Đồ án thiết kế bảo vệ chống sét trực tiếp cho trạm biến áp 220kV và 110kV

Tài liệu Bảo vệ chống sét trạm 220kv & 110kv: hướng dẫn chi tiết tổng hợp lý thuyết và thực hành, phục vụ học tập ngành tại Việt Nam

• Tác giả: Phạm Văn Thuyết
• Chuyên ngành: Hệ Thống Điện
• Đề tài: Tổng Quan Về Bảo Vệ Chống Sét Đánh Trực Tiếp Cho Trạm 220kV/110kV
• Loại tài liệu: Đồ án thiết kế tốt nghiệp

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Bảo Vệ Chống Sét Cho Trạm 220kV 110kV

Bảo vệ chống sét là một yếu tố thiết yếu trong hệ thống điện hiện đại. Trạm biến áp 220kV và 110kV là các công trình phân phối điện quan trọng đặt ngoài trời, dễ bị tác động từ các đánh sét trực tiếp. Khi sét đánh trực tiếp vào trạm, hậu quả có thể rất nghiêm trọng: hư hỏng thiết bị, ngừng cung cấp điện toàn hệ thống, ảnh hưởng đến sản xuất và đời sống xã hội. Việc tính toán và thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét không chỉ bảo vệ tài sản mà còn đảm bảo an toàn nhân mạng. Hệ thống này bao gồm các cột thu lôi, dây chống sét và hệ thống nối đất, tạo ra khu vực an toàn bên dưới công trình. Các yếu tố như vị trí trạm, độ cao các thiết bị và điều kiện địa lý đều ảnh hưởng đến thiết kế bảo vệ.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Bảo Vệ Chống Sét

Sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp có thể gây ra những thiệt hại không thể lường trước. Hệ thống bảo vệ chống sét đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế rủi ro. Tổn thất về kinh tế, xã hội từ sự cố điện có thể lên tới hàng triệu đồng. Do đó, thiết kế bảo vệ chống sét là bước bắt buộc trong mọi dự án trạm điện.

1.2. Cơ Chế Hoạt Động Của Hệ Thống Bảo Vệ

Cột thu lôi và dây chống sét định hướng các phóng điện sét tập trung vào hệ thống nối đất. Dòng điện sét được tản dòng nhanh vào đất thông qua các cọc nối đất có điện trở thấp. Đây là cơ chế bảo vệ chính, ngăn ngừa phóng điện ngược đến các thiết bị điện trong trạm.

II. Yêu Cầu Kỹ Thuật Khi Tính Toán Bảo Vệ Chống Sét

Việc tính toán bảo vệ chống sét phải tuân theo những yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo hiệu quả. Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải nằm trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống. Đối với trạm 110kV trở lên, điều kiện cách điện phải đạt mức cao để có thể đặt cột thu lôi trên kết cấu trạm. Điện trở nối đất phải nhỏ hơn 4Ω để đảm bảo tản dòng sét hiệu quả. Khoảng cách giữa cột thu lôi và thiết bị được bảo vệ phải lớn hơn 15m tính theo đường điện, trừ khi sử dụng hệ thống nối đất chung. Tiết diện dây dẫn sét phải đủ lớn để chịu được tác động nhiệt của dòng sét. Ngoài ra, cần có nối đất bổ xung ở các trụ kết cấu để cải thiện điều kiện tản dòng.

2.1. Phạm Vi Bảo Vệ An Toàn

Phạm vi bảo vệ được xác định dựa trên độ cao của cột thu lôi và vị trí bố trí. Toàn bộ thiết bị chính của trạm như máy biến áp, thanh xà, cố định phải nằm hoàn toàn trong vùng an toàn này. Việc tính toán phạm vi bảo vệ phải xem xét các yếu tố địa hình, độ cao tương đối và khoảng cách giữa các thiết bị.

