GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

CHƯƠNG 1 :
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THU SÉT
------------------I . TỔNG QUAN VỀ TRẠM :
 Cấp điện áp :110 KV
Số đường dây vào trạm :4
 Chiều cao lớn nhất cần bảo vệ : 11(m)
 Kích thước trạm cần bảo vệ :130116 m
 Khoảng cch khoảng vượt trung bình : 200m
 Với ρ đo : 170Ωm
 Bảng kích thước : ( đơn vị tính mt)
 Nh điều hnh : 20*36 m ; cao : 8m
Di
Cao
Di
AB
20
JK
20

1

BC

20

KL

12

CD

16

LM

20

DE

20

MN

10

EF

20

NO

10

FG

16


OP

10

GH

16

IK

16

HI

16

11

Cao

8


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

II . CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN :
Kết cấu của cột thu sét gồm các phần sau :
− Bộ phận thu sét : làm bằng thép ống hoặc thanh, tiết

diện không nhỏ hơn 100 mm2, đặt thẳng đứng gọi là kim
thu sét. Nó cũng có thể là dây thép căng ngang giữa các
cột, gọi là dây chống sét.
− Bộ phận nối đất : được tạo thành bởi một hệ thống cọc
và thanh bằng đồng hoặc thép nối liền nhau, chôn trong
đất, có điện trở tản bé để dòng điện tản nhanh vào đất.
− Bộ phận dẫn dòng điện sét nối liền bộ phận thu sét
và bộ phận nối đất lại với nhau : được tạo bởi bản
thân kết cấu cột thu sét hay bằng dây thép có tiết diện
không nhỏ hơn 50 mm2. Đỉnh của bộ phận thu sét vượt
cao trên tất cả các thiết bị và bộ phận mang điện cần
được bảo vệ.
2


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

− Yêu cầu về kỹ thuật :
+ Phạm vi bảo vệ phải kín toàn bộ các trang thiết bị điện và
bộ phận mang điện của trạm, có nghĩa là loại trừ hoặc giảm
nhỏ xác suất sét đánh trực tiếp vào các trang thiết bị điện và
bộ phận mang điện của trạm.
+ Hệ thống nối đất chống sét (cũng như các khoảng cách trong
không khí và trong đất từ các phần tử của cột đến các bộ
phận mang điện , đến các trang thiết bị điện và hệ thống nối
đất an toàn của trạm trong trường hợp hệ thống thu sét đặt
độc lập) phải được thiết kế và tính toán sao cho không xảy ra
phóng điện ngược trên cách điện ngược của trạm.

− Yêu cầu về kinh tế :
+ Trong điều kiện trước tiên thỏa mãn tuyệt đối các yêu cầu kỹ
thuật, phương án được lựa chọn phải có chi phí đầu tư xây
dựng hệ thống thu sét bé nhất (ít tốn kém, vật tư sắt thép, dễ
thi công lắp đặt, ít tốn công sức…) Trong điều kiện kỹ thuật
cho phép, cần cố gắng tận dụng kết cấu công trình của trạm
để đặt hệ thống thu sét (như mái nhà máy, ống khói, xà đỡ
dây, cột đèn pha chiếu sáng…
− Yêu cầu về các mặt khác :
+ Hệ thống thu sét được xây dựng không gây trở ngại cho sự
vận hành bình thường của trạm, cho sự giao thông của xe cộ
và người trong trạm (ví dụ: không đặt cột thu sét trên hầm
cáp, trên đường ray, đường ô tô…) đồng thời chú ý đến tính
mỹ quan của công trình (ví dụ: không lộn xộn, không lố nhố,
quá nhiều độ cao…).
 Phương pháp xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét :
a . Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét là một hình chóp tròn xoay có đường sinh
dạng hyperbol. Bán kính bảo vệ của cột được xác định theo công thức sau:
rx = 1,6h

h − hx
.
h + hx

Trong đó:
3

h : độ cao của cột thu sét.
hx : độ cao của vật cần bảo vệ.



GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

rx : bán kính được bảo vệ bởi cột tương ứng với hx.
− Độ cao vượt lên trên vật được bảo vệ của một cột thu sét h a = h – hx
gọi là độ cao hiệu dụng của cột thu sét.

