CHƯƠNG TRÌNH hóa THIẾT kế hệ THỐNG nối đất CHO TRẠM BIẾN áp CAO THẾ THEO TIÊU CHUẨN IEEEStd 80 2013

CHƯƠNG TRÌNH hóa THIẾT kế hệ THỐNG nối đất CHO TRẠM BIẾN áp CAO THẾ THEO TIÊU CHUẨN IEEEStd 80 2013 CHƯƠNG TRÌNH hóa THIẾT kế hệ THỐNG nối đất CHO TRẠM BIẾN áp CAO THẾ THEO TIÊU CHUẨN IEEEStd 80 2013 CHƯƠNG TRÌNH hóa THIẾT kế hệ THỐNG nối đất CHO TRẠM BIẾN áp CAO THẾ THEO TIÊU CHUẨN IEEEStd 80 2013

Vấn đề nối đất và thực hiện nối đất đã được áp dụng trong hệ thống điện từ rất lâu Tuy nhiên, việc tính toán thiết kế hệ thống nối đất ở nước ta chủ yếu dựa vào kinh nghiệm và chỉ dựa chủ yếu vào giá trị điện trở của hệ thống nối đất Khi thiết kế hệ thống nối đất, phải chắc chắn rằng tất cả các thiết bị được nối đất phải đảm bảo an toàn khi tiếp xúc Điện trở của hệ thống nối đất phải luôn ổn định trong suốt thời gian tuổi thọ

Điện trở nối đất của hệ thống nối đất và giá trị lớn nhất dòng điện giật có mối quan

hệ rất phức tạp Vì vậy, điện trở nối đất của trạm biến áp có giá trị nhỏ cũng có thể nguy hiểm trong khi trạm khác có điện trở nối đất lơn hơn nhưng an toàn

Nhiê ̣m vu ̣ chính của luâ ̣n văn này là nghiên cứu tiêu chuẩn IEEE Std 80 – 2013 trong thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp Từ đó, áp dụng để thiết kế và tính toán

hệ thống nối đất trong trạm biến áp cho trường hợp lưới nối đất đều và lưới nối đất không đều để đảm bảo an toàn tính mạng cho con người khi vận hành, và bảo vệ những thiết bị đang vận hành trong hệ thống điện trong điều kiện làm việc bình thường cũng như trong điều kiện xảy ra sự cố

Chương trình tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp đươ ̣c xây dựng trong môi trường Matlab cho kết quả tính toán tin cậy, chính xác và ta ̣o tiê ̣n ích cho người sử dụng

Grounding problems and implement the grounding has been applied in the power system for a long time However, the calculation and design of the grounding system in our country is mainly based on experience and rely mainly on resistance values of grounding system The grounding system is designed to ensure that all equipment is grounded to ensure safety when exposed Resistance of grounding system must be remained stable during the lifespan

Therelationshipbetween resistance of the grounding system and the maximum value

of electric shock currentis highly complex Therefore, the grounding resistance of the station which has a small value can be dangerous whilethe othershave greater than but safe

The main task of this thesis is research the IEEE Std80 – 2013 standard for safety in

AC substation grounding system Since then, apply to the design and calculationof the substation grounding system in case of the spacing between parallel conductors is even and unevento ensure the safety for human and devices when operating in normal working and incident conditions

The program calculates the grounding system for the substation is built in the Matlab environment for reliable calculation results and precision and create utility for users

Trang

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i

BIÊN BẢN CHẤM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ii

NHẬN XÉT CỦA GVPB 1 iii

NHẬN XÉT CỦA GVPB 2 v

LÝ LỊCH KHOA HỌC vii

LỜI CAM ĐOAN ix

LỜI CẢM ƠN x

TÓM TẮT xi

ABSTRACT xii

MỤC LỤC xiii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮC xvii

DANH SÁCH CÁC HÌNH xviii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xix

Chương 1:TỔNG QUAN 1

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

1.2 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 2

1.3 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN 2

1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

1.6 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 2

1.7 BỐ CỤC LUẬN VĂN 3

2.1 MỤC ĐÍCH CỦA TIÊU CHUẨN 4

2.2 VẤN ĐỀ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 4

2.2.1 Những vấn đề cơ bản 4

2.2.2 Những điều kiện nguy hiểm 6

2.3 TÁC HẠI CỦA DÕNG ĐIỆN ĐỐI VỚI CƠ THỂ NGƯỜI 7

2.3.1 Ảnh hưởng của tần số 7

2.3.2 Ảnh hưởng của biên độ và thời gian tác dụng của dòng điện 8

2.3.3 Tầm quan trọng của việc cắt nhanh sự cố 8

2.4 GIỚI HẠN DÕNG ĐIỆN CƠ THỂ NGƯỜI CHỊU ĐỰNG 9

2.4.1 Công thức thời gian tác dụng 9

2.4.2 Vấn đề đóng lại của đường dây khi sự cố 9

2.5 MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG KHI NGƯỜI BỊ TẠI NẠN ĐIỆN 10

2.5.1 Điện trở của cơ thể người 10

2.5.2 Đường đi của dòng điện qua cơ thể người 10

2.5.3 Mạch điện tương đương khi người bị điện giật 10

2.5.4 Ảnh hưởng của bề dày lớp đất bề mặt 13

2.6 GIÁ TRỊ LỚN NHẤT CHO PHÉP CỦA ĐIỆN ÁP BƯỚC VÀ ĐIỆN ÁP TIẾP XÖC 14

2.7 XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRỞ CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 15

2.7.1 Công thức Sverak 16

2.4.2 Công thức Schward 16

2.8 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 18

2.8.1 Trình tự thiết kế 18

Chương 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VỚI LƯỚI NỐI ĐẤT PHÂN BỐ

