Khái quát cơ bản về hiện tượng dông sét
Dông sét là hiện tượng thời tiết nguy hiểm và bí ẩn, thường đi kèm với sấm chớp Cơn dông hình thành khi khối không khí nóng ẩm di chuyển thẳng, kéo dài từ 30 phút đến 12 tiếng và có thể trải rộng hàng chục đến hàng trăm kilômet Hiện tượng này được ví như một nhà máy phát điện nhỏ với công suất hàng trăm.
Sét có thể đạt điện thế lên tới 1 tỷ V và dòng điện từ 10-200 kA, được hình thành do sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và mặt đất hoặc giữa các đám mây với nhau Một tia sét thông thường đủ sức thắp sáng bóng đèn 100W trong ba tháng Theo ước tính, trên Trái Đất có khoảng 100 cú phóng điện xảy ra mỗi giây, với công suất đạt hàng tỷ kW, làm nóng không khí tại vị trí phóng điện lên tới 28.000 độ C, gấp ba lần nhiệt độ bề mặt của Mặt Trời.
Các đám mây dông tích điện hình thành do sự cọ xát giữa các hạt nước và hạt băng, tạo ra điện tích Qua quá trình đối lưu, điện tích dương tập trung ở đỉnh mây, trong khi điện tích âm dồn xuống phía dưới Nghiên cứu cho thấy, mây dông thường có cấu trúc với điện tích âm ở độ cao 6 km, điện tích dương ở độ cao 8-12 km, và một khối điện tích dương nhỏ ở chân mây Khi các điện tích đạt đủ cường độ, hiện tượng phóng điện sét sẽ xảy ra.
Sự phóng điện của sét có thể chia làm 3 giai đoạn:
- Khởi đầu bằng các phóng điện ban đầu ít toả sáng phát triển với vận tốc không lớn (200 km/s) hướng về chướng ngại vật dưới mặt đất
- Điện tích âm di chuyển về phía các điện tích dương theo đường zigzags gọi là các tia tiên đạo (leader).
- Nối tiếp sau các tia tiên đạo, xuất hiện một một hồ quang phóng điện ngược
Khi tia tiên đạo tiến gần đến mặt đất, điện trường trong không gian giữa đầu tia và mặt đất trở nên rất mạnh, dẫn đến quá trình ion hóa mạnh mẽ Sự ion hóa này tạo ra dòng plasma với mật độ vượt trội hơn hẳn so với tia tiên đạo.
- Dòng plasma được kéo dài, kết thúc sự duy chuyển các điện tích
- Nếu đám mây vẫn còn chứa các điện tích, quá trình này lại có thể lặp lại
- Giai đoạn này tia tiên đạo không phát triển theo các tia loé sáng như tia tiên đạo đầu tiên mà có dạng liên tục.
Sét gây ra những tác hại nghiêm trọng cho con người và thiết bị khi đánh xuống đất Có hai loại sét chính: sét âm và sét dương Sét âm chiếm 90% và thường xuất phát từ phần dưới của đám mây, trong khi sét dương xuất hiện từ đỉnh đám mây Sét dương rất nguy hiểm vì nó có thể xuất hiện bất ngờ trong điều kiện trời quang đãng, trước khi có mưa.
Việt Nam nằm ở vùng nhiệt đới Châu Á, thuộc ba khu vực có hoạt động dông sét mạnh nhất thế giới Mùa dông ở Việt Nam kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10, với trung bình khoảng 100 ngày dông và 250 giờ dông mỗi năm Mỗi năm, Việt Nam ghi nhận khoảng hai triệu cú sét đánh xuống đất, cho thấy sự phổ biến của hiện tượng này trên toàn lãnh thổ.
Việc phòng chống sét đánh trực tiếp vào các công trình, đặc biệt là hệ thống điện, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ nguồn cung cấp điện cho nền kinh tế quốc dân.
Ảnh hưởng, tác hại của dông sét
Con người là nạn nhân chính khi nói đến thiệt hại do dông sét gây ra Sét có thể gây thương tích cho con người qua nhiều hình thức khác nhau.
