Kỹ thuật cao áp - Chương 6 pptx

Trong trường hợp tổng quát, sơ đồ thay thế của nối đất gồm điện trở tác dụng r và điện cảm L của bản thân điện cực lấy theo đơn vị dài, điện trở tản R của môi trường đất xung quanh điện

Chương VI

Nối đất trong hệ thống điện

Đ 6-1 Khái niệm chung:

Tác dụng của nối đất là để tản dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các vật

được nối đất Trong hệ thống điện có ba loại nối đất khác nhau:

Nối đất làm việc: nhiệm vụ của loại nối đất này là đảm bảo sự làm việc bình

thường của thiết bị hoặc của một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã được quy định sẵn Loại nối đất này gồm có nối đất điểm trung tính máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nôí đất, nối đất của máy biến áp đo lường và của kháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây tải điện đi xa

Nối đất an toàn (bảo vệ) : có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện

bị hư hỏng, thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thường không mang điện (vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ ) Khi cách điện bị hư hỏng, trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế nhưng do đã được nối đất nên giữ được mức điện thế thấp do đó đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc với chúng

Nối đất chống sét: Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét trong đất( khi có

sét đánh vào cột thu sét hoặc trên đường dây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn do đó hạn chế được các phóng điện ngược tới công trình cần bảo

vệ

Mặc dầu hai loại trên không liên quan nhiều đến phạm vi của giáo trình náy nhưng cũng cần trình bày sơ lược bởi vì chúng có dùng chung một số công thức và phương pháp tính toán và đôi khi cùng một bộ phận nối đất đồng thời làm nhiệm vụ của nhiều loại đất khác nhau

Bất kỳ loại nối đất nào cũng đều có các điện cực chôn trong đất và được nối với vật cần được nối đất Điện cực thường dùng là loại cọc sắt chôn thẳng đứng hoặc thanh dài đặt nằm ngang trong đất Trong trường hợp tổng quát, sơ đồ thay thế của nối đất gồm điện trở tác dụng r và điện cảm L của bản thân điện cực ( lấy theo đơn vị dài), điện

trở tản R của môi trường đất xung quanh điện cực và điện dung C của điện cực đối với nơi có thế bằng không của đất

Trong mọi trường hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng r vì nó rất bé so với trị số

điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét đến phần điện dung C vì ngay cả trong trường hợp

Hình6 -1

Sơ đồ thay thế của nối đất.I L

sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện qua điện trở tản Các tham số con tại ( L, R) phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và tác dụng của chúng cũng tuỳ thuộc vào các điều kiện tính toán cụ thể Nếu thay thế điện trở tản R bằng điện dẫn g theo đơn vị dài của điện cực g = 1

Rlư

⎛

⎝⎜ l là chiều dài của điện cực )thì sơ đồ thay thế

đơn giản của nối đất sẽ có dạng tham số phân bố ( hình 6-1)

Khi dòng điện đi vào bộ phận nối đất và 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 trong thời gian về sau ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp sẽ phân bố đều đặn hơn

Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc bào hằng số thời gian

T ≡ Lgl2

(6-1)

(T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng Lt và điện dẫn tổng gl = 1

R của điện cực )

Từ biểu thức (6-1) cho thấy, khi dòng điện tản trong đất là dòng điện 1 chiều hoặc xoay chiều tần số công nghiệp, ảnh hưởng của L không đáng kể và bất kỳ 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 dòng điện Khi

T< τ ds thì tới lúc cần xét (khi dòng điện đạt trị số cực đại) quá trình quá độ đã kết thức

và nối đất thể hiện như một điện trở tản Trường hopự này ứng với các hình thức nối đất dùng cọc hoặc thanh ngang có chiều dài không lớn lám và được gọi là nối đất tập trung

Nếu điện cực dài, hằng số thời gian có thể đạt tới mức τ ds và tại thời điểm dòng

điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ chưa kết thúc và như đã phân tích vè tác dụng của điện cảm, nối đất sẽ thể hiện như một tổng trở Z có trị số rất lớn so với trị số điện trở tản Trường hợp này được gọi là nối đất phân bố dài

