(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao
TỔNG QUAN
Tổng quan chung về hướng nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã được công bố
1.1.1 Tổng quan chung về hướng nghiên cứu
Mỗi năm, ngành điện nước ta chịu thiệt hại lớn do hậu quả của các trận sấm sét gây ra, gây gián đoạn cung cấp điện và thất thoát ngân sách nhà nước Việc tính toán và thiết kế hệ thống nối đất có hiệu quả là cần thiết để bảo vệ an toàn tính mạng con người và thiết bị trong hệ thống điện.
Nối đất tạo điều kiện thuận lợi cho các dòng điện sự cố như dòng rò qua cách điện, dòng chạm đất, dòng ngắn mạch hoặc dòng điện sét nhanh chóng tản vào trong lòng đất Điều này giúp hạn chế thiệt hại tại chỗ và ngăn chặn sự lan truyền của dòng điện gây hại sang các phần tử khác trong hệ thống Ngoài ra, nối đất còn giúp duy trì điện thế trên các phần tử nối đất ở mức thấp, đảm bảo an toàn và ổn định hoạt động của hệ thống điện.
Trong hệ thống điện có 3 loại nối đất như sau:
Nối đất làm việc là yêu cầu thiết yếu để đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị điện trong điều kiện bình thường và khi có sự cố, theo các chế độ quy định Việc nối đất điểm trung tính của các cuộn dây máy phát, nối đất máy biến áp đo lường và hệ thống pha - đất giúp bảo vệ an toàn cho hệ thống điện, hạn chế nguy cơ chập cháy hoặc hỏng hóc thiết bị Đây là biện pháp chống sét và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện trong quá trình vận hành.
Nối đất an toàn (nối đất bảo vệ) là biện pháp quan trọng nhằm đảm bảo an toàn cho người dùng khi thiết bị điện gặp sự cố gây rò điện Việc nối đất các bộ phận kim loại như vỏ máy phát, vỏ thiết bị điện và các kết cấu kim loại trong hệ thống phân phối điện giúp giảm nguy cơ điện giật, bảo vệ người sử dụng khỏi các tai nạn đáng tiếc do chạm vào thiết bị hỏng Đảm bảo hệ thống nối đất đúng kỹ thuật là yếu tố then chốt để duy trì an toàn cho hệ thống điện và giảm thiểu rủi ro tai nạn.
Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét vào đất, giúp giảm thiểu nguy cơ gây hư hỏng thiết bị điện tử và an toàn cho người sử dụng Việc nối đất cột thu sét và dây chống sét đảm bảo điện thế các phần tử được nối đất không quá cao, hạn chế phóng điện ngược từ các phần tử đó đến các bộ phận mang điện và trang thiết bị khác Hệ thống nối đất chống sét đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ công trình và giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra.
Trong hệ thống nối đất, yếu tố điện trở đất đóng vai trò cực kỳ quan trọng, khi giá trị điện trở đất càng thấp thì hệ thống càng an toàn và hiệu quả Tuy nhiên, tại các khu vực đồi núi, cao nguyên và vùng nhiều đá sỏi, điện trở đất thường cao, đòi hỏi phải giảm điện trở nối đất để đảm bảo an toàn hệ thống Việc giảm điện trở nối đất không chỉ nâng cao hiệu quả của hệ thống nối đất mà còn giúp tiết kiệm chi phí kinh tế dài hạn.
Gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra hóa chất San Earth M5C, có khả năng giảm điện trở đất hiệu quả, bền vững theo thời gian và an toàn với môi trường, không bị rửa trôi Hóa chất này do hãng Sankosa của Nhật Bản sản xuất và đã được Việt Nam tự sản xuất để đáp ứng nhu cầu trong nước Tuy nhiên, các nghiên cứu về tính toán và thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp hiện vẫn còn tồn tại một số hạn chế cần khắc phục.
Tính toán, thiết kế nối đất cho trạm biến áp theo hướng dẫn của tiêu chuẩn IEEE Std 80-2000, mặc dù năm 2013 tiêu chuẩn này đã ra phiên bản mới;
Phần lớn các nghiên cứu trước đây chưa xem xét việc sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất trong quá trình tính toán và thiết kế hệ thống nối đất, đặc biệt là trong các khu vực có điện trở đất cao hoặc diện tích thi công hạn chế.
Chưa xem xét, so sánh về mặt kinh tế giữa các phương án có và không sử dụng hóa chất để giảm điện trở nối đất Để khắc phục vấn đề này, đề tài “Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất đất cao” đã được thực hiện nhằm đề xuất các phương pháp tính toán và lựa chọn giải pháp nối đất an toàn phù hợp theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013.
1.1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước a Nghiên cứu trong nước
Hồ Ninh Thuận đã nghiên cứu về việc sử dụng chất cải tạo đất trong thiết kế hệ thống nối đất an toàn theo tiêu chuẩn IEEE STD.80-2013, nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống chống sét Nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hoá các phương pháp tính toán nối đất phù hợp với các điều kiện địa chất đặc thù của khu vực Việc áp dụng chất cải tạo đất giúp giảm điện trở đất, từ đó đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong các công trình điện và viễn thông Luận văn Thạc sĩ của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật đã góp phần cập nhật các giải pháp khoa học, phù hợp tiêu chuẩn quốc tế, trong lĩnh vực chống sét và nối đất.
TPHCM, 2016 Đề tài tính toán nối đất và tối ưu hóa hệ thống nối đất khi có sử dụng chất cải tạo đất GEM theo tiêu chuẩn IEEE STD 80-2013
[2] Phạm Tấn Hưng, Nối đất trạm biến áp cao thế có tính đến hóa chất cải tạo đất,
Luận văn Thạc sĩ của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM năm 2015 tập trung nghiên cứu phương pháp thực nghiệm đo điện trở đất cho trạm biến áp cao thế, trong đó có tính đến việc sử dụng hóa chất cải tạo đất GEM theo tiêu chuẩn IEEE STD 80-2000 Nghiên cứu này cung cấp các giải pháp đo lường chính xác, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống điện cao thế Phương pháp thực nghiệm được áp dụng nhằm đánh giá hiệu quả của hóa chất GEM trong việc cải thiện đặc tính chống đất của đất tại các trạm biến áp Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất vận hành và độ bền của thiết bị điện qua việc tối ưu hóa phương pháp đo điện trở đất theo tiêu chuẩn quốc tế.
Trong công trình nghiên cứu của Nguyễn Thanh Tùng, tác giả phân tích và tính toán điện trở nối đất cho các hình thức đơn giản, đồng thời xem xét thành phần đất cải tạo nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống tiếp đất Bài luận văn Thạc sĩ tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xác định chính xác điện trở đất để đảm bảo an toàn, ổn định trong hệ thống điện Các phương pháp tính toán phù hợp với điều kiện thực tế của đất và các yếu tố môi trường đã được trình bày rõ ràng, giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống tiếp đất cho các công trình kỹ thuật.
Nghiên cứu phương pháp tính toán điện trở nối đất trạm biến áp theo hình thức đơn giản, áp dụng các thành phần cải thiện điện trở nối đất, đã được thực hiện tại TP.HCM vào năm 2012 Các phương pháp này giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống điện, tiết kiệm chi phí và nâng cao độ tin cậy của trạm biến áp Áp dụng kỹ thuật cải tạo điện trở nối đất là yếu tố then chốt để giảm thiểu rủi ro cháy nổ và mất an toàn hệ thống trong thực tế.
Nguyễn Trung Phương đã nghiên cứu các phương pháp tính toán và giải pháp giảm điện trở tại các vùng có điện trở suất cao Trong luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật tại Trường Đại học, ông tập trung vào việc đề xuất các kỹ thuật tối ưu nhằm giảm điện trở để nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng Các phương pháp này giúp cải thiện khả năng dẫn điện, giảm năng lượng mất mát và tăng độ bền của hệ thống điện trong các khu vực có điện trở suất lớn Nghiên cứu của ông góp phần quan trọng vào việc phát triển công nghệ truyền tải điện hiệu quả hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về cung cấp năng lượng an toàn và bền vững.
Nghiên cứu đánh giá hai phương pháp tính trị số điện trở nối đất của trạm biến áp theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE80, bao gồm phương pháp tính toán của Nga và phương pháp Schwarz Bách Khoa Hà Nội năm 2012 đã tiến hành so sánh chi tiết giữa hai phương pháp này để xác định ưu nhược điểm và độ chính xác trong tính toán trị số điện trở đất Việc so sánh giúp cải tiến quy trình kiểm tra và đảm bảo an toàn hệ thống điện theo tiêu chuẩn quốc tế Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong thiết kế hệ thống nối đất cho các trạm biến áp.
Nhìn chung các nghiên cứu nêu trên còn một số hạn chế như sau:
Các bước tính toán sử dụng công thức tính toán phức tạp, gây khó khăn cho người sử dụng;
Tính toán, thiết kế hệ thống nối đất theo tiêu chuẩn IEEE STD 80-2000 đã hết hiệu lực thi hành b Nghiên cứu ngoài nước
Tính cấp thiết của đề tài
Nghiên cứu và thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp sử dụng hóa chất giảm điện trở giúp cải thiện hiệu quả kỹ thuật của hệ thống, đặc biệt trong các vùng có điện trở suất đất cao Công nghệ này không chỉ nâng cao độ an toàn cho hệ thống điện mà còn tối ưu hóa chi phí thi công, mang lại lợi ích kinh tế vượt trội Việc áp dụng các chất làm giảm điện trở đất giúp giảm thiểu rủi ro chạm đất và đảm bảo hoạt động ổn định của trạm biến áp trong điều kiện đất cứng, khô hạn Sử dụng hệ thống nối đất có hóa chất phù hợp góp phần nâng cao hiệu suất vận hành, đồng thời giảm chi phí xây dựng và bảo trì hệ thống điện.
