch ơng 2:
Tính toán bảo vệ chống sét cho trạm biến
áp : chống sét đánh trực tiếp, tính nối
đất
I - Khái niệm chung :
1 . Đặt vấn đề:
Trạm biến áp là phần tử rất quan trọng trong hệ thống điện, nó thực hiện việc
truyền tải và phân phối điện năng. Khi trạm biến áp bị sét đánh trực tiếp sẽ gây ra
những hậu quả rất nghiêm trọng nh làm h hỏng các thiết bị điện, làm gián đoạn
cung cấp điện, đồng thời làm ảnh hởng nghiêm trọng tới các nghành kinh tế quốc
dân khác.
Chính vì vậy việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào các trạm biến áp ngoài
trời là rất quan trọng. Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp ta sử dụng cột thu lôi.
Việc lựa chọn cột thu lôi nh thế nào và bố trí ra sao phụ thuộc chủ yếu vào sơ đồ
trạm, kết cấu trạm củng nh độ cao các công trình cần bảo vệ. Việc bố trí các cột
thu lôi còn cần đợc chú ý tới việc tận dụng các độ cao có sẵn của trạm nh : cột đèn
chiếu sáng, các xà đỡ. Bên cạnh đó các phơng án bảo vệ chống sét cho trạm còn
cần đợc đảm bảo về mặt kỷ thuật cũng nh thoả mãn về kinh tế và hài hoà về mỹ
thuật.
II ) các yêu cầu kỷ thuật và lý thuyết bảo vệ :
1) các yêu cầu về kỷ thuật:
Khi sử dụng các cột thu lôi cần đặc biệt lu ý các yếu cầu sau:
+ Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên đó có đặt cột thu lôi
và bộ phận mang điện không đợc bế hơn độ dài chuổi sứ.
+ Có thể nối đất cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phôi từ
110 kV trở lên.
+ Không đựơc đặt cột thu lôi lên két cấu 35 kV, 22 kV ,và cũng không đợc
nối cột thu lôi vào hệ thống nối đất an toàn 22 kV.
+ Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cột thu lôi cần chú ý cho dây dẫn
điện ( cáp chì ) vào ống kim loại và chôn sâu vào đất .

r
+
=
(2-1)
Trong đó :
h : Độ cao cột thu sét
h
x
: Độ cao vật cần bảo vệ
r
x
: Bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức h
x
h-h
x
: Độ cao hiệu dụng cột thu lôi
Tuy nhiên đẻ dễ dàng, thuận tiện trong thiêt kế tính toán ngời ta thờng dùng
phạm vi bảo vệ dạng đơi giản hoá có hình nh: Hình (2-1) dới đây.
Các đờng sinh của hình nón dã đợc thay thế một cách gần đúng bằng các đờng
thẳng đi qua đỉnh của cột thu lôi và tạo với mặt đáy hai đoạn có độ dài tơng ứng là
0,75h và 1,5h. Với các đờng sinh thay thế gần đúng nh vậy ta có đợc phạm vi bảo
vệ của một cột thu lôi thì sẽ đợc tính theo (2-2), và công thức (2-3):
0,2h
2/3h
0,75h h
x

Sinh viên : Nguyễn Anh Đức Lớp HTĐ1-K43
2
Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp

2
h :
)1(75,0
h
h
hr
x
x
=
(2-3)
2-2) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau :
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau đợc thể hiện nh hình
(2-2) dới đây :
Khi hai cột thu lôi đặt cách nhau bmột đoạn a = 2R =7h thì bất cứ điêmt nào
trên mặt đất trong khoảng cách giữa hai cột sẽ không bị sét đánh. Vì vậy nên hai
cột thu lôi đặt cách nhau một khoảng a < 7h thì sẽ bảo vệ đợc độ cao h
0
:
7
0
a
hh =
Sinh viên : Nguyễn Anh Đức Lớp HTĐ1-K43
3
Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp
Hình vẽ(2-2) : Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi cao bằng nhau
Trong đó ở hình vẽ trên thì :
r
x
: Bán kính bảo vệ của vật ở độ cao h

