Luận văn Sử dụng chất cải tạo đất trong tính toán nối đất an toàn theo tiêu chuẩn IEEE STD.80-2013 (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Sử dụng chất cải tạo đất trong tính toán nối đất an toàn theo tiêu chuẩn IEEE STD.80-2013 (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ NINH THUẬN SỬ DỤNG CHẤT CẢI TẠO ĐẤT TRONG TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN THEO TIÊU CHUẨN IEEE STD.80-2013 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN- 60520202 S K C0 0 4 9 4 8 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ NINH THUẬN SỬ DỤNG CHẤT CẢI TẠO ĐẤT TRONG TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN THEO TIÊU CHUẨN IEEE STD 80-2013 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ NINH THUẬN SỬ DỤNG CHẤT CẢI TẠO ĐẤT TRONG TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT AN TOÀN THEO TIÊU CHUẨN IEEE STD 80-2013 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: GVHD: PGS.TS HỒ VĂN NHẬT CHƢƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Hồ Ninh Thuận Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/10/1991 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Nghệ An Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: xã Sông Ray, huyện Cẩm Mỹ, tỉnh Đồng Nai Điện thoại: 0989 256 170 E-mail:hothuanspkt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 9/2009 đến 9/2013 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ phạm Kỹ Thuật tp.HCM Ngành học: Điện công nghiệp. Tên đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu quy hoạch cấp điện đô thị. Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: Trƣờng Đại Học Sƣ phạm Kỹ Thuật tp.HCM. Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS.Quyền Huy Ánh. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 7/2013 Công ty THHH tƣ vấn dự án SEAS Kỹ sƣ thiết kế điện Đ/c: 8/19A Nguyễn Thiện Thuật, P24, Bình Thạnh, Tp.HCM i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Hồ Ninh Thuận, học viên cao học ngành Kỹ thuật điện khóa 2015-2017 cam đoan luận văn thạc sĩ “Sử dụng chất cải tạo đất trong tính toán nối đất an toàn theo tiêu chuẩn IEEE std 80-2013” là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 10 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
6. CẢM TẠ Luận văn này được thực hiện tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật tp.HCM. Để hoàn thành luận văn tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy trong trường. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương đã hướng dẫn tôi thực hiện nghiên cứu của mình. Xin cùng bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy bộ môn, người đã đem lại cho tôi những kiến thức bổ trợ, vô cùng có ích xuyên suốt khóa học. Cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học, thư viện trường Đại học Sư phạm kỹ thuật tp.HCM, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập cũng như cung cấp nguồn tài liệu quý giá để tôi hoàn thành nghiên cứu này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài thạc sĩ của mình. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 10 năm 2016 iii
