Tùy thuộc vào loại vật liệu của điện cực, kích thước và cách bố trí chúng trong hệ thống nối đất mà TBNÐ có được giá trị điện trở tản, phân bố điện thế tốt hay xấu.. Các nguyên nhân cơ b
Trang 1TÍNH CH ỌN ĐIỆN CỰC NỐI ĐẤT VÀ CÁC GIẢI
CHOOSING GROUNDING ELECTRODES AND SOME METHODS OF REDUCING EARTHING RESISTANCE
TRẦN VINH TỊNH
Tr ường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Công ty Cổ phần Đầu tư Điện Lực 3
TÓM T ẮT
Trang b ị nối đất (TBNÐ) của công trình điện được xem là đạt yêu cầu khi đáp ứng các
ch ỉ tiêu kỹ thuật, có giá thành hợp lý và đảm bảo khả năng làm việc không ngắn hơn
th ời gian hoạt động của công trình Việc tính chọn điện cực nối đất (ĐCNĐ) ảnh hưởng quyết định đến thời gian làm việc và giá thành của TBNÐ Bài báo này trình bày các
v ấn đề về tính chọn ĐCNĐ và một số giải pháp giảm điện trở tản của TBNÐ, sử dụng ở các công trình nhà máy điện (NMĐ), trạm biến áp (TBA)
ABSTRACT
Grounding electrodes affect not only dissipation resistance but also the cost and lifetime
of the earthing system Based upon the soil characteristics such as resistivity, pH value, moisture, etc… the grounding electrodes can be corroded rapidly or not This paper presents how to choose grounding electrodes and some methods of reducing earthing resistance of power substations
1 Gi ới thiệu
TBNĐ của các công trình điện chủ yếu được thực hiện theo kiểu cọc, tia kết
hợp Tùy thuộc vào loại vật liệu của điện cực, kích thước và cách bố trí chúng trong hệ
thống nối đất mà TBNÐ có được giá trị điện trở tản, phân bố điện thế tốt hay xấu Thực
tế, điện trở của bản thân điện cực là rất nhỏ so với điện trở tiếp xúc giữa điện cực với vùng đất xung quanh, nên nó ảnh hưởng không lớn đến giá trị điện trở tản của cả hệ
thống Các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của ÐCNÐ chủ yếu được thể hiện ở khả năng tản dòng điện ra đất, chịu đựng nhiệt độ do dòng điện ngắn mạch (DĐNM) sinh ra, ít bị ăn mòn, thuận tiện cho thi công và giá thành thực hiện Để đáp ứng các yêu cầu trên , ÐCNÐ phải được tính chọn một cách cẩn thận về vật liệu, kích thước và biện pháp
chống ăn mòn
2 Tính ch ọn và bố trí điện cực trong TBNĐ
* V ật liệu làm ÐCNÐ: Việc chọn lựa vật liệu phải dựa theo các tiêu chí về nhiệt
độ nóng chảy, điện trở suất, mức độ bị ăn mòn, cường độ lực và chi phí Thực tế, ta không thể chọn được loại vật liệu thỏa mãn tất cả các yêu cầu trên mà chỉ có thể đáp
Trang 2T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008
ứng được một số tiêu chí được xem là quan trọng nhất theo quan điểm của người sử
dụng Đồng luyện (đồng đỏ) và thép là hai loại vật liệu phổ biến để chế tạo ÐCNÐ So
với thép, đồng có những ưu điểm cố hữu về độ dẫn điện, bền với môi trường nhưng chi phí đầu tư cao và sinh ra các phản ứng điện - hóa làm ăn mòn các kết cấu kim loại khác chôn gần nó Ngược lại, thép có chi phí đầu tư thấp hơn, cường độ lực và khả năng hấp
thụ nhiệt cao hơn nhưng lại dễ bị ăn mòn hóa học và độ dẫn điện thấp Để dung hòa các tiêu chí này người ta chỉ sử dụng điện cực bằng đồng ở những vùng có khả năng bị ăn mòn cao và chủ yếu sử dụng điện cực thép có tăng cường bảo vệ chống ăn mòn (mạ
