Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng đóng vai trò then chốt đối với toàn bộ hoạt động của nền kinh tế quốc dân cũng như đời sống xã hội, từ công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải đến sinh hoạt dân dụng. Trong cấu trúc tổng thể của hệ thống điện gồm nhà máy điện, đường dây truyền tải và trạm biến áp, trạm biến áp giữ vị trí nút giao trọng yếu thực hiện chức năng biến đổi, truyền tải và phân phối công suất điện năng. Khi xảy ra sự cố sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp, quá điện áp khí quyển sinh ra có thể phá hủy lớp cách điện của thiết bị, gây ngắn mạch trên thanh góp, làm gián đoạn cung cấp điện trên diện rộng và tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định, thậm chí rã lưới điện khu vực.

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa có mật độ dông sét hoạt động mạnh và phân bố phức tạp theo từng vùng miền địa lý. Xuất phát từ yêu cầu bảo đảm an toàn vận hành, tính liên tục và độ tin cậy cung cấp điện, đề tài "Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110kV" được thực hiện tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (ngành Điện Tự động công nghiệp, năm 2016) dưới sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Thị Hồng Lý.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Phân tích hiện tượng dông sét, cơ chế phóng điện mây - đất và tổng hợp số liệu thống kê dông sét trên các vùng miền lãnh thổ Việt Nam để đánh giá mức độ nguy hiểm đối với hệ thống điện.
  2. Xác lập các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp ngoài trời cấp điện áp cao từ 110kV trở lên.
  3. Ứng dụng lý thuyết tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây thu sét để xây dựng, tính toán chi tiết và so sánh hai phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 220/110kV.
  4. Thiết lập cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống nối đất, tính toán giá trị điện trở nối đất tự nhiên của các xuất tuyến đường dây và thiết kế mạch vòng nối đất nhân tạo bảo đảm các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án là mặt bằng trạm biến áp 220/110kV có tổng diện tích $55.500,\text{m}^2$, bao gồm phần phân phối 220kV diện tích $34.500,\text{m}^2$ (chiều cao xà cần bảo vệ là 16m và 11m) và phần phân phối 110kV diện tích $19.200,\text{m}^2$ (chiều cao xà cần bảo vệ là 11m và 8m).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các cơ sở lý thuyết chuyên ngành về kỹ thuật điện cao áp, quá điện áp khí quyển và an toàn điện:

  • Lý thuyết phóng điện dông sét: Nghiên cứu quá trình hình thành tia tiên đạo môi trường plasma tích điện lớn chuyển động về phía mặt đất với vận tốc trung bình đợt đầu khoảng $1,5 \times 10^7,\text{cm/s}$ (các đợt sau tăng khoảng 2 lần), cơ chế tập trung điện tích cảm ứng trong đất và giai đoạn phóng điện ngược tạo ra dòng sét xung kích có biên độ từ vài kA đến hàng trăm kA theo công thức $i_s = v \cdot \sigma$.
  • Lý thuyết phạm vi bảo vệ chống sét:
    • Mô hình mặt cong hình chóp tròn xoay cho một cột thu sét độc lập cao $h \le 30,\text{m}$ với bán kính bảo vệ $r_x = 1,5h(1 - \frac{h_x}{0,8h})$ khi $h_x \le \frac{2}{3}h$, và $r_x = 0,75h(1 - \frac{h_x}{h})$ khi $h_x > \frac{2}{3}h$. Khi $h > 30,\text{m}$, áp dụng hệ số hiệu chỉnh $p = \frac{5,5}{\sqrt{h}}$.
    • Quy tắc phối hợp hai cột thu sét cùng độ cao ($a < 7h$) với độ cao bảo vệ lớn nhất ở giữa $h_0 = h - \frac{a}{7}$ và hai cột khác độ cao ($a' = a - x$).
    • Điều kiện bảo vệ của nhóm đa giác cột thu sét: $D \le 8(h - h_x) = 8h_a$, trong đó $D$ là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các cột.
    • Mô hình phạm vi bảo vệ của dây thu sét với điều kiện phối hợp khoảng cách $s < 4h$ và chiều cao $h_0 = h - \frac{s}{4}$.
  • Lý thuyết tính toán nối đất: Tiêu chuẩn quy phạm kỹ thuật an toàn đối với hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất ($R \le 0,5,\Omega$), điều kiện nối đất bổ sung tại chân cột ($R \le 4,\Omega$), nối đất nhân tạo ($R_{NT} \le 1,\Omega$), và phương pháp tính toán điện trở tản xoay chiều của hệ thống điện cực cọc, thanh chôn ngang kết hợp nối đất tự nhiên.

