Ảnh hưởng của giông sét Ở Việt Nam trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước KC-03-07 đã lắp đặt các vật ghi sét và bộ ghi tổng hợp trên các đường dây tải điện trong nhiều năm liên tục.. Kết
Trang 1Thiết kế hệ thống chống sét cho một trạm biến áp và
đường dây cao áp dẫn tới trạm
MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HIỆN TƯỢNG SÉT Ở VIỆT NAM
Qua việc nghiên cứu giông sét và các biện pháp bảo vệ chống sét cho các công trình, thiết bị đã có lịch sử từ lâu đời Ngày nay người ta đã tìm ra được những biện pháp, những hệ thống thiết bị và những kỹ thuật tiên tiến để phòng chống sét một cách hữu hiệu và an toàn Tuy nhiên giông sét là hiện tượng tự nhiên Mật độ, thời gian và cường độ sét mang tính ngẫu nhiên cho nên việc nghiên cứu chống sét là rất quan trọng đối với các công trình
Ở những vùng khác nhau, do điều kiện khí hậu và thiết bị kỹ thuật khác nhau nên các đặc điểm về giông sét gây ra những tác hại khác nhau Tuỳ theo từng vùng mà có những biện pháp thích hợp để phòng chống sét có hiệu quả
A.Tình hình giông sét ở việt nam:
Theo đề tài KC-03-07 của Viện năng lượng trong một năm số ngày giông trên Miền bắc nước ta thường giao động trong khoảng từ 70 đến 110 ngày và số lần giông từ 150 đến 300 lần, như vậy vào mùa mưa trung bình một ngày có thể xảy ra từ 2 đến 3 cơn giông
Vùng giông nhiều nhất trên Miền Bắc là vùng Tiên Yên, Móng Cái; Tại đây hàng năm có từ 100 đến 110 ngày, tháng nhiều giông nhất là các tháng VII, VIII có tới 25 ngày/ tháng
Một số vùng khác có địa hình chuyển tiếp giữa cồng bằng số lần giông cũng nhiều tới 200 lần với số ngày giông khoảng trên 100 ngày, các vùng còn lại từ 150 đến 200 cơn giông mỗi năm tập chung khoảng 90 đến 100 ngày Nơi ít giông nhất là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có 80 ngày giông Xét về dạng diễn biến của mùa giông trong năm ta thấy mùa giông không
Trang 2hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nói chung ở Bắc Bộ mùa mưa bão tập chung khoảng từ tháng 5 đến tháng 9 ở phía tây Bắc Bộ mùa giông tập trung trong khoảng từ đầu tháng 4 đến tháng 8 Ở các nơi khác thuộc Bắc Bộ tháng
5, tháng 9 ở Hà Tĩnh, Quảng Bình
Vùng Duyên hải trung bộ ở phần phía bắc đến Quảng Ngãi là khu vực tương đối nhiều giông trong tháng 4 và từ tháng 5 đến tháng 8 Số ngày giông tập trung xấp xỉ 10 ngày/tháng Tháng nhiều giông nhất (tháng 5 ) quan sát được 12 đến 15 ngày Những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) mỗi tháng chỉ gặp từ 2 đến 5 lần giông Phía nam Duyên Hải trung
bộ (từ Bình định trở vào) là khu vực ít giông nhất thường chỉ có tháng 5 số ngày giông chỉ xấp xỉ hoặc lớn hơn 10 ngày (Tuy hoà 10 ngày, Nha Trang 8 ngày, Phan Thiết 13 ngày) còn các tháng khác của mùa đông mỗi tháng chỉ quan sát được từ 5 đến 7 ngày giông
Miền Nam cũng khá nhiều giông hàng năm trung bình quan sát được từ
40 đến 50 ngày đến trên 100 ngày tuỳ từng nơi Khu vực nhiều giông nhất là vùng đồng bằng Nam Bộ số ngày giông trung bình hàng năm lên tới 120 đến
140 ngày (Sài Gòn 138 ngày, Hà Tiên 129 ngày)
ở Bắc Bộ chỉ vào khoảng 100 ngày Mùa giông ở Nam bộ từ tháng 4 đến tháng 11, trừ tháng đầu mùa là tháng 4 tháng cuối mùa là tháng 11 số ngày giông trung bình là 10 ngày trên mỗi tháng còn các tháng 5 tháng 6 đến tháng
10 mỗi tháng quan sát trung bình gặp trên 20 ngày giông (sài gòn 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày)
Tây Nguyên mùa giông thường chỉ có 2, 3 tháng số ngày giông đạt tới