− Trong thiết kế để đơn giản người ta thường thay thế đường sinh dạng

:phạm
bảobảo
vệ của
một
thuthẳng
sét (hình vẽ).
hyperbolHình
giới1 hạn
khuvi vực
vệ bởi
haicột
đoạn

− Nếu vật được bảo vệ có độ cao hx ≤

2
h thì phạm vi bảo vệ được xác
3


định bởi:
 h − hx
rx =1,5.h. p.
 h + 0.8h
x







− Nếu vật được bảo vệ có độ cao h x >
định bởi:

2
h thì phạm vi bảo vệ được xác
3

 h − hx 

rx = 0,75.h. p.
h
+
h
x 


b . Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao bằng nhau :

4


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

− Phạm vi bảo vệ bên ngồi khoảng giữa hai cột được xác định giống
như trường hợp xác định phạm vi bảo vệ của một cột thu sét. Phạm
vi bảo vệ khoảng giữa của hai cột thu sét được xác định dựa vào
khoảng cách giữa hai cột.
− Cột thu sét có thể bảo vệ được một vật có độ cao h 0 đặt giữa chúng,
với h0 được xác định theo:

h0 = h −

a
7

− Từ độ cao h0 được xác định ta có thể suy ra bán kính của khu vực
cần bảo vưc5 giữa hai cột thu sét như sau:
r0 x = 1,6.h0 .

h0 − hx
.
h0 + hx

− Cụ thể phạm vi bảo vệ được xác định cụ thể qua hình vẽ sau:

Hình 2 :phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có

độ cao bằng nhau

c . Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau :
− Giả sử cột h1 > h2
− Phạm vi bảo vệ ở phía ngồi hai cột thu sét giống như trường hợp
từng cột riêng lẻ.
− Phạm vi bảo vệ giữa hai cột được xác định bằng cách qua đỉnh cột
thấp (h2), vẽ một đường thẳng ngangg, nó cắt đường sinh phạm vi
bảo vệ của cột h1 ở một điểm, điểm này được xem như đỉnh của một
cột thu sét giả tưởng h1' = h2 và khu vực bảo vệ giữa cột thấp h2 và h1'
5


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

cách nhau một khoảng a’ cũng được xác định như trường hợp hai cột
thu sét bằng nhau.
− Cũng tương tự ta xác định độ cao h0:
h0' = h2 −

a'
7

Hình 3 :phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có
độ cao khác nhau

d . Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét :
− Khi cơng trình cần bảo vệ chiếm một diện tích rộng lớn thì người ta

thường đặt nhiều cột thu sét để bảo vệ. Mặt bằng của phạm vi bảo vệ
của ba cột thu sét khơng nằm trên cùng một đường thẳng và của bốn cột
thu sét đặt ở bốn góc của hình chữ nhật.

6


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

Hình 4 :phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét

− Nếu ba cột tạo nên một tam giác :

Hình 5 :phạm vi bảo vệ của ba cột thu sét

− Bên ngồi diện tích của đa giác : tam giác hoặc hình chữ nhật, phạm
vi bảo vệ được xác định giữa từng đơi cột với nhau. Còn tất cả các
thiết bị có độ cao lớn nhất h x đặt trong diện tích của hình đa giác sẽ
được bảo vệ an tồn nếu điều kiện sau được thoả mãn:
D ≤ 8 . (h – hx)
7


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

Trong đó : D là vòng tròn ngoại tiếp của hình tam giác hay hình chữ nhật

qua đỉnh các cột thu sét.
− Đối với tam giác đường kính D được tính bằng công thức:
D=

a.b.c
2 p ( p − a )( p − b)( p − c)

p: nửa chu vi của tam giác.
p=

a+b+c
2

III . TÍNH TOÁN CHỌN CHIỀU CAO CỦA HỆ THỐNG THU
SÉT :
Sơ đồ bố trí kim thu sét :

8


GVHD:Phan Vn Cng

Thit k chng sột trm bin ỏp 110KV

Hỡnh 7 : S b trớ h thng kim thu sột
Sau khi tớnh toỏn ta cú bng thụng s sau :
Nhoựm
Kớch thửụực
D
ha =

hx
coọt
D/8
a
b
c,

htt

hc
hoù

h

9

1-2-7-8

4
0

4
8

1
1

61,
23


7,65

11

18,
65

1
9

3-4-5-6

4
0

4
8

8

61,
23

7,65

11

18,
65


1
9

9-10-1112

3
0

5
2

8

60

7,5

8

15,
5

1
6

13-1415-16

2
0


3
6

8

40,
5

5,06

8

13,
06

1
4


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

IV . PHẠM VI BẢO VỆ CỦA TỪNG CỘT :
a . Các cột đơn :
+ Bán kính bảo vệ của cột 1,2,3,4,5,6,7,8:
rX = 1,6h

