ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
1
Thiết kế hệ thống chống sét cho một trạm biến áp và
đường dây cao áp dẫn tới trạm.

MỞ ĐẦU
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HIỆN TƯỢNG SÉT Ở VIỆT NAM.
Qua việc nghiên cứu giông sét và các biện pháp bảo vệ chống sét cho các
công trình, thiết bị đã có lịch sử từ lâu đời. Ngày nay người ta đã tìm ra được
những biện pháp, những hệ thống thiết bị và những kỹ thuật tiên tiến để
phòng chống sét một cách hữu hiệu và an toàn. Tuy nhiên giông sét là hiện
tượng tự nhiên. Mật độ, thời gian và cường độ sét mang tính ngẫu nhiên cho
nên việc nghiên cứu chống sét là rất quan trọng đối v
ới các công trình.
Ở những vùng khác nhau, do điều kiện khí hậu và thiết bị kỹ thuật khác
nhau nên các đặc điểm về giông sét gây ra những tác hại khác nhau. Tuỳ theo
từng vùng mà có những biện pháp thích hợp để phòng chống sét có hiệu quả.
A.Tình hình giông sét ở việt nam:

Theo đề tài KC-03-07 của Viện năng lượng trong một năm số ngày
giông trên Miền bắc nước ta thường giao động trong khoảng từ 70 đến 110
ngày và số lần giông từ 150 đến 300 lần, như vậy vào mùa mưa trung bình
một ngày có thể xảy ra từ 2 đến 3 cơn giông.
Vùng giông nhiều nhất trên Miền Bắc là vùng Tiên Yên, Móng Cái; Tại
đây hàng năm có từ 100 đến 110 ngày, tháng nhiều giông nhất là các tháng
VII, VIII có tới 25 ngày/ tháng.
Một số vùng khác có địa hình chuyển tiế
p giữa cồng bằng số lần giông

giông trung bình là 10 ngày trên mỗi tháng còn các tháng 5 tháng 6 đến tháng
10 mỗi tháng quan sát trung bình gặp trên 20 ngày giông (sài gòn 22 ngày, Hà
Tiên 23 ngày).
Tây Nguyên mùa giông thường chỉ có 2, 3 tháng số ngày giông đạt tới
10 đến 15 ngày đó là các tháng 4, tháng 5 và tháng 9. Tháng cực đại (tháng 5)
trung bình quan sát được chừng 15 ngày giông. ở bắc Tây Nguyên 10 đến 12
ngày, nam Tây Nguyên (P Lây Cu 17 ngày Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10
ngày) còn các tháng khác trong mùa đông mỗi tháng trung bình t
ừ 5 đến 7
ngày giông.

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
3
Qua số liệu khảo sát ta thấy rằng tình hình giông sét trên ba miền khác
nhau, những vùng lân cận lại có mật độ giông sét tương đối giống nhau.
Kết quả nghiên cứu đề tài KC-03-07 người ta đã lập được bản đồ phân
vùng giông toàn Việt nam có thể phân thành 5 vùng 147 khu vực. Các thông
số cho ghi ở bảng 1.
Bảng 1
:

Vùng
Ngày giông
trung bình
(ngày/năm)
Giờ giông
trung bình
(giờ/năm)

cao nguyên
miền trung
Khu vực
ven biển
miền trung
Khu vực
đồng bằng
miền nam
20 ÷ 40 2,43 ÷ 4,68 2,1 ÷ 4,2 1,2 ÷ 2,4 1,22 ÷ 2,44 1,26 ÷ 2,52
4o ÷ 60 4,86 ÷ 7,92 4,2 ÷ 6,3 2,4 ÷ 3,6 2,44 ÷ 3,65 2,52 ÷ 3,78
60 ÷ 80 7,92 ÷ 9,72 6,3 ÷ 8,4 3,6 ÷ 4,8 3,65 ÷ 4,87 3,78 ÷ 5,04
80 ÷
100
9,72 ÷ 12,1 8,4 ÷ 10,5 4,8 ÷6,0 4,87 ÷ 6,09 5,04 ÷ 6,3
100 ÷
120
12,15÷14,58 10,5 ÷12,6 6,0 ÷7,2 6,09 ÷ 7,31 6,3 ÷ 5,76

