Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
1 Chơng VIII
Bảo vệ chống sét đờng dây tải điện

Đ8-1. Yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đờng dây:
Đờng dây là phần tử dài nhất trong lới nên thờng bị sét đánh và chịu tác
dụng của quá điện áp khí quyển.
Quá điện áp không những chỉ gây nên phóng điện trên cách điện đờng dây mà
còn truyền sóng vào trạm biến áp gây sự cố phá hoại cách điện trong trạm. Do đó khi
giải quyết vấn đề bảo vệ chống sét đờng dây phải có quan điểm tổng hợp nghĩa là phải
có kết hợp chặt chẽ với việc chống sét ở trạm, đặc biệt ở đoạn đờng dây gần trạm (
đoạn tới tramk) phải đợc bảo vệ cẩn thận vì khi sét đánh ở kh vực này sẽ đa vào
trạm các quá điện áp với tham số lớn, rất nguy hiểm cho cách điện của trạm.
Quá điện áp khí quyển có thể là do sét đánh thẳng lên đờng dây hoặc sét đánh
xuống mặt đất gần đó và gây nên quá điện áp cảm ứng trên đờng dây. Có thể thấy
trờng hợp đàu nguy hiểm nhất vì đờng dây phải chịu đựng toàn bộ năng lợng của
phóng điện sét, do đó nó đợc chọn để tính toán chống sét đờng dây.
Nh đã trình bày trong phần cách điện của hệ thống, vì trị số của quá điện áp
khí quyển rất lớn nên không thể chọn mức cách điện đờng dây đáp ứng đọc hoàn
toàn yêu cầu của quá điện áp khí quyển mà chỉ chọn theo mức độ hợp lý về kinh tế và
kỹ thuật. Do đó yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đờng dây không phải là loại trừ hoàn
toàn khả năng sự cố do sét mà chỉ là giảm sự cố tới giới hạn hợp lý ( xuất phát từ yêu
cầu và sơ đồ cung cấp điện của phụ tải, số lần cắt dòng điện ngắn mạch cho phép của
máy cắt điện, đ
ờng dây có hoặc không có trang bị thiết bị tự động đóng lại v.v ).
Trong phạm vi chơng này, sẽ tập trung vào cách tính toán số lần cắt điện do sét,
trên cơ sở đó xác định đợc phơng hớng và biện pháp để giảm số lần cắt điện nói

di
dt
s
=có thể có nhiều trị số khác nhau, do đó không phải tất cả các lần có sét đánh
lên đờng dây đều dẫn đến phóng điện trên cách điện. Để có phóng điện, quá điện áp
khí quyển phải có trị số lớn hơn mức cách điện xung kích của đờng dây, khả năng này
đợc biểu thị bởi xác suất phóng điện (
v
pt
) và nh vậy số lần xảy ra phóng điện trên
cách điện sẽ là:

()
NNv hnIv
pd pd ng s pd
==ữ

06 09 10
3
,,
.
(8-2)
Đây cha phải là số lần nhảy máy cắt điện do sét hàng năm vì thời gian tác dụng
của quá điện áp khí quyển rất ngắn, khoảng 100

s , trong thời gian làm việc của hệ
thống bảo vệ rơle thờng không bé quá một nửa chu kỳ tần số công nghiệp tức là 0,01s.
Do đó phóng điện xung kích chỉ gây nên cắt điện đờng dây khi tia lửa phóng
điện xung kích trên cách điện chuyển thành hồ quang duy trì bởi điện áp làm việc của
lới điện. Xác suất chuyển từ tia lửa phóng điện xung kích thành hồ quang phụ thuộc

NhLnv
cd ng s pd
=ữ

06 09 10
3
,,
.

(8-3)
Để so sánh khả năng chịu sét của các đờng dây có tham số khác nhau, đi qua
những vùng có cờng độ hoạt động của sét khác nhau thờng tính trị số " suất cắt
đờng dây " tức là số lần cắt khi đờng dây có chiều dài 100km.

()
nhnv
cd ng s pd
=
ữ
06 09,,
.

( 8-4)
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
3

Từ (21-4) thấy rằng có hai hớng khác nhau trong việc giảm thấp số lần cắt điện
do sét tức là hoặc giảm trị số
v


h
c

chiều cao cột điện (m).
Dù không xét đến khả năng sét đánh vòng qua day chống sét vào dây dẫn thì
việc bảo vệ bằng dây chống sét cũng không thể đảm bảo có mức chịu sét tuyệt đối. Khí
sét đánh vào dây chống sét sẽ gây nên điện áp tác dụng lên cách điện mà phần chủ yếu
của nó là điện áp giáng trên bộ phận nối đất cột điện . Nếu dòng điện sét và điện trở nối
đất cột điện lớn thì điện áp tác dụng lên cách điện có khả năng vợt quá mức cách điện
xung kích của nó và gây nên phóng điện ngợc tới dây dẫn. Nh vậy dây chống sét
phát huy tác dụng đợc nhiều hay ít còn tuỳ thuộc vào tình hình nối đất cuả cột điện.
Trong các vùng đất xấu (
()