7. TÓM TẮT Bằng việc ứng dụng chất giảm điện trở đất trong tính toán lƣới nối đất an toàn, nghiên cứu đã giúp thay đổi cấu hình lƣới nối đất nhƣng vẫn tuân thủ các yêu cầu về điện áp tiếp xúc theo tiêu chuẩn IEEE std.80-2013[1]. Luận văn đã dựa trên cơ sở lý thuyết của bài báo“Calculating resistance of simple grounding forms with or without the soil improved chemical substance” [2], sử dụng công thức tính điện trở nối đất của cọc và thanh nối đất cùngvới sự kết hợp chất giảm điện trở đất để tối ƣu chi phí cho hệ thống nối đất từ đơn giả tới phức tạp. Luận văn đã tối ƣu tính toán chi phí đối với hệ nối đất cọc đơn, hệ nối đất nhiều cọc, hệ nối đất thanh – cọc phức hợp và lƣới nối đất an toàn. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với giá thành vật liệu nối đất hiện nay thì việc sử dụng chất giảm điện trở đất chỉ đem lại hiệu quả kinh tế với trƣờng hợp hệ nối đất nhiều cọc và lƣới nối đất an toàn. Tính hiệu quả kinh tế của chất giảm điện trở đất thể hiện rõ hơn trong các môi trƣờng đất có điện trở suất cao hơn 400 (Ω.m). Nếu điện trở suất đấtquá bé thì việc thêm chất cải tạo đất không hiệu quả về mặt kinh tế. Cụ thể với môi trƣờng đất có điện trở suất dƣới 300 (Ω.m) thì không nên sử dụng chất cải tạo đất để giảm chi phí lƣới nối đất an toàn. iv
8. ABSTRACT The study has helped to change the grounding grid configurations still meeting the requirements of touch voltage according to IEEE std.80-2013[1] via application of Ground Enhancing Material (GEM) in calculations of safety grounding grid. This thesis was based on the article’ theory that “Calculating grounding resistance of simple forms without the soil improved with chemical or substance” [2] which using the formula of the grounding resistance for rod and conductor, and linking to GEM to optimize cost of simple/ complex earthing system. The thesis has optimized the cost for single rod grounding system, multi rods grounding system, bar-rod grounding system and safety grounding grid. The results show that GEM is only economical for multi rods grounding system and safety grounding grid in current cost of material. The economy of GEM is shown clearly in soil conditions which over 400 resistivity (Ω.m). GEM is not economical if soil resistivity is too small. For instance, GEM shouldn’t be used to reduce cost of safety grounding grid if soil resistance is less than 300 (Ω.m). v
9. CHỮ VIẾT TẮT GĐT: Giảm điện trở GEM: Ground Enhancing Material IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers HTNĐ: Hệ thống nối đất vi
10. MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v CHỮ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH CÁC HÌNH ix DANH SÁCH CÁC BẢNG xi CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Giới thiệu 1 1.2. Tính cấp thiết của đề tài 2 1.3. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận văn 2 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 1.5. Mục tiêu nghiên cứu 3 1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu 3 1.7. Kế hoạch thực hiện 3 CHƢƠNG 2. CHẤT CẢI TẠO ĐẤT VÀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN IEEE 4 2.1. Chất cải tạo đất (GEM) 4 2.1.1. Giới thiệu chất GEM 4 2.1.2. Tính chất 4 2.2. Lƣới nối đất và vai trò của lƣới nối đất 5 2.3. Phân tán dòng điện trong đất 7 2.4. Phân tán dòng điện trong đất dọc theo thanh dẫn 9 2.5. Lƣới nối đất theo tiêu chuẩn IEEE std.80-2013 10 2.5.1. Tính toán lƣới nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 10 CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT VÀ TỐI ƢU KINH TẾ HTNĐ KHI CÓ CHẤT CẢI TẠO ĐẤT 20 3.1. Tính toán nối đất đơn giản 20 vii