- Đánh trực tiếp vào nạn nhân
- Sét đánh vào vật gần nạn nhân, các tia lửa điện sinh ra phóng qua không khí vào nạn nhân (còn gọi là sét đánh tạt ngang)
- Sét đánh xuống mặt đất và lan truyền ra xung quanh
Sét có thể lan truyền qua đường dây điện và điện thoại, gây ra những tác hại nghiêm trọng cho các công trình và thiết bị Những tác hại này bao gồm việc bị đánh trực tiếp, cũng như các ảnh hưởng từ cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ.
Sét đánh trực tiếp gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng, thường xảy ra tại những vị trí cao như cột điện, nhà cao tầng, hoặc cột thu phát sóng do sự tập trung điện tích Tuy nhiên, sét cũng có thể đánh vào những nơi thấp nếu chúng dẫn điện tốt hơn Khi sét đánh, nhiệt độ không khí có thể tăng lên đáng kể, đủ để làm chảy các tấm sắt dày 4mm, gây nguy hiểm đặc biệt cho các công trình chứa vật liệu dễ cháy nổ như kho mìn hay bể xăng dầu Ngoài ra, sét còn có khả năng phá vỡ ống khói gạch với chiều dài lên tới 30-40 m, tạo ra mảnh vỡ văng xa đến 200-300 m.
Tác hại gián tiếp của sét gồm cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ.
Cảm ứng tĩnh điện xảy ra khi các công trình trên mặt đất không được nối đất tốt, dẫn đến việc tích tụ điện tích trái dấu do ảnh hưởng của đám mây dông mang điện tích Khi có sét đánh gần, các điện tích trên công trình có thể mất đi không kịp thời, gây ra điện thế cao so với mặt đất Điện thế này có thể xâm nhập vào nhà qua dây điện, dây mạng hoặc ống kim loại, tạo ra tia lửa điện nguy hiểm, gây cháy nổ hoặc tai nạn cho con người.
Khi sét đánh vào các dây dẫn sét gần công trình, nó tạo ra một từ trường biến đổi mạnh xung quanh dây dẫn Từ trường này kích thích các mạch vòng kín, gây ra sức điện động cảm ứng và dẫn đến hiện tượng phóng điện thành tia lửa nguy hiểm.
Hệ thống điện thường bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi dông sét, đặc biệt là các đường dây tải điện trên không có chiều dài lớn Những đường dây này đi qua nhiều vùng khác nhau, làm tăng xác suất bị sét đánh Khi sét đánh vào đường dây, có thể xảy ra phóng điện trên cách điện, dẫn đến sự cố cắt điện Ngay cả một điểm bị sét đánh trên đường dây dài cũng có thể gây ra sự cố ngắn mạch, kích hoạt máy cắt và dẫn đến ngừng cung cấp điện, gây tổn thất nghiêm trọng Do đó, các sự cố do sét trong hệ thống điện chủ yếu xảy ra trên đường dây tải điện.
Sét đánh vào đường dây điện có thể tạo ra sóng quá điện áp lan truyền về phía trạm biến áp, thường bị biến dạng do hiệu ứng vầng quang Quá điện áp khí quyển xuất hiện từ sét đánh trực tiếp hoặc gần đường dây Sét đánh trực tiếp là mối nguy hiểm lớn, vì đường dây phải chịu toàn bộ năng lượng từ phóng điện sét Nếu sét đánh vào phần dẫn điện của trạm biến áp, dòng điện sét có thể truyền ra ngoài và quá điện áp trên thanh cái sẽ được xác định bởi nhiều yếu tố.
Trong đó: là tổng trở xung kích của đường dây (cỡ 400 Ω) n là số đường dây được nối với phần bị sét đánh
Trường hợp quá điện áp xảy ra khi n = 1, có thể đạt đến 800kV với dòng điện sét nhỏ khoảng 2kA Điện áp này có khả năng gây phóng điện, dẫn đến sự cố trong trạm Việc sử dụng khe hở phóng điện hoặc chống sét van có thể bảo vệ các thiết bị quan trọng trong trạm khỏi những sự cố này.
Nếu sét đánh vào khu vực làm việc của trạm cách ly với lưới điện bên ngoài, phần bị ảnh hưởng có thể được mô tả bằng điện dung và quá điện áp có trị số tương ứng.
Quá điện áp này được đặc trưng bởi độ dốc và biên độ lớn, với khoảng khe hở khí có thời gian phóng điện kéo dài, dẫn đến việc cả chống sét van và khe hở đều không đủ khả năng bảo vệ các thiết bị.
Việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào đường dây tải điện và trạm biến áp là vô cùng cần thiết Các phân tích đơn giản cho thấy rằng việc này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điện.
Các phương pháp chống sét
Trên thế giới hiện nay, sau 250 năm từ khi Franklin đề xuất phương pháp chống sét, đã xuất hiện nhiều phương pháp khác nhau trong lĩnh vực phòng chống sét Dưới đây là một số phương pháp tiêu biểu.
Phương pháp dùng lồng Faraday:
Vật dẫn có tính chất đặc biệt là điện trường bên trong luôn bằng 0 khi ở trạng thái cân bằng tĩnh điện, điều này có nghĩa là khi đặt vật cần bảo vệ trong lòng một kim loại dẫn điện, nó sẽ không bị ảnh hưởng bởi điện trường bên ngoài Nguyên lý này chính là cơ sở hoạt động của lồng Faraday, được lý thuyết coi là phương pháp lý tưởng để phòng chống sét Tuy nhiên, do tốn kém và không khả thi cho tất cả các công trình, phương pháp này chỉ được áp dụng để bảo vệ một số khu vực đặc biệt như nơi chứa vũ khí thuốc nổ và hạt nhân.
Phương pháp chống sét bằng cột thu sét truyền thống:
Cột thu sét, được phát minh bởi Benjamin Franklin vào năm 1752, là kết quả của thí nghiệm ông thực hiện với một cây thép cao 40 feet để thu nhận tia lửa điện từ đám mây.
250 năm, nguyên lý này vẫn được sử dụng rộng rãi chứng tỏ hiệu của bảo vệ của nó.
Về nguyên tác, cột thu sét là 1 dụng cụ đơn giản gồm 3 bộ phận chính:
-Kim thu sét: là 1 que kim loại nhọn gắn trên đỉnh của công trình cần bảo vệ. Thường có đường kính khoảng 2 cm.
- Hệ thống dây dẫn xuống đất
- Hệ thống tiếp địa: là 1 hay nhiều thanh sắt (thép) dẫn điện tốt được đóng chặt xuống đất có nhiệm vụ tản dòng điện sét vào trong đất.
Phương pháp chống sét truyền thống có hai dạng:
- Hệ gắn thẳng (dùng kim thu sét)
Hệ thống lưới thu sét bao quanh hoặc nằm trên đối tượng cần bảo vệ giúp thu hút phóng điện sét đến các điểm đã được chỉ định trên mặt đất, từ đó tản dòng điện sét vào đất và ngăn chặn sét đánh trực tiếp vào công trình Tác dụng bảo vệ của hệ thống này đến từ việc điện tích tập trung trên đỉnh các cột thu lôi hoặc dây chống sét trong giai đoạn phóng điện tiên đạo, tạo ra điện trường lớn mở đường cho tia tiên đạo Khi tia tiên đạo phát triển từ hệ thống thu sét, điện trường càng được tăng cường, dẫn đến việc sét bị thu hút về các cột thu lôi và dây chống sét, bảo vệ hiệu quả cho các công trình thấp hơn nằm gần đó.
Hệ thống chống sét Franklin không đảm bảo hiệu quả 100% trong việc bảo vệ khỏi sét Mặc dù kim thu sét thường thu hút sét và phương pháp này có hiệu quả tương đối tốt, nhiều thử nghiệm đã chỉ ra rằng sét có thể bỏ qua kim thu sét và đánh trực tiếp vào công trình, ngay cả khi kim được đặt ở độ cao lớn.
Cột thu sét Franklin đã được cải tiến để nâng cao hiệu suất thu sét, khắc phục nhược điểm thụ động của các kim thu sét truyền thống Những cải tiến này giúp cột thu sét phát tia tiên đạo, tăng cường khả năng thu hút sét hiệu quả hơn.
Đầu thu là một thiết bị cố định, có chức năng thu sét và bảo vệ đầu phát xạ ion bên trong Thiết kế của nó cho phép không khí chuyển động xuyên qua đầu phát ion, giúp phát tán các ion ra môi trường xung quanh Điều này tạo ra một môi trường thuận lợi cho việc kích hoạt sớm hiện tượng phóng điện (Corona).
Thân kim được chế tạo từ đồng đã qua xử lý hoặc inox, với một hoặc nhiều đầu nhọn ở phía trên để phát xạ ion Những đầu nhọn này được kết nối với bộ phát xạ ion thông qua dây dẫn được luồn bên trong ống cách điện.
Bộ kích thích phát xạ ion, được chế tạo từ vật liệu ceramic và đặt dưới thân kim trong buồng cách điện, kết nối với các đầu phát xạ qua dây dẫn chịu điện áp cao Khi xảy ra hiện tượng dông sét, bộ phận này sẽ phát ra các điện tích dưới tác dụng của lực.
Nguyên lý hoạt động của kim thu sét dựa trên sự dao động nhỏ giữa kim và cột đỡ, tạo ra áp lực trong bộ kích thích Áp lực này sinh ra điện thế cao tại các đầu nhọn, phát xạ ion và tạo ra một lượng lớn ion xung quanh kim thu sét Những ion này ion hóa không khí xung quanh và phía trên đầu thu, kích thích phóng điện vào kim thu sét, từ đó giảm thiểu nguy cơ sét đánh vào công trình bên dưới.
Vậy hệ Franklin phát tia tiên đạo chủ động hơn hệ truyền thống.
Phương pháp không truyền thống:
Một số hệ chống sét khác với dang Franklin nổi lên trong hàng trục năm gần đây Đáng chú ý là:
- Hệ ngăn chặn sét (Hệ tiêu tán năng lượng sét).
Những người bảo vệ hệ thống kim thu sét phát xạ sớm cho rằng phương pháp này phóng tia tiên đạo sớm hơn so với hệ thống Franklin Một số dụng cụ gây phát xạ sớm bao gồm nguồn phóng xạ và kích thích điện của kim Tuy nhiên, vào năm 1999, 17 nhà khoa học từ hội đồng khoa học ICLP (Hội nghị Quốc tế về Bảo vệ Sét) đã ra tuyên bố phản đối phương pháp này.
Hệ thống ngăn chặn sét được thiết kế để phân tán điện tích của mây dông trước khi xảy ra phóng điện, nhằm tạo ra một đám mây điện tích dương tại khu vực bảo vệ, giúp chệch hướng tia sét Hệ thống này chủ yếu bao gồm nhiều kim mũi nhọn nối đất, có thể được cấu tạo dưới dạng lưới kim loại hoặc bàn chải, để tối ưu hóa khả năng phân tán.
Hút sét bằng tia laser:
Ngày nay, việc chống sét cho các công trình hiện đại yêu cầu các phương pháp hiệu quả cao, với sự đóng góp của các nhóm nghiên cứu nổi bật như giáo sư Bazelyan (Nga) và giáo sư Zen Kawazaki (Nhật Bản) Năm 1997, sau nhiều thử nghiệm, Nhật Bản đã thành công trong việc thu được tia sét hai lần Mặc dù về mặt kỹ thuật, việc này khả thi, nhưng thách thức nằm ở việc đồng bộ hóa và chi phí, có thể vượt quá giá trị vàng Nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn đang tiếp tục được triển khai.
Phương pháp phòng chống tích cực:
Dự báo dông sét sớm là một phương pháp hiệu quả được sử dụng trong những năm gần đây, nhờ vào công nghệ hiện đại như radar, vệ tinh và hệ thống định vị phóng điện Phương pháp này cho phép dự đoán khả năng xảy ra dông sét trong khoảng thời gian từ 30 phút đến vài giờ tại các khu vực cụ thể Ứng dụng rộng rãi của nó trong hàng không, ngành điện lực và đảm bảo an toàn cho con người đã chứng minh tầm quan trọng của dự báo dông sét sớm.
TÍNH TOÁN CÁC PHƯƠNG ÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP 12
Mở đầu
Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây và trạm biến áp, trong đó trạm biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải và phân phối điện năng Sét đánh trực tiếp vào thiết bị của trạm có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng, dẫn đến gián đoạn cung cấp điện và ảnh hưởng đến sản xuất điện năng cũng như các ngành kinh tế khác Do đó, việc tính toán và thiết kế các biện pháp bảo vệ chống sét cho trạm biến áp ngoài trời là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả, bảo vệ toàn bộ thiết bị trong trạm khỏi tác động của sét.
Để đảm bảo an toàn cho các thiết bị trong trạm, việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp là rất quan trọng Bên cạnh đó, cần chú ý đến việc bảo vệ các đoạn đường dây gần trạm và đoạn dây nối từ xà cuối cùng của trạm đến cột đầu tiên của đường dây.
Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh trực tiếp
Tất cả thiết bị bảo vệ phải nằm trong khu vực an toàn của hệ thống bảo vệ Tùy thuộc vào đặc điểm mặt bằng và cấp điện áp của trạm, cột thu sét có thể được lắp đặt trên các cấu trúc có sẵn như xà hoặc cột đèn chiếu sáng, hoặc có thể được đặt độc lập.
Khi lắp đặt hệ thống cột thu sét trên công trình, việc tận dụng độ cao của công trình giúp giảm chiều cao của hệ thống thu sét Tuy nhiên, cần đảm bảo mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất phải nhỏ Đối với trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên, do có cách điện cao với khoảng cách giữa các thiết bị lớn, cột thu sét có thể được đặt trên các kết cấu của trạm Các trụ của kết cấu này phải được nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối, theo đường ngắn nhất để dòng điện được khuyếch tán vào đất qua 3-4 cọc nối đất Ngoài ra, mỗi trụ cần có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất, đảm bảo không vượt quá 4Ω.
Nơi yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời điện áp 110 kV trở lên là cuộn dây MBA.
Khi sử dụng chống sét van để bảo vệ MBA, cần đảm bảo khoảng cách giữa hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA theo đường điện phải lớn hơn 15m.
Khi thiết lập khoảng cách cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình, cần đảm bảo khoảng cách này đạt yêu cầu tối thiểu Nếu khoảng cách quá nhỏ, sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện trong không khí và đất, gây nguy hiểm cho công trình và con người.
Phần dẫn điện trong hệ thống thu sét cần có tiết diện đủ lớn để đảm bảo ổn định nhiệt khi dòng điện sét đi qua.
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét
a) Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét được xác định bởi hình chóp tròn xoay, trong đó đường kính được tính theo công thức: r x = 1,6 / (1 + h x / h) Công thức này giúp xác định khu vực an toàn mà cột thu sét có thể bảo vệ khỏi các tác động của sét.
Cột thu sét có độ cao tương ứng với vật cần bảo vệ, và độ cao hiệu dụng của nó xác định bán kính phạm vi bảo vệ Để thuận tiện trong việc tính toán thiết kế, phạm vi bảo vệ thường được đơn giản hóa bằng cách sử dụng đường sinh của hình chóp với dạng đường gãy khúc, như được thể hiện trong hình vẽ 1.1.
Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau được tính toán theo công thức sau:
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét
Các công thức trên chỉ áp dụng cho cột thu sét có chiều cao dưới 30m, vì hiệu quả bảo vệ sẽ giảm khi chiều cao vượt quá mức này do độ cao định hướng của sét giữ hằng số Khi thực hiện tính toán, cần nhân với hệ số hiệu chỉnh và trong hình vẽ, sử dụng các hoành độ để xác định phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu sét.
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp vượt trội hơn so với tổng phạm vi của hai cột đơn Để đảm bảo sự phối hợp hiệu quả giữa hai cột thu sét, khoảng cách a giữa chúng cần phải đáp ứng điều kiện a < 7h, trong đó h là chiều cao của cột thu sét.
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao:
Khi hai cột thu sét có cùng chiều cao h và đặt cách nhau một khoảng a (với a < 7h), độ cao tối đa của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét sẽ được tính theo công thức cụ thể.
Sơ đồ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau.
Khi cột thu sét có độ cao trên 30m, cần thực hiện các hiệu chỉnh bổ sung theo hướng dẫn trong mục a và tính toán ho theo công thức Đặc biệt, phạm vi bảo vệ giữa hai cột thu sét có độ cao khác nhau cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.
Giả sử có hai cột thu sét: cột 1 có chiều cao h1, cột 2 có chiều cao h2 và ℎ1 > ℎ2 Hai cột cách nhau một khoảng là a.
Đầu tiên, xác định phạm vi bảo vệ của cột cao h1 Sau đó, từ đỉnh cột thấp h2, vẽ một đường thẳng ngang tới đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao tại điểm 3 Điểm này được coi là đỉnh của cột thu sét giả định, cùng với cột thấp h1 sẽ tạo thành hai cột có độ cao bằng nhau, bằng h1, với khoảng cách a’ (a’ = a - x) Phần còn lại của phạm vi bảo vệ sẽ tương tự như của cột 1.
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét khác nhau d) Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột (số cột >2)
Một nhóm cột sẽ tạo thành một đa giác, và phạm vi bảo vệ được xác định bởi toàn bộ miền của đa giác cùng với phần giới hạn bên ngoài, tương tự như cách mà từng đôi cột tạo ra.
Phạm vi bảo vệ của nhóm cột
Vật có độ cao hx nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:
Với D là đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bới các cột thu sét
Chú ý:Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p
Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp
Phía 110kV dùng 10 cột trong đó cột N1 đến N5 được đặt ở xà đón dây cao 11m, cột N6 đến N10 được đặt trên thanh xà góp cao 8m
Phía 220kV dùng 8 cột trong đó có cột N15 – N18 được đặt ở xà đón dây cao 17m, cột N11 – N14 được đặt ở trên thanh xà góp cao 11m
Chiều cao tính toán cột bảo vệ cho phía trạm 110kV là hx m và hx = 8m
Chiều cao tính toán cột bảo vệ cho phía trạm 220kV là hx m và hx m
Tính toán độ cao hữu ích của cột thu sét:
• Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi tam giác hoặc tứ giác nào đó thì độ cao cột thu lôi phải thỏa mãn:
- D là đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ giác
- h a là độ cao hữu ích của cột thu lôi.
• Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo vệ của một cột.
• Điều kiện để hai cột thu lôi phối hợp được với nhau là: a h ≤ 7.h
- a là khoảng cách giữa hai cột thu sét
- h là chiều cao toàn bộ cột thu sét
• Xét nhóm cột N1-N2-N6-N7 tạo thành hình nhữ nhật có cạnh a 1−2 = 20m, a 1−6 $m
Hình chữ nhật có đường chéo L = √ 20 2 +24 2 =¿ 31,2(m) Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình chữ nhật là đường chéo hình chữu nhật đó nên D
Vậy độ cao cột thu lôi phải có 8 h a ≥ 31,2 h a ≥ 3,9(m)
• Xét nhóm cột N10-N13-N14 tạo thành tam giác vuông. a 10−14 = 55(m), b 13−14 4(m)
Cạnh huyền có chiều dài b 10−13 = √ 55 2 +34 2 = ¿ 64,7(m)
Nửa chu vi tam giác : p = a+b 2 + c = 55+ 34+64,7 2 = 76,9(m) Đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác :
2 √ 76,9 ( 76,9 −55 ) ( 76,9 −34 ) (76,9−64,7) = 64,7(m) Vậy độ cao cột thu lôi 8 h a ≥ 64,7 h a ≥ 8,07(m)
Tính toán tương tự các đa giác còn lại ta có bảng sau Đa giác Đường kính đường tròn ngoại tiếp(m) h a (m)
Ta đo được các kích thước
- Đoạn N6-N11 là 59m, Đoạn N7-N11 là 69m, Đoạn N7-N12 là 55,4m, Đoạn N8-N12 là 61,6m, Đoạn N8-N13 là 55,1m, Đoạn N9-N13 là 56,6m
Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp
Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu lôi, ta chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm như sau:
- Độ cao tác dụng lớn nhất h a = 9,3m
- Độ cao lớn nhất của vật cần bảo vệ 11m
- Do đó độ cao các cột thu sét phía 110kV là : h 110 = 9,3 + 11 = 20,3(m)
Để tăng độ dự trữ ta sẽ chọn h 110 ,5(m)
- Độ cao tác dụng lớn nhất h a = 9,3m
- Độ cao lớn nhất của vật cần bảo vệ 17m
- Do đó độ cao các cột thu sét phía 220 kV là : h 220 = 9,3 + 17 = 26,3(m)
Để tăng độ dự trữ ta sẽ chọn h 220 &,5(m)
Tính toán phạm vi bao vệ của 1 cột thu lôi
• Bán kính bảo vệ của các cột 20,5 m (các cột N1-N10 phía 110 kV)
Bán kính bảo vệ ở độ cao h x = 8m
• Bán kính bảo vệ của các cột 26,5 m (các cột N11-N18 phía 220 kV)
Ta có bán kính bảo vệ của các cột riêng lẻ được tổng hợp như bảng dưới
Bán kính bảo vệ r x (m) h x = 8 h x h x h x Phía 220kV 25 r x $,8 r x ,1 r x ,1 r x =7,9 Phía 110kV 20,5 r x ,8 r x ,1 r x ,1 r x =2,6
Bảng 1.1:Tổng hợp phạm vi bảo vệ riêng của các cột chống sét
Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét quanh trạm
• Xét cặp cột có chiều cao bằng nhau N1-N2 a = 26,5m,h = 20,5m ta có Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét h 0 = h - a 7 = 20,5 - 20 7 = 17,6(m)
Bán kính của khu vực giữa 2 cột thu sét
Với chiều cao cần bảo vệ h x =8m
Với độ cao của vật cần bảo vệ h x =¿ 11m
• Xét cặp cột có chiều cao khác nhau N6 – N11 a = 59m và h 6 = 20,5 m và h 11 = 26,5m
Vì h 6 ,5m ≥ 2 3 26,5 nên ta vẽ cột giả định N6’ có độ cao 15m cách cột N11 khoảng cách là
Khoảng cách từ cột giả định N6 đến N6’ là a’ = a – x = 59 – 4,5 = 54,5(m)
Phạm vi bảo vệ của 2 cột N6 và N6’ là : Độ cao lớn nhất của khu vựa bảo vệ giữa 2 cột là : h 0 = h - a 7 = 20,5 - 54,5 7 = 12,7(m)
Bán kính của khu vực giữa 2 cột thu sét là :
Với độ cao bảo vệ h x =8 m ≤ 2
Với độ cao bảo vệ h x m ≥ 2 3 12,7 nên ta có r x =0,75 h.¿ ) = 0,75.12,7.(1 - 12,7 11 ) = 1,3(m)
Tính toán tương tự với các cặp cột ta có bảng sau
Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét phương án 1 b) Phương án 2
Phía 110kV dùng 9 cột trong đó cột N1 đến N4 được đặt ở xà đón dây cao 11m,cột N5 đến N9 được đặt trên thanh xà góp cao 8m
Phía 220kV dùng 8 cột trong đó có cột N14 – N17 được đặt ở xà đón dây cao 17m,cộtN10 – N13 được đặt ở trên thanh xà góp cao 11m
Chiều cao tính toán cột bảo vệ cho phía trạm 110kV là hx m và hx = 8m
Chiều cao tính toán cột bảo vệ cho phía trạm 220kV là hx m và hx m
Để bảo vệ hiệu quả một khu vực nhất định hình thành bởi tam giác hoặc tứ giác, cột thu lôi cần được tính toán với độ cao phù hợp.
- D là đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ giác
- h a : là độ cao hữu ích của cột thu lôi
Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi luôn lớn hơn so với một cột đơn Để hai cột thu lôi có thể hoạt động phối hợp hiệu quả, cần phải đảm bảo các điều kiện nhất định.
Trong đó: h là chiều cao toàn bộ cột thu sét
Xét nhóm cột N1-N5-N6 phía 110kV tạo thành hình tam giác cân có cạnh a 1−5 = 26m, a 1−6
Nửa chu vi tam giác : p = a+b 2 +c = 55+34 2 +64,7 = 76,9(m) Đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác :
Vậy độ cao cột thu lôi phải có 8 h a ≥ 28,2 h a ≥ 3,5(m)
Xét nhóm cột N10-N11-N14-N15 phía 220kV tạo thành hình vuông có cạnh a 10−14 = a 10−11
Hình vuông có đường chéo L = √ 34 2 + 34 2 =¿ 48,1(m) Đường kính đường tròn ngoại tiếp hình vuông là đường chéo hình vuông đó nên D
Vậy độ cao cột thu lôi phải có 8 h a ≥ 48,1 h a ≥ 6(m)
Tính toán tương tự ta có các đường kính đường tròn ngoại tiếp các đa giác sau Đa giác Đường kính đường tròn ngoại tiếp(m) h a (m)
Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp
Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu lôi, ta chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm như sau:
Phía 110kV Độ cao tác dụng lớn nhất h a = 10,9m Độ cao lớn nhất của vật cần bảo vệ 11m
