I. Thiết kế hệ thống nối đất cho phân xưởng 1. Mục đích
Việc lựa chọn các biện pháp bảo vệ chống điện giật, chống cháy nổ hợp lý liên quan trực tiếp đến quy cách nối đất của hệ thống cung cấp điện, việc thiết kế hệ thống nối đất chuẩn sẽ hạn chế sự cố cho hệ thống điện cũng như hư hỏng của thiết bị.
Thực hiện hệ thống nối đất an toàn còn trực tiếp giảm điện áp tiếp xúc đặt lên người khi thiết bị rò điện ra vỏ nhằm đảm bảo an toàn cho người.
2. Yêu cầu
- Giá trị điện trở nối đất Rđ ≤ 4𝛺
- Bảo vệ an toàn cho người và thiết bị khỏi nguy hiểm do điện áp bước.
- Tuổi thọ của hệ thống nối đất lớn hơn hoặc bằng tuổi thọ của công trình.
- Vỏ của các thiết bị được nối với bản đồng tiếp đất gần nhất.
- Dây nối từ bản đồng nối đất đến vỏ thiết bị phải đảm bảo độ bền cơ.
- Độ tin cậy làm việc cao và hạn chế bảo trì.
- Duy trì chức năng vận hành của hệ thống điện.
3. Vật liệu thực hiện nối đất
- Cọc nối đất: cọc lõi thép bọc đồng có chiều dài 2,4; 3(m), đường kính Φ=
16mm.
- Cáp đồng trần liên kết các cọc có tiết diện S ≥ 25mm² đối với nối đất trung tính MBA hay nối đất an toàn; S ≥ 25mm² đối với nối đất chống sét.
- Liên kết cọc và cáp đồng dùng mối hàn hóa nhiệt CADWELD hay ốc siết cáp.
- Bản đồng tiếp đất có từ 2, 4, 6, 8, 12… ngõ ra tuỳ theo yêu cầu liên kết trong thực tế.
- Hộp kiểm tra nối đất (PEC) bằng nhựa tổng hợp.
- Dùng hóa chất giảm điện trở đất, không ăn mòn điện cực, ổn định điện trở đất…ở những nơi có điện trở suất của đất cao hay hạn chế về diện tích triển khai hệ thống nối đất.
4. Các kiểu nối đất
Tùy theo cách bố trí điện cực nối đất mà phân biệt nối đất tập trung hay nối đất mạch vòng.
- Nối đất tập trung: thường dùng nhiều cọc nối đất và nối với nhau bằng các thanh Ngang hay cáp đồng trần. Khoảng cách giữa các cọc thường bằng hai lần chiều dài cọc để loại trừ hiệu ứng màn che. Nối đất tập trung thường chọn nơi đất ẩm, điện
trở suất thấp, ở xa công trình.
52
- Nối đất mạch vòng: các điện cực nối đất đặt theo chu vi công trình cần bảo vệ (cách móng từ 1-1,5m) khi phạm vi công trình rộng.
5. Công thức tính toán trị số điện trở nối đất
Điện trở suất của đất tùy thuộc chủ yếu vào loại đất và độ ẩm của đất, giá trị điện
trở suất tính toán được xác định theo biểu thức:
𝐫𝐭𝐭 = 𝐊𝐦 × 𝐫đ (8.1) Ở đây: 𝐫đ là trị số điện trở suất của đất (Ωm) (tra bảng)
Km hệ số thay đổi điện trở suất đất theo mùa được tra bảng dưới đây
Hình thức nối đất Độ sâu đặt bộ phận nối đất(m)
Hệ số thay đổi
điện trở suất Ghi chú Tia (thanh) đặt
nằm ngang
0.5 0.8-1
1.4 - 1.8 1.25 - 1.45
Trị số ứng với loại đất khô (đo vào mùa khô)
Cọc đóng thẳng
đứng 0.8 1.2 - 1.4
Trị số ứng với loại đất ẩm (đo vào mùa mưa) - Điện trở của một cọc chôn thẳng đứng trong đất, chôn sâu h (m):
𝒓𝒆 = 𝐫𝐭𝐭
𝟐𝝅.𝐋𝐜[𝐥𝐧 ( 𝟒𝐋𝐜
𝟏.𝟑𝟔∗𝒅)] .𝟐𝐡+𝐋𝐜
𝟒𝒉+𝐋𝐜 (𝜴) (8.2) Ở đây:
rtt : điện trở suất của đất (𝛺m) Lc: chiều dài cọc (m)
d: đường kính ngoài của cọc (m)
h: độ chôn sâu của cọc tính từ mặt đất đến điểm giữa của cọc (m), - Điện trở của thanh/cáp nối cọc, chôn sâu h (m):
