›
›

Bài giảng An toàn điện - Chương 3: Bảo vệ nối đất

doc 39 trang phuongnguyen 4090
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng An toàn điện - Chương 3: Bảo vệ nối đất", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docbai_giang_an_toan_dien_chuong_3_bao_ve_noi_dat.doc

Nội dung text: Bài giảng An toàn điện - Chương 3: Bảo vệ nối đất

  1. Chương 8 Bảo vệ nối đất 8.1. Một số khái niệm, định nghĩa Hệ thống nối đất – tập hợp các cực tiếp địa và dây nối đất có nhiệm vụ truyền dẫn dòng điện xuống đất. Hệ thống nối đất bao gồm nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo. Cực tiếp địa – Cọc bằng kim loại dạng tròn, ống hoặc thép góc, dài 23 mét được đóng sâu trong đất. Các cọc này được nối với nhau bởi các thanh giằng bằng phương pháp hàn. Hệ thống nối đất tự nhiên – hệ thống các thiết bị, công trình ngầm bằng kim loại có sẵn trong lòng đất như các cấu kiện bê tông cốt thép, các hệ thống ống dẫn bằng kim loại, vỏ cáp ngầm v.v. Hệ thống nối đất nhân tạo – hệ thống bao gồm các cực tiếp địa bằng thép hoặc bằng đồng được nối liên kết với nhau bởi các thanh ngang. Phân biệt hai dạng nối đất là nối đất làm việc và nối đất bảo vệ. Hệ thống nối đất làm việc – hệ thống nối đất mà sự có mặt của nó là điều kiện tối cần thiết để các thiết bị làm việc bình thường, ví dụ nối đất điểm trung tính của máy biến áp, nối đất của các thiết bị chống sét v.v. Hệ thống nối đất bảo vệ – hệ thống nối đất với mục đích loại trừ sự nguy hiểm khi có sự tiếp xúc của người với các phần tử bình thường không mang điện nhưng có thể bị nhiễm điện bất ngờ do những nguyên nhân nào đó. Ví dụ nối đất vỏ thiết bị, nối đất khung, bệ máy v.v. 8.2. Phân tích đặc điểm của quá trình phân tán dòng điện trong đất Khi có sự cố chạm đất, dòng điện truyền vào đất qua các đầu cực tiếp xúc rồi tỏa ra mọi hướng. Giả thiết đầu tiếp xúc có dạng hình cầu đường kính D. Mật độ dòng điện đi vào đất chính là mật độ dòng điện tính trên một đơn vị diện tích của nửa bề mặt hình cầu Sc/2, được xác định theo biểu thức: I 2I I j d d d 2 S 2 2 , A/m (8.1) c D 2 .rc 2 rc- bán kính cực tiếp địa. 149
  2. Ở một điểm cách trục tiếp địa một khoảng x, mật độ dòng điện sẽ là: I d 2 jx , A/m (8.2) 2 .x2 Cường độ điện trường tại điểm này là: Id Ex jx 2 , V/m; (8.3) 2 .x x I Id dx d Trong đó rc Id- dòng điện chạy trong đất, A; - điện trở suất của đất, .m. (x) Độ rơi điện áp trong dải đất dx: max d x Exdx (8.4) x Điện thế tại điểm xét: 20m 20m I dx I Hình 8.1 Quá trình phân tán dòng điện d d d x x 2 (8.5) trong đất và sự phân bố điện thế x 2 x x 2 .x Biểu thức (8.5) chính là phương trình Hypebol. Giá trị điện thế cực đại ở trên cực tiếp địa (ứng với bán kính của cực tiếp địa rc) được xác định: Id max (8.6) 2 .rc Vùng đất cách cực tiếp địa 20 mét trở lên được coi là vùng điện thế zero, có =0. UtxM b UtxN U O M N Hình 8.2. Đặc tính điện thế do dòng điện chạy trong đất gây ra. So sánh các giá trị điện áp tiếp xúc tại các điểm khác nhau, khi người đứng ở vị trí M và N (hình 8.2), ta thấy U txM < UtxN, điều đó được thể hiện qua các biểu thức: 150
  3. UtxM = max- M (8.7) UtxN = max- N Nếu điểm N nằm cách vị trí đặt hệ thống nối đất trên 20 mét thì N=0, khi đó điện áp tiếp xúc sẽ có giá trị lớn nhất (UtxN= max). Phân tích đặc tính điện thế hình 8.2 ta rút ra một số nhận xét sau : - Khi người ở vị trí càng gần với nơi đặt tiếp địa thì giá trị điện áp bước sẽ càng cao ; - Người ở vị trí càng gần điểm tiếp địa mà chạm vào vỏ thiết bị thì điện áp tiếp xúc sẽ nhỏ hơn so với trường hợp đứng ở vị trí xa (UtxM<UtxN). 8.3. Vai trò của bảo vệ nối đất Từ đây, để đơn giản, điện trở của hệ thống nối đất bảo vệ R d.bv được ký hiệu chỉ đơn thuần là Rd. Như đã biết, trong mạng điện hạ áp có trung tính nối đất, tất cả các phần tử kim loại của các thiết bị bình thường không mang điện đều được nối với hệ thống nối đất bảo vệ. Vai trò bảo vệ của hệ thống nối đất này được giải thích như sau : Khi có sự ngắn mạch chạm masse, nếu vỏ thiết bị không được nối đất (hình 8.3.a) thì trên vỏ sẽ xuất hiện điện áp bằng điện áp pha, do đó sẽ gây nguy hiểm khi người tiếp xúc với nó. Nếu vỏ thiết bị được nối đất (hình 8.3.b), thì giá trị điện áp tiếp xúc chỉ bằng độ rơi điện áp trên điện trở của hệ thống nối đất bảo vệ, nếu hệ thống nối đất bảo vệ có giá trị đủ nhỏ thì có thể đảm bảo được sự an toàn cho người khi tiếp xúc với vỏ thiết bị. a) b) Hình 8.3. Nguyên lý bảo vệ nối đất a) khi chưa có nối đất vỏ thiết bị; b) khi có nối đất vỏ thiết bị. Xét sơ đồ hình 8.4, khi có ngắn mạch chạm masse sẽ có dòng điện sự cố chạy trong mạch kín Id , được xác định theo biểu thức: 151
  4. U ph I d (8.8) Rtd Rdn Rph Trong đó Uph- điện áp pha, V; Rtd- điện trở tương đương: Rng Rd Rtd (8.9) Rng Rd Rng Rng- điện trở cơ thể người, ; Rd- điện trở hệ thống nối đất bảo vệ, ; Rd Rdn Rdn- điện trở hệ thống nối đất nguồn, ; Id Ing a) Rph- điện trở dây pha, ; Giá trị điện áp đặt lên cơ thể người là : R Rng Rtd Utx= IdRtd; (8.10) d Dòng điện chạy qua cơ thể người : Id Id Rdn U tx Rdn I ng (8.11) Rng Rph Rph Thay giá trị của U tx từ (8.10) vào (8.11) b) và sau một vài biến đổi đơn giản ta được Hình 8.4. Giải thích vai trò của bảo vệ nối đất. I d .Rtd I d .Rd I ng (8.12) a) Sơ đồ mạng điện có bảo vệ nối đất; Rng Rng Rd b) Sơ đồ thay thế . Nghĩa là dòng điện chạy qua cơ thể người phụ thuộc vào điện trở của hệ thống nối đất bảo vệ R d. Trong thực tế người ta phải tính toán sao cho R d có giá trị đảm bảo an toàn cho người vận hành. 8.4. Cấu trúc của hệ thống nối đất a) Theo phương thức bố trí, hệ thống nối đất được phân biệt hai loại là nối đất ngoại b) biên và nối đất bao quanh (hình 8.5). Nối đất ngoại biên thường được bố trí xa vị trí Hình 8.5. Các loại hệ thống nối đất a) Nối đất ngoại biên; đặt thiết bị (hình 8.6). Nối đất bao quanh b) Nối đất bao quanh. có thể được thực hiện theo vòng kín hoặc vòng hở. 152
