Giáo trình Cao áp - Chương 5

Giáo trình Cao áp Trường: BÁCH KHOA HÀ NỘI Giảng viên: TRẦN VĂN TỚP

Phần I Chương 5 : Nối đất chống sét 1

Chương 5 : Nối đất chống sét

5.1 Giới thiệu

5.1.1 Định nghĩa

9 Mạng nối đất bao gồm các tất cả các bộ phận của hệ thống nối đất như là :

+ điện cực nối đất (điện cực nối đất là những vật dẫn bằng kim loại chôn trong đất hoặc ngập trong móng bê tông)

+ các thanh nối

9 Nhiệm vụ của hệ thống nối đất là tản dòng điện khi sự cố (hư hỏng cách điện) đảm bảo an toàn cho người và bảo vệ các thiết bị

9 Trong trường hợp có dòng điện sét, các đặc tính của hệ thống nối đất phải tính toán với dòng điện rất lớn có thể đạt tới hàng trăm kilo-ampe và ở tần số đến mégahertz

9 Hệ thống nối đất cho phép lập thế quy chiếu

9 ở tần số cao, tất cả các liên lạc có tính trở kháng, đặc biệt do thành phần tự cảm của các dây nối Khái niệm thế quy chiếu do đó không tồn tại nữa và vậy thì nhiệm vụ của mạng nối đất một mặt chế ngự chênh lệch thế

để giảm điện áp bước và điện áp tiếp xúc, mặt khác hạn chế chênh lệch thế ngang giữa hai điểm kề nhau của công trình để giảm nguy cơ phóng điện và nhiễu điện từ

5.1.2 Chức năng của hệ thống nối đất

Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúc với dòng điện (hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất Tuỳ theo hiệu quả và nhiệm vụ người ta chia hệ thống nối đất thành ba laọi

Nối đất làm việc : Có nhiệm vụ đảm bảo cho sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc một số bộ phận của thiết bị

theo chế độ làm việc đã được qui định sẵn

+ nối đất trung tính máy biến áp, + nối đất của TU

+ nối đất trung tính của hệ thống trung tính nối đất

Nối đất an toàn : Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện bị hư hỏng hoặc thiết bị bị dò điện ra vỏ

Nối đất an toàn đuợc thực hiện bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thường không mang điện (vỏ thiết bị

điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ ) Khi cách điện bị hư hỏng trên các vật này sẽ có xuất hiện điện thế nhưng do có nối

đất nên giữ đuực mức điện thế thấp không gây nguy hiểm cho người khi tiếp xúc với chúng

Nối đất chống sét có mục đích để tản dòng điện sét sét Nó có nhiêm vụ hạn chế hình thành và lan truyền của

sóng quá điện áp do phóng điện sét gây nên Nó cúng có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ trên cột

điện và đất Nếu không, mỗi khi có sét đánh vào cột chống sét hoặc trên đường dây, sóng điện áp dư có khả năng phóng

điện ngược tới các thiết bị và công trình cần bảo vệ, phá huỷ các thiết bị điện và máy biến áp

5.1.3 Mạng nối đất

9 Định nghĩa về "đất quy chiếu" nằm cách xa điểm dòng điện đi vào đất và có thế bằng không

9 Dòng điện sét vào đất dẫn tăng thế tại những điểm trên mặt đất, có thể mô phóng sự tăng thế này bằng các tổng trở nối giữa điểm nối đất và điểm đo

Xem xét một thiết bị có hai nối đất riêng biệt

+ Nối đất thứ nhất đặt tại điểm A, (ví dụ nối đất chống sét) qua đó có dòng điện I

+ Nối đất 2 tại B là nối đất (ví dụ cho các thiết bị điện tử) qua đó có dòng điện It đi qua

Phần I Chương 5 : Nối đất chống sét 2

It trong thực tế là rất nhỏ so với I

ZA et ZB - tổng trở của hai nối đất này so với đất cục bộ,

ZC là tổng trở giữa đất cục bộ với đất quy chiếu

UA =ZA I + ZC (I + It)

UB =ZB It + ZC (I + It) tăng thế của đất B so với đất A :

UAB =ZA I - ZBIt

9 Điện áp này có thể tăng cao, không phụ thuộc vào chất lượng nối đất ZC Nếu cả hai điểm nối đất A và B gần nhau, chênh lệch thế có thể đủ để gây ra phóng điện giữa hai mạng này