𝒓𝒕 = 𝐫𝐭𝐭
𝝅.𝐋𝐭[𝐥𝐧 (𝟒𝐋𝐭
√𝒉𝒅)] (𝜴) (8.3) Ở đây:
rtt : điện trở suất của đất (𝛺m) Lt: chiều dài của thanh/cáp nối (m) d: đường kính của thanh/cáp nối(m)
h: độ chôn sâu của thanh/cáp nối so với mặt đất (m)
- Điện trở của một bộ phận nối đất gồm các thanh/cáp đặt nằm ngang chôn trong đất:
𝑹𝒄 = 𝒓𝒄
𝛈 𝒄.𝒏 (𝜴) (8.4)
53 Ở đây:
n: số lượng các cọc chôn thẳng đứng;
η 𝑐 : hệ số sử dụng của các cọc chôn thẳng đứng, Chọn hệ số tùy theo cách bố trí các cọc thành dãy hay chu vi mạch vòng và tỉ số a/L (a: khoảng cách giữa các cọc;
L: chiều dài cọc)
- Điện trở của một bộ phận nối đất gồm các thanh/cáp đặt nằm ngang chôn trong đất:
𝑹𝒕𝒉 = 𝒓𝒕
𝛈 𝒕𝒉 (𝜴) (8.5)
Ở đây:
𝑟𝑡 là điện trở các thanh/cáp nối cọc (Ω)
η 𝑡ℎ là hệ số sử dụng của thanh nằm ngang nối các cọc. Chọn hệ số tùy theo cách bố trí các cọc thành dãy hay chu vi mạch vòng và tỉ số a/L (a: khoảng cách giữa các cọc; L: chiều dài cọc)
- Điện trở nối đất của hệ thống nối đất được xác định theo biểu thức 𝑹𝑯𝑻 = 𝑹𝒄.𝑹𝒕
𝑹𝒄+𝑹𝒕 (𝜴) (8.6)
𝑅𝐻𝑇 : điện trở toàn hệ thống nối đất tính toán đảm bảo theo yêu cầu (Ω): 𝑅𝐻𝑇 ≤ 10Ω
II. Chọn cọc và tính toán
- Thiết kế nối đất bên ngoài phân xưởng, điện trở nối đất cho phép đối với trạm biến áp là Rnđ ≤4Ω.
- Điện trở suất của đất: ρ=150Ωm (loại đất pha sét); hệ số mùa: Km =1,4 (đo vào mùa khô).
- Chọn cọc nối đất loại tròn lõi thép bọc đồng có chiều dài Lc= 3m; đường kính dc= 16mm, đặt dọc theo chu vi của phân xưởng cách mép phân xưởng 2m. Cọc được chôn sâu cách mặt đất h= 0,8m.
- Chọn dây cáp đồng trần liên kết cọc có tiết diện F= 50mm², đường kính dt = 8mm với tổng chiều dài: Lt= (2×36) + (2×24) =120m.
- Các cọc bố trí cách nhau 6m theo chiều dài và 6m theo chiều rộng. Số cọc sử dụng là 20 cọc.
- Điện trở suất tính toán của đất: tt = Km =1,4.150 = 210(m).
- Điện trở nối đất của một cọc:
𝑟𝑒 = rtt
2𝜋.Lc[ln ( 4Lc
1.36∗𝑑)] .2h+Lc
4ℎ+Lc = 210
2𝜋.3[ln ( 4.3
1.36∗16.10−3)] .2.0.8+3
4.0.8+3 = 59,66 (Ω) - Điện trở nối đất của hệ thống 20 cọc
Với số cọc n=20, tỉ số a/l =6/3 = 2 (tra bảng 3.8 Giáo trình An Toàn Điện thầy Quyền Huy Ánh) ta được η 𝑐= 0,64 và η 𝑡ℎ= 0,32
𝑅𝑐 = 𝑟𝑐
η 𝑐.𝑛 = 59,66
20.0,64= 4,66(Ω)
54 - Điện trở nối đất của thanh/cáp nối cọc
𝑟𝑡 = rtt
𝜋.Lt[ln (4Lt
√ℎ𝑑)] = 210
𝜋.120[ln ( 4.120
√0,8∗8.10−3)] = 4,84(Ω)
- Điện trở nối đất của thanh/cáp nối cọc (xét hệ số sử dụng thanh nối theo mạch vòng)
𝑅𝑡ℎ = 𝑟𝑡
η 𝑡ℎ =5,16
0.32 = 15,15(Ω) - Điện trở nối đất toàn hệ thống:
𝑅𝐻𝑇 = 𝑅𝑐.𝑅𝑡ℎ
𝑅𝑐+𝑅𝑡ℎ = 4,66∗15,15
4,66+15,15 = 3,56(Ω) Điện trở xung nối đất chọn ɑ =1
Rnđ = ɑ * 𝑅𝐻𝑇 = 1* 3,56 =3,56 (Ω) Kết luận: Đạt yêu cầu
- Để thuận tiện cho việc nối vỏ thiết bị với hệ thống nối đất, sử dụng 4 bản đồng nối đất. Mỗi bản đồng có chiều dài 300mm, rộng 50mm, dày 5mm, có 5 đầu nối dây. Các bản đồng được bố trí dọc theo chu vi phân xưởng và được nối với hệ thống nối đất bằng cáp đồng trần F=50mm². Các vỏ thiết bị nối với bảng đồng gần nhất bằng cáp đồng bọc PVC, F= 25mm².