11. 3.1.1. Hệ thống nối đất với cọc nối đất thẳng đứng 20 3.1.1.1. Tính điện trở nối đất với cọc nối đất có GEM 20 3.1.1.2. Tính điện trở nối đất với đƣờng kính cọc nối đất tƣơng đƣơng 23 3.1.2. Tính điện trở nối đất với thanh nối đất nằm ngang 25 3.1.2.1. Tính điện trở nối đất với thanh nối đất có GEM 26 3.1.2.2. Tính điện trở nối đất với đƣờng kính thanh nối đất tƣơng đƣơng 28 3.2. Tính toán nối đất khi có GEM đối với hệ thống nối đất đơn giản 28 3.2.1. Tính điện trở nối đất cọc đơn và hệ nhiều cọc nối đất khi có GEM 28 3.2.1.1. Tính điện trở nối đất cọc đơn khi có GEM. 29 3.2.1.2. Tính điện trở nối đất của hệ nhiều cọc nối đất khi có GEM 32 3.2.2. Tính điện trở nối đất của thanh dẫn ngang chôn sâu khi có GEM 38 3.2.3. Tính toán nối đất hệ phức hợp thanh – cọc 41 3.3. Tính toán lƣới nối đất an toàn khi có GEM 46 CHƢƠNG 4. TÍNH HIỆU QUẢ KINH TẾ NỐI ĐẤT KHI CÓ GEM 50 4.1. Tính kinh tế nối đất của cọc đơn với GEM 50 4.2. Tính kinh tế nối đất của hệ nhiều cọc với GEM 53 4.3. Tính kinh tế nối đất của thanh ngang với GEM 59 4.4. Tính kinh tế nối đất của hệ thanh – cọc phức hợp với GEM 61 4.5. Tính kinh tế của lƣới nối đất an toàn với GEM 63 4.6. Kết luận 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 72 Phụ lục 1: Chƣơng trình tính toán nối đất cho cọc đơn 72 Phụ lục 2: Chƣơng trình tính toán nối đất cho hệ nhiều cọc 77 Phụ lục 3: Chƣơng trình tính toán nối đất cho hệ thanh 80 Phụ lục 4: Chƣơng trình tính toán nối đất hệ phức hợp thanh – cọc 84 Phụ lục 5: Chƣơng trình tính toán lƣới nối đất an toàn 87 viii
12. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2-1 Các trƣờng hợp điện giật 6 Hình 2-2 Lƣới nối đất dạng thanh kim loại chôn trong đất 7 Hình 2-3 Lƣới nối đất dạng thanh kết hợp cọc 7 Hình 2-4 Quá trình phân tán dòng điện trong đất và sự phân bố điện thế 8 Hình 2-5 Đặc tính điện thế do dòng điện chạy trong đất gây ra 9 Hình 2-6 Đƣờng phân bố điện thế của ô lƣới nối đất (IEEE Std 80-2013) 10 Hình 2-7 Đồ thị Cs -k 12 Hình 2-8 Giải thuật tính toán nối đất theo điện áp tiếp xúc và điện áp bƣớc cho phép 13 Hình 3-1 Thanh điện cực thẳng đứng có lớp GEM 21 Hình 3-2 Cọc nối đất và ảnh của nó 24 Hình 3-3 Cọc nối đất tƣơng đƣơng 25 Hình 3-4 Thanh nối đất nằm ngang với lớp GEM 26 Hình 3-5 Thanh nối đất tƣơng đƣơng 28 Hình 3-6 Giải thuật tìm chiều dài cọc nối đất tối ƣu khi có GEM 30 Hình 3-7 Hệ nối đất nhiều cọc 33 Hình 3-8 Công cụ tìm phƣơng trình hệ số sử dụng cọc nối đất 34 Hình 3-9 Giải thuật tính chi phí hệ nối đất nhiều cọc 37 Hình 3-10 Giải thuật xác định chiều dài thanh nối đất 39 Hình 3-11 Hệ nối đất phức hợp thanh - cọc 41 Hình 3-12 Công cụ tìm phƣơng trình hệ số sử dụng thanh nối đất 43 Hình 3-13 Giải thuật tính chi phí hệ nối đất thanh - cọc phức hợp 45 Hình 3-14 Giải thuật tính điện áp lƣới nối đất khi có GEM 47 Hình 4-1 Đồ thị chi phí kim loại nối đất cọc đơn 51 Hình 4-2 Đồ thị chi phí GEM cọc đơn 52 Hình 4-3 Đồ thị chi phí nối đất khi sử dụng GEM cọc đơn 52 Hình 4-4 Đồ thị chi phí nối đất và số cọc (10 cọc) 54 Hình 4-5 Đồ thị chi phí nối đất và độ dày GEM (10 cọc) 54 ix