10 đến 15 ngày đó là các tháng 4, tháng 5 và tháng 9 Tháng cực đại (tháng 5) trung bình quan sát được chừng 15 ngày giông ở bắc Tây Nguyên 10 đến 12 ngày, nam Tây Nguyên (P Lây Cu 17 ngày Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày) còn các tháng khác trong mùa đông mỗi tháng trung bình từ 5 đến 7
Trang 3Qua số liệu khảo sát ta thấy rằng tình hình giông sét trên ba miền khác nhau, những vùng lân cận lại có mật độ giông sét tương đối giống nhau
Kết quả nghiên cứu đề tài KC-03-07 người ta đã lập được bản đồ phân vùng giông toàn Việt nam có thể phân thành 5 vùng 147 khu vực Các thông
số cho ghi ở bảng 1
Bảng 1 :
Vùng Ngày giông trung bình
(ngày/năm)
Giờ giông trung bình (giờ/năm)
Mật độ sét trung bình
Tháng giông cực đại
1 Đồng bằng ven biển Miền
Bắc
81,1 215,6 6,47 8
2 Miền núi trung du Miền
Từ các số liệu về ngày giờ giông số lượng đo lường nghiên cứu đã thực hiện qua các giai đoạn có thể tính toán đưa ra các số liệu dự kiến về mật độ phóng điện xuống các khu vực (bảng 2)
Bảng 2 :
Số
ngày
giông
Khuvực đồng bằng ven
biển miền bắc
Khuvực miền núi trung du miền bắc
Khu vực cao nguyên miền trung
Khu vực ven biển miền trung
Khu vực đồng bằng miền nam
20 ÷ 40 2,43 ÷ 4,68 2,1 ÷ 4,2 1,2 ÷ 2,4 1,22 ÷ 2,44 1,26 ÷ 2,52 4o ÷ 60 4,86 ÷ 7,92 4,2 ÷ 6,3 2,4 ÷ 3,6 2,44 ÷ 3,65 2,52 ÷ 3,78
60 ÷ 80 7,92 ÷ 9,72 6,3 ÷ 8,4 3,6 ÷ 4,8 3,65 ÷ 4,87 3,78 ÷ 5,04
80 ÷
100
9,72 ÷ 12,1 8,4 ÷ 10,5 4,8 ÷6,0 4,87 ÷ 6,09 5,04 ÷ 6,3
100 ÷
120
12,15÷14,58 10,5 ÷12,6 6,0 ÷7,2 6,09 ÷ 7,31 6,3 ÷ 5,76
Trang 4Qua nghiên cứu ở trên ta thấy Việt Nam là nước có số ngày giông nhiều
và mật độ phóng điện lớn cho nên dòng sét cũng gây nên những thiệt hại đáng
kể cho lưới điện và các công trình xây dựng ở Việt Nam
B Ảnh hưởng của giông sét
Ở Việt Nam trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước KC-03-07 đã lắp đặt
các vật ghi sét và bộ ghi tổng hợp trên các đường dây tải điện trong nhiều
năm liên tục Kết quả thu thập tình hình sự cố lưới điện 220kV Miền Bắc từ
năm 1987÷1992 (bảng 3 )
Bảng 3 :
Loại sự cố
năm
Trong tổng số sự cố vĩnh cửu của đường dây không 220 kV Phả Lại ÷
Hà Đông nguyên nhân do sét là 8/11 chiếm 72,7% Sở dĩ lấy kết quả sự cố
của đường dây Phả Lại ÷ Hà Đông làm kết quả chung cho sự cố lưới điện
Miền Bắc vì đây là đường dây quan trọng của Miền Bắc vì sự cố đường dây
này ảnh hưởng rất lớn đến tình hình chuyên tải điện của Miền Bắc
Kết luận : Qua những nghiên cứu tình hình giông sét ở Việt Nam và
những tác hại của sét gây nên đối với lưới điện, cho nên việc bảo vệ chống sét
cho đường dây điện và các trạm biến áp là không thể thiếu được khi thiết kế
Trang 5lưới điện Vì vậy việc đầu tư nghiên cứu chống sét là cần thiết để nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện ở nước ta
CHƯƠNG I : TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH
TRỰC TIẾP 1.1 :Giới thiệu chung
Khi các thiết bị điện của trạm phân phối điện ngoài trời bị sét đánh trực tiếp thì sẽ gây những hậu quả ngiêm trọng : gây nên hư hỏng các thiết bị điện, dẫn đến việc ngừng cung cấp điện toàn bộ trạm trong một thời gian dài làm ảnh hưởng đến việc sản xuất điện năng và các ngàng kinh tế quốc dân khác
Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho công trình thường dùng các hệ thống thu sét như: cột thu sét, dây thu sét Hệ thống thu sét gồm các bộ phận thu sét (kim, dây ), bộ phận nối đất và các dây dẫn liên hệ hai bộ phận với nhau Cột thu sét có thể đặt độc lập hoặc trong những điều kiện cho phép có thể đặt trên các kết cấu của trạm và nhà máy
