Tính toán điện trở của cọc nối đất trong cấu trúc đất nhiều lớp có xét đến thành phần cải tạo đất

Trong một số trường hợp ,khi khuôn viên của một công trình hoặc một trạm có kích thước giới hạn hoặc ở các vùng đất có điện trở suất khá cao thì việc làm giảm thấp giá trị điện trở nối đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÝ TRƯỜNG SƠN

TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ CỦA CỌC NỐI ĐẤT TRONG CẤU TRÚC ĐẤT NHIỀU LỚP CÓ XÉT

ĐẾN THÀNH PHẦN CẢI TẠO ĐẤT

CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ , MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

MÃ SỐ NGÀNH : 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH , THÁNG 07 NĂM 2006

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày tháng năm 2006

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học cao học tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, nhờ sự dạy dỗ tận tình của các thầy cô , tôi đã hoàn thành chương trình và luận văn cao học Kiến thức có được đã giúp tôi ứng dụng được nhiều vào trong công việc

Xin cho tôi được tri ân với TS Hồ Văn Nhật Chương ,thầy đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp đại học trước đây và đến nay là luận văn thạc sĩ

Xin chân thành cám ơn đến gia đình và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Cuối cùng tôi xin chúc sức khỏe đến tất cả quí thầy cô ,gia đình và bạn bè

PHẦ À N I PHAN I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

PHAÀ À N II PHAN II

-o0o - W—X

TP.HCM, ngày tháng năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I- TÊN ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ CỦA CỌC NỐI ĐẤT TRONG CẤU TRÚC ĐẤT NHIỀU LỚP CÓ XÉT ĐẾN THÀNH PHẦN CẢI TẠO ĐẤT II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

PHẦN I : TỔNG QUAN

Chương 1: Các vấn đề về an toàn trong các xí nghiệp công

nghiệp , hệ thống điện

Chương 2:Phân tích các thông số ảnh hưởng lên hệ thống nối đất

Chương 3:Các mô hình toán học của hệ thống nối đất có và

khi không có xét đến thành phần cải tạo đất

Chương 4:Chương trình tính toán và kết quả so sánh với một số

chương trình khác

Chương 5: Áp dụng tính toán cho một số bài toán cụ thể Các

biện pháp Kết luận

PHẦN II : TỔNG KẾT

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16/01/2006

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: / /2006

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TIẾN SĨ HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN

QUẢN LÝ CHUYÊN

NGÀNH

TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm

2006

LÝ NGÀNH

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Vấn đề nối đất và thực hiện một hệ thống nối đất nói chung và nối đất cho một công trình nào đó , một trạm biến áp cao áp nói riêng đã được áp dụng trong hệ thống điện từ rất lâu

Trong một số trường hợp ,khi khuôn viên của một công trình hoặc một trạm có kích thước giới hạn hoặc ở các vùng đất có điện trở suất khá cao thì việc làm giảm thấp giá trị điện trở nối đất cũng như làm giảm các giá trị điện áp bước và điện áp tiếp xúc gặp nhiều khó khăn Việc làm giảm điện áp bước và điện áp tiếp xúc trong trạm biến áp cao áp bằng cách hiệu chỉnh lưới nối đất gắng liền với việc làm tăng khối lượng kim loại màu làm hệ thống nối đất Như vậy ,làm thế nào để giảm nhỏ các giá trị điện áp bước và điện áp tiếp xúc đạt đến các giá trị cho phép theo tiêu chuẩn an toàn quốc tế mà đảm bảo được chi phí trên kim loại màu để thực hiện hệ thống nối đất là bé nhất

Ở Công ty Điện lực Thành Phố Hồ Chí Minh , trong điều kiện qui mô lưới điện phát triển liên tục , nhu cầu điện năng tăng rất nhanh , do đó một số trạm biến áp cao thế phải đưa sâu vào trung tâm phụ tải nên mặt bằng chật hẹp , diện tích trạm thường rất nhỏ bé nên vấn đề đảm bảo nối đất ,cân bằng thế ở một số trạm cao thế còn gặp nhiều khó khăn Đây là một vấn đề lớn của Công ty điện lực TPHCM Tương tự như thế, đa số công trình xây dựng nằm trong thành phố với diện tích thực hiện hệ thống nối đất rất nhỏ bé, để đạt được giá trị điện trở cho phép, cũng cần phải có một số biện pháp tương ứng Với mong muốn góp một phần nhỏ để giải quyết các vấn đề trên và cũng chính là mục tiêu của đề tài đề

ra

tạo đất Đồng thời đề xuất phương pháp tính toán mới cho hệ thống nối đất đơn giản

ABSTRACT

Ground and making generally a ground system and grounding for some Constructions, in particular a high voltage Substation ,have applied in electric systems a long time

In some case, when Contructions area or a Substation have limits or a field have large resistivity then to decrease ground resistance value as same as to decrease step voltage and reach voltage have very difficult To make to decrease step voltage and reach voltage in high voltage Substation same to regulation ground systems to strive with make amount of metals for grounding system Then, how make to decrease step voltage and reach voltage have limits for standard safety which to determine the level of spending on metals on performed smallest ground systems

At Ho Chi Minh City Power Company, in condition, development systems grid electric , increasing to demand electric Hence , several high voltage Substations have pushed in load central become a narrow fields, Substation area trend to wards smaller, to become good ground , balance the potential at a several high voltage Substations have very difficults That is the big problems of Ho Chi Minh City Power Company In addition, a lot of Constructions in the city with smaller area the ground system, have resistances value limits, also needed the same correclative Wishes us small participate in to solse problems and main target of this subjects