kẽm hoặc mạ đồng) để giảm chi phí đầu tư (trung bình giảm được khoảng 40% chi phí
so với đồng [4])
* Kích thước ÐCNÐ: Kích thước điện cực phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu
(điện trở suất, hằng số nhiệt độ của điện trở suất), cường độ DÐNM chạm đất, thời gian duy trì sự cố, nhiệt độ môi trường Kích thước ÐCNÐ được tính theo công thức [3]:
974 , 1
t K I
Với:
+ A(mm2
+ I
) là tiết diện của điện cực
đ
+ t(s) là thời gian sự cố, để an toàn lấy t=1s
(KA) là giá trị hiệu dụng của dòng điện tản vào đất , Iđ = Sf Df IN(1) (Sf là
hệ số phân dòng, Df là hệ số tắt dần, IN(1) là DĐNM một pha)
+ Kf là hệ số vật liệu, lấy theo bảng 1
B ảng 1 Hệ số K f ở nhiệt độ môi trường 40 o
V ật liệu
C
Điện dẫn Nh.độ nóng chảy T a ( o C) H ệ số K f
Cường độ lực của ÐCNÐ cần đảm bảo không bị nứt hay cong khi được đóng vào đất Khi cọc nối đất có đường kính càng lớn thì cường độ chịu lực sẽ càng cao nhưng diện tích tiếp xúc với đất tăng lên nên có thể sẽ khó khăn hơn khi được đóng vào đất
* Ăn mòn và các biện pháp chống ăn mòn điện cực : Quá trình ăn mòn kim loại
trong đất là sự mất dần các tính chất của nó do hậu quả của phản ứng giữa kim loại với môi trường xung quanh Hầu hết sự ăn mòn kim loại trong đất ở nhiệt độ bình thường là
kết quả các phản ứng điện - hóa Sự ăn mòn xuất hiện do quá trình mất ion kim loại tại
cực dương (anốt) - là nơi dòng điện chạy từ kim loại sang đất - dưới tác nhân của sự
Trang 3chênh lệch điện thế trê n các thanh kim loại như hình 2 [4] Có nhiều dạng ăn mòn ÐCNÐ như sau:
Hình 2 Ăn mòn kim loại (phản ứng điện – hóa) Hình 3 Các d ạng ăn mòn trên bề mặt kim loại
− Rỉ sét: do dòng điện chạy giữa các phần khác nhau trên cùng một thanh kim loại gây nên, làm cho phần lớn bề mặt kim loại bị mục ruỗng dần (hình 3.a)
− Ăn mòn rỗ hoa: là dạng kim loại bị ăn mòn cục bộ ở những chỗ mà lớp chống rỉ
bị bong tróc, để lại những lỗ sâu trên bề mặt và tiếp tục làm mục ruỗng điện cực (hình 3.b)
− Ăn mòn điện - hóa: khi có sự chênh lệch điện thế giữa các điện cực làm từ các kim loại khác nhau như đồng và thép, sẽ hình thành dòng điện chạy từ điện cực thép (anốt) ra đất và đến điện cực đồng (catốt) Sự mất đi các ion kim loại (Fe++
Y = (85,44 – 2,45.10
)
ở anốt sẽ làm cho điện cực thép bị ăn mòn dần Các nguyên nhân cơ bản ảnh hưởng đến mức độ ăn mòn điện - hóa, đó là: mạch dẫn điện giữa các điện cực thép và đồng, điện áp hình thành giữa các vật liệu, tỷ lệ giải phóng và hấp thụ ion của anốt với catốt và điện trở của môi trường điện phân (đất) Cường độ ăn mòn sẽ cao trong các trường hợp [4]: điện trở suất của đất giảm (bảng 2), khi đất
có tính axít hoặc bazơ cao (bảng 3), khi độ ẩm lớn và độ thoáng khí giảm Nhìn chung, đất có tính a xít, ẩm ướt, lẫn nhiều tạp chất hữu cơ yếm khí, có màu đen thì có tính ăn mòn cao Ngược lại , loại đất có cấu trúc dạng hạt khô, ráo, ít tạp
chất hữu cơ, màu sáng, độ rỗng lớn thường ít ăn mòn kim loại Nghiên cứu của Văn phòng Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ về tỷ trọng ăn mòn của thép chôn trong đất