13. Hình 4-6 Điện trở nối đất hệ 10 cọc 55 Hình 4-7 Chi phí nối đất tối ƣu hệ 10 cọc 55 Hình 4-8 Đồ thị chi phí nối đất và số cọc (15 cọc) 56 Hình 4-9 Đồ thị chi phí nối đất và độ dày GEM (15 cọc) 57 Hình 4-10 Điện trở nối đất hệ 15 cọc 57 Hình 4-11 Chi phí nối đất tối ƣu hệ 15 cọc 58 Hình 4-12 Đồ thị chi phí kim loại thanh nối đất (Hệ thanh) 60 Hình 4-13 Đồ thị chi phí GEM (Hệ thanh) 60 Hình 4-14 Đồ thị chi phí nối đất có GEM (Hệ thanh) 61 Hình 4-15 Đồ thị chi phí kim loại hệ nối đất thanh – cọc 62 Hình 4-16 Đồ thị chi phí GEM hệ thanh – cọc 62 Hình 4-17 Đồ thị chi phí nối đất có GEM (hệ cọc – thanh phức hợp) 63 Hình 4-18 Đồ thị chi phí lƣới nối đất 70x70m 64 Hình 4-19 Đồ thị chi phí lƣới nối đất 50x50m 65 Hình 4-20 Đồ thị chi phí lƣới nối đất 30x30m 65 Hình 4-21 Đồ thị chi phí lƣới nối đất với điện trở suất đất 300 (Ω.m) 67 Hình 4-22 Đồ thị chi phí lƣới nối đất với điện trở suất đất 500 (Ω.m) 67 Hình 4-23 Đồ thị chi phí lƣới nối đất với điện trở suất đất 1000 (Ω.m) 68 x
14. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2-1Hằng số vật liệu Kf 15 Bảng 2-2 Giá trị điển hình của Df 16 Bảng 3-1 Hệ số sử dụng cọc 33 Bảng 3-2 Sai số phép ngoại suy 35 Bảng 3-3 Hệ số sử dụng cọc nhiều hơn 4 cọc 35 Bảng 3-4 Hệ số sử dụng thanh khi có cọc bố trí dọc thanh 42 Bảng 3-5 Sai số phép ngoại suy với tỉ số a/l bằng 2 lần 43 Bảng 4-1 Chi phí nối đất hệ cọc khi có GEM 50 Bảng 4-2 Chi phí nối đất cọc 10m khi thay đổi độ dày GEM 51 Bảng 4-3 Chi phí nối đất hệ nhiều cọc khi có GEM 53 Bảng 4-4 : Chi phí lƣới nối đất với kích thƣớc lƣới thay đổi 64 Bảng 4-5 Chi phí lƣới nối đất với kích thƣớc lƣới không đổi 66 xi
15. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu Nối đất an toàn trong hệ thống điện đóng vai trò rất quan trọng để bảo vệ an toàn cho ngƣời và thiết bị. Trong mạng lƣới truyền tải điện cũng nhƣ mạng điện công nghiệp, vỏ thiết bị bình thƣờng không mang điện nhƣng xuất hiện điện áp bất ngờ do chạm vỏ hoặc xuất hiện dòng rò thì có thể gây nguy hiểm đến tính mạng ngƣời sử dụng. Việc triển khai một hệ thống nối đất an toàn trong mạng điện công nghiệp là cấp thiết và phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật nhằm mang lại hiệu quả cho ngƣời sử dụng. Ý nghĩa của nối đất là tạo một mạch điện giữa vỏ thiết bị và đất có độ dẫn điện tốt hơn điện dẫn ngƣời, để cho dòng điện đi qua ngƣời khi chạm vào vỏ thiết bị trở nên không nguy hiểm. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua hệ thống điện cực nằm ngang đi vào đất, tạo nên trong đất quanh nó một điện trƣờng. Việc phân bố điện trƣờng trong đất, kể cả mặt đất cũng sẽ tạo ra một điện thế nhất định. Vì vậy, khi đề cập đến lƣới nối đất an toàn, ta không chỉ quan tâm đến giá trị điện trở nối đất mà còn quan tâm đến độ chênh lệch điện thế trong lƣới nối đất nhằm giảm điện áp bƣớc và điện áp tiếp xúc khi xảy ra sự cố chạm vỏ. Với một lƣới nối đất an toàn đƣợc thiết kế theo tiêu chuẩn IEEE sẽ xác định đƣợc điện áp bƣớc và điện áp tiếp xúc cho phép. Những hệ thống nối đất tại vùng có điện trở suất của đất cao sẽ khó đạt giá trị điện trở nối đất thấp theo yêu cầu. Khi điện trở suất lớn thì khả năng tản dòng điện vào đất