Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Dự án Trạm biến áp 220kV Vĩnh Châu (tỉnh Sóc Trăng) là công trình năng lượng trọng điểm nhằm tăng cường độ ổn định của hệ thống lưới điện khu vực, đồng thời giải phóng công suất truyền tải từ các nhà máy điện gió và điện mặt trời trên địa bàn thị xã Vĩnh Châu và các vùng lân cận. Trạm được đấu nối qua đường dây 220kV mạch kép vào Trạm biến áp 220kV Bạc Liêu và chuyển tiếp trên tuyến đường dây 220kV Nhiệt điện Cà Mau – Sóc Trăng, do Ban Quản lý các công trình điện Miền Nam làm chủ đầu tư.

Trong các công trình trạm biến áp phân phối ngoài trời, nguy cơ sét đánh trực tiếp và quá điện áp lan truyền là nguyên nhân hàng đầu gây hư hỏng thiết bị nhất thứ, phá hủy cách điện máy biến áp và dẫn đến sự cố ngừng cung cấp điện trên diện rộng. Do đó, việc thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh thẳng và hệ thống tiếp địa tản dòng sét đạt chuẩn kỹ thuật là yêu cầu bắt buộc.

Nhiệm vụ nghiên cứu và tính toán kỹ thuật của đồ án bao gồm hai nội dung trọng tâm:

  1. Tính toán, so sánh kinh tế - kỹ thuật và lựa chọn phương án bố trí hệ thống chống sét đánh thẳng (sử dụng cột thu sét độc lập, cột đặt trên kết cấu xà hoặc kết hợp dây chống sét) nhằm bao bọc toàn bộ phạm vi không gian lắp đặt thiết bị tại các phân khu 220kV và 110kV.
  2. Tính toán, thiết kế hệ thống nối đất an toàn và nối đất chống sét; phân tích quá trình quá độ của sóng dòng điện sét trên hệ thống tiếp địa mạch vòng dài; xác định tổng trở xung kích và kiểm tra điều kiện an toàn chống phóng điện ngược đối với máy biến áp lực để đề xuất giải pháp đóng cọc tiếp địa bổ sung.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cột thu lôi, dây chống sét và mạng tiếp địa an toàn - chống sét kết hợp.
  • Phạm vi không gian: Mặt bằng toàn bộ Trạm biến áp 220/110kV Vĩnh Châu với tổng diện tích $555.000\text{ m}^2$, trong đó diện tích phân khu phân phối 220kV là $34.500\text{ m}^2$ (chiều cao xà $16\text{ m}$ và $11\text{ m}$) và diện tích phân khu phân phối 110kV là $19.200\text{ m}^2$ (chiều cao xà $11\text{ m}$ và $8\text{ m}$).
  • Phạm vi thời gian và kế hoạch: Đồ án hoàn thành vào tháng 12 năm 2020, phục vụ mốc tiến độ đóng điện công trình trước tháng 10 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết chuyên ngành Kỹ thuật điện cao áp và Tiêu chuẩn quy phạm trang bị điện hiện hành đối với trạm biến áp điện áp từ 110kV trở lên:

  1. Lý thuyết xác định phạm vi bảo vệ chống sét:

    • Mô hình hình chóp gãy khúc đối với cột thu sét đơn cao $h \le 30\text{ m}$, xác định bán kính bảo vệ $r_x$ ở độ cao $h_x$ theo công thức: $$r_x = \frac{1{,}6}{1 + \frac{h_x}{h}}(h - h_x)$$ Đối với cột cao trên $30\text{ m}$, áp dụng hệ số hiệu chỉnh $p = \frac{5{,}5}{\sqrt{h}}$.
    • Mô hình phối hợp giữa hai cột cùng độ cao (khoảng cách $a < 7h$), xác định độ cao an toàn lớn nhất $h_0 = h - \frac{a}{7}$ và bán kính bảo vệ mở rộng $r_{ox}$.
    • Mô hình phối hợp hai cột khác độ cao ($h_1 > h_2$) thông qua chuyển đổi về cột giả định tại điểm cắt đường sinh.
    • Nguyên lý đa giác nhóm cột: điều kiện để diện tích bên trong đa giác được bảo vệ hoàn toàn là đường kính vòng tròn ngoại tiếp $D$ thỏa mãn $D \le 8(h - h_x)$.
    • Mô hình dải bảo vệ của dây chống sét đơn và kép (khoảng cách dây $s < 4h$, độ cao quy đổi $h_0 = h - \frac{s}{4}$).

