BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
3.4 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT KINH TẾ KHI DÙNG HỆ THỐNG CỘT THU SÉT ĐỂ BẢO VỆ SÉT ĐÁNH THẲNG CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
Ở các trạm biến áp và nhà máy điện trong những điều Kiện nhất định, cột thu sét có thể đặt ngay trên các kết cấu công trình của trạm và nhà máy như cột xà, mái nhà, ống khói, cột đèn pha chiếu sáng... nhờ lọi dụng các độ cao sẵn có này của trạm mà tận dụng phạm vi bảo vệ và giảm được giá thành xây dựng cột thu sét. Nhưng khi sét đánh vào cột thu sét, dòng điện sét truyền qua thân cột tản qua điện trở nối đất có thể gây nên phóng điện ngược từ các kết cấu công trình (xà, cột) của trạm đến các bộ phận mạng điện (dây dẫn, thanh góp) nếu điện áp
giáng xung trên hệ thống nối đất vượt qua mức cách điện xung của trạm. Do đó, việc đặt cột thu sét trên kết cấu công trình của trạm chỉ cho phép khi trạm có mức cách điện xung cao và điện trở nối đất bé. Đối với trạm 110kV trở lên, các yêu cầu này dễ dàng thoả mãn. Còn đối với trạm 35kV chỉ cho phép đặt cột thu sét trên các kết cầu công trình của trạm (trừ xa máy biến áp), trong các điều kiện, khi điện trở nối đất của kết cấu có đặt cột thu sét không vượt quá 4Ω trong phạm vi có bán kính 20m, nếu điện trở suất của đất ρ ≤ 500Ωm và trọng phạm bi bán kính 30m nếu điện trở suất của đất ρ> 500Ωm
Chân của các kết cấu có đặt cột thu sét phải được nối theo đường ngắn nhất vào hệ thống nối đất của trạm tại giao điểm của các thanh cân bằng thế, đồng thời tại nơi đặt cột thu sét để tản dòng sét thuận lợi, nối đất của trạm được tăng cường bằng cách bổ sung thêm một số tia hoặc cọc hoặc tổ hợp tia cọc nối đất tuỳ trị số điện trở suất của đấtρbé hay lớn, được gọi là nối đất bổ sung.
Khi các điều kiện trên không thoả mãn, cũng như khi điện trở suất của đất ρ> 1000 Ωm thì cột thu sét được đặt cách ly với kết cấu công trình của trạm và nối đất của cột thu sét không nối chung với mạch nối đất an toàn của trạm. Khi đặt cột thu sét cách ly thì khoảng cách từ thân cột thu sét đến các vật cần bảo vệ của trạm, trong không khí, cũng như khoảng cách trong đất giữa nối đất của cột thu sét và nối đất an toàn của thiết bị, phải đủ lớn để bảo đảm không có phóng điện ngược từ phía cột thu sét sang thiết bị được bảo vệ (H.3.15).
Hình 3.15: Cột thu sét đặt cách ly
Khi sét đánh vào cột thu sét điện thế của điểm A trên thân cột (tương ứng với độ cao lớn nhất của vật được bảo vệ) được tính theo :
tb s A x s
A dt
L di R I
U = + ( ) (3.14)
Và điện áp giáng xung trên hệ thống nối đất cột thu sét được tính theo:
Uđ= IsRx (3.15)
Với Is – biên độ dòng điện sét, kA
LA - điện cảm của phần cột thu sét từ mặt đất đến điểm A, μH Rx - điện trở tản xung của nối đất cột thu sét , Ω
tb s
dt di )
( - độ dốc đầu sóng trung bình của dòng điện sét, kA/μs.
Trong tính toán thiết kế chống sét cho các trạm có công suất lớn, theo qui phạm chống sét hiện hành để có độ an toàn cao thường lấy Is = 150kA, kA s
dt dis
μ /
=30 . Đối với cột thu sét bằng thép kiểu mạng lưới, trị số điện cảm theo đơn vị chiều dài khoảng Lo = 1,7 μH/m.
Từ đó UA = 150Rx + 30x1,7lA.