h − hX
19 − 11

= 1,6 × 19
= 8,1m
h + hX
19 + 11

+ Bán kính bảo vệ của cột 9,10,11,12:
rX = 1,6h

h − hX
16 − 8
p = 1,6 × 16
= 6,8m
h + hX
16 + 8

+ Bán kính bảo vệ của cột 13,14,15,16:
rX = 1,6h

h − hX
14 − 8
p = 1,6 × 14
= 6,1m
h + hX
14 + 8

b . Các cặp cột :
+ Bán kính bảo vệ của 1-2,3-4,5-6,7-8:
a
40
= 19 −

= 13,29m
7
7
h − hX
13,29 − 11
= 1,6h0 0
= 1,6 × 13,29 ×
= 2,0m
h0 + h X
13,29 + 11

h0 = h −
r0 X

+ Bán kính bảo vệ của 1-8,2-7,3-6,4-5:
a
48
= 19 −
= 12,14m
7
7
h − hX
12,14 − 11
= 1,6h0 0
= 1,6 × 12,14
= 0,96m
h0 + h X
12,14 + 11

h0 = h −

r0 X

+ Bán kính bảo vệ của 2-3,6-7:
a
16
= 19 − = 16,72m
7
7
h − hX
16,72 − 11
= 1,6h0 0
= 1,6 × 16,72 ×
= 5,5m
h0 + h X
16,72 + 11

h0 = h −
r0 X

+ Bán kính bảo vệ của 9-10,11-12:
a
52
= 16 −
= 8,58m
7
7
h − hX
8,58 − 8
= 1,6h0 0
= 1,6 × 8,58 ×

= 0,48m
h0 + h X
8,58 + 8

h0 = h −
r0 X

+ Bán kính bảo vệ của 9-11,10-12:
a
30
= 16 −
= 11,7m
7
7
h − hX
11,7 − 8
= 1,6h0 0
= 1,6 × 11,7 ×
= 3,5m
h0 + h X
11,7 + 8

h0 = h −
r0 X

10


GVHD:Phan Văn Cường


Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

+ Bán kính bảo vệ của 13-14,15-16:
a
36
= 14 −
= 8,86m
7
7
h − hX
8,86 − 8
= 1,6h0 0
= 1,6 × 8,86 ×
= 0,72m
h0 + h X
8,86 + 8

h0 = h −
r0 X

+ Bán kính bảo vệ của 13-15,14-16:
a
20
= 14 −
= 11,14m
7
7
h − hX
11,14 − 8
= 1,6h0 0

= 1,6 × 11,14 ×
= 2,92m
h0 + h X
11,14 + 8

h0 = h −
r0 X

Vậy qua tính tốn ta nhận thấy các xà đỡ và các thiết bị đều được bảo vệ.
Bảng tính chiều cao của từng kim thu sét :

11

Nhóm cột

Độ cao
của cột
(m)

Độ cao
của kim
thu sét
(m)

Độ cao sau
khi đặt
kim thu
sét (m)

1-2-7-8


14

5

19

3-4-5-6

14

5

19

9-10-11-12

12

4

16

13-14-15-16

10

4

14



GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

Hình 8 : Phạm vi bảo vệ ven chu vi của trạm
V . TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT:
Đối với lưới điện áp 110 kV trở lên thuộc hệ thống có trung tính nối đất
trực tiếp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn. Theo qui phạm về nối đất các
trang thiết bị điện hiện hành thì điện trở nối đất an toàn của các trạm này
phải thoả yêu cầu :
R ≤ 0,5Ω
- Điện trở tản tổng của toàn bộ hệ thống nối đất phải thỏa yêu cầu:
R tn .R nt

R = R + R ≤ 0,5Ω
tn
nt
Trong đó :
12


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

Rtn : Điện trở nối đất tự nhiên.
Rnt : Điện trở nối đất nhân tạo.
* Qui định : Rnt ≤ 1Ω nhằm tăng cường an tồn và dự phòng cho các

trường hợp khi nối đất tự nhiên có thay đổi.
1 . HỆ THỐNG NỐI ĐẤT AN TỒN:
A . Hệ thống nối đất tự nhiên :
Ta có tất cả là 4 đường dây 110 kV được bảo vệ bằng dây chống sét
Sơ đồ thay thế để tính Rcs-c :

Rc

Rcs-c = 1 +
2

Rc 1
+
Rcs 4

Ta có điện trở suất của đất đo được lúc đất khơ là ρđo=75 Ωm.
Vậy điện trở suất của đất khi tính tốn là :
ρ tt = ρ do .K t = 170 × 1,6 = 270Ω.m
ρ tc = ρ do .K c = 170 × 1,4 = 238Ω.m