3
2
h
0
:
)1(75,0
0
0
h
h
hr
x
x
=
(2- 5)
2-3) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau:
Hai cột thu lôi có độ cao khác nhau có phạm vi bảo vệ gần giống nh hai cột
thu lôi có độ cao bằng nhau, chỉ khác ở chổ lúc này ta phảit hay khoảng cách a
của hai cột bằng khoảng cách a

của cột thu lôi có độ cao thấp hơn với cột thu lôi
giả tởng. Điều này đợc thể hiện cụ thể ở hình vẽ dới đây:
Sinh viên : Nguyễn Anh Đức Lớp HTĐ1-K43
4
Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp
Từ hình vẽ ta thấy :
+ Nếu h
3
2
h


đợc quy đổi về phạm vi bảo vệ của hai cột thu
lôi có chiều cao h và cách nhau một đoạn a

. Bán kính bảo vệ của cặp cột đợc tính
theo công thức (2- 4) hay(2- 5)
Sinh viên : Nguyễn Anh Đức Lớp HTĐ1-K43
5
Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp
2-4) Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu lôi :
Khi công trình cần bảo vệ có diện tích lớn, ta phải sử dụng nhiều cột thu lôi để
phối hợp bảo vệ. Phần bao ngoài của phạm vi bảo vệ đợc xác định theo tong đôi
cột nh ta đã xét ở trên. Khi ba hay bốn cột thu lôi đợc sđặt gần nhau thì miền bảo
vệ lúc này sẽ là vòng tròn noại tiếp tam giác ( tứ giác) đi qua các đỉnh cột thu lôi.
Lúc này ta chỉ cần kiểm tra điều kiện an toàn theo chỉ tiêu sau :
D 8( h h
x
) = 8h
a
(2 6)
Với :
D : Đờng kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các
cột thu sét
h
a
= h h
x
: Độ cao hiệu dụng của các cột thu lôi
2-5 ) Chú ý :
Cần lu ý rằng trong các trờng hợp các cột thu sét cao quá 30 m thì hiệu quả

Khi h
x
>
3
2
h :
)
8,0
1(6,0
h
h
hr
x
x
=
(2- 10)
Sinh viên : Nguyễn Anh Đức Lớp HTĐ1-K43
6
Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp
Hình vẽ(2-4) : Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét
b) phạm vi bảo vệ hai dây thu sét:
Hai dây cách nhau một khoảng a = 4h độ cao mắt đất đợc bảo vệ.
a < 4h thì bảo vệ đợc độ cao
7
0
a
hh =
từ đó tính đợc r
0x
.

x
ox
=
(2- 12)
3. Khoảng cách an toàn trong không khí và trong đất :
Điện áp tại điểm trên thân cột cách bộ phận nối đất một đoạn dài S
K
đợc tính
bởi công thức :
U
a
= I
s
.R
d
+ L
hx
dt
d
is
(2 - 13)
Trong đó :
I
s
là biên độ dòng điện sét
Sinh viên : Nguyễn Anh Đức Lớp HTĐ1-K43
7
Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp
R
d

E
dt
d
LRI
S
+
<
.
Hình vẽ (2-5) : Khoảng cách an toàn trong không khí và đất
Vậy S
d
>
dpd
ds
E
RI .
Iii . Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp
1) Mặt bằng trạm:
Trạm biến áp có cấp điện áp 220/110(kV) với kích cở 109*111 m
2

Với :
Một lộ vào từ nhà máy
Sinh viên : Nguyễn Anh Đức Lớp HTĐ1-K43
8
Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp
Hai lộ ra 220(kV) có độ cao cực đại cần bảo vệ là 17 m
Ba lộ ra 110(kV) có độ cao cực đại cần bảo vệ là 11 m
2) Phơng áp 1:
Sinh viên : Nguyễn Anh Đức Lớp HTĐ1-K43

