CHƯƠNG I: THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP 110/220kV I. Mở đầu Trong HTĐ, khi các thiết bị điện trong trạm biến áp bị sét đánh trực tiếp thì sẽ đưa đến các hậu quả nghiêm trọng: gây nên hư hỏng các thiết bị điện, dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn bộ trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc sản xuất điện năng và làm ảnh hưởng đến các ngành kinh tế quốc dân khác. Đối với nhà máy điện và các trạm biến áp ngoài việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào thiết bị điện cần phải chú ý bảo vệ các công trình khác như: - Đoạn dây nối từ xà cuối của trạm ra cột đầu tiên của đường dây. - Đoạn dây dẫn hay thanh dẫn nối máy phát điện và máy biến áp.
- Gian máy của các loại nhà máy điện kiểu hở, các thiết bị thu đựng khí Hidro ngoài trời, các thiết bị chứa dung dịch điện phân ngoài trời. - Kho dầu, các thùng dầu để ngoài trời, kho xăng. Đối với các công trình dễ cháy nổ thì không những cần bảo vệ chống sét đánh trực tiếp mà phải đề phòng sự phát sinh tia lửa do điện áp gây nên, vì vậy khi tiến hành thiết kế bảo vệ đối với phần này cần nghiên cứu thêm qui trình đối với các công trình dễ cháy nổ. Để bảo vệ sét đánh trực tiếp ở các nhà máy điện và trạm biến áp thường dùng các cột thu lôi hay dây chống sét.
Các cột thu lôi có thể được đặt độc lập hoặc trong các điều kiện cho phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm, nhà máy. Thông thường để giảm vốn đầu tư và cũng là để tận dụng độ cao ở các trạm biến áp và nhà máy điện người ta cố gắng đặt các cột thu lôi trên các kết cấu trong trạm, trên các cột đèn pha dùng để chiếu sáng, trên mái nhà … Cột thu lôi độc lập thường đắt hơn nên chỉ dùng khi không tận dụng được độ cao khác. Nếu đặt cột thu lôi trên các kết cấu của trạm phân phối điện ngoài trời và dùng dây chống sét để bảo vệ cho đoạn dây dẫn nối từ xà cuối của trạm đến cột đầu tiên của đường dây thì chúng sẽ được nối đất chung vào hệ thống nối đất của trạm. Vì vậy khi sét đánh vào dây thu lôi hay vào dây chống sét thì toàn bộ dòng điện sét sẽ đi vào hệ thống nối đất của trạm và làm tăng thế của các thiết bị được nối đất chung với hệ thống nối đất của trạm.
Độ tăng đó lớn thì có thể gây nên nguy hiểm cho các thiết bị ấy, do vậy chỉ trong điều kiện cho phép mới được đặt cột thu lôi trên các công trình trong trạm hoặc dùng dây chống sét ở trong trạm. Khi thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và nhà máy điện ngoài các yêu cầu kỹ thuật còn phải chú ý đến các mặt kinh tế và mỹ thuật. Các yêu cầu kỹ thuật Đối với các trạm phân phối ngoài trời từ 110 kV trở lên do có mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên kết cấu của trạm phân phối. Các trụ của các kết cấu trên đó có đặt côt thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét Is khuếch tán pg.
4 Đồ án tốt nghiệp Lê Xuân Bộ- Công Thương Liên Thông K2 vào trong đất theo 3 đến 4 thanh cái của hệ thống nối đất. Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số của điện trở nối đất. Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110 kV trở lên phải thực hiện các yêu cầu sau: + Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải có nối đất bổ sung (dùng nối đất tập trung) nhằm đảm bảo điện trở khuếch tán không được quá 4Ω (ứng với dòng điện tần số công nghiệp). + 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.
+ Khi dùng cột thu lôi độc lập 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 vật được bảo vệ. + Khi dùng cột đèn chiếu sáng để làm giá đỡ cho cột thu lôi phải cho dây dẫn điện đến đèn vào ống chì và chôn vào trong đất. + Để đảm bảo về mặt cơ tính và để chống ăn mòn cần phải theo đúng qui định về loại vật liệu, tiết diện dây dẫn dùng trên mặt đất và dưới đất.Quy định về vật liệu, tiết diện dây dẫn Dây dẫn dòng điện sét Dây dẫn dòng điện sét Loại vật liệu dùng trên mặt đất dùng dưới đất Thép mạ tròn Φ 8 mm Φ 10 mm Thép dẹt mạ kẽm 20x2,5 mm 30x3,5 mm Cáp thép Không được dùng Không được dùng Thanh đồng tròn Φ 8 mm Φ 8 mm Thanh đồng dẹt 20x2,5 mm 20x2,5 mm Dây đồng xoắn Không được dùng Không được dùng Thanh nhôm tròn Không được dùng Không được dùng 2.Đặc điểm về kết cấu cột thu lôi Trong những điều kiện cho phép nên tận dụng các độ cao của các công trình trong trạm như các xà để làm giá đỡ cho cột thu lôi. Ví dụ đối với các trạm biến áp 110 kV trở lên thì cột thu lôi thường đặt trên các xà và để nối cột thu lôi với hệ thống nối đất thì dùng ngay xà ấy nếu là xà sắt hay dùng cốt sắt ở bên trong nếu là cột bê tông cốt sắt.