Điện trở tản của nối đất phụ thuộc vào kích thước hình học, cách bố trí điện cực

và phụ thuộc đặc tính dẫn điện của nối đất biểu thị bởi trị số điện trở suất của nó Ngoài

ra còn phân biệt trị số điện trở tản xoay chiều (R hoặcR ) và điện trở tản xung kích (

Rxk) Điện trở tản xoay chiều dùng trong các tính toán về nối đất làm việc và nối đất an toàn, trong trường hợp này do mật độ dòng điện tản trong đất bé nên cường độ điện trường trong đất ( E = iρ; ư mật độ dòng điện ; ρ ư điện trở suất của đất) chưa đạt tới mức để có thể gây nên phóng điện trong đất

Đối với nối đất chống sét, vì mật độ dòng điện sét tản trong đẩt rất lớn, trường tăng cao và dẫn đến quá trình phóng điện trong đất, tương đương với việc tăng kích thước điện cực và tăng điện dẫn của đất khiến cho điện trở tản xung kích ( Rxk) có trị số thấp hơn so với điện trở tản xoay chiều

Đất là một môi trường rất phức tạp và không đồng nhất về thành phần cũng như

về cấu tạo Các phần cấu thành chủ yếu của đất gồm các hạt nhỏ gốc hữu cơ hoặc vô cơ

và nước Điện dẫn của đất ở trạng thái khô cũng như của nước nguyên không đáng kể Nhưng nếu trong đất có các loại muối, axít chúng sẽ hoà tan thành dung dịch điện phân làm cho đất trở thành môi trường dẫn điện Như vậy điện trở suất của đất phụ thuộc nhiều vào thành phần hoá học và độ ẩm của đất

Độ ẩm của đất không những chỉ phụ thuộc vào lượng mưa và các vùng nước ở gần mà còn phụ thuộc vào kích thước hạt đất, hạt càng bé thì năng lực giữ ẩm càng tốt

Các loại đất thường gặp là loại đất cát, đất sét, đất mùn Đất cát cấu tạo bởi các hạt thạch anh đường kính 0,2 ữ 2mm, có rất ít các dung dịch điện phản và năng lực giữ

ẩm kém Đất sét cũng có gốc vô cơ gòm những hạt rất nhỏ, mịn đường kính khoảng vài phần ngàn milimét và ở thể keo Trong đất sét có nhiều thành phần muối và axít và vì

có năng lực giữ ẩm tốt nên điện dẫn của nó lớn hơn nhiều so với cát Đất mùn cũng có cấu tạo thể keo, khả năng giữa ẩm lớn và có nhiều dung dịch điện phân Khác với đất sét, đất mùn có gốc hữu cơ và bở

Khi cát bị ẩm, điện trở giảm rất nhanh và giảm tới mức điện trở của nước khi nước đầy kín các lỗ xốp Đất sét và đất mùn bị ẩm sẽ tạo nên các dung dịch điện phân khiến cho điện trở suất của đất có thể giảm thấp hơn so với điện trở của nước

Trị số gần đúng của điện trở suất của một số loại đất trong điều kiện tự nhiên cho ở bảng 6-1

Bảng 6-1

Trị số điện trở suất của các loại đất

Loại đất Điện trở suất, Ωm

Trong năm do điều kiện khí tượng thay đổi làm cho nhiệt độ của đất, hàm lượng

và thành phần của hơi ẩm trong đất và độ bão hoà của chúng ở các tầng đất khác nhau cũng thay đổi Do đó điện trở suất của đất biến đổi trong phạm vi rộng, trị số trong mùa mưa và mùa khô có thể khác nhau xa Trong tính toán thiết kế về nối đất, trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa ( công tác do lường được tiến hành trong mùa mưa vào lúc tạnh ráo) và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa K (bảng 19-2) nhằm tăng cường an toàn:

Các số liệu và hệ số màn K

Loại nối đất Hình thức nối đất Bộ chôn sâu (m) Hệ số mùa K

Nối đất làm Nằm ngang 0,5 1,5 ữ 6,5

đất an toàn Thẳng đứng 0,8 1,4 ữ 2

Nối đất Nằm ngang 0,5 1,4 ữ 1,8

Khi đo, nếu đất khô ráo sẽ lấy hệ số mùa theo giới hạn dưới và nếu đất ẩm sẽ lấy theo giới hạn trên