đã công bố [4]:
-3
.X1 + 7,37.X2 + 0,86.X3 + 0,31.X4).10-3 + Y là tỷ trọng ăn mòn hàng năm (mm/năm)
(2)
Với:
+ X1
+ X2 là độ pH
là điện trở suất đất (Ω.cm)
+ X3 là độ ẩm (%)
+ X4 là độ thoáng khí (%)
Thực nghiệm cũng cho thấy, tỷ lệ ăn mòn trung bình của 12 năm tiếp theo chỉ
bằng 50% so với 12 năm đầu, mức độ ăn mòn ở các năm tiếp theo nữa là không đáng kể
Trang 4T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008
B ảng 2 Mức độ ăn mòn kim loại của đất B ảng 3 pH và độ ăn mòn kim loại
Điện trở suất (Ωm) Tỷ trọng ăn mòn (mm/năm) Tính chất của đất Độ pH Mức độ ăn mòn
<25 Ăn mòn nghiêm trọng (>0,331) Axít đậm đặc <4,5 Ăn mòn cao nhất 26÷50 Ăn mòn vừa (0,0229÷0,305) Axít r ất mạnh 4,5÷5,0
51÷100 Ăn mòn yếu (0,102÷0,229) Axít m ạnh 5,1÷5,5
>100 Ăn mòn rất yếu (<0,102) Axít v ừa 5,6÷6,0
Axít y ếu 6,1÷6,5 Trung tính 6,6÷7,3 Ít ăn mòn nhất Bazơ yếu 7,4÷7,8
Bazơ vừa 7,9÷8,4
Bazơ mạnh 8,5÷9,0 Bazơ rất mạnh >9,1 Ăn mòn cao
Ví dụ: Tính toán đường kính ÐCNÐ bằng thép, biết tr ước điện trở suất đất 2.500
ρ = Ω.cm, độ pH = 7, độ ẩm là 30%, độ thoáng khí 15%, DÐNM chạm đất N(1)
I =10KA, hệ số phân dòng Sf = 1, hệ số tắt dần D f
k=2
= 1, hệ số phát triển công
suất
Bảng 4 Kích thước tối thiểu của điện cực nối đất
Điện cực nối đất TCN18:2006
TCVN 4756 :1989
DIN VDE
0141
IED 621-2A
V ật liệu Hình dáng
+ Thép m ạ dây tr ần φ10mm 50mm2 50mm2
k ẽm nhúng thanh d ẹt 48mm2/ dày 4mm 78mm2 -
nóng 70µm c ọc tròn φ 10mm φ 20mm -
m ạ thanh d ẹt 48mm2/ dày 4mm - -
+ Thép m ạ đồng c ọc tròn - φ 15mm -
Từ thông số cho trước có thể tính được :
I = Df Sf k IN(1)
974 , 1
1 974
, 1
t K I
A= đ f =20 15,95
= 1 1 2 10 = 20KA
Từ (1) tính được tiết diện điện cực:
= 161,6 mm2
Nếu điện cực hình tròn thì bán kính là r = 7,2 mm Từ (2) tính được tỷ trọng ăn mòn của điện cực:
Y = (85,44 – 2,45.10-3.2500 + 7,37.7 + 0,86.30 + 0,31.15).10-3= 0,161 mm/năm
Với đời sống dự án là 25 năm, hệ số an toàn là 150% thì độ ăn mòn của điện cực là:
Y∑ = (12 0,161 + 0,5 12 0,161) 1,5 = 4,35 mm Như vậy, bán kính tối thiểu của điện cực là:
r = 7,2 + 4,35 = 11,55 mm
Trang 5Do đó, ta phải chọn điện cực có bán kính r = 12 mm, tiết diện A = 452 mm2
* B ố trí điện cực trong TBNÐ
c ủa công trình điện: Hình dáng và
cách bố trí điện cực ảnh hưởng đến giá
trị điện trở tản củ a TBNÐ (R
Để giảm sự ăn mòn kim loại, người ta thường mạ kẽm hoặc mạ đồng cho các điện cực thép, hay dùng biện pháp bảo vệ catốt Trong thực tế, các tiêu chuẩn kỹ thuật
đã quy định kích thước tối thiểu của các loại ÐCNÐ (như bảng 4) để tiện sử dụng
đ), điện
áp tiếp xúc (Utx) và điện áp bước (Ub)
Cọc nối đất có tác dụng làm giảm
nhanh Rđ, nhưng không giảm U tx và
Ub Ngược lại, lưới nối đất có phân bố
điện thế bằng phẳng hơn nên làm giảm
Utx, Ub nhưng ít tác dụng làm giảm
Rđ Lợi dụng đặc điểm này, người ta
thường bố trí các điện cực dạng ô lưới (dọc và ngang) cho toàn bộ diện tích trạm (kéo dài ra ngoài hàng rào khoảng 1m) để san bằng điện thế Còn để giảm điện trở Rđ, ta ưu tiên bố trí cọc nối đất dọc theo chu vi của lưới nối đất và ở các vị trí nối đất của trung tính MBA, kim thu sét, chống sét van… Nếu TBNÐ vẫn chưa thỏa mãn yêu cầu về Rđ,