10
5
.cm dây chống sét sẽ không còn phát huy tác dụng
nên có thể không dùng nó ngay cả ở các đờng dây 110ữ 330kV [( quy trình xây lắp
thiết bị điện Liên xô - 1965 ( điều 115-72)].
Cũng với lý do trên, ở những đờng dây điện áp thấp ( từ 35kV trở xuống) cũng
không dùng dây chống sét. Các đờng dây này có mức cách điện không cao nên khi sét
đánh vào dây chống sét thờng đa đến phóng điện ngợc tới dây dẫn.
Giám xác suất hình thành hồ qung đợc thực hiện bằng cách giảm cờng độ
điện trờng dọc theo đờng phóng điện, nh dùng cột xà gỗ để tăng chiều dài đờng
phóng điện Trong trờng hợp này građiện điện áp làm việc có thể giảm tới khoảng
cách 0,1 ữ 0,2 kV/m và xác suất hình thành hồ quang chỉ còn 10 ữ 20%. Dùng cách
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
4

,
quyết định bởi từ trờng ngoài và có
trị số bằng:
() ()
uxt Extdl
cu
t
T
t
,,= (8-6)
Thành phần điện
()
uxt
cu
d
, gây nên bởi
điện trờng của dòng sét và đợc xác định
theo biểu thức:

(
)
(
)()
uxt xt uxt
cu
dd
,, ,=+

(21-7)


22
2
2
1u
xc
uE
x
dd
x
d
= (8-8)
ở đây không đi sâu vào các chi tiết
tính toán mà chỉ đa ra kết quả chung về độ lớn của điện áp cảm ứng tại điểm gần độ
lớn của điện áp cảm ứng tại gần nơi sét đánh:


t


x

đ

v
v
y
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
5 UK
Ih
b
cu
s
max
=
0
60
( 8-9)
trong đó:
h
độ treo cao trung bình của
dây dẫn (m).


=ữ01 02,,)nên hệ số K
0
có thể chọn bằng 0,5 và trị số U
cu max
đợc tính theo:

U
Ih
b
cu
s
max
=
30
(8-10)
Công thức (8-9), (8-10) chỉ đúng với trờng hợp đơn giản là khi dòng điện sét có
dạng sóng vuông góc. Nếu là dạng
sóng xiên góc thì tốc độ biến thiên
của điện từ trờng sẽ bé hơn và trị
số điện áp cảm ứng giảm thấp, tuy
nhiên sự giảm thấp này chỉ đáng
kể khi sét đánh gần tức là khi
bv
ds
<

.
Điều cần quan tâm nhất
không phải là xác định giới hạn về
độ lớn của quá điện áp cảm ứng
Hình 8-3
Biến thiên của điện áp cảm ứng
(
)
Ut
cu
0,
tại điểm
gần nơi sét đánh ứng với các trị số khác nhau của
tốc độ phóng điện ngợc

=
c
v

1.0
0.8
0.6
0.4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
U
c max


()
(
)
01 015 10 100 001 0015
3
,, , ,

ữ=ữ

db H n db
ng s ng s

( db tính theo m)
Để trị số điện áp cảm ứng bằng hoặc vợt quá mức cách điện đờng dây
U
50%
dòng điện sét phải có biên độ:

I
Ub
h
s

50%
30

Đây cũng là điều kiện để có phóng điện trên cách điện đờng dây và nh vậy
xác suất phóng điện có trị số bằng:


min
= 3 tới và cho
cả hai phía đờng dây:

NdN
pd pd
b
=


min

( lấy trị số
bh
min
= 3 vì nh đã quy định ở trên, đờng dây thu hút về phía mình tất cả các
phóng điện sét trong giải đất rộng 6h , còn khi sét đánh ở ngoài giải này sẽ xem nh
đánh xuống đất và gây nên quá điện áp cảm ứng). Cuối cùng tính đợc:

()
N
nh
U
e
pd
ng s
U
=
ữ


700

)
khoảng 1,5 lần/năm. Nh vậy đối với đờng dây 110kV
trở lên trong tính toán chống sét có thể không xét đến quá điện áp cảm ứng vì số lần
phóng điện do nó gây nên rất nhỏ so với khi có sét đánh thẳng lên đờng dây. Đối với
các đờng dây 35 KV trở xuống, đờng dây điện áp càng bé thì trị số N
pd
càng lớn do
đó cần phải chú ý đến quá điện áp cảm ứng trong tính toán cũng nh trong vận hành.
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
7

Đặc điểm của quá điện áp cảm ứng là xuất hiện đồng thời ở cả ba pha và trị số
giữa các pha không chênh lệch nhau nhiều, do đó nguy hiểm không phải là đối với
cách điện giữa các pha mà là cách điện đối với đất và đối với các loại đờng dây này
biện pháp chống quá điện áp cảm ứng hợp lý là dùng cột gỗ.

