Ứng dụng chất cải tạo đất trong tính toán lưới nối đất an toàn theo tiêu chuẩn IEEE STD.80-2013

Nội dung text: Ứng dụng chất cải tạo đất trong tính toán lưới nối đất an toàn theo tiêu chuẩn IEEE STD.80-2013

1. ỨNG DỤNG CHẤT CẢI TẠO ĐẤT TRONG TÍNH TOÁN LƯỚI NỐI ĐẤT AN TOÀN THEO TIÊU CHUẨN IEEE STD.80-2013 Hồ Văn Nhật Chương, Hồ Ninh Thuận Tóm Tắt: Các công trình nghiên cứu hiện Từ [1], ta sử dụng công thức: tại đã chứng minh khi thêm chất cải tạo đất (GEM) quanh thanh nối đất sẽ tăng đường kính 1 l 2 D R ln ln T (1) tương đương của thanh nối đất từ đó, sẽ tăng khả T 1 3 2 l tDT 2l năng tản dòng điện vào đất [1]. Đối với lưới nối đất, khi tăng đường kính thanh nối đất thì điện 2 2 1 1 2 áp lưới sẽ giảm. Vì vậy, trong bài báo này sẽ áp 1 1 Với: DT d .t .C 2t C  1 (2) dụng cơ sở lý thuyết trên để thiết kế lưới nối đất khi có GEM nhằm giảm khối lượng kim loại màu, giảm chi phí lưới nối đất mà vẫn đảm bảo điện áp lưới nằm trong giá trị cho phép theo tiêu chuẩn IEEE std.80-2013 [2]. Nội dung bài báo này sẽ phân tích và đưa ra kết luận việc sử dụng GEM ở trường hợp nào (điện trở suất đất, kích thước lưới nối đất, ) sẽ đem lại hiệu quả cho lưới nối đất an toàn, và ở trường hợp nào thì việc sử dụng GEM sẽ không có lợi về mặt kỹ thuật và kinh tế. Bài báo Hình 1: Thanh nối đất có GEM bao phủ chỉ nghiên cứu về lưới nối đất đơn giản không có cọc. Trong đó: Từ khóa: Ground Enhancement Material – - t0 : độ chôn sâu thanh nối đất (m) ; GEM, lưới nối đất, - 1 : điện trở suất của vùng đất (m) ; I. Giới thiệu - 2 : điện trở suất của chất cải tạo đất Điện trở suất của GEM chỉ dao động từ 10 (m) ; – 20 Ω.cm (0.1 – 0.2 Ω.m), có khả năng bảo vệ - C : bán kính của lớp GEM (m) ; vật liệu cọc nối đất chống lại sự ăn mòn của môi - 3 : điện trở suất của cọc nối đất ; trường đất trong thời gian dài. Ngoài ra, bọc - d : đường kính của thanh nối đất ; GEM quanh thanh nối đất sẽ làm tăng đường - l : chiều dài cọc nối đất ; kính tương đương, đồng thời giảm điện áp lưới. - I : dòng điện sự cố chạm đất (A) Từ đó có thể giảm được số thanh nối đất sao cho điện áp lưới nối đất vẫn nằm trong phạm vi cho Điện trở suất của thanh nối đất bằng đồng phép. Việc giảm số thanh nối đất sẽ giảm được được bỏ qua trong công thức vì 3 rất nhỏ so chi phí lưới nối đất, từ đó sẽ tìm được độ dày với 2 và 1 . Để tính điện áp lưới nối đất ta sử GEM phù hợp nhất cho tường lưới nối đất. dụng công thức (3), [2]. Giả thiết trong bài báo là điện trở suất của đất là không đổi, tức là khảo sát ở môi trường K m .K i I G đất đồng nhất. Em (3) LM II. Tìm chi phí nối đất tối ưu khi sử dụng GEM
2. 1 D2 D 2 h 2 h K 8 ii Km ln ln (4) 2 16 h d 8 D d 4 d Kh 2 n 1 Trong đó, K m là hệ số khoảng cách thanh Số liệu: , S, A, Ig Bước 1 dẫn của điện áp lưới bị ảnh hưởng bởi đường kính thanh dẫn và khoảng cách ô lưới nối đất. Bước 2 Khi thêm lớp GEM vào lưới nối đất, tiết diện Etouch, Estep thanh dẫn tăng lên, hệ số K m trong công thức sẽ giảm, làm điện áp lưới giảm theo. Do đó ta có Tính lưới nối đất sơ Bước 3 thể giãn ô lưới nối đất và giảm số thanh nối đất. bộ: 3I0, tc, d, D, Em, Es Thay d trong công thức (4) bằng DT trong công thức (2), ta sẽ được lưới nối đất với thanh nối đất Tính đường kính Bước 4 có đường kính mới lớn hơn thanh nối đất không tương đương : DT có GEM. Bước 5 Es, km, ks, ki, kii,kh Bước 6 S Tăng L, N; Em Etouch cp Giảm D Đ Giảm N, L; Tăng D Hình 2: Lưới nối đất không có cọc Với: Giá thành chất cải tạo đất là 35$/ bao Es, km, ks, ki, kii,kh GEM 11.2kg, giá thành cáp đồng đường kính 10mm là 9.5$/kg [3], GEM được trộn với nước 3 để đạt hợp chất theo mật độ a=1017kg/m . Điện S Bước 7 trở suất của chất cải tạo đất bằng 20 Ω.cm [4]. Em >Etouch cp Từ hình 1, ta có thể tính thể tích GEM cần dùng cho cọc nối đất theo công thức: Đ Bước 8 2 N=N+1 d V C 2 l (3) 2 Es, km, ks, ki, kii,kh Từ đó ta có thể suy ra khối lượng GEM cần sử dụng thông qua mật độ a. Thiết kế chi tiết Bước 9 Hình 3: Giải thuật tính điện áp lưới nối đất khi có GEM
3. Bước 1: Nhập thông số lưới nối đất Bước 8: Chương trình lấy giá trị số thanh nối đất Bước 2: Tính điện áp tiếp xúc cho phéo, điện áp trước đó mà thỏa điều kiện . Như bước cho phép khi chưa có GEM. vậy sẽ chọn được cấu hình lưới nối đất tối ưu khi Bước 3: Tính điện áp lưới, chương trình Matlab sử dụng GEM. tự động tìm điểm tối ưu lưới nối đất, tự chọn số Bước 9: Kết thúc chương trình và xuất kết quả. thanh nối đất, khoảng cách ô lưới phù hợp để Tiến hành thiết kế chi tiết. điện áp lưới nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép. Ví dụ 1: Tính chi phí lưới nối đất khi sử dụng Ở bước này sẽ tính chi phí lưới nối đất (bao gồm GEM và khi không sử dụng GEM, với thông số chi phí thanh kim loại). chọn như ví dụ B1 [2]. Lưới nối đất không cọc Bước 4: Thêm GEM vào lưới nối đất, tính toán kích thước 70x70m, điện trở suất đất 1 400 đường kính tương đương thanh nối đất. (Ω.m), điện trở suất lớp đá bề mặt s 2500 Bước 5: Tính lại điện áp lưới, điện áp bước. (Ω.m), điện trở suất chất cải tạo đất (GEM) Bước 6: So sánh điện áp lưới khi có GEM với 2 0.2(Ω.m), dòng điện chạm đất I 3180 điện áp tiếp xúc cho phép thỏa theo điều kiện (A). Trong ví dụ này, ta giữ nguyên các thông số Em Etouhcp .Nếu sai thì tăng số thanh nối đất và điện trở suất đất, và thay đổi thông số kích thước giảm khoảng cách ô lưới. Nếu đúng thì giảm tiếp lưới nối đất từ 70x70m xuống 30x30m, quan sát số thanh nối đất và sau đố tính toán lại điện áp sự ảnh hưởng của việc thay đổi bề dày lớp GEM lưới. tới chi phí lưới nối đất. Bước 7: Sau một số vòng lặp giảm số thanh nối Kết quả tính toán: Tính toán ở nhiều ô đất, chương trình sẽ so sánh điện áp lưới khi có lưới khác nhau cho kết quả như bảng 1 và hình GEM với điện áp tiếp xúc cho phép thỏa điều 4, 5 , 6. kiện Em Etouhcp, nếu đúng thì thoát vòng lặp. Bảng 1: Kết quả tính toán lưới nối đất an toàn với điện trở suất không đổi, kích thước lưới thay đổi Kích Loại Điện áp Điện Điện áp Điện áp Khoảng Số Tổng Độ dày Chi phí thước lưới tiếp xúc áp tiếp xúc bước cách thanh chiều chất nối đất lưới nối cho phép bước tính toán tính toán thanh nối dài cải tạo ($) nối đất đất (V) cho (V) (V) nối đất đất thanh đất (m) phép (m) nối đất (m) (V) (m) Không 837 2,684 825 608 5.8 13 1,820 0 12167 GEM 70x70 Có 837 2,684 833 609 7 11 1,540 0.4 11144 GEM Không 837 2,684 815 970 3.1 17 1,700 0 11365 GEM 50x50 Có 837 2,684 834 936 4.1 13 1300 0.6 9919 GEM Không 837 2,684 806 2,224 1.3 24 1440 0 9626 GEM 30x30 Có 837 2,684 834 1,961 2.0 16 906 0.7 7542 GEM
4. Khi giảm kích thước ô lưới nối đất mà vẫn giữ giá trị điện áp lưới nối đất trong phạm giới hạn cho phép thì cần phải tăng độ dày GEM. Với lưới nối đất kích thước nhỏ khi dùng GEM sẽ có lợi hơn lưới nối đất kích thước lớn. III. Xác định điện trở suất đất phù hợp khi sử dụng GEM Ở phần này, thông số kích thước lưới nối đất sẽ được giữ cố định, đồng thời thay đổi điện trở suất của đất từ 300(Ω.m), 500(Ω.m) và 1000(Ω.m). Mục đích của ví dụ này để kiểm Hình Error! No text of specified style in chứng mức độ ảnh hưởng của điện trở suất đất document Đồ thị chi phí lưới nối đất 70x70m đối với lưới nối đất an toàn như thế nào? Ví dụ 2: Lưới nối đất hình vuông, cạnh 70x70m, không có cọc nối đất. Thông số bài toán tương tự ví dụ 1 [2]. Tính chi phí lưới nối đất an toàn khi thông số điện trở suất thay đổi. Kết quả thu được: Xem bảng 2 và hình 7, 8, 9. Hình 5. Đồ thị chi phí lưới nối đất 50x50m Hình 7. Đồ thị chi phí lưới nối đất với điện trở suất đất 300 (Ω.m) Hình 6. Đồ thị chi phí lưới nối đất 30x30m Nhận xét: Với cùng một loại đất, cùng điện trở suất 400(Ω.m), khi sử dụng chất cải tạo đất sẽ giãn ô lưới, giảm số thanh nối đất, mà vẫn đảm bảo điện áp lưới nằm trong khoảng giá trị Hình 8. Đồ thị chi phí lưới nối đất với điện trở cho phép. suất đất 500 (Ω.m)
5. Nhận xét: Từ bảng 2, ta dễ thấy quy luật khi điện trở suất đất tăng thì độ dày GEM lớn hơn và chi phí nối đất giảm nhiều hơn (ta có thể chọn bề dày GEM thích hợp để giảm chi phí lưới nối đất). Với kích thước lưới nối đất là 70x70m nhưng khi tăng điện trở suất đất thì chi phí nối đất giảm nhiều hơn. 1 =300(Ω.m) cho chi phí nối đất giảm không nhiều, =1000(Ω.m) cho chi phí nối đất giảm đáng kể. Như vậy GEM trong trường hợp điện trở suất đất cao sẽ mang Hình 9 Đồ thị chi phí lưới nối đất với điện trở lại hiệu quả về kinh tế. suất đất 1000 (Ω.m) Bảng 2: Chi phí lưới nối đất khi điện trở suất đất thay đổi, kích thước lưới không đổi Điện Loại Điện áp Điện áp Điện áp Điện áp Khoảng Số Tổng Độ dày Chi phí trở lưới tiếp xúc bước tiếp xúc bước cách thanh chiều GEM nối đất suất nối đất cho cho tính toán tính thanh nối nối dài tối ưu tối ưu đất phép phép (V) toán đất đất thanh (cm) ($) (Ω.m) (V) (V) (V) (m) nối đất (m) Không 827 2642 811 460 8.7 9 1260 0 8423 300 GEM Có 827 2642 815 465 10 8 1120 0.3 7917 GEM Không 847 2725 836 775 4.3 17 2380 0 15911 500 GEM Có 847 2725 832 763 5.3 14 1960 0.5 14550 GEM Không 899 2932 891 1806 2.1 34 4760 0 31822 1000 GEM Có 899 2932 891 1643 3.05 24 3360 0.8 27224 GEM IV. Kết luận Và ngược lại, nếu lưới nối đất đặt trong môi trường có điện trở suất nhỏ (dưới 300 Ω.m) Việc ứng dụng chất cải tạo đất trong tính thì không nên sử dụng chất cải tạo đất vì số thanh toán lưới nối đất an toàn mang lại hiệu quả kinh nối đất sẽ giảm không nhiều và độ dày GEM rất tế trong một số trường hợp nhất định. Nếu điện mỏng, khó thi công. Khi thiết kế lưới nối đất có trở suất của đất lớn hoặc kích thước lưới nối đất sử dụng GEM, chúng ta nên cân nhắc bề dày nhỏ thì ta nên sử dụng chất cải tạo đất để giảm GEM phải đủ lớn hơn để tiện thi công. số thanh nối đất, như vậy sẽ giảm được chi phí lắp đặt lưới nối đất. điều này rất hiệu quả trong V. Tài liệu tham khảo môi trường đất có tính ăn mòn cao. [1] Chuong Ho Van Nhat. Calculating Với những vùng đất có điện trở suất cao, resistance of simple grounding forms with or ta có thể chọn bề dày GEM phù hợp, để giảm chi without the soil improved chemical substance, phí thi công lưới nối đất mà vẫn đảm bảo điện 2010 Asia-Pacific Power and Energy áp lưới nằm trong giới hạn an toàn theo tiêu Engineering Conference, March 2010, pp 28-31. chuẩn IEEE std.80-2013.
6. [2] ANSI/IEEE Std 80-2013. IEEE Guide VI. Giới thiệu tác giả for Safety in AC Substation Grounding. Hồ Văn Nhật Chương sinh [3] năm 1954, tỉnh Thừa Thiên pham/phu-kien-chong-set Huế, Việt Nam. Tốt nghiệp [4] chuyên ngành Kỹ thuật điện 114/hoa-chat-lam-giam-dien-tro-dat gem của trường đại học Bách [5] Khoa TP.HCM năm 1977 literature/E978B-WWEN.pdf. và học vị Tiến sĩ chuyên ngành Kỹ thuật cao áp của [6] Hồ Văn Nhật Chương. Bài tập kỹ trường đại học Kiev thuật cao áp. NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, Polytechnique, Ukraine năm 1997. Hiện đang 2014, tr. 264 giảng dạy lý thuyết bộ môn hệ thống điện tại [7] Chuong Ho Van Nhat. Experimental trường đại học Bách Khoa TP.HCM. Nghiên Coefficients of Utilization for Calculating cứu trong các lĩnh vực Hệ thống nối đất, quá áp Simple Grounding Systems with Ground tron ghệ thống điện, đo lương cao áp. Enhancement Materials. 2015 International Symposium on Electrical and Electronics Engineering (ISEE2015), pp 408-415 Hồ Ninh Thuận sinh năm 1991, tỉnh Đồng Nai, Việt [8] Quyền Huy Ánh. An toàn điện. NXB Nam, tốt nghiệp chuyên Đại học Quốc gia TP.HCM. ngành Điện công nghiệp tại trường đại học Sư phạm kỹ [9] Van Dinh Anh and his Group. thuật TP.HCM năm 2013. Researching and suggesting some solutions for Học viên cao học trường improving grounding system of the transmission đại học Sư phạm kỹ thuật line and high voltage transformer substation of TP.HCM chuyên ngành Kỹ Ho Chi Minh City Power Company, 2004. thuật điện từ năm 2015. Nghiên cứu trong lĩnh vực hệ thống nối đất trong hệ thống điện. Tp.HCM, ngày 03 tháng 11 năm 2016 Tp.HCM, ngày 03 tháng 11 năm 2016 Giảng viên hướng dẫn Người thực hiện PGS.TS. Hồ Văn Nhật Chương Hồ Ninh Thuận
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.