Do đó độ cao các cột thu sét phía 110kV là : h 110 = 10,9+ 11 = 21,9(m) Để tăng độ dự trữ ta sẽ chọn h 110 "(m)
Phía 220kV Độ cao tác dụng lớn nhất h a = 10,9m Độ cao lớn nhất của vật cần bảo vệ 17m
Do đó độ cao các cột thu sét phía 220 kV là : h 220 = 10,9 + 17 = 27,9(m) Để tăng độ dự trữ ta sẽ chọn h 220 ((m)
Tính toán phạm vi bao vệ của 1 cột thu lôi
• Bán kính bảo vệ của các cột 22m (các cột N1-N9 phía 110 kV)
Bán kính bảo vệ ở độ cao h x = 8m
• Bán kính bảo vệ của các cột 28 m (các cột N10-N17 phía 220 kV)
Ta có bán kính bảo vệ của các cột riêng lẻ được tổng hợp như bảng dưới
Bán kính bảo vệ r x (m) h x = 8 h x h x h x Phía 220kV 28 r x ' r x !,4 r x !,4 r x ,1 Phía 110kV 22 r x r x ,4 r x ,4 r x =3,8
Bảng 1.1:Tổng hợp phạm vi bảo vệ riêng của các cột chống sét
Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét quanh trạm
• Xét cặp cột có chiều cao bằng nhau N1-N2 a = 20m,h = 22m ta có Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét h 0 = h - a 7 = 22 - 20 7 = 19,1(m)
Bán kính của khu vực giữa 2 cột thu sét
Với chiều cao cần bảo vệ h x =8m
Với độ cao của vật cần bảo vệ h x =¿ 11m
Xét cặp cột N1-N5 có chiều cao bằng nhau : a = 26m,h = 22m ta có Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét h 0 = h - a 7 = 22 - 26 7 = 18,3(m)
Bán kính của khu vực giữa 2 cột thu sét
Với chiều cao cần bảo vệ h x =8m
Với độ cao của vật cần bảo vệ h x =¿ 11m
• Xét cặp cột có chiều cao khác nhau N5 – N10 a = 75m và h 6 = 22 m và h 11 = 28m
Vì h 5 "m ≥ 2 3 28 nên ta vẽ cột giả định N5’ có độ cao 15m cách cột N10 khoảng cách là : r x =0,75 h.¿ ) = 0,75.28.(1 - 22 28 ) = 4,5(m)
Khoảng cách từ cột giả định N6 đến N6’ là a’ = a – x = 75 – 4,5 = 70,5(m)
Phạm vi bảo vệ của 2 cột N5 và N5’ là : Độ cao lớn nhất của khu vựa bảo vệ giữa 2 cột là : h 0 = h - a 7 = 22 - 70,5 7 = 16,2(m)
Bán kính của khu vực giữa 2 cột thu sét là :
Với độ cao bảo vệ h x =8 m ≤ 2
Với độ cao bảo vệ h x m ≥ 2 3 16,2 nên ta có r x =0,75 h.¿ ) = 0,75.16,2.(1 - 16,2 11 ) = 3,9(m)
Tính toán tương tự với các cặp cột ta có bảng sau
Phạm vi bảo vệ của các cột chống sét phương án 2 c) So sánh và tổng kết phương án
Cả hai phương án bố trí cột thu sét đều đảm bảo an toàn cho tất cả các thiết bị trong trạm, đồng thời đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật cần thiết.
Cả hai phương án bảo vệ chống sét cho nhà điều hành độc lập đều có lợi về mặt kinh tế, do đó không cần xây thêm cột chống sét cho nhà điều hành.
Phía 110kV dùng 10 cột trong đó cột N1 đến N5 được đặt ở xà đón dây cao 11m, cột N6 đến N10 được đặt trên thanh xà góp cao 8m
Phía 220kV dùng 8 cột trong đó có cột N15 – N18 được đặt ở xà đón dây cao 17m, cột N11 – N14 được đặt ở trên thanh xà góp cao 11m
Tổng chiều dài cột là:
Phía 110kV dùng 9 cột trong đó cột N1 đến N4 được đặt ở xà đón dây cao 11m,cột N5 đến N9 được đặt trên thanh xà góp cao 8m
Phía 220kV dùng 8 cột trong đó có cột N14 – N17 được đặt ở xà đón dây cao 17m,cột N10 – N13 được đặt ở trên thanh xà góp cao 11m
Tổng chiều dài cột là:
Phương án 2 được lựa chọn cho thiết kế chống sét của trạm biến áp do có số cột thu sét ít hơn và tổng chiều dài cột nhỏ hơn, mang lại hiệu quả tối ưu cho hệ thống.