Nhiệm vụ của đề tài
Áp dụng tiêu chuẩn IEEE Std.80-2013, tính toán thiết kế hệ thống nối đất trạm biến áp khi không sử dụng hóa chất cải tạo đất
Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống nối đất trạm biến áp khi sử dụng hóa chất cải tạo đất
Chương trình tính toán và thiết kế tự động hệ thống lưới nối đất an toàn trong trạm biến áp đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật quan trọng, đảm bảo an toàn cho hệ thống điện Đồng thời, đề xuất phương án xác định hàm chi phí hàng năm cho các giải pháp nối đất được lựa chọn, bao gồm cả trường hợp sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất và không sử dụng Việc tối ưu hóa thiết kế lưới nối đất góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu rủi ro mất an toàn trong trạm biến áp.
Giới hạn đề tài
Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất đất cao dựa trên tiêu chuẩn IEEE STD 80-2013 Các giải pháp này sử dụng chất cải tạo đất nhằm giảm điện trở đất, từ đó nâng cao độ an toàn và hiệu quả hệ thống nối đất Tuy nhiên, phương pháp đã được lý thuyết hóa nhưng chưa được kiểm nghiệm thực tế để xác nhận hiệu quả Việc áp dụng các chất cải tạo đất giúp cải thiện đặc tính điện trở của đất, đặc biệt trong các khu vực có điện trở suất cao Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và điều kiện đất đai đến khả năng cải thiện điện trở đất Đề xuất này hướng tới nâng cao độ an toàn hệ thống điện, giảm nguy cơ chập mạch và tai nạn điện trong vận hành trạm biến áp.
Phương pháp nghiên cứu
Thu thập, nghiên cứu tài liệu
Lập trình trong phần mềm Matlab
Nghiên cứu tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013;
Nghiên cứu tính năng, thông số và phạm vi ứng dụng của hóa chất giảm điện trở nối đất SAN EARTH có trên thị trường Việt Nam;
Nghiên cứu và đề xuất các bước tính toán, thiết kế tự động hệ thống nối đất trạm biến áp dựa trên tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả Quá trình này còn tính toán chi phí hàng năm của phương án lựa chọn để tối ưu hóa chi phí vận hành Việc áp dụng các phương pháp tự động giúp nâng cao độ chính xác và tiết kiệm thời gian trong thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp.
Nghiên cứu và đề xuất các bước tính toán, thiết kế tự động hệ thống nối đất trạm biến áp dựa trên việc sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống Bài viết còn xem xét đến yếu tố chi phí tính toán hàng năm của phương án được lựa chọn để đảm bảo tính khả thi về mặt tài chính Phương pháp tự động hóa trong thiết kế giúp tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu sai sót trong quá trình thực hiện hệ thống nối đất trạm biến áp Việc lựa chọn hóa chất giảm điện trở nối đất phù hợp góp phần giảm thiểu rủi ro điện giật, bảo vệ an toàn cho thiết bị và nhân lực vận hành Các bước tiến hành tính toán và thiết kế tự động sẽ giúp kỹ sư dễ dàng áp dụng và nâng cao hiệu quả trong công tác xây dựng hệ thống nối đất cho trạm biến áp.
Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển.
Điểm mới của đề tài
Xây dựng chương trình thiết kế tự động hệ thống nối đất trên cơ sở các bước tính toán đề xuất bởi tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013
Dưới đây là các bước xây dựng chương trình thiết kế tự động hệ thống nối đất dựa trên tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, đặc biệt trong trường hợp sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất Quá trình này bao gồm việc tính toán chính xác các giá trị điện trở nối đất cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả hệ thống Việc đề xuất các phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 giúp tối ưu hóa hệ thống nối đất, nâng cao độ tin cậy và giảm thiểu rủi ro tai nạn điện Chính sách sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất phải được tích hợp hợp lý vào quy trình thiết kế tự động, đảm bảo phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn quốc tế.
Giá trị thực tiễn của đề tài
Luận văn trình bày hai công cụ thiết kế tự động hệ thống nối đất cho trạm biến áp dựa trên các bước tính toán theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, phù hợp cho các trường hợp có hoặc không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất Các công cụ này hỗ trợ các Công ty Điện lực và các Công ty Tư vấn Thiết kế điện tại Việt Nam tối ưu hoá hệ thống nối đất, đảm bảo an toàn và hiệu quả kỹ thuật trong quá trình thiết kế và thi công.
Kết quả nghiên cứu của luận văn cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng cho các cán bộ kỹ thuật của các công ty Điện lực, các NCS và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện trong việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp đặt ở vùng có điện trở suất đất cao, giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện.
Nội dung của đề tài
Chương 2: Tổng quan về lưới nối đất và hóa chất giảm điện trở đất
Chương 3: Tính toán nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013
Chương 4: Chương trình tính toán lưới nối đất
Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI NỐI ĐẤT VÀ HÓA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ ĐẤT
Tổng quan về lưới nối đất trong trạm biến áp
2.1.1 Các yêu cầu của lưới nối đất trạm biến áp
2.1.1.1 Phần nối đất trạm biến áp
Hệ thống nối đất trong trạm biến áp gồm các thành phần chính như thanh nối đất và cọc nối đất, đều cần được kết nối chắc chắn để đảm bảo tính bền vững và tuổi thọ lâu dài của hệ thống Việc thiết kế các thành phần này phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật cao nhằm đảm bảo an toàn và ổn định cho quá trình vận hành của trạm biến áp Chọn lựa vật liệu phù hợp và kỹ thuật thi công chính xác là yếu tố then chốt để duy trì độ bền và hiệu quả của hệ thống nối đất trong suốt quá trình vận hành.
Đảm bảo sự dẫn điện và không tạo ra sự khác biệt về điện áp trong trạm biến áp
Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu nối đất, những hư hỏng về cơ khí phải được đảm bảo khi có dòng sự cố
Các chỗ liên kết phải chắc chắn, tin cậy, độ bền cơ khí cao
Dễ dàng bảo trì và thay thế
2.1.1.2 Tính toán điện trở nối đất trạm biến áp
Tính toán dòng chạm đất
Trị số dòng điện tính toán để chọn đặc tính kỹ thuật của dây nối đất cần lấy giá trị lớn nhất của dòng điện ổn định chạm đất 1 pha trong hệ thống điện Ngoài ra, quá trình tính toán còn phải xem xét sự phân bố dòng điện chạm đất giữa các điểm trung tính nối đất của hệ thống để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Để xác định trị số dòng điện chạm đất, cần xác định theo sơ đồ vận hành của hệ thống điện Việc tính toán này giúp đảm bảo đúng quy trình và phản ánh chính xác dòng điện ngắn mạch lớn nhất có thể xảy ra trong lưới điện Điều này rất quan trọng để đảm bảo an toàn và tối ưu hóa các biện pháp bảo vệ trong hệ thống điện.
Thời gian cắt trong trường hợp chạm đất
Khi xác định giá trị điện áp tiếp xúc và điện áp bước cho phép, cần lấy thời gian tác động tính toán bằng tổng thời gian tác động của hệ thống bảo vệ và thời gian cắt toàn phần của máy cắt Trong quá trình làm việc của công nhân, nếu tiếp tục thực hiện các thao tác đóng cắt, có thể gây ra ngắn mạch ở các kết cấu mà công nhân có thể chạm tới Do đó, thời gian tác động của thiết bị bảo vệ phải được lấy bằng thời gian tác động của hệ thống bảo vệ dự phòng để đảm bảo an toàn tuyệt đối.
Xác định điện trở suất của đất
Trong quá trình thiết kế hệ thống nối đất cho thiết bị điện, việc xác định trị số điện trở suất của đất là bước quan trọng, được thực hiện bằng cách đo tại hiện trường Để đảm bảo độ chính xác, việc đo điện trở suất của đất phải tính đến sự biến thiên của trị số này trong suốt cả năm, nhằm tối ưu hóa hiệu quả và độ an toàn của hệ thống nối đất.
Điện trở nối đất của hệ thống trạm biến áp 110kV đến 500kV cần được tính toán dựa trên điện áp tiếp xúc và điện áp bước, đảm bảo an toàn và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật Việc xác định giá trị điện trở nối đất phù hợp giúp hạn chế rủi ro điện giật, bảo vệ thiết bị và duy trì hệ thống điện ổn định Các điều kiện quan trọng bao gồm phải tuân thủ các quy định về điện trở đất tối thiểu và đảm bảo khả năng thoát dòng rò một cách hiệu quả, góp phần nâng cao độ an toàn cho người vận hành và hệ thống điện.
Điện áp tiếp xúc và điện áp bước tính toán phải nhỏ hơn điện áp tiếp xúc và điện áp bước cho phép
Tiết diện dây nối đất phải lớn hơn tiết diện dây nối đất tính toán
Điện áp dư của lưới nối đất khi xảy ra ngắn mạch cần phải thấp hơn mức cách điện của trung tính nối đất các thiết bị làm việc trong trạm để đảm bảo an toàn Việc tính toán điện áp tiếp xúc, điện áp bước và điện trở nối đất là rất quan trọng nhằm đảm bảo hệ thống chống rò điện hoạt động hiệu quả, hạn chế nguy cơ gây mất an toàn cho người và thiết bị trong quá trình vận hành.
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4756 – Quy phạm nối đất trong hệ thống điện
2.1.3 Các dạng của lưới nối đất trạm biến áp
Trong thực tế, lưới nối đất trạm biến áp sẽ được thiết kế theo các kiểu như sau:
Lưới hình vuông không có cọc nối đất và có cọc nối đất
Lưới hình chữ nhật không có cọc nối đất và có cọc nối đất
Lưới hình L không có cọc nối đất và có cọc nối đất
Thực hiện nối đất theo kiểu mạch vòng quanh diện tích giúp giảm thiểu dòng điện và điện áp cao trong lưới nối đất cũng như ở cuối đường cáp gần đó Thanh nối đất được đặt song song dọc theo chiều dài và chiều rộng của cọc nối đất, tối ưu hóa cấu trúc và các hàng thiết bị để kết nối cọc nối đất ngắn nhất, đảm bảo an toàn và hiệu quả hệ thống Mạch đất.