In this essay, I have built the equation for calculating the earth resistance of a deep_driven rod in a multi_layer earth structure with Ground Enhancing

for simples ground systems

MỤC LỤC

&&&

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC

PHẦN 1 : PHẦN TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1 : CÁC VẤN ĐỀ VỀ AN TOÀN TRONG CÁC XÍ NGHIỆP

CÔNG NGHIỆP, HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Các vấn đề cơ bản về an toàn điện 2

1.2.1 Hiện tượng dòng điện đi trong đất 2

1.2.2 Điện áp tiếp xúc 6

1.2.3 Điện áp bước 7

1.3 An toàn trong các mạng điện đơn giản 10

1.3.1 Mạng điện cách điện đối với đất 10

1.3.2 Mạng điện có một cực hay một pha nối đất 12

1.3.2.1 Mạng điện một dây 12

1.3.2.2 Mạng điện hai dây 13

1.3.3 Mạng điện cách điện đối với đất có điện dung lớn 14

CHƯƠNG 2 : PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ

THỐNG NỐI ĐẤT

2.2.1 Điện trở nối đất 19

2.2.2 Điện trở suất của đất 20

2.2.3 Hình dáng của các vật nối đất 23

2.2.3.1 Cọc nối đất hình ống hay hình thanh chữ nhật 23

2.2.3.2 Vật nối đất hình thanh mỏng 24

CHƯƠNG 3 : CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CÓ VÀ KHI KHÔNG CÓ XÉT ĐẾN THÀNH PHẦN CẢI TẠO ĐẤT 3.1 Tính toán điện trở của cọc nối đất trong cấu trúc đất nhiều lớp 25

3.1.1 Tóm tắt 25

3.1.2 Các công thức cơ bản 26

3.1.2.1 Mô hình đất 2 lớp xếp thành tầng theo phương ngang 26

3.1.2.2 Mô hình đất 3-5 lớp xếp dạng tầng 29

3.1.2.3 Mô hình đất N lớp 31

3.1.2.4 Thành phần dòng điện 33

3.1.3 Tính toán điện trở đất 33

3.1.3.1 Các công thức tính toán điện trở đất 33

3.1.3.2 Minh hoạ bằng một số ví dụ cụ thể 34

3.1.4 Kết luận của tác giả về bài báo này 40

3.1.5 Quan hệ giữa điện trở đất và độ chôn sâu của cọc nối đất 40

3.2 Tính toán điện trở của cọc nối đất trong cấu trúc đất nhiều lớp (khi có xét đến thành phần cải tạo đất 44

CHƯƠNG 4 : CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN VÀ KẾT QUẢ SO SÁNH VỚI MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH KHÁC 4.1 Giới thiệu 54

4.2 Lập dữ liệu để tính toán 54

CHƯƠNG 5 : ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO MỘT SỐ BÀI TOÁN CỤ THỂ CÁC BIỆN PHÁP KẾT LUẬN

5.1 Áp dụng tính toán cho một số bài toán cụ thể 70 5.2 Các biện pháp 71 5.3 Kết luận 72

PHẦN II : PHẦN TỔNG KẾT

CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

6.1 Kết luận 73 6.2 Kiến nghị 73

PHỤ LỤC

Phụ lục A

Các chương trình tính toán sử dụng phần mềm Matlab được save

dưới dạng file m 75 Phụ lục B

Hướng dẫn sử dụng phần mềm “Numerical_Method” phần xử lý

số liệu thực nghiệm 110 Các kết quả nhận được sau khi nhập dữ liệu trong 14 bảng kết quả

từ bảng 4.1 đến bảng 4.14 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TÓM TẮT LÝ LỊCH HỌC VIÊN

TÓM TẮT LÝ LỊCH HỌC VIÊN

Ngày sinh : 02 – 01 - 1975 Nơi sinh : Quảng Ngãi Địa chỉ liên lạc : 1/8/47/32 Khu phố 4,đường Phan Văn Hớn ,Phường Tân Thới Nhất, Quận 12

Điện thoại : 2505143- 0903733481

Quá trình đào tạo :

- Từ nhỏ ÷ 1993 : Học sinh phổ thông

- Từ 1993 ÷ 1998 : Sinh viên khoa Điện-Điện tử – Trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

- Từ 2004 đến nay học viên cao học khóa 15 - ngành Thiết bị mạng và nhà máy điện – trường Đại Học Bách Khoa T.P Hồ Chí Minh

Quá trình công tác :

- Từ tháng 05/1998 đến nay : Công tác tại Công ty TNHH SX & TM Thiết

bị điện Tuấn Ân TP.HCM

Trang 1

CHƯƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ VỀ AN TOÀN TRONG CÁC XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP,

HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 GIỚI THIỆU

Khoa học hiện nay đã phân tích tương đối đầy đủ về tác hại của dòng điện vào

cơ thể con người Dựa trên số liệu lấy ở các trường hợp tai nạn đối với con người, người ta đã có khái niệm đầy đủ về tác hại sinh lí do dòng điện gây nên mà qua đó tổ chức việc vận hành hệ thống điện được an toàn Các trường hợp chấn thương trong sản xuất nói chung thì chấn thương nặng hoặc chết người phần lớn là do bị điện giật

Theo tài liệu khảo sát của các nước trên thế giới cho thấy rằng trong tổng số trường hợp tai nạn vì điện giật có 76,4% trường hợp chết người hoặc thương vong nặng xảy ra ở các mạng điện áp dưới 1000V và 23,6% xảy ra ở mạng điện có điện áp trên 1000V

Khi phân loại nạn nhân do điện giật cho thấy rằng :

- Những nạn nhân làm việc trong ngành điện bị điện giật :42,2%

- Những nạn nhân không có chuyên môn về điện bị tai nạn điện giật :57,8%

Phân loại theo nguyên nhân bị điện giật:

1.1.1 Chạm trực tiếp vào dây dẫn điện hay các phần có điện chạy qua 55,9% trong đó :

- Chạm vào dây dẫn điện không phải do công việc yêu cầu phải tiếp xúc với dây dẫn điện : 30,6%

- Chạm vào dây dẫn điện do yêu cầu công việc phải tiếp xúc với dây dẫn điện : 1,7%

- Đóng nhầm điện lúc đang tiến hành sửa chữa kiểm tra : 23,6%

1.1.2 Chạm vào bộ phận kim loại của thiết bị có mang điện áp : 22,8%

Trang 2

trong đó:

- Lúc không có nối đất : 22,2%

- Lúc có nối đất : 0,6%

1.1.3 Chạm phải vật không phải bằng kim loại có mang điện áp (tường ,các vật

cách điện ,nền nhà ) : 20,1%

1.1.4 Bị chấn thương do hồ quang lúc thao tác thiết bị : 1,12%

1.1.5 Bị chấn thương do cường độ điện trường cao ở trong môi trường hay trạm

biến áp siêu cao áp :0,08%

Phần lớn các trường hợp chấn thương về điện là do chạm phải vật dẫn điện hoặc vật có điện áp xuất hiện bất ngờ và thường xảy ra với người không có chuyên môn

Nguyên nhân chính của tai nạn về điện là do trình độ quản lý chuyên môn chưa tốt, do vi phạm qui trình kỉ thuật an toàn , như đóng điện lúc có người đang sửa chữa , thao tác vận hành thiết bị điện không đúng qui định

Chấn thương do dòng điện gây nên thường xảy ra ở các mạng điện 380/220V, 220/127V Ở các mạng điện này những cán bộ kỉ thuật ,quản đốc phân xưởng thường không đánh giá đúng mức độ nguy hiểm của chúng Do đó chưa tổ chức tốt cho những người không có chuyên môn về điện học tập nội qui an toàn điện một cách chu đáo để đề ra các biện pháp ngăn ngừa tai nạn tích cực trong đó có bảo vệ nối đất

1.2 CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ AN TOÀN ĐIỆN:

1.2.1 Hiện tượng dòng điện đi trong đất :

Khi cách điện của thiết bị điện bị chọc thủng sẽ có dòng điện chạm đất ,dòng điện này đi vào đất trực tiếp hay qua một cấu trúc nào đấy Về phương diện an toàn mà nói, dòng điện chạm đất làm thay đổi cơ bản trạng thái của mạng điện

Trang 3

(điện áp giữa dây dẫn và đất thay đổi , xuất hiện các thế hiệu khác nhau giữa các điểm trên mặt đất gần chổ chạm đất) Dòng điện đi vào đất sẽ tạo nên ở điểm chạm đất một vùng dòng điện rò trong đất và điện áp trong vùng này phân bố theo một định luật nhất định Để đơn giản việc nghiên cứu hiện tượng này giả thiết dòng điện chạm đất đi vào đất qua một cực kim loại hình bán cầu Đất có tính chất thuần nhất và có điện trở suất ρ tính bằng Ω.cm Như thế có thể xem như dòng điện tản đi từ tâm hình bán cầu tỏa ra theo đường bán kính

Trên cơ sở lí thuyết tương tự, chúng ta có thể xem trường của dòng điện đi trong đất giống dạng trường trong tĩnh điện, nghĩa là tập hợp những đường sức và đường đẳng thế của chúng giống nhau

Đại lượng cơ bản trong điện trường của môi trường dẫn điện là mật độ dòng điện

j Vectơ này có hướng theo hướng của vectơ cường độ điện trường E

Phương trình để khảo sát điện trường trong đất là phương trình theo định luật ôm dưới dạng vi phân :

j=γE (1.1) hay E=ρj

Ở đây : γ - điện dẫn suất của đất;

ρ - điện trở suất của đất;

E – điện áp trên một đơn vị chiều dài dọc theo đường đi của dòng điện(cường độ điện trường trong đất)

Mật độ của dòng điện tại điểm cách tâm bán cầu là x bằng :

Ở đây : Id – dòng điện chạm đất

Điện áp trên một đoạn vô cùng bé dx dọc trên đường đi của dòng điện :

Trang 4

dx

x

I dx j Edx

A

d A A

x

I U

π

ρϕ

2

=

= (1.4) Nếu dịch chuyển điểm A đến gần mặt của vật nối đất chúng ta có điện áp cao nhất đối với đất:

d

d d

x

I U

π

ρ

2

= (1.5)

Ở đây : xd – bán kính của vật nối đất hình bán cầu

Đem chia (1.4) cho (1.5), ta có:

A

d d A A

d d

A

x

x U hayU x

x U

U

=

=Thay tích số của các hằng số Ud xd bằng K chúng ta có phương trình hypecbol sau:

A A

x K

Như thế sự phân bố điện áp trong vùng dòng điện rò trong đất đối với điểm xa vô cùng ngoài vùng dòng điện rò có dạng đường hypecbol

Trang 5

Hình 1.1: Đường cong chỉ sự phân bổ điện áp của các điểm trên mặt đất lúc có chạm đất

Đường phân bố điện áp trên gọi là đường thế hiệu

Tại điểm chạm đất trên mặt của vật nối đất chúng ta có điện áp đối với đất là cực đại , có nghĩa là điện áp giữa vật nối đất với những điểm của đất ở ngoài vùng dòng điện rò

Thí nghiệm cho thấy sự phân bố điện áp trên mặt đất gần vật nối đất có dạng gần giống đường hypecbol (Hình 1.1)