Đối với cột thu lôi độc lập nếu: + Độ cao h của cột thu lôi không quá 20 m thì dùng các ống kim loại ghép lại. + Độ cao h 20 m dùng loại kết cấu kim loại kiểu mạng làm giá đỡ bộ phận thu sét. 5 Đồ án tốt nghiệp Lê Xuân Bộ- Công Thương Liên Thông K2 Nhưng kinh tế nhất là dùng cột thu lôi có giá đỡ bằng gỗ nếu như độ cao h của cột thu lôi không quá 20 m và giá đỡ bằng cột bê tông cốt thép đối với cột thu lôi cao quá 20 m, khi đó nên tận dụng cốt thép của cột làm dây dẫn dòng điện sét từ phần thu sét đến hệ thống nối đất. Trong trường hợp dùng giá đỡ bằng gỗ phải dùng dây dẫn riêng đặt dọc theo giá đỡ.
Cột thu lôi được thiết kế để làm việc ở trạng thái tự do không được làm việc ở trạng thái căng. Khi chọn tiết diện các phần tử của cột thu lôi dựa trên sự phát nóng của chúng và trong trong tính toán có thể bỏ qua sự tản nhiệt ra môi trường xung quanh.Kích thước tiêu chuẩn của một số loại kim thu sét a. Kim bằng thép tròn: pg. 6 Đồ án tốt nghiệp Lê Xuân Bộ- Công Thương Liên Thông K2 Chiều cao có ích ha (mm) Đường kính nhỏ nhất (mm) 200 ~ 1000 12 1000 ~ 2000 16 2000 ~ 3000 19 b.
Kim bằng thép ống: Chiều cao có ích ha (mm) Đường kính nhỏ nhất (mm) 2000 ~ 3000 16 3000 ~ 4000 22 4000 ~ 5000 25 3. Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi 3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là miền được giới hạn bởi mặt ngoài hình chóp tròn xoay có đường kính xác định bởi phương trình.Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập Chú ý: các công thức trên chỉ đúng khi cột thu lôi cao dưới 30 m. Hiệu quả của cột thu lôi cao quá 30 m có giảm sút do độ cao định hướng của sét giữ hằng số. 7 Đồ án tốt nghiệp Lê Xuân Bộ- Công Thương Liên Thông K2 3.2 Phạm vi bảo vệ của 2 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 2 cột thu lôi h0 được tính như sau: Hình 1-2.Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi cùng độ cao Các phần bên ngoài giống như các trường hợp một cột còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng tròn đi qua 3 điểm hai đỉnh cột và điểm ở giữa có độ cao h0, mặt cắt thẳng đứng theo mặt phẳng vuông góc đặt giữa hai cột của phạm vi bảo vệ được vẽ giống như một cột có độ cao h0, từ hai mặt cắt này có thể vẽ được phạm vi bảo vệ của các mức cao khác nhau (hình 1.
Khi độ cao vượt quá 30 m cũng có các hiệu chỉnh tương tự như trên và độ cao h0 cũng được tính theo : .3 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi không cùng độ cao Cách vẽ phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có chiều cao khác nhau được trình bày như hình (1-3). Trước tiên ta vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao sau đó qua đỉnh cột thấp vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3 điểm này được xem là đỉnh cột thu sét giả định, nó sẽ cùng với cột thấp hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau với khoảng cách a’. Cột thấp hơn có độ cao h2 và cột cao hơn có độ cao h1. - Khi h2> thì: a' = a (1-4) - Khi h2< thì: a' = a (1-5) Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu lôi h0 được tính như sau: pg.
8 Đồ án tốt nghiệp Lê Xuân Bộ- Công Thương Liên Thông K2 Khi độ cao vượt qúa 30 m cũng có các hiệu chỉnh tương tự như trên và độ cao h0 cũng được tính theo : .Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi không cùng độ cao 3.4 Phạm vi bảo vệ của nhóm cột thu lôi Khi công trình cần được bảo vệ chiếm khu vực rộng lớn, nếu chỉ dùng một vài cột thu lôi thì phải rất cao gây nhiều khó khăn cho thi công, lắp ráp. Trong các trường hợp này sẽ dùng nhiều cột phối hợp bảo vệ. Phần ngoài của phạm vi bảo vệ được xác định như của từng đôi cột (yêu cầu khoảng cách ). Không cần vẽ phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu lôi mà chỉ kiểm tra điều kiện an toàn.
Vật có độ cao hx nằm trong đa giác sẽ được bảo vệ nếu thỏa mãn điều kiện: (1-6) Trong đó: D: là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu lôi.