Nhóm cột này tạo thành hình chữ nhật, đờng kính vòng tròn ngoại tiếp hình
ch nhật này là :
mLD 2,513240
22
14,2
=+==
Độ cao hiệu dụng của các cột :

m
D
h
a
4,6
8
2,51
8
==
*) Nhóm cột 3-4-13-14 :
Nhóm cột này tạo thành hình chữ nhật, đờng kính vòng tròn ngoại tiếp hình
ch nhật này là :
mLD 2,513240
22
14,4
=+==
Độ cao hiệu dụng của các cột :

m
D
h
a

=
Do ®ã ®é cao hiÖu dông cña cét thu l«i lµ :
m
D
h
a
16,5
8
26,41
8
==≥
*) Nhãm cét 6-13-5 :
Nhãm cét nµy t¹o thµnh tam gi¸c cã ba c¹nh lµ :
L
6,13
= 30,48 m
l
6,5
= 43 m
l
5,13
= 34 m
VËy nöa chu vi tam gi¸c lµ :
p =
2
1
(43 + 30,48 + 34) = 53,74 m
Theo c«ng thøc Heprong th× ®êng kÝnh ®êng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c lµ :
mD 28,43
)3474,53)(48,3074,53)(4374,53(74,532

2
1
(24,7 + 30,48 + 29) = 42,09 m
Theo c«ng thøc Heprong th× ®êng kÝnh ®êng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c lµ :
mD 7,32
)2909,42)(7,2409,42)(48,3009,42(09,422
29.48,30.7,24
=
−−−
=
Do ®ã ®é cao hiÖu dông cña cét thu l«i lµ :
m
D
h
a
09,4
8
7,32
8
==≥
*) Nhãm cét 6-7-12 :
Nhãm cét nµy t¹o thµnh tam gi¸c cã ba c¹nh lµ :
L
6,7
= 44,3 m
l
6,12
= 24,7 m
l
12,7

= 36,2 m
l
12,7
= 38,6 m
VËy nöa chu vi tam gi¸c lµ :
Sinh viªn : NguyÔn Anh §øc Líp HT§1-K43
13
Bé M«n HÖ Thèng §iÖn §å ¸n tèt nghiÖp
p =
2
1
(35 + 36,2 + 38,6) = 55 m
Theo c«ng thøc Heprong th× ®êng kÝnh ®êng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c lµ :
mD 42
)6,3855)(2,3655)(3555(552
6,38.2,36.35
=
−−−
=
Do ®ã ®é cao hiÖu dông cña cét thu l«i lµ :
m
D
h
a
25,5
8
42
8
==≥
*) Nhãm cét 8-11-12 :

= 16 m
L
8,9
= 25 m
Sinh viªn : NguyÔn Anh §øc Líp HT§1-K43
14
m
D
h
a
05,5
8
4,40
8
==≥
Bé M«n HÖ Thèng §iÖn §å ¸n tèt nghiÖp
VËy nöa chu vi tam gi¸c lµ :
p =
2
1
(25 + 36,2 + 16) = 38,6 m
Theo c«ng thøc Heprong th× ®êng kÝnh ®êng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c lµ :
mD 43
)166,38)(2,366,38)(256,38(6,382
16.2,36.25
=
−−−
=
Do ®ã ®é cao hiÖu dông cña cét thu l«i lµ :
m