  2. Lý thuyết cơ học dây dẫn và phương trình trạng thái:

    • Tính toán độ võng $f$ của dây chống sét nhôm lõi thép (loại A-95) theo các chế độ ứng suất cho phép ($\sigma_{cp} = 21{,}7\text{ kG/mm}^2$), mô đun đàn hồi ($E = 20.000\text{ kG/mm}^2$), tải trọng trọng lượng bản thân ($g_1$) và tải trọng gió cấp 3 với vận tốc $v = 30\text{ m/s}$ ($g_3$).

  3. Lý thuyết quá trình quá độ trên hệ thống nối đất phân bố dài:

    • Mô hình hóa hệ thống nối đất mạch vòng thành sơ đồ thông số rải với điện cảm đơn vị $L_0$ và điện dẫn tản đơn vị $G_0$, bỏ qua điện dung $C_0$ và điện trở thuần $R_0$.
    • Giải hệ phương trình vi phân truyền sóng dưới tác động của dạng sóng sét xiên góc có dòng điện đỉnh $I = 150\text{ kA}$, độ dốc đầu sóng $a = 30\text{ kA/\mu s}$, thời gian đầu sóng $\tau_{ds} = 5\text{ }\mu\text{s}$ để xác định tổng trở xung kích đầu vào $Z_{xk}(0, \tau_{ds})$.

  4. Tiêu chuẩn và quy phạm tiếp địa:

    • Tiêu chuẩn điện trở nối đất cho mạng trung tính nối đất trực tiếp: $R_{ht} \le 0{,}5\text{ }\Omega$; điện trở nối đất nhân tạo $R_{nt} \le 1\text{ }\Omega$.
    • Tiêu chuẩn chống phóng điện ngược: điện áp giáng trên hệ thống tiếp địa khi có sét $U_đ = I \cdot Z_{xk}$ phải nhỏ hơn điện áp thử nghiệm chịu đựng xung sét 50% của cách điện máy biến áp ($U_{50% MBA} = 460\text{ kV}$ với cấp 110kV và $900\text{ kV}$ với cấp 220kV).
    • Khoảng cách nối đất an toàn theo đường dẫn điện giữa điểm thoát sét trên xà và vỏ máy biến áp phải đạt trên $15\text{ m}$.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Đồ án triển khai tuần tự hai khối giải pháp kỹ thuật chính trên mặt bằng bố trí thiết bị thực tế của trạm:

[Mặt bằng Trạm 220/110kV]
  1. Thiết kế hệ thống thu sét đánh thẳng: Tận dụng độ cao của hệ thống xà đỡ thiết bị kết hợp xây dựng thêm các cột độc lập tại các vị trí biên và nóc nhà điều khiển, đảm bảo toàn bộ độ cao xà $16\text{ m}$, $11\text{ m}$ và $8\text{ m}$ đều nằm trong vùng bao bọc an toàn của các đường sinh phối hợp.
  2. Thiết kế hệ thống nối đất an toàn và chống sét: Thiết lập mạch vòng thép dẹt chôn sâu $0{,}8\text{ m}$ bao quanh diện tích xây dựng trạm, kết hợp hệ thống 344 cọc thép đóng sâu phân bố đều dọc theo chu vi mạch vòng nhằm hạ thấp tổng trở xung kích, bảo vệ cách điện máy biến áp lực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu bảo vệ chống sét cho dự án Trạm biến áp 220kV Vĩnh Châu – Tỉnh Sóc Trăng

Chương 1 trình bày đặc điểm mặt bằng trạm, thông số cấu hình điện lực và tính toán chi tiết hai phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng.