Muốn không có phóng điện từ cột sang vật được bảo vệ, rõ ràng phải đảm bảo sao cho độ bền điện xung của khoảng cách không khí cao hơn điện áp xung tác dụng lên khoảng cách không khí đó, tức là:
K x A A
k K K x x
E U U
S E
U k __
__ . > ⇒S >
= (3.16)
VớiUxK - điện áp phóng điện xung bé nhất của khoảng cách không khí Sk kA
K
Ex
__ - độ bền điện xung trung bình của không khí, kV/m Còn điện áp trên bộ phận nối đất của cột thi sét bằng:
D x d d
d D D x x
E U U
S E
U d __
__ . > ⇒S >
= (3.17)
D
Ex
__ là độ bền điện xung trung bình của đất, kV/m
Độ bền điện xung của không khí trung bình khoảng 500kV/m và của đất khoảng 300kV/m. Từ đó suy ra khoảng cách an toàn trong không khí:
A x A
x
k R l R l
S 0,3 0,1
500 50
150 + = +
>
Và trong đất: d Rx Rx
S 0,5
500
150 =
>
Có thể xuất phát từ điều kiện an toàn này để xác định trị số điện trở nối đất cần phải đạt được của hệ thống thu sét hoặc khi đã biết điện trở nối đất thì căn cứ vào đó để xác định hoặc kiểm tra khoảng cách an toàn.
Ví dụ về bố trí và tính toán độ cao hệ thống thu sét
Hình 3.16 trình bày mặt bằng của một trạm phân phối ngoài trời 110kV và thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh thẳng. Chiều cao lớn nhất cần được bảo vệ của trạm là độ cao của dây dẫn hx = 11m.
1
27
3
10,8 8
10,8
7
VI D
4=4
8,6 3 39
10,8 6
45,8 D5
=53,8 5
V I D1
=55 2
48 40
3
D II
2=48,3
45,8 D3=4
9,6 III 4
10,8
Hình 3.16: Ví dụ về bố trí và tính toán chiều cao của hệ thống cột thu sét để bảo vệ trạm biến áp
Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ dùng hệ thống kim thu sét đặt trên kết cấu công trình của trạm, vị trí của chúng đánh số từ 1, 2, …7, 8 (trên trụ đỡ cổng và các xà trung gian).
Cơ sở để tính toán ở đây là hệ thống cột thu sét phải có phạm vi bảo vệ trùm kín toàn bộ các thiết bị và bộ phận mang điện của trạm, mặt khác phải có, độ cao hiệu dụng vừa phải, khoảng từ (0,5÷0,6) độ cao của công trình, không gây trở ngại cho sự vận hành bình thường của trạm và bảo đảm mỹ quan cho công trình.
Chia mặt bằng của trạm thành các khu vực từ I đến V và lần lượt tính độ cao hiệu dụng của các cột thu sét trong từng khu vực, kết quả cho trong bảng sau:
Khu vực D (m) ho (m) hx (m) htt (m)
I 55 6,9 11 17,9
II 48,3 6,0 11 17
III 49,6 6,2 11 17,2
IV 49,6 6,2 11 17,2
V 53,8 6,7 11 17,7
Lựa chon tất cả các cột cùng độ cao hiệu dụng là ha = 7m, như vậy độ cao của tất cả các cột thu sét h = ha + hx =7+11 = 18m (chú ý: các xà trạm có đặt kim thu sét có độ cao 11m)
Từ hình vẽ thấy rằng các đoạn thanh góp gàn xà A và B có độ cao 8,2m nằm ngoài giới hạn khu vực III và IV, nên cần kiểm tra lại khả năng bảo vệ đối với các đoạn thanh góp này.
Vẽ phạm vi bảo vệ của đôi cột 4-7 và 6-8 8 , 2 10 , 8 18
2 , 8 18 18
6 , 1 6
,
1 =
+
× −
× + =
= −
x x
x h h
h hh
r m
a m h
ho 18 6,6 11,4
7 8 , 18 45
7 = − = − =
−
=
h m h
h h h
r
x o
x o o
x 3
2 , 8 4 , 11
2 , 8 4 , 4 11 , 11 6 , 1 6
,
1 =
+
× −
× + =
= −
Hình vẽ cho thấy các đoạn thanh góp gần các xà A và B đề nằm trong phạm vi bảo vệ của các cột thu sét tương ứng.
Kết luận: Toàn bộ trang bị và bộ phận mang điện của trạm đều được bảo vệ kín chống sét đánh thẳng.