22
14,10
=+==
§é cao hiÖu dông cña c¸c cét :

m
D
h
a
4,5
8
2,43
8
==≥
*) Nhãm cét 11-12-13-14:
Nhãm cét nµy t¹o thµnh h×nh ch÷ nhËt, ®êng kÝnh vßng trßn ngo¹i tiÕp h×nh
ch nhËt nµy lµ :
mLD 2,433229
22
14,12
=+==
§é cao hiÖu dông cña c¸c cét :
Sinh viªn : NguyÔn Anh §øc Líp HT§1-K43
15
Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp

m
D
h
a

= 7 + 17 = 24m
2-2) Phạm vi bảo vệ biên cho phơng án 1:
a)phạm vi bảo vệ của từng cột :
*) phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi phía 220(kV):
Sinh viên : Nguyễn Anh Đức Lớp HTĐ1-K43
16
Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp
Các cột phía 220(kV) có h = 24 m, bảo vệ cho vật có độ cao h
x
= 17m, vậy do
hh
x
3
2

nên theo (2-3) bán kính bảo vệ của các cột thu lôi phía 220(kV) là:
)1(75,0
h
h
hr
x
x
=
=
m25,5)
24
17
1(24.75,0 =
*) Phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi phía 110(kV
Các cột phía 110(kV) cũng có độ cao h = 24m, bảo vệ vật có độ cao h

h: chiều cao của cột thu lôi, h = 24m
a: Khoảng cách giữa hai cột thu lôi
Sau đó ta đi tính bán kính bảo vệ của các cặp cột theo công thức (2-4) và (2-5):
Khi h
x

3
2
h
0
:
)
8,0
1(5,1
0
0
h
h
hr
x
x
=

Khi h
x
>
3
2
h
0

a
hh
=
Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp
Vì h
x
>
3
2
h
0
nên theo (2-5) ta có bán kính bảo vệ của cột này là :
mr
o
1,3)
14,21
17
1(14,21.75,0
21
==

*) Cặp cột 2-3 :
Cặp cột này là có độ cao bằng nhau h = 24 m, bảo vệ vật có độ cao cực đại h
x
=
17m, khoảng cách giửa hai cột là a = 32m. Vậy ta có :
m
a
hh 4,19
7

7
32
24
7
0
===
Vì h
x
>
3
2
h
0
nên theo (2-5) ta có bán kính bảo vệ của cột này là :
mr
o
8,1)
4,19
17
1(4,19.75,0
43
==

*) Cặp cột 1-16 :
Cặp cột này là có độ cao bằng nhau h = 24 m, bảo vệ vật có độ cao cực đại h
x
=
17m, khoảng cách giửa hai cột là a = 40m. Vậy ta có :
m
a

=
17m, khoảng cách giửa hai cột là a = 34m. Vậy ta có :
m
a
hh 14,19
7
34
24
7
0
===
Vì h
x
>
3
2
h
0
nên theo (2-5) ta có bán kính bảo vệ của cột này là :
mr
o
6,1)
14,19
17
1(14,19.75,0
1610
==

*) Cặp cột 10-17 :
Cặp cột này là có độ cao bằng nhau h = 24 m, bảo vệ vật có độ cao cực đại h

Cặp cột này là có độ cao bằng nhau h = 24 m, bảo vệ vật có độ cao cực đại h
x
=
17m, khoảng cách giửa hai cột là a = 32m. Vậy ta có :
m
a
hh 4,19
7
32
24
7
0
===
Vì h
x
>
3
2
h
0
nên theo (2-5) ta có bán kính bảo vệ của cột này là :
mr
o
8,1)
4,19
17
1(4,19.75,0
917
==


17,6)
86,17.8,0
11
1(86,17.5,1
65
==

*) Cặp cột 6-7 :
Cặp cột này là có độ cao bằng nhau h = 24 m, bảo vệ vật có độ cao cực đại h
x
=
11m, khoảng cách giửa hai cột là a = 44m. Vậy ta có :
m
a
hh 7,17
7
44
24
7
0
===
Vì h
x
<
3
2
h
0
nên theo (2-4) ta có bán kính bảo vệ của cột này là :
mr

mr
o
88,7)
19.8,0
11
1(19.5,1
87
==

#) Những cặp cột cả ở phía 110(kV) Và cả ở phía 220(kV)
Đối với phơng án này ta chọn cột phía 110(kV) và phía 220(kV) có độ cao nh
nhau, nên khi tính toán ta lấy độ cao cực đại của vật cần bảo vệ là 17 m. (Phơng
an này chỉ có hai cặp cột đó là 8-9, 4-5)
*) Cặp cột 8-9 :
Sinh viên : Nguyễn Anh Đức Lớp HTĐ1-K43
20
Bộ Môn Hệ Thống Điện Đồ án tốt nghiệp
Cặp cột này là có độ cao bằng nhau h = 24 m, bảo vệ vật có độ cao cực đại h
x
=
17m, khoảng cách giửa hai cột là a = 25m. Vậy ta có :
m
a
hh 4,20
7
25
24
7
0
===

