GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT TOÀN DIỆN DÙNG KIM THU SÉT

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP

1.1. Mở đầu

Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện đường dây và trạm biến áp là một thể thống nhất. Trong đó trạm biến áp là một phần tử hết sức quan trọng, nó thực hiện nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng. 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 thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc sản suất điện năng và các ngành kinh tế quốc dân khác. Do vậy 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 nhằm đảm bảo toàn bộ thiết bị trong trạm được bảo vệ chống sét đánh trực tiếp.

Ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào các thiết bị trong trạm ta cũng phải chú ý đến việc bảo vệ cho các đoạn đường dây gần trạm và đoạn đây dẫn nối từ xà cuối cùng của trạm ra cột đầu tiên của đường dây.

1.2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh trực tiếp

  1. a) Tất cả các thiết bị bảo vệ cần phải được nằm trọn trong phạm vi an toàn của hệ thống bảo vệ. Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp mà hệ thống các cột thu sét có thể được đặt trên các độ cao có sẵn của công trình như xà, cột đèn chiếu sáng… hoặc được đặt độc lập.

– Khi đặt hệ thống cột thu sét trên bản thân công trình, sẽ tận dụng được độ cao vốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của hệ thống thu sét. Tuy nhiên điều kiện đặt hệ thống thu sét trên các công trình mang điện là phải đảm bảo mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất bé.

+ Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên do có cách điện cao (khoảng cách các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) nên có thể đặt cột thu sét trên các kết cấu của trạm. Tuy nhiên các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu sét thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối. Theo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện is khuyếch tán vào đất theo 3- 4 cọc nối đất. Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất nhằm đảm bảo điện trở không quá 4W.

+ Nơi yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời điện áp 110 kV trở lên là cuộn dây MBA. Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ MBA thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA theo đường điện phải lớn hơn 15m.

– Khi đặt cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình phải có khoảng cách nhất định, nếu khoảng cách này quá bé thì sẽ có phóng điện trong không khí và đất

  1. b) Phần dẫn điện của hệ thống thu sét có phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo thoả mãn điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua.

1.3. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét

1.3.1. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét

a) Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi công thức.

(1 – 1)

Trong đó       h: độ cao cột thu sét

hx: độ cao vật cần bảo vệ

h – hx = ha: độ cao hiệu dụng cột thu sét

rx: bán kính của phạm vi bảo vệ

Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ dạng dạng đơn giản hoá với đường sinh của hình chóp có dạng đường gãy khúc được biểu diễn như hình vẽ 1.1 dưới đây.

Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau được tính toán theo công thức sau

+ Nếu  thì                                                 (1 – 2)

+ Nếu  thì                                         (1 – 3)

Hình 1- 1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.

Các công thức trên chỉ đúng với cột thu sét cao dưới 30m. Hiệu quả của cột thu sét cao quá 30m có giảm sút do độ cao định hướng của sét giữ hằng số. Khi tính toán phải nhân với hệ số hiệu chỉnh  và trên hình vẽ dùng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp.

b) Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệ của hai cột đơn. Để hai cột thu sét có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột thì phải thoả mãn điều kiện a < 7h (h là chiều cao của cột).

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao

– Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h đặt cách nhau khoảng cách a (a < 7h) thì độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét ho được tính như sau:

(1 – 4)

Sơ đồ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau.

Hình 1- 2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét giống nhau.

Tính rox:

+ Nếu  thì                                  (1 – 5)

+ Nếu  thì                                  (1 – 6)

Chú ý: Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì ngoài các hiệu chỉnh như trong phần chú ý của mục 1 thì còn phải tính ho theo công thức:

(1 – 7)

c) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau

Giả sử có hai cột thu sét: cột 1 có chiều cao h1, cột 2 có chiều cao h2 và . Hai cột cách nhau một khoảng là a.

Trước tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h1, sau đó qua đỉnh cột thấp h2 vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao tại điểm 3. Điểm này được xem là đỉnh của cột thu sét giả định, nó sẽ cùng với cột thấp h2, hình thành đôi cột ở độ cao bằng nhau và bằng h2 với khoảng cách là a’. Phần còn lại giống phạm vi bảo vệ của cột 1 với

+ Nếu  thì                    (1 – 8)

+ Nếu  thì                       (1 – 9)

Hình 1- 3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét khác nhau.

  1. d) Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột (số cột >2).

Một nhóm cột sẽ hình thành 1 đa giác và phạm vi bảo vệ được xác định bởi toàn bộ miền đa giác và phần giới hạn bao ngoài giống như của từng đôi cột

Hình 1- 4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột.