ĐỀU 23

3.1 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ 23

3.2 THỰC HIỆN THIẾT KẾ LƯỚI NỐI ĐẤT CỤ THỂ 32

Chương 4:THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VỚI LƯỚI NỐI ĐẤT PHÂN BỐ KHÔNG ĐỀU 37

4.1.XÂY DỰNG HÀM QUAN HỆ 37

4.1.1 Đối với điện trở suất trong khoảng 120 ≤ ρ < 200 Ωm 37

4.1.2 Đối với điện trở suất trong khoảng 200 ≤ ρ <300 Ωm 39

4.1.3 Đối với điện trở suất trong khoảng 300 ≤ ρ <400 Ωm 40

4.1.4 Đối với điện trở suất trong khoảng 400 ≤ ρ <500 Ωm 41

4.1.5 Đối với điện trở suất trong khoảng 500 ≤ ρ <600 Ωm 42

4.2 XÂY DỰNG HÀM ĐỘ LỢI 43

4.2.1 Hàm độ lợi khi điện trở suất 120 ≤ ρ < 200 Ωm 43

4.2.2 Hàm độ lợi khi điện trở suất 200 ≤ ρ <300 Ωm 44

4.2.3 Hàm độ lợi khi điện trở suất 300 ≤ ρ <400 Ωm 44

4.2.4 Hàm độ lợi khi điện trở suất 400 ≤ ρ <500 Ωm 45

4.2.5 Hàm độ lợi khi điện trở suất 500 ≤ ρ <600 Ωm 45

4.3 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ 46

4.4 THỰC HIỆN THIẾT KẾ LƯỚI NỐI ĐẤT CỤ THỂ 51

5.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỀN 56

PHỤ LỤC 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

IEEE: Institute of Electrcal and Electronics Engineers

Hình 2.1: Hệ thống có trung tính nối đất trực tiếp 5

Hình 2.2.Hệ thống có trung tính nối đất qua thiết bị bảo vệ 6

Hình 2.3.Điện áp tiếp xúc 11

Hình 2.4.Sơ đồ mạch điện cho điện áp tiếp xúc 11

Hình 2.5.Điện áp bước 12

Hình 2.6 Sơ Sơ đồ mạchđiện cho điện áp bước 12

Hình 2.7.Quan hệ giữa bề dày lớp đất bề mặt hs và hệ số Cs với s=1500m 14

Hình 2.8.Đồ thị xác định hệ số (a) k1 và (b) k2 17

Hình 3.1 Điện áp tiếp xúc 39

Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện áp tiếp xúc 40

Hình 3.3 Điện áp bước 40

Hình 3.4 Sơ đồ mạch điện áp bước 41

Hình 3.5 Quan hệ giữa bề dày lớp đất bề mặt hs và hệ số Cs vớis=1500m 43

Trang

Bảng 2.1.Ý nghĩa của các thông số trong tiêu chuẩn .21

Bảng 3.1 Các thông số của một số kim loại 24

Bảng 3.2 Các thông số của một số kim loại .26

Bảng 3.3 Giá trị của Df theo tf và X/R .28

Bảng 4.1 Hệ số Kttheo tỉ lệ L1/L2 .47

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nối đất an toàn trong hệ thống điện đóng vai trò rất quan trọng để bảo vệ an toàn cho người và thiết bị Trong mạng lưới truyền tải điện cũng như mạng điện công nghiệp, vỏ thiết bị bình thường không mang điện nhưng khi xuất hiện điện áp bất ngờ

do chạm vỏ hoặc xuất hiện dòng rò thì có thể gây nguy hiểm đến tính mạng con người khi sử dụng Việc triển khai một hệ thống nối đất an toàn trong hệ thống điện là cấp thiết và phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật nhằm mang lại hiệu quả cho người sử dụng và thiết bị điện Ý nghĩa của nối đất là tạo nên giữa vỏ thiết bị và đất một mạch điện có độ dẫn điện lớn hơn điện dẫn của cơ thể người, để cho dòng điện đi qua người khi chạm vào vỏ thiết bị trở nên không nguy hiểm

Khi dòng điện xoay chiều chạy qua hệ thống điện cực nằm ngang đi vào đất tạo nên trong đất quanh nó một điện trường, do đó việc phân bố điện trường trong đất kể cả mặt đất cũng sẽ tạo ra một điện thế nhất định Vì vậy, khi đề cập đến lưới nối đất an toàn, ta không chỉ quan tâmđến giá trị của điện trở nối đất mà còn phải quan tâm đến

độ chênh lệch điện thế trong lưới nối đất nhằm giảm điện áp bước và điện áp tiếp xúc khi xảy ra sự cố chạm vỏ Với một lưới nối đất an toàn được thiết kế theo tiêu chuẩn IEEE Std 80 sẽ xác định được giá trị của điện áp bước và điện áp tiếp xúc trong giới hạn cho phép

Đề tài: ‟Chương trình hóa thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao thế theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013” sẽ nghiên cứu tiêu chuẩn IEEE Std 80 – 2013 để thiết kế

hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao thế đối với lưới đều và lưới không đều thỏa các điều kiện an toàn về điện trở nối đất và điện áp bước và điện áp tiếp xúc

1.2 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu cũng như các bài báo khoa học đã đề cập đến việc tính toán thiết kế hệ thống nối đất thỏa các điều kiện về điện áp bước và điện áp tiếp xúc theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 Tuy nhiên vẫn chưa thiết kế tổng quát được các hình dạng lưới nối đất cũng như chưa đề cập đến việc thiết kế cho lưới nối đất không đều.Và chưa chương trình hóa được trên môi trường Matlab một cách tổng quát và tiện dụng nhất