Với K : Hệ số mùa lúc đất khơ được tra ở bảng sau :
Loại
Dạng
Độ
Hệ số k khi
nối
điện
chôn
đo ρ
đất

cực
sâu
Đất
Đất
ẩm

An
toàn

Thanh,
vòng

0,5

4,5

6,5

0,8

1,6

3

và

Cọc
chôn
đứng


0,8

1,4

2

Thanh,
vòng

0,5

1,4

1,8

0,8

1,25

1,45

Cọc
chôn
đứng

0,8

1,15

1,3


làm
việc
Chống
sét

13

khô


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

Ta có :

ρ tt

< 500 Ωm nên ta chọn Rc=10 Ω
Điện trở nối đất của hệ “DCS-Cột” trạm 110kV :
Đường dây có chiều dài khoảng vượt : l = 200m
Đường dây có 1 dây chống sét : k = 1
Đường dây sử dụng loại dây chống sét TK_50 nên ta có :
Ω

ro = 3,7 km
Rcs = k.ro .l
⇒ Rcs =13,720010-3 = 0,74Ω
Vì đường dây có đặt DCS trên toàn tuyến nên :

Rc

⇒ Rcs-c = 1 +
2

Rc 1
+
Rcs 4

=

10
1
10
1
+
+
2
0,74 4

= 2,375Ω

Trạm 110 kv có 4 đường dây có DCS nối vào nên ta có :
Rtn =

Rcs −c 2,375
=
= 0,594Ω
4
4


B . Nối đất nhân tạo :
a. Nối đất mạch vòng :
 Điện trở tản của thanh :
+ Sử dụng thép tròn đường kính dt = 0,02m làm thành mạch vòng ven
chu vi của trạm.
+ Chu vi trạm : l = 2(l1 + l2) = 2(130 + 116) = 492 m
+ Hệ số hình dáng : l1/l2 = 1,12 ⇒ k = 5,597
+ Thanh được chôn sâu : to = 0,8m
+ Thanh chôn trong đất khô , chế độ nối đất an toàn và làm việc nên :
Kmt = 1,6
+ Điện trở suất tính toán của thanh : ρ tt = ρ do .K mt = 170 × 1,6 = 272Ωm
+ Điện trở tản xoay chiều của thanh là :
Rt =

ρ tt
k .l 2
272
5,597 × 492 2
ln
=
ln
= 1,607(Ω)
2.π .l t 0 .d t 2 × 3,14 × 492
0,8 × 0,02

Vì Rt = 1,890Ω > 1Ω ; nên ta phải dùng thêm cọc
+ Cọc chôn trong đất khô , chế độ nối đất an toàn và làm việc nên :
Km = 1,4
+ Điện trở suất tính toán của cọc : ρ tt = ρ do .K mt = 170 × 1,4 = 238Ωm

+ Điện trở tản xoay chiều của thanh là :
14


GVHD:Phan Văn Cường

Rc =

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

ρ tt  2l 1 4t + l 
238
 2 × 2 1 4 × 1,8 + 2 
+ ln
 ln
 = 105,8(Ω)
 + ln
=
2.π .l  d 2 4t − l  2 × 3,14 × 492  0,02 2 4 × 1,8 − 2 

Khoảng cch giữa hai cọc l 10m ta sẻ cĩ số cọc của trạm l : 492/10 = 49,2
≈50 cọc
Với ηc = 1 v ηt = 1
Điện trở tản của thanh v cọc l :
Rmv =

Rc .Rt
105,8 × 1,607
=
= 0,913Ω

Rc .η t + n.η c .Rt 105,8 × 1 + 50 × 1 × 1,607

⇒ Rmv = 0,913Ω < 1Ω
b . Nối đất bổ sung :
− Nối đất bổ sung có nhiều dạng và hình thức khác nhau, từ dạng tia
đến dạng phức hợp. Trong phần thiết kế này ta chọn dạng nối đất 2
tia với mỗi tia dài lt = 6m, chôn sâu t0 = 0,8m , đường kính dt = 0,02
m.
Vậy điện trở suất của tia khi tính toán là :
ρ tt = ρ do .k = 170 × 1,6 = 272Ωm

l t2
1
1 ρ tt
1
270
62
⇒ Rbs = Rtia =
ln
= ×
ln
= 27,65Ω
2
2 2.π .l t t 0 .d t 2 2 × 3,14 × 6 0,8 × 0,02

+ Điện trở tản xoay chiều của toàn bộ nối đất bổ sung là :
RbsΣ =

Rbs
m


Với :
m : Số cột thu sét và dây chống sét có đặt nối đất bổ sung.
 Toàn bộ trạm có 16 cột thu sét ,nên ta có giá trị của m là :
m = 16
⇒ RbsΣ =