ta mới bổ sung thêm cọc nối đất xen kẽ vào các ô lưới Để bớt ảnh hưởng của hiệu ứng màn che, cần đảm bảo khoảng cách giữa các điện cực nằm ngang không lớn hơn 5m, khoảng cách giữa các cọc nối đất (a) không nhỏ hơn chiều dài của nó (l), tỷ số a/l lý
tưởng vào khoảng (1÷3) [1] Đối với TBNÐ thực hiện nhiệm vụ nối đất làm việc, thì
lưới nối đất có tác dụng tốt hơn điện cực cọc trong việc tạo mạch dẫn cho dòng điện trở
về Còn với nhiệm vụ tản dòng điện sét, điện cực phẳng có điện cảm nhỏ nên sẽ có tổng
trở nối đất xung kích sẽ nhỏ, việc tăng diện tích lưới nối đất không có tác dụng đến việc
tản dòng điện sét Hình dáng của lưới nối đất càng giống hình vuông thì càng dễ đạt yêu
cầu về Rđ
3 Các gi ải pháp giảm điện trở của TBNÐ
và giảm chi phí do tổng chiều dài điện cực sẽ bé nhất Mô tả hình dáng TBNÐ của TBA thông thường như hình 4
Điện trở tản của TBNÐ chủ yếu phụ thuộc vào điện trở tiếp xúc giữa điện cực
với đất và điện trở của vùng đất xung quanh điện cực Thực tế, người ta làm giảm các
yếu tố trên bằng cách tăng cường ĐCNĐ và cải thiện điện trở suất đất
* Gi ảm điện trở nối đất theo cách tăng cường điện cực: Bằng cách bổ sung vào
TBNĐ cũ các điện cực hoặc các lưới nối đất mới, theo hướng ưu tiên sử dụng điện cực chôn sâu từ (10÷30)m, ta có thể giảm được điện trở nối đất Điệ n cực chôn sâu có ưu điểm về điện trở tản nhỏ, độ ổn định cao mà không cần bảo dưỡng, ít bị tác động bởi môi trường và thích hợp với diện tích hẹp Phương pháp tăng cường điện cực chôn sâu
có thể giảm được đến 40% giá trị điện trở nối đất Tuy nhiên, không phải cứ tăng chiều dài điện cực là có thể giảm được điện trở nối đất Kinh nghiệm cho thấy, ở một khu vực
Hình 4 Mô t ả TBNĐ cho TBA
Trang 6T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008
cụ thể điện trở của điện cực giảm đến độ sâu nào đó, vào khoảng (20÷30)m thì không thay đổi nữa Ngoài ra, gradien điện thế trên mặt đất của điện cực chôn sâu khá lớn,
nhất là khu vực xung quanh điện cực Cho nên, cần phải phối hợp sử dụng cả điện cực chôn sâu và điện cực ô lưới để đạt được đồng thời yêu cầu về điện trở tản và phân bố điện thế Ở những nơi điều kiện địa chất không cho phép thực hiện theo phương pháp điện cực chôn sâu, ta có thể kéo dài lưới nối đất và bổ sung thêm nhiều cọc nối đất song song Các tia điện cực được kéo dài thêm có thể đến (1÷2)km về hướng có điện trở suất
nhỏ như khu vực có sông, suối, đồng ruộng Hạn chế lớn của giải pháp này là kết quả
phụ thuộc nhiều vào điện trở suất lớp đất mặt, kết quả bị giới hạn do hiệu ứng màn che
và chỉ có thể thực hiện ở khu vực có diện tích lớn Về mặt kinh tế, giải pháp này có chi phí đầu tư không quá cao nên có thể chấp nhận được
* Giảm điện trở nối đất bằng cách giảm
điện trở suất của đất: Theo kết quả thực
nghiệm, trong khoảng 0,3m xung quanh điện
cực, điện trở tản đạt 68% tổng điện trở tản của
cả điện cực [2] Nên việc làm giảm điện trở suất