Hệ thống cọc nối đất tiêu biểu gồm các thanh đồng chôn sâu từ 0,3 đến 0,5 mét, với khoảng cách giữa các thanh từ 3 đến 7 mét Các thanh dẫn được liên kết chắc chắn bằng các mối hàn dọc, tạo thành hệ thống kết nối vững chắc Cọc nối đất thường được bố trí tại các góc của lưới nối đất hoặc tại các nút giao nhau dọc theo chu vi để tối ưu hóa hiệu quả ổn định Ngoài ra, các cọc nối đất còn được kết nối với các thiết bị chính hoặc các cọc thu sét nhằm đảm bảo an toàn điện tản nhiệt hiệu quả.
Hệ thống cọc nối đất cần được kéo dài toàn bộ chiều dài trạm và dọc theo hàng rào để đảm bảo an toàn điện Các dây nối đất và thanh nối đất có tiết diện lớn thường được sử dụng để kết nối vào hệ thống nối đất tại những vị trí có dòng điện tập trung cao, như dây trung tính của máy biến áp và máy phát Việc mở rộng hệ thống cọc nối đất giúp nâng cao khả năng phân tán dòng điện và đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện và người vận hành.
Sự kết nối dọc tạo ra nhiều đường thoát cho dòng sự cố làm điện áp trên bề mặt lưới thấp đi.
Hóa chất giảm điện trở nối đất San Earth M5C
2.2.1 Giới thiệu về hóa chất giảm điện trở nối đất San Earth M5C
San Earth là một loại hóa chất dẫn điện dạng bột, được làm từ các chất có độ bền hóa học cao, đảm bảo tính ổn định và an toàn Từ khi ra mắt thị trường năm 1979, San Earth đã trở thành lựa chọn hàng đầu trong việc giảm điện trở nối đất, cung cấp lượng lớn sản phẩm và nhận được sự tin dùng nhờ hiệu quả vượt trội trong cải thiện hệ thống nối đất.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
San Earth có sẵn ở hai dạng, dưới dạng bột được dùng để nối đất các công trình điện và dạng hỗn hợp dùng trong xây dựng
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Ngày 08/7/2014, tại xã Bình Nguyên, huyện Bình Sơn, lễ khánh thành Nhà máy Sankosha Việt Nam đã chính thức diễn ra, đánh dấu bước phát triển quan trọng của Tập đoàn Sankosha Nhật Bản và Công ty cổ phần Cơ - Điện - Môi trường Lilama trong lĩnh vực sản xuất tại Việt Nam.
Nhà máy Sankosha Việt Nam chuyên sản xuất vật liệu giảm điện trở đất San Earth – một loại vật liệu tiên tiến dùng trong hệ thống tiếp đất, đảm bảo an toàn chống sét cao cho các công trình như viễn thông, điện lực, đường sắt và hàng hải Với công suất 500 tấn/năm, đây là nhà máy đầu tiên tại Việt Nam sản xuất vật liệu giảm điện trở nối đất và là một trong ba nhà máy của Tập đoàn Sankosha trên toàn thế giới Gần 80% sản phẩm của nhà máy được xuất khẩu sang các thị trường châu Á và Trung Đông, khẳng định vị thế và uy tín của doanh nghiệp trên thị trường quốc tế.
Hình 2.1: Mặt trước bao San Earth M5C Hình 2.2: Mặt sau bao San Earth M5C 2.2.2.Tính năng của hóa chất giảm điện trở nối đất San Earth M5C
2.2.2.1 Chất lượng nối đất tuyệt vời
San Earth thường được sử dụng dưới dạng bột khô, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao trong quá trình thi công Sản phẩm này giúp tăng cường khả năng liên kết giữa hệ thống nối đất và vùng đất xung quanh, đảm bảo độ ổn định và an toàn So với các kỹ thuật nối đất truyền thống, San Earth mang lại hiệu quả vượt trội, tối ưu hóa hiệu suất hệ thống điện và giảm thiểu rủi ro liên quan đến điện áp gây ra từ môi trường xung quanh.
2.2.2.2 Chống ăn mòn kim loại nối đất Ở bình thường, quá trình oxy hóa xảy ra đối với bất kỳ kim loại nào chôn trong lòng đất Quá trình oxy hóa làm kim loại bị ăn mòn nghiêm trọng Quá trình này sẽ được hạn chế tối đa bằng cách sử dụng San Earth Phủ lên kim loại bằng San Earth sẽ tạo ra sự dẫn điện giữa kim loại và San Earth làm giảm phản ứng oxy hóa và ngăn kim loại bị ăn mòn
2.2.2.3 Chi phí nối đất hiệu quả
Hố chất giảm điện trở đất San Earth dễ dàng lắp đặt bằng cách rải hóa chất khô lên trên hoặc quanh các chất dẫn điện trong rãnh ngang Khi đổ đất đầy rãnh, Hố chất này hút ẩm xung quanh đất và cứng lại, trở thành một phần của điện cực đất, giúp tăng diện tích bề mặt và giảm điện trở đất Với dạng bột và không phải dạng lỏng, San Earth dễ thi công ngay cả ở những vị trí dốc, mang lại hiệu quả về chi phí.
2.2.2.4 An toàn với môi trường
San Earth hoàn toàn không gây ô nhiễm nhờ vào thành phần chứa các chất hóa học trơ, rất an toàn cho môi trường Sản phẩm không tan vào đất và không biến đổi thành các chất điện phân, đảm bảo an toàn tuyệt đối khi sử dụng trong các khu vực cần bảo vệ môi trường.
2.2.2.5 Các ứng dụng trong thực tế
Trụ tháp truyền thông và trụ tháp điện cao thế;
Hệ thống nối đất của các nhà máy điện;
Tháp thu phát sóng viba;
Hệ thống nối đất của các trạm điện nhỏ;
Hệ thống bảo vệ các xung điện;
Trạm điện một chiều trung tâm;
Trạm thu tín hiệu vệ tinh dưới mặt đất
2.2.3.Thực nghiệm tính nối đất củaSan Earth M5C
So sánh hóa chất San Earth M5C với dây đồng trần
Hình 2.3: Điện trở Hình 2.4: Tổng trở đột biến Độ sõu điện cực: 0,5 m Dạng súng đột biến: 1/100 às Chiều rộng điện cực San Earth: 0,5 m Chiều dài điện cực: 40 m
Kết quả đo điện trở đất cho các chiều sâu khác nhau cho thấy điện trở suất thay đổi theo độ sâu, với giá trị trung bình là 305.91 Ω-m tại độ sâu 0.2 m Cụ thể, điện trở suất tại các độ sâu 0.2 m, 1.72 m, 4.3 m, 6.88 m và 20.0 m lần lượt là 305.91 Ω-m, 382.40 Ω-m, 185.80 Ω-m, 161.20 Ω-m và 47.40 Ω-m Độ sâu đo điện trở đất của hai thử nghiệm lần lượt là 0.2 m, 1.72 m, 4.3 m, 6.88 m và 20.0 m, với điện trở suất trung bình được xác định là từ 305.91 Ω-m đến 371.58 Ω-m, phản ánh sự biến đổi của đất theo chiều sâu và ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của đất.
2.2.4 Thi công điển hình với San Earth M5C
2.2.4.1 Đối với các điện cực nằm ngang
San Earth M5C sau khi thi công sẽ nhanh chóng hóa rắn bằng cách hấp thụ độ ẩm trong đất xung quanh, giúp đảm bảo độ ổn định và khả năng chịu tải cao cho hệ thống nối đất Đây là vật liệu lý tưởng cho các vị trí không có điều kiện thi công phức tạp hoặc đất yếu, mang lại hiệu quả và an toàn tối ưu cho hệ thống chống sét và bảo vệ điện Với khả năng tương thích tốt với môi trường và khả năng thích nghi nhanh, San Earth M5C đảm bảo độ bền lâu dài và giảm thiểu rủi ro về sau.
Copper Ground Wire Copper Ground Wire
M5C Electrode có nguồn nước sẵn, giúp quá trình thi công dễ dàng và hiệu quả Dây nối đất được đặt trong rãnh sâu, sau đó phủ bằng San Earth để đảm bảo tiếp đất vững chắc Việc này giúp tăng diện tích bề mặt điện cực nối đất, nâng cao hiệu suất hệ thống chống sét và bảo vệ công trình tối ưu.
Chiều dài của rãnh được xác định dựa trên điện trở đất tại công trình và yêu cầu về giá trị điện trở của dự án Rãnh cần có độ sâu tối thiểu là 0,5 mét để đảm bảo hiệu quả bảo vệ chống sét và an toàn Đáy của rãnh nên được làm phẳng càng nhiều càng tốt giúp dễ dàng thi công và đảm bảo tính ổn định của hệ thống tiếp đất.
Hình 2.5: Mặt cắt dọc điện cực khi thi công
Bước 1: Đặt dây nối đất trong rãnh
Bước 2: Phủ lên trên dây nối đất bằng San Earth M5C đồng thời trải một lớp mỏng ở dưới đáy rãnh
Bước 3: Cho phép San Earth phủ khoảng 30 cm phần cách điện của dây nối đất
Hình 2.6: Mặt cắt ngang điện cực khi thi công
Bước 4: Phủ lên lớp San Earth M5C khoảng 10 cm đất và đầm chặt chúng
Bước 5: Lắp đất và hoàn thiện quá trình lắp đặt
2.2.4.2 Đối với các điện cực thẳng đứng
Dùng cọc tiếp đất bọc đồng hoặc dây tiếp đất đồng trần
Bạn có thể tạo vữa giảm điện trở đất bằng cách trộn đất San Earth với nước rồi đổ hỗn hợp vào lỗ quanh dây dẫn để cải thiện hệ thống chống sét Ngoài ra, việc lắp đặt hóa chất giảm điện trở đất theo chiều thẳng đứng là phương pháp hiệu quả khi diện tích thi công hạn chế, vẫn đảm bảo đạt điện trở đất mong muốn Đối với cách lắp đặt này, cần đào một lỗ có đường kính 75 mm theo chiều dọc, tùy thuộc vào tính toán điện trở đất đo được tại công trình để đảm bảo hiệu quả và độ an toàn của hệ thống chống sét.
TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN IEEE Std 80-2013 3.1 Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013
Giới thiệu về tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013
Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 hướng dẫn thiết kế hệ thống nối đất an toàn cho các trạm biến áp trong hệ thống điện, đảm bảo an toàn và hiệu quả Được lần đầu xuất bản vào năm 1961 dựa trên mô hình toán học thực tế của Steven năm 1959, tiêu chuẩn này đã trở thành nền tảng quan trọng trong ngành điện Qua nhiều năm, các nhà khoa học như Thapar, Sverak, Dawalibi đã phát triển và sửa đổi tiêu chuẩn này vào các năm 1976, 1986, 1996 và 2000, nâng cao độ chính xác và phù hợp với thực tiễn Các tiêu chuẩn này góp phần nâng cao an toàn hệ thống điện, giảm thiểu rủi ro chập cháy và mất an toàn cho người sử dụng trong các trạm biến áp.
Tiêu chuẩn IEEE Std 80-1976 đưa ra phương pháp tính giới hạn điện áp tiếp xúc, điện áp lưới và điện áp bước của hệ thống nối đất hình vuông Tiêu chuẩn này giúp xác định các giới hạn an toàn về điện áp để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện và người sử dụng Phương pháp tính dựa trên các yếu tố như đặc điểm hệ thống, độ bền cách điện và điều kiện đất, nhằm giảm thiểu nguy cơ tai nạn điện do quá mức điện áp IEEE Std 80-1976 là tài liệu quan trọng trong việc thiết kế hệ thống nối đất an toàn và hiệu quả, phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế về an toàn điện.
Năm 1986 đã có hai sửa đổi quan trọng, trong đó đầu tiên là định nghĩa lại giới hạn điện áp bước và điện áp tiếp xúc cho người có trọng lượng 50 kg và 70 kg Thứ hai là bổ sung hệ số Cs nhằm phản ánh sự khác biệt về điện trở suất của lớp đất phía bên dưới Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2000 đã mở rộng công thức tính toán cho các dạng lưới nối đất như hình vuông, hình chữ nhật, hình tam giác, dạng chữ T và chữ L, đồng thời thay đổi phương pháp tính hệ số suy giảm bề mặt để nâng cao độ chính xác (sai số chỉ 5%) Ngoài ra, tiêu chuẩn còn cập nhật các quy trình đánh giá và lựa chọn thanh dẫn, kết nối phù hợp Mô hình đất nhiều lớp đã được đưa vào để tính toán chính xác điện trở suất của hệ thống nối đất, phù hợp với các điều kiện thực tế của mỏ đất diễn ra trong các hệ thống kỹ thuật.
Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 được xây dựng dựa trên nền tảng của tiêu chuẩn IEEE Std 80-2000, với nội dung được các chuyên gia chỉnh sửa gọn gàng, loại bỏ các phần không cần thiết để tăng tính rõ ràng và dễ hiểu cho người đọc Tiêu chuẩn này hướng dẫn cách thiết kế và duy trì hệ thống chống sét, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các hệ thống điện Việc cập nhật phiên bản IEEE Std 80-2013 giúp các kỹ sư và nhà quản lý dễ dàng áp dụng các quy định mới nhất trong công tác bảo vệ chống sét.
Trong tiêu chuẩn này, ngưỡng an toàn của dòng điện đối với cơ thể người phụ thuộc vào thời gian dòng điện đi qua, được xác định theo công thức cụ thể để đảm bảo an toàn Các quy định này nhằm kiểm soát mức độ dòng điện và thời gian tác động nhằm giảm thiểu nguy cơ gây tổn thương cho sức khỏe con người Tiêu chuẩn này dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của dòng điện, giúp xác định giới hạn an toàn phù hợp để bảo vệ người sử dụng.
Dòng điện qua cơ thể người (IB) phụ thuộc vào năng lượng do điện giật gây ra và được xác định bằng công thức 𝐼 𝐵 2 𝑡 𝑠 = 𝑆 𝐵, trong đó, IB là dòng điện (mA) đi qua cơ thể người, ts là thời gian dòng điện chạy qua người (giây), và SB là hằng số kinh nghiệm liên quan đến năng lượng của điện giật Hiểu rõ mối quan hệ này giúp đánh giá mức độ nguy hiểm của điện giật đối với sức khỏe con người.
Từ đó xác định giá trị I B : 𝐼 𝐵 = 𝑘
Với k là hệ số phục hồi phụ thuộc vào trọng lượng cơ thể người
Trường hợp người cân nặng 50 kg thì k = 0,116;
Trường hợp người cân nặng 70 kg thì k = 0,157
3.1.2 Lưu đồ giải thuật tính toán nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013
Kích thước thanh dẫn: 3I 0 , t c , d Điện áp tiếp xúc cho phép: E touch 50 or 70 Điện áp bước cho phép: E step 50 or 70
Thiết kế ban đầu: D, n, L C , L T , h Điện trở lưới nối đất: R g , L T , L C
Tính điện áp lưới và điện áp bước
Bước 10 Sai Đúng Sai Đúng
3.1.3 Ý nghĩa các ký hiệu trong tính toán nối đất
Bảng 3.1: Ý nghĩa các ký hiệu trong tính toán nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị ρ Điện trở riêng của đất Ω.m ρs Điện trở suất của lớp đất bề mặt Ω.m
3I0 Dòng ngắn mạch chạm đất lớn nhất A
A Diện tích lưới nối đất m 2
Cs Hệ số hiệu chỉnh làm giảm điện trở suất của lớp đất bề mặt d Đường kính của dây dẫn làm lưới nối đất (dt, dc) m
D Khoảng cách giữa những dây dẫn song song m
Df Hệ số tính đến ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ được dùng để tính Ig
Dm Khoảng cách lớn nhất giữa hai điểm bất kỳ trên lưới m
Em Điện áp lưới ở giữa những mắt lưới V
Es Điện áp giữa 2 điểm trên mặt đất V
Estep50 Điện áp bước chịu đựng được đối với người nặng 50 kg V
Estep70 Điện áp bước chịu đựng được đối với người nặng 70 kg V
Etouch50 Điện áp tiếp xúc chịu đựng được đối với người nặng 50 kg V
Etouch70 Điện áp tiếp xúc chịu đựng được đối với người nặng 70 kg V h Độ sâu của lưới nối đất m hs Độ dày của lớp đất bề mặt m
IG Dòng điện tản vào đất lớn nhất A
Ig Dòng điện tản vào đất A
K Hệ số phản xạ của đất
Kh Hệ số hiệu chỉnh độ chôn sâu của lưới nối đất
Ki Hệ số hiệu chỉnh cho hình dạng của lưới nối đất
Kii Hệ số hiệu chỉnh cách bố trí của lưới nối đất
Km Hệ số khoảng cách cho điện áp lưới
Ks Hệ số khoảng cách cho điện áp bước
LC Tổng chiều dài các thanh dẫn của lưới m
LM Chiều dài ảnh hưởng của LC+LR đối với điện áp lưới m
LR Tổng chiều dài của các cọc nối đất m
Lr Chiều dài của mỗi cọc nối đất m
Ls Chiều dài ảnh hưởng của LC+LR đối với điện áp bước m
LT Tổng chiều dài ảnh hưởng của hệ thống nối đất, bao gồm lưới và cọc m
Lx Chiều dài lớn nhất của lưới theo phương x m
Ly Chiều dài lớn nhất của lưới theo phương y m n Hệ số hình học bao gồm na, nb, nc, nd
N Tổng số cọc được dùng theo diện tích A
Rg Điện trở của hệ thống nối đất Ω
Hệ số phân dòng sự cố (Sf) là chỉ số quan trọng để xác định dòng điện rò rỉ qua dây chống sét, không đi qua lưới nối đất Thời gian tồn tại dòng sự cố (tc) được sử dụng để xác định kích cỡ dây nối đất phù hợp, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống điện Thời gian tồn tại dòng sự cố (tf) giúp xác định kích cỡ dây nối đất tối ưu, còn thời gian tồn tại dòng ngắn mạch (ts) là yếu tố quan trọng trong việc tính toán dòng cho phép qua người, đảm bảo an toàn khi xảy ra sự cố.
3.1.4 Các bước tính toán thiết kế lưới nối đất trạm biến áp
Bước 1: Diện tích lưới nối đất và điện trở suất
Để xác định diện tích lưới nối đất của trạm biến áp, cần dựa trên chiều dài và chiều rộng của lưới, phù hợp với hình dạng như hình vuông, hình chữ nhật hay hình chữ L Đồng thời, tiến hành đo đạc điện trở suất của đất tại vị trí thiết kế để đảm bảo hệ thống nối đất hiệu quả Nếu gọi a là chiều dài và b là chiều rộng của lưới nối đất, thì diện tích của lưới có thể tính bằng tích của hai yếu tố này, giúp xác định kích thước phù hợp cho hệ thống nối đất của trạm biến áp.
Bước 2: Kích cỡ dây dẫn nối đất
Khi có sự cố ba pha chạm đất, dòng chạm đất đối xứng If = 3I0
Khi có sự cố một pha chạm đất, dòng điện chạm đất thứ tự không bằng:
Trong hệ thống MBA, điện áp pha phía sơ cấp được ký hiệu là Vln, còn Rf biểu thị điện trở ước lượng khi xảy ra sự cố, thường giả định bằng không để đơn giản hóa tính toán Các điện trở tương đương thứ tự thuận R1, R2 và R0 đại diện cho các thành phần của hệ thống trong các trạng thái khác nhau, trong đó R1, R2 là các điện trở thuận và nghịch, còn R0 là điện trở không phụ thuộc vào hướng dòng điện Tương tự, các điện kháng tương đương X1, X2 và X0 đại diện cho các thành phần điện kháng trong các trạng thái tương ứng của hệ thống, giúp phân tích các hiện tượng quá tải và bảo vệ hệ thống điện một cách chính xác.