  5. Ở hệ thống nối đất bao quanh, trường phân bố dòng điện từ các cực tiếp địa đan vào nhau, do đó điện thế tại điểm bất kỳ trên mặt đất bên trong khung tiếp địa khá cao. Tuy nhiên, hiệu điện thế giữa các điểm trên lãnh thổ bên trong khung của hệ thống nối đất lại giảm, do đó điện áp tiếp xúc sẽ không lớn. Hình 8.6. Nối đất ngoại biên a) mạch vòng; b) mạch thẳng; b) 1- cực tiếp địa; 2- dây nối đất; 3- thiết bị ; 4- thanh nối. a) b) Trên hình 8.7 ta thấy giá trị điện áp tiếp xúc trong trường hợp nối Thanh đất bao quanh nhỏ hơn so với nối trường hợp nối đất ngoại biên Cọc tiếp địa Utx2 (Utx2<Utx1). Do đó dòng điện chạy qua cơ thể người khi tiếp Utx1 xúc với vỏ thiết bị nhiễm điện sẽ nhỏ hơn so với trường hợp nối đất ngoại biên. Để san bằng điện thế, bên trong khung nối đất và Hình 8.7. Điện áp tiếp xúc cả ở bên ngoài, các thanh thép Utx1- Ở hệ thống nối đất ngoại biên; Utx2- Ở hệ thống nối đất bao quanh. được bố trí theo kiểu mạng lưới, gọi là nối đất đẳng thế. 8.5. Tính toán nối đất Việc tính toán nối đất là để xác định số lượng cọc và thanh ngang cần thiết đảm bảo điện trở của hệ thống nối đất nằm trong giới hạn yêu cầu. Điện trở của hệ thống nối đất phụ thuộc vào loại và số lượng cọc tiếp địa, cấu trúc của hệ thống nối đất và tính chất của đất nơi đặt tiếp địa. 8.5.1. Tính toán nối đất theo điện trở nối đất yêu cầu (Ryc) a) Trình tự tính toán đối với đất đồng nhất Quá trình tính toán nối đất theo R yc đối với khu vực có đất đồng nhất được thực hiện theo các bước sau: 1) Xác định điện trở yêu cầu của hệ thống nối đất 153
  6. Như đã phân tích ở trên, giá trị của điện trở nối đất phải đủ nhỏ sao cho điện áp tiếp xúc không vượt quá giới hạn cho phép. Điện trở nối đất trong mạng điện được xác định theo điều kiện U L Ryc  (8.13) I d Trong đó Id – dòng điện ngắn mạch chạy trong đất, A; UL - điện áp tính toán có giá trị UL Ucp ; Ucp- giá trị được áp tiếp xúc cho phép, phụ thuộc vào thời gian cắt của bảo vệ: đối với mạng điện cao áp Ucp=250V, nếu hệ thống nối đất được xây dựng chung cho cả mạng cao và hạ áp thì Ucp=125V. Trong trường hợp có sử dụng các thiết bị tự động cắt bảo vệ thì giá trị của Ucp có thể lấy theo bảng sau. Bảng 8.1 Điện áp tiếp xúc cho phép phụ thuộc vào thời gian cắt tc, s 0,3 0,2 0,007 0,004 Ucp, V 50120 120 230 230 400 >400 Theo tính toán, nếu dòng điện ngắn mạch chạy trong đất có giá trị lớn hơn 500A, thì điện của hệ thống nối đất R yc 0,5 . Điều đó thường xẩy ra đối với mạng điện có hệ thống trung tính nối đất. Các giá trị Ryc tính theo (8.13) phải không được lớn hơn 10 . Đối với các trạm biến áp tiêu thụ, giá trị của điện trở nối đất R yc phụ thuộc vào công suất định mức của trạm, còn giá trị của hệ thống nối đất lặp lại R d.L, phụ thuộc vào điện trở của hệ thống nối đất chính như sau: SBA, kVA < 100 100 Ryc,  10 4 Rd.L,  30 10 Điện trở nối đất cho các khu nhà ở nằm trong giới hạn 430 , phụ thuộc vào điện áp cung cấp, đối với mạng điện 380/220V, Rd 10 . 2) Xác định điện trở nối đất nhân tạo Thông thường để tăng cường cho hệ thống nối đất và tiết kiệm cho hệ thống nối đất nhân tạo, người ta tận dụng các công trình ngầm như ống dẫn bằng kim loại, 154
  7. các cấu kiện bê tông cốt thép, vỏ cáp, nền móng v.v. Tuy nhiên ở đây cần hết sức lưu ý là không bao giờ được sử dụng các đường ống dẫn nhiên liệu. Điện trở của tất cả các công trình kể trên gọi là điện trở nối đất tự nhiên R tn. Giá trị của điện trở nối đất tự nhiên được xác định theo phương pháp đo, bằng thiết bị đo điện trở tiếp địa. Nếu giá trị Rtn < Ryc thì không cần phải xây dựng thêm hệ thống nối đất nhân tạo. Trong trường hợp ngược lại thì cần tiến hành xác định giá trị điện trở tiếp địa nhân tạo Rn.tao theo biểu thức: Rtn .Ryc Rn.tao ,  (8.15) Rtn Ryc Rn.tao- điện trở của hệ thống nối đất nhân tạo; Rtn- điện trở của hệ thống nối đất tự nhiên. 3) Chọn điện cực tiếp địa và xác định điện trở của chúng Như đã trình bày, điện cực tiếp địa được làm bằng thép tròn, thép ống hoặc thép góc, được đóng sâu trong đất và được nối liên kết với nhau bởi các thanh nối dẹt nằm ngang. Các cọc tiếp địa bằng đồng có độ dẫn điện tốt, khả năng đề kháng đối với ảnh hưởng của các yếu tố tác động của môi trường cao, nhưng vốn đầu tư cao hơn nhiều so với hệ thống tiếp địa bằng thép. Hình 8.8. Mối quan hệ giữa điện trở của cực tiếp địa với điện trở suất của đất và chiều dài của điện cực, Rdc=f( , l) 155
  8. Điện trở của cọc tiếp địa phụ thuộc vào điện trở suất của đất, và chiều dài của nó. Tuy nhiên, như thể hiện trên hình 8.8, chiều dài của cực tiếp địa chỉ có ảnh hưởng nhiều khi nó có giá trị không lớn. Khi chiều dài l của điện cực tiếp địa lớn hiệu quả giảm điện trở của nó không cao, đặc biệt khi điện trở suất của đất nhỏ, vì vậy chỉ nên sử dụng các điện cực dài khi điện trở suất của đất lớn. Trong nhiều trường hợp bản thân hệ thống lưới nối đất chỉ bao gồm các thanh nối đất ngang cũng có thể đảm bảo được giá trị điện trở nối đất yêu cầu. Tuy nhiên, thông thường người ta kết hợp hệ thống lưới nối đất ngang và các cọc tiếp địa thẳng đứng để đảm bảo độ ổn định của điện trở nối đất. Điện trở của một số dạng cực tiếp địa cơ bản được biểu thị trong bảng sau: Bảng 8.1. Tính toán điện trở nối đất của các điện cực tiếp địa Điện cực và đặc điểm Sơ đồ bố trí Biểu thức tính điện trở Cọc bằng thép tròn, h 2l 1 4l 7h đường kính d m, chiều R (ln ln ) d dc dài l m, chôn thẳng 2 .l d 2 l 7h đứng cách mặt đất h l (8.16) m. Điện trở suất của đất , .m. Cọc bằng thép tròn, 4l d Rdc ln , ; (8.17) đường kính d m, chiều 2 .l d l dài l m, chôn thẳng đứng đầu trên sát mặt đất. Thanh ngang dẹt có bề dài L và rộng b,m nằm 1,5L h Rnga ln , ; (8.18) cách mặt đất ở độ sâu b .L b.h h m. L 156
  9. Thanh ngang dẹt tròn h L đường kính d, m có bề d Rnga .ln , (8.18’) dài L, nằm cách mặt .L d.h L đất ở độ sâu h m. Lưới nối đất diện tích Fnd= a’ x b’ với tổng 1 1 1 Rluoi [ (1 )] b’ L chiều dài các thanh 20.Fnd 1 h. 20/ Fnd (8.19) ngang: L= n1.a’+n2.b’, m. a’ Hệ thống gồm n tia tròn đường kính d, dài 4.l Rsao .[ln 1 N(n)], l mét, kết sao, đặt gần .n.l d mặt đất. N(n) (n-1).ln(3,414)-ln(n) (8.20) Tấm bản diện tích F, Rtb 0,25 , ; (8.21) m2, chôn thẳng đứng F F trong đất. Diện tích nối đất Fnd (kích thước a’xb’) trong biểu thức (8.19) được xác định trên cơ sở mặt bằng của vùng được tính toán nối đất. Có thể ước lượng gần đúng theo biểu thức: 2 Fnd 0,436 2 Ryc Điện trở của thanh thép góc bản rộng b m cũng được xác định tương tự như thép tròn, nhưng thay giá trị d=0,95.b. Giá trị điện trở suất của một số loại đất đặc trưng được thể hiện trong bảng 8.2. Nếu giá trị điện trở suất của đất được xác định theo phương pháp đo thì = do.khc (8.22) do- điện trở suất của đất theo chỉ số của thiết bị đo. 157