Thông thường để giảm vốn đầu tư và để tận dụng các độ cao ở các trạm biến áp người ta có thể đặt cột thu sẻt trên các xà đỡ, các cột đèn chiếu sáng, trên mái nhà Cột thu lôi độc lập thường đắt hơn nên chỉ dùng khi không thể tận dụng các độ cao khác
Nếu đặt cột thu lôi trên các kết cấu trạm phân phối điện ngoài trời và dùng dây chống sét để bảo vệ cho đoạn dây dẫn nối từ xà cuối cùng 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 thu lôi hay đoạn dây chống sét ấy thì toàn bộ dòng điện sét sẽ đi vào hệ thống nối đất của trạm và do đó làm tăng thế các thiết bị được nối đất chung với hệ thống nối đất của trạm Độ tăng thế
đó lớn thì có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị, do vậy chỉ trong điều kiện
Trang 6cho phép mới được đặt cột thu lôi trên các công trình trong trạm hoặc dùng dây chống sét ở trong trạm
Tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét là ở chỗ tập trung điện tích ở đỉnh
bộ phận thu sét, tạo nên điện trường lớn nhất giữa nó với đầu tia tiên đạo Do
đó thu hút các phóng điện sét và hình thành khu vực an toàn ở bên dưới, chung quanh hệ thống thu sét Bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trở nối đất bé để việc tập trung điện tích cảm ứng trong đất được dễ dàng
và khi có dòng điện sét đi qua điện áp trên các bộ phận của hệ thống thu sét sẽ không đủ gây nên phóng điện ngược từ nó tới công trình đặt gần
Khi thiết kế hệ thống chống sét phải chú ý so sánh về các mặt kỹ thuật,
mỹ thuật và vấn đề nối đất của cột thu lôi Đối với trạm phân phối ngoài trời 110kV trở nên do có mức cách điện cao nên có thể đặt cột thu lôi trên các kết cấu của trạm phân phối ,các trụ của các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi phải được ngắn nhất và sao cho dòng điện sét khuếch tán vào trong đất theo 3÷4 thanh cái của hệ thống nối đất Ngoài ra ở mỗi trụ của các kết cáu ấy phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất Khi bố trí cột thu sét của trạm phân phối ngoài trời 110kV trở lên phải0 thực hiện các điều sau:
+ Ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu lôi vào hệ thống nối đất cần phải
có nối đất bổ xung nhằm đảm bảo điện trở không được quá 4Ω
+ Khi bố trí cột thu lôi trên xà của trạm 35kV phải tăng cường cách điện của nó lên đến mức cách điện của cấp 110kV
+Trên đầu ra của cuộn dây 6÷10kV cần đặt các chống sét van
+Để bảo vệ cuộn dây 35kV cần đặt chống sét van Khoảng cách giữa chỗ nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp và của chống sét van phải nhỏ hơn 5m + 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
Trang 7đến khoảng cach giữa các cột thu lôi đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu lôi đến vật được bảo vệ
Đối với các nhà máy điện dùng sơ đồ bộ thì chỉ được đặt cột thu lôi trên xà máy biến áp khi máy phát điện và máy biến áp được lối với nhau bằng cầu bọc kín và hai đầu được lối đất Nếu cầu có phân đoạn thì không được phép đặt cột thu lôi trên xà máy biến áp Để đảm bảo về mặt cơ khí và để trống ăn mòn cần phải theo đúng qui định về loại vật liệu, tiếp diện dây dẫn dùng trên mặt đất và dưới đất
1.2 Yêu cầu đối vơí cột tròng sét và dây thu sét
Cột thu sét lên dùng giá đỡ bằng cột bê tông cốt thép để làm dây dẫn dòng điện sét từ kim thu sét đến hệ thống lối đất để giảm vốn đầu tư
+ Cột thu lôi được thiết kế làm việc ở trạng thai tự do không làm việc ở trạng thá căng
