Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong hệ thống điện lực, đường dây truyền tải và trạm biến áp là các công trình ngoài trời phân bố trên phạm vi không gian rộng lớn, thường xuyên chịu tác động trực tiếp từ các hiện tượng khí tượng cực đoan, đặc biệt là dông sét. Sự cố do sét đánh vào lưới điện truyền tải gây ra hiện tượng quá điện áp nghiêm trọng, dẫn đến nguy cơ phá hủy cách điện, phát sinh ngắn mạch pha - đất hoặc pha - pha, buộc các thiết bị rơle bảo vệ phải ngắt máy cắt. Đối với các đường dây truyền tải công suất lớn, sự cố phóng điện do sét có thể gây mất ổn định liên kết lưới điện, đe dọa sự vận hành an toàn của các nhà máy điện và tiềm ẩn nguy cơ tan rã hệ thống. Đồng thời, sóng quá điện áp lan truyền từ đường dây vào trạm biến áp nếu không được ngăn chặn và tiêu tán kịp thời sẽ làm chọc thủng cách điện của máy biến áp – phần tử đắt tiền và xung yếu nhất trong trạm – gây gián đoạn cung cấp điện và thiệt hại kinh tế đặc biệt nghiêm trọng.
Đồ án tốt nghiệp tại Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật chống sét cho công trình năng lượng cao áp với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể được xác định như sau:
- Nghiên cứu tổng quan về hiện tượng dông sét, cơ chế hình thành, quá trình phóng điện và các đặc trưng dông sét tại Việt Nam dựa trên kết quả nghiên cứu khoa học chuyên ngành.
- Thiết kế và tính toán chi tiết hệ thống bảo vệ sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp cấp điện áp 220/110kV, xây dựng và so sánh hai phương án kỹ thuật: phương án dùng cột thu sét độc lập kết hợp và phương án dùng hệ thống dây thu sét.
- Tính toán các thông số kỹ thuật của hệ thống nối đất an toàn, nối đất làm việc và nối đất chống sét nhằm đảm bảo khả năng tản dòng sét nhanh chóng và giữ điện trở nối đất trong giới hạn quy chuẩn.
- Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện trên không liên kết với trạm (số lần sét đánh, số lần phóng điện và suất cắt điện).
- Thực hiện chuyên đề tính toán sóng truyền quá điện áp từ đường dây tải điện vào trạm biến áp, xác định ứng suất điện áp tác dụng lên cách điện máy biến áp và thanh góp, làm cơ sở kiểm tra hiệu quả làm việc của chống sét van.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống bảo vệ chống sét toàn diện (bao gồm kim/cột thu sét, dây chống sét, lưới nối đất và thiết bị chống sét van) cho trạm biến áp 220/110kV và tuyến đường dây tải điện trên không đấu nối. Phạm vi không gian nghiên cứu được xác lập tại một trạm biến áp có tổng diện tích mặt bằng là 57.630 m², bao gồm 4 máy biến áp (2 máy biến áp 220kV và 2 máy biến áp 110kV) cùng 4 lộ đường dây ra/vào trạm; độ cao công trình cần bảo vệ ở cấp 220kV là 17 m và cấp 110kV là 11 m. Tuyến đường dây trên không được khảo sát sử dụng kết cấu cột kim loại, dây dẫn AC-240, treo dây chống sét C-70 với khoảng vượt tiêu chuẩn 150 m. Phạm vi thời gian và điều kiện môi trường áp dụng các số liệu khí hậu dông sét tại Việt Nam theo đề tài cấp nhà nước KC-03-07; khu vực tính toán có mật độ hoạt động dông sét là 44 ngày sét/năm, đất có điện trở suất đo được là 92 $\Omega\cdot\text{m}$ và môi trường có mức độ ô nhiễm trung bình.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết của đồ án được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phóng điện khí trường không đồng nhất và kỹ thuật điện cao áp. Cơ chế phóng điện của sét được mô tả qua giai đoạn phóng điện tiên đạo xuất phát từ đám mây mang điện tích (thường tích điện âm ở đáy mây trong khoảng 80% trường hợp), di chuyển xuống mặt đất với vận tốc trung bình lần đầu khoảng $1,5 \cdot 10^7\text{ cm/s}$ và các lần phóng sau đạt trên $2 \cdot 10^7\text{ cm/s}$. Quá trình này hình thành kênh dẫn plasma có điện tích lớn, định hướng điểm phóng điện xuống các vị trí có cường độ điện trường tập trung cao nhất trên mặt đất.