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo bao gồm phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật, phân tích tổng hợp số liệu thống kê khí tượng dông sét tại Việt Nam, và phương pháp so sánh đánh giá phương án kỹ thuật - kinh tế nhằm lựa chọn giải pháp tối ưu. Nguồn dữ liệu sử dụng là số liệu thống kê khí hậu dông sét quốc gia, thông số cơ - điện của dây chống sét loại AC-95 (tiêu chuẩn Liên Xô), các quy chuẩn kỹ thuật trang thiết bị trạm biến áp và mặt bằng bố trí thiết bị trạm 220/110kV.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống trạm biến áp được nghiên cứu có cấu hình công nghệ gồm:

  • Phía 220kV: 6 lộ đường dây xuất tuyến, sử dụng sơ đồ hai thanh góp có thanh góp vòng, nhận nguồn từ 2 máy biến áp lực (T3, T4) và 2 máy biến áp tự ngẫu (AT1, AT2). Chiều cao xà phân phối cần bảo vệ là 16m và 11m.
  • Phía 110kV: 8 lộ đường dây xuất tuyến, sử dụng sơ đồ hai thanh góp có thanh góp vòng, nhận nguồn từ 2 máy biến áp tự ngẫu (AT1, AT2). Chiều cao xà phân phối cần bảo vệ là 11m và 8m.

Tác giả đã triển khai tính toán chi tiết hai phương án bố trí hệ thống chống sét đánh thẳng:

  • Phương án 1 (Sử dụng toàn bộ cột thu sét): Phía 220kV bố trí 12 cột thu sét cao 27m ($h_a = 11,\text{m}$, $h_x = 16,\text{m}$), tận dụng đặt 6 cột trên xà cao 16m, 4 cột trên xà cao 11m, 1 cột trên nóc nhà điều khiển cao 10m và 1 cột xây mới độc lập. Phía 110kV bố trí 9 cột thu sét cao 21m ($h_a = 10,\text{m}$, $h_x = 11,\text{m}$), gồm 3 cột trên xà 8m, 4 cột trên xà 11m và 2 cột xây mới. Tổng chiều dài thân cột gia công bổ sung là $295,\text{m}$.
  • Phương án 2 (Kết hợp dây chống sét và cột thu sét): Phía 220kV treo 3 dải dây chống sét AC-95 dài 192m (chia 3 khoảng vượt $l = 64,\text{m}$, khoảng cách giữa các dây $S = 35,\text{m}$ và $S = 40,\text{m}$) trên 16 cột cao 27m, có tính toán độ võng $f = 0,23,\text{m}$ ứng với nhiệt độ cực tiểu $\theta_{\min} = 5^\circ\text{C}$ và tải trọng gió cấp 3 ($v = 30,\text{m/s}$). Phía 110kV sử dụng 9 cột cao 21m. Tổng chiều dài thân cột là $379,\text{m}$ kết hợp $576,\text{m}$ dây chống sét.

Hệ thống nối đất của trạm được thiết kế theo mạch vòng kín bao quanh khuôn viên trạm kích thước $368,\text{m} \times 148,\text{m}$ chôn sâu $0,5 - 0,8,\text{m}$ kết hợp với các cọc tiếp địa thép chôn thẳng đứng dài $2 - 3,\text{m}$, liên kết đồng bộ với hệ thống tiếp địa tự nhiên từ dây chống sét của các đường dây 220kV và 110kV đấu nối vào trạm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Sự ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Việt Nam

Chương này trình bày tổng quan về bản chất vật lý của hiện tượng dông sét, tập trung vào phóng điện mây - đất. Tác giả phân tích các giai đoạn phóng điện, cấu trúc dòng điện xung sét và sự hình thành quá điện áp tác động lên hệ thống điện. Chương 1 cung cấp bức tranh chi tiết về đặc điểm phân bố dông sét trên phạm vi cả nước:

  • Miền Bắc: Số ngày dông từ 70 đến 110 ngày/năm, số lần dông từ 150 đến 300 lần/năm. Khu vực có cường độ dông mạnh nhất là Móng Cái (250 - 300 lần dông/năm, tập trung trong 100 - 110 ngày, cao điểm vào tháng 7 và tháng 8). Nơi ít dông nhất là Quảng Bình (< 80 ngày dông/năm). Mùa dông Bắc Bộ tập trung từ tháng 5 đến tháng 9.
  • Duyên hải Trung Bộ: Phần phía Bắc (đến Quảng Ngãi) có số ngày dông tháng 5 - 8 khoảng 10 ngày/tháng, tháng 5 nhiều nhất (Đà Nẵng 14 ngày/tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng). Khu vực phía Nam duyên hải (từ Bình Định trở vào) có mật độ dông thấp hơn (Tuy Hòa 10 ngày, Nha Trang 8 ngày, Phan Thiết 13 ngày trong tháng 5).
  • Miền Nam: Khu vực đồng bằng Nam Bộ ghi nhận số ngày dông cao từ 120 đến 140 ngày/năm (TP. Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/năm). Mùa dông kéo dài từ tháng 4 đến tháng 11, cao điểm là tháng 5 (TP. Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày).
  • Tây Nguyên: Mùa dông ngắn hơn, tháng 5 có số ngày dông cao nhất (Kon Tum 14 ngày, Pleiku 17 ngày, Đà Lạt 10 ngày).

Tác giả chỉ rõ tác hại của dòng sét: biên độ dòng điện đạt hàng trăm kA tạo hiệu ứng nhiệt cực lớn làm nóng chảy dây tiếp địa, vỡ chuỗi sứ cách điện; bức xạ điện từ trường gây nhiễu loạn thiết bị điều khiển và truyền thông; sóng quá điện áp truyền dọc đường dây gây chọc thủng cách điện máy biến áp và ngắn mạch thanh cái.

Chương 2: Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm

Chương 2 trình bày chi tiết các yêu cầu kỹ thuật và các bước tính toán hình học phạm vi bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp ngoài trời cấp 110kV - 220kV. Các quy tắc lắp đặt được xác định: cho phép đặt cột thu sét trên kết cấu xà của trạm do trạm từ 110kV trở lên có mức cách điện cao; yêu cầu dòng điện sét phải khuếch tán qua 3 - 4 cọc tiếp địa; mỗi trụ có cột thu sét phải có nối đất bổ sung để điện trở không vượt quá $4,\Omega$; khoảng cách dẫn điện trong đất từ điểm nối đất của hệ thống thu sét đến vỏ máy biến áp phải lớn hơn $15,\text{m}$.

Tác giả phân tích kích thước các tam giác và tứ giác tạo bởi các cột thu sét để tính toán đường kính vòng tròn ngoại tiếp $D$, từ đó xác định độ cao hữu ích $h_a$ và chiều cao toàn bộ của cột thu sét:

  • Nhóm cột 1-2-5-6 tạo thành hình chữ nhật kích thước $64,\text{m} \times 52,5,\text{m}$, đường chéo $D = 82,778,\text{m}$, suy ra $h_a = 10,35,\text{m}$.
  • Nhóm cột 12-13-8 tạo thành tam giác có các cạnh $31,623,\text{m}$, $58,181,\text{m}$, $57,5,\text{m}$, tính được $h_a = 7,402,\text{m}$.
  • Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm: phía 220kV chọn $h_a = 11,\text{m}$ (ứng với $h_{a\max} = 10,755,\text{m}$), chiều cao cột $h = 11 + 16 = 27,\text{m}$; phía 110kV chọn $h_a = 10,\text{m}$ (ứng với $h_{a\max} = 9,1,\text{m}$), chiều cao cột $h = 10 + 11 = 21,\text{m}$.

Bảng so sánh kỹ thuật và kinh tế giữa hai phương án được tổng hợp như sau:

Tiêu chí so sánh Phương án 1 (Toàn bộ cột thu sét) Phương án 2 (Kết hợp cột và dây thu sét)
Phía 220kV 12 cột cao 27m (đặt trên xà 16m, 11m, nhà ĐK và 1 cột độc lập) 16 cột cao 27m + 3 dây chống sét AC-95 dài 192m ($S = 35\text{m}; 40\text{m}$)
Phía 110kV 9 cột cao 21m (đặt trên xà 8m, 11m và 2 cột xây thêm) 9 cột cao 21m (đặt trên xà 8m, 11m và 2 cột xây thêm)
Tổng chiều dài cột gia công $295,\text{m}$ $379,\text{m}$
Tổng chiều dài dây chống sét $0,\text{m}$ $576,\text{m}$
Độ an toàn kỹ thuật Đảm bảo bảo vệ toàn bộ thiết bị và thanh góp Đảm bảo bảo vệ toàn bộ thiết bị và thanh góp
Đánh giá kinh tế và thi công Chi phí thấp hơn, thi công đơn giản, không cần căng dây Chi phí cao hơn, phức tạp do thi công căng dây và kiểm tra độ võng
Kết luận lựa chọn Được lựa chọn làm phương án thiết kế Không lựa chọn

Chương 3: Thiết kế hệ thống nối đất

Chương 3 tập trung giải quyết bài toán thiết kế hệ thống nối đất an toàn và nối đất chống sét. Tác giả phân loại 3 dạng nối đất trong hệ thống điện (nối đất an toàn, nối đất làm việc, nối đất chống sét) và nêu rõ tiêu chuẩn quy phạm: đối với mạng điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất điện áp $\ge 110,\text{kV}$, trị số điện trở nối đất cho phép của hệ thống là $R_{HT} \le 0,5,\Omega$, và điện trở nối đất nhân tạo yêu cầu $R_{NT} \le 1,\Omega$.