Khi đó cần chú ý đến ngắn mạch xảy ra trên thanh cái nào của máy biến áp để quy đổi giá trị trở kháng sự cố cho chính xác
Tiết diện dây dẫn cần thiết cho lưới nối đất được xác định theo biểu thức sau:
Akcmil là đơn vị đo tiết diện dây dẫn (kcmil), giúp xác định khả năng chịu tải của dây Giá trị hiệu dụng dòng chạm đất (If) thể hiện khả năng chịu quá tải của hệ thống điện khi xảy ra chạm đất, được đo bằng kiloamperes (kA) Thời gian xảy ra chạm đất (tc) là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ an toàn của hệ thống, tính bằng giây (s) Hằng số vật liệu (Kf) được xác định dựa trên bảng dữ liệu (Bảng 3.2), phản ánh đặc tính của vật liệu trong các điều kiện vận hành khác nhau.
Bảng 3.2: Thông số vật liệu
Vật liệu Độ dẫn điện (%) T m ( 0 C) K f Đồng mềm 100 1083 7,0 Đồng 97 1084 7,06 Đồng 97 250 11,78
Có thể sử dụng công thức tính tiết diện dây tổng quát hơn, với các thông số của vật liệu tra ở Bảng 3.3
Khoảng thời gian sự cố (tc) được định nghĩa để đánh giá thời gian xảy ra sự cố trong hệ thống Nhiệt độ lớn nhất cho phép (Tm) là mức nhiệt tối đa không gây hư hỏng thiết bị, trong khi nhiệt độ môi trường (Ta) ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Hằng số nhiệt độ của vật liệu (Tr) và các hệ số liên quan như α0 và αr đóng vai trò quan trọng trong tính toán biến đổi nhiệt độ của các linh kiện Điện trở suất của dây nối đất (ρr) tại nhiệt độ Tr xác định khả năng dẫn điện của dây trong điều kiện vận hành Nhiệt dung (TCAP) đo lường khả năng tích trữ nhiệt của vật liệu, thể hiện qua đơn vị J/cm³.
Bảng 3.3: Hệ số vật liệu Kim loại Độ dẫn điện (%) α r (1/ 0 C) K 0
Thép thanh không gỉ 9,8 0.003 77 245 1400 17.50 4.4 Thép thanh tráng kẽm 8,6 0.003 20 293 419 20.10 3.9 Thép không rỉ 304 2,4 0.001 30 749 1400 72.00 4.0 Sau đó, quy đổi tiết diện dây dẫn từ Akcmil Amm theo công thức:
Amm = hệ số quy đổi Akcmil (trong đó hệ số quy đổi tra ở Bảng 3.4) (3.10)
Bảng 3.4: Hệ số quy đổi đơn vị tiết diện dây dẫn
Hình tròn (mils) Hình vuông (inches) 0,0000007854
Hình tròn (mils) Hình vuông (mils) 0,7854
Hình tròn (mils) Hình vuông (mm) 0,0005067
Hình vuông (cm) Hình vuông (inches) 0,155
Hình vuông (feet) Hình vuông (m) 0,0929
Hình vuông (inches) Hình tròn (mils) 1273240
Hình vuông (inches) Hình vuông (cm) 6,4516
Hình vuông (inches) Hình vuông (mm) 645,16
Hình vuông (inches) Hình vuông (mils) 1000000
Hình vuông (m) Hình vuông (feet) 10,764
Hình vuông (mm) Hình vuông (inches) 0,00155
Hình vuông (mm) Hình tròn (mils) 1973,54
Hình vuông (mils) Hình tròn (mils) 1,2732
Hình vuông (mils) Hình vuông (inches) 0,000001
Bước 3: Tiêu chuẩn điện áp tiếp xúc và điện áp bước
Với lớp đá dăm bề mặt có bề dày hs và điện trở suất là ρs, hệ số giảm tải lớp bề mặt được tính như sau:
Trong đó: hs là bề dày lớp đá dăm trải bề mặt (m); ρs là điện trở suất của lớp đá dăm (Ω.m); ρ là điện trở suất của đất (Ω.m)
Hệ số Cs cũng có thể xác định bằng cách tra đồ thị Cs – k (Hình 3.2)
Khi giá trị của K là âm, điều này xảy ra do điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt cao hơn so với đất, khiến chỉ một phần dòng điện đất đi vào lớp bề mặt Ngược lại, khi K có giá trị dương, dòng điện chạm đất sẽ chủ yếu đi vào lớp bề mặt với mức độ lớn hơn, ảnh hưởng đến hiệu quả an toàn của hệ thống điện và phòng chống rò rỉ điện Hiểu rõ các đặc tính của K giúp xác định chính xác cách dòng điện phân phối qua lớp vật liệu bề mặt trong các hệ thống điện ground.
An toàn của người phụ thuộc vào việc ngăn chặn bị điện giật trước khi sự cố xảy ra hoàn toàn Vi phạm giới hạn điện áp bước (Estep) và điện áp tiếp xúc (Etouch) là nguyên nhân chính gây nguy hiểm khi xảy ra tai nạn điện Do đó, việc kiểm soát và giảm thiểu điện áp lớn hơn các giới hạn này là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn cho người sử dụng điện.
+ Đối với người nặng 50 kg
+ Đối với người nặng 70 kg
Và điện áp tiếp xúc giới hạn là:
+ Đối với người nặng 50 kg
+ Đối với người nặng 70 kg
Bước 4: Thiết kế ban đầu
Trong bước này, tùy theo dạng lưới nối đất có các giá trị ban đầu khác nhau như:
- Khoảng cách giữa các thanh nối đất D (m);
- Số thanh theo chiều dọc và ngang của lưới;
- Tổng chiều dài của thanh dẫn nối đất Lc (m);
- Tổng chiều dài của cọc tiếp đất LR (m);
- Tổng chiều dài của hệ thống thanh dẫn và cọc tiếp đất LT (m);
- Chu vi của lưới nối đất LP (m);
- Độ chôn sâu của lưới h (m)
Bước 5: Xác định điện trở của lưới nối đất Điện trở nối đất của hệ thống đơn giản:
Điện trở của hệ thống nối đất, ký hiệu là Rg, đo bằng ohm (Ω) và ảnh hưởng lớn đến hiệu quả bảo vệ của hệ thống Độ chôn của lưới nối đất, h (m), cần được tối ưu để đảm bảo tiếp xúc tốt với đất và giảm thiểu rủi ro về điện giật Điện trở suất của đất, ρ (Ω.m), phản ánh khả năng dẫn điện của đất và ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán điện trở của hệ thống nối đất Diện tích của lưới nối đất, A (m²), cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm điện trở và nâng cao hiệu quả phân phối dòng điện đất.
Bước 6: Dòng điện lưới cực đại
Hệ số phân dòng sự cố Sf :
Dòng lưới cực đại IG :
Từ công thức (3.18 và 3.19) suy ra:
Dòng tản vào đất lớn nhất (IG) được tính bằng công thức IG = Df × Sf × 3 × I0, trong đó IG thể hiện dòng tản chạy giữa lưới và đất (A), I0 là dòng điện chạm đất ở trạng thái không (A), Df là hệ số suy giảm được tra cứu trong Bảng 3.5, và Sf là hệ số phân dòng sự cố Công thức này giúp xác định chính xác dòng tản vào đất, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống điện.
Thời gian sự cố, t f Hệ số giảm, D f
Giây Chu kỳ với 60 Hz X/R = 10 X/R = 20 X/R = 30 X/R = 40
Bước 7: Độ tăng điện thế đất GPR
Việc cần thiết là so sánh giá trị GPR tìm được với giá trị điện áp tiếp xúc Etouch
Các bước tính toán thiết kế lưới nối đất trạm biến áp
Bước 1: Diện tích lưới nối đất và điện trở suất
Để xác định diện tích lưới nối đất của trạm biến áp, cần dựa vào chiều dài và chiều rộng của lưới, cũng như hình dạng của lưới như hình vuông, hình chữ nhật hoặc hình chữ L Bên cạnh đó, việc xác định điện trở suất của đất tại vị trí thiết kế nối đất là bước quan trọng để đảm bảo hiệu quả hệ thống chống sét và quá tải Diện tích lưới nối đất được tính dựa trên các yếu tố này nhằm tối ưu hóa khả năng tiêu tán dòng truyền qua đất.
Bước 2: Kích cỡ dây dẫn nối đất
Khi có sự cố ba pha chạm đất, dòng chạm đất đối xứng If = 3I0
Khi có sự cố một pha chạm đất, dòng điện chạm đất thứ tự không bằng:
Điện áp pha phía sơ cấp của MBA được ký hiệu là Vln, trong khi Rf là điện trở ước lượng khi xảy ra sự cố, thường được giả định bằng không để đơn giản hóa tính toán Các điện trở tương đương R1, R2, R0 thể hiện các trở kháng theo thứ tự thuận, nghịch và không của hệ thống, giúp phân tích và đánh giá trạng thái của hệ thống điện một cách chính xác Ngoài ra, các điện kháng tương đương X1, X2, X0 cũng theo thứ tự thuận, nghịch và không, đóng vai trò quan trọng trong mô hình hóa và xử lý các sự cố của hệ thống điện.