Về mô hình toán học và công thức tính toán:
- Xác suất xuất hiện dòng điện sét có biên độ lớn hơn hoặc bằng $I_s$ được xác định theo quy luật thực nghiệm:
$$V_i = 10^{-\frac{I_s}{60}} = e^{-\frac{I_s}{26,1}}$$
- Độ dốc trung bình của dòng điện sét được tính qua biểu thức $a = \frac{I_s}{T_{ds}}$ (với $T_{ds}$ là độ dài đầu sóng).
- Mật độ sét đánh xuống mặt đất trên diện tích 1 $\text{km}^2$ ứng với 1 ngày sét lấy trong khoảng $m_s = 0,1 \div 0,15$.
- Phạm vi bảo vệ của cột thu sét đơn và hệ thống cột phối hợp được tính toán theo mô hình gãy khúc thực nghiệm. Bán kính bảo vệ $r_x$ ở độ cao $h_x$ phụ thuộc vào chiều cao cột $h$ và hệ số hiệu chỉnh $p$ ($p = 1$ khi $h \le 30\text{ m}$; $p = \frac{5,5}{\sqrt{h}}$ khi $h > 30\text{ m}$). Khoảng cách phối hợp giữa hai cột thỏa mãn điều kiện $a \le 7h$, với độ cao giới hạn bảo vệ lớn nhất giữa hai cột là $h_0 = h - \frac{a}{7}$.
- Đối với nhóm nhiều cột bao quanh diện tích đa giác, điều kiện bảo vệ hoàn toàn diện tích bên trong là đường kính vòng tròn ngoại tiếp $D$ phải thỏa mãn:
$$D \le 8h_a \quad \text{hoặc} \quad h_a \ge \frac{D}{8}$$
(trong đó $h_a = h - h_x$ là độ cao hiệu dụng của cột).
- Đối với dây thu sét, khoảng cách phối hợp giữa hai dây song song phải thỏa mãn $S \le 4h$, với độ cao giới hạn $h_0 = h - \frac{S}{4}$.
- Độ võng cơ học của dây treo chống sét C-70 được xác định qua phương trình trạng thái ứng suất ở điều kiện nhiệt độ thấp nhất ($\theta_{min} = 5^\circ\text{C}$) và bão ($\theta_{bao} = 25^\circ\text{C}$).
- Tiêu chuẩn nối đất kỹ thuật quy định: hệ thống nối đất an toàn và làm việc đối với lưới có trung tính trực tiếp nối đất phải đạt trị số điện trở tản $R \le 0,5,\Omega$; cột đặt kim thu sét trên xà phải có nối đất bổ sung để điện trở cục bộ không vượt quá $4,\Omega$; khoảng cách nối đất giữa cột thu sét và vỏ máy biến áp theo đường điện phải lớn hơn 15 m. Điện trở suất tính toán của đất xác định qua công thức $\rho_{tt} = \rho_d \cdot k_m$ (với $k_m$ là hệ số mùa).
- Phương pháp tính toán sóng truyền vào trạm áp dụng Quy tắc Petersen, Quy tắc sóng đẳng trị và Phương pháp lặp bảng số liệu kết hợp giải tích đồ thị để giải hệ phương trình điện áp trên điện dung thiết bị và dòng điện qua chống sét van theo đặc tính V-A phi tuyến.
Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án bao gồm: số liệu thống kê dông sét toàn quốc từ Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước KC-03-07 của Viện Năng lượng; quy trình quy phạm kỹ thuật an toàn điện hiện hành; các thông số vật lý của dây nhôm lõi thép AC-240, dây thép C-70 và đặc tính cách điện của thiết bị trạm 220/110kV.