27,65
= 1,73Ω
16

 Kiểm tra điện trở nối đất nhân tạo :
Rnt = Rmv // RbsΣ =

Rmv .RbsΣ
0,913 × 1,73
=
= 0,597Ω
Rmv + RbsΣ 0,913 + 1,73

⇒Vậy thỏa điều kiện nối đất nhân tạo Rnt < 1Ω.
Điện trở nối đất của trạm :
Rht =

Rtn // Rnt =

Rtn .Rnt
0,594 × 0,597
=
= 0,298Ω < Rcp = 0,5Ω

Rtn + Rnt 0,594 + 0,597

Vậy điện trở nối đất của hệ thống theo thiết kế đã thỏa yêu cầu nối đất an
toàn.
15


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

VI . KIỂM TRA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT THEO YÊU CẦU CHỐNG
SÉT :
− Chỉ có nối đất dưới chân cột thu sét trực tiếp bị sét đánh và mạch
vòng nối đất ven chu vi của trạm tham gia vào việc tản dòng điện
sét.
− Bỏ qua hiệu ứng màn che giữa nối đất bổ sung và mạch vòng nối đất
nhân tạo của trạm biến áp.
− Bỏ qua hiện tượng phóng điện tia lửa trong đất, kể đến ảnh hưởng
điện cảm của mạch vòng nối đất.
Sơ đồ thay thế tính tổng trở xung trong hệ thống điện :

l’ = l1 + l2 = 130 + 116 = 246 m
Do điện trở tản của cọc và thanh đều tỷ lệ thuận với hệ số mùa tương ứng ,
nên trị số của chúng được tính đổi về mùa mưa như sau :
 Điện trở nối đất chống sét :
− Điện trở mạch vòng :
'
Rmv
= Rt' = Rt


'
K mt
K mt

Với : K’mt : hệ số mùa của thanh về mùa mưa đối với nối đất chống sét.
Kmt : hệ số mùa của thanh về mùa khô đối với nối đất an toàn.
Rt : điện trở tản của thanh về mùa khô, Rt = 0,913 Ω
Tra bảng, ta có : K’mt = 1,25 ; Kmt = 1,6
'
⇒ Rmv
= Rt' = 0,913 ×

1,25
= 0,713Ω
1,6

− Điện trở nối đất bổ sung :
Rbs' = Rbs

'
K mt
K mt

Với : K’mt : hệ số mùa của thanh về mùa mưa đối với nối đất chống sét.
(K’mt = 1,25)
Kmt : hệ số mùa của thanh về mùa khô đối với nối đất an toàn. (K mt =
1,6)
Rbs : điện trở tản của nối đất bổ sung, Rbs = 27,65 Ω
16



GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

⇒ Rbs' = 27,65 ×

1,25
= 21,60Ω
1,6

Tổng trở xung đầu vào của mạch vòng nối đất bằng tổng trở xung đầu vào
của một tia tương đương có chiều dài l’= 246 m , như sau :
Trong đó :
+ Tổng điện cảm của mạch vòng :
 l'

 246

 µH 
L0 = 0,2 ln − 0,31 = 0,2 ln
− 0,31 = 1,960

 m 
 0,01

 rt



(Với : rt = dt/2 = 0,02/2 = 0,01m ).

L0 1,960
 µH 
=
= 0,980

2
2
 m 
⇒ L = L' × l ' = 0,980 × 246 = 241,08( µH )
⇒ L' =

+ Tổng điện dẫn mạch vòng :
G0 =

1
1
−1
=
= 0,00285( Ω.m )
'
'
2 × 0,713 × 246
2.Rmv .l

⇒ G ' = 2.G0 = 2 × 0,00285 = 0,00570( Ω.m )

−1


⇒ G = 2.G0 .l ' = 2 × 0,00285 × 246 = 1,40( Ω )

−1

phương trình truyền sóng qua điện cực có dạng
∂i
 ∂u
−
= L'

 ∂x
∂t

− ∂i = G ' ∂u

∂t
 ∂x

Đạo hàm của u, i theo x, ta có :
 ∂2u
∂i
− 2 =G ' L '

 ∂x
∂t

2
− ∂ i = L' G ' ∂u

∂t

 ∂x 2

Để giải phương trìng vi phân bậc 2 trên ta dùng phương pháp toán tử
Laplace.
Tổng trở xung đầu vào của hệ thống nối đất đạt trị số cực đại gần đúng
vào lúc dòng sét qua biên độ, tức là lúc t = τđs :
2