Khi đó cần chú ý đến ngắn mạch xảy ra trên thanh cái nào của máy biến áp để quy đổi giá trị trở kháng sự cố cho chính xác
Tiết diện dây dẫn cần thiết cho lưới nối đất được xác định theo biểu thức sau:
Akcmil định nghĩa là tiết diện dây dẫn tính bằng đơn vị kcmil, giúp xác định khả năng truyền tải điện của dây Giá trị hiệu dụng dòng chạm đất (If) đo bằng kA phản ánh mức độ nguy hiểm khi xảy ra chạm đất, còn thời gian chạm đất (tc) đo bằng giây thể hiện mức độ ảnh hưởng và rủi ro Ngoài ra, hằng số vật liệu (Kf), được liệt kê trong Bảng 3.2, ảnh hưởng đến khả năng chịu đựng của vật liệu trong các ứng dụng chống va đập và quá tải.
Bảng 3.2: Thông số vật liệu
Vật liệu Độ dẫn điện (%) T m ( 0 C) K f Đồng mềm 100 1083 7,0 Đồng 97 1084 7,06 Đồng 97 250 11,78
Có thể sử dụng công thức tính tiết diện dây tổng quát hơn, với các thông số của vật liệu tra ở Bảng 3.3
Trong đó, tc đại diện cho khoảng thời gian sự cố tính bằng giây, Tm là nhiệt độ lớn nhất cho phép ở mức độ Celsius, Ta là nhiệt độ môi trường cũng tính theo độ Celsius, Tr là hằng số nhiệt độ của vật liệu, α0 là hệ số nhiệt của nhiệt độ tại 0°C, αr là hệ số nhiệt của điện trở suất ở nhiệt độ Tr, ρr là điện trở suất của dây nối đất ở nhiệt độ Tr, và TCAP tượng trưng cho nhiệt dung của vật liệu được đo bằng đơn vị J/cm³·°C.
Bảng 3.3: Hệ số vật liệu Kim loại Độ dẫn điện (%) α r (1/ 0 C) K 0
Thép thanh không gỉ 9,8 0.003 77 245 1400 17.50 4.4 Thép thanh tráng kẽm 8,6 0.003 20 293 419 20.10 3.9 Thép không rỉ 304 2,4 0.001 30 749 1400 72.00 4.0 Sau đó, quy đổi tiết diện dây dẫn từ Akcmil Amm theo công thức:
Amm = hệ số quy đổi Akcmil (trong đó hệ số quy đổi tra ở Bảng 3.4) (3.10)
Bảng 3.4: Hệ số quy đổi đơn vị tiết diện dây dẫn
Hình tròn (mils) Hình vuông (inches) 0,0000007854
Hình tròn (mils) Hình vuông (mils) 0,7854
Hình tròn (mils) Hình vuông (mm) 0,0005067
Hình vuông (cm) Hình vuông (inches) 0,155
Hình vuông (feet) Hình vuông (m) 0,0929
Hình vuông (inches) Hình tròn (mils) 1273240
Hình vuông (inches) Hình vuông (cm) 6,4516
Hình vuông (inches) Hình vuông (mm) 645,16
Hình vuông (inches) Hình vuông (mils) 1000000
Hình vuông (m) Hình vuông (feet) 10,764
Hình vuông (mm) Hình vuông (inches) 0,00155
Hình vuông (mm) Hình tròn (mils) 1973,54
Hình vuông (mils) Hình tròn (mils) 1,2732
Hình vuông (mils) Hình vuông (inches) 0,000001
Bước 3: Tiêu chuẩn điện áp tiếp xúc và điện áp bước
Với lớp đá dăm bề mặt có bề dày hs và điện trở suất là ρs, hệ số giảm tải lớp bề mặt được tính như sau:
Trong đó: hs là bề dày lớp đá dăm trải bề mặt (m); ρs là điện trở suất của lớp đá dăm (Ω.m); ρ là điện trở suất của đất (Ω.m)
Hệ số Cs cũng có thể xác định bằng cách tra đồ thị Cs – k (Hình 3.2)
Khi giá trị của K âm, điều này được chấp nhận do điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt lớn hơn điện trở suất của đất, khiến chỉ một phần dòng điện chạm đất đi qua lớp bề mặt Ngược lại, khi K có giá trị dương, lượng dòng điện đi vào lớp bề mặt sẽ lớn hơn, ảnh hưởng đến hiệu suất truyền điện và an toàn hệ thống chống sét Việc hiểu rõ đặc điểm của K giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống điện và đảm bảo an toàn cho công trình.
An toàn của người phụ thuộc vào khả năng ngăn chặn bị điện giật trước khi tai nạn xảy ra hoàn toàn.Điện áp lớn nhất trong trường hợp sự cố không vượt quá điện áp bước giới hạn (Estep) và điện áp tiếp xúc giới hạn (Etouch), đảm bảo giảm thiểu nguy cơ điện giật gây nguy hiểm cho người.
+ Đối với người nặng 50 kg
+ Đối với người nặng 70 kg
Và điện áp tiếp xúc giới hạn là:
+ Đối với người nặng 50 kg
+ Đối với người nặng 70 kg
Bước 4: Thiết kế ban đầu
Trong bước này, tùy theo dạng lưới nối đất có các giá trị ban đầu khác nhau như:
- Khoảng cách giữa các thanh nối đất D (m);
- Số thanh theo chiều dọc và ngang của lưới;
- Tổng chiều dài của thanh dẫn nối đất Lc (m);
- Tổng chiều dài của cọc tiếp đất LR (m);
- Tổng chiều dài của hệ thống thanh dẫn và cọc tiếp đất LT (m);
- Chu vi của lưới nối đất LP (m);
- Độ chôn sâu của lưới h (m)
Bước 5: Xác định điện trở của lưới nối đất Điện trở nối đất của hệ thống đơn giản:
Điện trở của hệ thống nối đất (Rg) phụ thuộc vào các yếu tố như độ chôn của lưới nối đất (h), điện trở suất của đất (ρ) và diện tích của lưới nối đất (A) Cụ thể, để giảm thiểu Rg, cần đảm bảo h được đặt sâu phù hợp, sử dụng đất có điện trở suất thấp và mở rộng diện tích lưới nối đất Các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hệ thống nối đất nhằm đảm bảo an toàn điện và duy trì độ tin cậy của hệ thống điện.
Bước 6: Dòng điện lưới cực đại
Hệ số phân dòng sự cố Sf :
Dòng lưới cực đại IG :
Từ công thức (3.18 và 3.19) suy ra:
Dòng tản vào đất lớn nhất (IG) được tính bằng công thức IG = Df × Sf × 3 × I0, trong đó I0 là dòng điện chạm đất thứ tự không (A), còn Df là hệ số suy giảm được tra cứu trong Bảng 3.5 Hệ số phân dòng sự cố (Sf) và dòng tản vào đất (Ig) cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình tính toán này Các yếu tố này giúp xác định chính xác dòng tản vào đất để đảm bảo an toàn hệ thống điện và phòng tránh rủi ro chạm chập.
Thời gian sự cố, t f Hệ số giảm, D f
Giây Chu kỳ với 60 Hz X/R = 10 X/R = 20 X/R = 30 X/R = 40
Bước 7: Độ tăng điện thế đất GPR
Việc cần thiết là so sánh giá trị GPR tìm được với giá trị điện áp tiếp xúc Etouch
GPR, hay tỷ lệ dòng rò, được tính bằng công thức GPR = IG × Rg (3.21) Khi giá trị GPR thu được nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép, ta tiến hành bước 12 để thiết kế chi tiết hệ thống nối đất nhằm đảm bảo an toàn điện.
Ngược lại, nếu giá trị GPR lớn hơn điện áp tiếp xúc cho phép thì thực hiện tiếp bước 8
Bước 8: Điện áp lưới và điện áp bước
Xác định hệ số Km:
Trong hệ thống lưới nối đất, nếu cọc tiếp địa được cắm dọc theo chu vi hoặc đặt tại các góc lưới cùng các điểm phân bổ trên toàn khu vực, thì hệ số Kii bằng 1 Ngược lại, đối với các lưới không có cọc tiếp đất hoặc chỉ có vài cọc không nằm ở các góc hoặc cạnh của lưới, hệ số Kii sẽ khác và cần phải xem xét cụ thể từng trường hợp để đảm bảo an toàn và hiệu quả của hệ thống tiếp địa.
𝐿 𝑃 (3.26) nb = 1 nếu lưới là hình vuông nc = 1 nếu lưới là hình vuông và hình chữ nhật nd = 1 nếu lưới là hình vuông và hình chữ nhật hoặc hình chữ L
Nếu không thì: nb = √ 4 √𝐴 𝐿 𝑃 (3.27) nc = ( 𝐿 𝑥 𝐿 𝑦
Trong hệ thống nối đất, D là khoảng cách giữa các thanh nối đất, giúp đảm bảo hiệu quả truyền dẫn suất điện khi xảy ra sự cố LC là tổng chiều dài của các thanh dẫn nối đất, góp phần giảm điện trở nối đất tổng thể Lx và Ly lần lượt là chiều dài tối đa của lưới nối đất theo chiều dài và chiều rộng, giúp tối ưu hóa phạm vi bảo vệ và tính hiệu quả của hệ thống Tổng chiều dài của hệ thống thanh và cọc tiếp đất được xác định bởi LT, đảm bảo tính dẫn điện tối ưu Khoảng cách tối đa giữa hai điểm bất kỳ trên lưới, Dm, là yếu tố quan trọng để thiết kế hệ thống giảm thiểu điện trở tiếp đất Đường kính của thanh và cọc nối đất lần lượt là dt và dc, ảnh hưởng đến khả năng dẫn truyền và độ bền của hệ thống nối đất Độ sâu của lưới nối đất chuẩn thường là h0 = 1 mét, nhằm tối ưu hóa khả năng chống sét và duy trì độ ổn định của hệ thống nối đất.