9 Muốn giảm mức tăng thế, cần nối chung tối đa tất cả các bộ phận có thể trở thành dây dẫn trở về của dòng

điện đất Điều này cho phép trước hết giảm tổng trở của các nối đất, phân tán dòng điện vào đất theo nhiều nhanh (giảm ZAI)

9 nối đất (đất cục bộ) của một công trình là tập hợp tất cả các mạng cho phép đảm bảo quy chiếu thế dọc theo công trình

9 Điều kiện chủ yếu và cơ bản hiệu quả của bảo vệ chống hiệu ứng điện từ của dòng điện sét là hạn chế hiệu

điện thế giữa các điểm của mạch nối đất liền kề loại bỏ khả năng xảy ra phóng điện

Mạng mát

Mạng mát bao gồm các vỏ kim loại của các vật cần bảo vệ :

9 khung cốt, giàn giá

9 đường cáp

9 kết cấu kim loại

Mỗi phần tử này đều tham gia vào mạng mát vì có tác dụng giảm đáng kể hiệu ứng trường điện từ do kênh sét và dòng điện sét gây nên

Mạng nối đất

Cần phải rất chú trọng hiệu quả của nối đất tốt theo các lý do :

9 nối đất vỏ các thiết bị điện là bắt buộc : mạng nối đất phải thoả mãn tiêu chuẩn bảo đảm an toàn cho người;

9 hệ thống nối đất phải hạn chế chênh lệch điện thế đặc biệt là điện áp bước, đặc biệt trong vùng xung quanh chu vi mạch vòng nối đất;

Nối đất các thiết bị

Các dây dẫn khi có dòng điện sét đi qua sẽ gây nên điện từ trường mạnh là nguồn gây các nhiễu loạn cho đối với các thiết bị Với mục đích giảm ánh hưởng này, các dây nối này được phân tán xung quanh công trình cần được bảo vệ

5.1.4 Điện trở nối đất

9 Điện trở nối đất là một số liệu rất quan trọng để tối để đảm bảo an toàn, phụ thuộc vào điện trở suất của

đất và kích thước của các ddiện cực nối đất

9 Mọi mạng nối đất đều gồm các điện cực kim loại chôn nằm ngang hoặc chôn thẳng đứng trong đất

Trường hợp tổng quát, sơ đồ tương đương của mạng nối đất :

Phần I Chương 5 : Nối đất chống sét 2

+ điện trở r, + điện cảm L của bản thân điện cực, + điện trở tản R của môi trường xung quanh điện cực, + điện dung C của các điện cực so với điểm thế bằng không

9 Có thể bỏ qua điện trở tác dụng của các điện cực nối đất vì nó rất nhỏ so với điện trở tản R Người ta cũng không xét đến điện dung C của các điện cực so với đất vì dòng điện dung rất bé thậm chí ngay cả khi có dòng điến sét

L

Các tham số L và g phụ thuộc vào một số các yếu tố và hiệu ứng của chúng tuỳ thuộc vào điều kiện tính toán

9 Khi có một dòng điện mà sự biến thiên theo thời gian rất nhanh chạy qua hệ thống nối đất (dòng điện sét),

điện cảm của các điện cực

+ ban đầu sẽ cản trở không cho dòng điện đi đến cuối, dẫn đến phân bố điện áp không đồng nhất theo thời gian và dọc theo chiều dài điện cực

+ Sau đó, ảnh hưởng của điện cảm sẽ giảm dần và phân bố áp sẽ trở nên đều hơn

9 khi dòng điện tản vào đất là dòng điện một chiều hoặc dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp, có thể bỏ qua ảnh hưởng của điện cảm L và tất cả hệ thống nối đất có thể biểu diễn bởi điện trở tản Rt

9 Thời gian tồn tại quá trình quá độ phụ thuộc vào hằng số thời gian :

9 Với dòng điện sét, tham số thể hiện nối đất phụ thuộc tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng τf của dòng điện sét

+ Nếu T<<τf, khi dòng điện sét đạt giá trị cực đại, quá trình quá độ đã kết thúc, nối đất thể hiện như một

điện trở tản Trường hợp này tương ứng với các dạng điện cực nằm ngang hoặc thẳng đứng nhưng có

chiều dài không lớn lắm Người ta gọi những loại nối đất này nối đất tập trung

+ Đối với các điện cực nối đất dài, hằng số thời gian thường đạt và vượt xa τf và như vậy lhi dòng điện