cũng hạn chế, để đảm bảo giá trị điện trở nối đất của hệ thống nhỏ thì phải dùng thêm các biện pháp nhƣ: tăng số lƣợng cọc nối đất , tăng diện tích hệ thống nối đất, tăng thanh nối đất nằm ngang, có thể phát sinh thêm nhiều chi phí. Đối với một số công trình có diện tích hạn chế, không thể mở rộng diện tích của hệ thống nối đất thì việc sử dụng chất cải tạo đất để giảm điện trở nối đất là một giải pháp tối ƣu. Trong nghiên cứu này, tác giả sẽ tính toán nối đất an toàn có sử dụng chất cải tạo đất để so sánh với trƣờng hợp không dùng chất cải tạo đất, từ đó cân nhắc giữa tính kinh tế và tính kỹ thuật để đƣợc hệ thống nối đất tối ƣu. 1
16. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Đề tài này sẽ mang lại tối ƣu kỹ thuật lƣới nối đất an toàn đối với vùng đồi núi, vùng có điện trở suất cao mà việc thực hiện nối đất thông thƣờng không hiệu quả, giải quyết các bài toán nối đất ở những nơi chật hẹp và tối ƣu chi phí thi công lƣới nối đất. 1.3. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận văn Hiện nay cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu, nhiều bài báo khoa học đã đề cập đến việc tính toán thiết kế lƣới nối đất thỏa các điều kiện điện áp tiếp xúc và điện áp bƣớc theo tiêu chuẩn IEEE. Luận văn thạc sĩ: “Nối đất trạm biến áp cao thế có tính đến hóa chất cải tạo đất”[3] đã đƣa ra công thức tính toán giá trị điện trở của lƣới nối đất làm việc cho trạm biến áp cao áp có sử dụng chất cải tạo đất và dựa trên tiêu chuẩn an toàn điện IEEE. Đề tài cũng đƣa ra chƣơng trình tính toán, mô phỏng trên máy tính và so sánh với kết quả thực nghiệm. Nhƣng đề tài trên vẫn chƣa phân tích tính hiệu quả của chất cải tạo đất cũng nhƣ tính kinh tế của chất cải tạo đất. Giữa lý thuyết và thực tế có khác biệt nhiều về thông số tính toán và đo đạc. Bài toán lý thuyết đƣa ra là khoảng cách thanh điện cực cách nhau 7m, nhƣng thực tế chỉ làm mô hình các thanh điện cực cách nhau 2m, nhƣ vậy kết quả thực tế không đánh giá khách quan về lý thuyết đƣa ra. Kết quả tính toán trong Matlab là điện áp bƣớc, điện áp tiếp xúc, nhƣng kết quả thực tế lại đo giá trị điện trở đất, do đó cũng khó so sánh tính hiệu quả khi dùng chất cải tạo đất trong lƣới nối đất. Mặc dù còn nhiều điểm chƣa phù hợp, nhƣng nghiên cứu “Nối đất trạm biến áp cao thế có tính đến hóa chất cải tạo đất” này cũng cung cấp lý thuyết cơ sở cho các đề tài liên quan sau này. 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài giúp bổ sung cho lý thuyết của bộ môn kỹ thuật điện, các vấn đề về nối đất trong mạng điện trung áp và hạ áp; xây dựng cơ sở lý thuyết mới và làm rõ một số vấn đề lý thuyết đang tồn tại giữa lƣới nối đất làm việc và lƣới nối 2
17. đất an toàn. Phân biệt chức năng, tính quan trọng của lƣới nối đất trong hệ thống điện hiện nay. Giá trị thực tiễn của đề tài: Việc nghiên cứu thành công của đề tài sẽ làm rõ hơn các vấn đề về tính cần thiết của lƣới nối đất . Giải quyết các bài toán thực tế các công trình công nghiệp về an toàn điện, chống tai nạn điện giật, tai nạn cháy nổ. Áp dụng vào việc tính toán nối đất, là công cụ hỗ trợ cho các nghiên cứu liên quan. 1.5. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của nghiên cứu này là phân tích về mặt kỹ thuật và tính kinh tế giữa hình thức nối đất thông thƣờng không sử dụng chất cải tạo đất và có sử dụng chất cải tạo đất. Từ đó đƣa ra các kết quả tính toán trên lý thuyết giữa hai trƣờng hợp, so sánh ƣu và khuyết điểm của hai trƣờng hợp, đánh giá hiệu quả của việc thêm chất cải tạo đất trong lƣới nối đất an toàn. Điểm quan trọng của lƣới nối đất an toàn là mang lại ngƣỡng điện áp cho phép khi có dòng điện sự cố xảy ra. Nghiên cứu này sẽ so sánh mức an toàn của điện áp tiếp xúc giữa hai trƣờng hợp. Từ các tính toán, tác giả sẽ chƣơng trình hóa tính toán nối đất trên phần mềm. Sử dụng công cụ Matlab để xuất các giá trị tính toán, tìm điểm tối ƣu trong thiết kế về kỹ thuật và chi phí lắp đặt. 1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp chính đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này là phƣơng pháp giải tích, mô phỏng. Phƣơng pháp giải tích sẽ dựa trên mô hình vật lý và mô hình toán học. 1.7. Kế hoạch thực hiện Thu thập các tài liệu của các tác giả trong và ngoài nƣớc liên quan đến đề tài. Nghiên cứu và phát triển lý thuyết để phục vụ cho đề tài. Xuất kết quả và đánh giá dựa trên các nghiên cứu liên quan. 3
18. CHƢƠNG 2. CHẤT CẢI TẠO ĐẤT VÀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN IEEE 2.1. Chất cải tạo đất (GEM) 2.1.1. Giới thiệu chất GEM Gần đây, giới khoa học đã tím ra một loại hóa chất bền vững với thời gian, không bị rửa trôi, không làm hại môi trƣờng, mà giá lại rẻ. Họ dùng các điện cực kim loại nhỏ (đƣờng kính cỡ 12-18mm) chôn trong đất, sau đó phủ hóa chất dẫn điện ra ngoài. Trong môi trƣờng ẩm, hóa chất đó tự liên kết thành một khối với điện cực kim loại để tạo ra một điện cực biểu kiến mới có đƣờng kính đến 100-200mm. Vì thế giá trị điện trở nối đất đƣợc giảm một cách rõ rệt [4]. Loại hóa chất đó, trong tiếng Anh, đƣợc goi là GEM (Ground Enhancing Material – nghĩa là một loại vật liệu dẫn điện siêu đẳng cải thiện hiệu lực nối đất, đặc biệt trong vùng dẫn điện kém). Còn trong tiếng Việt gọi là GĐT, viết tắt của 3 chữ cái đầu của từ Giảm Điện Trở. 2.1.2. Tính chất a. Tính hiệu quả + Giảm điện trở nốiđất hiệu quả; + Giữ ổn định giá trị điện trở nối đất; + Hiệu quả ngay cả khi đất rất khô; b. Độ bền cao + Không bị biến dạng hay phân huỷ theo thời gian; + Không cần bảo trì định kỳ hay thay thế; + Không phụ thuộc vào sự có mặt thƣờng xuyên của nƣớc để duy trì dẫn điện; c. Bảo vệ môi trƣờng + Không ảnh hƣởng đến tính chất của đất [5]; + Không độc hại hay ô nhiễm nguồn nƣớc; 4
19. d. Sử dụng + Dễ vận chuyển; + Dễ sử dụng: dùng ở dạng khô hoặc ƣớt; + Nhanh chóng hút ẩm từ đất và đông cứng lại; + Giảm kích thƣớc hệ thống nối đất khi các phƣơng pháp truyền thống không thể đáp ứng đƣợc; e. Đặc tính kỹ thuật + Điện trở suất của GEM là r ≤ 2 (.cm) [6]; + GEM ở dạng bột khô đóng bao (thông thƣờng 11,36kg/bao); f. Phạm vi sử dụng Hoá chất GEM đƣợc sử dụng trong các hệ thống nối đất điện lực, viễn thông, chống sét, đặc biệt đối với những vùng có điện trở suất đất cao mà các phƣơng pháp xử lý truyền thống không thể xử lý đạt yêu cầu tiếp đất cho phép, hoặc chi phí cho việc này rất cao. Cụ thể: + Hệ thống tiếp đất trạm biến áp, trạm phát điện. + Tiếp đất các cột điện trên đƣờng dây siêu cao áp, cao áp, trung áp, hạ áp. + Tiếp đất các trạm thu phát sóng viễn