Z Σ ( 0,τ ds ) =

'
mv

'
bs
'
bs

x  τ
−  k  . ds
 π  T1

R .R
e
'
+ 2 Rmv
∑
'
'
Rmv + R

Rmv
1
+
'
Rbs cos 2 .x k

Trong đó :
Is = 150 kA; a = 30 kA/µs ⇒ τđs = Is/a = 150/30 = 5µs
L0 .G0 .l ' L.G 241,08 × 1,40
T1 =
= 2 =
= 53,74( µs )
π2
π
π2
17


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

Gọi xk là nghiệm thứ k của phương trình :
'
Rmv
x=0
Rbs'
0,713
⇒ tgx +
x = 0 ⇔ tgx + 0,033x = 0

21,60

tgx +

Bằng phương pháp lập trình matlab ta xác định được nghiệm của phương
trình trên :
RRmv=0.713;RRbs=21,60;heso=RRmv/RRbs;del=0.001;
for k=0 :4
x1=pi/2+k*pi+del:del:3*pi/2+k*pi-del;
y1=tan(x1);
plot(x1,y1,'b')
hold on
axis([0 4*pi -5 5])
grid on
end
x2=0:4*pi;
plot(x2,-heso*x2,'r')
hold off
Đồ thị hàm

tgx +

0,713
x=0
21,60

5
4
3
2

1
0
-1
-2
-3
-4
-5

18

0

2

4

6

8

10

12


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

 Dựa vào đồ thị trên ta thành lập bảng nghiệm sau :

k
xk
A=
B=
C=
D=
2
-A
e
cosx
1/C2
 x k  τ ds
(rad

F = B/
(R’mv/R’bs +
D)

)

 
 π  T1

1

2,89

0,242

0,78

5

0,97

1,06
6

0,69

2

5,81

0,98

0,38

0,89

1,26

0,28

3

8,77

2,23

0,11


0,79

1,60

0,07

k

3

∑F
i =1

i

1,04

'
n
Rmv
.Rbs'
0,713 × 21,60
'
⇒ Z Σ (0,τ ñs ) = '
+
2
R
Σ
Fk =

+ 2 × 0,713 × 1,04 = 1,53Ω
mv
,
k =1
0,713 + 21,60
Rmv + Rbs

 Kiểm tra hệ thống nối đất theo điều kiện chống sét :
Với điều kiện sau :
Uxmax = Is.Z∑(0,τđs) ≤ U0,5
Ta có :
+ Mức cách điện xung đối với cấp 110 kV : U0,5 = 660 kV
+ Is = 150 kA
Điện áp giáng xung cực đại là :
Uxmax = Is.Z∑(0,τđs) = 1501,53 = 229,5 kV < 660 kV
Vậy hệ thống nối đất an toàn thỏa kiều kiện chống sét.

19


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

CHƯƠNG 2 :
TÍNH CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN CAO
ÁP
------------------I . TỔNG QUÁT :
− Đường dây tải điện trên không là phần tử có chiều dài lớn nhất trong
hệ thống điện nên thường bị sét đánh và chịu tác dụng của quá điện

áp khí quyển. Sóng quá điện áp không chỉ gây nên phóng điện trên
20


GVHD:Phan Văn Cường

−

−

−

−

−

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

cách điện đường dây, đưa đến cắt điện mà còn có thể truyền theo
đường dây vào trạm gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bị
trong trạm, đặc biệt khi sét đánh trực tiếp vào dây dẫn hoặc vào cột
gây phóng điện ngược ở các đoạn đường dây vào trạm.
Quá điện áp khí quyển xuất hiện trên đường dây theo hai khả năng :
hoặc do sét đánh vào đường dây , hoặc do sét đánh gần đường dây
gây nên quá điện áp cảm ứng. Dễ hiểu là trường hợp đầu nguy hiểm
nhất, vì đường dây chịu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét và
việc bảo vệ chống sét cho đường dây chính là nhằm hạn chế quá điện
áp trong trường hợp này.
Do trị số quá điện áp khí quyển lớn nên không thể chọn mức cách
điện đường dây đáp ứng được 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 về bảo vệ chống sét đường dây không phải là loại trừ hoàn
toàn khả năng sự cố do sét đánh gây ra mà chỉ giảm đến một giới hạn
hợp lý về kinh tế kỹ thuật của đường dây.
Đường dây có dây chống sét có thể bị sét đánh trực tiếp theo ba khả
năng :
+ Sét đánh và đỉnh cột hay vào dây chống sét.
+ Sét đánh vào dây chống sét ở giữa khoảng vượt.
+ Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn.
Mục tiêu của phần này là xét từng khả năng sét đánh vào đường dây
có dây chống sét. Trong mỗi trường hợp sét đánh, lập sơ đồ phân bố
dòng sét, xác định các thành phần điện áp tác dụng lân cách điện
đường Ucđ (t) ứng với mức cách điện xung của đường dây U pđ (t) , từ
đó xác định được xác suất phóng điện vp tương ứng và suy ra suất cắt
điện tương ứng của chúng.
Suất cắt điện của đường dây cũng như chỉ tiêu chịu sét của đường
dây được tính theo như khả năng sét đánh vào đường dây có dây
chống sét.
n = nc + ndd + nkv
M =