  10. khc – hệ số hiệu chỉnh điện trở suất của đất, phụ thuộc vào thời điểm đo, hay nói chính xác hơn là phụ thuộc vào trạng thái của đất, được lấy gần đúng theo bảng 8.3. Bảng 8.2. Điện trở suất trung bình của một số loại đất ở điều kiện tiêu chuẩn Loại đất , .m Loại đất , .m Đất đá 3000 Sét pha 150 Đất pha sỏi 1000 Đất sét 100 Cát 700 Đất vườn 40 Cát pha 300 Đất mùn 30 Đất đen 200 Đất bùn 20 Bảng 8.3. Giá trị hệ số khc Cực nối đất Đất ẩm Đất tr. bình Đất khô Thanh ngang dẹt chôn sâu 0,5m 6,5 5 4,5 Thanh ngang dẹt chôn sâu 0,8m 3 2 1,6 Cọc đóng sâu cách mặt đất 0,50,8m 2 1,5 1,4 4) Xác định số lượng điện cực cần thiết khi chưa tính đến thanh nối ngang Rdc n1 (8.23) Rn.tao Các điện cực được bố trí thành từng dãy hoặc theo chu vi của thiết bị bảo vệ. Nếu khoảng cách giữa các điện cực quá gần thì hiệu quả của hệ thống nối đất sẽ thấp, do ảnh hưởng của hiệu ứng đan chéo. Sau khi sơ bộ phân bố vị trí của các điện cực, ta có thể xác định được khoảng cách trung bình giữa chúng l a, để từ đó xác định hệ số sử dụng , phục vụ cho quá trình tính toán tiếp theo. 5) Xác định điện trở của hệ thống nối đất nhân tạo có tính đến điện trở của các thanh nối ngang R'nga .Rn.tao R'n.tao (8.24) R'nga Rn.tao R’nga- điện trở của thanh nối ngang có tính đến hệ số sử dụng. 158
  11. Rnga R'nga (8.25) nga Rnga- điện trở thanh nối ngang, ; la la nga- hệ số sử dụng thanh nối ngang, l phụ thuộc vào tỷ số la/l và số lượng điện cực n; la- khoảng cách giữa các điện cực, m; Hình 8.9 Sơ đồ bố trí các cực tiếp địa l- chiều dài của mỗi điện cực, m. Tính toán điện trở nối đất T Rdc=f( ,L) Id, Rtn, L R dc Đ n1 Id >500A R 0,5  yc R n .tao S nga= f(n1); Cao áp Lưới điện Cao+hạ áp dc= f(n1) U 250V U = f(t ) U 125V Rnga cp cp k cp R' nga nga U U L cp R' .R nga n.tao R'n.tao R'nga Rn.tao U L Ryc 10 Id R n dc dc .R'n.tao Rtn.Ryc Rn.tao Rtn Ryc tk Fmin I d T C Hình 8.10 Sơ đồ thuật giải tính toán nối đất Kết thúc 159
  12. Hệ số sử dụng  nga được cho trong bảng 7.pl). Do sử dụng nhiều cọc tiếp địa, trường phân bố dòng điện trong đất đan chéo nhau làm cho mật độ dòng điện tăng lên, điện trở nối đất cũng tăng lên làm giảm hiệu quả sử dụng của hệ thống nối đất. Thường thì hệ số sử dụng  nằm trong khoảng 0,5 0,8. 6) Xác định số lượng điện cực chính thức: R n dc ; (8.26) dc .R'n.tao dc- hệ số sử dụng của các điện cực, tra theo bảng 5.pl tương tự như đối với hệ số nga. 7) Kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt của hệ thống nối đất Tiết diện tối thiểu của thanh nối được xác định theo biểu thức: t F I k , mm2 (8.27) min d C tk- thời gian tồn tại của dòng ngắn mạch chạm masse Id chạy trong đất, sec. C – hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm thanh nối ( đối với thanh thép C=74). Điều kiện ổn định nhiệt là Fmin Fnga. Sơ đồ thuật toán quá trình tính toán nối đất được thể hiện trên hình 8.10 b) Tính toán nối đất trong trường hợp có hai lớp đất khác nhau Nếu vùng đất nơi đặt hệ thống tiếp địa có sự phân biệt rõ ràng của hai lớp đất, thì cần phải xét đến đặc điểm không đồng nhất này. Điện trở của cọc điện cực lúc này được xác định theo biểu thức: 1 k 4.l l 2hn R 1 kdn .(ln k n .ln ) (8.28) dc 2.h  kdn 2. .l 1 k .( 1) d n 1 l 2h(n 1) kdn l Trong đó kkdn- hệ số không đồng nhất được xác định theo biểu thức: 2 1 kkdn (8.29) 2 1 1, 2 - điện trở suất của lớp đất trên và lớp đất dưới; n – số thanh ngang. Tuy nhiên, ta thấy biểu thức (8.28) quá phức tạp, nên trong thực tế có thể áp dụng biểu thức gần đúng 160
  13. l 4.l R ln (8.30) dc h (l h).l 2. .( ) d 1 2 Biểu thức này có sai số dưới 3% nếu tỷ lệ l/h >6, còn ở tỷ lệ l/h =1,5 thì sai số có thể đạt đến 15%. Xác định độ sâu chôn điện cực cần thiết: Trên nhánh phải của trục hoành (hình 8.11) đặt giá trị độ dày của lớp đất trên hS, kẻ vuông góc từ điểm tương ứng với độ dày hs đến điểm gặp đường 2/ 1, xác định giá trị A trên trục tung. Sau đó, ứng với giá trị 2/R, kẻ đường từ trục tung một đường thẳng song song với trục hoành cho đến khi gặp đường thẳng 2/R ở nhánh trái của trục hoành. A 0,01 60 0,001 0,1 2/R= 5 50 0,2 3 0,3 2 40 10 1 0,1 0,5 15 30 0,01 20 20 2/ 1= 0,75 25 30 10 h,m 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 hs,m Hình 8.11. Biểu đồ xác định độ sâu của điện cực tiếp địa. Ví dụ: Hãy xác định độ sâu cần thiết của cực tiếp địa, biết độ dày lớp đất trên là hS=1,2m, điện trở cần nhận được là R= 10 , điện trở suất của các lớp đất 1= 1000 .m và 2= 200 .m. Trước hết ta cần xác định các đại lượng: 2/ 1= 200/1000=0,2; 2/R=200/10=20. Kẻ từ điểm h S=1,2 tên trục hoành đường thẳng vuông góc, gặp đường 2/ 1=0,2; Từ giao điểm này kẻ đường thẳng song song với trục hoành cho 161
  14. đến khi gặp đường 2/R = 20, dóng xuống trục hoành ta tìm được chiều sâu cần thiết là 3,8 m (đường chấm chấm trên hình 8.11). 8.5.2 Tính toán nối đất theo điện áp tiếp xúc và điện áp bước cho phép Theo tài liệu của IEEE /ANSI St 80-86, công thức thực nghiệm biểu thị ngưỡng an toàn của dòng điện đối với cơ thể người phụ thuộc vào thời gian dòng 2 điện đi qua có dạng: I ng .tk SB Trong đó Ing – ngưỡng an toàn của dòng dòng hiệu dụng qua cơ thể người, mA; tk - là thời gian xuất hiện dòng điện, s; SB - hằng số kinh nghiệm liên quan đến năng lượng do điện giật. Từ đó xác định giá trị: kB I ng (8.31) tk Trong đó – hệ số khả hồi, phụ thuộc vào trọng lượng của cơ thể người: k = 0,116 kB SB B với người nặng 50 kg và kB= 0,157 với người nặng 70 kg. Điện áp cho phép: (Rng bS .CS . S )kB U cp (8.32) tk Trong đó bS- hệ số phụ thuộc vào loại điện áp tính: Đối với điện áp bước bS=6; đối với điện áp tiếp xúc bS=1,5; tk – thời gian sự cố, s; Trình tự tính toán hệ thống nối đất TBA theo điều kiện điện áp tiếp xúc cho phép 1) Xác định các số liệu ban đầu như diện tích mặt bằng của trạm, điện trở suất của đất, dòng sự cố chạm đất, thời gian sự cố 2) Thiết kế sơ bộ mạng nối đất chỉ sử dụng các điện cực nằm ngang nối với nhau thành một ô lưới (chưa sử dụng các cọc). Với mạng ô lưới này người ta xác định các trị số sau : - Điện trở mạng nối đất Rd; - Dòng điện cực đại vào mạng nối đất Id; 162