Hệ số Ki được tính theo công thức sau:
Ki = 0,644 + 0,148 n (3.30) Đối với lưới không có cọc tiếp đất thì điện áp lưới Em được tính như sau:
𝐿 𝐶 + 𝐿 𝑟 (3.31) Đối với lưới có cọc tiếp đất thì điện áp lưới Em lúc này sẽ được tính như sau:
Với hệ số Ks được tính như sau:
𝐷 (1 − 0,5 𝑛 −2 ) ] (3.33) Điện áp bước Es được tính như sau:
Bước 9: So sánh điện áp lưới E m và điện áp tiếp xúc cho phép E touch
Nếu điện áp lưới Em phát hiện ở bước 8 nhỏ hơn điện áp tiếp xúc Etouch cho phép, hệ thống sẽ tiếp tục sang bước 10 để tiếp tục quá trình Ngược lại, nếu điện áp lưới Em lớn hơn điện áp tiếp xúc Etouch cho phép, quá trình sẽ chuyển sang bước 11 để thực hiện thay đổi thiết kế sơ bộ ban đầu, đảm bảo an toàn và phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật.
Bước 10: So sánh E s và điện áp bước cho phép E ste p
Nếu điện áp bước Es tính toán ở bước 8 nhỏ hơn điện áp bước cho phép Estep, thì tiến hành bước 12 để thực hiện thiết kế chi tiết Ngược lại, cần điều chỉnh thiết kế sơ bộ nhằm đáp ứng các yêu cầu về điện áp bước, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống Việc so sánh điện áp bước giúp xác định liệu thiết kế ban đầu có phù hợp hay cần phải chỉnh sửa nhằm tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật.
Bước 11: Thay đổi thiết kế sơ bộ
Trong quá trình thiết kế, nếu một trong hai bước 9 và 10 không đạt yêu cầu, cần điều chỉnh thiết kế sơ bộ ban đầu bằng cách thay đổi các yếu tố như khoảng cách giữa các thanh dẫn nối đất (D), số lượng cọc trong lưới (N), chiều dài mỗi cọc (Lr), hoặc chiều dài thanh dẫn nối đất, nhằm tăng tổng chiều dài của các thành phần này như LC và LR cũng như diện tích lưới Mục tiêu của các điều chỉnh này là để giảm giá trị của các điện áp Emer (Em) và Es tính toán được, đảm bảo hệ thống đạt tiêu chuẩn an toàn và hiệu quả.
Bước 12: Thiết kế chi tiết cho lưới
Khi mà tất cả các bước ở trên đã được tính toán và thỏa mãn thì tiến hành thiết kế chi tiết cho lưới nối đất.
Tính toán lưới nối đất trạm biến áp điển hình 115/13 kV
3.2.1 Trường hợp không sử dụng hóa chất
Tính toán thi ết kế nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80 – 2013 trong trường hợp không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất
Dữ liệu ban đầu: i = √−1, j = i tf = 0,5 s Thời gian tồn tại dòng sự cố
Z1 = (4+j10) Ω Tổng trở tương đương thứ tự thuận của hệ thống phía 115 kV
Z2 = Z1 Tổng trở tương đương thứ tự nghịch của hệ thống phía 115 kV
Z0 = (10+j40) Ω Tổng trở tương đương thứ tự không của hệ thống phía 115 kV
Sf = 0,6 Hệ số chia dòng
Vll = 115 kV Điện áp dây tại nơi xảy ra sự cố ρ = 400 Ω.m Điện trở suất của đất ρs = 2500 Ω.m Điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt h = 0,5 m Độ chôn sâu
Ap.70= 4900(m 2 ) Diện tích khu vực nối đất
ZT 1=(0,034 +j1,014) Tổng trở thứ tự thuận của MBA phía 13 kV
ZT 2 = ZT 1 Tổng trở thứ tự nghịch của MBA phía 13kV
ZT 0 = ZT 1 Tổng trở thứ tự không của MBA phía 13kV
ST = 15 MVA Công suất MBA (MVA)
VT _ pri_ ll = 115 kV Điện áp phía sơ cấp của MBA
VT _ sec_ ll = 13 kV Điện áp phía thứ cấp của MBA
Trong các hệ thống nối đất trạm biến áp, điện trở suất của lớp đá được tính toán dựa trên các phép đo thực tế, giúp xác định chính xác đặc tính cách điện của đất Tổng trở tương đương của hệ thống đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành, bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng xả tĩnh điện và dòng rò Ngoài ra, hệ số chia dòng Sf cũng là yếu tố không thể bỏ qua, giúp phân chia dòng điện đều và giảm thiểu tác động tiêu cực tới thiết bị và người vận hành Các yếu tố này đóng vai trò then chốt trong thiết kế và vận hành các hệ thống nối đất, đảm bảo an toàn cao nhất cho trạm biến áp.
Bước 1: Dữ liệu ban đầu
Sử dụng lưới 70m x 70m, khoảng cách bằng nhau, lưới hình vuông chia làm mười phần
Bước 2: Kích thước dây dẫn
Bỏ qua thành phần điện trở, dòng điện ngắn mạch chạm đất đối xứng If = 3 I0 Điện áp pha phía sơ cấp MBA
𝑅 = 3,333 Dòng ngắn mạch trên thanh cái 13 kV
Biến đổi tổng trở ngắn mạch phía 115 kV về phía 13 kV Do máy biến áp đấu Y/Δ nên chỉ có thành phần thứ tự thuận được chuyển về phía 13 kV
VT _pri_ll = 115 kV VT _sec_ll = 13 kV
Các tổng trở thứ tự qui về phía thứ cấp của MBA giảm áp
ZT 1 lv_new = 0,085+j1,142 ZT 2 lv_new = ZT 1 lv_new ZT 0 = 0,034+1,014j
R1 lv=Re(ZT 1 lv_new) = 0,085 R2 lv = R1 lv R0 lv = Re(ZT 0) = 0,034
X1 lv=lm(ZT 1 lv_new) = 1,142 X2 lv = X1 lv X0 lv = Re(ZT 0) = 1,014 Điện áp pha phía thứ cấp:
3I0lv = 6815 với I0lv: dòng chạm đất thứ tự không phía thứ cấp
Dòng ngắn mạch ở thanh góp 13 kV phía thứ cấp của MBA được sử dụng để tính toán dây nối đất, do giá trị dòng ngắn mạch này lớn hơn so với phía sơ cấp 115 kV của MBA.
Sử dụng Bảng 3.5 với thời gian sự cố 0,5 giây và hệ số suy giảm Df = 1,0, ta xác định giá trị dòng ngắn mạch hiệu dụng không đối xứng là 6815A Do đó, giá trị dòng chạm đất không đối xứng cũng bằng 6815A, đảm bảo tính chính xác trong tính toán thiết kế hệ thống điện.
Dòng ngắn mạch không đối xứng bao gồm thành phần dòng ngắn mạch đối xứng cộng với thành phần dòng DC Để tính toán, ta bắt đầu chọn kích thước cáp đồng dựa trên nhiệt độ môi trường 40°C, tham khảo Bảng 3.2 và các dữ liệu liên quan đến cáp đồng cứng như Tm = 84°C và hệ số Kf = 7,06 Tiếp theo, xác định tiết diện mặt cắt ngang của cáp đồng bằng công thức Akcmil = I (kA) Kf √𝑡 𝑐, trong đó 𝑡 𝑐 là thời gian xảy ra sự cố.
Kf = 7.06 tc= 0.5 IF = 6.815.10 3 (A) = 6,815 (kA) IF_unitless = 6815
Tra bảng 3.4 để tìm hệ số quy đổi
Tra thông số bảng cáp đồng, chọn được cáp đồng 25mm 2
Nhưng kích thước cáp này không thỏa điều kiện độ bền cơ học
Loại cáp có tiết diện 70 mm 2 được lựa chọn
𝜋 )= 9,441 mm d m = d mm /1000 = 0,0094 m (sắp xỉ loại đồng xoắn)
Có thể tính toán Akcmil bằng cách xác định TCAP cho các vật liệu không được liệt kê trong Bảng 3.3, giúp xác định các tổ hợp khác nhau của các cọc nối đất và kim loại trong hệ thống nối đất Bảng này cũng giới thiệu các tiêu chuẩn liên quan, nhằm mục đích so sánh phép tính theo IEEE Std 80 với các phần mềm thương mại thiết kế hệ thống nối đất, qua đó xác định tính chính xác của các công thức trong tiêu chuẩn Ngoài ra, các tiêu chuẩn còn cung cấp phương pháp kiểm tra khả năng hiểu biết của người sử dụng phần mềm, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong thiết kế hệ thống nối đất.
Sử dụng các giá trị trong Bảng 3.3, dây thép bọc đồng với độ dẫn điện 30% αr = 0,00378
Tm = 700 0 C giá trị thiết kế và giá trị lớn nhất cho bởi người sử dụng
Ta = 40 0 C nhiệt độ môi trường
Dòng điện IF được tính là kA
Các giá trị ban đầu được sử dụng
Amm = 0,5067 Akcmil = 33,612 mm Đường kín tối thiểu trong trường hợp này: dmin_mm = √( 𝐴 𝑚𝑚 𝜋 4 ) = 6,541 mm dmin_m = 𝑑 min _𝑚𝑚
Dây hoặc cọc thép bọc đồng có đường kính kín dmin được tính toán thấp hơn 0,01 m, và chọn loại có tiết diện 70mm² với độ dẫn điện 30% để đảm bảo hiệu quả dẫn điện cao trong hệ thống nối đất Sử dụng dây/cọc thép bọc đồng này giúp cải thiện khả năng truyền điện, giảm điện trở tiếp xúc và đảm bảo an toàn hệ thống điện Đường kín dây/cọc thép bọc đồng có chiều dài 1000 mét tương đương với độ dẫn điện 0,0065 m, phù hợp để lắp đặt hệ thống nối đất trong các công trình cần tiêu chuẩn cao về chống sét và an toàn điện.