1
n

Với :
+ nc : suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc
vào dây chống sét ở gần đỉnh cột.
+ ndd : suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vào dây dẫn.
21



GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

+ Nkv : suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vào dây chống
sét ở giữa khoảng vượt.
Vị trí của sét có ảnh hưởng đến sự phân bố dòng sét trên các phần tử
của đường dây, ảnh hưởng đến sự biến thiên của điện trường do dòng
sét gây nên trên cách điện của đường dây.
- Đối với các đường dây có U ≥ 110kV có thể bỏ qua trường hợp quá
điện áp cảm ứng do sét đánh gần đường dây, vì trị số quá điện áp cảm
ứng bé hơn nhiều so với mức cách điện xung của các đường dây này,
do đó ít có khả năng gây phóng điện trên cách điện, dẫn đến cắt điện
đường dây. Nhưng trong thực tế, do trị số quá điện áp khí quyển rất
lớn, không thể chọn mức cách điện đường dây thỏa điều kiện chống
quá điện áp khí quyển trong mọi trường hợp, mà chỉ chọn theo mức
độ hợp lý về kinh tế và kỹ thuật. Do đó, yêu cầu đối với bảo vệ chống
sét đường dây chỉ là giảm sự cố do sét đánh tới giới hạn hợp lý. Chính
vì thế, nội dung tính toán chống sét đường dây là tính toán chỉ tiêu
chống sét của đường dây đó. Trên cơ sở này, xác định phương hướng,
biện pháp để giảm số lần cắt điện do sét đánh gây ra.
1 . Số lần sét đánh vào đường dây :
-Nếu hcs là độ treo cao trung bình của dây chống sét thì nó có khả
năng thu hút về mình toàn bộ các trường hợp sét xuất hiện trong phạm
vi B = 3.hcs về mỗi bên của đường dây. Như vậy, nếu đường dây có
chiều dài L, diện tích của khu vực 100% sét đánh vào đường dây là
(6.hcs.L) đối với đường dây có một dây chống sét và(6.h cs + S).L đối
với đường dây có hai dây chống sét, với S là khoảng cách giữa hai dây
chống sét.

-Gọi m là mật độ trung bình sét mỗi ngày (hoặc mỗi giờ) có dông
sét và nns là số ngày (hoặc số giờ ) trung bình có dông sét trong năm,
trong khu vực có đường dây đi qua thì số lần sét đánh trung bình vào
đường dây trong một năm :
N = 6.hcs.L.m.nns.10-3 , đối với đường dây có một dây chống sét.
Và
N = (6.hcs +S).m.nns.10-3 , đối với đường dây có hai dây chống
sét.
Với hcs: độ cao trung bình của dây chống sét[m].
L : chiều dài của đường dây [km].
-Do nước ta chưa có số liệu hợp pháp chính thức về các thông số
của sét, nên ta chỉ tính với mật độ sét m = 0.1 lần/ km 2ngs và số sét
22


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

trung bình trong năm nns = 100 ngs/năm, tương ứng với chiều dài
đường dây L = 100 km, thì số lần sét đánh trong năm sẽ là :
N = 6.hcs , đối với đường dây một dây chống sét
N = 6.hcs + S , đối với đường dây có hai dây chống sét
2 . Số lần phóng điện trên cách điện đường dây :
- Phóng điện trên cách điện của đường dây chỉ xảy ra khi trị số
của quá điện áp khí quyển vượt quá hay bằng mức cách điện xung
của đường dây . Dông sét có biên độ và độ dốc tương ứng với mức
quá điện áp bằng mức cách điện xung của đường dây gọi là mức chịu
sét của đường dây. Xác suất hiện dòng sét bằng hoặc lớn hơn mức
chịu sét đó của đường dây cũng chính là xác suất phóng điện V p trên

cách điện đường dây.
-Lần lượt xét từng khả năng sét đánh vào đường dây có dây chống
sét. Trong mỗi khả năng sét đánh, lập sơ đồ phân bố dòng sét. Xác
định các thành phần điện áp tác dụng lên cách điện đường dây. So
sánh điện áp tổng tác dụng lên cách điện đường dây, Ucđ (t) với mức
cách điện xung của đường dây, Upđ(t) hoặc U0.5 , từ đó xác định được
xác suất phóng điện Vp tương ứng.
3. Suất cắt điện đường dây do quá điện áp khí quyển :
__