thông, đặc biệt các trạm vùng núi cao. + Hệ thống tiếp đất chống sét khu chung cƣ, các toà nhà trung tâm. + Tiếp đất bảo vệ hệ thống máy tính. 2.2. Lƣới nối đất và vai trò của lƣới nối đất Trong thực tế, những trạm biến áp phân phối cấp nguồn cho cụm phụ tải với cấp điện áp sơ cấp lên đến hàng chục kilo volt luôn tiềm ẩn nhiều nguy hiểm tới tính mạng con ngƣời và thiết bị khi xảy ra sự cố chạm đất. Khi xảy ra sự cố phase chạm đất thì khu vực lân cận vị trí chạm đất sẽ hình thành nên điện áp bƣớc mà giá trị điện áp bƣớc có thể lên đến hàng ngàn volt rất nguy hiểm cho con ngƣời. Nếu có sự cố phase chạm vỏ thiết bị mặc dù thiết bị đƣợc nối đất nhƣng vẫn tồn tại điện áp tiếp xúc lớn cũng gây nguy hiểm cho ngƣời vận hành. Để khắc phục các tai nạn điện giật này, chúng ta phải 5
20. thiết lập một lƣới nối đất an toàn sao cho giảm giá trị điện áp lƣới nối đất, qua đó sẽ giảm điện áp bƣớc, điện áp tiếp xúc. Hình 2-1 Các trường hợp điện giật Lƣới nối đất có vai trò vô cùng quan trọng trong hệ thống điện, giúp giảm mức độ nguy hiểm của sự cố điện, tăng tính an toàn trong vận hành và sử dụng điện, đặc biệt là các trạm điện cao áp. Thực tế có rất nhiều hệ thống nối đất, và mỗi hệ thống nối đất thì có một chức năng riêng. Ví dụ nhƣ: Hệ thống nối đất chống sét có chức năng tản dòng sét xuống đất một cách nhanh chóng, hệ thống nối đất trạm biến áp có chức năng nối đất trung tính máy biến áp để hệ thống hoạt động an toàn và bảo vệ role, Hệ thống nối đất trong đề tài này nhắc đến là dạng lƣới nối đất, gồm hệ thống thanh dẫn kim loại đƣợc chôn sâu dƣới đất (thƣờng là 0.5 -1.0m) và có tham gia chất GEM để giảm giá trị điện trở nối đất. Lƣới nối đất có nhiều hình dạng khác nhau (hình vuông, hình chữ nhật, ) phụ thuộc vào hình dạng công trình, đây cũng là thông số ảnh hƣởng tới giá trị tính toán của lƣới nối đất. Có những lƣới nối đất ngoài các thanh dẫn chôn dƣới đất còn kết 6
21. hợp các cọc thép bọc đồng để tăng khả năng tản dòng điện xuống đất, tăng diện tích tiếp xúc với đất nhằm giảm giá trị điện trở của lƣới nối đất (hình 2.3). Hình 2-2 Lưới nối đất dạng thanh kim loại chôn trong đất Hình 2-3 Lưới nối đất dạng thanh kết hợp cọc 2.3. Phân tán dòng điện trong đất Xét trƣờng hợp vật dẫn mang điện chạm đất tại một điểm, dòng điện truyền vào đất qua đầu cực tiếp xúc rồi tỏa ra mọi hƣớng. Giả thiết đầu tiếp xúc có dạng hình cầu đƣờng 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, đƣợc xác định theo biểu thức: I G 2IG I G 2 j 2 2 , A/m (2.1) Sc d 2 rc 2 rc : bán kính cực tiếp địa. 7
22. x IG (x) max dx rc 20 20 m m x Hình 2-4 Quá trình phân tán dòng điện trong đất và sự phân bố điện thế Ở một điểm cách trục tiếp địa một khoảng x, mật độ dòng điện sẽ là: I j G , A/m2; (2.2) x 2 x2 Cƣờng độ điện trƣờng tại điểm này là: I E j G , V/m; (2.3) x x 2 x2 Trong đó: IG : dòng điện chạy trong đất, (A); : điện trở suất của đất, (-m); Độ rơi điện áp trong dải đất dx: d x Exdx (2.4) Điện thế tại điểm xét: I dx I d G G x x 2 (2.5) x 2 x x 2 x Biểu thức (2.5) chính là phƣơng trình Hypebol. Giá trị điện thế cực đại ở trên cực tiếp địa (ứng với bán kính của cực tiếp địa rc) đƣợc xác định: IG max (2.6) 2 rc Vùng đất cách cực tiếp địa 20 mét trở lên đƣợc coi là vùng điện thế zero, có =0. 8