Vật có độ cao hx nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:

D 8. ha = 8. (h – hx)                                        (1 – 10)

Với D là đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét.

Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p.

D  8.ha. p= 8. (h – hx).p                                 (1 – 11)

1.3.2. Phạm vi bảo vệ của dây thu sét:

a) Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét là một dải rộng. Chiều rộng của phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào mức cao hx được biểu diễn như hình vẽ.

Hình 1- 5: Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét.

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta có các hoành độ 0,6h và 1,2h.

+ Nếu  thì                                  (1 – 12)

+ Nếu thì                                      (1 – 13)

Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p.

b) Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây thu sét thì khoảng cách giữa hai dây thu sét phải thoả mãn điều kiện s < 4h.

Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao.

(1 – 14)

Phạm vi bảo vệ như hình vẽ.

Hình 1- 6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống của một dây còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm là hai điểm treo dây thu sét và điểm có độ cao  so với đất.

1.4. Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ

– Trạm biến áp: Trạm 220/110 kV.

+ Phía 220kV 6 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng

+ Phía 110kV 10 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng, được cấp điện từ 2 máy biến áp tự ngẫu (AT1, AT2)

– Tổng diện tích trạm 37539 m2

– Độ cao xà đón dây 220 kV: 17 m; độ cao xà thanh góp 220 kV:11 m

– Độ cao xà đón dây 110 kV: 11 m; độ cao xà thanh góp 110 kV: 7,8 m;

– Khoảng cách pha phía 220 kV: 4,30 m;  phía 110 kV: 2,25 m.

– Nhà điều hành: 14 x 10 m, cao 8 m

1.5. Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp

1.5.1. Phương án 1

– Phía 220 kV dùng 15 cột trong đó cột 1÷5 được đặt trên xà đón dây cao 17m; cột  6÷15 được đặt trên xà thanh góp cao 11m.

– Phía 110 kV dùng 13 cột trong đó cột 16÷19, 21÷24 được đặt trên xà thanh góp cao 7,8 m; cột 25÷28 được đặt trên xà đón dây cao 11 m và cột 20 được xây thêm.

Vậy:    – Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là hx = 11 m và hx = 17 m

– Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kV là hx = 7,8 m và hx = 11 m.

Hình 1-7: Sơ đồ bố trí cột thu sét PA 1

Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi:

Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi tam giác hoặc tứ giác nào đó thì độ cao cột thu lôi phải thỏa mãn:

D  8.ha hay ha

Trong đó       D: đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ giác.

ha: độ cao hữu ích của cột thu lôi.

– Phạm vi bảo vệ của 2 hay nhiều cột bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo vệ của 1 cột. Điều kiện để hai cột thu lôi phối hợp được với nhau là a  7h

Với    a: khoảng cách giữa 2 cột thu sét.

h: chiều cao toàn bộ cột thu sét.

Xét nhóm cột 1-2-7-6 tạo thành hình chữ nhật: a1-2 = 51,6 m ; a1-6 = 39,2 m

Hình chữ nhật có đường chéo là: D =  (m)

Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi :  ha  (m)

Xét nhóm cột 11, 12, 16 tạo thành hình tam giác vuông:

a = a11-16 =  (m)

b = a16-12 =  (m)

c = a12-11 =51,6 (m)

– Nửa chu vi tam giác là:  p =  (m)

Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác là:

D =

(m)

Vậy độ cao hữu ích của cột thu sét:  ha  (m)

Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại, ta có bảng kết quả sau:

Bảng 1-1. Độ cao hữu ích của cột thu lôi phương án  1

ĐA GIÁCĐường kính vòng tròn ngoại tiếp (m)ha
Phía 220 kV(1, 2, 7, 6); (4, 5, 10, 9)64,8018,100
(2, 3, 8, 7); (3, 4, 9, 8)52,1546,519
(6, 7, 12, 11); (9, 10, 15, 14)62,0157,752
(7, 8, 13, 12); (8, 9, 14, 13)48,6496,081
Phía 110 kV(16, 17, 22, 21); (17, 18, 23, 22)48,4666,058
(18, 19, 24, 23)40,2495,031
(21, 22, 26, 25); (22, 23, 27, 26)51,9716,496
(23, 24, 28, 27)44,4075,551
(16, 21, 20)36,7234,590
(20, 21, 25)41,2315,154
Sân 220/110 kV(11, 12, 16)60,5287,566
(11, 16, 20)62,4087,801
(12, 16, 17)55,7416,968
(12, 13, 17)54,9216,865
(13, 14, 17)50,9956,374
(14, 17, 18)53,7116,714
(14, 15, 18)58,2747,284
(15, 18, 19)55,2416,905

Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp.

Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét, ta chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm như sau:

+ Phía 220kV có hmax = 8,1 m

+ Phía 110kV có hmax = 7,8 m

Vậy ta chọn ha = 9 m chung cho cả 2 phía do chênh lệch của hmax là nhỏ.

Tính độ cao của cột thu sét. h = ha + hx

– Phía 220 kV:         Độ cao tác dụng ha = 9 m.

Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 17 m.

Do đó, độ cao các cột thu sét phía 220kV là:  h = ha + hx = 9 + 17 = 26 (m).

– Phía 110kV:          Độ cao tác dụng ha = 8 m.

Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 11m.

Do đó, độ cao các cột thu sét phía 110kV là:  h = ha + hx = 9 + 11 = 20 (m).

  • Bán kính bảo vệ của cột thu sét ở các độ cao bảo vệ tương ứng:

Bán kính bảo vệ của các cột 20 m (các cột N16 N28 phía 110kV)

– Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m là:

Do  ((m)

Nên (m)

– Bán kính bảo vệ ở độ cao 7,8 m là:

Do  (m)

Nên (m)

– Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m là:

Do  (m)

Nên(m)

Bán kính bảo vệ của các cột 26m (các cột N1 N15 phía 220 kV)

– Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m là:

Do      ((m)

Nên    (m)

– Bán kính bảo vệ ở độ cao 17 m là:

Do      (m)

Nên    (m)

Bảng 1 – 2: Bán kính bảo vệ của cột thu sét phương án 1

 

CộtChiều cao h (m)Bán kính bảo vệ tương ứng rx (m)
17 m11 m8 m7,8 m
Phía 220 kV267,12518,375
Phía 110 kV209,3751515,375

Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu sét.

* Xét cặp cột 1-2 có:

a = 51,6 m và h = 26 m

– Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

(m)

– Bán kính của khu vực giữa hai côt thu sét là:

+ ở độ cao 17m:

Do          (m)

Nên        (m)

+ ở độ cao 11m:

Do        (m)

Nên      (m)

* Xét cặp cột 11, 20 có độ cao khác nhau

Ta có         (m)  (m) (m)

Vì  (m). Do vậy ta vẽ cột giả định 11’ có độ cao 20 m cách cột 11 một khoảng:

((m)

Vậy khoảng cách từ cột giả định đến cột 20 là:

(m)

Phạm vi bảo vệ của hai cột 11’ và 20 là:

– Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:

(m)

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

+ ở độ cao 11m

Vì  (m)

Nên  (m)

+ ở độ cao 8 m

Vì  (m)

Nên  (m)

Tính toán tương tự cho các cặp cột còn lại ta có bảng:

Bảng 1- 3: Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét phương án 1

Cặp cộta

(m)

h

(m)

h0

(m)

hx

(m)

r0x

(m)

hx

(m)

r0x

(m)

1-2, 4-551,62618,629171,221117,319
2-3, 3-434,42621,086173,0651111,004
1-6, 5-1039,22621,4173,31111,475
6-11, 10-1534,42621,086173,0651111,004
11-2059,22826-2012,182110,88783,273
20-2541,2312014,11112,3337,86,54
25-26, 26-27452013,571111,9287,85,732
27-28362014,857112,8937,87,66
28-24262016,286113,9657,89,804
24-19182017,429115,5197,811,519
19-1535,54926 – 2014,921112,9417,87,757

Từ bảng số liệu trên ta vẽ được phạm vi bảo vệ đối với các độ cao khác nhau như sau:

Hình 1 – 8: Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét PA 1

1.5.2. Phương án 2

– Phía 220 kV dùng 15 cột trong đó cột 1÷5 được đặt trên xà đón dây cao 17m; cột  6÷15 được đặt trên xà thanh góp cao 11m.

– Phía 110 kV dùng 13 cột trong đó cột 17÷23 được đặt trên xà thanh góp cao 7,8 m; cột 24÷30 được đặt trên xà đón dây cao 11 m và cột 16 được xây thêm.

Vậy:

– Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là hx = 11 m và hx = 17 m

– Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kV là hx = 7,8 m và hx = 11 m.