  15. - Độ dâng thế đất, Edâng. Số liệu: , , 3) Tính điện áp các ô lưới sau đó so sánh độ S and,bnd, U, Z, dâng thế đất, điện áp ô lưới với các giá trị điện h áp tiếp xúc cho phép và điện áp bước cho phép : 3.U Ik 2Z1 Z0 – Nếu Edâng > Utx.cp – và Elưới > Ub.cp Id = CP.Df.Sf.Ik thì phải bổ sung các điện cực nối đất nằm ngang hay đóng thêm các cọc điện cực nối đất thẳng đứng vào Thiết kế sơ bộ: D, L, n, d, mạng nối đất trong thiết kế sơ bộ. 1 1 1 Sơ đồ khối tính toán được thể hiện trên hình 8.12. R [ (1 )] d L 20.F 1 h. 20 / F Các điều kiện để tính toán: nd nd - Thời gian sự cố : t (R b .C . )k U ng S.b S S B - Điện áp dây của lưới: U b.cp tk - Điện trở suất của đất: 2 (Rng bS.tx .CS . S )kB U tx.cp tk - Điện trở suất của lớp đá vụn: 1 - Độ dày của lớp đá: h S Thay đổi: Edâng = Id.Rd - Độ chôn sâu mạng nối đất: h D, L, n Đ - Tổng trở thứ tự thuận: Z1 Edâng Utx.cp - Tổng trở thứ tự không: Z0 S .I .k .k - Diện tích mặt bằng của trạm:Ftr. E d m i luoi L Trình tự tính toán nối đất được tiến hành theo các bước sau: S Elưới Utx.cp Bước 1 Đ Căn cứ vào mặt bằng trạm biến áp .Id .kS .ki Ub.tt xác định diện tích bề mặt sử dụng làm hệ LT thống nối đất a*b. Để thuận tiện ta S giả thiết mặt bằng là một hình vuông Ub.tt Ub.cp (với giả thiết này để có thể tận dụng các Đ đường cong trong đồ biểu để thiết kế sơ bộ) Thiết kế chi tiết và lưới nối đất là một mạng các ô mắt lưới Hình 8.12 Sơ đồ thuật giải tính toán nối đất nhưng không có các cọc điện cực. theo điện áp tiếp xúc và điện áp bước cho phép 163
  16. Sơ bộ xác định kích thước các điện cực nối đất. Ta có một hệ thống nối đất đơn giản như sau: sử dụng các điện cực nối đất ngang có đường kính d mét tạo thành một mạng ô mắt lưới với khoảng cách mỗi ô là D chôn sâu h (m) và chưa dùng đến cọc thẳng đứng theo sơ đồ hình 8.13. Trên cơ sở đó xác định tổng chiều dài của các điện cực. L= 2.n.D (8.33) Bước 2 Theo số liệu đã cho ta tính dòng sự cố chạm masse coi (Z1=Z2): 3.U ph 3.U I (8.34) nd k Z Z Z 2Z Z 1 2 0 1 0 a Khi dòng sự cố đi vào đất nó sẽ bị phân dòng theo hệ số phân dòng Sf và thiết lập các dòng đối xứng tuơng ứng: Idx = Sf . Ik D Sf: hệ số phân dòng liên quan đến biên bnd độ của dòng sự cố và tỷ lệ truyền vào giữa hệ thống nối đất và vùng xung quanh. Hình 8.13 Sơ đồ bố trí các điện cực ngang Theo kinh nhiệm Sf = 0,5 0,6. Giá trị dòng điện cực đại không đối xứng đi vào giữa lưới nối đất và vùng xung quanh được xác định theo biểu thức: Id = CP.Df.Sf.Ik (8.35) CP: hệ số hiệu chỉnh, tính đến sự tăng trưởng của dòng sự cố, (trong thời gian của tuổi thọ của trạm, với hệ thống phát triển lấy CP= 1) ; Df: hệ số tắt dần, phụ thuộc vào thời gian tồn tại của dòng ngắn mạch (bảng 8.2); Bảng 8.2 : Hệ số tắt dần theo thời gian sự cố. Thời gian sự cố tk, s 0,08 0,1 0,25 0,5 Df 1,65 1,25 1,1 1 - Xác định tiết diện thanh dẫn: F= F0.Ik Giá trị F0 được xác định phụ thuộc vào thời gian t k và loại điện cực, tra trong nomogram (hình 8.14) 164
  17. Đường kính thanh dẫn 4F d (8.36) Căn cứ vào giá trị d, chọn đường kính điện cực hợp lý. F0 A/mm 2 mm 2 /kA Kích thước thanh dẫn ngang mils/A 20 50 100 25 40 80 30 30 60 40 50 40 20 NO.304 steel 100 10 20 200 5 10 30%CCS 97% Cu (2500C) 5 40%CCS 400 2,5 4 97% Cu (đ.thau) 600 3 97% Cu & 100% Cu (thau) 800 1000 1,0 2 tk, sec 1 0,1 0,2 0,3 0,5 1,0 2,0 3,0 5,0 10 20 Hình 8.14. Biểu đồ xác định kích thước thanh dẫn. Bước 3 Tính toán điện áp tiếp xúc cho phép và điện áp bước cho phép. Nếu các điện áp tính toán không thoả mãn các điện áp cho phép thì phải thay đổi thiết kế sơ bộ cho phù hợp. Giá trị cho phép của điện áp bước: (Rng bS.b .CS . S )kB U b.cp (8.37) tk Giá trị cho phép của điện áp tiếp xúc: (Rng bS.tx .CS . S )kB U tx.cp (8.38) tk 165
  18. CS- hệ số suy giảm, phụ thuộc vào độ dày của lớp đá vụn h S và hệ số không đồng nhất kkdn giữa các lớp đất; 2 1 kkdn (8.39) 2 1 2, 1 - điện trở suất của lớp đất và lớp đá vụn phía trên; CS kkdn=0 1,0 kkdn=-0,1 0,8 -0,2 -0,3 0,6 -0,4 0,4 -0,5 -0,6 -0,7 0,2 -0,8 -0,9 hS, m 0 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 Hình 8.15. Đường đặc tuyến CS = f (hS, kkdn) CS=f(hS, kkdn), tra theo nomogram (hình 8.15) hoặc xác định gần đúng theo biểu thức: n 1 kB CS [1 2 ] (8.40) 0,96 n 1 1 (2n.hS / b)2 n – số lượng thanh ngang song song b – bán kính tương đương của bàn chân (0,08m) Bước 4 Xác định điện trở của hệ thống nối đất theo công thức sau: 1 1 1 Rluoi [ (1 )] (8.41) L 20.Fnd 1 h. 20 / Fnd 166
  19. Bước 5 Căn cứ vào giá trị Rd vừa tìn được, xác định độ dâng thế đất theo biểu thức: : Edâng = Id . Rluoi (8.42) Nếu Edâng Utx.cp, thì cần phải bổ sung thêm điện cực dạng cọc đóng theo chu vi, tăng thêm chiều dài các điện cực Mỗi lần như vậy ta phải tính lại từ bước thứ 4. Bước 7 Xác định điện áp ô lưới sau khi đã có bổ sung cọc tiếp địa. .Id .km.ki Eluoi (8.46) LT LT – tổng chiều dài của các cực tiếp địa trong hệ thống nối đất 167
  20. LT =Lng+ 1,1.Lc (8.47) Lng tổng chiều dài các điện cực nằm ngang Lc - tổng chiều dài các cọc tiếp địa thẳng đứng. NếuE lưới < Utx.cp thì bài toán kết thúc, còn trong trường hợp ngược lại thì lặp lại phép tính. Bước 8 Xác định điện áp bước tính toán: .Id .kS .ki Ub.tt (8.48) LT kS là hệ số hình học của lưới nối đất: 1 1 1 1 k [ (1 0,5)n 2 ] (8.49) S 2h D h D Nếu Ub.tt < Ub.cp thì coi như hệ thống nối đất đạt yêu cầu, trong trường hợp ngược lại, cần bổ sung các cọc tiếp địa và lặp lại phép tính. 8.6. Đo điện trở nối đất Điện trở của đất phụ thuộc chủ yếu vào loại đất, độ ẩm và nhiệt độ của môi trường đất. Vì vậy nó thay đổi theo mùa. Để đảm bảo an toàn, điện trở của hệ thống nối đất phải nhỏ và ổn định trong giới hạn cho phép. Độ ẩm của đất khá ổn định ở độ sâu nhất định, vì vậy nên đặt hệ thống nối đất sâu đến mức có thể. 8.6.1 Phương pháp đo điện trở suất của đất Việc đo điện trở suất của đất được thực hiện theo phương pháp 4 cực còn có tên gọi là « phương pháp Wenner ». Theo phương pháp này, điện trở suất của đất được xác định theo biểu thức: =2 .a.R, .m; (8.50) Trong đó - điện trở suát của đất, .m ; a - khoảng cách giữa các cọc thăm dò, m ; R – điện trở hiển thị trên thiết bị đo, . Sơ đồ đo điện trở suất của đất theo phương pháp 4 cực được thể hiện trên hình 8.16. Cắm bốn cọc thăm dò thẳng hàng, với khoảng cách đều nhau là a mét, giá trị của khoảng cách a phụ thuộc vào độ sâu cần thử nghiệm. Các cọc thăm dò không được đóng sâu quá 1/3 khoảng cách giữa chúng. Ví dụ để xác định điện trở 168
  21. suất của đất ở độ sâu 3m, cần có 4 cọc thăm dò đặt cách nhau 4m. Độ sâu cần đóng của các cọc thăm dò là a/20, tức là 4/20 =0,5m. Hình 8.16. Sơ đồ đo điện trở suất của đất theo phương pháp 4 cực. Phép đo được thực hiện với sự trợ giúp của thiết bị SATURN GEO UNILAP GEO hoặc UNILAP GEOX. Ví dụ nếu hiển thị trên thiết bị đo là 100 , thì điện trở suất của đất sẽ là =2 .a.R = 2.3,14.3.100 = 1885 .m Thiết bị đo sẽ phóng một dòng điện một chiều giữa hai cọc phía trong, độ rơi điện áp phụ thuộc vào điện trở của đất sẽ được ghi nhận. Thiết bị đo sẽ tính toán và hiển thị giá trị điện trở đất bằng . Phương pháp đo này đôi khi gặp sai số, nếu như trong đất có các mảnh kim loại. Vì vậy cần phải thực hiện thêm phép đo với việc quay hướng của dãy cọc tham dò đi 90 0. Ta cũng có thể thực hiện phép đo với độ sâu và khoảng cách khác nhau để có thể chọn được loại sơ đồ nối đất hợp lý nhất. Kết quả của các phép đo cũng có thể bị sai lệch do sự có mặt của những dòng điện lạ, dòng điện sự cố và các sóng hài của chúng trong đất. Để khắc phục điều đó, các thiết bị đo được trang bị chức năng AFC (Automatic Frequency Control) cho phép lựa chọn tự động tần số đo hợp lý để loại bỏ các tần số ký sinh khác nhau. Chức năng đó cho phép thu được kết quả đo chính xác và hiệu quả. 8.6.2. Đo điện trở nối đất Việc đo điện trở nối đất có thể thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào loại thiết bị hiện có và sơ đồ của hệ thống nối đất. Dưới đây trình bày một số phương pháp đo thông dụng. 169