===
Vì h
x
>
3
2
h
0
nên theo (2-5) ta có bán kính bảo vệ của cột này là :
mr
o
25,2)
20
17
1(20.75,0
54
==

Bảng(2-2): Phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên

Các cặp
cột
h(m) A(m) h
x
(m) h
0
(m) r
o i-j
(m)
1-2 24 20 17 21,14 3,1

Nhóm cột này tạo thành tam giác có ba cạnh là :
L
1,2
= 20 m
L
2,3
= 20 m
L
1,3
= 28,28 m
Vậy nửa chu vi tam giác là :
p =
2
1
(20 + 28,28 + 20) = 34,14 m
Theo công thức Heprong thì đờng kính đờng tròn ngoại tiếp tam giác là :
m28,28=
)28,2814,34)(2014,34)(2014,34(14,342
20.28,28.20
=D

Sinh viên : Nguyễn Anh Đức Lớp HTĐ1-K43
22
Bé M«n HÖ Thèng §iÖn §å ¸n tèt nghiÖp
Do ®ã ®é cao hiÖu dông cña cét thu l«i lµ :
m5,3=
8
28,28
=
8

=
8
D
h
a
≥
*) Nhãm cét 4-20-19 :
Nhãm cét nµy t¹o thµnh tam gi¸c cã ba c¹nh lµ :
l
4,20
= 38 m
l
20,19
= 32 m
l
4,19
= 38 m
VËy nöa chu vi tam gi¸c lµ :
p =
2
1
(38 + 38 + 32) = 54 m
Theo c«ng thøc Heprong th× ®êng kÝnh ®êng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c lµ :
m42=
)3254)(3854)(3854(542
32.38.38
=D

Sinh viªn : NguyÔn Anh §øc Líp HT§1-K43
23

38.3,40.22
=D

Do ®ã ®é cao hiÖu dông cña cét thu l«i lµ :
m125,5=
8
41
=
8
D
h
a
≥
*) Nhãm cét 5-18-19 :
Nhãm cét nµy t¹o thµnh tam gi¸c cã ba c¹nh lµ :
l
5,19
= 22 m
l
5, 18
= 29 m
l
18, 19
= 21,2 m
VËy nöa chu vi tam gi¸c lµ :
p =
2
1
(22 + 29 + 21,2) = 36,1 m
Theo c«ng thøc Heprong th× ®êng kÝnh ®êng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c lµ :

p =
2
1
(15 + 29 + 32,64) = 38,32 m
Theo c«ng thøc Heprong th× ®êng kÝnh ®êng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c lµ :
m64,32=
)64,3232,38)(2932,38)(1532,38(32,382
64,32.29.15
=D

Do ®ã ®é cao hiÖu dông cña cét thu l«i lµ :
*) Nhãm cét 6- 9-18 :
Nhãm cét nµy t¹o thµnh tam gi¸c cã ba c¹nh lµ :
l
6,9
= 40,1 m
l
6,18
= 32,64 m
l
9,18
= 28 m
VËy nöa chu vi tam gi¸c lµ :
p =
2
1
(40,1 + 32,64 + 28) = 50,37 m
Theo c«ng thøc Heprong th× ®êng kÝnh ®êng trßn ngo¹i tiÕp tam gi¸c lµ :
m45,40=
)1,4037,50)(64,3237,50)(2837,50(37,502