Không riêng gì vật nối đất có dạng hình bán cầu mà ngay đối với các dạng khác của vật nối đất như hình ống ; hình thanh chữ nhật , cũng như dây điện rơi xuống đất cũng có sự phân bố điện áp gần giống hình hypecbol Sở dĩ tình trạng phân bố điện áp trong các trường hợp đều tương tự như nhau là do đặt điểm vật dẫn điện là Trái đất Đất ở gần vật nối đất có điện trở cực đại đối với dòng điện vì ở đấy dòng điện phải đi qua một tiết diện bé cho nên tại những điểm đó điện áp giáng lớn nhất

Chúng ta dùng cách đo trực tiếp điện áp từng điểm và vẽ thành đường cong phân bố điện áp đối với đất trong vùng dòng điện tản trong đất (Hình 1.2)

Hình 1.2: đường cong phân bố điện áp đối với đất trong vùng dòng điện tản trong đất

Trang 6

Trong vùng gần 1 mét cách vật nối đất có độ 68% điện áp rơi Những điểm trên mặt đất nằm ngoài 20 mét cách chổ chạm đất thực tế có thể xem như ngoài vùng dòng điện nguy hiểm hay còn gọi là những điểm có điện thế bằng không – đất Trong khoảng cách nói trên điện áp rơi trên 1 mét không vượt quá 1V

Trong khi đi vào đất dòng điện tản bị điện trở của đất cản trở Điện trở này gọi là điện trở tản hay gọi là điện trở của vật nối đất

Điện trở của vật nối đất chúng ta sẽ hiểu là tỉ số giữa điện áp xuất hiện trên vật nối đất với dòng điện chạy qua vật nối đất vào đất :

Rd = Ud /Id

1.2.2 Điện áp tiếp xúc :

Trong quá trình tiếp xúc với thiết bị điện nếu có mạch điện khép kín qua người thì điện áp giáng trên người lớn hay nhỏ tùy thuộc vào các điện trở khác mắc nối tiếp với thân người(điện trở của giăng, ủng, thảm cách điện, nền nhà )

Phần điện áp đặt vào thân người gọi là điện áp tiếp xúc (Utx)

Vì chúng ta nghiên cứu an toàn trong điều kiện chạm vào một cực(một pha) là chủ yếu nên có thể xem điện áp tiếp xúc là thế giữa hai điểm trên đường đi của dòng điện mà người có thể chạm phải Ví dụ giữa vỏ thiết bị và chân của người Trên hình 1.3 vẽ hai động cơ, vỏ các động cơ này nối với vật nối đất có điện Rd Trên vỏ thiết bị 1 bị chọc thủng cách điện của một pha

Trong trường hợp này vật nối đất và vỏ các thiết bị điều mang điện áp đối với đất là:

Ud = IdRd

Ơû đây :Id –dòng điện qua vật nối đất

Người chạm vào bất kỳ động cơ nào cũng đều có thể là Ud Mặt khác thế ở chân người Uch phụ thuộc khoảng cách từ chỗ đứng đến vật nối đất

Trang 7

Hình 1.3 Điện áp tiếp xúc

Kết qủa là người bị tác dụng của hiệu số điện Ud và Uch

Ơû đây :α hệ số tiếp xúc (α<1)

Trong thực tế điện áp tiếp xúc luôn luôn bé hơn điện áp giáng trên vật nối đất (dây chạm đất)

Điện áp tiếp xúc cho phép không tiêu chuấn hoá

1.2.3 Điện áp bước

Trên hình 1.4 vẽ sự phân bố thế của các điểm trên mặt đất lúc có một pha chạm đất hoặc một thiết bị (động cơ) nào đó bị chọc thủng cách điện

Trang 8

Hình 1.4 Điện áp bứơc

Điện áp đối với đất ở chỗ trực tiếp chạm đất:

Ud =Idrd

rd - điện trở tản ở chỗ chạm đất

Điện áp của các điểm trên mặt đất đối với đất ở cách xa chỗ chạm đất từ 20m trở lên có thể xem bằng không

Những vòng tròn đồng tâm(hay mặt phẳng) mà tâm điểm là chỗ chạm đất chính là các vòng tròn đẳng thế (hay mặt phẳng đẳng thế) Khi người đứng trên mặt đất thì hai chân thường ở hai vị trí khác nhau cho nên người sẽ bị một điện áp nào đấy tác dụng

Điện áp đặt giữa hai chân người do dòng điện chạm đất tạo nên gọi là điện áp bước U b

Trang 9

Có thể tính điện áp bước theo biểu thức sau :

a x

a x

I U

Ơû đây : a- độ dài của bước chân (0,4I0,8m);

x- khoảng cách đến chỗ chạm đất

Ví dụ

Tính điện áp bước Ub lúc người đứng cách chỗ chạm đất (vật nối đất) x=2200cm và dòng điện chạm đất Id =1000A( dòng điện qua vật nối đất) Điện trở suất của đất ρ=104Ω.cm

V

2280.2200

2

10.80

Từ 4I5m đối với thiết bị trong nhà

Trang 10

8I10m đối với thiết bị ngoài trời

Như trên đã nói điện áp tiếp xúc người ta không tiêu chuẩn hoá mà chỉ tiêu chuẩn hoá điện áp đối với đất Đây là điện áp ứng với dòng điện chạm đất tính toán đi qua đất trong bất cứ thời gian nào của năm đều không được vượt quá trị số 250V đối với điện áp trên 1000V và 40V đối với điện áp dưới 1000V

Về điện áp bước cho phép cũng không tiêu chuẩn hoá nhưng không nên cho rằng điện áp bước không nguy hiểm đến tính mạng con người Dòng điện qua hai chân người ít nguy hiểm hơn vì nó không đi qua cơ quan hô hấp, tuần hoàn Nhưng với trị số điện áp bước khoảng 100 - 250V các cơ bắp con người có thể bị

co giật làm người ngã xuống và lúc đó sơ đồ nối điện đã thay đổi(dòng điện đi từ chân qua tay)

1.3 AN TOÀN TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN

Mạng điện đơn giản là mạng điện một chiều và mạng điện xoay chiều 1 pha

1.3.1 Mạng điện cách điện đối với đất

Trên hình vẽ 1.5 vẽ mạng điện cách điện đối với đất điện áp dưới 1000V Khi người chạm vào một cực của mạng điện sẽ tạo nên một mạch kín vì cách điện của mạng điện không bao giờ đạt lí tưởng cho nên r1 và r2 không phải bao giờ cũng có trị số vô cùng lớn cho nên giữa mạng điện và đất có trị số điện dẫn nào đó

Theo sơ đồ đẳng trị ta có (hình 1.5b)

1

1 '

1

r R

r R r

ng

ng

+

= (1.8) Dòng điện tổng của mạch điện I0:

2 ' 1 0

r r

U I

+

= (1.9)

Trang 11

Hình 1.5 Chạm vào một cực của mạng điện hai dây

Điện áp đặt vào người:

Ung=I0.r1’ (1.10) Dòng điện qua người:

) ( 1' 2

' 1

r r R

Ur R

U I

ng ng

ng ng

+

=

= (1.11) Thay trị số r1’ vào phương trình (1-11), ta có :

2 1 2 1

1

) (r r r r R

Ur R

U I

ng ng

ng ng

+ +

=

= (1.12) Giả thiết r1=r2=rcd ,ta có:

cd ng ng

r R

U I

+

=

2 (1.13)

Ơû đây :rcd điện trở cách điện

Từ phương trình này chúng ta thấy của vai trò cách điện đối với điều kiện an toàn Nếu lấy dòng điện an toàn đối với người là 0,01A thì điện trở cách điện không được bé hơn trị số sau:

Trang 12

Lúc đó dòng điện qua người:

ng ng

R

U

I = (1.14) Có nghĩa là giống lúc chạm vào hai cực của mạng điện như đã nói ở trên

Trong các biểu thức (1.13), (1.14) chúng ta không xét đến điện trở của nền nhà

vì điện trở này rất bé,hoặc không tham gia trong sơ đồ Tuy nhiên lúc chạm vào một cực của mạng điện ý nghĩa cách điện của nền nhà rất quan trọng và phải tính đến

( ng n) cd

ng

r r r r R

Ur I

+++

U I

+ +

=

2 (1.16)

Ơû đây :rn-điện trở của nền nhà

1.3.2 Mạng điện có một cực hay một pha nối đất

1.3.2.1 Mạng điện một dây

Mạng điện này chỉ có một dây, còn một dây khác là đất hay là đường ray Tàu điện hay tàu hoả chạy bằng điện làm việc theo sơ đồ hình 1.6

Hình1.6 Chạm vào một cực của mạng điện một dây

Trang 13

r0 – điện trở của nối đất làm việc;

r1 – điện trở cách điện của dây điện;

rn – điện trở của nền

Ur I

n ng

ng = + + + (1.17) Nếu chúng ta xem điện trở r0 có trị số gần bằng không thì biểu thức trên có thể viết:

( ng n)

ng

r R

U I

+

= (1.18)

Nếu người đứng trên đất ướt hay trên đường sắt sẽ chịu một điện áp bằng điện áp toàn bộ của mạng điện.Vận hành mạng nói trên rất nguy hiểm vì thế phải mắc dây dẫn trên cao cách mặt đất một khoảng cách an toàn hoặc có biện pháp cách li dây dẫn không nối đất

1.3.2.2 Mạng điện hai dây

Mạng điện này dùng để đo lường một pha, để cung cấp cho máy biến áp hàn hay cung cấp cho máy biến thế điện áp dùng cho loại cầm tay (hình 1.7)

Lúc bình thường nếu chạm vào dây dẫn có nối đất thì không nguy hiểm gì vì điện áp đặt vào người không lớn(hình 1.7a) Điện áp này được tính bằng:

Ung=Uab=Ilv.rab

Ơû đây: Ilv-dòng điện làm việc của mạng điện

rab-điện trở của đường dây ab

Dù chạm vào điểm b ở cách xa điểm nối đất bao nhiêu,điện áp không bao giờ lớn hơn 5% điện áp toàn mạng điện Điều này chỉ phù hợp với tình trạng làm việc bình thường của mạng điện ứng với dòng làm việc Ilv

Trang 14

Trường hợp nguy hiểm nhất là lúc xảy ra ngắn mạch (hình 1.7b)

Hình 1.7: a Chạm một cực của hai dây có nối đất

b Chạm một cực của mạng điện hai dây có nối đất

Trong trường hợp này điện áp phân bố trên đường dây theo điện trở của dây dẫn Giả thiết tiết diện của dây dẫn bằng nhau tại mọi điểm, khi đó điện áp của điểm c gần bằng U/2 và càng gần điểm a điện áp càng giảm dần

Cần chú ý thêm là lúc mạng điện ở trạng thái bình thường, người chạm vào dây không nối đất mạng điện hai dây điều kiện an toàn sẽ giống như chạm vào một dây của mạng điện một dây đã xét ở phần trên

1.3.3 Mạng điện cách điện đối với đất có điện dung lớn

Những mạng điện chúng ta đã xét ở trên đều không kể đến điện dung của mạng điện Điều kiện chỉ đúng với mạng điện đường dây trên không, điện áp dưới 1000V.Với các mạng điện đường dây cáp điện áp nhỏ hơn 1000V và đường dây trên không,điện áp cao hơn 1000V chúng ta phải tính đến điện dung của mạng điện Với các mạng điện dùng dây cáp mặc dù chiều dài đường dây bé và điện áp thấp vẫn có điện tích rất lớn vì điện dung của lõi cáp đối với đất rất lớn

Trang 15

Đối với đường dây trên không,khi nào điện áp lớn hơn 1000V mới cần tính đến điện dung đối với đất

Nguy hiểm của điện tích tàn dư:

Đường dây tuy đã bị cắt ra khỏi mạng điện nhưng điện tích tàn dư của đường dây vẫn có thể gây nguy hiểm cho người Trong mạch điện xoay chiều, điện áp của điện tích tàng dư không chỉ phụ thuộc vào thông số của mạch điện mà còn phụ thuộc vào thời điểm cắt mạch điện.Điện áp này có thể có trị số bằng hai lần biên độ hay lớn hơn nữa

ng

e R

U I

−

= (1.19)

U0 – điện áp tàn dư của đường dây ứng với thời điểm khi người chạm vào mạch điện, V;

Rng – điện trở người , Ω;

C12 – điện dung giữa các dây dẫn của đường dây bị cắt

Nếu người chảm vào một dây của đường dây bị cắt điện và giả thiết Rcd = ∞ có thể tính gần đúng như sau:

Trong thời điểm của chế độ làm việc chưa ổn định ,người sẽ bị tác dụng dòng điện tích của điện dung dây dẫn 1 đối với đất C11 và của một phần dòng điện,điện dung giữa các dây dẫn C12 (hình 1.9a)

Dùng 2 điện dung nối tiếp 2C12 để thay cho C12 và giả thiết điểm giữa chúng nối đất và chúng ta có hình 1.9b

Hình 1.9 : Chạm vào một cực của đường dây đã cắt điện

Kết quả là lúc ta sờ vào một cực của mạng điện sẽ bị sự phóng điện của 2C12C11

(hình 1.9c)

ng

e R

Trang 18

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 2.1 GIỚI THIỆU

Mục đích nối đất là để đảm bảo an toàn cho người lúc chạm vào các bộ phận có mang điện áp

Khi cách điện bị hư hỏng những phần kim loại của thiết bị điện hay các máy móc khác thường trước kia không có điện, bây giờ có thể mang hoàn toàn điện áp làm việc Khi chạm vào chúng ,ta có thể bị tổn thương do dòng điện gây nên Nối đất là để giảm điện áp đối với đất của những bộ phận kim loại của thiết bị điện đến một trị số an toàn đối với người Những bộ phận này bình thường không mang điện áp nhưng có thể do cách điện bị chọc thủng nên có điện áp xuất hiện trên chúng Như vậy nối đất là sự chủ định nối điện các bộ phận của thiết bị điện với hệ thống nối đất v.v

Ngoài nối đất để đảm bảo an toàn cho người còn có loại nối đất với mục đích : Xác định chế độ làm việc của thiết bị điện Loại nối đất này gọi là nối đất làm việc Nối đất làm việc có nhiệm vụ bảo đảm sự làm việc của thiết bị điện trong các điều kiện 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 , máy bù , nối đất máy biến áp đo lường , nối đất pha trong hệ thống pha – đất

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 do đó tránh được phóng điện ngược từ các phần tử đó đến các bộ phận mang điện và các 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 Thường việc nối đất có những công dụng khác nhau như đã kể trên người ta nối chúng thành một hệ thống nối đất

Trang 19

Nối đất riêng cho các thiết bị là không hợp lý và nguy hiểm vì khi chạm đất ở hai điểm tạo nên thế hiệu nguy hiểm trên phần nối đất của thiết bị, trong trường hợp này hay có dòng điện bé xuất hiện ,trị số của dòng điện này không đủ để cho bảo vệ chạm đất làm việc

Hệ thống nối đất bao gồm các thanh nối đất và dây dẫn để nối đất

Các loại nối đất thông thường được thực hiện bằng một hệ thống những cọc thép hoặc cọc đồng đóng vào đất hoặc những thanh ngang chôn trong đất hoặc cọc và thanh nối liền với nhau và nối liền với vật cần nối đất Cọc thường được làm bằng thép ống hoặc thép thanh tròn không rỉ hoặc thép thanh tròn mạ kẽm (hoặc mạ đồng ) đường kính từ (16 – 60)mm, dài từ (2 – 3)mét hoặc bằng thép góc (40x40)mm, (50x50)mm đóng thẳng đứng vào đất ,còn thanh ngang thường bằng thép thanh tiết diện (3- 5) x (20 – 40)mm2 , hoặc thép thanh tròn đường kính (10-20) mm Cọc và thanh được gọi chung là cọc nối đất Thường được chôn sâu cách mặt đất từ 50-80cm 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 (có thể do đào bới,cày cuốc ) Dòng điện Iđ 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 Điện thế của cực nối đất đối với các điểm có điện thế bằng không được gọi là điện áp cực

Uđ Do đó,điện trở nối đất được xác định bằng trị số : điện áp cực Uđ/trị số dòng điện Iđ qua nó

2.2 CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

2.2.1 Điện trở nối đất:

Điện trở của đất đối với dòng điện đi từ vật nối đất vào đất gọi là điện trở phân tán Điện trở này gồm 2 thành phần :điện trở đường đi của dòng điện phân tán

Trang 20

vào đất và điện trở tiếp xúc giữa vật nối đất và đất Điện trở tiếp xúc giữa đất và đất rất bé vì trước lúc thi công bề mặt của vật nối đất được làm sạch, còn đất đã được nện chặt Do vậy điện trở phân tán của đất đối với dòng điện đi vào đất chính là điện trở của bản thân đất mà thôi

Điện trở phân tán và điện trở các dây dẫn hay thanh nối đất hợp lại thành điện trở suất nối đất Điện trở nối đất có thể xác định bằng công thức:

rd = Ud /Id

Điện trở phân tán và tất nhiên điện trở nối đất phụ thuộc vào điện trở của đất Như trên đả nói, điện trở đất lớn nhất là ở những điểm gần vật nối đất chổ dòng điện đi vào đất Xuất phát từ điều nói trên cần tìm phương pháp làm điện dẫn nối đất được tốt bằng cách cải tạo những lớp đất gần vật nối đất

2.2.2 Điện trở suất của đất:

Điện trở đất là nhân tố chính quyết định điện trở phân tán nối đất cho nên cần nghiên cứu bản chất của nó

Để thuận lợi chúng ta xét điện trở suất của đất

Điện trở suất tính bằng Ω.cm hay Ω.m Do thành phần đất phức tạp nên điện trở suất của đất thay đổi trong phạm vi rất rộng Thực nghiệm cho thấy điện trở suất của đất phụ thuộc vào các yếu tố sau :

- 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

Trang 21

Các loại đất thường gặp là đất cát, đất sét, đất mùn,

Đất cát cấu tạo bởi các hạt thạch anh , đường kính từ 0,2-2mm, có rất ít các chất điện phân và khả năng giữ ẩm kém Khi các bị ẩm khe hỡ giữa các hạt cát sẽ chức đầy nước , điện d64n của cát tăng nhanh và có thể tăng bằng điện dẫn cũa nước

Đất sét cũng có gốc vô cơ , gồm những hạt rất mịn , đường kính khoảng vài phần ngàn milimét và ở trạng thái quánh Trong đất sét có nhiều thành phần muối và axit, đất sét có khả năng giữ ẩm cao nên điện dẫn của nó lớn hơn nhiều so với đất cát

Đất mùn có gốc hữu cơ, cũng ở thể nhão nhưng bở , khả năng giữ ẩm lớn và cũng chứa nhiều dung dịch điện phân

Khi đất sét đất mùn bị ẩm do sự hình thành các dung dịch điện phân , điện dẫn của đất tăng cao có thể vượt cả trị số điện dẫn của nước

Độ ẩm ảnh hưởng rất lớn đến điện trở suất của đất.(Hình 2.1)

Trang 22

lớn

Khi tỉ lệ độ ẩm từ 15% trở lên thì ảnh hưởng của độ ẩm đến điện trở của đất không còn đáng kể Tuy nhiên lúc độ ẩm lớn hơn 70-80% điện trở đất có thể tăng lên Điều này có thể giải thích là đất ở trạng thái bão hoà và ổn định

Nhiệt độ lúc hạ thấp sẽ làm cho đất như bị đông kết lại do đó điện trở đất tăng lên rất nhanh

Khi nhiệt độ đất nhỏ hơn 100 0C điện trở đất bị giảm xuống vì các chất muối bay giờ hòa tan trong đất Ở nhiệt độ trên 100 0C nước bị bốc hơi và điện trở tăng lên rất nhanh Về điểm này nhiệt lượng do dòng điện chạm đất tạo nên có ý nghĩa rất quan trọng

Khi đất chặt tức là mật độ đất lớn nên điện trở giảm Chính vì thế cần nện chặt đất quanh chổ chôn vật nối đất Các chất muối, bazơ, axit hòa tan trong đất làm điện trở của đất giảm đi rất nhiều

Ở nước ta, trong năm, do điều kiện khí tượng thay đổi làm cho nhiệt độ của đất , hàm lượng của ẩm trong đất, và độ bảo hòa của chúng ở các tầng đất khác nhau cũng thay đổi Do đó điện trở suất của đất biến đổi trong một phạm vi rộng , trị số trong mùa khô và mùa mưa có thể khác nhau rất xa Trị số điện trở suất tin cậy nhất dùng trong tính toán thiết kế hệ thống nối đất có được bằng cách đo đạt tại chổ Trị số đo được ρđo phải nhân với một hệ số an toàn để chú ý đến khả năng tăng điện trở suất do sự thay đổi tăng điện trở suất do sự thay đổi trạng thái của đất khithời tiết trong năm thay đổi ,do đó còn gọi là hệ số mùa Km Điện trở tính toán của đất được xác định :

ρtt = ρđo x Km

Trong đó :

ρtt : điện trở suất tính toán của đất

Trang 23

ρđo : điện trở suất của đất đo được

Km : hệ số mùa , phụ thuộc vào loại nối đất, loại điện cực, độ chôn sâu

Bảng thông số điện trở suất một số loại đất thông dụng

Loại đất Điện trở suất

ρ (Ω.m)

Loại đất Điện trở suất

ρ (Ω.m)

2.2.3 Hình dáng của các vật nối đất:

2.2.3.1 Cọc nối đất hình ống hay hình thanh chữ nhật:

Với cọc nối đất riêng rẽ điện trở phân tán có thể tính như sau:

Khi ống hay thanh nối đất cắm sâu xuống đất cả toàn bộ chiều dài(cm)

d

l l

d- đường kính của ống hay của thanh, cm;

ρ- điện trở suất của đất Ω.cm

Kinh nghiệm cũng như tính toán cho thấy rằng điện trở phân tán của vật nối đất giảm xuống khi càng tăng độ dài của chúng Nhưng lúc chiều dài vượt quá 2-3mét thì điện trở giảm xuống không rõ rệt

Đường kính của ống nối đất ảnh hưởng rất ít đến điện trở phân tán.Vì vậy đường kính các ống thường lấy vào khoảng 35-50mm để đảm bảo độ bền cơ học

Trang 24

Hình 2-2: Điện trở phân tán của vật nối đất

2.2.3.2 Vật nối đất hình thanh mỏng:

Những thanh sắt mỏng dùng để nối đất với nhau hay nối các cọc nối đất với các thiết bị cần nối đất.Những thanh sắt mỏng này là vật nối đất phụ

Điện trở phân tán cuả thanh mỏng này được tính theo công thức:

2

ln2

2

b h

l l

R t

−

=

πρ

ρ- điện trở suất của đất Ω.cm

l- chiều dài của thanh cm

h- chiều dài chôn xuống đất cm

b- chiều rộng của thanh cm

Chiều rộng và nhất là bề dầy ít ảnh hưởng đến trị số của điện trở phân tán.Các thanh này thường được chôn sâu xuống đất khoảng 0,4 – 0,6 m Nếu cần dùng thanh tròn vẫn có thể tính theo công thức trên nhưng cần thay b=4r

Trang 25

CHƯƠNG 3 CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CÓ VÀ KHI

KHÔNG CÓ XÉT ĐẾN THÀNH PHẦN CẢI TẠO ĐẤT

Trên thực tế có rất nhiều mô hình toán học tính toán điện trở nối đất của hệ thống nối đất Trong phạm vi luận văn này ta nghiên cứu đến mô hình tính toán điện trở của một cọc nối đất trong cấu trúc đất nhiều lớp trong hai trường hợp : Khi không có xét đến thành phần cải tạo đất và khi có xét đến thành phần cải tạo đất

Trước tiên, ta chọn nghiên cứu đến bài báo đăng trên tạp chí IEEE Transactions

on Power Delivery Vol.6, No.2, April 1991 : CALCULATION OF EARTH RESISTANCE FOR A DEEP-DRIVEN ROD IN A MULTI-LAYER EARTH STRUCTURE (TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ CỦA CỌC NỐI ĐẤT TRONG CẤU

TRÚC ĐẤT NHIỀU LỚP) do hai đồng tác giả là thành viên IEEE : Takehiko Takahashi và Taro Kawase

3.1 TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ CỦA CỌC NỐI ĐẤT TRONG CẤU TRÚC ĐẤT NHIỀU LỚP (KHI KHÔNG CÓ XÉT ĐẾN THÀNH PHẦN CẢI TẠO ĐẤT)

3.1.1 Tóm tắt:

Để có được những công thức tính toán điện trở của cọc nối đất chôn thẳng đứng qua nhiều lớp đất, việc mô tả điện thế trong cấu trúc đất nhiều lớp tương tự như việc mô tả trong cấu trúc đất hai lớp Thêm vào đó, bằng cách ứng dụng dãy thông số test vào trong các công thức, điện trở của cọc nối đất trong cấu trúc đất nhiều lớp thông qua các công thức tính toán Mục đích các công thức mô tả ở đây nhằm giúp cho người thiết kế nối đất tính toán điện trở đất mong muốn bằng cách thiết lập chính xác độ sâu hoặc chiều dài cọc nối đất qua nhiều lớp đất

Trang 26

3.1.2 Các công thức cơ bản:

Giả sử đất đồng nhất và đẳng hướng có điện trở suất ρ ,dòng phân bố trên mặt đất dạng cầu bán kính s, với nguồn dòng I0 ở tâm

02

4 s

I i

π

= (3.1) Điện trường E=ρi (3.2)

⇒ điện thế trên mặt đất : 02

4 s

I gradV

) (

π

d r J e

I

V z (3.4)

J0(λr) là hàm Bessel loại 1

Hình 3.1 Điện thế tại điểm bất kỳ trong đất

3.1.2.1 Mô hình đất 2 lớp xếp thành tầng theo phương ngang

Trong mô hình này, giả sử lớp đất m có nguồn dòng Im Cài đặt z0 cho hệ thống toạ độ trụï ở chiều sâu t từ mặt đất z=-t Giả sử điện trở suất lớp đất m là ρm , khi đó:

Trang 27

= ∫∞ −

0

0 / /

) (

π

d r J e

I

V m m z (3.5) Trong cấu trúc đất 2 lớp có ρ1:điện trở suất lớp trên

ρ2:điện trở suất lớp dưới

(1) Điện thế sinh ra do nguồn dòng trong lớp trên:

Giả sử nguồn dòng lớp trên là I1,điện thế V11 và điện thế lớp dưới V12

11 1 1 0

I V

12 1 1

1 1

ρρ

Kết quả cuối cùng của V11 có được sau khi giải và sắp xếp lại:

λ λ

λ λ

d x J e e

k

e e

k e e

k

e k e e

I

t h h

z h

h zt

z

) ( 1

1

1

) ( 2 2

1 2

1

2 1 2

−

+ +

K1 là hệ số phản xạ ở điều kiện biên giữa 2 lớp

1 2

1 2

ρρ

i i i

k

ρρ

ρρ

1 -1≤ ki ≤1

Trang 28

Hình 3.2 Cấu trúc đất 2 lớp

Thay z=-t vào công thức (3.8), ta được công thức tính điện thế trên mặt đất:

1

2 1 1

d x J e

k

e e k e

I

t h t

(3.9)

(2) Điện thế sinh ra do nguồn dòng trong lớp dưới:

Đặt z=0 ở chiều sâu t tính từ mặt đất, và thiết kế nguồn dòng I2 ,điện thế lớp

trên V21 và điện thế lớp dưới là V22

21 2

22 2 2

1 2

2

1

) 1

e k I

t

(3.12)