Đồ án tốt nghiệp

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
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

(tháng 10) mỗi tháng chỉ gặp từ 2 đến 5 lần giông. Phía nam Duyên Hải trung
bộ (từ Bình định trở vào) là khu vực ít giông nhất thường chỉ có tháng 5 số
ngày giông chỉ xấp xỉ hoặc lớn hơn 10 ngày (Tuy hoà 10 ngày, Nha Trang 8
ngày, Phan Thiết 13 ngày) còn các tháng khác của mùa đông mỗi tháng chỉ
quan sát được từ 5 đến 7 ngày giông.
Miền Nam cũng khá nhiều giông hàng năm trung bình quan sát được từ
40 đến 50 ngày đến trên 100 ngày tuỳ từng nơi. Khu vực nhiề
u giông nhất là
vùng đồng bằng Nam Bộ số ngày giông trung bình hàng năm lên tới 120 đến
140 ngày (Sài Gòn 138 ngày, Hà Tiên 129 ngày).
ở Bắc Bộ chỉ vào khoảng 100 ngày. Mùa giông ở Nam bộ từ tháng 4 đến
tháng 11, trừ tháng đầu mùa là tháng 4 tháng cuối mùa là tháng 11 số ngày
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

Bảng 2 :

Số
ngày
giông
Khuvực
đồng bằng ven
biển miền bắc
Khuvực miền
núi trung du
miền bắc
Khu vực
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


Miền Bắc vì đây là đường dây quan trọng của Miền Bắc vì sự cố đường dây
này ảnh hưởng rất lớ
n đến tình hình chuyên tải điện của Miền Bắc.
Kết luận
: Qua những nghiên cứu tình hình giông sét ở Việt Nam và
những tác hại của sét gây nên đối với lưới điện, cho nên việc bảo vệ chống sét
cho đường dây điện và các trạm biến áp là không thể thiếu được khi thiết kế

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

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


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

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


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


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

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

+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

D
⇒ ha ≥
8
14,37

⇒ ha ≥ 4,64.
Vậy độ cao tác dụng tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là 4,64 m.
⇒Độ cao tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là:
h
2
=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

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. 10 (1 -
10.8,,0
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

h
hx
).
= 0,75. 11,643. ( 1 -
643,11
11
)
= 0,482 m .
- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột A và D :
Ta có h = 15,5 m
Khoảng cách giữa 2 cột : a= 18,5 m
Với 7h = 7 . 15,5 = 108,5 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

Với : h
0
=12,857 m
r
ox
= 1,393 m.
- Phạm vi bảo vệ tương hỗ giữa 2 cột E và F
Ta có : h = 10 m.
Khoảng cách giữa 2 cột : a = 27 m.
Với 7h = 7 .10 = 70 m
⇒ a < 7h
+ Độ cao thấp nhất được bảo vệ giữa 2 cột là :
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


3
2
h
1
=
3
2
. 15,5 = 10,333 m .

ĐỒ ÁN TỐT NGIỆP

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
,

Ta có :
3
2

o
h
=
3
2
.7 = 4,67 m
h
x
= 5 m >
3
2
h
o
⇒ r
ox
= 0,75 h
o
( 1 -
o
h
hx
)
=0,75 .7 ( 1-
7
5
)

B và C 12,857 1,393
C và F 7 1,5
F và E 6,143 0,886
E và D 7 1,5

*Vẽ mặt bằng, mặt cắt của phạm vi bảo vệ:
+ Mặt bằng hình 1.8.
+ Mặt cắt hinh 1.9.
1.4.2.Phương án 2
*

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 1.10.
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.

+Độ cao của thiết bị cần bảo vệ là : h
x
= 5m.
-Xét nhóm 3 cột DEF. Ba cột này tạo thành một tam giác thường với
khoảng cách giữa các cột là :
EF = 27 m.
DE =
22
HDEH +
.
Với H là điểm cho trên hình vễ 1.10 ta có:
⇒ DE =
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
+

−−−

= 42,7 m .
⇒ ha ≥
8
7,42
⇒ ha ≥ 5,34 m.
Vậy độ cao tác dụng tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là 5,34 m.
⇒Độ cao tối thiểu đảm bảo phạm vi bảo vệ là:
h
2
= h
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
. 17 = 11,333 m .
h
x
= 11 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. 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
. 11,5 = 7,667 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