  22. 8.6.2.1. Phương pháp 3 cực Phương pháp 3 cực được áp dụng trên cơ sở đo điện áp, dòng điện và xác định độ dẫn của đất. Sơ đồ đo điện trở nối đất theo phương pháp 3 cực được thể hiện trên hình 8.17. Khi dòng điện đi vào trong đất, trước hết nó chạy qua điện trở tiếp xúc của hệ thống nối đất, khi càng đi xa thì số lượng suất điện trở mắc song song càng nhiều và dần đến không, bởi vậy cho dù giá trị dòng sự cố lớn đến thế nào thì điện thế cũng sẽ bằng 0. Có nghĩa là, tồn tại xung quanh mỗi điện cực nối đất một vùng ảnh hưởng, do đó để đo điện trở nối đất cần phải áp dụng một điện cực phụ trợ S gọi là «điện cực điện thế không» cắm ở bên ngoài vùng ảnh hưởng gọi là cọc thăm dò. Như vậy ba cực được sử dụng trong quá trình đo là cực E, S và H. Một voltmet được sử dụng để đo hiệu điện thế giữa các cực E và S (UES) và một ampermet để đo dòng điện giữa các cực nối đất E và H (I EH). Điện trở nối đất được xác định theo định luật Ohm: U ES RE I EH S Đo lần 2 Vùng ảnh Vùng ảnh hưởng hưởng Vùng ảnh Vùng ảnh hưởng hưởng Vùng ảnh H hưởng E Vùng ảnh hưởng Vùng ảnh hưởng Vùng ảnh hưởng S Đo lần 1 Hình 8.17. Sơ đồ giải thích vùng ảnh hưởng của các điện cực E và H. Để đảm bảo độ chính xác cần thiết, cực S phải đặt ở ngoài vùng ảnh hưởng, theo kinh nghiệm thực tế, khoảng cách từ cực phụ S đến cực E là 62% khoảng cách giữa các cực E&H (vì lẽ đó mà phương pháp này còn có tên gọi là phương pháp 62%). Phép đo được tiến hành lần đầu với cực phụ S ở một phía và lần thứ hai ở phía đối diện. Nếu kết quả của hai phép đo khác nhau thì có ngĩa là vị trí của cực S còn nằm 170
  23. trong vùng ảnh hưởng. Cần tăng thêm khoảng cách và tiến hành đo lại. Sơ đồ đo điện trở nối đất được thể hiện trên hình 8.18. Hình 8.18 Sơ đồ đo điện trở của hệ thống nối đất Nối thiết bị đo theo sơ đồ đã cho. Ấn vào nút start là ta đã thực hiện phép đo điện trở đất. Nếu hệ thống nối đất được mắc song song hoặc nối tiếp với hệ thống khác, thì kết quả nhận được là điện trở của hệ thống chung, tương đương của tất cả các hệ thống. Cần xác định riêng cho mỗi hệ thống. Để kiểm tra độ tin cậy của kết quả đo và đảm bảo là phép đo được tiến hành nở ngoài vùng ảnh hưởng của hệ thống nối đất, ta di chuyển cọc thăm dò S ở tất cả các hướng và tiến hành thực hiện lại phép đo. Khi mà tất cả các phép đo đều cho kết quả gần giống nhau, có nghĩa là khoảng cách giữa các cọc thăm dò là vừa đủ. Nếu độ lệch của các kết quả >30%, thì cần tăng khoảng cách giữa các hệ thống nối đất mà ta cần đo với các cọc thăm dò S và H cho đến khi giá trị của các kết quả đo ổn định. 8.6.2.2 Phương pháp hai cực Trong một số trường hợp không thể, hoặc rất khó mắc các cực tiếp địa. Các thiết bị đo HANDY GEO, SATURN GEO, UNILAP GEO cho phép thực hiện phép đo hai cực của điện trở hoặc mạch vòng . Để thực hiện điều đó, cần sử dụng một cực tiếp địa cơ sở, như ống dẫn nước chẳng hạn (hình 8.19). Hình 8.19 Đo điện trở nối đất bằng pp hai cực Lưu ý : Ống dẫn kim loại cần được để cách riêng và không có chỗ nối cách điện. 171
  24. 8.6.2.3 Phương pháp không dùng điện cực Hệ thống đo gồm thiết bị UNILAP GEO (hoặc các thiết bị tương ứng) với sự trợ giúp của 2 Amper kìm, cho phép đo điện trở nối đất nối đất của các thiết bị khác nhau (hình 8.20). Hệ thống đo này không cần phải tháo các hệ thống nối đất mắc song song. Điều đó hết sức thuận tiện. Phương pháp dựa trên cơ sở là trong các thiết bị điện với hệ thống nối đất phức tạp gồm nhiều hệ thống mắc song song, điện trở nối đất của hệ thống chung luôn nhỏ hơn điện trở nối đất của các hệ thống thành phần mà ta cần đo. Điện trở nối đất của hệ thống mắc song song R1, R2 Rn rất nhỏ. Trong thực tế, sai số phép đo của R X có thể bỏ qua. Amper kìm thứ nhất cấp vào một điện áp, trong khi đó amper kìm thứ hai đo dòng điện chạy qua. Điều đó cho phép đo dòng và áp đồng thời và do đó tính được điện trở RX. Phương pháp đo điện trở bằng Amper kìm chỉ áp dụng đối với hệ thống nối đất, được xây dựng với nhiều thiết bị song song. Do một phần của hệ thống không mắc song song với cực tiếp địa cần đo nên không thể thực hiện được phép đo (do không có mạch vòng), hoặc phép đo có kết quả sai số nhiều. Hình 8.20. Sơ đồ đo điện trở nối đất của các thiết bị với sự trợ giúp của hai amper kìm. Phương pháp này cho phép đo điện trở nối đất độc lập của các hệ thống nối đất trong hệ thống phức hợp gồm cả lưới đẳng áp, mà thường được sử dụng nhiều trong mạng điện phân phối. Việc sử dụng một amper kìm đặc biệt để đo dòng điện chạy qua điện cực nối đất độc lập cho phép loại trừ được ảnh hưởng của các hệ 172
  25. thống nối đất song song. Với phương pháp phân tích đặc biệt, bằng cách lọc nhiễu, ta có thể thu được kết quả đo cực kỳ chính xác. Bất cứ hệ thống nối đất đơn giản hay phức tạp nào, đều có thể áp dụng các phương pháp đặt cọc thăm dò như đã trình bày để thực hiện các phép đo. Vị trí đặt các điện cực phụ thuộc vào đường chéo của lưới tiếp địa, cho trong bảng sau. Bảng 8.1.Khoảng cách đặt các điện cực đo điện trở nối đất, mét. Đường Khoảng Khoảng chéo của cách của cọc cách của HTNĐ kiểu thăm dò cọc nối đất lưới điện áp P2/S phụ C2/H 20 30 50 25 50 80 30 70 100 50 100 170 70 130 200 Hình 8.21 Sơ đồ đo điện trở nối đất bằng Amper kìm. Để có độ chính xác cao, nhất thiết phải đặt các cọc thăm dò điện áp (P2/S) tránh vùng ảnh hưởng của các cực tiếp địa và cực phụ, nếu không thì kết quả đo sẽ bị sai lệch. Để kiểm tra độ tin cậy của kết quả đo và đảm bảo là phép đo được tiến hành ở ngoài vùng ảnh hưởng của hệ thống nối đất, người ta di chuyển cọc thăm dò P2/S khoảng 1 m ở tất cả các hướng và tiến hành thực hiện lại phép đo. Khi mà tất cả các phép đo đều cho kết quả gần giống nhau, có nghĩa là khoảng cách giữa các cọc thăm dò là vừa đủ. Nếu độ lệch của các kết quả >30%, thì cần tăng khoảng cách giữa các giữa các hệ thống nối đất mà ta cần đo với các cọc thăm dò P2/S và C2/H cho đến khi giá trị của các kết quả đo ổn định. 8.6.3. Đo điện trở nối đất của các thiết bị đang hoạt động 8.6.3.1 Đo điện trở nối đất mạch vòng Việc đo điện trở nối đất của mạch vòng gồm hệ thống nối đất nguồn R dn và hệ thống nối đất bảo vệ thiết bị R d được tiến hành như thể hiện trên hình 8.22, gồm các bước sau: 1) Tháo điểm nối của dây trung tính (cắt cầu dao A) (hình 8.22.a) 173