đạt giá trị cực đại, hiện tượng quá độ vẫn chưa kết thúc Vì vậy nối đất thể hiện như một tổng trở Z có trị

số khá lớn so với điện trở tản Những loại nối đất này nối đất phân bố tham số rải (nối đất kéo dài)

9 Điện trở nối đất phụ thuộc vào điện trở suất của đất, kích thước và bố trí các điện cực Trị số điện trở tản dòng điện xoat chiều (R∞) khác trị số tản dòng điện xung kích (Rimp)

9 Trong dải tần số bé; nối đất có thể coi là thuần trở và do vậy có thể tính toán điện trở nối đất bằng việc xem xét kích thước hình dạng điện cực, điều kiện lắp đặt và điện trở suất của đất Điện trở tản dòng điện xoay chiều (R∞) được dùng để tính toán nối đất an toàn và nối đất làm việc Trong những trường hợp này cường

độ dòng điện tản vào đất bé, điện trường trong đất (E=ρ.j với j là mật độ dòng điện và ρ điện trở suất của

đất), có trị số bé không đạt tới ngưỡng gây phóng điện trong đất

9 Nối đất trong thực tế không phải là hoàn toàn thuần trở mà là một tổng trở gồm thành phần dung và cảm kháng phụ thuộc vào kích thước hình học và bản chất của đất, xét ảnh hưởng các thành phần dòng điện

Phần I Chương 5 : Nối đất chống sét 3

sét, tổng trở này có thể rất khác với điện trở tản ở tần số thấp Nối đất tản dòng điện sét có các đặc tính khác với trị số điện trở nối đất đo thông bằng các dụng cụ đo điện trở nối đất (terrometre/telluromètre) Điện trở suất của đất được đo bằng ohm.met (Ωm)

a) Điện trở suất của đất

9 Đất là môi trường phức tạp, điện trở suất có thể thay đổi trong phạm vi rất rộng Về bản chất đất tự nhiên cấu tạo từ các hạt chất rắn, nước và không khí Đất bão hoà nước là trường hợp đặc biệt khi toàn bộ khoảng trống lấp đầy nước

9 Điện trở suất của đất phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của đất, điều kiện khí hậu độ ẩm nhiệt độ Điện trở suất của đất ở trạng thái khô thường khá ổn định, khi có các muối hoặc các axít, tính dẫn điện tăng lên,

điện trở suất giảm Đất càng ẩm, điện trở suất của nó càng bé Khi đất bị đóng băng hoặc đất bị hạn hán,

điện trở suất tăng lên

9 Điện trở suất của đất theo thành phần cấu tạo

Bản chất của đất Điện trở suất trung bình, Ωm

granit và cát kết háu nước 100-600

sét vôi và sét chắc 100-200

9 Điện trở suất của đất ở các độ sâu khác nhau

b) Hệ số mùa

9 Khi thiết kế hệ thống nối đất phải tính trước hết điện trở suất của vùng đất đó Điện trở suất thay đổi trong phạm vi rất rộng theo nhiệt độ và độ ẩm của đất, theo thành phần và cấu trúc, theo độ sâu và theo mùa

9 Trong năm, điều kiện khí hậu thay đổi làm cho nhiệt độ của đất, độ ẩm, thành phần các chất hoà tan của

nó thay đổi theo Điện trở suất trong mùa khô khác với điện trở suất trong mùa mưa

9 Trong tính toán điện trở nối đất, điện trở suất của đất được nhân với hệ số an toàn gọi là hệ số mùa ks

m s

c =k ρ

9 Hệ số mùa phụ thuộc vào hình dạng điện cực (thanh hoặc cọc), bố trí điện cực (nằm ngang hay thẳng

đứng), độ chôn sâu và bản chất của đất

Phần I Chương 5 : Nối đất chống sét 4

Dạng nối đất Bố trí điện cực Độ chôn sâu, m Hệ số mùa, ks

Nối đất an toàn và nối đất

làm việc

Nối đất chống sét Thanh nằm ngang

9 Hệ số mùa lấy giá trị bé nếu đo điện trở suất thực hiện trong điều kiện độ ẩm trung bình, lấy giá trị lớn nếu

độ ẩm cao trước khi đo điện trở suất

c) Thực hiện nối đất

Bộ phân nối đất thường sử dụng các điện cực bằng kim loại chôn thẳng đứng (cọc) hoặc thanh nằm ngang

