Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp, do đó việc nối đất của trạm biến áp, các cột thu lôi, các đường dây, các thiết bị chống sét phải được tính toán cụ
Trang 1Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 61
Chương 4
TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM 110/35 KV
4.1- GIỚI THIỆU CHUNG VÀ MỘT SỐ VẦN ĐỀ KỸ THUẬT KHI TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP
Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp, do đó việc nối đất của trạm biến áp, các cột thu lôi, các đường dây, các thiết bị chống sét phải được tính toán cụ thể trong khi thiết kế
Nối đất làm việc
Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị, hoặc một
số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ nối đất trực tiếp Thường
là nối đất điểm trung tính máy biến áp Trong hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dùng trong
bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện
Nối đất chống sét
Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất (khi sét đánh vào cột thu lôi hay đường dây) để giữ cho điện thế mọi điểm trên thân cột không quá lớn tránh trường hợp phóng điện ngược từ cột thu lôi đến các thiết bị cần được bảo vệ
Nối đất an toàn
Có tác dụng đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hư hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại để khi cách điện bị hư hỏng do lão hoá thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhỏ không nguy hiểm (nếu không nối đất thì điện thế này sẽ làm nguy hiểm đến con người khi chạm vào chúng) Do đó nối đất các bộ phận này là để giữ điện thế thấp và bảo đảm an toàn cho con người khi tiếp xúc với chúng.Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trong thực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ Song hệ thống nối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của các thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm đất lớn do vậy yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ
Trang 2Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng của nối đất tốt hơn an toàn hơn Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏ thì rất tốn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được
cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế
Một số yêu cầu về kỹ thuật của điện trở nối đất:
+ Đối với các thiết bị điện nối đất trực tiếp, yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mãn: R ≤ 0,5Ω.(Theo tiêu chuẩn nối đất an toàn trang 189 giáo trình kỹ thuật điện cao áp)
+ Đối với các thiết bị có điểm trung tính không trực tiếp nối đất thì:
I
+ Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một hệ thống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì:
I
125 R
+ Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thoả mãn yêu cầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì khong cần nối đất nhân tạo nữa Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thoả mãn đối với các thiết bị cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R ≤ 1Ω
Bất kỳ một hệ thống nối đất nào cũng phải có các điện cực chôn trong đất và nối với thiết bị mà ta cần nối đất (điện cực thường sử dụng là các cọc sắt thẳng đứng hay các thanh dài nằm ngang) các điện cực này được chôn trong đất
có mức tản dòng điện sét phụ thuộc vào trạng thái của đất (vì đất là môi trường không đồng nhất, khá phức tạp, nó phụ thuộc vào thành phần của đất như các loại muối, a xít chứa trong đất ) Điều kiện khí hậu cũng ảnh hưởng đến
độ dẫn điện của đất
Ở Việt nam khí hậu thay đổi theo từng mùa độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất cuả đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng Do vậy trong
Trang 3Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 63
tính toán thiết kế về nối đất thì trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn
Công thức hiệu chỉnh như sau: ρtt = ρđ.Km
Trong đó:
ρtt: là điện trở suất tính toán của đất
ρđ: điện trở suất đo được của đất
Hệ số K phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực
Đối với trạm biến áp ta thiết kế có cấp điện áp 110/35kV và các cột thu lôi độc lập do đó ta sử dụng hình thức nối đất tập trung để có hiệu quả tản dòng điện tốt nhất
Mặt khác do đặt các cột thu lôi trên xà nên phần nối đất chống sét ta nối chung với mạch vòng nối đất của trạm
4.2- CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT
Điện trở suất đo được của đất: ρđ = 1,3.104 Ω/cm =1,3.102 Ω/m
Điện trở nối đất cột đường dây: Rc = 20 Ω
Dây chống sét sở dụng loại C- 70 có điện trở đơn vị là: Ro =2,38Ω/km
Chiều dài khoảng vượt đường dây là:
Đối với 110kV: l = 150m
Dạng sóng tính toán của dòng điện sét:
⎩
⎨
⎧
τ
≥
=
τ
<
=
ds s
ds s
khi I I
t khi t a I
Trong đó:
a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/μs
I: biên độ dòng điện sét I = 150kA
a
Is
30 150
Trang 4
Is
τ®s I t H×nh (4–1) : D¹ng sãng cña dßng sÐt
4.3- TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN
Trạm điện thiết kế có điện áp là 110/35kV, phía 110kV là mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất nên yêu cầu của nối đất an toàn là: R ≤ 0,5 Ω
Thành phần điện trở nối đất R gồm hai thành phần:
+ Điện trở nối đất tự nhiên (Rtn)
+ Điện trở nối đất nhân tạo (Rnt)
Đối với các thiết bị có điểm trung tính trực tiếp nối đất (có dòng chạm đất lớn) thì yêu cầu điện trở nối đất nhân tạo phải có trị số nhỏ hơn 1Ω
Vậy điều kiện nối đất là:
⎩
⎨
⎧
Ω
≤
Ω
≤
) ( R
) ( , R
//
R
t
.
n
t n n
.
t
1
5 0
Từ đó rút ra:
) ( , R
, R R
n t
n t t
.
−
≤
5 0
5 0
4.3.1- Điện trở nối đất tự nhiên
Rt.n = 1,25 Ω (đã cho trước)
4.3.2- Điện trở nối đất nhân tạo
) ( ,
, ,
, , , R
, R R
n t
n t t
.
−
=
−
5 0 25 1
5 0 25 1 5 0
5 0
Ta sẽ tính toán thiết kế hệ thống nối đất theo điều kiện điện trở nối đất
nhân tạo là: Rn.t.yc ≤ 0,833 Ω
(4 – 1 ) (4 – 2 )
Trang 5Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 65
4.3.3- Tính nối đất nhân tạo của trạm 110kV
Đối với trạm biến áp 110kV khi thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo ta sử dụng hình thức nối đất theo mạch vòng có chôn cọc
Mạch vòng bao quanh trạm có hình chữ nhật ABCD có kích thước như sau: Chiều dài l1 = 57m ; Chiều rộng l2 = 56,55m
Sơ đồ nối đất mạch vòng có chôn cọc của trạm như hình (4 –2 ):
Hệ thống nối đất mạch vòng của trạm ta chọn cọc loại thép góc 50x50x5, chiều dài l =2,5m với lý do là để thuận lợi cho việc thi công mà vẫn đảm bảo độ dẫn điện tốt Mạch vòng nối giữa các cọc dùng loại sắt dẹt có kích thước 50x5
Sơ đồ bố trí mạch vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm như hình (4 – 3 ):
a: là khoảng cách giữa các cọc theo chu vi mạch vòng
l: chiều dài cọc l = 2,5m
t: độ chôn sâu cọc t =0,8m
B
C
Hình (4 – 2 ): Sơ đồ nối đất mạch vòng có chôn cọc của trạm
l1 l
t
a
l=2,5m
Hình (4 – 3 ): Sơ đồ bố trí mạch vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm
Trang 6Điện trở tản nhân tạo đối với mạch vòng có chôn cọc được xác định theo công thức sau:
) ( R
n
R
R R R
v m c v
m c
v m c t
.
η + η
=
Trong đó:
Rc : là điện trở tản nối đất của cọc (Ω)
Rm.v : là điện trở tản nối đất của mạch vòng (Ω)
n : là số cọc sử dụng
ηm.v và ηc : tương ứng là hệ số sử dụng mạch vòng, sử dụng cọc phụ thuộc
vào số cọc và tỷ số
l a
Tính điện trở của mạch vòng quanh trạm Rm.v :
) ( )
( d t
L k ln L
2
2
− Ω
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡ π
ρ
=
Trong đó:
ρ = ρđo.Kmùa (thanh) là điện trở suất tính toán của mạch vòng.Tra bảng (2–1) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có:
Kmùa (thanh) = 1,6 vậy ρ = ρ.1,6 = 2,08.102 (Ω.m)
L là chu vi mạch vòng: L = 2.(l1 + l2) = 2.(57+56,55) = 227,1m
d là đường kính thanh nối: d = b/2 = 50/2 = 25 (m.m) = 2,5.10-2 m
t là độ chôn sâu (để đảm bảo cho ρ ổn định ) : t = 0,8m
k là hệ số phụ thuộc hình dạng của hệ thống nối đất Ta có:
1 00795 1
55 56
57 2
, l
l
Tra bảng (2 – 5) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” được k = 5,53
Thay số vào biểu thức (4 – 3) ta có:
Trang 7Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 67
) ( ,
, ,
, , ln , ,
, d
L k ln L
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡ π
ρ
10 5 2 8 0