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
4
Qua nghiên cứu ở trên ta thấy Việt Nam là nước có số ngày giông nhiều
và mật độ phóng điện lớn cho nên dòng sét cũng gây nên những thiệt hại đáng
kể cho lưới điện và các công trình xây dựng ở Việt Nam
B. Ảnh hưởng của giông sét

Ở Việt Nam trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước KC-03-07 đã lắp đặt
các vật ghi sét và bộ ghi tổng hợp trên các đường dây tải điện trong nhiều
năm liên tục. Kết quả thu thập tình hình sự cố lưới điện 220kV Miền Bắc từ

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

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

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
≤

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

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

=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

.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.

=
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.

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
15
+Độ cao của thiết bị cần bảo vệ là : h
x

+ ha
= 5 + 4.64 = 9,64 m.
Vậy ta lấy độ cao của cột EF là 10 m.
Kết luận : Toàn bộ trạm ta bố trí 6 cột thu sét. Bên phía máy biến áp và nhà
điều khiển để đảm bảo an toàn ta bố trí 2 cột E và F có độ cao là 10 m. Bốn
cột A,B,C,D có độ cao 15,5 m.
• Tính toán phạm vi bảo vệ .
- Phạm vi bảo vệ của cột cao 15,5 m là:
Ta có :
3
2
h =
3
2
. 15,5 = 10.33 m .
hx = 11 m >
3
2
h .

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
16
Vậy nên bán kính bảo vệ của cột được tính theo công thức :
r
x
= 0,75 h
0
( 1 -

5
)
=5,625 m .
- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột A và B là :
Ta có : h = 15,5 m .
Khoảng cách giữa 2 cột : a = 27 m
Với 7h = 7. 15,5 = 108,5 m .
⇒ a < 7 h
+ Độ cao thấp nhát được bảo vệ giữa 2 cột là :
h
0
= h -
7
a

=15,5 -
7
27
= 11,643 m .
+ Bán kính bảo vệ giữa 2 cột là :
Ta có :
3
2
h
0
=
3
2
. 11,643 = 7,762 m .


. ⇒ a < 7 h.
+ Độ cao thấp nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:
h
o
= h -
7
a

= 15,5 -
7
5,18
= 12,857 m .
+Bán kính bảo vệ của 2 cột là :
Ta có ;
3
2
h
o
=
3
2
.12,857 = 8,571 m .
h
x
= 11 m >
3
2
h
o
⇒ r

h
0
= h -
7
a

=10 -
7
27
= 6,143 m .
+ Bán kính bảo vệ của 2 cột là :
Ta có :
3
2
h
o
=
3
2
. 6,143 = 4,095 m .
h
x
= 5m >
3
2
h
⇒ r
ox
= 0,75 h
o

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
19

3
2
h
1
> h
2
.
+ Độ cao thấp nhất được bảo vệ giữa 2 cột là :
h
0
= h
2
-
7
,
a

,
a
= a -
Δ
L
a: là khoảng cách giữa 2 cột : a = 25,5 m.

Δ
L = 1,5 .h
1

= 5 m >
3
2
h
o
⇒ r
ox
= 0,75 h
o
( 1 -
o
h
hx
)
=0,75 .7 ( 1-
7
5
)
= 1,5 m.
-Phạm vi bảo vệ giữa 2 cột C và F .
Ta có 2 cột C và E có cùng chiều cao cột thu sét , chiều cao vật cần bảo vệ
và khoảng cách giữa 2 cột bằng 2 cột D và E nên phạm vi bảo vệ giữa 2 cột C
và F bằng phạm vi bảo vệ giữa 2 cột D và E với :
h
o
= 7 m.
r
ox
= 1,5 m


xà đỡ dây và 2 cột E,F đặt trên nóc nhà điều khiển. Vị trí của các cột như trên
hình vẽ 1.10.
a.Tính độ cao của cột phía 110 kV.
+Độ cao của thiết bị cần bảo vê h
x
= 11 m.
-Xét nhóm 4 cột ABCD. Các cột này tạo thành hình chữ nhật với khoảng
cách các cột :
AB = CD =18 m