Thanh nằm ngang : sắt dẹt chiều (rộng 20 - 40mm), chiều dầy không nhỏ hơn 4mm, sắt tròn đường kính không nhỏ

hơn 20mm làm các điện cực nằm ngang

Cọc chôn thẳng đứng : thép ống, thép đặc hoặc thép hình đảm bảo độ bền cơ khí và chống ăn mòn

Nối đất trạm biến áp

9 về nguyên tắc phải tách riêng hệ thống nối đất an toàn và nối đất chống sét

9 thực hiện nối đất chung các loại nối đất khác nhau với mục đích để có một mạng nối đất đẳng thế, có thể tản dòng điện sự cố tần số 50Hz cũng như dòng điện tần số cao và dòng điện sét

9 Nối đất là hệ thống (thanh nằm ngang, các cọc thẳng đứng, thanh cân bằng) tạo thành lưới nối đất

Nối đất cột điện của các đường dây tải điện trên không,

9 Để giảm xác suất phóng điện ngược, độ dốc của điện thế phải bé, điện trở nối đất phải nhỏ

9 Vì thế người ta cần quy định trị số điện trở nối đất thấp đối với các cột điện của các đường dây tải điện

9 trong vùng điện trở suất lớn (ρ > 300 Ω.m), để đạt được điện trở nối đất cột điện bé phải sử dụng các cọc

có chiều dài lớn

9 Nhưng do tự cảm của các điện cực rất dài, tổng trở xung kích ở tần số cao có thể lớn hơn rất nhiều so với kết quả tính toán ở tần số thấp Chính vì thế nên tồn tại chiều dài điện cực tới hạn

5.2 Tính toán nối đất

5.2.1 Tính toán điện trở nối đất an toàn

Xét nối đất đơn giản dạng một điện cực hình bán cầu bằng (bán kính Ro) kim loại chôn sát mặt đất có Id là dòng

điện chạm đất, trong vùng đất có điện trở suất ρ

dr r

U c

U p

Một số giả thiết

9 Qua điện cực này có một dòng điện bằng Inđ đi vào trong môi trường đất

9 Đất là thuần nhất có điện trở suất ρ [Ω.cm]

9 Dòng điện tản ra từ tâm hình cầu, toả ra theo đường bán kính

9 Có thể coi trường của dòng điện đi trong đất giống như dạng trường tĩnh điện

Phương trình điện trường trong đất theo định luật Ohm : J = γ E (J mật độ dòng điện, E là cường độ điện trường và

γ là điện dẫn suất của đất)

Phần I Chương 4 : Truyền sóng quá điện áp trên các đường dây tải điện 2

Kỹ thuật điện áp cao

Dòng điện Iđ đi vào đất gây nên sụt áp trên điện trở nối đất U=I.R với R là điện trở tản của nối đất :

∫

+

=

dr r

dr

Từ đó :

o

R r

dr dR R

πρ

2

0

2 0

=

=

Mặt khác, mật độ dòng điện tại một điểm cách tâm bán cầu một khoảng là r bằng :

2

2 r

I

π

=

Với một vi phân khoảng cách dr , xác định điện thế trên một trục dọc theo đường đi của dòng điện :

dr r

I dr J Edr dU

dr

dU gradU E

π

2

=

=

=

=

ư

=

(5 5)

Phân bố điện áp tại một điểm A cách tâm của điện cực một khoảng bằng rA là hiệu điện thế của điểm đó với điểm

có điện thế bằng không (xa vô cùng) :

A

d A d r

d r

A

I r r

I r

dr I

d U

A A

1 2

1 2

ρ ρ

π

ρ π ϕ ϕ

Phân bố điện áp trên mặt đất có dạng hyperbole

9 Tại điểm trên mặt của vật nối đất ta sẽ có điện áp đối với đất tối đa bằng

o

d R

I

πρ

2

9 Càng xa nơi đặt bộ phận nối đất, trị số điện thế càng giảm

9 Độ dốc của đường cong phân bố điện thế phụ thuộc vào điện trở suất của đất và dòng điện chạm đất

9 Điện trở suất của đất càng lớn, đường cong càng thoải và điểm có điện thế bằng không càng xa

Nối đất trong thực tế : nối đất đơn giản, nối đất mạch vòng cọc, nối đất hình lưới