III. Thiết kế chống sét cho phân xưởng cơ khí
Phân xưởng có chiều cao 8m và là nơi tập trung đông công nhân, do đó để chống sét đánh trực tiếp, sử dụng kim phóng điện sớm ESE (Early Streamer Emission).
- Kim được đặt trên cột đỡ bằng nhôm có đường kính Φ60, chiều dài h= 2m, chính giữa mái phân xưởng, chọn mức bảo vệ 2 tương ứng biên độ dòng sét cực đại I=
6kA; khoảng cách phóng điện tương ứng: D=10*I2/3 = 10 * 62/3 = 33m.
- Chọn kim Prevectron (France) có cấp độ bảo vệ III (D= 45m) mã hiệu S3.40; loại 3 tia; có thời gian phát tia tiên đạo ∆T=40μs; chiều dài kim 0,385m; bán kính bảo vệ Rp=84m.
- Thiết kế nối đất cho hệ thống chống sét có điện trở nối đất yêu cầu Rđ <10Ω.
- Chọn điện trở suất của đất: ρ=150Ωm (loại đất pha cát); hệ số mùa: Km =1,4.
- Sử dụng 5 cọc nối đất loại tròn lõi thép bọc đồng có chiều dài Lc= 3m; có đường kính dc= 16mm, được chôn sâu cách mặt đất h= 0,8m.
- Chọn cáp thoát sét chống nhiễu cho hệ thống, sử dụng cáp thoát sét chống nhiễu Erico loại E2 với chiều dài tản sét lớn hơn 60m (tính theo bán kính bảo vệ kim ESE) với chiều dài 16,5m.
- Thiết kế nối đất bằng cọc thẳng đứng đóng thành dãy cách nhau 6m và cách hông phân xưởng 3m theo chiều dài, xét tỉ số 𝑎
𝐿𝑐 = 6
2,4= 2,5; chọn hệ số sử dụng của cọc và hệ số sử dụng thanh nối các cọc lần lượt là η 𝑐= 0,81và η 𝑡ℎ = 0,86
- Chọn dây cáp đồng trần liên kết cọc có tiết diện F= 50mm², đường kính dt = 8mm với tổng chiều dài: Lt= 6×5=30m.
55
Điện trở suất tính toán của đất: tt = Km =1,4.150 = 210(m).
- Điện trở nối đất của một cọc:
𝑟𝑒 = rtt
2𝜋.Lc[ln ( 4Lc
1.36∗𝑑)] .2h+Lc
4ℎ+Lc = 210
2𝜋.3[ln ( 4.3
1.36∗16.10−3)] .2.0.8+3
4.0.8+3 = 59,66 (Ω) - Điện trở nối đất của hệ thống 5 cọc
𝑅𝑐 = 𝑟𝑐
η 𝑐.𝑛 = 59,66
5∗0,81 = 14,73(Ω) - Điện trở nối đất của thanh/cáp nối cọc
𝑟𝑡 = rtt
𝜋.Lt[ln (4Lt
√ℎ𝑑)] = 210
𝜋.30[ln ( 4∗30
√0,8∗8.10−3)] = 16,3(Ω) - Điện trở nối đất của thanh/cáp nối cọc
𝑅𝑡ℎ = 𝑟𝑡
η 𝑡ℎ =16,3
0.86 = 18,95(Ω) - Điện trở nối đất toàn hệ thống:
𝑅𝐻𝑇 = 𝑅𝑐.𝑅𝑡ℎ
𝑅𝑐+𝑅𝑡ℎ = 14,73∗18,95
14,73+18,95 = 8,23(Ω) Vậy đạt yêu cầu
56