1 227 53 5 1 227 14 3 2
10 08 2
2 2
2
Ta nhận thấy điện trở của mạch vòng xung quanh trạm lớn hơn điện trở nhân tạo cho phép để tính toán thiết kế (Rnđ = 0,833 Ω).Vậy phải dùng thêm số cọc vào hệ thống mạch vòng để giảm trị số điện trở nối đất của hệ thống Qua kết quả tính toán Rm.v chứng tỏ rằng ta chọn hình thức nối đất an toàn bằng mạch vòng có chôn cọc là hợp lý
Tính điện trở nối đất của một cọc (dùng cọc sắt góc √ )
Đối với cọc điện trở tản xoay chiều được xác định theo công thức sau:
) ( l
t
l t ln d
l ln l
4
4 2
1 2
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
′
+
′ +
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡ π
ρ
=
Trong đó:
Cọc có kích thước: l = 2,5m
ρ là điện trở suất của đất đối với cọc: ρ = ρđo.Kmùa (cọc)
ρđo =1,3.102 (Ω.m) Kmùa (cọc) = 1,4
(Tra bảng (2-1) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA”)
Æ ρ = 1,3.102.1,4 = 1,82.102 (Ω.m)
d là đường kính cọc (m) được tính như sau:
d = 0,95.b = 0,95.50 10-3 = 4,75 10-2m
t là độ chôn sâu: t = 0,8m Giá trị t/ được tính:
2
5 2 8 0
=
′
Thay số liệu vào (4 – 5 ) ta có:
t' 0,8m
l
Hình (4 – 4): Các kích thước nối đất cọc
Trang 8=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
+ +
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
5 2 05 2 4
5 2 05 2 4 2
1 10
75 4
5 2 2 5
2 14 3 2
10 82 1
2
2
, ,
,
, ,
ln
,
, ln , ,
,
Rcoc
Vậy điện trở của một cọc là 57,6 Ω
Sau khi tính được Rc và Rmv ta tính điện trở nhân tạo theo công thức (4–3) Trong công thức này ta chỉ mới biết Rc và R mv vậy ta phải tìm số cọc để Rnt
đạt giá trị nhỏ nhất và phải đảm bảo nhỏ hơn hoặc bằng giá trị tính toán cho phép Rnt ≤ 0,833 Ω ηmv và ηc phụ thuộc số cọc ta sử dụng trong mạch vòng
Ta xét từng trường hợp theo tỷ số
l
a
với các thông số là:
L (chu vi mạch vòng) = 227,1m
l (chiều dài cọc) = 2,5m
l
a = (có nghĩa là khoảng cách giữa các cọc a = l =0,75m
Ta có số cọc chôn theo chu vi mạch vòng là:
303 75
0
1 227 1
,
, a
L
Tra bảng 4 phần phụ lục sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có:
ηc = 0,21
Theo bảng 6 trong phần phụ lục sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có:
ηthanh = 0,185
Điện trở nhân tạo trong trường hợp này là:
, , , ,
,
, , R
)
t
.
+
4 2 21 0 303 185 0 6 57
4 2 6 57
1
l
a = (Có nghĩa là khoảng cách giữa hai cột a = 0,625m)
Ta có số cọc chôn theo chu vi là:
364 625 0
1 227 2
,
, a
L
Trang 9Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 69
Tra bảng 4 và bảng 6 trong phần phụ lục sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” kết hợp với phương pháp nội suy như hình (4 – 5) ta có :
ηc = 0,19 ; ηthanh = 0,17
Điện trở nhân tạo trong trường hợp này là:
, ,
, ,
,
, , R
) (
t
.
+
19 0 4 2 364 17 0 6 57
4 2 6 57
2
Từ kết quả tính toán có:
Rn.t(1) = 0,846.Ω > Rnhân tạo yêu cầu = 0,833 Ω
Phương án này không đảm bảo do giá trị điện trở nối đất lớn hơn giá trị điện trở yêu cầu nên bị loại
Rn.t(2) = 0,786 Ω < 0,833 Ω = Rnhân tạo yêu cầu
Phương án này đảm bảo yêu cầu do giá trị điện trở nối đất nhỏ hơn giá trị điện trở yêu cầu
Vậy ta chọn Rn.t(2) = 0,786 Ω Số cọc là 364 cọc Khoảng cách giữa các cọc
là a = 0,625 m
4.4- TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất, nếu tốc độ biến thiên của dòng điện theo thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu điện cảm sẽ ngăn cản không cho dòng điện đi tới các phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều, sau một thời gian, ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp phân
bố sẽ đều hơn
Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian
T =L.g.l2 (4 – 6 )
Từ (4–6) ta thấy: T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng L.l và điện dẫn tổng
R
l
g = 1 của điện cực
Từ biểu thức (4–6) ta thấy khi dòng điện tản trong đất là dòng điện một chiều hoặc xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh hưởng của L không đáng kể và bất
Trang 10kỳ hình thức nối đất nào ( thẳng đứng hoặc nằm ngang ) cũng đều biểu thị bởi trị
số điện trở tản
Khi dòng điện tản trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất tuỳ thuộc vào tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng của dòng điện Khi T<< τđ.s (khi dòng điện đạt trị số cực đại) thì cần xét quá trình quá độ
đã kết thúc và nối đất thể hiện như một điện trở tản Trường hợp này ứng với các hình thức nối đất dùng cọc hoặc thanh có chiều dài không lớn lắm và goị là nối đất tập trung
Nếu điện cực dài, hằng số thời gian có thể đạt tới mức τđ.s và tại thời điểm dòng điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ chưa kết thúc và như đã phân tích tác dụng của điện cảm, nối đất sẽ thể hiện như một tổng trở Z có giá trị rất lớn
so với điện trở tản Trường hợp này gọi là nối đất phân bố dài
Trong tính toán thiết kế trạm biến áp 110kV, thường thì phần nối đất nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm Như vậy sẽ gặp trường hợp nối đất phân bố dài, tổng trở xung kích Zx.k có thể lớn gấp nhiều lần so với điện trở tản xoay chiều làm tăng điện áp giáng trên bộ phận nối đất và có thể gây phóng điện ngược đến các phần mang điện của trạm Do đó ta phải tính toán, kiểm tra theo yêu cầu của nối đất chống sét trong trường hợp có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất
4.4.1- Dạng sóng tính toán của dòng điện sét
Trong tính toán thiết kế ta chọn sóng tính toán của dòng điện sét là dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi (xem hình 4-1)
Dạng sóng tính toán của dòng điện sét: + Is = a.t khi t < τđs
+ Is = I khi t ≥ τđs
Trong đó: + a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/μs
+ I: biên độ dòng điện sét I = 150kA
Trang 11Trần Tử Bình - HTĐ.K35 Trang 71
⎠
⎞
⎜
⎝
s a
Is
30 150
4.4.2- Yêu cầu kiểm tra
Ta kiểm tra theo điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cho cách điện của máy biến áp : I.Z(0, τđ.s ) ≤ U0,5
Trong đó:
I : là trị số dòng điện sét lấy bằng 150kV
Z(0, τđ.s ): là tổng trở xung kích nối đất tại thời điểm ngay chỗ dòng điện sét đi vào điện cực
U0,5 : trị số điện áp phóng điện xung kích bé nhất của máy biến áp
U0,5 (MBA) = 460kV
4.4.3- Tính toán lại trị số điện trở nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét
Do việc dùng hệ thống nối đất an toàn làm hệ thống nối đất chống sét nên ta phải tính toán lại trị số điện trở nối đất nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét Tra bảng 19- 2 sách kỹ thuật điện cao áp ta chọn hệ số mùa sét là:
Km.v = 1,2 ; Kcoc = 1,15
Dựa vào công thức (4–4) và (4–5) ta thấy Rm.v và Rcoc. sẽ tỷ lệ thuận với kmùa
, do ρ đo không đổi
Vậy điện trở của mạch vòng là:
8 , 1 6 , 1
4 , 2 2 , 1 K
R K
R
) toμn an (
v m
) toμn an ( v m ) sÐt (
v m v
.
Điện trở của cọc là:
3 , 47 4
, 1
6 , 57 15 , 1 K
R K
R
) toμn an (
cäc
) toμn an ( cäc ) sÐt (
cäc
Điện trở nối đất nhân tạo tính cho nối đất chống sét là:
) 7 4 (
R n
R
R R R
cäc v m v
m cäc
v m cäc )
sÐt
(
t
η +
η
=
Trong đó:
Rm.v và Rcọc ta vừa tính được