+ Khi trọn các phần tử của cột thu lôi (phần thu và dây dẫn dòng điện sét) dựa trên sự phát nóng của chúng và trong tính toán có thể bỏ qua sự tản nhiệt
ra môi trường xung quanh
Kim thu sét phải nhỏ và nhọn để tập trung điện tích tạo lên trường lớn nhất với tia tiên đạo do đó thu hút dòng điện sét và hình thành khu vực an toàn ở bên dưới và xung quanh hệ thống thu sét
+ Dây thu sét phải có tiết diện nhỏ và bề mặt dẫn điện tốt để đảm bảo dòng điện sét chạy qua, tập trung điện tích và thu hút dòng điện sét về phía mình không gây ảnh hưởng đến phần tử nằm trong phạm vi bảo vệ đem lại sự an toàn cho các thiết bị đó
- Khi bố trí dây thu sét để bảo vệ cho đường dây cao áp thì tuỳ theo cách
bố trí dây đãn trên cột có thể treo một hoặc hai thu sét Các dây trống sét được treo trên đường dây tải điện sao cho dây dẫn của cả ba pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của các dây đó
1.3 Tính toán hệ thống chống sét
Trang 81.3.1.Các công thức sử dụng trong tính toán bảo vệ chống sét
a Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét:
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét là miền giới hạn bởi mặt ngoài hình chóp tròn xoay có bán kính đáy được xác định bởi phương trình :
( - )
1
6 , 1
x x
h h h h
r x
+
= (1-1)
Trong đó : - h là độ cao cột thu sét
- rx là bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức cao h x
- hx là độ cao của vật cần được bảo vệ
- h - hx là độ cao hiệu dụng của cột thu sét
Để dễ dàng thuận tiện trong tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo
vệ dạng đơn giản hoá (hình 1-1) đường sinh hình chóp có dạng gấp khúc Khi
đó bán kính bảo vệ được tính toán theo công thức sau đây :
- Khi h x ≤ h
3
2 ; r x= 1,5h (1 -
h
h x
8 ,
0 ) ( 1 - 2 )
- Khi h x ≥ h
3
2 ; r x= 0,75h (1 -
h
h x
) ( 1 - 3 ) Các công thức trên chỉ dùng trong trường hợp cột thu sét cao tới 30m Khi cột có độ cao trên 30m thì phải nhân theo hệ số hiệu chỉnh P với P =
h
5 ,
trên hình vẽ dùng các hoành độ 0,75h.P và 1,5h.P
Trang 9Hình 1.2 Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét
b Phạm vi bảo vệ cuả hai cột thu sét có cùng độ cao
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có kích thước lớn hơn nhiều so với tổng số phạm vi bảo vệ của hai cột đơn Bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh được khu vực có xác suất 100% phóng điện vào cột thu sét có bán kính r
=3,5h Như vậy khi hai cột thu sét đặt cách nhau a = 2R = 7h thì bất kỳ điểm nào trên mặt đất trong khoảng giữa hai cột sẽ không bị sét đánh Từ đó suy ra nếu hai cột thu sét đặt cách nhau khoảng cách a < 7h thì sẽ bảo vệ được độ cao h0 xác định bởi :
h - h0 =
7
a
⇒ h0 = h -
7
a ( 1 - 4 ) Mặt cắt thẳng đứng đi qua hai cột thu sét của phạm vi bảo vệ cho trên hình ( 1-3):
Mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở mức cao hx
Trang 10Hình 1 3 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có cùng độ cao
c Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau
Cột 1 có độ cao h1.
Cột 2 có độ cao h2 (h1< h2)
Khoảng cách giữa 2 cột là a
Ta có cách vẽ phạm vi bảo vệ :
Hình 1 4 Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau
Khi độ cao cột thu sét vượt quá 30m cũng có hiệu chỉnh tương tự như trên và:
0
h = h -
p
a
7 Cách vẽ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao khác nhau đựoc
trình bày trên ( hình 1 - 4 ) Trước tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao, sau