của vùng đất này sẽ có hiệu quả rất lớn trong
việc giảm điện trở tản của ÐCNÐ Nguyên tắc
cơ bản của giải pháp này là làm giảm điện trở
suất đất bằng cách thay lớp đất tự nhiên bằng
loại đất có điện trở suất nhỏ hơn hoặc bổ sung
các hóa chất để tạo môi trường dẫn điện tốt
xung quanh điện cực Giải pháp này được sử
dụng ở những nơi đất khô cằn, có điện trở suất
đất cao (ρ > 500Ω.m) hoặc không thể thực hiện
giải pháp bổ sung điện cực Thực tế, có thể làm
giảm điện trở suất đất bằng muối ăn, than chì,
bentonite… Muối được đổ xung quanh cọc nối
đất (0,5÷1)m, tuần tự thành từng lớp xen kẽ với
đất, chiều dày mỗi lớp khoảng (2÷4)cm cho đến
khi đạt khoảng 1/3 chiều dài cọc (hình 5), có thể
làm giảm điện trở suất đất xuống (1,5÷2) lần với
đất pha sét, (2,5÷4) lần với đất pha cát và (4÷8) lần với đất cát [1] Tuy nhiên, khi dùng
muối, điện cực sẽ dễ bị ăn mòn, muối bị tan theo nước mưa nên độ ổn định thấp Hiện nay, người ta đã sử dụng các hoá chất có tác dụng làm giảm điện trở suất của đất như GEM (Grounding Enhancement Materials), EEC (Earth Enhancing Compound) , có cách xử lý như hình 6 Thành phần chính của các chất này là hỗn hợp các ôxít kim loại, không gây ô nhiễm môi trường, được pha trộn với các chất kết dính, có điện trở suất khoảng (10÷12)Ω.m Các thử nghiệm tại hiện trường cho thấy có thể giảm kh oảng (50÷90)% điện trở suất đất khi dùng GEM, EEC Phương pháp dùng hóa chất có thể
Hình 5 Gi ảm điện trở TBNĐ bằng muối ăn
Hình 6 Gi ảm điện trở TBNĐ bằng GEM
Trang 7khắc phục các nhược điểm của giải pháp tăng cường điện cực và sử dụng muối, nhưng giá thành khá cao Kết quả xử lý (bằng GEM) cũng chỉ ổn định trong vài năm đầu, sau
đó có xu hướng tăng dần trong các năm tiếp theo
4 K ết luận
Vật liệu và kích thước ÐCNÐ ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành xây dựng và độ
bền với thời gian, còn cách thức bố trí điện cực có tác dụng rất lớn đến hiệu quả làm
việc của TBNÐ Những sai sót về tính chọn và bố trí điện cực nối đất không chỉ làm tăng chi phí đầu tư mà có thể làm giảm hiệu quả của TBNÐ (tăng Rđ
[1] Tiêu chuẩn xây dựng TCXD 46:1984 Chống sét cho các công trình xây dựng - Tiêu chuẩn thiết kế và thi công, Nxb Xây dựng, Hà Nội
, gây phóng điện ngược…)
Các giải pháp giảm bổ sung điện cực hoặc cải thiện điện trở suất của đất cho phép làm giảm điện trở tản của TBNÐ Nhìn chung, kết quả của các giải pháp này có tính ổn định chưa cao nên người vận hành cần phải định kỳ kiểm tra và tiếp tục xử lý để TBNÐ luôn thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật
[2] IEEE std 142-1991 (1991), Recommended Practice for Grounding of Industrial
and Commercial Power Systems, The Institute of Electrical and Electronics
Engineers, Inc., New York, USA
[3] IEEE std 80-2000 (2000), IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding, The
Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, USA
[4] P.K Sen, Keith Malmedal, John P Nelson (2002), Steel grounding design giude
and application notes, IEEE Rural Electric Power Conference, Colorado, USA