Phần tính toán nối đất tự nhiên xem xét hệ thống dây chống sét AC-95 ($r_0 = 1,88,\Omega/\text{km}$) của 6 lộ đường dây 220kV và 8 lộ đường dây 110kV đi vào trạm trên nền đất có điện trở suất $\rho = 0,85 \times 10^4,\Omega\cdot\text{cm}$:

  • Điện trở nối đất tự nhiên phía 220kV: $R_{TN}^{220} = 0,44,\Omega$.
  • Điện trở nối đất tự nhiên phía 110kV: $R_{TN}^{110} = 0,274,\Omega$.
  • Giá trị điện trở nối đất tự nhiên tổng hợp của trạm: $$R_{TN} = \frac{R_{TN}^{220} \cdot R_{TN}^{110}}{R_{TN}^{220} + R_{TN}^{110}} = \frac{0,44 \times 0,274}{0,44 + 0,274} \approx 0,169,\Omega$$

Mặc dù giá trị $R_{TN} = 0,169,\Omega < 0,5,\Omega$ đã thỏa mãn tiêu chuẩn cho phép về mặt lý thuyết, nhưng do tiếp địa tự nhiên có thể chịu biến động cơ học và thay đổi theo mùa, đồ án triển khai thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo với mạch vòng khép kín kích thước $368,\text{m} \times 148,\text{m}$ (lùi 1m so với kích thước trạm $370,\text{m} \times 150,\text{m}$) để bảo đảm an toàn vận hành liên tục.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Xác lập đầy đủ số liệu tính toán và kiểm tra vùng bảo vệ chống sét cho toàn bộ trạm biến áp 220/110kV. Toàn bộ các thiết bị ngoài trời và hệ thống xà đỡ ở các cao độ 16m, 11m, 8m đều nằm trọn trong vùng an toàn của các chóp bảo vệ.
  • Chứng minh tính tối ưu của Phương án 1 (sử dụng 21 cột thu sét kết hợp trên kết cấu xà và nhà điều khiển) so với Phương án 2, giúp tiết kiệm $84,\text{m}$ chiều dài kết cấu cột thép và loại bỏ hoàn toàn $576,\text{m}$ dây chống sét treo căng phức tạp.
  • Xác định chính xác trị số điện trở nối đất tự nhiên $R_{TN} = 0,169,\Omega$ từ 14 xuất tuyến đường dây (6 lộ 220kV và 8 lộ 110kV), thiết lập cấu hình mạch vòng nối đất nhân tạo $368,\text{m} \times 148,\text{m}$ đáp ứng tiêu chuẩn $R_{HT} \le 0,5,\Omega$.
  • Cung cấp phương pháp luận và trình tự tính toán thiết kế chống sét và nối đất hoàn chỉnh cho trạm biến áp cấp điện áp siêu cao áp, kết hợp giữa việc tận dụng kết cấu xây dựng sẵn có và đảm bảo các khoảng cách an toàn phóng điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án chủ yếu tập trung vào việc tính toán bảo vệ chống sét đánh thẳng và hệ thống nối đất tần số công nghiệp. Trong phần lý thuyết tính toán nối đất phân bố dài khi xét đến quá trình phóng điện xung kích trong đất, tác giả đã giản lược và bỏ qua quá trình phóng điện phi tuyến trong đất để thuận tiện cho việc tính toán giải tích. Đồ án cũng chưa đi sâu vào việc mô phỏng tính toán quá điện áp lan truyền từ đường dây vào trạm và phối hợp cách điện chi tiết cho chống sét van bảo vệ cuộn dây máy biến áp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu mô phỏng quá trình truyền sóng sét trên thanh cái và thiết bị trạm bằng các công cụ tính toán chuyên dụng; khảo sát chi tiết đặc tính phóng điện xung sét phi tuyến trong mô hình đất nhiều lớp; tính toán phối hợp cách điện và lựa chọn vị trí lắp đặt tối ưu cho chống sét van oxit kim loại (MOV) bảo vệ máy biến áp lực.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Điện tự động công nghiệp khi thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc các học phần liên quan đến Kỹ thuật cao áp, Thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp.