9 sử dụng các điện cực nối đất dạng : cọc kim loại (sắt) dài 2ữ3 m, chôn sâu trong đất từ 0,5 đến 0,8m

9 các thanh hoặc mạch vòng kim loại bằng sắt nối đất nằm ngang bao quanh toàn bộ trạm biến áp

Tính điện trở nối đất của cọc thẳng đứng (dài là l, độ chôn sâu cách mặt đất là t )

Điện cực dùng sắt tròn Điện cực dùng sắt dẹt, sắt góc

l

d

d

l l

2πρ

=

Nếu chúng ta sử dụng cọc sắt góc có bản rộng b, cần thay d trong các biểu thức bằng 0,95b

l

d

t

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ư

+ +

=

l t

l t d

l l

4

4 ln 2

1 2 ln

2πρ

Điện trở nối đất của điện cực dạng thanh nằm ngang (đường kính d, dài là L, chôn sâu t cách mặt đất) :

d t

L K L

ln 2

2

πρ

Phần I Chương 4 : Truyền sóng quá điện áp trên các đường dây tải điện 3

Kỹ thuật điện áp cao

K : hệ số hình dạng của thanh hoặc mạch vòng nối đất, phụ thuộc vào hình dạng nối đất thanh

2

1

l

l

d

t

1

l D

2 2

D 4 l

1,27

l 2

l 1

1 5,53

Khi sử dụng chỉ có một điện cực (đơn giản) không đạt trị số điện trở nối đất yêu cầu, cần sử dụng dạng nối đất tổ

hợp (nhiều cọc thẳng đứng đóng dọc theo thanh nằm ngang hoặc mạch vòng nối đất)

Nếu dùng nhiều cọc hiệu quả của nối đất sẽ giảm so với từng điện cực riêng rẽ do ảnh hưởng lẫn nhau của các

điện cực

Ví dụ 2 điện cực hình bán cầu

B

A

a

Nếu khoảng cách a đủ lớn (điện trường do các dòng điện

gây nên được xem là độc lập với nhau), dòng điện sẽ tản

vào đất đồng đều về tất cả các hướng

Ngược lại nếu các điện cực nằm gần nhau, dòng điện từ

điện cực 1 không thể tản vào trong đất trong vùng nằm bên

phải đường AB

Điện áp của mỗi điện cực xác định bởi điện áp riêng của

mỗi điện cực khi có dòng điện I/2 chạy qua và điện áp do

điện trường do điện cực bên cạnh gây ra

Với hệ gồm hai điện cực như trên, điện trở được xác định :

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

=

=

a R I

U R

o

1 1

So với trường hợp lý tưởng (2 điện cực này đứng độc lập), điện trở nối đất đã tăng một lượng bằng

a

1

4π

ρ

Tỷ số giữa điện trở tản khi xét đến ảnh hưởng ngẫu

hợp của các điện cực gọi là hệ số sử dụng η:

a a

R

R R

R

o

o

1

1 1 1 4

2 2

1 2

1

+

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

=

=

π ρ

πρ

Hệ số sử dụng giảm khi ta tăng kích thước điện cực hoặc khi ta giảm khoảng cách giữa chúng

Với một hệ thống nối đất phức tạp gồm n cọc chôn dọc một thanh nằm ngang thì điện trở tản của cảc hệ thống nối

đất xác định theo biểu thức sau :

Phần I Chương 4 : Truyền sóng quá điện áp trên các đường dây tải điện 2

Kỹ thuật điện áp cao

t c c b

t c

R R R

η

Rc et Rt là điện trở tản của cọc và thanh

ηc và ηt là hệ số sử dụng của cọc và thanh

Hệ số sử dụng của cọc và thanh (ηp, ηb) phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ a/l (l là chiều dài cọc)

Khi tính toán điện trở nối đất của một cột thu sét độc lập hoặc của cột điện đường dây có thể sử dụng các công thức sau đây (V V Bazukin) :

điện trở nối đất của một cọc bằng thép ống hoặc thép đặc :

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡ +

+

=

l t

l t d

l l

4

2 4 ln

điện trở nối đất của một thanh bằng thép dẹt hoặc thép đặc :

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

bt

l l

điện trở nối đất của móng trụ bê tông cốt thép :

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

=

b

t t

2 7 , 1

π

(l là chiều dài của cọc hoặc thanh; t là độ chôn sâu của thanh nằm ngang, độ sâu của phía trên của cọc hoặc mức thấp của móng bê tông; b là bản rộng của thanh dẹt hoặc của móng trụ; d là đường kính của ống)

5.2.2 Tính toán điện trở nối đất chống sét

9 Với nối đất chống sét, tính toán nối đất phức tạp hơn nhiều vì chúng ta phải xét đồng thời hai quá trình :

+ hiện tượng phóng điện trong đất : nếu dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất rất lớn, trên bề mặt các điện cực tạo nên một điện trường rất mạnh E=J.ρ sẽ dẫn đến quá trình phóng điện trong đất tiếp giáp với điện cực Xung quanh điện cực nối đất hình thành một vùng phóng điện tương đương làm tăng kích thước điện cực Do

đó điện trở nối đất giảm

+ hiện tượng quá độ : dòng điện sét biến thiên rất nhanh, sự tăng rất dôc dòng điện sét trong khoảng thời gian

đầu sóng gây nên điện áp giáng trên điện cảm của nối đất phân bố dài, làm giảm khả năng tản dòng điện của các phẫn nẵm xa hơn Trong trường hợp này, điện trở nối đất ngược lại lại tăng

9 Do ảnh hưởng của yếu tố này hay yếu tố kia (tạo ra vùng phóng điện hoặc điện áp giáng trên điện cảm), điện trở nối đất khi có dòng điện sét đi qua được gọi là điện trở nối đất xung kích hoặc tổng trở nối đất xung kích Điện trở nối đất xung kích khác điện trở nối đất ổn định đo ở điện áp xoay chiều và dòng điện bé

9 Tỷ số giữa điện trở nối đất xung kích và điện trở nối đất được gọi là hệ số xung kích αxk

R

9 Khi chiều dài hệ thống nối đất không lớn (nối đất tập trung), chúng ta không cần quan tâm đến hiện tượng quá độ

9 Nhưng trong trường hợp hệ thống nối đất rất dài (nối đất phân bố) ta phải xem xét cả hai quá trình trên

5.2.2.1 Điện trở nối đất tập trung

9 Tính toán điện trở nối đất xung kích được thực hiện trên cơ sở các giả thiết gần đúng về quá trình phóng điện trong đất

a) Hiện tượng phóng điện trong đất

Phần I Chương 4 : Truyền sóng quá điện áp trên các đường dây tải điện 3

Kỹ thuật điện áp cao

9 Cường độ dòng điện lớn khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất dẫn đến xung quanh điện cực nối đất, gradient thế trong đất có thể lớn hơn trị số điện trường phóng điện của đất

9 Các phóng điện này sẽ làm tổng trở nối đất, đối lập với hiệu ứng điện cảm : hiệu ứng suy giảm chỉ xảy ra nhất thời

và kết thúc khi dòng điện sét đã đi qua Nhưng trong một số trường hợp nó có thể làm cho thuỷ tinh hoá đất và nhất là khi đất có chứa silic thì hoàn toàn ngựoc lại nó sẽ hình thành một vỏ bọc cách điện xung quanh điện cực nối đất Hiện tượng này tăng cường thêm khi có dòng điện ngắn mạch sẽ làm tăng vĩnh viễn điện trở suất của đất

và do đó điện trở tản của hệ thống nối đất

9 Khi xảy ra phóng điện trong đất, điện trở suất của đất nói chung giảm Trong các tính toán cụ thể người ta sử dụng suy giảm theo biểu thức sau :

Đối với các loại đất cát, đất sét và đất mùn, k thay đổi từ 0,01 đến 0,05

b) Tính hệ số xung kích

Xét trường hợp dòng điện xiên góc :

9 Giống như một vỏ bọc bị ion hoá hình thành xung quanh điện cực khi xảy ra phóng điện được xem như một vật dẫn điện tốt, do đó hiện tượng phóng điện xảy ra giống như ta làm tăng bán kính tưởng tượng Do vậy hiện tượng phóng điện trong đất sẽ làm giảm điện trở nối đất

9 Trị số điện trở xung kích thường được tính vào thời điểm τ vì khi này điện áp trên điện cực đạt trị số tối đa

9 Xét ví dụ điện cực hình bán cầu bán kính R khi có dòng điện xung kích i(t) đi qua

9 Đối với dòng điện tăng dần, quá trình phóng điện bắt

đầu trước hết ở bề mặt điện cực và khi điện trường bề

mặt đạt giá trị tới hạn E0, nó sẽ phát triển xung quanh

điện cực làm kích thước điện cực tăng đến RΦkhi mà

E(RΦ,t)≤E0

( o)

R

I t i

Φ

1 2

) (

π

0

0

2

1

E

kE I R

π

ρ ư

=

9 Điện trường trong đất có giá trị :

( r)

r

I

2 2 ρ

9 Khi xảy ra quá trình ion hoá trong đất, điện thế trên điện

cực nối đất bằng :

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

ư

=

+

=

=

Φ

∞

∞

∫

∫

Φ Φ

K I R arctg K

I I

K I r

dr I

dr E U

R R

r

ρπ

π π ρ

ρ π ρ

2 2

2

2 2

(5 19)

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

ư

ư

2I K arctg KE0

R xk

π

Điện trở nối đất xung kích không phụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực, chỉ xác định bởi biên

độ dòng điện sét và điện trở suất của đất, và đặc tính

phóng điện của đất

9 Nối đất tập trung có điện trở nối đất xung kích càng bé nếu dòng điện sét qua bộ phận nối đất và điện trở suất của đất càng lớn

9 Hệ số xung kích αxk là tỷ số điện trở nối đất xung kích và điện trở nối đất ổn đinh đo ở tần số công nghiệp :

Phần I Chương 4 : Truyền sóng quá điện áp trên các đường dây tải điện 2

Kỹ thuật điện áp cao

ρ

α

I R

=

5.2.2.2 Điện trở nối đất kéo dài

Sơ đồ tương đương của loại nối đất này nối đất phân bố tham số rải (nối đất kéo dài).:

L p

a) Điện trở nối đất chống sét khi không xét phóng điện trong đất

9 Điện cảm của thanh nối được tính từ kích thước hình học với

giả thiết là dòng điện đi từ đầu điện cực đến cuối không đổi

Điểm cảm trên đơn vị dài có thể viết như sau :

) 31 , 0 (ln 2 , 0 ) 31 , 0 (ln 2 ,

=

r

l r

l

9 Điện trở rò lấy bằng điện trở tản R đo ở tấn số công nghiêp

Trị số điện dẫn dài của điện cực :

l R

G

f

1

9 hệ phương trình truyền sóng cho đường dây dài :

⎪

⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧

= δ

δ

ư

δ

δ

= δ

δ

ư

U G x i

t

i L x U

o

o

9 với dạng sóng xiên góc, ta tìm được điện áp u(x,t) trên hệ

thống nối đất :

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

ư +

=

ư

l

x k e

T t

t

a

t

x

u

k

T t k

k cos π

1 2

)

,

(

1

1

25)

2 1

2

2

k k

l G L T l G L

π π

9 từ đây suy ra tổng trở xung kích lớn nhất của hệ thống nối đất (x=0 và t=τ) :

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

ư +

=

=

ư

=

=

=

=

1

1 1 0

, 0

,

) (

) , ( ) , 0

k

T t k

t x

t x

l G t

t x u Z

τ

τ

Ta thấy rằng tổng trở nối đất xung kích gồm hai thành

phần : một thành phần ổn định bằng điện trở tản đo ở điện

áp thấp và một thành phần biến thiên theo thời gian

Hệ số xung kích của nối đất kéo dài :

∑∞

=

ư

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

ư +

=

=

1

1

2 1 , 0 (

2

k

T t k

xk

R

Hệ số xung kích lớn hơn 1, có trị số càng lớn nếu nối đất càng dài và thời gian đầu sóng của dòng điện càng bé

b) Điện trở nối đất chống sét khi xét đến phóng điện trong đất

9 Sự suy giảm điện áp và cường độ dòng điện dọc theo điện cực nối đất làm cho khả năng phóng điện ở phía cuối

đường dây sẽ càng khó khăn Điện dẫn dài G0 của nối đất không chỉ phụ thuộc vào I và ρ, mà còn là hàm số của toạ độ

9 Tính toán tổng trở nối đất xung kích có tính đến phóng điện trong đất vì thế càng phức tạp hơn, và chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng

9 Sự biến thiên điện trở tản ổn định ứng với dòng điện xoay chiều và tổng trở xung kích của nối đất khi không xét

đến quá trình phóng điện và tổng trở nối đất khi có xét đến quá trình phóng điện trong đất theo chiều dài điện cực nối đất với hai giá trị điện trở suất của đất khác nhau