Bước 3: Xác định điện áp bước & điện áp tiếp xúc
Lớp vật liệu bề mặt có độ dày 0,102 m với điện trở suất là 2500 Ω·m, trong khi đất có điện trở suất là 400 Ω·m Hệ số phản xạ K được tính dựa trên công thức 3.10, sử dụng số liệu ban đầu là ρ = 400 Ω·m và ρs = 2500 Ω·m.
K = ρ − ρ s ρ + ρ s K là hệ số phản xạ
Giá trị của K bằng -0,724 thể hiện điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt lớn hơn so với đất, điều này cho phép chỉ một phần dòng điện chạm đất đi vào lớp bề mặt Ngược lại, nếu K dương, dòng điện vào lớp bề mặt sẽ lớn hơn, ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện và an toàn của hệ thống điện Hiểu rõ về giá trị của K giúp đánh giá chính xác khả năng thoát dòng điện đất, từ đó đảm bảo an toàn cho các hệ thống điện tử và công trình xây dựng.
Xác định hệ số K ở Hình 3.2 hs là bề dày lớp vật liệu bề mặt, hs = 0,102 m
Từ hình trên với K = - 0,724, điện trở suất của lớp vật liệu bầ mặt suy giảm với hệ số
Nếu đồ thị không chính xác thì phương trình sau sẽ cho phép xác định hệ số Cs: hs = 0.102 m
Giá trị này gần với biểu đồ cho 2 vị trí thập phân đầu tiên, chính xác
Nhập lại các giá trị không có đơn vị đo để cho kết quả tính toán ρ = 400, ρs = 2500 ts = 0,5 thời gian dòng điện giật cho phép qua cơ thể người (s)
Bước 4: Thiết kế ban đầu
Lưới nối đất hình vuông kích thước 70m x 70m được thiết kế với khoảng cách đều nhau giữa các dây nối đất là 7m, tạo thành 11 hàng dây theo chiều dài 70m Độ sâu chôn lắp hệ thống đất là 0,5m, đảm bảo độ ổn định và hiệu quả của hệ thống bảo vệ chống sét Thiết kế này không sử dụng cọc nối đất, chỉ đơn thuần là lưới nối đất nhằm tối ưu hiệu suất và tính đồng bộ của hệ thống chống sét.
Tổng chiều dài cáp nối đất:
Lưu ý: Khu vực công trình nối đất phải có rào chắn không cho người ngoài tiếp cận
Bước 5: Xác định điện trở lưới nối đất
Bước 6: Xác định dòng điện lưới cực đại trong lưới nối đất
Dòng điện lưới cực đại trong lưới nối đất được xác định bằng cách sử dụng Công thức
3.20 Ở bước 2, Df = 1,0 và hệ số chia dòng Sf = 0,6 cho bởi thông số thiết kế ban đầu Mặc dù dòng ngắn mạch ở thanh cái phía 13kV là 6815A lớn hơn dòng ngắn mạch ở thanh cái phía 115kV là 3180A, nhưng điều này đã được nhắc đến trong tiêu chuẩn: cuộn dây của máy biến áp phía 13kV nối đất là nguồn dòng sự cố cục bộ và không đóng góp vào GPR Do đó, dòng điện chạy trong hệ thống chủ yếu là dòng ngắn mạch 3180A trên thanh cái phía 115kV
3I0 = 3180 A dòng ngắn mạch phía 115 kV
IG = Df Ig = Df Sf 3I0 = 3180 0.6 = 1908 A là dòng điện lớn nhất trong lưới nối đất
Bước 7: Độ tăng điện thế đất GPR
Cần phải so sánh tích số IG.Rg hay còn gọi là GPR với điện áp tiếp xúc cho phép Etouch70
Từ bước 3, xác định giá trị Etouch70:
Điện áp của GPR vượt quá mức an toàn so với Etouch70, gây ra độ tăng điện thế đất lớn hơn điện áp tiếp xúc cho người nặng 70kg Điều này cho thấy GPR không đáp ứng các yêu cầu về an toàn điện trong thiết kế Do đó, cần tiến hành tính toán và thiết kế lại hệ thống để đảm bảo an toàn điện cho người sử dụng và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật.
Bước 8: Tính điện áp lưới và điện áp bước
Tính toán hệ số Km
Nhập dữ liệu mới để loại kết quả không đạt:
D = 7 m khoảng cách 2 dây cáp song song, đơn vị (m) d = dm = 0,01 đường kính của dây cáp nối đất tính ở bước 2
Tính toán và xác định n số dây dẫn song song trong lưới nối đất theo bảng công thức sau:
LC = LT = 1540 m (trong đó LC là tổng chiều dài dây dẫn theo mặt phẳng ngang, LT là tổng chiều dài dây dẫn)
LP = (70+70+70+70) = 280 m chu vi lưới nối đất na = 2 𝐿 𝐶
𝐿 𝑃 = 11 Đối với lưới nối đất hình vuông thì nb, nc, nd =1 n = na.nb.nc.nd = 11
(2 𝑛) 2 𝑛 = 0,57 h0 = 1 m chôn sâu chuẩn h = 0,5 m độ chôn sâu của dây nối đất
Tính toán điện áp lưới Em:
𝐿 𝐶 + 𝐿 𝑟 Ở đây Lr là chiều dài thanh nối đất, mà chúng ta không có đề cập đến nên Lr = 0 Vậy tổng chiều dài dây dẫn LT cũng bằng với LC.
Bước 9: So sánh E m với E touch
E = 840,548 V và E = 994,689 V Điện áp lưới Em cao hơn điện áp tiếp xúc Etouch70,
Vì vậy không thỏa giá trị điện áp tiếp xúc cho phép
Bước 11: Sửa đổi thiết kế bằng cách sử dụng cọc nối đất đóng theo chu vi lưới nối đất
Thêm 20 cọc đất (vị trí chấm đen như hình vẽ), mỗi thanh dài 7,5 m, xung quanh chu vi của lưới nối đất
Sử dụng phương trình cho LT = 1540 + 20 7,5 = 1690 m và A = 4900 m 2 mang lại kết quả điện trở lưới nối đất như sau:
Quay lại thực hiện tính toán theo trình tự các bước như Hình 3.1 tính lại Bước 5
Bước 5: Tính điện trở đất
IG = Df Ig = Df Sf 3I0 = 3180 0.6 = 1908 A
GPR= IG Rg = 1908 2,75 = 5247 V, vẫn lớn hơn nhiều so với Etouch70 = 840,548 V
Bước 8: Điện áp lưới và điện áp bước
Với Kii =1,0 đối với lưới nối đất có cọc
= 747,4 V Điện áp bước không được tính, các giá trị mới của Ki, Es, Ls, Ks, cũng phải được tính toán Lưu ý giá trị của Ki = 2,272
Bước 9: E m so sánh với E touch
Lúc này điện áp lưới vừa được tính thấp hơn điện áp tiếp xúc ( Em < Etouch) vì vậy tiến hành được Bước 10
Bước 10: E s so sánh với E ste p
Es được tính toán nhỏ hơn điện áp bước cho phép (Es = 548,9 V < Estep = 2686,6 V)
Bước 11: Kết quả bước trên đã đạt nên không cần làm bước này
Bước 12: Thiết kế chi tiết
Thiết kế nối đất an toàn đã được tính toán xong Cần thiết kế nối đất chống sét để có hệ thống nối đất hoàn chỉnh
3.2.2 Trường hợp có sử dụng hóa chất San Earth M5C
Tính toán lại hệ thống nối đất có sự sử dụng hóa chất San Earth M5C với thông số bề rộng “W” và bề dày “b” như sau:
W = 0,05 m với W là bề rộng rãnh h = 0,5 m với h là chiều sâu rãnh b = 0,025 m với b là bề dày lớp San Earth trong rãnh
LSE = LT = 1540 m với LSE là chiều dài toàn bộ hệ thống nối đất có San Earth
S là diện tích mặt cắt ngang của lớp hóa chất San Earth M5C
S = W.b = 0,05 0,025 = 1,25.10 −3 m 2 Đường kín tương đương của lớp hóa chất San Earth: d = √ 4 𝑆
Từ Bước 1 đến Bước 4 được tính toán như trường hợp không sử dụng hóa chất
Bước 5: Xác định điện trở lưới nối đất
Bước 6: Xác định dòng tản cực đại trong lưới nối đất
IG = Df Ig = Df Sf 3I0 = 3180 0,6 = 1908 A
Trong đó IG là dòng điện lớn nhất trong lưới nối đất
Bước 7: Độ tăng điện thế đất
Từ bước 3, xác định giá trị Etouch70:
Điện áp của GPR (840.548V) cao hơn đáng kể so với Etouch70, gây ra độ tăng điện thế đất lớn hơn điện áp tiếp xúc an toàn cho người nặng 70kg Điều này cho thấy thiết kế hiện tại không đáp ứng các yêu cầu về an toàn điện Vì vậy, cần tiến hành tính toán và thiết kế lại hệ thống để đảm bảo an toàn điện cho người sử dụng.
Bước 8: Tính điện áp lưới và điện áp bước
Trong đó: LC là tổng chiều dài dây dẫn theo mặt phẳng ngang (m); LT là tổng chiều dài dây dẫn (m)
Chu vi lưới nối đất LP:
𝐿 𝑃 = 11 Đối với lưới nối đất hình vuông thì nb =1, nc =1, nd =1 n = na.nb.nc.nd = 11
(2 𝑛) 2 𝑛 = 0,57 h0 =1 m là độ sâu lưới nối đất chuẩn h = 0,5 là độ chôn sâu của dây nối đất
Với d là đường kính vật liệu dẫn điện San Earth
Tính toán điện áp lưới Em:
Bước 9: so sánh E m với E touch Điện áp lưới Em u3,272 V < Etouch70 = 840,548 V thỏa
Bước 10: So sánh E s với E ste p
Lr = 0 (vì không có cọc chôn sâu)
Bước 12: Thiết kế chi tiết
Thiết kế nối đất an toàn đã được tính toán xong Cần thiết kế nối đất chống sét để có hệ thống nối đất hoàn chỉnh.