1
MỤC LỤC

Đồ Án Tốt Nghiệp

Đỗ Văn Hiệp – Trần Việt Hoàng – Hồ Minh Sang


2
LỜI MỞ ĐẦU
Trong hệ thống điện trạm biến áp là phần tử quan trọng, làm nhiệm vụ
cung cấp năng lượng điện [2]. Bảo vệ trạm biến áp là nhiệm vụ quan trọng để
việc cung cấp năng lượng điện được liên tục và ổn định.
Khi các thiết bị của trạm phân phối đặt 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 [2]. Cột thu sét có thể đặt độc lập hoặc trong những điều kiện cho
phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm. Vì vậy bảo vệ chống sét cho trạm
biến áp là việc không thể thiếu khi thiết kế lưới điện vì vậy nhóm chúng em
đã lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống nối đất và chống sét cho trạm biến áp
110/22kV”.
Trong thời gian học tập cũng như thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp
em luôn nhận được sự chỉ bảo, động viên tận tình của các thầy cô, gia đình và
các bạn, đặc biệt là sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Quân đã
giúp em hoàn thành tốt đồ này.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy, cô trong bộ
môn Hệ thống điện.


Đồ Án Tốt Nghiệp

Đỗ Văn Hiệp – Trần Việt Hoàng – Hồ Minh Sang


4
-

Hình thành khu vực ion hóa mạnh.
Phóng điện ngược.
Kết thúc quá trình phóng điện.

Hình 1.2 Quá trình phóng điện của sét.
a)
b)
c)
d)

Giai đoạn phóng điện tiên đạo.
Tiên đạo gần đến mặt đất hình thanh khu vực ion hóa mạnh.
Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu.
Giai đoạn phóng điện kết thúc.

1.3 Tham số của sét.
Biên độ của sét có thể từ chục nghìn ampe tới hàng trăm nghìn ampe. Trị
số cực đại của dòng điện sét đạt đến 200 – 300 kA, xong nhìn chung rất hiếm
khi dòng điện sét có biên độ đạt đến trên kA. Do đó, trong thực tế tùy theo
tầm quan trọng của đối tượng cần bảo vệ, người ta thường lấy dòng điện sét
bằng 50 – 100 kA và tốc độ trung bình atb = 50 kA/s. Đường đặc tính của

Vùng xích đạo: 100 – 150 (ngày/năm)
Vùng nhiệt đới: 60 – 100 (ngày/năm)
Vùng ôn đới: 30 – 50 (ngày/năm)
Vùng hàn đới : 5 (ngày/năm)

Đồ Án Tốt Nghiệp

Đỗ Văn Hiệp – Trần Việt Hoàng – Hồ Minh Sang


6
Nước ta ở vào vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm rất thuận lợi cho việc
hình thành mây và giông sét. Qua nghiên cứu tình hình hoạt động dông sét
của nước ta cho thấy[2]:
-

Số ngày dông sét trung bình: 44 – 61,6 (ngày/năm).
Số ngày dông sét cực đại: 114 (ngày/năm).
Mật độ sét trung bình: 3,3 – 6,47 (lần/km2, năm).

1.5 Tác hại của sét.
Sét nguy hiểm trước hết như một nguồn điện áp cao và dòng lớn, bởi thế
dòng sét sinh ra nhiệt độ và lực cơ học rất lớn. Khi người bị sét đánh trực tiếp
thường bị chết ngay; sét đánh vào các vật liệu dễ cháy nổ gây nên đám cháy
lớn. Nhiều trường hợp các tháp cao, cây cối bị nổ tung vì dòng sét đi qua
nung nóng phần lõi, hơi nước bốc ra quá nhanh cộng lực tác động gây phá vỡ
tháp hoặc thân cây.
Nhiều khi sét không phóng điện trực tiếp cũng gây nguy hiểm vì dòng
điện sét gây nên một sự chênh lệch thế khá lớn tại những vùng đất gần nhau,
nếu người hoặc gia súc đứng gần sẽ phải chịu điện áp bước có thể nguy hiểm


Đồ Án Tốt Nghiệp

Đỗ Văn Hiệp – Trần Việt Hoàng – Hồ Minh Sang


8
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH
TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP 110/22 KV
2.1 Khái quát chunng về các hệ thống bảo vệ.
Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp, tải là
một thể thống nhất. Trong đó trạm biến áp là một phầm tử hết sức quan trọng,
nó thực hiện niệm vụ truyền tải và phân phối điện năng. Do đó khi các thiết
bị của trạm bị sét đánh trực tiếp sẽ dẫn đến những hậu quả rất nghiêm trọng,
không những làm hỏng các thiết bị trong trạm mà còn có thể dẫn đến việc
ngừng cung cấp điện trong một khoảng thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc
sản xuất điện năng và các ngành kinh tế khác. Do đó việc tính toán bảo vệ
chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp đặt ngoài trời là rất quan trọng. Qua
đó ta có thể đưa ra những phương án bảo vệ trạm một cách an toàn và kinh tế.
Để hạn chế thiệt hại về người và công trình, thiết bị do sét đánh trực tiếp
có nhiều biện pháp ngày càng hoàn thiện nhưng đều dựa vào nguyên lý cổ
điển do FANKLIN phát minh ra vào năm 1750 là dùng vật thu sét (kim thu
sét, dây thu sét,...) đặt cao hơn vật cần bảo vệ rồi nối với hệ thống nối đất có
điện trở nhỏ bằng các dây (hoặc thanh) dẫn kim loại có tiết diện hợp lý để tản
dòng điện sét. Mục đích dùng các vật đặt cao hơn công trình, thiết bị và nối
các vật này với hệ thống có điện trở nhỏ để tập chung điện tích cảm ứng được
dễ dàng và khi xuất hiện mây dông, các vật thu này sẽ tập trung điện tích từ
mặt đất, tạo nên một cừng độ điện trường lớn giữa vật thu sét và mây do đó sẽ
định hướng phóng điện sét về phía mình để tạo nên một không gian an toàn
cho công trình, thiết bị cần bảo vệ. Mặt khác hệ thống nối đất có điện trở nhỏ

từ 1 – 1,5m, riêng khi dùng cho nhà mái bằng kim chỉ nên cao 0,3 –
0,6m.

Để chống rỉ kim nêm mạ kẽm hoặc trám đồng.
-

Dây thu sét: thông dụng dùng thép tròn 8 - 10
Cột thu sét được dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các công

trình, thiết bị đặt ngoài trời như: kho tàng, nhà cửa, trạm biến áp điện lực,...
còn dây thu sét được dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp đường dây tải
điện.

Đồ Án Tốt Nghiệp

Đỗ Văn Hiệp – Trần Việt Hoàng – Hồ Minh Sang


10
2.2Các yêu cầu kĩ thuật đối với hệ thống chống sét đánh trực tiếp.
Để đảm bảo an toàn cho trạm biến áp , hệ thống chống sét đánh trực tiếp
cần thực hiện được các yêu cầu sau:
-

Tất cả các thiết bị bảo vệ phải được nằm trọng trong phạm vi an toàn của hệ
thống bảo vệ.Tùy thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp mà hệ
thống các cột thu sét có thể đặt trên các dộ cao có sẵn của công trình như xà,

-



-

nếu khoảng cách này quá bé thì sẽ có phóng điện giữa không khí và đất.
Phần dẫn điện của hệ thống thu sét phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo thỏa
mãn điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua.

Đồ Án Tốt Nghiệp

Đỗ Văn Hiệp – Trần Việt Hoàng – Hồ Minh Sang


11
2.3 Tính toán thiết kế chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp.
2.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét
Trên cơ sở nghiên cứu các mô hình, người ta thấy rằng phạm vi bảo vệ
của một cột thu sét được giới hạn bởi hình nón tròn xoay có đường sinh gãy
khúc ở độ cao h và bán kính bảo vệ của cột thu sét r x bảo vệ vật ở độ cao hx
trên mặt bằng được xác định bởi công thức sau:
rx =

1,6
( h − h x ).P
hx
1+
h

[2]

(2.1)

2
h
3

rx = 1,5.h.(1 -

thì

hx
).P
0,8.h

rx = 0.75.h.(1 -

thì

hx
).P
h

(2.2)

[2]

2.3.2 Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột.
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 thu sét đơn nếu hai cột đặt cách nhau một
khoảng a 7h



Với a: khoảng cách giữa 2 cột, m
ha: chiều cao hiệu dụng của cột thu sét, m


Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau

Cách xác định phạm vi bảo vệ được tình bày trên hình 2.4:

Hình 2.4 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét không cao bằng nhau
Giả sử có 2 cột thu sét: cột 1 có chiều cao h 1, cột 2 có chiều cao h2 và
h1


15
2.4 Mô tả đối tượng cần bảo vệ.
Trạm biến áp: 110/22 kV
-

Phía 110kV có 2 lộ đường dây
Phía 22kV có 7 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có 2 thanh

-

góp vòng được cấp điện từ 1 máy biến áp.
Tổng diện tích của trạm (60,3 x 24,5)m2.
Với trạm 110 kV độ cao cần bảo vệ là 11m .
Với trạm 22 kV độ cao cần bảo vệ là 8m.