Luận văn cao học “Nghiên cứu phân bố lưới nối đất an toàn trạm biến áp” đã đưa ra được bảng số liệu thực nghiệm trong việc thiết kế tối ưu hóa số lượng thanh dẫn nối đất giữa lưới nối đất phân bố không đều so với lưới nối đất phân bố đều Và để thuận tiện hơn trong quá trình thiết kế, cần thiết phải xây dựng được các hàm toán học tổng quát cũng như trình tự các bước thiết kế cụ thể để có thể chương trình hóa việc thiết kế, đặc biệt trên môi trường Matlab, tiết kiệm thời gian và công sức cũng như đảm bảo tính chính xác trong quá trình thiết kế hệ thống nối đất

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài này là phân tích các bước thiết kế hệ thống nối đất trong tiêu chuẩn IEEE Std 80 – 2013 để thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao

thế trong trường hợp lưới nối đất đều và không đều

Từ đó chương trình hóa các bước thiết kế bằng phần mềm Matlab, xuất các giá trị tính toán và so sánh sự cũng như đánh giá tính tối ưu đối giữa lưới nối đất đều và không đều

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Chọn lọc, thu thâ ̣p và đo ̣c hiểu những tài liê ̣u liên quan đến hệ thống nối đất

 Nghiên cứu tiêu chuẩn IEEE Std80 - 2013 thiết kế hệ thống nối đất cho trạm

hợp lưới nối đất đều và không đều

 Xây dựng chương trình tính toán hệ thống nối đất trong môi trường Matlab

 Xuất kết quả và so sánh cũng như đánh giá hiệu quả thiết kế đối với lưới nối đất đều và không đều

1.6 BỐ CU ̣C LUẬN VĂN

 Chương 1: TỔNG QUAN

 Chương 2: TIÊU CHUẨN IEEE Std 80-2013 VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP CAO THẾ

 Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VỚI LƯỚI PHÂN BỐ ĐỀU

 Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VỚI LƯỚI PHÂN BỐ KHÔNG ĐỀU

 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN

Chương 2

TIÊU CHUẨN IEEE Std 80-2013 VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP CAO THẾ

2.1 MỤC ĐÍCH CỦA TIÊU CHUẨN

Mục đích của tiêu chuẩn này là cung cấp những hướng dẫn và thông tin thích hợp cho thiết kế hệ thống nối đất trong trạm biến áp Những mục đích cụ thể của tiêu chuẩn bao gồm [1]:

 Thiết lập, những vấn đề nền tản cho việc thiết kế như: giới hạn an toàn sự chênh lệnh điện thế có thể tồn tại trong trạm khi sự cố xảy ra và những điểm mà con người có thể tiếp xúc

 Xem xét những hệ thống nối đất thực tế với những tham khảo đặc biệt về an toàn

để đưa ra những tiêu chuẩn cho thiết kế nối đất an toàn

 Cung cấp qui trình cho thiết kế hệ thống nối đất dựa vào tiêu chuẩn này

 Phát triển phương pháp phân tích giúp nhận biết và giải quyết vấn đề chênh lệch điện áp

2.2 VẤN ĐỀ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

2.2.1 Những vấn đề cơ bản

Thiết kế hệ thống nối đất an toàn phải đảm bảo hai mục đích sau:

 Đảm bảo truyền dòng điện vào trong đất dưới điều kiện bình thường và sự cố mà không vượt quá giá trị vận hành và giới hạn chịu đựng của thiết bị hoặc không ảnh hưởng đến sự liên tục cung cấp điện

 Đảm bảo rằng con người trong vùng lân cận hệ thống nối đất không đối mặt với những nguy hiểm về điện giật

Trước đây, người ta thường cho rằng bất kỳ thiết bị nào được nối đất đều có thể tiếp xúc an toàn Thực tế, mối liên hệ giữa điện trở của hệ thống nối đất và dòng điện chạy qua cơ thể người là mối liên hệ phức tạp với nhiều thông số liên quan Vì vậy, một trạm biến áp có điện trở nối đất tương đối thấp có thể nguy hiểm trong khi một trạm biến áp khác có điện trở cao hơn nhưng lại có thể đảm bảo an toàn cho con người

Hình 2.1: Hệ thống có trung tính nối đất trực tiếp Trong trường hợp này, trạm được cấp điện bởi đường dây trên không có dây trung tính nôi đất trực tiếp.Nếu có sự cố ngắn mạch, hầu hết dòng ngắn mạch sẽ chạy vào lưới nối đất làm cho điện áp phân bố trong trạm phân bố với sự chênh lệch lớn Do đó, trạm cần thiết có điện trở nôi đất thấp[2]

Trong một số trường hợp khác, ảnh hưởng của phần dòng điện chạy vào đất trong khu vực trạm cần thiết phải phân tích Nếu hình dạng, kích thước của cực nối đất, đặc tính của đất và các nhân tố khác có thể tạo nên đường dốc điện áp quá mức cho phép trên bề mặt trạm thì hệ thống nối đất cũng xem như không đạt yêu cầu, mặc dù nó có

thể dẫn dòng điện có biên độ đủ lớn và thời gian cho phép rơ le bảo vệ có thể phát hiện

và cắt sự cố

Hình 2.2: Hệ thống có trung tính nối đất qua thiết bị bảo vệ Trong trường hợp này, khi xảy ra sự cố thì một phần dòng sự cố sẽ chạy ngược trở lại qua thiết bị bảo vệ để chạy về nguồn.Như vậy phân bố điện áp trong trạm sẽ có sự chênh lệch ít hơn và ít nguy hiểm hơn

2.2.2 Những điều kiện nguy hiểm

Khi có sự cố chạm đất thì dòng điện chạy vào đất và tạo ra sự chênh lệch điện áp ở bên trong và xung quanh trạm biến áp Khi tiêu chuẩn an toàn không đưa vào thiết kế thì chênh lệch điện áp lớn ở trên bề mặt đất trong điều kiện sự cố sẽ gây nguy hiểm cho người Ngoài ra điện áp nguy hiểm này cũng phát triển giữa kết cấu nối đất hoặc vỏ thiết bị và những điểm ở gần[3]

Những tình huống có thể xảy ra tai nạn điện giật:

 Dòng sự cố lớn chạy vào trong hệ thống nối đất nhưng không thoát hết xuống đất

 Do điện trở suất cuả đất và dòng chạy vào đất tạo ra điện thế cao trên bề mặt

 Có sự hiện diện của những yếu tố: thời gian, vị trí cơ thể con người tiếp xúc vào hai điểm có sự chênh lệch điện thế cao

 Tiếp xúc trực tiếp hoặc không có điện trở mắc nối tiếp để hạn chế dòng qua cơ thể người xuống dưới mức an toàn

 Do thời gian bị sự cố và cách tiếp xúc của cơ thể người nên dòng điện qua lâu dẫn đến nguy hiểm

2.3 TÁC HẠI CỦA DÕNG ĐIỆN ĐỐI VỚI CƠ THỂ NGƯỜI

Dòng điện truyền qua cơ thể con người sẽ gây ra tác dụng về nhiệt, về điện và về sinh học:

 Tác động về nhiệt gây nguy hiểm lớn cho cơ thể, chủ yếu là đốt cháy cơ thể Dòng điện qua cơ thể có thể gây bỏng, đốt nóng các mạch máu, dây thần kinh, tim, não, và các bộ phận khác của cơ thể, dẫn đến phá hủy hoặc làm rối loạn chức năng của các bộ phận này

 Tác dụng điện phân như phân hủy các chất lỏng có trong cơ thể, đặc biệt là máu dẫn đến phá hủy máu cũng như các mô trong cơ thể

 Tác dụng kích thích, phá hoại quá trình sinh học của cơ thể Kích thích các tế bào, gây ra co giật các cơ bắp làm tổn thương, phá hoại và làm ngừng hoàn toàn sự hoạt động của các cơ quan hô hấp, tuần hoàn và cả hệ thần kinh

Ảnh hưởng của dòng điện qua cơ thể người phụ thuộc vào thời gian, biên độ và tần

số

2.3.1 Ảnh hưởng của tần số

Con người có thể bị thương tích do ảnh hưởng của dòng điện tần số 50 Hz đến 60Hz, ở giá trị dòng điện xấp xỉ 0,1A có thể gây tử vong Một số kết quả nghiên cứu cho thấy cơ thể con người có thể chịu được dòng điện có tần số 25Hz gấp 5 lần dòng

điện một chiều Ở tần số 3000 – 10000Hz thì có thể chịu được dòng điện cao hơn, một

số trường hợp cao hơn có thể chịu được dòng điện lớn cỡ dòng điện sét[4]

2.3.2 Ảnh hưởng của biên độ và thời gian tác dụng của dòng điện

Với một giá trị của tần số, tùy theo mức độ của biên độ dòng điện sẽ gây tác dụng khác nhau đến cơ thể con người:

 Dòng điện 1mA thông thường có thể cảm giác được, khi đó con người cảm giác ngứa ngáy ở bàn tay hoặc ở các đầu ngón tay nơi có dòng điện chạy qua

 Dòng điện từ 1 – 6 mA bắt đầu gây giật nhưng con người có thể thoát khỏi được

 Dòng điện từ 9 – 25 mA có thể gây đau đớn và con người cứng các cơ khớp không thể thoát ra khỏi mạng điện được.Dòng điện có thể làm teo cơ, gây khó thở

 Dòng điện từ 60 – 100mA làm cho tim ngưng đập và gây tử vong

Qua các giá trị trên nhận thấy việc xác định ngưỡng nguy hiểm của dòng điện đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống nối đất Nếu việc thiết kế hệ thống nối đất quan tâm đến việc hạn chế dòng điện qua cơ thể con người dưới các ngưỡng này sẽ tránh được nguy hiểm cho con người[5]

Dalziel đã đưa ra biểu thức quan hệ giữa dòng điện giới hạn trong khoảng thời gian tác dụng 0.03 – 3 s với năng lượng tác động lên cơ thể con người:

Trong đó:

IB : là giá trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua cơ thể người

ts : là thời gian tác dụng của dòng điện

SB :là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào năng lượng dòng điện mà cơ thể con người có thể chịu được

2.3.3 Tầm quan trọng của việc cắt nhanh sự cố

Theo biểu thức liên hệ trong phương trình (2.1) trên, nhận thấy việc cắt nhanh dòng

sự cố có hai ưu điểm chính:

 Khả năng bị điện giật giảm đi nhiều do việc rút ngắn thời gian tồn tại của dòng điện

 Việc kiểm tra kết quả thực nghiệm cũng ghi nhận khả năng gây nguy hiểm của dòng điện sẽ giảm đi rất nhiều nếu rút ngắn thời gian tác dụng của nó

2.4 GIỚI HẠN DÕNG ĐIỆN CƠ THỂ NGƯỜI CHỊU ĐỰNG

2.4.1.Công thức thời gian tác dụng

Biên độ và thời gian tác dụng của dòng điện có tần số từ 50 – 60 Hz mà con người

có thể chịu đựng được xác định theo phương trình (2.1)

Ghi nhận rằng khoảng 99,5 % số người có thể an toàn khi dòng điện với biên độ và thời gian tác dụng không vượt quá giá trị theo các biểu thức sau:

2.4.2.Vấn đề đóng lại của đường dây khi sự cố

Ở hệ thống điện có thiết bị tự đóng lại, khi có sự cố ngắn mạch chạm đất sau một thời gian t1 duy trì sự cố gây nên lần điện giật thứ 1, tuy nhiên không gây nguy hiểm cho người do tự động cắt sự cố Sau một thời gian t2 thiết bị sẽ tự động đóng lại và duy trì trong thời gian t3, gây nên lần điện giật thứ 2 và có thể gây nguy hiểm cho con

2.5 MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG KHI NGƯỜI BỊ TẠI NẠN ĐIỆN

2.5.1 Điện trở của cơ thể người

Đối với dòng điện DC hoặc dòng điện AC tần số 50 – 60 Hz cơ thể người được đặc trưng bởi một giá trị điện trở Đường đi của dòng điện được xem xét đi từ tay sang chân hay từ chân sang chân Điện trở bên trong cơ thể người khoảng 300 và giá trị điện trở của cơ thể người bao gồm cả da khoảng 500 đến 3000 Điện trở của cơ thể người sẽ giảm khi da bị thương hay bị rách ở điểm tiếp xúc Trong tiêu chuẩn này giá trị điện trở người được chọn là 1000[6]

2.5.2 Đường đi của dòng điện qua cơ thể người

Điện trở người được chọn có giá trị 1000 và đường đi của dòng điện qua cơ thể người từ tay đến 1 hoặc 2 chân và dòng điện đi qua các bộ phận quan trọng của cơ thể người bao gồm cả tim Đồng ý rằng dòng điện đi qua cơ thể người theo hướng từ chân sang chân thì ít nguy hiểm hơn Những thí nghiệm được hoàn thành tại Đức cho thấy dòng điện đi từ chân sang chân lớn hơn dòng điện đi từ tay sang chân thì dòng điện qua tim vẫn như nhau

Từ những kết luận này thấy được giá trị điện trở người có thể lớn hơn 1000 khi đường đi của dòng điện từ chân sang chân Tuy nhiên phải xem xét hai yếu tố sau đây:

 Điện áp giữa 2 chân, bệnh tật nhưng chưa tử vong, có thể dẫn đến dòng điện qua ngực lớn

 Một người đang làm việc hoặc đang nghỉ ngơi trong tư thế nằm sấp khi sự cố xảy ra

2.5.3 Mạch điện tương đương khi người bị điện giật

Dòng điện sẽ chạy qua cơ thể con người tạo thành một mach khép kín

Sử dụng giới hạn dòng điện qua cơ thể người được cho ở công thức (2.4) và (2.5) và mạch điện tương đương để xác định giới hạn điện áp giữa 2 điểm tiếp xúc

Hình 2.3: Điện áp tiếp xúc Với: Ib là dòng qua cơ thể người; RA là điện trở của mạch sự cố; VA là tổng điện áp của mạch

Hình 2.3 cho thấy dòng điện sự cố đi vào đất thông qua hệ thống nối đất của trạm Người tiếp xúc với bộ phận bằng kim loại ở vị trí H Điện thế tại H bằng với điện thế của lưới nối đất khi dòng sự cố chạy vào lưới Điện thế tại F là điện thế trên bề mặt đất tại vị trí 2 chân người tiếp xúc Dòng điện Ib đi từ H qua cơ thể người đến F xuống đất

Hình 2.4:Sơ đồ mạch điện cho điện áp tiếp xúc

B th

th b

R Z

V I



Với: Vth là điện áp giữa 2 điểm H và F khi người chưa tiếp xúc; Zth là tổng trở của

hệ thống nhìn từ H và F, nối tắt nguồn áp hệ thống; RB là điện trở của người; Ib là dòng điện qua cơ thể người

Hình 2.5: Điện áp bước Hình 2.5 cho thấy dòng điện sự cố đi vào đất thông qua hệ thống nối đất của trạm Dòng điện Ib đi từ chân F1 qua cơ thể người đến F2 F1 và F2 là 2 điểm trên bề mặt hệ thống nối đất mà người tiếp xúc

Hình 2.6: Sơ đồ mạchđiện cho điện áp bước

Vth: Điện áp giữa 2 điểm F1 và F2 khi người chưa tiếp xúc

Zth: Tổng trở của hệ thống nhìn từ F1 và F2, nối tắt nguồn áp hệ thống

Rf: Điện trở tiếp đất của 1 chân người (bỏ qua điện trở của hệ thống nối đất)

Ib: Dòng điện qua cơ thể người

- Khi xác định điện áp bước thì Z th = 2R f = 6s

- Khi xác định điện áp tiếp xúc thì Z th = 0,5R f = 1,5s

Do đó điện áp bước và điện áp tiếp xúc giới hạn là

E touch =I b (R B +1,5s ) (V) (2.8)

2.5.4 Ảnh hưởng của bề dày lớp đất bề mặt

Các phương trình trên dược xem như áp dụng cho đất đồng nhất.Tuy nhiên, trên bề

mặt trạm thường rãi lớp đá dày từ 0.08 – 0.15 m để tăng điện trở giữa người và lớp đất

tiếp xúc trong trạm Khu vực trải đá này đủ rộng để xem như con người tiếp xúc với

lớp đất có điện trở suất đồng đều theo phương ngang Tuy nhiên với lớp đá khá mỏng

sẽ xem như đất không đồng nhất theo phương đứng khi xác định điện trở[7]

Nếu lớp đất phía dưới có điện trở suất thấp hơn lớp đất bề mặt thì dòng điện đi

ngược lên lớp đất bề mặt rất nhỏ và điện áp trên bề mặt đều nhau.Dòng điện qua cơ thể

người thấp hơn bởi vì điện trở tiếp xúc giữa chân người và đất lớn hơn.Hệ số suy giảm

này phụ thuộc vào điện trở suất của lớp đất phía dưới, điện trở suất của lớp đất bề mặt

Cs là hệ số hiệu chỉnh làm giảm điện trở suất của lớp đất bề mặt

b = 0,08 m (bán kính qui đổi của bàn chân khi tính điện trở)

2

1 2 2

0

1 1

2

2

.2

2sin

81

s s

b n n S

h n b

r h

n b

r

b K

b c



Hình 2.7: Quan hệ giữa bề dày lớp đất bề mặt hs và hệ số Cs với s=1500m

Nhận xét: Khi bề dày lớp đất bề mặt càng tăng thì hệ số Cs càng tăng và tiến gần đến