  26. - Nối các cực E và ES với N (Tiếp địa của trung tính của mạng điện hạ áp) với sự trợ giúp của hai dây cáp 50m ; - Nối cực S với cọc thứ nhất với sự trợ giúp của 50m cáp ; - Nối cực H với cọc thứ 2 với sợi cáp 100m ; - Đặt thiết bị đo giữa M và N ở khoảng cách 20m so với trục nối hai điểm này ; - Tiến hành phép đo điện trở nối đất Rd(N) (Việc cắt điểm A là rất cần thiết để đo điện trở nối đất của trung tính) 2) – Tiến hành như trên, nhưng với các cực E và ES nối với hệ thống nối đất M (nối đất của mạng điện trung áp) (hình 8.22.b) - Thực hiện các phép đo điện trở nối đất Rdn(M) 3) - Nối các cực E và ES với M với sự trợ giúp của hai sợi cáp dài 50m (hình 8.22.c); - Nối các cực S và H với N (tiếp địa của trung tính mạng hạ áp) với sự trợ giúp của hai sợi cáp dài 50m. - Tiến hành đo điện trở RM/N. Hình 8.22. Sơ đồ đo điện trở nối đất mạch vòng Rdn&Rd. 4) Tính toán nối đất của mạch vòng R R R R dn(M ) d (N ) M / N d.mv 2 5) Xác định hệ số 174
  27. R k d.mv Rdn(M ) Hệ số k phải có giá trị nhỏ hơn 0,15. 8.6.3.2 Đo điện trở nối đất của cột điện cao thế Sơ đồ đo điện trở nối đất của cột cao thế được thể hiện trên hình 8.23 và 8.24. Hình 8.23. Sơ đồ đo điện trở nối đất cột cao thế. Để có kết quả đo chính xác điện trở nối đất của các cột cao thế có cáp bảo vệ, khi đo cần phải tháo chúng ra. Nếu móng cột có nhiều dây nối đất, thì cần tách riêng chúng với nhau. Thiết bị UNILAP GEO có trang bị máy biến dòng hình Hình 8.24. Sơ đồ đo điện trở nối đất lần lượt xuyến (góc mở đến 310 mm) cho từng chân của cột cao thế. phép đo điện trở nối đất của mỗi chân cột mà không cần tháo cáp bảo vệ và các dây nối đất khác. Như biểu thị trên sơ đồ, điện trở nối đất nối đất là chung của cột với các cực tiếp địa mắc song song. Cần tiến hành đo điện lần lượt trở nối đất của 4 chân cột (hình 8.24) để tính toán theo biểu thức: đã biết. 175
  28. 8.6.3.3 Đo điện trở nối đất của trạm biến áp Để khẳng định là hệ thống nối đất của trạm biến áp làm việc hiệu quả, cần tiến hành đo điện trở nối đất mỗi năm một lần. Khi kiểm tra trạm biến áp cần phải thực hiện 3 phép đo điện trở nối đất khác nhau. Bắt đầu bằng việc xác định loại hệ thống nối đất, ví dụ hệ thống nối đất lưới, hệ thống cấp nước v.v. Thông thường các máy biến áp, cột điện cao áp v.v. được nói với hệ thống nối đất. Việc tiến hành đo điện trở nối đất của trạm biến áp cũng được thực hiện tương tự như trên với sự trợ giúp của các thiết bị đo SATURN GEO, l’UNILAP GEOX. Để chắc chắn rằng hệ thống nối đất lưới không ảnh hưởng đến Hình 8.25 Đo điện trở nối đất của trạm biến áp phép đo, cần phải di chuyển cọc thăm dò P2/S nhiều lần và thực hiện các phép đo sau mỗi lần di chuyển. Nếu các kết quả đo lệch nhau quá 30%, thì cần tăng khoảng cách của các cọc P2/S và C2/H so với hệ thống nối đất mà ta muốn đo, cho đến khi nhận được kết quả gần nhau. 8.6.4. Các biện pháp giảm điện trở của hệ thống nối đất Trong quá trình vận hành điện trở của hệ thống nối đất tăng lên, đôi khi có thể vượt quá giá trị cho phép, vì vậy cần áp dụng các biện pháp giảm nó xuống đến giá trị yêu cầu. Trong thực tế có thể có nhiều giải pháp khác nhau, tùy theo điều kiện cụ thể để áp dụng các biện pháp thích hợp và kinh tế nhất. 8.6.4.1 Sử dụng các điện cực tiếp địa tăng cường Một trong những giải pháp có hiệu quả là sử dụng các cực tiếp địa tăng cường bổ sung cho hệ thống nối đất. Hiện nay trên thị trường có nhiều loại điện cực tiếp địa chất lượng cao như cực tiếp địa mạ đồng của hãng Kumwell, cực tiếp địa chất lượng cao ACE (hình 8.26) v.v. Hình 8.26. Cực tiếp địa chất lượng cao. 176
  29. Đặc điểm của các cực tiếp địa này là có hàm lượng cascbon thấp toàn bộ bề mặt ngoài được mạ một lớp đồng nguyên chất dày khoảng 0,245mm. Ưu điểm lớn của các loại cọc tiếp địa này là có khả năng chống ăn mòn cao vì vậy tuổi thọ có thể kéo dài đến 30 năm, có khả năng tản dòng sự cố lớn do điện trở thấp, có thể đóng sâu đến hàng chục mét. 8.6.4.1 Sử dụng các dung dịch hóa chất Giải pháp sử dụng dung dịch hóa chất để giảm điện trở của hệ thống nối đất được áp dụng khá phổ biến do sự đơn giản của nó. Một trong những hóa chất dùng để giảm điện trở của hệ thống nối đất rất có hiệu quả là MEG (More Effective Grounding). Đó là hợp chất gồm bột than chì, ximăng pooclăng và một số hóa chất khác. Ưu điểm của loại hóa chất này là làm giảm điện trở nối đất rất nhiều, cho phép kéo dài tuổi thọ của các cực tiếp địa vì nó có thể giúp cho các cực tiếp địa chống ăn mòn, giữ cho điện trở của hệ thống nối đất ổn định trong thời gian dài. Việc áp dụng biện pháp này cũng hết sức đơn giản : Người ta chỉ cần đơn thuần rải trực tiếp bột MEG trong khu vực của hệ thống tiếp địa, hoặc pha với nước sạch khoảng 7 lít/bao (mỗi bao nặng 11,5kg), mật độ sử dụng bột MEG là 1450 kg/m 3. Có thể dùng MEG để bọc các cực tiếp địa và các thanh ngang. Hóa chất MEG đặc biệt có hiệu quả đối với các vùng đất sỏi đá, các khu vực miền núi vùng cao. 8.7. Ví dụ và bài tập Ví dụ 8.1. Hãy tính toán nối đất cho trạm biến áp 22/0,4kVcông suất 250 kVA đặt trên một khu đất có diện tích 6x5m, không có điện trở của hệ thống tiếp địa tự nhiên, điện trở suất của đất là =80 .m; Cường độ dòng điện ngắn mạch một pha (1) chạy qua hệ thống tiếp địa là I k= 320A, thời gian tồn tại của dòng ngắn mạch là t=0,5 giây. Giải: Như đã biết, điện trở nối đất cho phép đối trạm biến áp có công suất > 100kVA là Ryc=4 . Ta giả thiết mặt bằng của hệ thống nối đất là một hình chữ nhật có kích thước: 6 x 5 m. Sơ bộ chọn điện cực tiếp địa là các ống thép tròn đường kính d=0,05m, dài lc=2m, chôn sâu h = 0,5m (tính từ đầu cọc đến mặt đất). Điện trở tiếp xúc của mỗi điện cực có giá trị 2l 1 4l 7h 80 2.2 1 4.2 7.0,5 R (ln ln ) (ln ln ) 30,26 dc 2 .l d 2 l 7h 2.3,14.2 0,05 2 2 7.0,5 Sơ bộ xác định số lượng điện cực 177