Thiết kế và triển khai kỹ thuật
Hệ thống bảo vệ chống sét được thiết kế trực tiếp trên tổng mặt bằng trạm biến áp 220/110kV có diện tích 57.630 m². Sân phân phối 220kV có chiều cao thiết bị cần bảo vệ $h_x = 17\text{ m}$, sân phân phối 110kV có chiều cao cần bảo vệ $h_x = 11\text{ m}$. Khu vực nhà điều khiển được xây dựng kiên cố nên không cần bố trí cột thu lôi chuyên dụng.
Tác giả đề xuất và thực hiện tính toán chi tiết hai phương án kỹ thuật:
- Phương án I (Hệ thống cột thu sét): Bố trí 14 vị trí cột thu sét bao gồm 4 cột độc lập (vị trí 1, 5, 11, 12) và 10 cột kết hợp đặt trực tiếp trên kết cấu xà đỡ (phía 220kV gồm các cột 2, 3, 4, 7, 8; phía 110kV gồm các cột 9, 10, 13, 14).
- Phía 220kV: qua tính toán đường kính vòng tròn ngoại tiếp các tứ giác và tam giác, độ cao hiệu dụng lớn nhất $h_{a\text{-}max} = 11,78\text{ m}$, chọn $h_a = 12\text{ m}$, suy ra chiều cao toàn bộ của cột thu sét là $h = 17 + 12 = 29\text{ m}$.
- Phía 110kV: đường kính ngoại tiếp hình vuông [9, 10, 13, 14] cạnh 74 m đạt $D = 104,65\text{ m}$, độ cao hiệu dụng cần thiết $h_a = \frac{104,65}{8} = 13,08\text{ m}$, chọn $h_a = 14\text{ m}$, suy ra chiều cao cột thu sét là $h = 11 + 14 = 25\text{ m}$.
- Phương án II (Hệ thống dây thu sét): Bố trí 8 dây chống sét bằng thép chủng loại C-70.
- Phía 220kV: treo 3 dây dài 199 m chia làm 3 khoảng vượt (69 m, 59 m, 71 m), khoảng cách giữa các dây là 42 m. Chiều cao cột treo dây tính toán theo điều kiện $S \le 4h$ là $27,5\text{ m}$, sau khi cộng độ võng cơ học cực đại $f = 0,216\text{ m}$, chọn chiều cao cột đỡ là 28 m.
- Phía 110kV: treo 5 dây dài 74 m với các khoảng cách giữa các dây lần lượt là 20 m, 28 m, 26 m, 28 m. Chiều cao tính toán là 18 m, sau khi cộng độ võng $f = 0,234\text{ m}$, chọn chiều cao cột đỡ là 19 m.
| Tiêu chí so sánh kỹ thuật - kinh tế |
Phương án I (Cột thu sét) |
Phương án II (Dây thu sét) |
| Số cột thu lôi độc lập |
4 cột |
14 cột |
| Số cột thu lôi kết hợp / cột đỡ |
10 cột |
14 cột |
| Tổng số cột sử dụng |
14 cột |
28 cột |
| Số lượng dây chống sét |
Không sử dụng |
8 dây (loại C-70) |
| Tổng chiều dài cột |
236 m |
336 m |
| Tổng chiều dài dây chống sét |
0 m |
967 m |
| Đánh giá yêu cầu kỹ thuật |
Đạt, bảo vệ trọn vẹn toàn trạm |
Đạt, bảo vệ trọn vẹn toàn trạm |
| Đánh giá hiệu quả kinh tế |
Chi phí đầu tư thấp hơn |
Chi phí vật tư và thi công cao hơn |
Căn cứ vào bảng so sánh, tác giả kết luận lựa chọn Phương án I làm giải pháp thiết kế chính thức cho trạm biến áp 220/110kV do giảm bớt 14 vị trí cột, tiết kiệm 100 m chiều dài kết cấu cột, loại bỏ hoàn toàn 967 m dây chống sét treo căng phức tạp, đồng thời thỏa mãn đầy đủ các điều kiện an toàn che phủ toàn bộ thiết bị.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện Việt Nam
Chương này tổng kết cơ sở lý luận khí quyển và tình hình diễn biến dông sét trên lãnh thổ Việt Nam. Sét là hiện tượng phóng điện tia lửa điện trường không đồng nhất với khoảng cách cực lớn (trung bình khoảng 5 km). Dẫn xuất từ số liệu Đề tài KC-03-07 của Viện Năng lượng, Việt Nam có hoạt động dông sét phân hóa theo 5 vùng và 147 khu vực:
- Miền Bắc có số ngày dông dao động từ 70 đến 100 ngày/năm với 150 đến 300 lần dông. Khu vực dông mạnh nhất miền Bắc là Tiên Yên - Móng Cái (250 đến 300 lần dông/năm, tập trung từ 100 đến 110 ngày; tháng 7 và 8 có tới 25 ngày dông/tháng). Nơi ít dông nhất miền Bắc là Quảng Bình (khoảng 80 ngày dông/năm).
