Tốc độ di chuyên trung bình của tia tiên đạo của lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5.107em/⁄s, các lần phóng điện sau thì tốc độ tăng lên khoảng 2.10°cm/s trong một đợt sét đánh có thể có
Khái niệm chung - 0 2c 22111211 1121111211 1111111111112 1111k 5 1.1.2 Tinh hinh dong sét 6 Viet Nam 6 1.2 Ảnh hưởng của hiện tượng dông sét tới hệ thống điện Việt Nam
Dông sét là hiện tượng thiên nhiên xảy ra khi có sự phóng tia lửa điện giữa các điện cực ở khoảng cách lớn, trung bình khoảng 5km Hiện tượng này chủ yếu bao gồm hai loại phóng điện: giữa các đám mây tích điện và giữa đám mây tích điện với mặt đất Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào phóng điện mây-đất, vì hiện tượng này có ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống điện.
Các đám mây tích điện với mật độ lớn có khả năng tạo ra cường độ điện trường mạnh, dẫn đến dòng phóng điện hướng xuống mặt đất Giai đoạn này được gọi là phóng điện tiên đạo, trong đó tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo trong lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5 x 10^7 em/s Các lần phóng điện tiếp theo có tốc độ tăng lên khoảng 2 x 10^5 cm/s Trong một đợt sét, có thể xảy ra nhiều lần phóng điện liên tiếp do sự hình thành nhiều trung tâm điện tích trong cùng một đám mây.
Tia tiên đạo là môi trường Plasma với điện tích lớn, nơi đầu tia kết nối với các trung tâm điện tích trong đám mây, dẫn đến sự phân bố điện tích dọc theo chiều dài tia xuống đất Dưới tác động của điện trường, điện tích khác sẽ tập trung trên mặt đất, vị trí này phụ thuộc vào tính dẫn điện của đất Nếu đất có điện dẫn đồng nhất, điểm tập trung sẽ nằm ngay dưới đầu tia, còn nếu không đồng nhất, điện tích sẽ tụ về nơi có điện dẫn cao Quá trình phóng điện diễn ra dọc theo đường sức nối giữa đầu tia và điểm tập trung điện tích, xác định vị trí sét đánh trên mặt đất.
Để định hướng cho các phóng điện sét, cần tạo ra một khu vực có mật độ điện cao Việc bảo vệ công trình khỏi sét đánh trực tiếp dựa vào tính chọn lọc của phóng điện sét Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngược là n và mật độ điện trường trong tia tiên đạo là d, thì trong một đơn vị thời gian, điện tích đi vào đất được tính bằng công thức is=n.d Công thức này áp dụng cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt với điện trở nhỏ.
Tham số quan trọng nhất của phóng điện sét là dòng điện sét, với biên độ và độ dốc phân bố theo hàm biến thiên rộng, từ vài kA đến vài trăm kA Dạng sóng của dòng điện sét là sóng xung kích, trong đó các điểm tăng vọt tương ứng với giai đoạn phóng điện ngược.
Khi sét đánh vào thiết bị phân phối trong trạm, nó có thể gây ra quá điện áp khí quyển, dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng như ngắn mạch tại đầu thanh góp, cháy nổ và mất điện trên diện rộng.
1.1.2 Tình hình dông sét ở Việt Nam
Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét mạnh và đặc điểm khác nhau ở từng miền Ở miền Bắc, số ngày dông dao động từ 70 đến 110 ngày mỗi năm, với 150 đến 300 lần dông, trung bình từ 2 đến 3 cơn dông mỗi ngày Móng Cái là vùng có số lần dông nhiều nhất tại miền Bắc, với 250 đến 300 lần dông trong khoảng 100 đến 110 ngày, đặc biệt vào các tháng 7 và 8.
Một số khu vực có địa hình thuận lợi, như vùng tiếp giáp giữa núi và đồng bằng, ghi nhận số ngày dông lên tới 100 ngày mỗi năm với tổng số cơn dông có thể đạt 200 lần Các vùng khác cũng có từ 150 đến 200 cơn dông hàng năm, tập trung trong khoảng 90 đến 100 ngày Tuy nhiên, vùng ít dông nhất ở miền Bắc là Quảng Bình, chỉ ghi nhận dưới 80 ngày dông mỗi năm Bảng 1.1 trình bày số ngày dông theo tháng ở một số khu vực trên lãnh thổ Việt Nam.