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
21
AD = BC = 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 kính đường tròn ngoại tiếp tứ giác ABCD.
ha : là độ cao tác dụng của các cột
Ta có D=
22
ADAB
+
=
22
5,1818
+
= 25,812 m.
Ta có : ha ≥
8

22
5,45,18
+
=19,04 m
DF =
22
IDFI +

Với I là điểm cho trên hình vẽ 1.10 ta có:

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
22
⇒ DF =
22
5,225,18
+
=29,129 m .
Để đảm bảo toàn bộ diện tích giới hạn bởi 3 đỉnh cột được bảo vệ thì :
D ≤ 8 ha
Trong đó : D là đường kính đường tròn ngoại tiếp hình tam giác DEF
ha : là độ cao tác dụng của các cột .
⇒ ha ≥
8
D

+ Tính D
D =
))()((2

x
+ ha
= 5 + 5,34 = 10,34 m.
- Xét nhóm 3 cột CEF . Ta thấy nhóm 3 cột này cũng tạo thành một tam giác
thường bằng tam giác tạo thành từ nhóm 3 cột DEF và độ cao cần bảo vệ như
nhau nên độ cao tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là như nhau.
Vậy ta lấy độ cao của cột EF là 10,5m.

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
23
Kết luận : Toàn bộ trạm ta bố trí 6 cột thu sét. Bên phía máy biến áp và nhà
điều khiển để đảm bảo an toàn ta bố trí 2 cột E và F có độ cao là 10,5 m. Bốn
cột A,B,C,D có độ cao 14,5 m.
• Tính toán phạm vi bảo vệ .
- Phạm vi bảo vệ của cột cao 14,5 m là:
Ta có :
3
2
h =
3
2
. 14,5 = 9,667 m
hx = 11 m >
3
2
h .
Vậy nên bán kính bảo vệ của cột được tính theo công thức :
r

= 1,5 h ( 1-
h
hx
8.0
)
= 1,5. 17 (1 -
17.8,0
11
)
= 4,875 m. (Thoả mãn)
Vậy ta lấy chiều cao cột A,B,C,D là 17 m.

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
24
- Phạm vi bảo vệ của cột cao 10,5 m là :
Ta có :
3
2
h =
3
2
. 10,5 = 7 m .
hx = 5 m <
3
2
h .
Vậy bán kính bảo vệ của cột được tính theo công thức :
r

x
= 1,5 h ( 1-
h
hx
8.0
)
= 1,5. 11,5 (1 -
5,11.8,0
5
)
= 7,875 m . (Thoả mãn )
Vậy ta lấy chiều cao cột E,F là 11,5 m.
- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột E và F là :
Ta có : h = 11,5 m .
Khoảng cách giữa 2 cột : a = 27 m

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

Sinh viên : PHÙNG HUY ĐIỀM H7 HỆ THỐNG ĐIỆN
25
Với 7h = 7. 11,5 = 80,5 m .
⇒ a < 7 h
+ Độ cao thấp nhát được bảo vệ giữa 2 cột là :
h
0
= h -
7
a

=11,5 -

Theo sơ đồ mặt bằng của trạm thì phạm vi bảo vệ của cột E và F phải bảo
vệ toàn bộ nhà điều khiển thì mới đảm bảo yêu cầu. Chiều rộng của nhà điều
khiển là 7m vì vậy bán kính bảo vệ tương hỗ tối thiểu của cột 2 cột E và F
phải là 7 m. Với độ cao của cột là 11,5 m không đảm bảo vậy giả s
ử ta tăng
chiều cao của cột lên là 15m . Ta có:
+ Độ cao thấp nhát được bảo vệ giữa 2 cột là :
h
0
= h -
7
a

=15 -
7
27
= 11,143 m .
+ Bán kính bảo vệ giữa 2 cột là :