Nội dung đồ án có giá trị thực hành cao ở các phần:

  • Phương pháp tính toán đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác để xác định chiều cao cột thu sét tối ưu.
  • Quy trình kiểm tra phạm vi bảo vệ giữa hai cột có độ cao khác nhau bằng phương pháp dựng cột giả định.
  • Công thức tính toán điện trở nối đất tự nhiên từ hệ thống dây chống sét của các đường dây nhiều lộ đi vào trạm biến áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tiêu chuẩn quy định về trị số điện trở nối đất an toàn đối với trạm biến áp 220/110kV là bao nhiêu?
Đối với thiết bị điện có cấp điện áp từ 110kV trở lên có điểm trung tính trực tiếp nối đất, tiêu chuẩn quy phạm quy định điện trở nối đất của hệ thống phải thỏa mãn $R \le 0,5,\Omega$. Điện trở nối đất nhân tạo bổ sung không được vượt quá $1,\Omega$, và tại mỗi chân cột có đặt kim thu sét phải có nối đất bổ sung bảo đảm điện trở không quá $4,\Omega$.

2. Tại sao tác giả lựa chọn Phương án 1 (toàn bộ cột thu sét) thay vì Phương án 2 (kết hợp cột và dây thu sét)?
Cả hai phương án đều đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật về vùng bảo vệ an toàn. Tuy nhiên, Phương án 1 có tổng chiều dài cột gia công nhỏ hơn ($295,\text{m}$ so với $379,\text{m}$), không cần lắp đặt $576,\text{m}$ dây chống sét AC-95, từ đó giảm chi phí vật tư, giảm tải trọng cơ học lên xà trạm và đơn giản hóa quá trình thi công xây lắp.

3. Điều kiện kỹ thuật để được phép đặt cột thu sét trực tiếp trên kết cấu xà của trạm biến áp là gì?
Việc đặt cột thu sét trên kết cấu công trình chỉ áp dụng cho trạm ngoài trời từ 110kV trở lên do có khoảng cách cách điện lớn và chuỗi sứ dài. Đồng thời, chân trụ đặt cột thu sét phải được nối vào hệ thống tiếp địa của trạm theo đường ngắn nhất để dòng sét tản qua 3 - 4 cọc, có nối đất bổ sung đạt $R \le 4,\Omega$, và khoảng cách theo đường điện trong đất từ điểm nối đất của cột đến vỏ máy biến áp phải lớn hơn $15,\text{m}$.

4. Kết quả tính toán điện trở nối đất tự nhiên của trạm biến áp trong đồ án là bao nhiêu?
Hệ thống nối đất tự nhiên từ 6 lộ dây chống sét 220kV ($R_{TN}^{220} = 0,44,\Omega$) và 8 lộ dây chống sét 110kV ($R_{TN}^{110} = 0,274,\Omega$) tạo ra điện trở nối đất tự nhiên tổng hợp là $R_{TN} \approx 0,169,\Omega$, đạt yêu cầu nhỏ hơn mức $0,5,\Omega$ theo quy phạm.

5. Chiều cao tính toán của các cột thu sét cho từng khu vực điện áp được chọn là bao nhiêu?
Phía 220kV có chiều cao xà cần bảo vệ $h_x = 16,\text{m}$ và độ cao tác dụng $h_a = 11,\text{m}$, do đó chiều cao cột thu sét được chọn là $h = 27,\text{m}$. Phía 110kV có chiều cao xà cần bảo vệ $h_x = 11,\text{m}$ và độ cao tác dụng $h_a = 10,\text{m}$, do đó chiều cao cột thu sét được chọn là $h = 21,\text{m}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110kV" của tác giả Phạm Minh Hải đã giải quyết trọn vẹn các yêu cầu kỹ thuật về bảo vệ chống sét đánh thẳng và thiết kế hệ thống nối đất an toàn cho một trạm biến áp truyền tải quy mô lớn. Bằng các phép tính giải tích cụ thể, tác giả đã chứng minh tính hợp lý của phương án sử dụng 21 cột thu sét đặt trên xà và các vị trí độc lập nhằm bao phủ toàn bộ diện tích trạm $55.500,\text{m}^2$. Hệ thống nối đất kết hợp mạch vòng nhân tạo $368,\text{m} \times 148,\text{m}$ và nối đất tự nhiên từ 14 lộ đường dây bảo đảm điện trở tản đáp ứng nghiêm ngặt quy chuẩn kỹ thuật an toàn điện lực.