Tháng Địa điểm I1IJ2 |3 14 |1516L718 |9 |110|11112| Cảánăm
Mùa đông ở Việt Nam không đồng nhất giữa các vùng, với Bắc Bộ có mùa đông từ tháng 5 đến tháng 9 Khu vực phía Nam duyên hải Trung Bộ, từ Bình Định trở vào, là nơi ít dông nhất, chỉ có khoảng 10 ngày dông trong tháng 5, như Tuy Hòa 10 ngày/tháng, Nha Trang 8 ngày/tháng và Phan Thiết 13 ngày/tháng Trong khi đó, đồng bằng Nam Bộ là khu vực có nhiều dông nhất với 120-140 ngày/năm, như thành phố Hồ Chí Minh ghi nhận 138 ngày/năm và Hà Tiên 129 ngày/năm.
Việt Nam là quốc gia chịu ảnh hưởng lớn từ dông sét, điều này đặt ra thách thức cho hệ thống điện, yêu cầu ngành điện phải đầu tư vào các thiết bị chống sét Các nhà thiết kế cần chú trọng trong việc tính toán và thiết kế các công trình điện nhằm đảm bảo hệ thống vận hành hiệu quả, kinh tế, và cung cấp điện liên tục, tin cậy.
Dòng điện sét có thể đạt tới hàng trăm kA, tạo ra nguồn nhiệt lớn khi đi qua vật thể Nhiều trường hợp dây tiếp địa kém chất lượng đã bị nóng chảy hoặc đứt khi chịu tác động của sét Ngoài ra, các cách điện bằng sứ cũng có thể bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch dưới tác động của dòng điện sét Phóng điện sét không chỉ gây ra sự di chuyển của lượng điện tích lớn trong không gian mà còn tạo ra điện từ trường mạnh, gây nhiễu loạn sóng vô tuyến và ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử, với tác động lan rộng đến cả những khu vực cách xa hàng trăm km.
Khi sét đánh vào đường dây hoặc gần đó, sóng điện từ sẽ sinh ra, gây quá điện áp ảnh hưởng đến cách điện của đường dây Nếu cách điện bị hỏng, sẽ xảy ra ngắn mạch pha-đất hoặc pha-pha, khiến thiết bị bảo vệ phải hoạt động Đối với các đường dây truyền tải công suất lớn, việc máy cắt nhảy có thể làm mất ổn định hệ thống, và nếu hệ thống tự động không hoạt động kịp thời, có thể dẫn đến rã lưới Sóng sét cũng có thể truyền vào trạm biến áp, gây phóng điện trên cách điện của trạm, tương đương với ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố nghiêm trọng Nếu chống sét van tại máy biến áp không hoạt động hiệu quả, cách điện của máy biến áp có thể bị chọc thủng, gây thiệt hại lớn.
Sét gây ra nhiều sự cố nghiêm trọng, đặc biệt là trong hệ thống lưới điện, khiến nó trở thành một trong những mối đe dọa lớn nhất đối với hoạt động của lưới điện.
Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
Tất cả thiết bị cần bảo vệ phải nằm trong phạm vi an toàn của hệ thống bảo vệ Đối với trạm 220/110kV, hệ thống cột thu lôi có thể được lắp đặt trên công trình hoặc độc lập tùy theo yêu cầu Việc lắp đặt cột thu lôi trên công trình giúp tận dụng độ cao, giảm chiều cao cột thu lôi Tuy nhiên, mức cách điện của trạm phải đảm bảo an toàn để tránh hiện tượng phóng điện ngược từ hệ thống thu sét, vì dòng điện sét có thể tạo ra điện áp lớn trên điện trở nối đất và phần điện cảm của cột Nếu mức cách điện không đủ, sẽ xảy ra phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến các thiết bị trong trạm.
9 Đô án môn học Kỹ thuật điện cao áp kiện
Trong đồ án môn học Kỹ thuật điện cao áp, việc lắp đặt cột thu lôi trên hệ thống thanh xà của trạm cần đảm bảo mức cách điện cao và điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ Đối với các trạm biến áp có điện áp từ 110 kV trở lên, mức cách điện phải đủ lớn với khoảng cách giữa các thiết bị và độ dài chuỗi sứ thích hợp Cột thu lôi cần được lắp đặt trên các kết cấu của trạm, với chiều dài ngắn nhất, nhằm đảm bảo dòng điện sét khuếch tán vào đất qua 3 đến 4 thanh cái của hệ thống nối đất Đồng thời, cần có hệ thống nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất.
Cuộn dây máy biến áp là phần yếu nhất trong trạm biến áp ngoài trời có điện áp từ 110 kV trở lên Để bảo vệ máy biến áp bằng cột thu lôi, khoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp cần phải lớn hơn 15m theo đường điện.
Tiết diện dây dẫn cho dòng điện sét cần đủ lớn để đảm bảo ổn định nhiệt khi có dòng điện chạy qua Đặc biệt, với cấp điện áp từ 110 kV trở lên, cần lưu ý các yêu cầu kỹ thuật phù hợp để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Để đảm bảo an toàn cho hệ thống nối đất, các kết cấu có cột thu lôi cần phải có nối đất bổ sung, nhằm duy trì điện trở khuyếch tán không vượt quá 4Ω, tương ứng với tần số công nghiệp.