- Miền Nam có mật độ dông sét cao tại Đồng bằng Nam Bộ với số ngày dông trung bình đạt 120 đến 140 ngày/năm (Sài Gòn ghi nhận 138 ngày, Hà Tiên 129 ngày; các tháng từ tháng 5 đến tháng 11 có 15 đến 20 ngày dông/tháng).
- Khu vực Tây Nguyên có mùa dông tập trung vào các tháng 4, 5, 9, cực đại vào tháng 5 với khoảng 15 ngày dông.
Về mặt tác động, chương phân tích sự hình thành sóng quá điện áp lan truyền gây phá hỏng cách điện dây dẫn, chọc thủng cuộn dây máy biến áp, cháy nổ thiết bị phân phối và nguy cơ rã lưới điện diện rộng.
Chương 2: Tính toán bảo vệ sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp
Chương 2 là phần tính toán kỹ thuật trọng tâm của trạm biến áp 220/110kV. Tác giả tiến hành tính toán chi tiết bán kính và biên phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu sét Phương án I và hệ thống dây thu sét Phương án II.
- Tại Phương án I, các nhóm cột được phân chia theo hình học để xác định độ cao tác dụng:
| Nhóm cột tính toán |
Dạng đa giác chân cột |
Kích thước các cạnh $a, b, c$ (m) |
Đường kính ngoại tiếp $D$ (m) |
Độ cao hiệu dụng $h_a$ (m) |
| Nhóm [1, 2, 5, 6] (220kV) |
Hình chữ nhật |
$a=69;; b=62$ |
92,76 |
11,60 |
| Nhóm [2, 3, 6, 7] (220kV) |
Hình chữ nhật |
$a=59;; b=62$ |
85,59 |
10,70 |
| Nhóm [3, 4, 7, 8] (220kV) |
Hình chữ nhật |
$a=71;; b=62$ |
94,26 |
11,78 |
| Nhóm [7, 8, 11, 12] (220kV) |
Hình chữ nhật |
$a=71;; b=46$ |
84,60 |
10,57 |
| Nhóm [5, 6, 9] (Kết hợp) |
Tam giác vuông |
$a=69;; b=46;; c=82,93$ |
82,93 |
10,37 |
| Nhóm [7, 10, 11] (Kết hợp) |
Tam giác vuông |
$a=54;; b=46;; c=70,94$ |
70,94 |
8,87 |
| Nhóm [6, 9, 10] (Kết hợp) |
Tam giác thường |
$a=82,93;; b=46,27;; c=74$ |
83,42 |
10,43 |
| Nhóm [6, 7, 10] (Kết hợp) |
Tam giác thường |
$a=59;; b=46,27;; c=70,94$ |
71,36 |
8,92 |
| Nhóm [9, 10, 13, 14] (110kV) |
Hình vuông |
Cạnh $a=74$ |
104,65 |
13,08 |
- Kiểm tra phạm vi bảo vệ tại các cặp cột biên Phương án I cho thấy độ cao bảo vệ nhỏ nhất ở khoảng giữa hai cột $h_0$ đều vượt qua chiều cao yêu cầu $h_x$: cặp cột [1-2] có $h_0 = 19,14\text{ m} > 17\text{ m}$, bán kính bảo vệ $r_{0x} = 1,61\text{ m}$; cặp cột [13-14] có $h_0 = 14,43\text{ m} > 11\text{ m}$, $r_{0x} = 2,57\text{ m}$; cặp cột kết hợp khác độ cao [5-9] có $h_0 = 18,86\text{ m}$, $r_{0x} = 7,66\text{ m}$.
- Tại Phương án II, tính toán độ võng dây C-70 theo phương trình ứng suất cơ học: với khoảng vượt lớn nhất $l = 71\text{ m}$, phương trình trạng thái $\sigma^3 - 25,84\sigma^2 = 342,01$ cho nghiệm ứng suất $\sigma = 26,34\text{ kG/mm}^2$, độ võng $f = 0,216\text{ m}$, chiều cao cột treo dây đạt 27,72 m, quy chuẩn chọn cột 28 m.
Chương 3: Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp
Chương 3 trình bày các yêu cầu kỹ thuật và phương pháp luận thiết kế hệ thống nối đất trạm biến áp.
- Các thông số đầu vào: đường dây sử dụng cột kim loại, dây dẫn AC-240, khoảng cách giữa 2 cột là 150 m; điện trở đất đo được $\rho_d = 92,\Omega\cdot\text{m}$; điện trở nối đất cột điện $R_C = 18,\Omega$; số ngày sét đánh trung bình 44 ngày/năm.
- Phân định rõ 3 chức năng nối đất: nối đất làm việc (duy trì chế độ vận hành bình thường của thiết bị), nối đất an toàn (giới hạn điện áp bước và điện áp tiếp xúc trên vỏ kim loại khi hỏng cách điện) và nối đất chống sét (tiêu tán nhanh dòng xung sét, chống phóng điện ngược).
- Đưa ra tiêu chuẩn giới hạn: do trạm có điểm trung tính máy biến áp 220kV và 110kV trực tiếp nối đất nên điện trở nối đất của hệ thống hợp nhất phải thỏa mãn $R \le 0,5,\Omega$. Thiết lập công thức tính điện trở suất tính toán $\rho_{tt} = \rho_d \cdot k_m$ và cơ sở tính toán hệ thống nối đất mạch vòng thanh cọc nhân tạo kết hợp nối đất tự nhiên.
Chương 4: Bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện
Chương 4 thiết lập hệ thống công thức và phương pháp xác định các chỉ tiêu chống sét của đường dây truyền tải:
- Xác định số lần sét đánh vào đường dây ($N_{dd}$ đánh vào dây dẫn, $N_{dc}$ đánh vào đỉnh cột, $N_{kv}$ đánh vào khoảng vượt dây chống sét).
- Tính toán các thông số sóng và ngẫu hợp: độ treo cao trung bình các pha ($h_{Atb, B, C}$), góc bảo vệ ($\alpha_{A,B,C}$), tổng trở sóng dây dẫn và dây chống sét ($Z_{A,B,C}, Z_{cs}$), hệ số ngẫu hợp có xét đến vầng quang điện ($k_{vq}$).
- Đánh giá xác suất phóng điện qua chuỗi sứ cách điện $V_{pd}$, xác suất phát sinh hồ quang $\eta$, từ đó xác định các thành phần suất cắt điện: suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét ($n_{dd}$), suất cắt do đánh vào khoảng vượt ($n_{kv}$), suất cắt do đánh vào đỉnh cột ($n_{dc}$) và tổng suất cắt chung của đường dây ($n_{cd}$).
Phần II: Chuyên đề tính toán sóng truyền từ đường dây tải điện vào trạm biến áp
Phần chuyên đề giải quyết bài toán quá điện áp khi sóng sét lan truyền dọc đường dây vào trạm:
- Trình bày nguyên lý phương pháp lặp bảng dựa trên Sơ đồ thay thế Petersen và Quy tắc sóng đẳng trị để phân tích quá trình phản xạ và khúc xạ sóng tại các điểm nút thay đổi tổng trở.