  • Đặc điểm phụ tải và thiết bị: Phía 220kV gồm 6 ngăn lộ đường dây theo sơ đồ hai thanh góp có thanh góp vòng, đấu nối với 2 máy biến áp lực T3, T4 và 2 máy biến áp tự ngẫu AT1, AT2. Phía 110kV gồm 8 ngăn lộ đường dây theo sơ đồ hai thanh góp có thanh góp vòng, cấp điện từ 2 máy biến áp tự ngẫu AT1, AT2.
  • Tính toán Phương án 1 (Hệ thống thuần cột thu sét):
    • Khu vực 220kV: Sử dụng 12 cột thu sét có chiều cao đỉnh $h = 27\text{ m}$ (độ cao hiệu dụng $h_a = 11\text{ m}$, bảo vệ xà cao tối đa $h_x = 16\text{ m}$). Trong đó, 6 cột đặt trên xà $16\text{ m}$, 4 cột đặt trên xà $11\text{ m}$, 1 cột xây mới và 1 cột đặt trên nóc nhà điều khiển cao $10\text{ m}$.
    • Khu vực 110kV: Sử dụng 9 cột thu sét có chiều cao đỉnh $h = 21\text{ m}$ ($h_a = 10\text{ m}$, bảo vệ xà cao tối đa $h_x = 11\text{ m}$). Trong đó, 3 cột đặt trên xà $8\text{ m}$, 4 cột đặt trên xà $11\text{ m}$ và 2 cột xây mới độc lập.
    • Tổng chiều dài kim thu sét cần chế tạo và lắp đặt là $295\text{ m}$. Bán kính bảo vệ $r_{ox}$ của các cặp cột liên kết đều lớn hơn $0$, đảm bảo phủ kín toàn bộ thiết bị.
  • Tính toán Phương án 2 (Kết hợp dây chống sét và cột thu sét):
    • Khu vực 220kV: Treo 3 dây chống sét nhôm lõi thép A-95 dài $192\text{ m}$ (chia 3 khoảng vượt $l = 64\text{ m}$), khoảng cách giữa các dây là $S = 35\text{ m}$ và $S = 40\text{ m}$. Chiều cao cột treo dây tính toán sau khi cộng độ võng $f = 0{,}23\text{ m}$ là $h = 27\text{ m}$, sử dụng 16 vị trí cột đỡ.
    • Khu vực 110kV: Sử dụng 9 cột thu sét cao $21\text{ m}$ tương tự Phương án 1.
    • Tổng chiều dài cột là $379\text{ m}$ và tổng chiều dài dây chống sét là $576\text{ m}$.
  • So sánh và lựa chọn phương án: Cả hai phương án đều đáp ứng tuyệt đối yêu cầu kỹ thuật che chắn sét. Tác giả lựa chọn Phương án 1 do có khối lượng xây lắp thấp hơn, không phải thi công căng dây trên cao và giảm tổng chiều dài gia công cột thép ($295\text{ m}$ so với $379\text{ m}$ cột cộng $576\text{ m}$ dây).
Thông số so sánh Phương án 1 (Thuần cột thu sét) Phương án 2 (Cột kết hợp dây chống sét)
Số lượng cột khu vực 220kV 12 cột ($h = 27\text{ m}$) 16 cột ($h = 27\text{ m}$)
Số lượng cột khu vực 110kV 9 cột ($h = 21\text{ m}$) 9 cột ($h = 21\text{ m}$)
Hệ thống dây chống sét Không sử dụng 3 dây A-95 (tổng chiều dài $576\text{ m}$)
Tổng chiều dài cột gia công $295\text{ m}$ $379\text{ m}$
Độ võng dây chống sét ($f$) Không có $0{,}23\text{ m}$
Đánh giá kinh tế - thi công Tiết kiệm chi phí, thi công đơn giản Chi phí cao hơn, kỹ thuật căng dây phức tạp
Kết luận lựa chọn Được chọn Loại

Chương 2. Thiết kế hệ thống nối đất

Chương 2 tập trung tính toán hệ thống nối đất tự nhiên, nối đất nhân tạo mạch vòng, phân tích quá độ xung kích sét và thiết kế mạch vòng bổ sung cọc tiếp địa.