1 nghĩa là khi bề dày lớp đất bề mặt lớn thì ta có thể xem như đất đồng nhất và điện trở

suất bằng điện trở suất lớp đất bề mặt

Cs: Được xác định theo công thức đơn giản với sai số 5%

09.02

)1(09.01

Điện áp bước và điện áp tiếp xúc lớn nhất cho phép là tiêu chuẩn để thiết kế hệ

thống nối đất an toàn Nếu như điện áp bước và điện áp tiếp xúc của lưới nối đất nhỏ

hơn giá trị này thì lưới nối đất này thoả mãn yêu cầu.Giá trị điện áp bước và điện áp

tiếp xúc lớn nhất này mà càng nhỏ thì việc thiết kế lưới nối đất để thoả mãn ngày càng

K=-0.1

K=-0.9

C

E .70 (10001.5  )0.157

(2.15) Điện áp bước giới hạn đối với người có khối lượng 50kg và 70kg:

S

S S tep

t

C

E 70 (10006  )0.157

(2.17) Trong đó:

Estep:là điện áp bước (V)

Etouch :là điện áp tiếp xúc (V)

ts :thời gian tác dụng của dòng điện (s)

Cs:hệ số hiệu chỉnh

ρs: điện trở suất của lớp đá bề mặt (Ωm)

2.7 XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRỞ CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

Một trong những bước quan trọng trong việc xác định kích thước và cách bố trí cơ bản của một hệ thống nối đất là sự đánh giá điện trở của hệ thống nối đất.Điện trở chủ yếu phụ thuộc vào diện tích được chiếm bởi hệ thống nối đất, thường được đề cập trong giai đoạn thiết kế đầu tiên

Một hệ thống nối đất lý tưởng với điện trở gần bằng 0 so với đất.Đối với hầu hết các

Ω hoặc thấp hơn Tại các trạm nhỏ hơn, điện trở có thể được chấp nhận từ 1 – 5 Ω, tùy thuộc vào các điều kiện cục bộ[8]

11

(20

11

A h

A L

R

T

Trong đó:

ρ :điện trở suất đo được vào thời điểm đo (Ωm)

A :diện tích lưới nối đất (m2)

LT :tổng chiều dài của hệ thống cọc và thanh nối đất (m)

h : độ chôn sâu của lưới nối đất (m)

R R

R

R R

R

R

2

2 1

2 2 1

2

A

L k a

L L

A : diện tích của lưới nối đất (m2)

h : độ sâu chôn lưới (m)

r R

n A

L k b

L L

L L

r C C

m 



k1, k2 là các hệ số sẽ được xác định như đồ thị dưới đây

Bước1 : Xác định sơ đồ và vị trí trạm biến áp từ đó lựa chọn nơi thích hợp nhất để

thực hiện nối đất.Xác định kích thước của lưới nối đất A Kiểm tra điện trở suất của

đất, xác định mô hình đất, tính toán điện trở suất của đấtρ

Bước 2 : Xác định tiết diện dây dẫn Dòng sự cố 3I0 là dòng sự cố lớn và từ dòng điện này ta tính toán lựa chọn dây dẫn cho hệ thống nối đất Thời gian tc là thời gian lớn nhất cô lập sự cố

Bước 3 : Xác định giới hạn điện áp bước, điện áp tiếp xúc và xác định khoảng thời

gian điện giật

Bước 4 : Thiết kế sơ bộ ban đầu bao gồm nối đất xung quanh chu vi và dây nối đất

dọc bên trong chu vi để đảm bảo đường đi vào thuận lợi cho những thiết bị nối đất Xác định khoảng cách giữa các dây nối đất và vị trí cọc nối đất dựa vào dòng IG và diện tích nối đất

Bước 5 : Tính toán ban đầu điện trở của hệ thống nối đất trong mô hình đất đồng

nhất Khi thiết kế cuối cùng phải tính chính xác giá trị này dựa vào mô phỏng các thành phần của hệ thống nối đất, đảm bảo mô hình đất lựa chọn là chính xác

Bước 6 : Xác định dòng lớn nhất chạy vào lưới nối đất và đất Tránh thiết kế dư chỉ

cần đảm bảo dòng sự cố tổng 3I0 dòng này sẽ qua lưới đi tới khu vực đất xa được dùng trong thiết kế.Dòng IG thể hiện loại sự cố và vị trí sự cố, hệ số suy giảm và mở rộng hệ thống trong tương lai

Bước7 : Nếu giá trị gia tăng điện áp GPR thấp hơn điện áp tiếp xúc có thể chịu đựng

được thì không cần phải tính toán gì thêm Thêm dây nối từ thiết bị nối đất đến hệ thống nối đất

Bước 8 : Tính toán điện áp bước và điện áp lưới cho lưới mới vừa hoàn thành Bước 9 : Nếu điện áp của lưới thấp hơn điện áp tiếp xúc chịu đựng quá trình thiết kế

đã hoàn thành Nếu điện áp lưới lớn hơn điện áp tiếp xúc chịu đựng thì thiết kế ban đầu phải thay đổi

Bước 10 : Nếu điện áp bước và điện áp tiếp xúc thấp hơn giới hạn chịu đựng thì

thiết kế chỉ yêu cầu đảm bảo kết nối vào thiết bị nối đất Nếu không thi phải thay đổi lại thiết kế ban đầu

Bước 11 : Nếu giới hạn chịu đựng của điện áp bước và điện áp tiếp xúc gia tăng cần

phải thay đổi thiết kế ban đầu Sự thay đổi này có thể giảm khoảng cách giữa các dây nối đất và thêm cọc nối đất.Thay đổi thiết kế để đảm bảo giới hạn điện áp tiếp xúc và điện áp bước