E lv =

U
3Lcd

η1

(kV / m)

50

30

20

10

0,6

0,45


0,25

0,1

η1 = f(Elv) men theo bề mặt chuổi sứ.
Hoặc có thể tính gần đúng η1 = 0,7 đối với đường dây cột sắt hoặc
bêtông cốt sắt ở các cấp điện áp U ≤ 22kV, và η1 ≈ 1 đối với đường
dây có điện áp U ≥ 330kV.
Trong đó:
Elv là gradient điện áp làm việc trung bình dọc theo khe phóng điện S.
Lcd : chiều dài khe phóng điện, ở đây là chiều dài phần cách điện của
chuỗi sứ.
- Tóm lại , tương ứng với các khả năng sét đánh vào đường dây có dây
chống sét xác định được suất cắt như sau :
+Sét đánh vòng qua dây chống sét vào đường dây:
ndd = n. Vα.Vp1. η1
+Sét đánh vào đỉnh cột hoặc vào dây chống sét ở gần cột
23


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

nc = N .(1 −Vα ).

4.hc
.V p 2 .η1
l kv


+Khi sét đánh vào dây chống sét ở chính giữa khoảng vượt
nkv = N .(1 − Vα ).(1 −

4.hc
).(V p 3 .η2 − V p 4 .η1 )
lkv

- Suất cắt tổng của đường dây:
n = ndd + nc + nkv
Trong các công thức trên, ta có:
N : Số lần sét đánh vào 100 km đường dây.
Vα : Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào đường dây
được xác định bằng công thức thực nghiệm sau :
lg Vα =α.

hcs
90

−4

α : góc bảo vệ của dây chống sét.
hcs : Chiều cao của dây chống sét tại cột điện.
Vp1: Xác suất phóng điện trên chuổi sứ khi sét đánh vòng qua
dây dẫn.
Vp2: Xác suất phóng điện qua chuổi sứ khi sét đánh đỉnh cột.
Vp3: Xác suất phóng điện trên khoảng cách không khí giữa
dây chống sét và dây dẫn khi sét đánh vào dây chống sét giữa khoảng
vượt.
Vp4: Xác suất phóng điện trên chuổi sứ khi có sét đánh vào dây

chống sét giữa khoảng vượt.
η1 :Xác suất hình thành hồ quang ổn định khi phóng điện tại
chuổi sứ.
η2 :Xác suất hình thành hồ quang ổn định khi phóng điện trên
khoảng cách không khí ở giữa khoảng vượt.
Với :

4.hc
: Tỉ số sét đánh vào đỉnh cột.
l kv

4.hc

1 − l
kv




 Tỉ


suất sét đánh vào dây chống sét ở giữa khoảng

vượt.
II . TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI
ĐIỆN 110 KV :
1 . Các thông số đường dây :
Đường dây 110 kV có cột đỡ dây như hình vẽ, là cột sắt, treo 1 dây
chống sét.

24


GVHD:Phan Văn Cường

Thiết kế chống sét trạm biến áp 110KV

− Các thông số quan trọng :
 Chiều dài chuổi sứ : Lcs = 1,3 m
 Chiều dài phần cách điện chuổi sứ : Lcđ = 1,2 m
 Hệ số phóng điện ngược : β = 0,3
 Vận tốc truyền : c = 3108 m/s
 Độ võng của dây chống sét : fcs = 2 m.
 Độ võng dây dẫn : fDD = 3 m
 Chiều dài khoảng vượt :lkv = 200 m
 Cỡ dây chống sét : TK-50
 Kích thước của dây dẫn : AC-95/13,5 mm
 Loại sứ thường dùng và số sứ : 7Π4. 5
 U50% của chuỗi sứ : U50% = 660 kV
 Bán kính dây chống sét : rcs = 4,6mm= 4,6103 m
 Hệ số hiệu chỉnh theo ảnh hưởng của vầng quang xung : λ = 1,3
(1 DCS)
 Điện áp làm việc : Ulv = 57 kV
 Điện trở nối đất xung của cột điện : Rx =10 Ω
 Cường độ hoạt động sét : nns =100 ngs/năm
 Mật độ sét trung bình trong mỗi ngày : m = 0.1 lần/km2.ngs
+ Độ treo cao của dây dẫn: hDD = 15 + 6 – 1,3 = 19,7 m
+ Độ treo cao trung bình của dây chống sét :
25