  30. R 30,26 n dc 7,57 Ryc 4 Ta chọn n = 12 cọc, phân bố theo chu vi của trạm biến áp ; với khoảng cách trung bình la=2 m. Các điện cực được nối với nhau bởi thanh ngang dẹt rộng b=0,04m, dày 0,01m Tổng chiều dài của các thanh ngang là Lng=2.(a+b)=2(5+6)=22m Điện trở nối đất của các thanh ngang 1,5Lng 100 1,5.22 Rnga ln ln 6,31 .Lng b.h 3,14.22 0,04.0,5 Xác định hệ số sử dụng của các cọc và thanh nối ngang ứng với tỷ số l a/lc=1 và số lượng điện cực n=12 ta tìm được c=0,57 (bảng 5.pl) và ng=0,34 (bảng 7.pl) Giá trị điện trở của các điện cực thẳng và thanh nối ngang có xét đến hệ số sử dụng Rdc 30,26 Rdc = 4,424 dc .n 0,57.12 Rng 6,31 R'ng = 18,57 ng 0,34 Tổng trở của hệ thống nối đất R'ng .Rdc 18,57.4,424 Rd. = 3,572 < 4  R'ng Rdc 18,57 4,424 Như vậy Rd. < Ryc Kiểm tra độ ổn định nhiệt của hệ thống tiếp địa . Id = CP.Df.Sf.Ik = 1 . 1,1 . 0,6 . 320 = 211,2 A CP: hệ số hiệu chỉnh tính đến sự tăng trưởng của dòng sự cố trong thời gian của tuổi thọ của trạm, với hệ thống phát triển lấy bằng 1 Df: hệ số tắt dần lấy bằng 1,1 và hệ số Sf= 0,6 tk 0,5 2 2 Fmin = I d =211,2 2,02mm = Ftn = 40.10 = 400 mm ; Ct 74 Vậy hệ thống tiếp địa thoả mãn về điều kiện ổn định nhiệt. Ví dụ 8.2 Hãy tính toán nối đất cho trạm biến áp 110/22kV, đặt trên một khu đất có diện tích 80x95 m, điện trở của hệ thống tiếp địa tự nhiên là R tn= 84 , điện trở suất của đất là o= 110.m, đo trong điều kiện độ ẩm trung bình (kcọc=1,5 và 178
  31. knga=2); Cường độ dòng điện ngắn mạch một pha chạy qua hệ thống tiếp địa là (1) I k=2,59kA, thời gian tồn tại của dòng ngắn mạch là t =0,5 giây. Giải: Như đã biết, điện trở nối đất cho phép đối mạng điện có dòng ngắn mạch một pha > 500A là Ryc= 0,5 . Ta giả thiết mặt bằng của hệ thống nối đất là một hình vuông có kích thước: 2 Fnd = 80 x 80 = 6400m . Ta có một hệ thống nối đất đơn giản như sau: các điện cực nối đất ngang bằng thép, đường kính 6 mm, tạo thành một mạng ô mắt lưới với khoảng cách mỗi ô là D=8 m chôn sâu h=0,8m: Như vậy ta có tất cả 2.11=22 thanh ngang với tổng chiều dài các điện cực nằm ngang là: L = 2 . 11 . 80 = 1760 m. 80m Xác định điện trở của hệ thống nối đất. 1 1 1 Rluoi 0.khc[ (1 )] L 20.Fnd 1 h. 20 / Fnd 1 1 1 R 110.2.[ (1 )] luoi 1760 20.6400 0,8 20 / 6400 80 m = 0,757 ; Điện trở của hệ thống bao gồm tiếp địa tự nhiên và lưới thép ngang 8 Rtn Rluoi 84.0,757 Rtn luoi = 0,75 Rtn Rluoi 84 0,757 Điện trở của hệ thống cọc tiếp địa nhân tạo cần phải xây dựng thêm Rtn luoi Rd 0,75.0,5 Rnt = 1,5 Rtn luoi Rd 0,75 0,5 Chọn cọc tiếp địa bằng thép tròn dài l = 5,5 m, đường kính d = 0,06 m đóng sâu cách mặt đất h = 0,8 m. Điện trở tiếp xúc của điện cực này có giá trị .k 2l 1 4l 7h 110.1,5 2.5,5 1 4.5,5 7.0,8 R 0 hc (ln ln ) (ln ln ) 27,07 dc 2 .l d 2 l 7h 2.3,14.5,5 0,06 2 5,5 7.0,8 Sơ bộ chọn số lượng cọc R 27,07 n dc 18,04 chọn n = 20 cọc; Rn.t 1,5 Khoảng cách trung bình giữa các cọc là la = 16 m; Tra bảng 5.pl. ứng với tỷ lệ l a/l = 16/5,5 = 2,91 và số lượng cọc là 20, ta xác định được hệ số lợi dụng của các cọc tiếp địa là coc=0,68 179
  32. Điện trở thực tế của hệ thống cọc tiếp địa là Rdc 27,07 Rdc = 1,99 dc .n 0,68.20 Điện trở tổng hợp của hệ thống tiếp địa nhân tạo có tính đến điện trở của lưới và điện trở tự nhiên Rtn luoi .Rdc 0,75.1,99 Rd. = 0,544 Rtn luoi Rdct 0,75 1,99 Giá trị điện trở này hơi lớn hơn so với điện trở yêu cầu, do đó ta điều chỉnh lại thiết kế sơ bộ bằng cách tăng thêm số lượng cọc là n=26 (sơ đồ bố trí các điện cực như hình bên), khi đó coc=0,70: 27,07 R' 1,487  dc 0,7.26 Rtn luoi .R'dc 0,75.1,487 R'd. = 0,498 Rtn luoi R'dct 0,75 1,487 Như vậy R’d. < Ryc đảm bảo yêu cầu đề ra. Kiểm tra độ ổn định nhiệt của hệ thống tiếp địa. Trước hết xác định dòng điện chạy qua tiếp địa Id = CP.Df.Sf.Ik = 1 . 1,1 . 0,6 . 2,59 = 1,7094k A=1709,4A CP: hệ số hiệu chỉnh tính đến sự tăng trưởng của dòng sự cố trong thời gian của tuổi thọ của trạm, với hệ thống phát triển lấy bằng 1 Df: hệ số tắt dần lấy bằng 1,1 và hệ số Sf= 0,6 tk 0,5 2 2 2 2 Fmin = I d =1709,4 16,33mm < Ftn = (dluoi/2) . = 3 .3,14 = 28,26 mm ; Ct 74 Như vậy điều kiện ổn định nhiệt đảm bảo. Ví dụ 8.3: Hãy Tính toán nối đất cho một công xưởng, biết điện trở yêu cầu là Ryc=10 , điện trở suất của các lớp đất trên là 1= 2000 .m và lớp đất dưới 2=200 .m, độ dày lớp đất trên là hS=0,8m. Giải: Trước hết ta cần xác định các đại lượng: 2/ 1=200/2000=0,1; 2/Ryc=200/10=20. Kẻ từ điểm h S=0,8 tên trục hoành đường thẳng vuông góc, gặp đường 2/ 1=0,1 (hình 8.11); Từ giao điểm này kẻ đường thẳng song song với trục hoành cho đến khi gặp đường 2/Ryc=20, dóng xuống trục hoành ta tìm được chiều sâu cần thiết là h= 3,8 m. 180
  33. Chọn điện cực bằng thép ống có đường kính d=0,05m, chiều dài l c=4m, xác định điện trở tiếp xúc của điện cực l 4.l 4 4.4 R ln = ln 23,89 dc h l 3,8 4 2. .( (l h). ) d 2.3,14.( (4 3,8) ) 0,05 1 2 2000 200 Sơ bộ xác định số lượng điện cực R 23,89 n dc 2,389 , Ryc 10 Ta chọn n =3 phân bố theo dãy khoảng cách l a=4 m. Chọn thanh nối là dây thép đường kính dng=6mm, có chiều dài là: Lng=(n-1).la= (3-1).4 =8 m Điện trở của thanh nối 2 Lng 200 8 Rnga ln = ln 31,82 .Lng dng .h 3,14.8 0,006.3,8 Ứng với tỷ số la/l=1 và n=3, tra bảng 5.pl và bảng 7.pl tìm được c= 0,8 và ng=0,8 Điện trở nối đất của các phần tử có xét đến hệ số sử dụng Rdc 23,89 R'dc 9,954 dc .n 0,8.3 Rng 31,82 R'ng = 40,8 ng 0,78 Tổng trở của hệ thống nối đất R'ng .Rdc 40,8.9,954 Rd. = 8 < 10  R'ng Rdc 40,8 9,954 Như vậy thỏa mãn yêu cầu Ví dụ 8.4: Tính toán nối đất cho trạm biến áp 110 kV với các dữ kiện cho trước như sau: 58 - Thời gian sự cố t = 0,25 s 50 - Điện áp định mức U = 115 000 V - Điện trở suất của lớp đất dưới 2 = 300  m - Điện trở suất của lớp đá vụn 1 = 1150  m 75 - Độ dày của lớp đá vụnh S = 0,16 m - Độ chôn sâu mạng nối đất h = 0,5 m - Tổng trở thứ tự thuậnZ 1 = 4,3+j10,5  181
  34. - Tổng trở thứ tự không Z0 = 12+j40,3  - Diện tích mặt bằng của trạmF tr = 58 x 75 m Bước 1. Ta giả thiết mặt bằng của hệ thống nối đất là một hình vuông có kích thước: 2. Fnd = 50 x 50 = 2500m . Ta có một hệ thống nối đất đơn giản như sau: sử dụng các điện cực nối đất ngang tạo thành một mạng ô mắt lưới với khoảng cách mỗi ô là D=5 m chôn sâu h = 0,5m và chưa dùng đến cọc thẳng đứng theo hình sau : Như vậy ta có tất cả 2.11=22 thanh ngang: Tổng chiều dài các điện cực nằm 50m ngang là: L = 2 . 11 . 50 = 1100 m. Bước 2. Dòng sự cố chạm đất 50 m 3.U ph I k Z1 Z 2 Z0 3.115000 = 3080,1 A 5m 3(2(4,3 j10,5) 12 j40,3) Dòng điện cực đại không đối xứng đi vào giữa lưới nối đất và vùng xung quanh được xác định Id = CP.Df.Sf.Ik = 1 . 1,1 . 0,6 . 3080,1 = 2032,9 A CP: hệ số hiệu chỉnh tính đến sự tăng trưởng của dòng sự cố trong thời gian của tuổi thọ của trạm, với hệ thống phát triển lấy bằng 1 Df: hệ số tắt dần với thời gian tk= 0,25 lấy bằng 1,1 và hệ số Sf= 0,6 Với tk và Ik ta xác định kích thước các điện cực nằm ngang theo đường cong cho trong hình 14. Ứng với tk=0,25 ta chọn loại điện cực bằng thép, thì từ đường cong 2 trên ta được F’0 =7,5 mm /kA. 2 Tiết diện thanh dẫn: F= F’0.Ik= 7,7.3,08 = 23,1 mm Đường kính thanh dẫn 4F 4.23,1 d = 5,425 mm= 0,00543m Trên cơ sở số liệu tính toán ta chọn đường kính điện cực chọn ngang là 6mm tức là d=0,006 m. 182