+ Khoảng cách trong không khí giữa kết cầu của trạm trên có đặt cột thu lôi vả bộ phận mang điện không được bé hơn độ dài chuỗi sứ
Có thể kết nối cột thu lôi độc lập vào hệ thống nối đất của trạm phân phối điện áp 110kV nếu đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật Khi sử dụng cột thu lôi độc lập, cần chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi và các bộ phận của trạm để ngăn ngừa nguy cơ phóng điện từ cột thu lôi đến các thiết bị cần bảo vệ.
Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi, cần phải cho các dây dẫn điện vào ống chì và chôn sâu trong đất Nếu khoảng cách từ điểm nối đất của cột thu lôi đến hệ thống nối đất của máy biến áp lớn hơn 15m, thì nên kết nối dây chống sét vào hệ thống nối đất của trạm.
Lý thuyết về tính chiều cao cột và phạm vi bảo vệ
Các phương án bố trí cột thu lôi cho đối tượng cần bảo vệ
- Trạm biến áp 220/110kV có diện tích 22750 (m?)
- Cac xa phía 110 kV cao 8,4m và 10,4m, các xa phía 220kV cao 10,4m va 16,4m
- Ta chia trạm thành 2 phần:
+ Khu vực chứa các xà phía 220kV có độ cao can bao vé la hy = 16,4m va hy 10,4m
+ Khu vực chứa các xả phía 110kV và giữa 2 khu vực có độ cao cần bảo vệ là h„= 10,4m và h„ = 8,4m
+ Bước 1: Chon vi tri dat cét thu 161
+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng lớn nhất của từng phía ha max
+ Bước 3: Tính chiều cao của cột thu lôi các phía: h = hy + ha max
+ Bước 4: Tính và vẽ phạm vi bảo vệ và kiểm tra
- Ta xét hai phương ăn như sau:
+ Bước I: Ta bố trí 42 cột thu sét ở các vị trí như hình vẽ sau:
Phía 220kV bố trí 24 cột, trong đó có 8 cột trên xà đón dây có độ cao 16,4m, 4 cột trên xà máy biến áp cao 16,4m, 12 cột trên xà thanh góp cao 10,4m
Phía 110kV bố trí 18 cột, trong đó 6 cột trên xà đón dây có độ cao 10,4m, 12 cột trên xả thanh sóp cao 8,4m
16 Đồ án môn học Kỹ thuật điện cao áp
Hình 2.6 Sơ đồ bố trí các cột thu sét cho phương án 1 + Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:
Các cột thu lôi được sắp xếp thành lưới cột, do đó chúng ta cần phân chia lưới này thành các nhóm đa đỉnh Tiếp theo, cần tính toán độ cao hiệu dụng hạ của từng nhóm cột dựa trên các điều kiện đã đề ra.
“8 Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh
17 Đồ án môn học Kỹ thuật điện cao áp
Hinh 2.7 Chia đa giác cho vi tri đặt các cột thu sét cho phương án 1
1a chia 18 cột phía 110kV thành 10 hình chữ nhật và kết hợp với phía 220k ta chia thành 1] tam giác
+ Có 3 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau: (26,27,33,32), (27,28,34,33), (29,30,36,35),
+ Có 3 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau: (35,36,42,41), (33,34,40,39), (32,33,39,38)
+ Có 2 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau: (25,26,32,31), (28,29,35,34)
+ Có 2 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau: (34,35,41,40), (31,32,38,37)
Xót nhóm cột (26-27-33-32) là hình chữ nhật có kích thước:
+ Chiều dài (các cạnh 26-27, 32-33): a= 30m + Chiều rộng (các cạnh 26-32, 27-33): b= lóm
18 Đồ án môn học Kỹ thuật điện cao áp Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là:
D= pepe Pl - vị (m) Độ cao tác dụng tối thiểu của các nhóm 11a: D,_ 34
Xét nhóm cột (16-17-26) là hình tam giác có kích thước:
+ Cạnh 17-26: b = 38,21m + Canh 26-16: c = 44,38m + Nửa chu vi tam giác trên là p =e bre a 38 X,295 Gy) Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh là: Ð,= a.b.c
+n › , ` 5,73 (m Độ cao hiệu dụng của nhóm 2 là: x > D, _ 45,82 (m)
Tính toán tương tự cho các da piác còn lại ta có bảng sau:
Bảng 2.1 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1 Đa giác a(m) | b(m) | c(m) | p(m) | D(m) | ha; (m) | ha- max (m)
19 Đô án môn học Kỹ thuật điện cao ap
20 Đô án môn học Kỹ thuật điện cao ap
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột nay la: ha-max = 5,73 (im)
Chiều cao tối đa cần bảo vệ cho hệ thống 110kV là 10,4 mét Do đó, chiều cao của các nhóm cột thu sét được tính là 16,13 mét, bao gồm chiều cao bảo vệ và chiều cao tối đa cho phép Để thuận tiện cho việc thi công và nâng cao độ an toàn cho thiết bị, chiều cao cột được nâng lên tới 17 mét.