Hình 1-9: Sơ đồ bố trí cột thu sét phương án 2

Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi:

Tính toán tương tự như phương án ta thu được kết quả tính toán được trình bầy trong bảng:

 

 

 

 

 

Bảng 1-4. Độ cao hữu ích của cột thu sét phương án 2

ĐA GIÁCĐường kính vòng tròn ngoại tiếp (m)ha
Phía 220 kV(1, 2, 7, 6); (4, 5, 10, 9)64,8018,100
(2, 3, 8, 7); (3, 4, 9, 8)52,1546,519
(6, 7, 12, 11); (9, 10, 15, 14)62,0157,752
(7, 8, 13, 12); (8, 9, 14, 13)48,6496,081
Phía 110 kV(17, 18, 25, 24); (19, 20, 27, 26)51,6246,453
(18, 19, 26, 25); (20, 21, 28, 27); (21, 22, 29, 28); (22, 23, 30, 29)47,5395,942
(16, 17, 24)47,3065,913
Sân 220/110 kV(11, 16, 17)62,4087,801
(11, 12, 17)60,5287,566
(12, 17, 18)45,2525,567
(12, 13, 18)47,4795,935
(13, 18, 19)42,8405,355
(13, 19, 20)50,1406,268
(13, 14, 20)50,3026,288
(14, 20, 21)42,5045,313
(14, 21, 22)53,8426,730
(14, 15, 22)56,9937,124
(15, 22, 23)44,7775,597

Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp.

Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét, ta chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm như sau:

+ Phía 220kV có hmax = 8,1 m

+ Phía 110kV có hmax = 7,8 m

Vậy ta chọn ha = 9 m chung cho cả 2 phía do chênh lệch của hmax là nhỏ.

Tính độ cao của cột thu sét: h = ha + hx

– Phía 220 kV: Độ cao tác dụng ha = 9 m.

Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 17 m.

Do đó, độ cao các cột thu sét phía 220kV là:  h = ha + hx = 9 + 17 = 26 (m).

– Phía 110kV: Độ cao tác dụng ha = 9 m.

Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 11m.

Do đó, độ cao các cột thu sét phía 110kV là:  h = ha + hx = 9 + 11 = 20 (m).

Tính toán tương tự phương án 1 – mục 1.5.1 ta có:

Bảng 1-5: Bán kính bảo vệ của cột thu sét PA 2

CộtChiều cao h (m)Bán kính bảo vệ tương ứng rx (m)
17 m11 m8 m7,8 m
Phía 220 kV267,12518,375
Phía 110 kV199,3 751515,375

Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu sét.

Tính toán tương tự phương án 1 – mục 1.5.1 ta có bảng kết quả phạm vi bảo vệ như sau:

 

 

Bảng 1-6: Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét PA 2

Cặp cộta

(m)

h

(m)

h0

(m)

hx (m)r0x (m)hx

(m)

r0x (m)
1-2, 4-551,62618,629171,221117,319
2-3, 3-434,42621,086173,0651111,004
1-6, 5-1039,22621,4173,31111,475
6-11, 10-1534,42621,086173,0651111,004
11-1659,22826-2012,182110,88783,273
16-2441,2312014,11112,3337,86,54
24-25, 26-27272016,143113,8577,89,59
25-26, 27-28, 28-29, 29-30182017,428115,5177,811,517
30 – 23442013,714112,0367,85,946
23-1535,54926 – 2014,921112,9417,87,757

 

Từ bảng số liệu trên ta vẽ được phạm vi bảo vệ đối với các độ cao khác nhau như sau:

Hình 1 – 10: Phạm vi vảo vệ của các cột thu sét PA 2

 

1.6. So sánh và tổng kết phương án

  • Về mặt kỹ thuật: Cả 2 phương án bố trí cột thu sét đều bảo vệ được tất cả các thiết bị trong trạm và đảm bảo được các yêu cầu về kỹ thuât.
  • Về mặt kinh tế:

+ Phương án 1:

– Phía 220kV dùng 15 cột cao 26 m trong đó 5 cột đặt trên xà cao 17 m; 10 cột đặt trên xà cao 11m.

– Phía 110kV dùng 13 cột cao 20 m trong đó 8 cột đặt trên xà cao 7,8 m; 4 cột đặt trên xà cao 11 m và 1 cột được xây thêm.

-Tổng chiều dài cột là:

(m)

+ Phương án 2:

– Phía 220kV dùng 15 cột cao 26 m trong đó 5 cột đặt trên xà cao 17 m; 10 cột đặt trên xà cao 11m.

– Phía 110kV dùng 15 cột cao 19 m trong đó 7 cột đặt trên xà cao 7,8 m; 7 cột đặt trên xà cao 11 m và 1 cột được xây thêm.

-Tổng chiều dài cột là:

(m)

Vì phương án 1 có số cột thu sét ít và tổng chiều dài cột nhỏ hơn. Vậy ta chọn phương án 1 làm phương án tính toán thiết kế chống sét cho trạm biến áp.

Leave Comments

0925 038 097
0925 038 097
Phone