  • Tính toán nối đất tự nhiên ($R_{TN}$): Xét hệ thống dây chống sét thép C-95 ($r_0 = 1{,}88\text{ }\Omega\text{/km}$) của 6 tuyến đường dây 220kV và 8 tuyến đường dây 110kV dẫn vào trạm trên nền đất có điện trở suất $\rho = 0{,}85 \times 10^4\text{ }\Omega\cdot\text{cm}$ ($85\text{ }\Omega\cdot\text{m}$). Điện trở nối đất tự nhiên tổng hợp đạt $R_{TN} = 0{,}169\text{ }\Omega$.
  • Tính toán nối đất nhân tạo ban đầu ($R_{nt}$):
    • Bố trí mạch vòng kín hình chữ nhật lùi cách móng tường trạm $1\text{ m}$, kích thước chiều dài $l_1 = 368\text{ m}$, chiều rộng $l_2 = 148\text{ m}$ (chu vi $L = 1032\text{ m}$).
    • Sử dụng thanh thép dẹt bề rộng $b = 4\text{ cm}$ ($0{,}04\text{ m}$), chôn sâu $t = 0{,}8\text{ m}$. Hệ số mùa $k_{mùa} = 1{,}6$, suy ra điện trở suất tính toán $\rho_{tt} = 136\text{ }\Omega\cdot\text{m}$.
    • Tỷ số hình dáng $\frac{l_1}{l_2} = 2{,}486$, tra đồ thị xác định hệ số hình dáng $K = 6{,}35$. Điện trở tản của mạch vòng đạt $R_{nt} = 0{,}417\text{ }\Omega$.
    • Điện trở nối đất tổng hợp của hệ thống: $$R_{ht} = \frac{R_{TN} \cdot R_{nt}}{R_{TN} + R_{nt}} = \frac{0{,}169 \times 0{,}417}{0{,}169 + 0{,}417} \approx 0{,}12\text{ }\Omega$$ Giá trị này nhỏ hơn ngưỡng cho phép $0{,}5\text{ }\Omega$, thỏa mãn điều kiện nối đất an toàn tần số công nghiệp.
  • Tính toán nối đất chống sét và kiểm tra quá điện áp:
    • Điện dẫn đơn vị của mạch vòng $G_0$ và điện cảm đơn vị $L_0 = 2{,}108\text{ }\mu\text{H/m}$ (tính với bán kính tương đương $r = 0{,}01\text{ m}$, chiều dài tính toán nhánh $l = 516\text{ m}$).
    • Tác động của xung sét $I = 150\text{ kA}$, thời gian đầu sóng $\tau_{ds} = 5\text{ }\mu\text{s}$. Khai triển chuỗi Bessel xác định tổng trở xung kích đầu vào của mạch vòng là $Z_{xk}(0, \tau_{ds}) = 4{,}95\text{ }\Omega$.
    • Điện áp giáng trên nối đất khi sét đánh vào đỉnh xà: $$U_đ = I \cdot Z_{xk} = 150\text{ kA} \times 4{,}95\text{ }\Omega = 743\text{ kV}$$
    • So sánh với độ bền cách điện xung kích của máy biến áp 110kV ($U_{50% MBA} = 460\text{ kV}$), nhận thấy $U_đ = 743\text{ kV} > 460\text{ kV}$, làm xuất hiện nguy cơ phóng điện ngược từ hệ thống tiếp địa vào cuộn dây máy biến áp.
  • Tính toán đóng cọc nối đất bổ sung:
    • Sử dụng cọc thép tròn đường kính $d = 0{,}06\text{ m}$ ($60\text{ mm}$), chiều dài $l = 3\text{ m}$, đóng ngập cách mặt đất $t = 0{,}8\text{ m}$ (độ sâu trung bình $t' = 2{,}3\text{ m}$). Hệ số mùa của cọc $k_{mc} = 1{,}15$, điện trở suất tính toán $\rho_{tt} = 97{,}75\text{ }\Omega\cdot\text{m}$. Điện trở tản của một cọc đơn là $R_c = 25{,}65\text{ }\Omega$.
    • Tác giả khảo sát 3 phương án mật độ cọc dọc theo chu vi mạch vòng $1032\text{ m}$:
      1. Phương án tỷ số khoảng cách $\frac{a}{l} = 1$ ($a = 3\text{ m}$): Số cọc $n_1 = 344\text{ cọc}$, hệ số sử dụng $\eta_t = 0{,}19$, $\eta_c = 0{,}33$.
      2. Phương án tỷ số khoảng cách $\frac{a}{l} = 2$ ($a = 6\text{ m}$): Số cọc $n_2 = 172\text{ cọc}$, hệ số sử dụng $\eta_t = 0{,}23$, $\eta_c = 0{,}54$.
      3. Phương án tỷ số khoảng cách $\frac{a}{l} = 3$ ($a = 9\text{ m}$): Số cọc $n_3 = 115\text{ cọc}$, hệ số sử dụng $\eta_t = 0{,}33$, $\eta_c = 0{,}57$.
    • Nhằm đạt giá trị điện trở tản nhỏ nhất và đảm bảo an toàn tuyệt đối trước dòng xung kích sét, tác giả chọn phương án đóng $344\text{ cọc}$ ($\frac{a}{l} = 1$). Kết quả sau khi ghép cọc, điện trở nối đất nhân tạo giảm xuống còn $R_{nt} = 0{,}21\text{ }\Omega$, kéo điện trở hệ thống tổng hợp xuống $R_{ht} = 0{,}093\text{ }\Omega$, triệt tiêu nguy cơ phóng điện ngược.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