Đ8-3. Sét đánh trên đờng dây không theo dây chống sét.

Khi dờng dây không treo dây chống sét, sét đánh chủ yếu là vào dây dẫn còn
khả năng đánh thẳng vào cột rất ít và có thể bỏ qua.
Có thể xem tại nơi sét đánh mạch của khe sét đợc ghép nối với tổng trở sóng
của dây dẫn có trị số bằng
Z
dd
2
( day dẫn hai phía ghép song song). Vì tổng trở của dây
dẫn Z

dd
s
dd
=
4
100
(8-12)
Để tính toán số lần cắt điện cần xét riêng
cho các loại đờng dây cột sắ và cột gỗ vì chúng
khac nhau rất nhiều.
1. Đờng dây cột sắt (bê tông).
Phóng điện trên cách điện đờng dây sẽ
xẩy ra khi đạt đợc điều kiện:

UIU
dd s
=
100
50%U
50%
là trị số điện áp phóng điện xung kích
bé nhất của cách điện đờng dây.
Điều kiện này ứng với khi dòng điện sét vợt quá mức chịu sét ( mức bảo vệ)
I
bv
của đờng dây:


4
s
I

4
s
I

2
s
I

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
8

sẽ là xác suất hiện dòng điện sét có trị số
I
bv
, xác định theo công thức (1-3) và tiếp
theo đó tính đợc trị số
N
pd
theo công thức (8-2). Do tình hình sét thờng chỉ đánh vào
một pha ( pha trên cùng khi dây dẫn các pha bố trí theo 3 đỉnh tam giác hoặc pha bên
khi dây dẫn bố trí trong cùng mặt phẳng ngang) nên trớc tiên sẽ xẩy ra phóng điện
trên cách điện của pha đó và khi đạt đợc điều kiện duy trì hồ quang sẽ dẫn đến ngắn
mạch chạm đất một pha. Nh vậy việc cắt điện do sét còn phụ thuộc vaò phơng thức
nối đất của điểm trung tính. Đối với lới điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất (
thờng là các lới điện áp 110kV trở lên) khi có ngắn mạch chạm đất hệ thống bảo vệ

hm= 10
đi trong vùng có số ngày sét hàng năm là 100 ngày sẽ có trị số bằng
()
n
cd
=ữ
=
ữ
0 06 0 09 10100 0 8 0 6 28 8 43 3,, ,., ,,
. Số lần cắt điện do sét nh vậy là quá
lớn, do đó đờng dây 110 kV khi đi trong vùng sét hoạt động mạnh và trung bình cần
phải đợc bảo vệ bằng đờng dây chống sét.
Trong lới điện có điểm trung tính cách điện đối với đất ( hoặc nối đất qua cuộn
dây hồ quang), thờng là các lới điện áp 35 kV trở xuống, thì dù có hồ quang chạm
đất ở một pha vẫn không đa đến cắt điện đờng dây ( khi có cuộn dập hồ quang có thể
xem

= 0
). Cắt điện do sét chỉ xảy ra khi có phóng điện ở 2 hoặc 3 pha và đa đến
ngắn mạch giữa các pha. Nghiên cứu với đờng dây có kết cấu nh ở hình 8-5, khi sét
đánh vào dây dẫn ngoài cùng và xảy ra phóng điện trên cách điện của dây đó, dòng
điện sét đợc tản trong đất thông qua bộ phận nối đất của cột điện. tính cho trờng hợp
nguy hiểm nhất là khi sét đánh vào dây dẫn ở chỗ gần cột điện, lúc này khe phóng điện
sét xem nh bị ngắn mạch qua điện trở nối đất R của cột điện và dòng điện sét xam nh
bị ngắn mạch qua điện trở nối đất R của cột điện và dòng điện sét có trị số bằng trị số
toàn bộ
I
s
( mà không phải là
I

()
II
U
Rk
sbv
d
=

50%
1
( 8-14)
Trị số
U
50%
là mức cách điện xung kích của dây dẫn thứ hai chọn theo cực tính
dơng. Từ (21-14) có thể thấy rõ tác dụng quan trọng của nối đất trong bảo vệ chống
sét đối với các đờng dây này.
Ví dụ tính toán với đờng dây 35kV cột sắt có trị số
UkV
50%
350= , dộ cao
hm= 10 và đi trong vùng sét có
n
ng s.
=
100
ngày/năm. Đờng dây này có hệ số ngẫu hợp
k
d
=

Trị số này bé hơn nhiều so với so với của
đờng dây 110kV. Nếu giảm điện trở nối đất cột
điện tới mức
R
=
5

thì suất cắt chỉ còn
n
cd
=
ữ
078 017,,
nghĩa là giảm đợc 6 lần so với
khi
R
=
10

.
Có thể cho rằng, khi đờng dây đi qua
các vùng đất dẫn điện tốt việc cải thiện nối đất ở cột điện là biện pháp có hiệu quả và
hợp lý nhất để giảm số lần cắt điện do sét gây nên.
2. Đờng dây cột gỗ: