Thiết kế tối ưu lưới nối đất trong trạm biến áp cao áp trên cơ sở tiêu chuẩn ieee stđ 80 ieee stđ 80

Do vậy việc nghiên cứu và áp dụng phương pháp nối đất trong hệ thống điện theo tiêu chuẩn IEEE Std.80 đang được áp dụng ở các nước tiên tiến trên thế giới vào hệ thống điện Việt Nam nhằm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯƠNG VĂN TẢNG

THIẾT KẾ TỐI ƯU LƯỚI NỐI ĐẤT TRONG TRẠM BIẾN ÁP

CAO ÁP TRÊN CƠ SỞ TIỂU CHUẨN IEEE Std-80

IEEE Stđ – 80 – Based Optimal Design of high Voltage Substations

Chuyên ngành: Quản lý năng lượng

Mã số : 60340406

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 05 Năm 2020

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Vũ Phan Tú

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Nhật Nam

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Huỳnh Văn Vạn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Phân hiệu Đại học Quốc gia – TP.HCM tại tỉnh Bến Tre vào ngày 09 tháng 5 năm 2020

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS Lê Kỷ : Chủ tịch hội đồng

2 TS Nguyễn Nhật Nam : Phản biện 1

3 TS Huỳnh Văn Vạn : Phản biện 2

4 TS Dương Thành Long: Ủy viên

5 TS Nguyễn Phúc Khải : Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS Lê Kỷ

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trương Văn Tảng MSHV:1770610

Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1969 Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành: Quản Lý Năng Lượng Mã số : 60340406

I TÊN ĐỀ TÀI:

Thiết kế tối ưu lưới nối đất trong trạm biến áp cao áp trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE Stđ.80

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu phương pháp xác định điện trở suất của đất

Tìm hiểu và nghiên cứu tiêu chuẩn IEEE Std.80

Áp dụng tiêu chuẩn IEEE Std.80 và phần mềm Matlab để tính toán thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao áp

Nắm vững ứng dụng phần mềm Matlab mô phỏng trạm biến áp cao áp, thiết

kế lưới nối đất trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE Std.80

So sánh kết quả thu được từ việc ứng dụng phần mềm Matlab để tính toán mô phỏng trạm biến áp cao áp so với kết quả trong vận hành thực tế

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/8/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

tận tình giúp đở, hướng dẫn, tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Điện – Điện tử và Bộ môn Hệ Thống Điện của Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Phân hiệu Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh tại tỉnh Bến Tre và các anh chị em học viên K.2017 chuyên ngành Quản lý năng lượng đã tạo mọi điều điện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành tốt luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể cán bộ Đội Cao thế của Công ty Điện lực Bến Tre đã giúp đỡ tôi về nguồn tài liệu phục vụ cho quá trình thực hiện luận văn

Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù đã rất cố gắng tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế nên khó tránh khỏi những sai sót, rất mong được sự đóng góp quý báu của quý thầy, cô

Cuối cùng, xin kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và thành công trong

sự nghiệp cao quý Xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã luôn quan tâm, động viên, giúp

đỡ và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 04 năm 2020

Học viên Trương Văn Tảng

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho thực hiện luận văn đã được cảm ơn

và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc

Bến Tre, ngày tháng năm 2020

Người thực hiện

thức cơ bản về phương pháp đo điện trở suất của đất, giới thiệu tổng quan về tiêu chuẩn IEEE Std.80, áp dụng tiêu chuẩn IEEE Std.80 để tính toán thiết kế lưới nối đất trạm biến áp cao áp và ứng dụng phần mềm Matlab để tính toán thiết kế lưới nối đất trạm biến áp cao áp theo tiêu chuẩn IEEE Std.80 Nội dung chính của đề tài chủ yếu nghiên cứu ứng dụng phần mềm Matlab để tính toán thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao áp, chỉ cẩn nhập các thông số của trạm biến áp vào thì chương trình

sẽ tính toán thiết kế cho chúng lưới nối đất tối ưu, với điện áp tiếp xúc và điện áp bước là nhỏ nhất Góp phần vào việc quản lý và vận hành, nâng cao độ ổn định của

hệ thống điện, qua đó làm tăng độ tin cậy, chất lượng điện năng cho hệ thống điện

ABSTRACT

This topic has introduced an overview of grounding in electrical systems, Basic knowledge about methods of measuring soil resistivity, Overview of the IEEE Std.80 standard, apply IEEE Std.80 standard to calculate the design of the high-voltage substation grid ground and apply Matlab software to calculate the design of the high-voltage substation grid according to IEEE Std.80 standard The main content

of the project mainly researches and applies Matlab software to calculate the design

of the grounding system for high-voltage transformer stations, just enter the parameters of the transformer station, the program will calculate the design give them the optimal grounding grid, with the contact and step voltages being the minimum Contribute to the management and operation, improve the stability of the electricity system, thereby increasing the reliability and quality of electricity for the electricity system

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 4

1.1 Khái niệm chung 4

1.2 Điện trở tản nối đất ở tần số công nghiệp R~ 8

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA ĐẤT 11

2.1 Giới thiệu phương pháp đo 11

2.1.1 Phương pháp đo 12

2.1.2 Phương pháp Wenner và driven rod 15

2.1.2.1 Phương pháp Wenner 15

2.1.2.2 Phương pháp driven rod 17

2.2 Phương pháp Wenner và Driven rod cho đất đồng nhất (đất 1 lớp) 19

2.3 Phương pháp Wenner và Driven rod cho đất không đồng nhất 2 lớp 19

2.3.1 Phương pháp Wenner 19

2.3.2 Phương pháp driven rod 20

2.3.3 Kết quả tính toán của 2 phương pháp 21

2.4 Phương pháp Wenner cho đất không đồng nhất 3 lớp 26

2.4.1 Điện trở suất biểu kiến 26

2.4.2 Tìm các thông số của mô hình đất 27

Chương 3: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TIÊU CHUẨN IEEE Std.80 31

3.1 Tiêu chuẩn IEEE Std.80 31

3.1.1 Tổng quan 31

3.1.1.1 Tóm tắt 31

3.1.1.2 Mục đích 31

3.1.2 Vấn đề an toàn trong hệ thống nối đất 31

3.1.2.1 Những vấn đề cơ bản 31

3.1.2.2 Những điều kiện nguy hiểm 32

3.1.3 Tác hại của dòng điện đối với cơ thể người 32

3.1.3.1 Ảnh hưởng của tần số 32

3.1.3.2 Ảnh hưởng của biên độ và thời gian 32

3.1.4 Mạch điện tương đương khi người bị tại nạn điện 34

3.1.4.1 Điện trở của cơ thể người 34

3.1.4.2 Đường đi của dòng điện qua cơ thể người 34

3.1.4.3 Mạch điện tương đương khi người bị điện giật 35

3.1.4.4 Ảnh hưởng của bề dày lớp đất bề mặt 37

3.1.5 Giá trị lớn nhất cho phép của điện áp bước và điện áp tiếp xúc 38

3.1.6 Xem xét những nguyên tắc thiết kế 42

3.1.6.1 Khái niệm chung 42

3.1.6.2 Cọc nối đất chính và phụ 43

3.1.6.3 Hình dạng cơ bản của lưới nối đất 43

3.1.6.4 Sự kết nối vào lưới 43

3.1.7 Lựa chọn dây lưới nối đất và kết nối 44

3.1.7.1 Những yêu cầu cơ bản 44

3.1.7.2 Lựa chọn tiết diện dây nối đất 44

3.1.7.3 Lựa chọn kết nối 47

3.1.8 Xác định dòng lớn nhất chạy vào lưới 47

3.1.9 Thiết kế hệ thống nối đất 48

3.1.9.1 Trình tự thiết kế 49

3.1.9.2 Lưu đồ giải thuật cho tiêu chuẩn IEEE Std.80-2000 51

3.1.9.3 Xác định điện áp lưới và điện áp bước của hệ thống nối đất 54

3.2 Những cải tiến của tiêu chuẩn IEEE Std.80-2000 so với các lần xuất bản trước đó 57

3.2.1 Tiêu chuẩn về giá trị lớn nhất cho phép của điện áp bước và điện áp tiếp xúc 57

3.2.1.1 IEEE Std 80 xuất bản năm 1961 và 1976 57

3.2.1.2 IEEE Std 80 xuất bản năm 1986 57

3.2.1.3 IEEE Std 80 xuất bản năm 1996 và 2000 59

3.2.2 Phương pháp tính điện áp bước và lưới 61

3.2.2.3 IEEE Std 80 xuất bản năm 1996 và 2000 63

Chương 4 ÁP DỤNG TIÊU CHUẨN IEEE Stđ.80-2000 VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP 65

4.1 Thiết kế nối đất cho trạm biến áp 40MVA-110/22kV Giồng Trôm 65

4.2 Thiết kế nối đất cho trạm biến áp 40MVA-110/22kV Thạnh Phú 71

4.3 Tạo phần mềm tính toán thiết kế nối đát cho trạm biến áp cao áp 77

4.3.1 Phương pháp nén lưới 77

4.3.2 Ứng dụng phần mềm Matlab tính toán lưới nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std.80-2000 78

4.3.3 Tính toán tối ưu lưới nối đất trạm 40MVA-110/22kV Thạnh Phú 78

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

Bảng 3 2 Các thông số của một số kim loại 46

Bảng 3 3 Giá trị của Df theo tf và X/R 48

Bảng 3 4 Ý nghĩa của các thông số được dùng để thiết kế 52

Bảng 4 1 So sanh kết quả tính toán của đề tài và kết quả tính toán thực tế 71

Bảng 4 2 So sanh kết quả tính toán của đề tài và kết quả tính toán thực tế 77

Bảng 4 3 So sánh kết quả tính toán khi có nén lưới và không nén lưới 81

Hình 1 2 Sơ đồ thay thế khi tản dòng sét qua cực nối đất (đã bỏ qua ro và Co) 6

Hình 2 1 Điện trường trong đất và nguyên lý của phương pháp Điện-Địa chất 13 Hình 2 2 Sơ đồ đo theo phương pháp Điện-Địa chất 14 Hình 2 3 Phân bố trường trong đất 2 lớp 15 Hình 2 4 Sơ đồ nối dây giữa thiết bị và các cọc đo theo phương pháp Wenner 16 Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý và cách bố trí cọc của phương pháp Wenner 16 Hình 2 6 Sơ đồ nối dây giữa thiết bị và các cọc đo theo phương pháp driven rod 17 Hình 2 7 Sơ đồ nguyên lý và cách bố trí cọc của phương pháp driven rod 18 Hình 2 8 Thể hiện đường cong tính toán của ρW và ρD khi ρ1 = 100 Ωm, h = 1.1m

và k = -0.1 đến -0.9 21 Hình 2 9 Thể hiện đường cong tính toán của ρW và ρD khi ρ1 = 100 Ωm, h =

10.1m và k = -0.9 22 Hình 2 10 Thể hiện đường cong tính toán của ρW và ρD khi ρ1 = 100 Ωm, h = 4.1.1m và k = 0.1 đến 0.9 23 Hình 2 11 Thể hiện đường cong tính toán của ρW và ρD khi ρ1 = 100 Ωm, h = 10.1m và k = 0.9 23 Hình 2 12 Thể hiện đường cong tính toán của ρD /ρW khi h = 2.1 m và k = -0.1 đến -0.9 24 Hình 2 13 Thể hiện đường cong tính toán của ρD /ρW khi h = 2.1 m và k = 0.1 đến 0.9 25 Hình 2 14 Thể hiện đường cong tính toán của ρD /ρW khi k = -0.5 và h = 2.1 m đến 10.1 m 25 Hình 2 15 Thể hiện đường cong tính toán của ρD /ρW khi k = 0.5 và h = 2.1 m đến 10.1 m 26 Hình 2 16 Sơ đồ bố trí cọc của phương pháp Wenner cho mô hình đất 3 lớp 26

Hình 3 1 Điện áp tiếp xúc 35

Hình 3 4 Sơ đồ mạch điện áp bước 36

Hình 3 5 Quan hệ giữa bề dày lớp đất bề mặt hs và hệ số Cs với s = 1500 m 38

Hình 3 6 Quan hệ giữa giá trị lớn nhất cho phép của điện áp bước, điện áp tiếp xúc và bề dày lớp đất bề mặt hs 39

Hình 3 7 Quan hệ giữa giá trị lớn nhất cho phép của điện áp bước, điện áp tiếp xúc và điện trở suất của lớp đất bề mặt rs 40

Hình 3 8 Quan hệ giữa giá trị lớn nhất cho phép của điện áp bước, điện áp tiếp xúc và điện trở suất của lớp đất bên dưới r1 40

Hình 3 9 Quan hệ giữa giá trị lớn nhất cho phép của điện áp bước, điện áp tiếp xúc và hệ số Cs 41

Hình 3 10 Quan hệ giữa giá trị lớn nhất cho phép của điện áp bước, điện áp tiếp xúc và thời gian tồn tại sự cố ts 41

Hình 3 11 Quan hệ giữa điện áp tiếp xúc, điện áp bước và bề dày H1 của lớp đất

thứ nhất khi (k>0) r1=300 Wm và r2=400 Wm 55

Hình 3 12 Quan hệ giữa điện áp tiếp xúc, điện áp bước và bề dày H1 của lớp đất thứ nhất khi (k<0) r1=400 Wm và r2=3400 Wm 56

Hình 3 13 Quan hệ giữa điện áp tiếp xúc, điện áp bước và khoảng cách giữa hai dây nối đất D(m) 56

Hình 3 14 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của Cs theo k và hs 58

Hình 3 15 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của Cs theo k và hs 59

Hình 3 16 Đồ thị so sánh Cs đối với công thức tổng quát và công thức đơn giản khi hs nhỏ 60

Hình 3 17 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của Cs theo k và hs 61

Hình 3 18 Đồ thị so sánh Cs trong các năm xuất bản 1986, 1996, 2000 61

Hình 4 1 Lưới nối đất hình chử nhật có cọc nối đất 68

Hình 4 2 Lưới nối đất hình chử nhật có cọc nối đất 74

Hình 4 3 Nhập thông số của trạm cao áp 79

Hình 4 6 Lưới nối đất sau nén 80

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nối đất cho hệ thống điện là phần cực kỳ quan trọng không thể thiếu trong mạng truyền tải và phân phối điện Đặc biệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa như ở nước ta là một trong ba tâm giông sét của thế giới và trãi dài từ Bắc vào Nam có những nơi có độ ẩm cao, mật độ giông sét nhiều Thiệt hại do sét gây ra cho ngành điện và nền kinh tế quốc dân là rất lớn Để đảm bảo an ninh năng lượng điện đáp ứng nhu cầu của công cuộc hiện đại hóa, công nghiệp hóa đất nước và để

an toàn cho người vận hành cũng như an toàn cho thiết bị thì việc thực hiện nối đất cho hệ thống điện là điều tất yếu và rất cần được nghiên cứu phát triển Điện trở nối đất đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật an toàn điện Mục đích của nối đất là để tản dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các thết bị được nối đất

Hệ thống nối đất là một phần rất quan trọng trong hệ thống điện, do đó việc tính toán thiết kế chính xác hệ thống nối đất là yêu cầu cần thiết và cấp bách Khi thiết kế hệ thống nối đất chúng ta phải chắc chắn rằng tất cả những thiết bị được nối đất thì phải đảm bảo an toàn khi tiếp xúc

An toàn trong công tác vận hành trạm biến áp là yêu cầu quan trọng công tác quản lý và vận hành hệ thống điện Tai nạn điện giật thường xảy ra do người vận hành không tuân thủ theo các quy tắt an toàn trong vận hành hoặc tiếp xúc với các bộ phận của thiết bị điện mà các thiết bị bị chọc thủng Nhằm hạn chế mức độ nguy hiểm này yêu cầu hệ thống nối đất phải đảm bảo tản nhanh dòng điện ngắn mạch, dòng điện sét tạo nên một điện áp an toàn cho người và thiết bị

Do vậy việc nghiên cứu và áp dụng phương pháp nối đất trong hệ thống điện theo tiêu chuẩn IEEE Std.80 đang được áp dụng ở các nước tiên tiến trên thế giới vào

hệ thống điện Việt Nam nhằm đáp ứng yêu cầu bài toán về kinh tế, kỹ thuật trở nên cấp thiết trong sự phát triển chung của nền kinh tế nước nhà

Bên cạnh đó việc ứng dụng một phần mềm chuyên dùng có độ tin cậy cao vào học tập, nghiên cứu cũng như ứng dụng vào công việc thực tiễn là rất cần thiết, nhằm

thuận tiện hơn trong việc tính toán thiết kế mà vẫn đảm bảo độ chính xác và nhanh chóng

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Áp dụng tiêu chuẩn IEEE Std.80 và ứng dụng phần mềm Matlab để tính toán thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao áp

Nắm vững ứng dụng phần mềm Matlab mô phỏng trạm biến áp cao áp, thiết

kế lưới nối đất trên cô sở tiêu chuẩn IEEE Std.80

So sánh kết quả thu được từ việc ứng dụng phần mềm Matlab để tính toán mô phỏng trạm biến áp cao thế so với kết quả trong vận hành thực tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đề tài tìm hiểu tiêu chuẩn IEEE Std.80 và ứng dụng phần mềm Matlab để mô phỏng tính toán thiết kế hệ thống nối đất trạm biến áp cao áp

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm

Thu thập tài liệu, số liệu, thông tin về nối đất trong hệ thống điện qua các nguồn tư liệu sẵn có trên các phương tiện thông tin và qua khảo sát thực tế

Từ các số liệu thống kê, thông tin thu thập được, tiến hành phân tích đánh giá

và rút ra nhận xét

5 Kết cấu của luận văn

Luận văn “Thiết kế tối ưu lưới nối đất trong trạm biến áp cao áp trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE Stđ.80” ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo gồm 4 phần chính:

Phần thứ nhất: Giới thiệu tổng quan về nối đất trong hệ thống điện Trong phần này nêu các khái niệm chung về nối đất trong hệ thống điện như: nối đất làm việc, nối đất an toàn, nối đất chống sét Giới thiệu về điện trở tản nối đất ở tần số công nghiệp Phần này được trình bày trong chương 1

Phần thứ hai: Nghiên cứu phương pháp xác định điện trở suất của đất Trong phần này nghiên cứu phương pháp Wenner và Driven rod để xác định chính xác điện trở suất của từng lớp đất và bề dày từng lớp đất trong mô hình đất 2 lớp Phần này được trình bày trong chương 2

Phần thứ ba: nghiên cứu tổng quan về tiêu chuẩn IEEE Std.80-2000 về thiết

kế hệ thống nối đất trạm biến áp Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở, các giới hạn về điện áp bước và điện áp tiếp xúc của lưới nối đất Đưa ra lưu đồ giải thuật trình tự các bước để tính toán thiết kế hệ thống nối đất So sánh những thay đổi chính trong lần xuất bản này so với các lần xuất bản trước đó Phần này được trình bày trong chương 3

Phần thứ tư: áp dụng tiêu chuẩn IEEE Std.80-2000 thiết kế nối đất cho trạm biến áp 110/22kV Giồng Trôm, thiết kế nối đất cho trạm biến áp 110/22kV Thạnh Phú So sánh kết quả tính toán với kết quả thực tế Ứng dụng phần mềm Matlab tính toán thiết kế nối đất trạm biến áp cao áp

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Khái niệm chung

Tác dụng nối đất là để tản vào đất dòng điện sự cố (rò cách điện ngắn mạch, chạm đất hoặc dòng điện sét) và giữ cho điện thế trên các phần tử được nối đất thấp Theo chức năng của nó, nối đất trong hệ thống điện chia làm ba loại [7]

Nối đất làm việc có nhiệm vụ bảo đảm sự làm việc của trang thiết bị điện trong

các điềi kiện làm việc bình thường và sự cố theo các chế độ qui định Đó là nối đất điểm trung tính các cuộn dây máy phát, máy biến áp công suất và máy bù, nối đất máy biến áp đo lường, nối đất trong hệ thống pha đất (đất được dùng như một dây dẫn)

Nối đất an toàn hay nối đất bảo vệ có nhiệm vụ bảo vệ an toàn cho người phục

vụ khi cách điện của trang thiết bị điện bị hư hỏng gây rò điện Đó là nối đất vỏ máy phát, máy biến áp, vỏ thiết bị điện, vỏ cáp, nối đất các kết cấu kim loại, bình thường

có điện thế bằng không, nhưng khi cách điện bị hư hỏng do phóng điện xuyên thủng hay phóng điện mặt sẽ có điện thế khác không

Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét vào đất, giữ cho điện thế của các

phần tử được nối đất không quá cao để hạn chế phóng điện ngược từ các phần tử đó đến các bộ phận mang điện và trang thiết bị điện khác Đó là nối đất cột thu sét, dây chống sét, các thiết bị chống sét, nối đất các kết cấu kim loại có thể bị sét đánh

Trong rất nhiều trường hợp, cùng một hệ thống nối đất đồng thời thực hiện hai hoặc ba nhiệm vụ nói trên

Các nối đất thông thường được thực hiện bằng một hệ thống những cọc thép (hoặc đồng) đóng vào đất hoặc những thanh ngang bằng cùng loại vật liệu chôn trong đất, hoặc cọc và thanh nối liền nhau và nối liền với vật cần nối đất Cọc thường làm bằng thép ống hoặc thép thanh tròn không rỉ (hoặc mạ kẽm), đường kính từ 3 đến 6cm, dài từ 2 đến 3m hoặc bằng théo góc 40*40mm.mm, 50*50mm.mm đường thẳng đứng vào đất, còn thanh ngang bằng thép thanh dẹt tiết diện (3÷5)*(20÷40)mm2 hoặc thép thanh tròn đường kính 10 đến 20mm Cọc và thanh được gọi chung là cực nối đất, thường được chôn sâu cách mặt đất 50 đến 80cm để giảm bớt ảnh hưởng của thời

tiết không thuận lợi (quá khô về mùa nắng, bị băng giá về mùa đông) và tránh khả năng bị hư hỏng về cơ giới (do đào bới cày cuốc)

Dòng điện I d chạy qua các cực tản vào đất, tạo nên trong đất quanh nó một

điện trường (điện trường trong môi trường dẫn điện) Mỗi điểm trong điện trường đó

có một điện thế nhất định Trên mặt đất những điểm ở cách xa cực khoảng 20m trở

lên có thể coi như có điện thế bằng không (cường độ trường ở các khoảng cách đó thường không quá 1V/m) Điện thế của cực nối đất đối với các điểm có điện thế

“không”, về trị số bằng điện áp giáng trên cực được gọi là điện áp trên cực U d

Điện trở của cực nối đất được định nghĩa như là tỉ số giữa điện áp trên cực

Điện trở R d gồm điện trở của bản thân điện cực và điện trở tản trong đất Điện trở của bản thân điện cực phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của cực Khi tản dòng một chiều hoặc xoay chiều 50Hz thì trị số của điện trở tản bản thân điện cực rất bé có thể

bỏ qua Khi tản dòng điện xung có độ dốc lớn (dòng sét) nó có thể có trị số đáng kể

Điện trở tản trong đất có trị số lớn hơn nhiều và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, hình dáng, số lượng, cách bố trí các điện cực phụ thuộc vào dạng và trị số dòng điện, phụ thuộc tính chất, cấu tạo, trạng thái của đất và thời tiết

Khi tản dòng sét, quá trình truyền sóng trên cực nối đất tương tự như trên đường dây tải điện Tuy nhiên trong sơ đồ thay thế thông số rải, điện trở tác dụng của

bản thân điện cực r o rất bé so với cảm kháng trên L o của điện cực và dòng điện qua

điện dung C o của nó rất bé so với dòng qua điện dẫn tản g o ra môi trường đất quanh

điện cực nên có thể bỏ qua r o và C o Nhờ đó phương trình mô tả quá trình truyền sóng trên cực đất đơn giản hơn và có thể giải bằng các phương pháp giải tích đơn giản thông dụng:

- = L o ; - = g o u

Hình 1 2 Sơ đồ thay thế khi tản dòng sét qua cực nối đất (đã bỏ qua r o và C o )

Khi dòng sét với độ dốc đấu sóng lớn chạy qua điện cực thì, ban đầu do từ thông không biến thiên đột ngột, nên điện cảm của cực có tác dụng cản trở dòng điện

đi sâu vào chiều dài của nó, do đó trị số điện trở nối đất ở thời điểm ban đầu lớn, điện

áp giáng ở đầu vào lớn và giảm dần theo chiều dài điện cực, tức thế phân bố không đều trên điện cực [1]

is

L0 L0 L0 L0

g0 g0 g0 g0 g0

Ảnh hưởng của điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian, điện áp phân bố theo chiều dài điện cực trở nên đều đặn hơn và khi quá trình quá độ kết thúc điện trở tản

ổn định bằng:

R ∞ = 1/( g o l ) = R~

Với: g o - điện dẫn tản của đất trên một đơn vị chiều dài của điện cực

l - chiều dài điện cực

R ∞ - cũng chính là trị số của điện trở tản R~ khi tản dòng một chiều hoặc xoay chiều tần số 50Hz vì trong trường hợp này ảnh hưởng của điện cảm L o không đáng

kể, do tốc độ biến thiên dòng điện bé

Như vậy ảnh hưởng của điện cảm L o của điện cực thay đổi theo thời gian của quá trình truyền sóng qua điện cực, nghĩa là phụ thuộc vào hằng số thời gian của quá

trình quá độ T ≡ L o g o l 2

Khi tản dòng sét trị số điện trở tản của điện cực nối đất lớn nhất, gần đúng vào

lúc dòng sét đạt trị số cực đại, tức là lúc t = T đs thì lúc dòng điện sét đạt trị số cực

đại, quá trình quá độ đã kết thúc, ảnh hưởng của điện cảm L o không còn nữa, điện trở

tản có trị số bằng R ∞ và có thể coi điện thế tại mọi điểm trên điện cực bằng nhau Trường hợp này ứng với hình thức nối đất bằng cọc hoặc thanh ngang, có chiều dài

không lớn và được gọi là hình thức nối đất tập trung Nếu cực nối đất dài, T có thể

lớn hơn hoặc bằng T đs (T ≥ T đs) thì khi dòng sét qua trị số cực đại (t = T đs) quá trình

quá độ chưa kết thúc, ảnh hưởng của điện cảm vẫn còn tồn tại, do đó R x ≥ R ∞ Đây là

trường hợp nối đất kéo dài (hay nối đất phân bố) Điện thế phân bố không đều trên

điện cực, ở đầu vào cao và giảm dần theo chiều dài điện cực

Khi tản dòng sét, ngoài ảnh hưởng của điện cảm L của cực nối đất còn một yếu tố quan trong nữa ảnh hưởng đến trị số của điện trở tản nối đất, đó là phóng điện tia lửa trong đất Khi dòng sét có biên độ lớn, cường độ xung trong đất quanh điện

cực có trị số bằng E đx = δs.ρx với δs – mật độ dòng sét, ρx điện trở suất xung của đất,

có thể có trị số cao vượt quá trị số trường tới hạn của đất E pđđất thì sẽ gây nên phóng

điện tia lửa trong đất (E pđđất gần bằng 10÷12 kV/cm), vùng đất quanh điện cực trở

nên đẫn điện tốt, khiến điện trở tản xung giảm và trong trường hợp khi chiều dài điện cực ngắn thì điện trở tản xung có thể bé hơn cả điện trở tản xoay chiều tần số 50Hz

Tóm lại, đối với nối đất chóng sét, cần phân biệt điện trở hay tổng trở tản xung

(Z x hay R x ) với điện trở tản ổn định R ∞ Quan hệ giữa hai trị số này biểu thị bởi hệ số

xung α x = R x /R ∞

Nếu ảnh hưởng của điện cảm của cực nối đất nhỏ (chiều dài bé) thì α x < 1

tương ứng với hình thức nối đất tập trung, ngược lại nếu ảnh hưởng của điện cảm lớn (chiều dài lớn) thì α x ≥ 1, tương ứng với hình thức nối đất kéo dài (nối đất phân bố)

1.2 Điện trở tản nối đất ở tần số công nghiệp R ~

Đối với hệ thống có trung tính trực tiếp nối đất (tức hệ thống có dóng ngắn

mạch chạm đất một pha lớn I đ >500A và thời gian duy trì khoảng t ≤ 0,15s (xác định bởi thời gian tác động của bảo vệ rơle chính) thì điện trở nối đất an toàn của trang thiết bị điện trong mọi trường hợp và mọi điều kiện thời tiết không được vượt quá

0,5Ω (R≤0,5Ω) [14]

Đối với hệ thống có trung tính cách điện (I đ ≤ 500A) nếu nối đất riêng cho các

thiết bị điện cao áp (U ≥ 1000V) thì điện trở nối đất an toàn cho phép: R ≤ 250/I đ, Ω,

nếu nối đất chung cho cả thiết bị điện cao áp (U ≥ 1000V) và điện áp thấp (U <1000V) thì điện trở nối đất an toàn cho phép tính theo: R ≤ 125/I đ, Ω

Nhưng trong cả hai trường hợp, điện trở tản nối đất an toàn cho phép không vượt quá 4÷10Ω đối với nối đất của trạm và nhà máy điện và không quá 5÷30Ω đối

với nối đất đường dây Trong các công thức trên I đ là dòng chạm đất một pha tính tại nơi định đặt nối đất Nếu hệ thống có trung tính cách điện thì:

I đ = 3ωCU p

Với: C - điện dung của pha đối với đất

U p - điện áp pha Nếu hệ thống có trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang thì

Điện trở tản của lớp đất nằm giữa hai mặt đẳng thế có bán kính r và r + dr

bằng:

với ρ là điện trở suất của đất

Như vậy điện trở tản của điện cực hình bán cầu bán kính r o bằng:

Phân bố thế trên mặt đất xung quanh điện cực nối đất hình bán cầu được xác định theo:

Với I đ là dòng điện chạm đất qua điện cực

Người tiếp xúc với vỏ máy lúc xảy ra sự cố chịu tác dụng của một hiệu điện thế giữa hai bàn chân gọi là điện áp tiếp xúc:

U tx = φro - φc

Người (hay thú) đi trong khu vực gần thiết bị trong thời gian sự cố chịu một hiệu điện thế giữa hai bàn chân gọi là điện áp bước:

U b = φc1 - φc2 Điện thế vỏ máy bằng điện áp giáng trên điện cực tiếp đất:

U m = I đ R

Để đảm bảo an toàn cho người vận hành, hệ thống nối đất phải được thiết kế sao cho điện áp tiếp xúc và điện áp bước trong mọi điều kiện không vượt quá trị số nguy hiểm cho người Để thỏa mãn yêu cầu này, phải có biện pháp giảm nhỏ điện trở tiếp đất R, phải có biện pháp cân bằng thế trong khu vực gần thiết bị được nối đất và tăng điện trở đối với dòng điện qua người vào đất bằng cách dùng đệm cách điện, ủng, găng tay cách điện Trên mặt đất khu vực trạm thường được rải một lớp sỏi hoặc

đá dăm dảy khoảng 8 ÷ 15cm có tác dụng tăng cường điện trở đối với dòng điện chạy

vào từ bàn chân qua cơ thể người, do đó, giảm khả năng bị giật Tùy thuộc chủng loại, kích thước, tình trạng bề mặt sạch hay bẩn, độ ẩn của môi trường và thời tiết,

2

drdR

2 r

rp

I

I dR

2 r

rj

p

¥

điện trở suất của lớp sỏi, đá này thay đổi trong một phạm vi rộng, có thể từ một vài ngàn Ωm đến hàng triệu Ωm [8]

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA ĐẤT

Trong hệ thống điện, nối đất là một phần quan trọng không thể thiếu giúp đảm bảo cho hệ thống điện vận hành lúc bình thường và sự cố Đồng thời đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị điện Nối đất thông thường được thực hiện bằng một

hệ thống những cọc bằng thép hoặc đồng (có thể tròn hoặc dẹt) đóng vào đất, hoặc những thanh ngang chôn vào đất, hoặc cọc và thanh nối liền với nhau và chôn vào đất tùy vào yêu cầu cụ thể Khi có dòng điện rò hay dòng ngắn mạch chạy vào nối đất, sẽ xuất hiện trên nối đất một giá trị điện áp, giá trị điện áp này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào dòng điện chạy vào nối đất và điện trở tản dòng xoay chiều của nối đất Khi dòng điện sét (thường có giá trị rất lớn) chạy vào nối đất làm xuất hiện trên nối đất một điện áp xung rất lớn dễ gây phóng điện cách điện của các thiết bị nối vào nối đất Giá trị điện áp xung này cũng phụ thuộc vào biên độ dòng sét và điện trở tản dòng sét của nối đất Đối với tản dòng sét, do thời gian khảo sát rất ngắn nên có xét đến thời gian truyền sóng trên nối đất nếu như nối đất có kích thước lớn, ví dụ như lưới cân bằng thế của trạm hay nhà máy điện Cùng một nối đất nhưng điện trở tản dòng xoay chiều khác với điện trở dòng sét Điện trở suất của đất là thông số quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị điện trở tản của nối đất