Hệ thống tính toán trong đồ án đã cung cấp các chỉ số kỹ thuật định lượng cụ thể:

Hạng mục thông số Giá trị tính toán Ngưỡng tiêu chuẩn / Điều kiện an toàn Kết luận kỹ thuật
Chiều cao cột thu sét 220kV $27\text{ m}$ (12 cột) Che phủ xà $16\text{ m}$ và $11\text{ m}$ Đạt an toàn bao bọc
Chiều cao cột thu sét 110kV $21\text{ m}$ (9 cột) Che phủ xà $11\text{ m}$ và $8\text{ m}$ Đạt an toàn bao bọc
Điện trở nối đất tự nhiên ($R_{TN}$) $0{,}169\text{ }\Omega$ Tham số đầu vào hệ thống Đóng góp giảm trở kháng
Điện trở mạch vòng nhân tạo ($R_{nt}$) $0{,}417\text{ }\Omega$ $R_{nt} \le 1{,}0\text{ }\Omega$ Thỏa mãn quy chuẩn nối đất nhân tạo
Điện trở hệ thống chưa cọc ($R_{ht}$) $0{,}120\text{ }\Omega$ $R_{ht} \le 0{,}5\text{ }\Omega$ Đạt tiêu chuẩn an toàn xác lập
Điện áp giáng khi chưa có cọc ($U_đ$) $743\text{ kV}$ $U_{50% MBA} = 460\text{ kV}$ Không đạt (nguy cơ phóng điện ngược)
Số lượng cọc bổ sung chọn đóng $344\text{ cọc}$ ($\phi 60\text{ mm}, l=3\text{ m}$) Bố trí khoảng cách $a=3\text{ m}$ Giảm trở kháng xung kích
Điện trở nối đất nhân tạo sau đóng cọc $0{,}210\text{ }\Omega$ Cải thiện $49{,}6%$ so với mạch vòng Tăng khả năng tản dòng xung
Điện trở hệ thống sau đóng cọc ($R_{ht}$) $0{,}093\text{ }\Omega$ $R_{ht} \le 0{,}5\text{ }\Omega$ Đạt an toàn tuyệt đối

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  1. Phương án bảo vệ sét đánh thẳng: Sử dụng giải pháp 21 cột thu sét gắn kết hợp trên xà công trình, nóc nhà điều khiển và các cột độc lập biên để bảo vệ toàn diện $555.000\text{ m}^2$ mặt bằng trạm mà không cần thi công hệ thống dây chống sét phức tạp.
  2. Giải pháp liên kết tiếp địa: Nối chung hệ thống tiếp địa an toàn, tiếp địa làm việc và tiếp địa chống sét theo sơ đồ mạch vòng phân bố dài quanh trạm kết hợp liên kết hệ thống tiếp địa chân cột đường dây đấu nối.
  3. Giải pháp chống phóng điện ngược: Đóng bổ sung $344\text{ cọc}$ thép tròn $l = 3\text{ m}$ dọc theo chu vi $1032\text{ m}$ của mạch vòng, kết hợp duy trì khoảng cách dẫn điện trong đất từ điểm đặt chân cột thu sét trên xà đến vỏ máy biến áp lớn hơn $15\text{ m}$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế trong mô hình tính toán:
    • Quá trình tính toán phân bố sóng quá độ trên hệ thống nối đất phân bố dài đã bỏ qua hiện tượng ion hóa và quá trình phóng điện phi tuyến cục bộ trong đất khi mật độ dòng sét vượt ngưỡng tới hạn nhằm đơn giản hóa hệ phương trình vi phân truyền sóng.
    • Thông số sóng sét đầu vào được giả định theo dạng hàm xiên góc lý tưởng với biên độ cố định $150\text{ kA}$ và độ dốc không đổi $30\text{ kA/\mu s}$, chưa khảo sát phổ xác suất thống kê mật độ sét thực tế nhiều năm tại khu vực ven biển thị xã Vĩnh Châu.
    • Điện trở suất của đất được lấy theo trị số tính toán trung bình duy nhất ($\rho = 85\text{ }\Omega\cdot\text{m}$), chưa phản ánh cấu trúc địa chất đất nhiều lớp (phân tầng điện trở suất theo độ sâu) thường gặp ở vùng đồng bằng ven biển Tây Nam Bộ.
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Khảo sát đo đạc điện trở suất của đất theo phương pháp 4 cực Wenner để lập mô hình đất 2 lớp hoặc đa lớp, từ đó tối ưu hóa chiều sâu đóng cọc tiếp địa.
    • Ứng dụng các công cụ phần mềm mô phỏng chuyên dụng trong hệ thống điện (như EMTP/ATP hoặc CDEGS) để kiểm chứng trường phân bố điện áp bước, điện áp tiếp xúc và mô phỏng phản ứng quá độ của xung sét khi đánh vào nhiều vị trí xà khác nhau.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo chuyên môn cao cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Hệ thống điện, Kỹ thuật điện - Điện tử: Tham khảo quy trình tính toán mẫu mực về bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp cấp siêu cao áp ($220\text{ kV}$); các bước lập phương trình trạng thái cơ học cho dây chống sét trên khoảng vượt lớn; phương pháp giải tích chuỗi thời gian để tìm tổng trở xung kích của mạch vòng tiếp địa dài.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành trạm biến áp: Tham khảo bảng tra cứu thông số phối hợp bán kính bảo vệ giữa các nhóm cột thu sét đa giác, phương pháp kết hợp nối đất tự nhiên của đường dây và quy trình tính toán số lượng cọc tiếp địa bổ sung để loại trừ hiện tượng phóng điện ngược sang cuộn dây máy biến áp lực.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn Phương án 1 (thuần cột thu lôi) thay vì Phương án 2 (kết hợp cột và dây chống sét)?

Cả hai phương án đều thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật che phủ toàn bộ thiết bị trong trạm. Tuy nhiên, Phương án 1 được chọn nhờ ưu thế kinh tế và thi công: tổng chiều dài cột thép cần gia công là $295\text{ m}$ (so với $379\text{ m}$ của Phương án 2), đồng thời loại bỏ hoàn toàn việc phải mua sắm, căng treo $576\text{ m}$ dây chống sét A-95 trên cao, giúp giảm tải trọng đè lên hệ thống xà và hạ giá thành xây lắp.

2. Các yêu cầu kỹ thuật bắt buộc khi đặt cột thu sét trực tiếp trên kết cấu xà của trạm biến áp 220kV là gì?

Khi đặt cột thu sét trên xà đỡ thiết bị ở trạm $\ge 110\text{ kV}$, quy phạm yêu cầu:

  • Trụ của kết cấu đỡ cột thu sét phải được nối vào hệ thống nối đất chung của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng sét khuếch tán vào đất qua ít nhất 3–4 cọc nối đất.
  • Tại mỗi chân trụ phải có nối đất bổ sung để điện trở nối đất không vượt quá $4\text{ }\Omega$.
  • Khoảng cách dẫn điện trong đất từ điểm nối đất của cột thu sét đến điểm nối đất vỏ máy biến áp lực phải lớn hơn $15\text{ m}$ để tránh quá điện áp truyền trực tiếp sang vỏ và cuộn dây máy biến áp.

3. Tại sao hệ thống nối đất đã đạt $R_{ht} = 0{,}12\text{ }\Omega$ (nhỏ hơn tiêu chuẩn $0{,}5\text{ }\Omega$) nhưng vẫn bắt buộc phải đóng thêm 344 cọc nối đất bổ sung?