- Xác định quá điện áp tác dụng lên điện dung đầu vào của thiết bị và điện áp đặt lên cách điện cuộn dây máy biến áp.
- Mô tả đặc tính phi tuyến V-A của chống sét van (CSV) bằng phương pháp đồ thị tiếp tuyến, tính toán dòng điện xả qua van và điện áp dư, đảm bảo mức cách điện chịu đựng theo thời gian của máy biến áp và thanh góp không bị vượt quá giới hạn an toàn.
Kết quả và đóng góp
Đồ án hoàn thành các tính toán kỹ thuật cụ thể với các kết quả số liệu được trích xuất trực tiếp:
- Xác lập được chiều cao và vị trí tối ưu của hệ thống chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp 220/110kV diện tích 57.630 m²: chọn Phương án I với 14 cột thu sét (chiều cao 29 m ở sân 220kV và 25 m ở sân 110kV), bảo đảm toàn bộ thiết bị trạm nằm gọn trong vùng an toàn với các bán kính bảo vệ tại biên $r_{0x}$ đạt từ 0,68 m đến 7,66 m.
- Giải quyết bài toán cơ học dây chống sét C-70 cho trạm (Phương án II) với độ võng xác định chính xác từ $0,149\text{ m}$ đến $0,234\text{ m}$, làm căn cứ so sánh khách quan và đưa ra quyết định loại bỏ phương án này để tiết kiệm 100 m kết cấu cột và 967 m dây chống sét.
- Thiết lập đầy đủ hệ thống thông số kỹ thuật cho hệ thống nối đất và đường dây: sử dụng điện trở suất đất đo đạc $92,\Omega\cdot\text{m}$, điện trở nối đất cột $18,\Omega$, áp dụng nghiêm ngặt tiêu chuẩn điện trở tản $R \le 0,5,\Omega$ cho trạm có trung tính nối đất trực tiếp và quy chuẩn khoảng cách cách ly vỏ MBA trên 15 m.
- Đóng góp chính của đồ án là đã hệ thống hóa quy trình tính toán chống sét phối hợp đa tầng (từ thu sét trực tiếp tại trạm, nối đất tản dòng, bảo vệ đường dây trên không cho đến tính toán sóng quá điện áp quá độ vào trạm bằng phương pháp lặp bảng Petersen) theo đúng các tiêu chuẩn và số liệu khí tượng thực tế của Việt Nam từ Đề tài KC-03-07.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Các tính toán phạm vi bảo vệ của cột và dây thu lôi chủ yếu dựa trên các công thức kinh nghiệm hình học đường gãy khúc quy chuẩn, chưa mô phỏng trường điện từ 3D động dưới sự thay đổi ngẫu nhiên của các thông số dòng sét.
- Trong phạm vi văn bản đồ án được trích xuất, phần tính toán hệ thống nối đất ở Chương 3 và các chỉ tiêu đường dây ở Chương 4 mới dừng lại ở việc thiết lập các phương trình giải tích, điều kiện biên và bảng biểu tra cứu, chưa thể hiện toàn bộ các bảng kết quả tính số học cuối cùng của chuỗi nối đất thanh cọc và tổng suất cắt điện thực tế của tuyến đường dây.
Hướng nghiên cứu phát triển:
- Ứng dụng các công cụ phần mềm mô phỏng quá độ điện từ chuyên sâu (như EMTP/ATP) để giải bài toán sóng truyền vào trạm với các dạng sóng sét phức tạp và sơ đồ nguyên lý trạm đầy đủ.
- Khảo sát mô hình điện trở suất của đất theo cấu trúc phân tầng nhiều lớp thay vì mô hình đồng nhất để tối ưu hóa thiết kế hệ thống nối đất sâu cho trạm biến áp.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Thiết bị điện làm đồ án tốt nghiệp hoặc các học phần liên quan đến Kỹ thuật cao áp và Bảo vệ chống sét công trình điện lực.
- Kỹ sư thiết kế điện tại các công ty tư vấn xây dựng điện khi lập thuyết minh tính toán chống sét đánh thẳng và nối đất cho các trạm biến áp truyền tải cấp 110kV, 220kV.