1a chia 24 cột phía 220kV thành l3 hình chữ nhật và 4 hình tam giác
+ Có 4 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau: (1,2,6,7), (2.3.8.7), (3.4.9.8), (4,5,10,9)
+ Có 8 nhóm cột tạo thành hình chữ nhật bằng nhau: (6,7,12,11), (7,8,13,12), (8,9,14,13), (9,10,15,14),(11,12,17,16), (12,13,18,17), (13,14,19,18), (14,15,20,19)
+ Có 2 nhóm cột tạo thành hình tam giác vuông bằng nhau: (18,21,22), (19,23,24)
+ Có 2 nhóm cột tạo thành hình tam giác bằng nhau: (17,18,21), (19,20,24)
Tính toán tương tự như phía 110kV cho các đa giác ta có bảng sau:
Bảng 2.2 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án | Đa giác a(m) b(m) cm) | p(m) | D(m) | h;(m) | hạ -mz„(m)
21 Đô án môn học Kỹ thuật điện cao ap
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột nay la: ha-max = 5,06 (m)
Chiều cao tối đa cần bảo vệ ở phía 220kV là 16,4m, cộng với chiều cao tối đa của cột thu sét là 5,06m, dẫn đến tổng chiều cao cột thu sét là 21,46m Để thuận tiện cho thi công và tăng cường độ an toàn bảo vệ thiết bị, cột được nâng lên tới 22m.
+ Bước 3: Tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi
Chúng ta chỉ xem xét phạm vi bảo vệ của các cột thu sét dọc theo đa giác đỉnh, vì phần điện tích bên trong đã được bảo vệ Chiều cao của các cột thu sét không vượt quá 30m, do đó trong công thức tính toán, không cần nhân với hệ số hiệu chỉnh p.
- Pham vi bảo vệ của các cột phia 110kV cao 17m:
Ban kính bao vé cho d6 cao h, = 10,4 (m) Ia:
Do hy = 10,4 m < _.17 = 11,3 (m) nên Tx(io+› = 1,5.17 — 1,875.10,4 = 6 (m) 2
Ban kính bảo vệ cho độ cao h, = 8,4 (m) Ia:
Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 22m
Bán kính bảo vệ cho độ cao h„ = 16,4 (m) là:
Ban kính bảo vệ cho độ cao h„ = 10,4 (m) là:
22 Đỗ án môn học Kỹ thuật điện cao áp © Tinh ban kinh bao vé của các cặp cột biên:
+_Xét cặp cét (25-31) c6 dd cao hos = h3; = 17m va dat cách nhau một khoảng là a= 16m
Do a= 16m < 7s = 7.17 = 119 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ gitra 2 cột là: hosai =h- Ê= 17- `Š = 14,71 (m)
Bán kính bảo vệ cho độ cao h„= 10,4m vahx=8,4m là:
3 31 3 Nên: Foxas—31(8,4) = l,5.hoas-ai — 1,875 hy = 1,5.14,71 — 1,875.8,4 = 6,32 (m)
+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao hị = hạ= 22m và đặt cach nhau một khoảng là a 34m là Do a= 34m < 7hị = 7.22 = 154 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột à: họ.a=h-Š" - Ý = 17,14 (m)
Bán kính bảo vệ cho độ cao h„= 16,4m và h„= 10,4m là:
+ Xét cặp cột (16-25) có d6 cao hig = 22m va hos = 17m va dat cách nhau một khoang la a = 37,27m
23 Đô án môn học Kỹ thuật điện cao áp Bán kính bảo vệ của cột hị¿ cho độ cao haz là:
24 Đồ án môn học Kỹ thuật điện cao áp Nên r„ = 0,75.(22-17) = 3,75 (m)
Khoảng cách giữa cột hạ và cột giả tưởng có cùng độ cao là 33,52 mét, được tính bằng công thức a = a - x = 37,27 - 3,75 Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột hạ và cột giả tưởng là 12,21 mét, được xác định qua công thức ho = h - * - 3392.
Bán kính bảo vệ cho độ cao h„ = 10,4 m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao h„ = 8,4 m là:
Dựa trên các phép tính tương tự cho các cặp cột biên còn lại, chúng ta thu được kết quả như trong bảng 2.3 Bảng này trình bày kết quả tính toán bán kính bảo vệ của các cặp cột biên trong phương án 1 x 2.
Phía