Giá trị $R_{ht} = 0{,}12\text{ }\Omega$ là điện trở tản tần số công nghiệp ($50\text{ Hz}$) dùng để đánh giá an toàn ngắn mạch chạm đất. Khi có dòng xung sét tần số cao ($I = 150\text{ kA}$, $\tau_{ds} = 5\text{ }\mu\text{s}$) đi vào, tính chất điện cảm của mạch vòng dài làm tổng trở xung kích tăng vọt lên $Z_{xk} = 4{,}95\text{ }\Omega$, tạo ra điện áp giáng $U_đ = 743\text{ kV}$. Mức điện áp này vượt quá mức chịu đựng xung sét $U_{50%}$ của máy biến áp 110kV ($460\text{ kV}$), gây nguy cơ phóng điện ngược. Việc đóng thêm $344\text{ cọc}$ giúp phân tán nhanh dòng sét xuống các tầng đất sâu, hạ thấp tổng trở xung kích và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho cách điện máy biến áp.

4. Thông số cơ học và tải trọng của dây chống sét A-95 được tính toán như thế nào trong Phương án 2?

Dây nhôm lõi thép A-95 được tính toán trên khoảng vượt $l = 64\text{ m}$ với ứng suất cho phép $\sigma_{cp} = 21{,}7\text{ kG/mm}^2$, mô đun đàn hồi $E = 20.000\text{ kG/mm}^2$, hệ số giãn nở nhiệt $\alpha = 12 \times 10^{-6}\text{ }^\circ\text{C}^{-1}$, tải trọng bản thân $g_1 = 8 \times 10^{-3}\text{ kg/(m}\cdot\text{mm}^2)$, tải trọng gió cấp 3 ($v = 30\text{ m/s}$) $g_3 = 5{,}322 \times 10^{-3}\text{ kg/(m}\cdot\text{mm}^2)$. Phương trình trạng thái ở nhiệt độ cực tiểu $\theta_{min} = 5^\circ\text{C}$ xác định độ võng lớn nhất của dây là $f = 0{,}23\text{ m}$, từ đó xác định độ cao treo dây trên cột là $27\text{ m}$.

5. Quy mô mặt bằng và cấu hình đấu nối của Trạm biến áp 220kV Vĩnh Châu được thiết kế ra sao?

Trạm có tổng diện tích mặt bằng $555.000\text{ m}^2$. Phân khu phân phối 220kV có diện tích $34.500\text{ m}^2$ với độ cao xà cần bảo vệ là $16\text{ m}$ và $11\text{ m}$ (gồm 6 ngăn lộ, 2 máy biến áp lực T3, T4 và 2 máy biến áp tự ngẫu AT1, AT2). Phân khu phân phối 110kV có diện tích $19.200\text{ m}^2$ với độ cao xà cần bảo vệ là $11\text{ m}$ và $8\text{ m}$ (gồm 8 ngăn lộ cấp điện từ 2 máy biến áp tự ngẫu AT1, AT2). Cả hai phía đều vận hành theo sơ đồ hai hệ thống thanh góp có thanh góp vòng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đặng Ngọc Toàn đã hoàn thành toàn diện việc tính toán, thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh thẳng và hệ thống nối đất an toàn - chống sét cho dự án Trạm biến áp 220kV Vĩnh Châu. Bằng phương pháp giải tích kỹ thuật kết hợp so sánh phương án, tác giả đã lựa chọn giải pháp bố trí 21 cột thu sét tối ưu về mặt kinh tế - kỹ thuật, che phủ an toàn toàn bộ mặt bằng phân khu 220kV và 110kV. Đặc biệt, phân tích quá độ xung sét trên hệ thống tiếp địa mạch vòng dài đã chỉ rõ nguy cơ phóng điện ngược đối với máy biến áp lực, từ đó đề xuất giải pháp đóng bổ sung 344 cọc tiếp địa thép $\phi 60\text{ mm}$ dài $3\text{ m}$ để đưa điện trở hệ thống xuống $0{,}093\text{ }\Omega$, đảm bảo độ tin cậy và an toàn vận hành cho toàn bộ công trình.