- Phần đáng tham khảo nhất trong đồ án là phương pháp tính toán phạm vi bảo vệ cho cụm nhiều cột có độ cao khác nhau ở Chương 2, cùng thuật toán lặp bảng Petersen để xác định sóng truyền quá điện áp tác dụng lên máy biến áp tại Phần II.
Câu hỏi thường gặp
1. Trạm biến áp trong đồ án có quy mô và các thông số chiều cao bảo vệ như thế nào?
Trạm biến áp có 2 cấp điện áp là 220kV và 110kV với tổng diện tích mặt bằng là 57.630 m², trang bị 4 máy biến áp (2 máy 220kV và 2 máy 110kV) và 4 lộ đường dây. Độ cao công trình cần bảo vệ là 17 m đối với cấp 220kV và 11 m đối với cấp 110kV. Nhà điều khiển được xây dựng kiên cố nên không cần bố trí cột bảo vệ riêng.
2. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để xác định chiều cao cột thu sét trong Phương án I?
Chiều cao cột được xác định qua điều kiện bao phủ đa giác $h_a \ge \frac{D}{8}$ (với $D$ là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột). Phía 220kV có $h_{a\text{-}max} = 11,78\text{ m}$ nên chọn $h_a = 12\text{ m}$, cho chiều cao cột $h = 17 + 12 = 29\text{ m}$. Phía 110kV có $h_{a\text{-}max} = 13,08\text{ m}$ nên chọn $h_a = 14\text{ m}$, cho chiều cao cột $h = 11 + 14 = 25\text{ m}$.
3. Vì sao tác giả lựa chọn Phương án I thay vì Phương án II?
Mặc dù cả hai phương án đều thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật che phủ toàn bộ thiết bị trạm, Phương án I (dùng 14 cột thu sét) có hiệu quả kinh tế vượt trội hơn Phương án II (dùng 8 dây C-70 treo trên 28 cột đỡ). Phương án I giúp giảm 100 m tổng chiều dài kết cấu cột (236 m so với 336 m) và loại bỏ hoàn toàn 967 m dây chống sét, giúp việc thi công và bảo dưỡng thuận tiện hơn.
4. Quy định về nối đất cho cột thu sét đặt trên kết cấu xà trạm biến áp và khoảng cách tới máy biến áp là gì?
Trụ kết cấu có đặt cột thu sét phải được nối vào hệ thống nối đất chung theo đường ngắn nhất để dòng sét khuếch tán qua 3-4 cọc nối đất, đồng thời phải bố trí nối đất bổ sung để điện trở không vượt quá $4,\Omega$. Khoảng cách nối đất từ cột thu sét đến vỏ máy biến áp theo đường điện bắt buộc phải lớn hơn 15 m.
5. Tuyến đường dây và điều kiện đất trong tính toán nối đất có các thông số cơ bản nào?
Đường dây trên không sử dụng cột kim loại, dây dẫn pha AC-240, dây chống sét C-70, khoảng vượt giữa hai cột là 150 m. Điện trở nối đất của cột điện là $18,\Omega$, số ngày dông sét trong năm tại khu vực khảo sát là 44 ngày/năm, và điện trở suất đo được của đất là $\rho_d = 92,\Omega\cdot\text{m}$.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc tính toán thiết kế bảo vệ chống sét toàn diện cho trạm biến áp 220/110kV diện tích 57.630 m² và tuyến đường dây tải điện liên quan dựa trên số liệu khí tượng dông sét Việt Nam. Tác giả đã tính toán, so sánh chi tiết và lựa chọn phương án tối ưu sử dụng 14 cột thu sét có chiều cao 29 m và 25 m, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho toàn bộ thiết bị phân phối với chi phí vật tư hợp lý nhất. Bên cạnh đó, các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt về điện trở hệ thống nối đất dưới $0,5,\Omega$ và phương pháp lặp bảng Petersen phân tích sóng truyền quá áp đã cung cấp cơ sở khoa học vững chắc để bảo vệ an toàn cho máy biến áp và lưới điện truyền tải.