2.5 Tính toán phương án 1 bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến
áp.
-

Phía 110 kV dùng 4 cột A, B, C, D được đặt trên xà cao 11m .
Phía 22 kV dùng 2 cột E, F được đặt trên nóc nhà điều khiển cao 8m.
Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kV là hx =11m.
Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 22 kV là hx = 8m.

Đồ Án Tốt Nghiệp

Đỗ Văn Hiệp – Trần Việt Hoàng – Hồ Minh Sang



Hình 2.7 Nhóm cột ABCD.
Nhóm cột này tạo thành hình chữ nhật có đường chéo là:
D = 17 2 + 18

2

= 24,75(m)

Vậy độ cao hữu ích của của cột thu lôi phải thỏa mãn điều kiện:
ha ≥

24,75
= 3,09(m)
8

Xét nhóm cột B, C, E, F tạo thành hình chữ nhật:
Có aBE = 24m; aBC =18m

Đồ Án Tốt Nghiệp

Đỗ Văn Hiệp – Trần Việt Hoàng – Hồ Minh Sang


18

Hình 2.8 Nhóm cột BCEF.
Nhóm cột này tạo thành hình chữ nhật có đường chéo là:

D = 24 2 + 18 2 = 30(m)

Do đó độ cao các cột thu sét phía 110kV là:
h = ha + hx = 8 + 8 = 16 (m)
Bán kính bảo vệ của các cột thu sét ở độ cao bảo vệ tương ứng là:
Bán kính bảo vệ của các cột 20m( các cột A,B,C,D phía 110 kV) bảo vệ
ở độ cao 11m.

h x = 11m

a
17
= 20 −
= 17,57(m)
7
7

Bề ngang hẹp nhất của phạm vi bảo vệ là:
2b x = 4rx (

7 ha − a
7.9 − 17
) = 4.9,375(
) = 15,8(m)
14ha − a
14.9 − 17

b x = 7,9( m)

Cặp cột C – D có khoảng cách và chiều cao giống với cặp A- B nên phạm vi
bảo vệ tương hỗ là giống nhau với:

h 0 = 17,75 m và b x = 7,9 m

Cặp cột A – D: a= 18 m, h = 20m
Áp dụng công thức ta có:
Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

h0 = h -


Vì hE = 16m > 2/3 hB = 13,3 m. Do đó ta vẽ cột giả định B’ có độ cao
16m cách B một khoảng:
x=

1,6(hB − hE ) 1,6(20 − 16)
=
= 3,56(m)
hE
16
1+
1+
20
hB

Vậy khoảng cách từ cột giả định đến cột E là:

a ' = a − x = 24 − 3,56 = 20,449(m)
Cặp cột B’– E:
Áp dung công thức ta có:
Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

h0 = h -

a
20,44
= 16 −
= 13,08( m)
7
7


= 16 − = 13,43(m)
7
7

Bán kính của khu vực giữa hai cột thu sét là:

2b x = 4rx (

7 ha − a
7.8 − 18
) = 4.9(
) = 14,55(m)
14ha − a
14.8 − 18

→ b x = 7,28(m)

Đồ Án Tốt Nghiệp

Đỗ Văn Hiệp – Trần Việt Hoàng – Hồ Minh Sang


23
Tổng kết:
Bảng 2.1 Phạm vi bảo vệ của căp cột thu sét.
Cặp

a
(


1
8

1
6

h0
(m
)

0

8

CF

h
(

h
x

(
17 m) 1
,57
1
17
1
,42
1

5
9
;8

25
9,37

7

9

7,28

5;9
8

2.6 Tính toán phương án 2 bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến
áp
-

Phía 110kV dùng 4 cột A, B, C, D được đặt trên xà cao 11m
Phía 22kV dùng 1 cột E được đặt trên nóc nhà điều khiển cao 8m
Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110kV là hx =11m
Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 22kV là hx = 8m

Đồ Án Tốt Nghiệp

Đỗ Văn Hiệp – Trần Việt Hoàng – Hồ Minh Sang



Vậy độ cao hữu ích của của cột thu lôi phải thỏa mãn điều kiện

Đồ Án Tốt Nghiệp

Đỗ Văn Hiệp – Trần Việt Hoàng – Hồ Minh Sang