Bước 12 : Sau khi đảm bảo yêu cầu về điện áp bước và điện áp tiếp xúc, yêu cầu

phải thêm lưới và cọc nối đất Thêm vào dây dẫn của lưới nếu trong thiết kế không bao gồm dây dẫn nối thiết bị nối đất xuống hệ thống nối đất.Thêm cọc nối đất dưới các thiết bị chống sét và trung tính máy biến áp

2.8.2 Lưu đồ tính toán thiết kế hệ thống nối đất

Thông số mô hình đất: A, ρ Chọn tiết diện dây LNĐ:3I 0 , t C , d

Tiêu chuẩn điện áp bước và điện áp tiếp xúc

E touch 50 hay 70 , E step 50 hay 70 Thiết kế ban đầu:D, N, L C , L T , h Điện trở lưới nối đất: R g,L C,L R Dòng điện lưới:I G , t f

Thiết kế chi tiết

Thay đổi thiết kế ban đầu

D, N, L C , L T

Bước 1 Bước 2

Bước 3

Bước 4 Bước 5 Bước 6

Sai

Bảng 2.1 Ý nghĩa của các thông số trong tiêu chuẩn

 Điện trở suất của lớp đất bên dưới m

s Điện trở suất của lớp đá bề mặt m

3I 0 Dòng ngắn mạch chạm đất lớn nhất A

A Diện tích lưới nối đất m2

C s Hệ số hiệu chỉnh làm giảm điện trở suất của lớp đất bề mặt

d Đường kính của dây dẫn làm lưới nối đất m

D Khoảng cách giữa những thanh dẫn song song m

D f Hệ số tính đến ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ được dùng để tính I G

D m Khoảng cách lớn nhất giữa 2 điểm bất kỳ trên lưới m

E m Điện áp lưới ở giữa những mắt lưới V

E s

Điện áp bước giữa 2 điểm trên mặt đất Một điểm nằm ở góc ngoài của lưới

và điểm còn lại nằm trên đường chéo hướng ra phía ngoài cách đó 1 m V

E step50 Điện áp bước giới hạn đối với người nặng 50 kg V

E step70 Điện áp bước giới hạnđối với người nặng 70 kg V

E touch50 Điện tiếp xúc giới hạnđối với người nặng 50 kg V

E touch70 Điện tiếp xúc giới hạnđối với người nặng 70 kg V

h Độ sâu của lưới nối đất m

h s Bề dy của lớp đất bề mặt m

I G Dòng tản vào đất lớn nhất (chạy giữa lưới và đất) A

K Hệ số phản xạ của đất (điện trở suất đất khác nhau)

K h Hệ số hiệu chỉnh độ chôn sâu của lưới nối đất

K i Hệ số hiệu chỉnh cho hình dạng của lưới nối đất

K ii Hệ số hiệu chỉnh cách bố trí cọc trong lưới nối đất

K m Hệ số khoảng cách cho điện áp lưới

K s Hệ số khoảng cách cho điện áp bước

L C Tổng chiều dài các dây dẫn của lưới m

L M Chiều dài ảnh hưởng của L C + L R đối với điện áp lưới m

L R Tổng chiều dài của các cọc nối đất m

L r Chiều dài của mỗi cọc nối đất m

L S Chiều dài ảnh hưởng của L C + L R đối với điện áp bước m

L T Tổng chiều dài ảnh hưởng của hệ thống nối đất, bao gồm lưới và cọc m

L x Chiều dài lớn nhất của lưới theo phương x m

L y Chiều dài lớn nhất của lưới theo phương y m

n Hệ số hình học bao gồm n a , n b , n c ,n d

nR Tổng số cọc được dùng trong diện tích A

R g Điện trở của hệ thống nối đất

S f

Hệ số phân chia dòng sự cố, tính tới dòng hỗ cảm đi qua dây chống sét,

không đi qua lưới nối đất

t c Khoảng thời gian tồn tại dòng sự cố dùng để xác định kích cỡ dây nối đất S

t f Khoảng thời gian tồn tại dòng sự cố dng xc định D f S

t s Khoảng thời gian tồn tại dòng ngắn mạch được xác định cho phép qua người S

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VỚI LƯỚI NỐI

ĐẤT PHÂN BỐ ĐỀU

3.1 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ

Áp dụng các bước hướng dẫn thiết kế hệ thống nối đất của tiêu chuẩn IEEE Std 80 –

2013, ta xây dựng được trình tự thiết kế cho lưới nối đất phân bố đều

).(

())(

3).(

(

).(

0 0

2 2 2

0 2

0 1 1

2 2 0

jX R R jX R X

X j R R R jX R

jX R E I

VớiI : giá trị hiệu dụng dòng điện sự cố (kA)

A : tiết diện dây (kmil);

Kf : hằng số;

tc: khoảng thời gian sự cố (s)

Bảng 3.1 Các thông số của một số kim loại

Steel 1020 10.8 1510 15.95

Ta sẽ sử dụng công thức tính tiết diện dây tổng quát hơn:

0 0

197.4 ln

I: trị hiệu dụng dịng điện sự cố (kA)

A : tiết diện dây (kmil)

TCAP : khả năng chịu nhiệt

o: hệ số nhiệt của điện trở suất ở 0oC

r: hệ số nhiệt của điện trở suất ở nhiệt độ Tr(oC)

r:điện trở suất của dây nối đất ở nhiệt độ Tr(oC);

(3.5)

r r



1

Bảng 3.2 Các thông số của một số kim loại

Kim loại

Độ dẫn điện (%)

α r

(1/ 0 C)

K 0 ( 0 C)

T m ( 0 C)

T r (µΩ .

cm)

TCAP (J/(cm 30

Aluminum 6201 alloy 52.5 0.003 47 268 654 3.28 2.60 Aluminum-clad steel wire 20.3 0.003 60 258 657 8.48 3.58

Stainless- clad steel rodc 9.8 0.001 60 605 1400 17.50 4.44 Zinc-coated steel rod 8.6 0.003 20 293 419 21.10 3.93 Stainless, steel 304 2.4 0.001 30 749 1400 72.00 4.03

S S touch

Thiết kế sơ bộ ban đầu bao gồm:

 Khoảng cách giữa các thanh dẫn D (m)

 Số lượng thanh dẫn n

 Chiều dài thanh dẫn LT (m)

 Độ chôn sâu của lưới nối đất h (m)

Bước 5:

Tính toán ban đầu điện trở của hệ thống nối đất Rg (Ω) Khi thiết kế cuối cùng phải tính chính xác giá trị này dựa vào mô phỏng các thành phần của hệ thống nối đất, đảm bảo mô hình đất lựa chọn là chính xác

Bước 6:

Xác định dòng lớn nhất chạy vào lưới nối đất và đất.Tránh thiết kế dư chỉ cần đảm bảo dòng sự cố tổng 3I0 dòng này sẽ qua lưới đi tới khu vực đất xa được dùng trong thiết kế.Dòng IG thể hiện loại sự cố và vị trí sự cố, hệ số suy giảm và mở rộng hệ thống trong tương lai

Dòng điện lưới lớn nhất I G đánh giá giá trị thiết kế lớn nhất của dòng điện sự cố đi

vào lưới nối đất Việc tính toán dòng I G cần xem xét đến điện trở của lưới nối đất, dòng điện sự cố phân chia và hệ số suy giảm

I Gđược tính toán như sau:

Trong đó:

I G: dòng điện lưới lớn nhất (A)

D f : hệ số suy giảm, xác định theo bảng 4.3

I g: dòng điện lưới đối xứng (A)

Trong đó:

I g : dòng điện lưới đối xứng (A)

S f : hệ số phân chia dòng điện sự cố

I f: giá trị hiệu dụng lớn nhất của dòng điện chạm đất (A)

1.00 60 1.013 1.026 1.039 1.052

Bước7:

So sáng giá trị GPR với điện áp tiếp xúc cho phép Nếu giá trị gia tăng điện áp GPR thấp hơn điện áp tiếp xúc cho phép (GPR ≤ Etouch) thì không cần phải tính toán gì thêm.Thêm dây nối từ thiết bị nối đất đến hệ thống nối đất

Bước 8:

Tính toán điện áp bước và điện áp lưới cho lưới mới vừa hoàn thành

Giá trị điện áp ô lưới Em được xác định theo các thông số như hệ số hình học K m, hệ

số điều chỉnh cho hình dạng của lưới nối đất K i, điện trở suất của đất ρ và giá trị dòng

điện trung bình trên mỗi đơn vị chiều dài tác động của thanh dẫn được chôn (I G /L M)

M

G i m m

L

I K K

d : đường kính thanh dẫn (m)

Kii : hệ số điều chỉnh cách bố trí cọc nối đất

Kh : hệ số điều chỉnh nhấn mạnh ảnh hưởng của độ sâu chôn lưới

Đối với các lưới nối đất có cọc nối đất dọc theo chu vi lưới hoặc ở góc lưới, cũng như cả dọc theo chu vi và khắp khu vực lưới nối đất:

𝐾𝑖𝑖 = 1

Đối với các lưới nối đất không có hoặc có ít cọc nối đất không đặt tại góc lưới cũng như dọc chu vi lưới:

Lp : chiều dài thiết bị ngoại vi của lưới (m)

LC : tổng chiều dài của thanh dẫn trong lưới (m)

A : diện tích của lưới nối đất (m2

)

Lx : chiều dài lớn nhất của lưới theo trục x (m)

Ly :chiều dài lớn nhất của lưới theo trục y (m)

Dm : khoảng cách lớn nhất giữa hai điểm bất kỳ trên lưới (m)

𝑛𝑏 = 1đối với lưới hình vuông

𝑛𝑏 = 1đối với lưới hình vuông và hình chữ nhật

𝑛𝑏 = 1đối với lưới hình vuông, hình chữ nhật và hình L

Đối với lưới nối đất không có cọc nối đất hoặc chỉ có ít cọc nằm rải rác trong lưới, không có cọc tại góc lưới cũng như dọc chu vi lưới, chiều dài tác động của thanh dẫn được chôn LMlà:

𝐿𝑀 = 𝐿𝐶 + 𝐿𝑅 (3.20) Với LC : tổng chiều dài thanh dẫn (m)

LR : tổng chiều dài của tất cả cọc nối đất (m)

Đối với các lưới nối đất có cọc tại góc lưới cũng như dọc chu vi lưới và toàn lưới, chiều dài tác động của thanh dẫn được ch ôn LMđược xác định như sau:

𝐿𝑀 = 𝐿𝐶 + 1.55 + 1.22 𝐿𝑟

𝐿2𝑥 + 𝐿2𝑦 𝐿𝑅 (3.21) Với Lr là chiều dài của mỗi cọc nối đất (m)

Giá trị điện áp bước Es được xác định theo các thông số như hệ số khoảng cách đối

với điện áp bước K s , hệ số điều chỉnh cho hình dạng của lưới nối đất K i, điện trở suất của đất ρ và giá trị dòng điện trung bình trên mỗi đơn vị chiều dài thanh dẫn được chôn

(I G /L S)

𝐸𝑠 = 𝜌 𝐾𝑠 𝐾𝑖 𝐾𝐺

𝐿𝑆 (3.22) Đối với lưới nối đất có hoặc không có cọc nối đất, chiều dài tác động của thanh dẫn

được chôn L S là:

𝐿𝑠 = 0.75 𝐿𝐶 + 0.85 𝐿𝑅 (3.23) Đối với độ sâu chôn lưới thông thường h = 0,25 ÷ 2,5 m, hệ số khoảng cách đối với

điện áp bước K s được xác định như sau:

𝐾𝑠 = 1

𝜋

12ℎ+

1

𝐷 + ℎ+

1

𝐷 1 − 0.5𝑛−2 (3.24)