2.1 Giới thiệu phương pháp đo

Đất là môi trường dẫn điện, do thành phần đất phức tạp nên điện trở suất của đất thay đổi trong phạm vi rất rộng theo phương ngang và phương thẳng đứng Thực nghiệm cho thấy điện trở suất của đất phụ thuộc vào các yếu tố sau [15]:

• Thành phần đất

• Độ ẩm của đất

• Nhiệt độ của đất

• Độ chặt của đất

• Nồng độ muối, axit chứa trong đất

Vì có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất của đất cho nên cùng một loại đất có thể có các điện trở suất rất khác nhau

Xác định điện trở suất đất là một việc làm cần thiết và quan trọng để góp phần phân tích chính xác hệ thống nối đất

2.1.1 Phương pháp đo

v Điện trở suất của đất được xác định theo phương pháp đo đạc Điện–Địa chất (Geoelectric) Cơ sở của phương pháp nầy là thành lập trong đất một điện trường dừng và đo hiệu điện thế giữa hai điểm trên mặt đất, từ đó xác định điện trở suất của các lớp đất trên vùng khảo sát Nguyên lý chung của phương pháp đo có thể tóm tắt như sau [15]:

Dòng điện I từ nguồn E đi vào đất nhờ 2 điện cực E1, E2 và tạo nên trong đất, đến một độ sâu nhất định tùy thuộc vào khoảng cách giữa hai cực, một điện trường dừng với các đường sức và đường đẳng thế được thể hiện trên hình 2.1

Gần điện cực và gần mặt đất, mật độ dòng điện lớn hơn và càng xuống sâu càng giảm, đến độ sâu nào đó thì nó sẽ bằng không Điều nầy tùy thuộc vào năng lượng

của nguồn E hay độ lớn của dòng điện I Đường liền nét chỉ đường dòng điện, đường

chấm chấm chỉ đường đẳng thế

Bởi vì đất là vật dẫn có điện trở suất nhất định cho nên xuất hiện sụt áp giữa hai điểm trên mặt đất khi có dòng điện chạy qua Nếu giữa hai cực dòng E1, E2 cắm 2 điện cực thế S1, S2 thì ta có thể dùng vôn kế xác định trực tiếp hiệu điện thế U giữa 2

đường đẳng thế đi qua S1, S2 Điện trở R của toàn bộ khối đất giữa 2 đường đẳng thế

nầy, theo định luật Ohm bằng:

(2.1)

( )

U R I

Hình 2 1 Điện trường trong đất và nguyên lý của phương pháp Điện-Địa chất

Với các đồng hồ đo, cấu tạo theo nguyên lý cầu cảm ứng, tỉ số tức trị số R

có thể đọc trực tiếp trên thang đo Từ đó, ta xác định điện trở suất của đất trong trường hợp đất đồng nhất :

MS1 = MS2 = d (m) như hình 2.2 thì hệ số hình dáng có thể được tính theo phương

pháp xếp chồng thế riêng phần như sau:

Trường tạo nên bởi các điện cực dòng E1, E2 đặt trên mặt đất có dạng gần như bán cầu với bán kính nếu như công suất của nguồn thích hợp Nên độ sâu được

U I

D

kR

r =

2 (m)2

khảo sát của đất cũng bằng Điều nầy có ý nghĩa quan trọng, vì chỉ cần thay đổi khoảng cách giữa các điện cực là có thể khảo sát đất ở những độ sâu tương ứng Đó

là cơ sở của phương pháp thăm dò điểm hay thăm dò theo độ sâu Hiển nhiên khi độ sâu cần khảo sát tăng thì cần phải có nguồn công suất lớn thích hợp [15]

Hình 2 2 Sơ đồ đo theo phương pháp Điện-Địa chất

với sự bố trí điện cực đối xứng

Ngược lại nếu giữ λ và d không đổi và lần lượt tịnh tiến toàn bộ hệ thống điện

cực theo một phương nào đó (điểm đo M di chuyển trên phương nầy) thì điện trở suất của đất là hàm của vị trí đo Cuối cùng nối liền tất cả các điểm có cùng trị số điện trở

suất lại với nhau ta sẽ có những đường cong, chúng cho biết sự phân bố ρ theo mặt

phẳng ngang tại vùng đất khảo sát Phương pháp nầy gọi là phương pháp thăm dò

mặt, khác với phương pháp thăm dò độ sâu (thay đổi λ và d ở cùng một vị trí khảo

sát) đã nói ở trên

v Những trình bày trên không những chỉ đúng cho trường hợp đất có cấu tạo đồng nhất mà còn đúng cho cả trường hợp thường gặp trong thực tế là đất có cấu tạo không đồng nhất Hiển nhiên là các lớp đất có điện dẫn khác nhau sẽ có tác dụng làm thay đổi sự phân bố trường trong lòng đất Ví dụ đất có cấu tạo 2 lớp, lớp trên có điện

trở suất lớn hơn lớp dưới thì mật độ dường sức ở lớp dưới (ρ bé) đầy hơn như hình

2.3 Sự thay đổi phân bố đường sức làm thay đổi sự phân bố đường đẳng thế, mặt đẳng thế không còn giữ dạng bán cầu nữa mà bị méo đi

Hình 2 3 Phân bố trường trong đất 2 lớp

Do đất không đồng nhất nên không thể xác định trực tiếp trị số điện trở suất thật

mà phải thông qua trị số biểu kiến ρ k, cũng được tính theo công thức (Ωm)

với k và R cũng giống như đất đồng nhất Điện trở suất biểu kiến ρ k có giá trị thay đổi khi khoảng cách giữa các cọc thay đổi, tùy thuộc vào giá trị điện trở suất của các lớp của đất

Từ đó ta có thể xác định được điện trở suất của đất đồng nhất, và điện trở suất của các lớp của đất không đồng nhất Bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các cọc theo hai phương pháp Wenner và driven rod dựa trên phương pháp đo Điện-Địa chất

2.1.2 Phương pháp Wenner và driven rod

2.1.2.1 Phương pháp Wenner

Phương pháp Wenner thì hầu như được sử dụng nhiều nhất trong thực tế Nó dùng 4 cọc nhỏ cấm vào đất trên một đường thẳng Khoảng cách giữa các cọc là như

nhau và bằng a như hình 2.5, chiều dài của các cọc thì rất nhỏ so với khoảng cách a

Một nguồn có công suất thích hợp nối giữa 2 cọc ngoài cùng, có một dòng điện chạy vào một cọc và chạy ra ở cọc còn lại Dòng điện nầy sinh ra một điện thế phân bố

E2 E

d

trong đất Dẫn đến điện thế tại hai cọc đó khác không Đo hiệu điện thế giữa 2 cọc

bên trong U và dòng điện chạy vào đất I, ta sẽ xác định được điện trở suất đất [15]

Hình 2 4 Sơ đồ nối dây giữa thiết bị và các cọc đo theo phương pháp Wenner

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý và cách bố trí cọc của phương pháp Wenner

Mà (2.7)

Nếu đất đồng nhất thì việc đo điện trở suất không phụ thuộc vào khoảng cách

giữa các cọc a, có nghĩa là khi thay đổi a thì giá trị của U và I thay đổi còn điện trở

suất đất không đổi Ngược lai, đối với đất không đồng nhất thường gặp trong thực tế

thì giá trị điện trở suất đo được sẽ phụ thuộc vào a, ví dụ khi a tăng lên là ta đang

khảo sát những lớp đất ở dưới sâu Giá trị điện trở suất đo được sẽ khác nhau và tùy thuộc vào điện trở suất của những lớp đất nầy Cho nên phương pháp đã đưa ra khái

niệm điện trở suất biểu kiến có giá trị phụ thuộc vào a

2.1.2.2 Phương pháp driven rod

Phương pháp driven rod sử dụng 3 cọc đóng vào đất, trong đó có một cọc chính lớn hơn nhiều so với hai cọc còn lại Nó được cắm sâu vào trong đất, chiều dài

của cọc tiếp xúc với đất là l Điện trở suất đất được xác định thông qua việc đo điện

trở nối đất của cọc chính nầy Để đo điện trở nối đất của cọc chính, ta cần có thêm một nguồn xoay chiều nối giữa cọc chính và cọc dò dòng cách xa cọc chính một

khoảng D Nhằm tạo nên điện trường dừng trong đất, có một dòng điện I chạy vào

cọc chính và chạy ra ở cọc dò dòng Cọc dò áp còn lại phải đặt cáh xa cọc chính và cọc dò dòng để sự ảnh hưởng là nhỏ nhất (nơi có điện thế xấp xỉ bằng 0) Các cọc không nhất thiết phải đặt trên cùng một đường thẳng được thể hiện trên hình 2.7

Hình 2 6 Sơ đồ nối dây giữa thiết bị và các cọc đo theo phương pháp driven rod

U R I

=

2 a U I

r = p

Hình 2 7 Sơ đồ nguyên lý và cách bố trí cọc của phương pháp driven rod

Ta dùng vôn kế đo hiệu điện thế giữa cọc chính và cọc dò dòng U Điện trở nối

với đất không đồng nhất, ta cũng đưa ra khái niệm điện trở suất biểu kiến có giá trị

thay đổi theo chiều dài l Bất lợi của phương pháp nầy là chiều dài của cọc phải đủ

lớn để khảo sát những lớp đất sâu, việc thi công chúng rất khó

U R I

=

4ln2

l R

l d

rp

=

24ln

l U

l I d

2.2 Phương pháp Wenner và Driven rod cho đất đồng nhất (đất 1 lớp)

Đất đồng nhất là đất có điện trở suất không thay đổi mà ta cần phải xác định,

ít gặp trong thực tế nhưng vẫn được đề cập đến vì nó là tiền đề để khảo sát đất không đồng nhất

Sử dụng phương pháp Wenner có cách bố trí cọc và dụng cụ đo như hình 2.5

Giá trị điện trở suất thu được không phụ thuộc vào khoảng cách a Điện trở suất của

đất [15]:

Với a - khoảng cách giữa các cọc (m)

U - hiệu điện thế giữa 2 cọc bên trong (V)

I - dòng điện chạy vào đất (A)

Sử dụng phương pháp driven rod có cách bố trí cọc và dụng cụ đo như hình 2.7 Giá trị điện trở suất thu được không phụ thuộc vào chiều dài của cọc chính tiếp xúc với đất Điện trở suất của đất:

Với l - chiều dài của cọc chính tiếp xúc với đất (m)

d - đường kính của cọc chính (m)

U - hiệu điện thế giữa cọc chính và cọc dò áp (V)

I - dòng điện chạy vào đất (A)

2.3 Phương pháp Wenner và Driven rod cho đất không đồng nhất 2 lớp

Đất không đồng nhất là loại đất thường gặp nhất trong thực tế, có điện trở suất thay đổi theo từng lớp đất Mỗi lớp đất có bề dầy khác nhau tùy thuộc vào từng

vị trí khảo sát, điện trở suất đất như nhau tại mọi điểm trong từng lớp Trong phần nầy ta chỉ khảo sát đất chỉ có 2 lớp [15]

2.3.1 Phương pháp Wenner

Ta vẫn sử dụng sơ đồ như hình 2.5 Cho a tăng dần ứng với mỗi giá trị của

a, ta có một giá trị của điện trở suất được tính theo công thức (2.12) Nối các giá trị

của điện trở suất lại, ta sẽ có đường cong thể hiện sự phụ thuộc của điện trở suất theo

2 a U ( m)

I

2 ( m)4

ln

l U

l I d

p

a Phần đầu, giá trị điện trở suất thay đổi không nhiều đó chính là điện trở suất của

lớp đất phía trên Phần tiếp theo, giá trị điện trở suất có thay đổi đột biến, đó là nơi chuyển tiếp của 2 lớp đất Sau đó, ta thấy giá trị điện trở suất gần như không đổi, đó chính là điện trở suất của lớp đất phía dưới [15]

Giá trị điện trở suất thay đổi theo a, nên phương pháp đã đưa ra khái niệm điện trở suất biểu kiến ρ W là hàm của a

Với k - hệ số phản xạ, đặc trưng cho mức độ không đồng nhất của đất k càng

nhỏ thì 2 lớp đất có điện trở suất gần giống nhau và ngược lại

ρ 1 - điện trở suất lớp đất phía trên (Ωm)

ρ 2 - điện trở suất lớp đất phía dưới (Ωm)

h - bề dầy của lớp đất phía trên (m)

a - khoảng cách giữa các cọc (m)

2.3.2 Phương pháp driven rod

Ta vẫn sử dụng sơ đồ như hình 2.7 Cho l tăng dần ứng với mỗi giá trị của l,

ta có một giá trị của điện trở suất được tính theo công thức (2.13) Nối các giá trị của

điện trở suất lại, ta sẽ có đường cong thể hiện sự phụ thuộc của điện trở suất theo l

Đường cong nầy và cách xác định điện trở suất của các lớp đất cũng giống như phương pháp Wenner

Giá trị điện trở suất thay đổi theo l, nên phương pháp đã đưa ra khái niệm điện trở suất biểu kiến ρ D là hàm của l Nét khác biệt của phương pháp nầy so với phương pháp Wenner là điện trở suất biểu kiến ρ D bị gián đoạn tại điểm có chiều dài

tiếp xúc l bằng với bề dầy của lớp đất phía trên h Cho nên có 2 phương trình tính điện trở suất biểu kiến ρ D , một để tính trường hợp chiều dài tiếp xúc l nhỏ hơn bề dầy của lớp đất phía trên h và một để tính trường hợp chiều dài tiếp xúc l lớn hơn bề dầy của lớp đất phía trên h

(2.16)

Trong trường hợp l < h

Trong trường hợp l > h

Với k - được tính theo (2.15)

l - chiều dài của cọc chính tiếp xúc với đất (m)

d - đường kính của cọc chính (m)

2.3.3 Kết quả tính toán của 2 phương pháp

Hình 2 8 Thể hiện đường cong tính toán của ρ W và ρ D khi ρ1 = 100 Ωm, h = 1.1m

và k = -0.1 đến -0.9

Tính toán điện trở suất biểu kiến của 2 phương pháp trong cả 2 trường hợp hệ

số phản xạ k < 0 (ρ < ρ ) và k > 0 (ρ > ρ ), theo khoảng cách a đối với phương pháp

1 1

ln2

k nh l

nh l l d

n h l l

l

d

r rr

Wenner và l đối với phương pháp driven rod Ngoài ra, chúng ta cũng khảo sát thêm

sự thay đổi điện trở suất khi thay đổi bề dầy lớp đất phía trên h Tỷ số giữa điện trở suất của phương pháp driven rod và điện trở suất của phương pháp Wenner theo k và

h khi a và l thay đổi [2]

Kết quả tính toán của 2 phương pháp giống nhau khi đất không đồng nhất

ít như k = -0.1 Khoảng cách giữa 2 đường cong càng tăng khi độ lớn k tăng 2 đường đảo vị trí (trên dưới) và tiến gần nhau khi tăng a và l [2]

Hình 2 9 Thể hiện đường cong tính toán của ρ W và ρ D khi ρ1 = 100 Ωm, h =

Hình 2 10 Thể hiện đường cong tính toán của ρ W và ρ D khi ρ1 = 100 Ωm, h =

4.1.1m và k = 0.1 đến 0.9

Kết quả tính toán của 2 phương pháp giống nhau khi đất không đồng nhất

ít như k = 0.1 Khoảng cách giữa 2 đường cong tăng trong vùng a, l vượt quá bề dầy lớp phía trên h khi k tăng.Vì vậy, a và l phải lớn khi cần khảo sát k lớn 2 đường cũng đảo vị trí (trên dưới) và tiến gần nhau khi tăng a và l.[2]

Hình 2 11 Thể hiện đường cong tính toán của ρ W và ρ D khi ρ1 = 100 Ωm, h =

Khoảng cách giữa 2 đường lớn so với trường hợp h = 1.1 m Cần phải khảo sát với a và l lớn hơn nữa (30 m) để có thể xác định được ρ 2 [2]

Hình 2 12 Thể hiện đường cong tính toán của ρ D /ρ W khi h = 2.1 m và k = -0.1 đến

Hình 2 13 Thể hiện đường cong tính toán của ρ D /ρ W khi h = 2.1 m và k = 0.1 đến

0.9

Những đường cong thể hiện ρ D có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn ρ W ở mức

độ vừa phải Hệ số phản xạ k càng lớn thì ρ D càng nhỏ hơn ρ W [2]

Hình 2 14 Thể hiện đường cong tính toán của ρ D /ρ W khi k = -0.5 và h = 2.1 m đến

Hình 2 15 Thể hiện đường cong tính toán của ρ D /ρ W khi k = 0.5 và h = 2.1 m đến

10.1 m

2.4 Phương pháp Wenner cho đất không đồng nhất 3 lớp

Hình 2 16 Sơ đồ bố trí cọc của phương pháp Wenner cho mô hình đất 3 lớp

Mô hình đất không đồng nhất 2 lớp không phản ánh đầy đủ cấu trúc của đất không đồng nhất, cụ thể là việc phản xạ giữa các lớp đất Vì vậy, mô hình đất không đồng nhất nhiều hơn 2 lớp được khảo sát Trong phần nầy, ta chỉ khảo sát cho trường hợp đất 3 lớp

Bài toán đặt ra trong phần nầy là xác định được điện trở suất của 3 lớp đất, đây là mục đích chính Đồng thời, chúng ta cũng phải xác định bề dầy của 2 lớp đất phía trên

Do độ sâu khảo sát thường lớn nên phương pháp driven rod gặp khó khăn

Do đó phương pháp Wenner được sử dụng Trong trường hợp nầy, do phải khảo sát

đất ở độ sâu nên với mỗi khoảng cách a ta điều chỉnh điện áp nguồn thích hợp để

dòng điện chạy vào đất là cố định

2.4.1 Điện trở suất biểu kiến

Để khảo sát một vùng đất ở 1 vị trí bất kỳ nào đó Trước hết, chúng ta tiến

hành đo đạc điện trở suất biểu kiến khi cho khoảng cách a thay đổi, theo công thức:

(2.18)

Chú ý, a phải đủ nhỏ thường chọn 1 m và cũng phải đủ lớn đảm bảo điện trở suất tiến về một giá trị nào đó (ρ 3)

Ta nối tất cả các điểm đo đạc lại, được một đường cong thể hiện sự phụ thuộc

của điện trở suất theo khoảng cách a Vì khi a tiến tới 0 thì điện trở suất tiến tới điện trở suất của lớp đất trên cùng (ρ 1 ) và a tiến tới giá trị lớn nhất thì điện trở suất biểu kiến tiến tới điện trở suất của lớp đất dưới đáy (ρ 3) Từ đây, chúng ta có thể xác định

h 1 , h 2 lần lượt là bề dầy lớp trên cùng và lớp giữa

ρ 1 , ρ 2 , ρ 3 lần lượt là điện trở suất của các lớp đất

2.4.2 Tìm các thông số của mô hình đất

Kết quả bài toán là thông số của mô hình đất, nhưng phương trình (2.19) muốn tính được lại phải có thông số của mô hình đất Do đó, ta phải chọn giá trị ban

đầu cho mô hình đất Sau đó, thực hiện phép lặp để tìm ra đáp số

U a I

k e k e f

2 1

3 2 2

3 2

k k

=+

( ) c( ) t =0 ( 1, , )

g x =r x -r i= m

1 2 3 1 2 ( , , , , )

x= r r r h h