Từ bảng số thấy rằng, đối với nối đất làm việc và nối đất an toàn phải chọn các

hệ số mùa lớn vì nó làm việc quanh năm và trị số ρ tăng rất cao trong mùa khô Hệ số

mùa lớn còn phụ thuộc vào độ chôn sau của nối

đất, điện cực chôn càng sâu thì ảnh hưởng do sự thay đổi thời tiết càng bị hạn chế

Khi nghiên cứu quá trình phóng điện trong đất có thể dùng hình 6-2: các tia lửa phóng điện phát triển chung quanh điện cực hình thành khu vực có điện trở suất bằng không

và cường độ trường ở bề mặt có trị số bằng cường độ phóng điện trong đất ( E0)

Hình6 -2

Hình thành tia lửa điện

trong vùng đất chung

quanh điện cực

E ≥ E0

I

Khi đất khô ráo, quá trình phóng điện xảy ra men theo các khe rãnh của đất tức

là khe hở khí, do đó cường độ trường phóng điện (E0) không phụ thuộc vào thành phần hoá lý của đất và đạt được trị số gần

thống nhất giữa các loại đất khác nhau

Khi đất ẩm cường độ trường phóng điện

tăng theo lượng ẩm trong đất và có thể

đạt trị số lớn hơn so với khi đất khô do

cường độ phóng điện xung kích của

nước lớn hơn so với khí

Điện trở suất của vùng đất bên

ngoài khu vực tia lửa điện cũng bị giảm

thấp dưới tác dụng của trường Hình

19-3 cho các đường cong biểu thị sự giảm

thấp tương đối của điện trở suất xung

kích của đất và của nước làm ẩm đất

theo cường độ trường ở thời điểm cực

đại của sóng Để được đơn giản trong

tính toán, quan hệ này được tuyến tính

hoá trong phạm vi trị số trường E = 0 và

E = E0 và biểu thị bởi phương trình:

ρxk = ρ 1 ư EK (6-3)

Đối với các loại đất cát, đất sét

và đất mùn thông thường, hệ số K biến thiên trong phạm vi 0,01 ữ 0,05

Đ 6-2 Tính toán về nối đất

1 Trị số điện trở tản xoay chiều của các hình thức nối đất thông thường

Để có khái niệm về cách tính toán điện trở tản của nối đất có thể xét trường hợp

đơn giản nhất là trường hợp điện cực hình bán cầu (Hình 19-4)

Dòng điện chạm đất I đi qua nơi sự cố sẽ tạo nên điện áp giáng trên bộ phận nối

đất U = I, R là điện trở tản của nối đất Điện trở tản của lớp đất giới hạn bởi các mặt

đẳng thế bán kính r và r + dr có trị số:

r

r

r dr

Từ đó tính được điện trở tản của nối đất hình bán cầu có bán kính r0

Hình6 -3

Quan hệ ρρxk = f E( ) ở một thời điểm

l=τds = ữ2 3 μs

1.Nước có ρ =70Ω.m; 2 Cát có ρ =450Ωm;

3 Cát có ρ =300Ωm; 4 Đất sét có ρ =70Ω.m;

5 Đất sét có ρ =300Ω.m; 6 Đất mùn ρ =300Ωm

7 Đất mùn ρ =3000Ωm

0 2 4 6 8 10 12 kv/cm

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

1 2 3

4

6

5 7

= R d R ∫∞ =

r

r0 2 0

ρ

Sự phân bố điện áp trên mặt đất được xác định theo:

U I dR

r

2

ρ

Trên hình 19-4 cho đường cong phân

bố điện áp trên mặt đất đồng thời còn cho các khái niệm về trị số điện áp tiếp xúc (Ltx) và điện áp bước (Ub)

Trong thực tế, nối đất thường có các hình thức: cọc dài 2ữ3m bằng sắt tròn hay sắt góc chôn thẳng đứng; thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu 0,5ữ0,8m đặt theo hình tia hoặc mạch vòng và hình thức tổ hợp của hai hình thức trên Trị số điện trở tản của hình thức nối đất cọc được xác định theo các công thức cho ở bảng 6-3

Bảng 6-3

Công thức tính điện trở nối đất của cọc

Hình thức

nối đất

Sơ đồ của nối đất

Công thức tính điện trở tản (ôm)

Ghi chú

Cọc chôn nổi

R

l In

l dd

c = ρ π

2

4

(6-7)

Khi dùng sắt góc

Cọc chôn sâu

dưới mặt đất

(

R c = ρ +

π

2

2

l In

l d

⎠⎟

1 2

4 4

In l l l (6-8)

trị số d thay bằng 0,95b (b-chiều rộngcủa sắt góc)

ư

Đối với nối đất chôn nằm ngang có thể dùng công thức chung để tính trị số điện trở tản xoay chiều

Hình 6 -4

Xác định điện áp bước và điện áp tiếp xúc

U=IR

Utk

Uh

U=f(r)

dr

r

l In

KL dt

π

2

2

(6-9)

Lưchiều dài tổng của điện cực ( nếu là mạch vòng sẽ lấy bằng chu vi)

dưđường kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn Nếu dùng sắt dẹt trị số d

thay bằng b

b

2( ưchiều rộng của sắt dẹt)

lưđộ chôn sâu

Kưhệ số phụ thuộc vào sơ đồ của nối đất, cho ở bảng 6-4

Khi dùng các hình thức nối đất đơn giản trên không đạt được yêu cầu về trị số

điện trở tản thì phải dùng hình thức nối đất tổ hợp gồm nhiều cọc chôn dọc theo chiều

dài tia hoặc dọc theo chu vi mạch vòng Hiệu quả của nối đất giảm do ảnh hưởng lẫn

nhau giữa các điện cực Để giải thích được hiện tượng này xét hệ thống gồm hai điện

cực hình bán cầu (hình 6-5) Nếu khoảng cách a đủ lớn thì các điện trường của chúng sẽ

không ảnh hưởng lẫn nhau và dòng điện ở điện cực được ảtn trong đất đồng đều theo

mọi phương hướng Khi điện cực gần nhau, dòng điện từ điện cực I không thể đi vào

phần đất phía bên phải của mặt phẳng AB Tình hình tản dòng điện ở điện cực II cũng

tương tự như vậy

Bảng 6-4

Hệ số K

Sơ đồ của nối đất K Sơ đồ của nối đất l1 /l2 K

2,38 l1

3 8,17

19,2

D l

l D

2 2

4

Điện áp của mỗi điện cực được xác định bằng điện áp của bản thân điện cực khi

có dòng điện 1

2đi qua và điện áp gây nên bởi điện trường của điện cực kia đặt cách xa

khoảng cách a Từ đó suy tính được điện trở tản của hệ thống nối đất gồm hai điện cực hình bán cầu:

ht = = ⎛ +

⎝

⎠

⎟

ρ π

4

0

So với trường hợp lý tưởng (không có ảnh hưởng lẫn nhau) điện trở tản của nôí đất tăng thêm phân lượng ρ

π

4

1

a

Tỷ lệ giữa hai trị số điện trở tản của nối

đất khi có và không có sét đến ảnh hưởng lẫn nhau giữa các điện cực được gọi là hệ số sử dụng của nối đất Trong hệ thống gồm hai điện cực hình bán cầu hệ số sử dụng có trị số bằng:

=

R h t

η

ρ π ρ π

R

r

r a

r a

2 2 2

4

1 1

1 1

0

0

0

=

+

⎛

⎝

⎜ ⎞

⎠

⎟

= +

Từ (6-10) thấy rằng, hệ số sử dụng giảm khi tăng kích thước của điện cực và giảm khoảng cách giữa chúng