2.2. Tiêu Chuẩn Điện Trở Nối Đất

Điện trở nối đất của hệ thống bảo vệ phải nhỏ hơn 4Ω cho dòng tần số công nghiệp. Để đạt được chỉ tiêu này, cần bố trí cọc nối đất với số lượng đủ (3-4 cọc) và nối đất bổ xung ở các điểm chiến lược. Độ dẫn điện của đất và sâu cắm cọc ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị điện trở.

III. Bố Trí Cột Thu Lôi Cho Trạm 220kV 110kV

Bố trí cột thu lôi là khâu quan trọng để tạo hệ thống bảo vệ chống sét hiệu quả. Có ba cách chính để bố trí cột thu lôi: trên các kết cấu trạm, trên cột đèn chiếu sáng, hoặc độc lập. Đối với trạm 110kV trở lên, do mức cách điện cao, có thể đặt cột trên xà của trạm. Phương pháp này giảm chi phí so với cột độc lập nhưng yêu cầu điều kiện cách điện tốt. Khi đặt trên cột đèn chiếu sáng, các dây dẫn điện phải được bảo vệ bằng ống chì và chôn trong đất. Cột thu lôi độc lập chỉ được sử dụng khi không thể tận dụng các độ cao có sẵn, do chi phí đắt hơn. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và hạn chế riêng phải cân nhắc trong thiết kế.

3.1. Cột Thu Lôi Trên Kết Cấu Trạm

Đặt cột thu lôi trên xà của trạm là lựa chọn tiết kiệm chi phí và có hiệu suất cao. Tuy nhiên, các trụ kết cấu phải được nối vào hệ thống nối đất chính bằng đường ngắn nhất. Dòng sét I_s phải được phân tán qua 3-4 cọc nối đất. Cần có nối đất bổ xung ở mỗi trụ để cải thiện điều kiện tản dòng.

3.2. Cột Thu Lôi Độc Lập

Cột thu lôi độc lập được sử dụng khi không tận dụng được các độ cao hiện có. Chi phí cột độc lập cao hơn đáng kể so với các phương pháp khác. Khoảng cách từ cột thu lôi đến các thiết bị bảo vệ phải đảm bảo để tránh phóng điện ngược. Phương pháp này cho phép linh hoạt trong bố trí trạm nhưng cần cân nhắc về mặt kinh tế.

IV. Hệ Thống Nối Đất Và Bảo Vệ Máy Biến Áp

Hệ thống nối đất là thành phần quan trọng nhất của bảo vệ chống sét. Chất lượng nối đất quyết định khả năng tản dòng sét của toàn bộ hệ thống. Máy biến áp là thiết bị yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời, đặc biệt là cuộn dây máy biến áp với mức cách điện hạn chế. Khi sử dụng van chống sét để bảo vệ máy biến áp, khoảng cách giữa nối đất của cột thu lôi và nối đất vỏ máy biến áp phải lớn hơn 15m tính theo đường điện. Yêu cầu này có thể bỏ qua nếu sử dụng hệ thống nối đất chung. Tiết diện dây dẫn sét phải đủ lớn để chịu được tác động nhiệt từ dòng sét, thường từ 50mm² trở lên. Nối đất bổ xung và cọc nối đất bổ sung cần được bố trí chiến lược để cải thiện điều kiện tản dòng tổng thể.

4.1. Thiết Kế Hệ Thống Nối Đất Hiệu Quả

Hệ thống nối đất phải được thiết kế để đạt điện trở nhỏ hơn 4Ω. Bố trí cọc nối đất theo hình hình học (vuông, tam giác) tối ưu hóa khả năng tản dòng. Chất lượng đất ảnh hưởng lớn đến kết quả, cần có nối đất bổ xung ở các vị trí chiến lược. Kiểm tra định kỳ giá trị điện trở để đảm bảo hiệu suất bảo vệ.

4.2. Bảo Vệ Chuyên Biệt Cho Máy Biến Áp

Máy biến áp cao áp cần bảo vệ van chống sét hoặc bộ tách sóng để ngăn xung áp từ đường dây. Khoảng cách 15m giữa hai hệ thống nối đất độc lập là tiêu chuẩn bảo vệ. Nếu sử dụng nối đất chung, yêu cầu này được đơn giản hóa, giảm chi phí thiết kế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Trong hệ thống điện, trạm biến áp (TBA) là một phần tử hết sức quan trọng, Nó thực hiện nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng. Trạm biến áp 220/110kV là trạm phân phối ngoài trời, nên khi sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ dẫn đến những hậu quả rất nghiêm trọng: gây hư hỏng các thiết bị trong trạm, có thể dẫn đến việc ngừng cung cấp điện một phần hay toàn bộ hệ thống trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc sản suất, tiêu thụ điện năng ảnh hưởng đến đời sống kinh tế chính trị và xã hội. Do đó việc tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào TBA đặt ngoài trời là nhiệm vụ rất quan trọng. Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào TBA, ta dùng hệ thống cột thu lôi, dây chống sét.

Tác dụng của hệ thống này là định hướng các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên dưới hệ thống này.Các cột thu lôi có thể đặt độc lập hoặc trong những điều kiện cho phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm và nhà máy, các cột đèn chiếu sáng. Chiều cao của cột và cách bố trí các cột thu lôi tuỳ thuộc vào từng mặt bằng trạm, cách bố trí các thiết bị trong trạm, độ cao bảo vệ theo yêu cầu. Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ nối đất. Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi có dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến các thiết bị khác gần đó.

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 dãn nối từ xà cuối cùng của trạm ra cột đầu tiên của đường dây, Để bảo vệ cho đoạn đường dây nối từ xà cuối cùng của trạm đến cột đầu tiên của đường dây ta dùng dây chống sét.Tác dụng của hệ thống này là tập trung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên dưới hệ thống này. Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm bên cạnh những vấn đề đảm bảo về yêu cầu về kỹ thuật ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế và mỹ thuật của hệ thống nối đất. Thông thường để giảm vốn đầu tư và cũng để tận dụng các độ cao ở các TBA và các nhà máy điện ta cố gắng đặt các cột thu lôi trên các cột đèn chiếu sáng, trên các kết cấu của trạm, trên mái nhà. Cột thu lôi độc lập đắt hơn nên chỉ dùng khi không thể tận dụng được các chiều cao khác.

1 Đồ án thiết kế tốt nghiệp cao áp 1. Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào TBA Phải đảm bảo tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ. Tuỳ thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các yêu cầu cụ thể, hệ thống các cột thu lôi có thể được đặt trên các độ cao có sẵn như xà, cột đèn chiếu sáng,,, hoặc được đặt độc lập. Đối với trạm phân phối ngoài trời có cấp điện áp cao áp và siêu cao do có mức cách điện khá cao nên có thể đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm.

Tuy nhiên các trụ của kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thì phải nối vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện sét I S khuếch tán vào đất theo 3 4 cọc nối đất. Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu đó phải có nối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất. Khi đặt hệ thống cột thu lôi trên bản thân công trình, sẽ tận dụng được độ cao vốn có của công trình nên sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi. Tuy nhiên cách điện của trạm phải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang thiết bị.

Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ. Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110 kV trở lên thì phải thực hiện yêu cầu: ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ xung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở nối đất không được quá 4 (ứng với dòng điện tần số công nghiệp). Khi dùng cột thu lôi độc lập thì phải thì phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến thiết bị được bảo vệ. Khâu yếu nhất của trạm phân phối ngoài trời điện áp từ 110KV trở nên là cuộn đây máy biến áp.Vì vậy khi dùng chống sét van để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa hai điểm nối vào hệ thống nối đất của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp là phải lớn hơn 15m theo đường điện.

Tuy nhiên nếu ta sử dụng hệ thống nối đất chung thì ta có thể bỏ qua yêu cầu này. Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua. Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện phải được cho vào ống chì và được chôn trong đất.Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét Theo tài liệu [1.2] ta có: 1 Sinh viên thực hiện :PHẠM VĂN THUYẾT:HTĐ1 - K49 2 Đồ án thiết kế tốt nghiệp cao áp 1. Độ cao của cột thu lôi, h=hx + ha h=hx + ha (1.1) Trong đó:  hx: Độ cao của của vật cần được bảo vệ  ha: Độ cao tác dụng của cột thu lôi xác định theo nhóm cột: (1.

Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập rx Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi phương trình: (1.3) Để dễ dàng và thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ dạng dạng đơn giản hoá, được tính toán theo công thức sau: (1.4) + Nếu hx ≤ 2/3h thì (1.5) + Nếu hx > 2/3h thì Trong đó:  Với h ≤30 m: p = 1  Với h >30 m: (1.6) Biểu diễn trên hình vẽ. 2 Sinh viên thực hiện :PHẠM VĂN THUYẾT:HTĐ1 - K49 3 Đồ án thiết kế tốt nghiệp cao áp h/3 0,2h h hx 1,5h 0,75h r Hình 1.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét. Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi thì lớn hơn nhiều so với tổng phạm vi bảo vệ của hai cột đơn. Nhưng để hai cột thu lôi 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 lôi có cùng độ cao.

Khi hai cột thu lôi 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 lôi ho được tính như sau: (1.8) + Nếu hx ≤ 2/3h0 thì (1.9) + Nếu hx > 2/3h0 thì Chú ý: Với p tính như ở mục 1.2 thì còn phải tính ho theo công thức: (1.10) 3 Sinh viên thực hiện :PHẠM VĂN THUYẾT:HTĐ1 - K49 4 Đồ án thiết kế tốt nghiệp cao áp R 1 2 h hx h0 0,75h a 1,5h rox rx Hình 1.2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao giống nhau. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau. Cách xác định phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có chiều cao khác nhau như sau: Giả sử có hai cột thu sét : cột 1 có chiều cao h1, cột hai có chiều cao h2 và h1 > h2. Hai cột cách nhau một khoảng là a.

Trước tiên, vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h 1, sau đó qua đỉnh cột thấp h 2 vẽ đường thẳng song song mặt đất cắt đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao (cột h1) tại điểm 2’, Điểm này được xem là đỉnh của cột thu lôi giả định, nó sẽ cùng với cột thấp h2, hình thành đôi cột ở độ cao bằng nhau và bằng h 2 với khoảng cách là a’, Hình 1.3 : Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau. Dễ dàng nhận thấy khoảng cách x từ cột cao h 1 (cột 1) đến cột giả tưởng (cột 2’) đúng bằng bán kính bảo vệ của cột cao h 1 đối với chiều cao cần bảo vệ h 2. Do đó có thể tính khoảng cách x theo công thức sau: 4 Sinh viên thực hiện :PHẠM VĂN THUYẾT:HTĐ1 - K49 5 Đồ án thiết kế tốt nghiệp cao áp (1.11) (Tính gần đúng theo các công thức ở mục 1.từ các công thức 1.3 đến công thức 1.6) Từ đó tính được: (1.12) Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa cột 1 và cột giả tưởng (cột 2’), (1.13) Bán kính bảo vệ: rox (1.14) + Nếu hx ≤ 2/3h0 thì: (1.15) + Nếu hx > 2/3h0 thì 1. Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột (số cột >2).

Vật có độ cao hx nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu lôi sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện: D  8,ha =8,(h-hx) (1.16) Với D là đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu lôi, Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b,c có: (1.18) với p là nửa chu vi : Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật: (1.19) với a, b là độ dài hai cạnh hình chữ nhật. Độ cao tác dụng của cột thu sét ha phải thoả mãn điều kiện: 5 Sinh viên thực hiện :PHẠM VĂN THUYẾT:HTĐ1 - K49 6 Đồ án thiết kế tốt nghiệp cao áp a a D c b b D Hình1.4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột tạo thành tam giác và chữ nhật.