  35. Bước 3 Tính toán điện áp tiếp xúc và điện áp bước cho phép. Trước hết ta xác định hệ số phản hồi giữa lớp đá vụn và lớp đất có điện trở suất khác nhau: 2 1 300 1150 kkdn =-0,586 2 1 300 1150 Căn cứ vào k kdn=-0,586 và độ dày lớp đấ vụn h S=0,16 tra biểu đồ hình 15, ta xác định được giá trị CS=0,28. Các tính toán được thực hiện đối với người có trọng lượng trung bình là 70 kg. (Rng bS.b .CS . S )kB (1000 6.0,82.1150)0,157 U b.cp =2090,6 V tk 0,25 (Rng bS.tx .CS . S )kB (1000 1,5.0,82.1150)0,157 U tx.cp = 758,15 V tk 0,25 Bước 4 Xác định điện trở của hệ thống nối đất. 1 1 1 Rluoi .[ (1 )] L 20.Fnd 1 h. 20 / Fnd Thay các giá trị tương ứng: 1 1 1 R 300.[ (1 )] 1,672 luoi 1100 20.2500 0,5 20 / 2500 Bước 5 Tính độ dâng điện thế đất : Edâng = Id . Rluoi = 2032,8.1,672 = 3398,54 V Ta thấy: Edâng Utx.cp ; (3398,54 V > 758,15 V) Như vậy cần tiến hành các bước tính tiếp Bước 6 Xác định điện thế ô lưới Để tính điện thế ô lưới trước hết ta cần xác định các hệ số: - Hệ số hình học của hệ thống nối đất 2 1 D (D 2h) h kii 8 km [ln( ) ln ] 2 16.h.d 8D.d 4d kh [2.(n 1)] 1 52 (5 2.0,5)2 0,5 0,57 8 [ln( ) ln ]=0,59 2 16.0,5.0,006 8.5.0,006 4.0,006 1,225 (2.11 1) 183
  36. 1 1 Do lưới nối đất không có cọc tiếp địa nên k =0,57; ii (2n)2/ n (2.11)2/11 50m ki = 0,656+0,172n = 2,548 h 0,5 kh 1 1 = 1,225 h0 1 Điện thế ô lưới .I .k .k 300.2032,9.0,59.2,548 E d m i luoi L 1100 50 m = 831,68 V Kết quả trên cho thấy 5m Eluoi > Utx.cp (831,68 > 758,15 V Điều đó có nghĩa là thiết kế sơ bộ không đạt yêu cầu. Vậy cần phải bổ sung thêm điện cực dạng cọc đóng theo chu vi. Ta dùng 20 cọc có chiều dài mỗi cọc là 5m, đường kính 6cm, đóng cách nhau 10m theo chu vi. Tổng chiều dài tính toán của hệ thống nối đất gồm các điện cực nằm ngang và điện cực thẳng đứng là LT = Lng+1,1.Lc = 2.11.50 + 1,1.20.5 = 1210 m * Tính lại Điện trở hệ thống nối đất: 1 1 1 Rluoi .[ (1 )] LT 20.Fnd 1 h. 20 / Fnd Thay các giá trị tương ứng: 1 1 1 R 300.[ (1 )]= 1,647  luoi 1210 20.2500 0,5 20 / 2500 * Tính lại độ dâng điện thế đất : Edâng = Id . Rluoi = 2032,8.1,647 = 3348,14 V Edâng Utx.cp ; (3398,54 V > 758,15 V) Bước 7 Tính điện thế ô lưới sau khi đã bổ sung cọc tiếp địa. Do có thêm cọc tiếp địa nên lúc này hệ số kii=1; .Id .km.ki 300.2032,9.0,59.2,548 Eluoi = 604,65 V LT 1210 Kết quả trên cho thấy Eluoi < Utx.cp (604,64 < 758,15 V) Bước 8 Xác định điện áp bước tính toán: 184
  37. Để xác định điện áp bước, trước hết cần xác định hệ số hình học của lưới nối đất: n 2 1 1 1 1 n 2 1 1 1 0,5 k [ (1 0,5) ] [ =0,38 S 2h D h D 3,14 2.0,5 5 0,5 5 .I d .kS .ki 300.2033.0,38.2,55 Ub.tt = 483,51 V LT 1210 Như vậy ta thấy: Ub.tt < Ub.cp (483,51V < 2090,6 V) Thỏa mãn yêu cầu an toàn của hệ thống nối đất. Kiểm tra độ ổn định nhiệt tk 0,25 2 2 2 2 Fmin = I d =2033 13,74 mm < Ft= (d/2) . = 3 .3,14 = 28,26 mm ; Ct 74 Vậy hệ thống tiếp địa thoả mãn về điều kiện ổn định nhiệt. Tóm lại theo kết quả tính toán thiết kế sơ bộ ta cần 1100 m thanh ngang bằng thép đường kính 0,006m và 20 cọc thép dài 5m, đường kính 0,06m. Tuy nhiên đây chưa phải là con số cuối cùng, vì có thể còn có nhiều phương án khác có thể hiệu quả hơn, mà chúng ta không xét đến trong khuôn khổ của chương trình này. Để có được kết quả cuối cùng cần phải giải bài toán so sánh kinh tế - kỹ thuật. Bài tập tự làm Bài tập 8.1 Hãy tính toán nối đất cho trạm biến áp 10/0,4kV,công suất 400 kVA đặt trên một khu đất có diện tích 4x6m, không có điện trở của hệ thống tiếp địa tự nhiên, điện trở suất của đất là =75 .m; Cường độ dòng điện ngắn mạch một pha (1) chạy qua hệ thống tiếp địa là I k= 412A, thời gian tồn tại của dòng ngắn mạch là t=0,5 giây. Bài tập 8.2 Hãy tính toán nối đất cho trạm biến áp 110/22kV, đặt trên một khu đất có diện tích 75x90 m, điện trở của hệ thống tiếp địa tự nhiên là R tn= 63 , điện trở suất của đất là do= 100.m, đo trong điều kiện đất khô (kcọc=1,4 và knga=1,6); (1) Cường độ dòng điện ngắn mạch một pha chạy qua hệ thống tiếp địa là I k=2,07kA, thời gian tồn tại của dòng ngắn mạch là t =0,5 giây. Bài tập 8.3 Hãy Tính toán nối đất cho một công xưởng, biết điện trở yêu cầu là Ryc=20 , điện trở suất của các lớp đất trên là 1= 1500 .m và lớp đất dưới 2=300 .m, độ dày lớp đất trên là hS=0,8m. Bài tập 8.4 Tính toán nối đất cho trạm biến áp 110 kV với các dữ kiện cho trước: - Thời gian sự cố tk=0,3s - Độ dày lớp đá vụn hS = 0,24 m - Điện áp định mức U=115kV - Tổng trở t. tự thuận Z1=5,1+j12,4  185
  38. - Điện trở suất của đất 2 = 100  m - Tổng trở t. tự không Z0=14+j48,23 - của lớp đá vụn 1=1500  m - Mặt bằng của trạm Ftr = 70 x 95 m - Độ chôn sâu tiếp địa h=0,8m Tóm tắt chương 8 Phân tích đặc điểm của quá trình phân tán dòng điện trong đất I 2I I j d d d 2 Mật độ dòng điện đi vào đất: S 2 2 , A/m c D 2 .rc 2 I d 2 Mật độ dòng điện tại một điểm jx , A/m 2 .x2 I Cường độ điện trường tại điểm này E j d , V/m; x x 2 .x2 Độ rơi điện áp trong dải đất dx: d x Exdx I dx I d d d Điện thế tại điểm xét: x x 2 x 2 x x 2 .x Id Giá trị cực đại của điện thế : max 2 .rc Vai trò của bảo vệ nối đất U ph Dòng điện chạy trong đất: I d Rtd Rdn Rph I d .Rtd I d .Rd Dòng điện chạy qua cơ thể người: I ng Rng Rng Rd Cấu trúc của hệ thống nối đất - Nối đất ngoại biên thường được bố trí xa vị trí đặt thiết bị. - Nối đất bao quanh có thể được thực hiện theo vòng kín hoặc vòng hở. Câu hỏi ôn tập 1. Hãy phân tích quá trình dòng điện đi trong đất 2. Hãy trình bài vai trò của nối đất bảo vệ 3. Cho biết cấu trúc cơ bản của hệ thống nối đất 4. Hãy trình bày phương pháp tính toán nối đất theo điện trở yêu cầu 5. Hãy trình bày phương pháp tính toán nối đất theo điện áp tiếp xúc 6. Phân tích vai trò của bảo vệ nối dây trung tính 186
  39. Rtn 7. Phân tích vai trò của nối đất lặp lại 8. Phương pháp đo điện trở suất của đất bằng 4 cực 9. Phương pháp đo điện trở nối đất bằng 3 cực và 2 cực 10. Đo điện trở nối đất của các thiết bị đang hoạt động 187