Khi hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu

vi mạch vòng, điện trở tản của hệ thống được tính theo công thức

c t t c

=

+

trong đó: R cư điện trở tản của một cọc

R t ưđiện trở tản của tia hoặc của mạch vòng

nư Số cọc

ηcư hệ số sử dụng của cọc

ηtư hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng

Hình6 -5

Nghiên cứu ảnh hưởng lẫn nhau

giữa các điện cực nối đất

A

a

B

I II

Các hệ số sử dụng ηc và ηt phụ thuộc vào tỷ số a

l (aưkhoảng cách giữa các cọc, lư chiều dài cọc ) và số cọc n

2 Tính toán nối đất chống sét

Tính toán về nối đất chống sét có phức tạp hơn vì ở đây phải đề cập tới cả hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất:

ư Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực

ư Quá trình phóng điện trong đất

Như đã trình bày ở trên, khi chiều dài điện cực ngắn ( nối đất tập trung) thì không cần xét quá trình quá độ mà chỉ xét đến quá trình phóng điện trong đất Ngược lại khi nối đất dùng hình thức phân bố dài ( tia dài hoặc mạch vòng) thì đồng thời phải xét đến cả hai quá trình, chúng có ảnh hưởng khác nhau đối với hiệu quả của nối đất

Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung

Việc tính toán điện trở tản xung kích tiến hảnh trên cơ sở giả thiết gẫn đúng về

sự phát triển đồng đều của khu vực tia lửa điện lý tưởng mà mặt ngoài có điện trường

E≈E E0( 0ư cường độ điện trường phóng điện trong đất), điện cực có kích thước lấy bằng của khu vực tia lửa điện và được đặt trong vùng đất có trị số điện trở suất biểu thị theo quan hệ của (6-3) Dạng sóng dòng điện được chọn theo dạng sóng xiên góc có

biên độ I Trị số điện trở tản được tính ở thời điểm

t = τds vì lúc này điện áp trên bộ phận nối đất có trị số lớn nhất ( chỉ là gần đúng vì trị số cực dại của

điện áp xuất hiện có sớm hơn đôi chút so với trị số cực đại của dòng điện)

Tiếp tục xét với trường hợp điện cực hình bán cầu (hình 6-6) Do sự hình thành khu vực tia lửa điện nên bán kính điện cực được tăng tới trị số rΦvà trường ở mặt ngoài có trị số bằng E0 Như vậy có thể viết được:

xk

π Φ ρ

Suy ra bán kính rΦ:

E

π

2

0 0

(6-12)

Hình 6 -6

Tính toán điện trở tản xung

kích của nối đất tập trungEr

2r0

E=E0

Cường độ trường tại điểm cách tâm điện cực khoảng cách r>rΦ được tính theo:

r = ư r

2π 2 ρ1

r I K

r =

+

ρ

2 2

và công thức tính điện áp của nối đất:

r

+

ρ

2 2

IK arctgr I K

=

⎛

⎝

⎠

⎟

ρ π

ρ

2

Φ

Từ đó suy ra được trị sốện trở tản xung kích của điện cực hình bán cầu:

⎝

⎠

⎟

ρ π

1 1

0

Từ (6-13) thấy rằng, điện trở tản xung kích không phụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực mà quyết định bởi biên độ dòng điện I, điện trở xuất ρ và đặc tính xung kích của đất

Vì trị số điện trở tản xoay chiều của nối đất tỷ lệ với ρ nên hệ số xung kích, tỷ lệ giữa trị số điện trở tản xung kích và xoay chiều, có trị số:

α

ρ

xk xk

R

Hoặc ở dạng tổng quát:

αxk = f I( )ρ (6-14)

Có thể dùng công thức (6-13) đển ước tính điện trở tản xung kích của một số nối

đất có sẵn khi chúng có dạng gần như hình bán cầu ( các hệ, móng kim loại hoặc bê tông cốt thép) và đánh giá khả năng của " tự nối đất" là khi mà xét đánh thẳng xuống nơi không có điện cực nối đất, lúc này có thể xem như kích thước điện cực được rút gọn tới hạn bé nhất

Việc tính toán điện trở tản xung kích của cọc được tiến hành tương tự như trên

và thấy rằng hệ số xung kích cũng biến thiên theo quy luật của ( 6-14)

Tính toán nối đất phân bố dài

Chia hai trường hợp để xét: