Trang 1 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTKHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPĐẠI HỌCNGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TỬCHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆNĐỀ TÀI:THIẾT KẾ N
Khái quát chung
Nối đất tại các TBA bao gồm nối đất an toàn, nối đất làm việc và nối đất chống sét, mỗi loại nối đất thường có những yêu cầu riêng TBNĐ tại các TBA ở nước ta chủ yếu thực hiện theo kiểu truyền thống kiểu cọc tia kết hợp Các điện cực nối đất bao gồm điện cực thẳng đứng được đóng sâu vào trong đất và điện cực ngang được chôn ngầm Các dây nối nối liền các bộ phận được nối đất với các điện cực nối đất Điện cực nối đất được làm bằng cọc thép hay cọc đồng mạ kẽm, lưới sang bằng điện thế được làm từ dây đồng, dây thép hoặc bằng thanh thép mạ kẽm Trong trường hợp tổng quát, sơ đồ thay thế của TBNĐ gồm điện trở tác dụng r và điện cảm L của bản thân điện cực, điện trở tản R của điện cực với đất và điện dung C của điện cực đối với điểm có điện thế bằng không
Trong thực tế, có thể bỏ qua điện trở tác dụng r vì r 1) Từ thống kê thực tế, người ta đã đưa ra giới hạn chiều dài điện cực của nối đất như bảng 1.3 để đảm bảo xk < 1[tiêu chuẩn ngành TCXD 46 : 1984, điều 3.22].
Bảng 1.5 Chiều dài giới hạn lgh của điện cực nối đất đặt nằm ngang để xk < 1 trong các trường hợp điện trở suất khác nhau.
1.2.4.2 Yêu cầu nối đất chống sét cho TBA:
TBNĐ chống sét cho TBA được xem là đáp ứng yêu cầu kỹ thuật khi:
Trong đó: IS là dòng điện sét (giá trị trung bình IS = 30 KA) và U50% TB là điện áp phóng điện 50% của TBĐ
Trong thực tế, tùy theo từng điều kiện địa lý và trên cơ sở tính toán kinh tế kỹ thuật người ta đưa ra một giới hạn về điện trở nối đất để đáp ứng phần nào về điều kiện (1.17) Cần lưu ý là, trong thực tế ta không thể đo được giá trị tổng trở xung kích
Zxk nên chỉ quy về điện trở tản xoay chiều r~ và hệ số xung kích axk Tiêu chuẩn Việt
Nam TCXD 46 : 1984 quy định: rxk = r~.xk rxk 10, tt 5 10 4 .cm (1.18) rxk 40, tt > 5 10 4 .cm
Trong đó xk là hệ số xung kích, phụ thuộc vào trị số dòng điện sét, điện trở suất đất và hình thức cấu tạo của bộ phận nối đất.
Với hệ số xung kích xk được quy định như sau:
Bảng 1.6 Hệ số xung kích trong các trường hợp điện trở suất khác nhau.
xk (NĐ cọc) 0,9 0,9 0,7 0,5 0,36 Để tránh hiện tượng phóng điện ngược từ TBNĐ đến thiết bị cần bảo vệ, người ta không bố trí TBNĐ chống sét gần các TBĐ cần bảo vệ Quy định khoảng cách này trong không khí không nhỏ hơn 5m, trong đất không nhỏ hơn 3m [điều 2.4 tiêu chuẩn ngành TCXD 46 : 1984].
Sử dụng chung TBNĐ tại các TBA
Trong thực tế, các TBA thường dùng chung một TBNĐ cho các mục đích nối đất an toàn, làm việc và chống sét Việc dùng chung một TBNĐ ngoài ưu điểm về mặt kinh tế, còn sẽ có ưu điểm hơn về mặt kỹ thuật đó là: có thể có được điện trở chạy vào trong đất bé hơn, tránh được chênh lệch điện thế xuất hiện giữa các vỏ kim loại của thiết bị khi dùng các TBNĐ riêng lẽ Khi dùng chung TBNĐ cần phải cân nhắc yêu cầu của từng loại nối đất để đặt ra yêu cầu chung cho toàn hệ thống Trường hợp chung nhất là yêu cầu khắc khe nhất trong ba loại nối đất nêu trên, tức là phải tuân theo yêu cầu của loại nối đất nào có trị số điện trở nối đất cho phép nhỏ nhất Tuy vậy,việc dùng chung TBNĐ sẽ gặp nhược điểm là hiện tượng phóng điện ngược khi có dòng điện sét Nên cũng có nơi người ta dùng riêng các TBNĐ theo từng mục đích hoặc chỉ dùng chung TBNĐ cho mục đích nối đất an toàn và nối đất làm việc.
Trị số cho phép của điện trở nối đất
Điện trở tản của đất phụ thuộc vào kích thước hình học, cách bố trí điện cực và phụ thuộc vào tính dẫn tính dẫn điện của đất biểu thị bởi trị số điện trở suất của nó. Điện trở tản xoay chiều dùng trong các tính toán về nối đất an toàn và nối đất làm việc. Đối với thiết kế nối đất chống sét, thì quan tâm đến điện trở xung kích Rxk.
Bộ phận nối đất có trị số điện trở nối đất càng bé sẽ càng thực hiện tốt nhiệm vụ tản dòng điện trong đất và giữ được mức điện thế thấp trên các vật được nối đất Tuy nhiên việc giảm trị số của điện trở nối đất sẽ làm giá thành xây dựng tăng lên nhiều vì tăng số lượng kim loại và khối lượng thi công.
Trị số điện trở nối đất cho phép của nối đất an toàn được lựa chọn sao cho các trị số điện áp bước và điện áp tiếp xúc trong mọi trường hợp không vượt quá giới hạn cho phép trong mọi trường hợp Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 476: 1989 nối đất các thiết bị điện được quy định sau:
Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất (dòng điện ngắn mạch chạm đất lớn) trị số điện trở nối đất cho phép:
Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện đối với đất (dòng điện ngắn mạch chạm đất bé) thì:
I (1.20) nếu phần nối đất này chỉ dùng cho các thiết bị cao áp và
I (1.21) Khi dùng chung cho cả phần cao áp và hạ áp nhưng không được quá 10 Ở đây: - Rcp : Điện trở lớn nhất của TBNĐ, .
- I: Dòng điện ngắn mạch chạm đất tính toán, A.
Dòng điện ngắn mạch được tính chọn như sau: a Trong mạng điện không có bù dòng điện điện dung thì dòng điện tính toán sẽ là dòng điện tổng ngắn mạch chạm đất
C - Điện dung của pha đối với đất. b Trong trường hợp có bù dòng điện điện dung: Đối với TBNĐ có nối với thiết bị bù thì dòng điện tính toán sẽ lấy bằng 125% dòng điện danh định của thiết bị bù đó. Đối với TBNĐ không nối với các thiết bị bù thì dòng điện tính toán sẽ là dòng điện dư của dòng ngắn mạch chạm đất khi cắt thiết bị bù có công suất lớn nhất trong các thiết bị bù và trong mọi trường hợp dòng điện này không được lớn quá 30A.
Cách xử lý nối đất
Giảm điện trở nối đất bằng cách tăng cường điện cực nối đất
TBNĐ được thiết kế gồm các thanh điện cực nằm ngang và dọc tạo thành lưới nối đất, các cọc điện cực được đóng ở bên trong mắt lưới nhưng vẫn không đạt giá trị điện trở theo tiêu chuẩn thì phải tìm cách giảm điện trở nối đất của hệ thống Vì điện trở suất của đất giảm theo độ sâu, nên khoan các giếng có độ sâu từ 12 30m và thả cọc dẫn điện, hoặc thêm điện cực bằng các tấm kim loại…Hạn chế lớn của giải pháp này là phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, kết quả bị giới hạn nhất định do sự hỗ cảm giữa các điện cực nối đất, nên hiệu quả thấp.
Sử dụng hóa chất giảm điện trở suất của đất
Giải pháp này được sử dụng cho các TBA ở những nơi có địa chất phức tạp, đất khô cằn như đất đồi núi, đất cát…có điện trở suất lớn, hoặc tại những TBA bị hạn chế về diện tích, khó có thể thực hiện được biện pháp xử lý tiếp địa bằng cách bổ sung điện cực để đạt được kết quả mong muốn.
Ngày nay có thể giảm điện trở nối đất bằng các hóa chất như GEM, Earth-GEL và sử dụng công nghệ hàn Cad-well (hóa nhiệt) để giảm điện trở tiếp xúc của TBNĐ.
GEM (Grouding Enhancemnt Materials) là vật liệu giảm điện trở đất rất tốt, có khả năng xử lý ngay cả loại đất xấu nhất GEM có hiệu quả tốt trên tất cả các loại đất. Đây là vật liệu lý tưởng để dùng trong các vùng đất có điện trở suất cao như đất đồi núi, đất cát Là vật liệu rất tốt để giảm điện trở đất và ổn định điện trở tiếp xúc đất của hệ thống nối đất.
Hóa chất GEMCọc nối đất
GEM cũng rất hiệu quả ngay những nơi không thể đóng cọc xuống sâu, những nơi đất hẹp mà ta không thể bố trí các hệ thống nối đất thông dụng GEM có các tính chất:
- Giảm điện trở tiếp xúc với đất từ 50% đến 60%.
- Bảo vệ hệ thống cọc nối đất.
- Đảm bảo giá trị điện trở không đổi cho hệ thống nối đất.
- Hiệu quả ngay khi cả đất khô.
- Không bị biến tính, phân hủy theo thời gian.
- Không cần bảo trì định kỳ hay thay thế.
- Không phụ thuộc vào nước để giảm điện trở.
- Không ảnh hưởng đến tính chất của đất. Đặc tính kỹ thuật:
- Giảm điện trở nối đất tốt nhất từ (50 60)%, bảo vệ điện cực.
- Hóa chất dạng keo hai thành phần, trộn lại khi sử dụng.
- Sử dụng cho những nơi đặc biệt khó khăn: Núi cao, đất khô cằn…
- Tạo thành khối keo bám chặt trên điện cực, làm giảm điện trở tiếp đất.
Các mối hàn là nơi dẫn điện yếu nhất của mạch điện do chúng có thể bị lão hóa, bị ăn mòn nhanh, và do đó hạn chế khả năng dẫn dòng cao Khả năng bảo vệ an toàn cao cho người và thiết bị của hệ thống nối đất cũng phụ thuộc vào chất lượng của mối nối Để khắc phục những yếu tố này, một kỹ thuật kết nối mới ra đời nhằm đạt được một hệ thống nối đất hoàn hảo.
CADWELD mô tả công nghệ hàn nối bằng hóa nhiệt Hàn CADWELD có khả năng tạo ra sự kết nối phần tử giữa đồng/đồng, đồng/thép mà không cần nguồn năng lượng nhiệt hay điện từ bên ngoài
Nguyên lý là trộn chung bột hàn và tác nhân phát cháy với nhau trong một khuôn graphite thích hợp Thành phần của bột hàn tùy thuộc vào kim loại được hàn, chẳng hạn hỗn hợp oxit đồng và nhôm để hàn đồng/đồng Sự phân hủy oxit đồng bỡi nhôm ở nhiệt độ trên 2000 0 C sẽ làm cho đồng nóng chảy và xỉ oxit nhôm.
- Cho phép hàn chất lượng cao đồng/đồng, đồng/thép.
- Hình dạng kích thước khuôn phù hợp với mọi chi tiết hàn.
- Cho phép tải dòng điện hiệu quả hơn dây dẫn.
- Bền chắc, không bị hư hỏng theo thời gian.
- Không đòi hỏi nguồn nhiệt bên ngoài, thi công nhanh chóng, đơn giản.
Giới thiệu chung cách tính toán hệ thống nối đất
2.1.1 Tính toán nối đất dạng tia - cọc :
2.1.1.1 Cách thực hiện nối đất:
Trước hết cần phân biệt hai loại nối đất: Nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo.
Nối đất tự nhiên là sử dụng các cọc sắt, các sàn sắt…có sẵn trong đất Hay sử dụng các kết cấu nhà cửa, các công trình có nối đất, các vỏ cáp trong đất làm điện cực nối đất Do đó, khi sử dụng trang bị nối đất cần phải tận dụng các vật nối đất tự nhiên có sẵn Điện trở nối nối đất này được xác định bằng cách đo thực tế tại chỗ.
Nối đất nhân tạo thường được thực hiện bằng cọc thép, thanh thép dẹp hình chữ nhật, thép góc, thép ống…dài 2 3m đóng sâu xuống đất sao cho đầu trên cùng của chúng cách mặt đất 0,5 0,8m Kinh nghiệm cũng như tính toán cho thấy rằng điện trở nối đất giảm xuống khi tăng độ dài chôn sâu của của vật nối đất.
Do có hiện tượng ăn mòn kim loại, các ống thép và các thanh thép dẹp hay thép góc có chiều dày không nên bé hơn 4mm Dây nối đất (hay nối đất trung tính) phải có tiết diện thõa mãn độ bền cơ khí và ổn định nhiệt, chịu đựng được dòng điện cho phép lâu dài.
Khi thực hiện bảo vệ nối đất thì tất cả các phần kim loại của các thiết bị điện, của các kết cấu kim loại (vỏ thiết bị, khung, bệ của các thiết bị phân phối điện…) mà có thể xuất hiện điện áp khi cách điện bị hư hỏng phải được nối một cách chắc chắn với hệ thống nối đất Các mối nối của hệ thống nối đất tốt nhất nên thực hiện bằng cách hàn, mỗi một thiết bị có một dây nối riêng, không cho phép dùng một dây nối đất chung cho nhiều thiết bị. Điện trở nối đất nhân tạo gồm hệ thống các điện cực (cọc) chôn thẳng đứng có điện trở là Rc và thanh đặt nằm ngang có điện trở là Rt được xác định theo công thức:
2.1.1.2 Xác định điện trở tản của điên cực hình bán cầu:
Giả thiết điện cực nối đất là điện cực kim loại hình bán cầu có bán kính r0, dòng điện đi trong đất là Iđ, đất xem như môi trường đồng nhất có điện trở suất là .
Dòng điện đi vào đất tản ra mọi phía là như nhau, phân bố trong đất và trên bề mặt đất một điện thế theo hình vẽ 2.1.
Theo định luật Ohm dạng vi phân, điện trường tại một điểm cách tâm bán cầu (điện cực) một đoạn r xác định:
Trong đó: Jr - mật độ dòng điện trong đất.
tt - điện trở suất tính toán của đất.
Er - cường độ điện trường.
Xét một mặt cầu có bán kính r bất kì, thì mật độ dòng điện đi qua mặt cầu có bán kính r là: Jr I đ
2.π.r 2 (2.3) Trên một vi phân dr ta xác định một hiệu điện thế: du = Er.dr
Hình 2.1 Nối đất điện cực bằng bán cầu
Iđ dr r r0 Điện áp trên bề mặt bán cầu bán kính ro : Uo ∫ r 0
Vậy điện trở nối đất của điện cực kim loại bán cầu:
2 π r 0 (2.6) Diện tích tiếp xúc giữa điện cực và đất càng tăng thì dòng điện tản vào đất dễ tức là ứng với điện trở Rđ giảm.
Trong thực tế người ta sử dụng nhiều loại vật nối đất có hình dáng và cách lắp đặt khác nhau, với những công thức tính toán điện trở nối đất khác nhau Ta xét các trường hợp sau:
Vật nối đất là thép tròn, thép ống chôn sát mặt đất (như hình 2.2) thì điện trở nối đất của cọc là :
tt(m) - là điện trở suất tính toán của đất d - đường kính ngoài của cọc nối đất, nếu dùng thép góc thì đường kính đẳng trị là: d = 0,95b. b - là bề rộng của thép góc l - là chiều dài của cọc
Vật nối đất là thép tròn, thép ống nhưng chôn sâu xuống sao cho đầu trên cùng của chúng cách mặt đất một khoảng h lúc này điện trở nối đất của cọc là:
Trong đó : t - độ chôn sâu t = h + l
Vật nối đất là thép dẹp, thép tròn chôn nằm ngang trong đất (hình 2.4), thì điện trở nối đất là:
Trong đó: d - đường kính diện cực khi điện cực là thép tròn Nếu dùng thép dẹp thì d =b/2 t - độ chôn sâu. k - hệ số phụ thuộc vào sơ đồ nối đất.
Với nối đất trạm, hình dáng của thanh thường là hình chữ nhật, ta có bảng sau:
Bảng 2.1 Hệ số hình dáng.
2.1.1.3 Xác định điện trở nối đất của một hệ thống nối đất:
Khi dùng các hình thức nối đất đơn giản trên không đạt được yêu cầu về trị số điện trở tản thì phải dùng hình thức nối đất tổ hợp gồm nhiều cọc chôn dọc theo chiều dài tia hoặc dọc theo chu vi mạch vòng Hiệu quả của nối đất giảm do ảnh hưởng lẫn nhau giữa các điện cực Để giải thích hiện tượng này xét một hệ thống nối đất gồm hai điện cực hình bán cầu (hình 2.5) Nếu khoảng cách a đủ lớn thì các điện trường của chúng không ảnh hưởng lẫn nhau và dòng điện ở mỗi điện cực được tản trong đất đồng đều theo mọi phương hướng Điện áp của mỗi điện cực được xác định bằng điện áp của bản thân điện cực khi có dòng điện chạy qua mỗi điện cực bằng Iđ/2, điện áp giáng trên mỗi điện cực gồm hai thành phần:
- Do bản thân dòng điện chạy trong điện cực đó gây nên.
- Do dòng điện chạy trong điện cực kia gây nên. Điện áp trên bán cầu 1: l2 l1
Hình 2.5 Tổ hợp hai điện cực hình bán cầu r0
Từ đó điện trở tản của hệ thống nối đất gồm hai điện cực bán cầu:
Trong đó : r0 - bán kính điện cực. a - khoảng các giữa các điện cực.
Tỷ lệ giữa hai trị số điện trở tản của nối đất khi có xét đến và không có xét đến ảnh hưởng lẫn nhau giữa các điện cực được gọi là hệ số sử dụng của nối đất Trong hệ thống gồm hai điện cực hình bán cầu hệ số sử dụng có hệ số bằng:
Từ đó ta thấy rằng, phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điện cực, kích thước của các điện cực Ngoài ra còn phụ thuộc vào số lượng điện cực, loại điện cực (cọc, thanh…).
Trong thực tế yêu cầu điện trở nối đất càng nhỏ càng tốt, nên dùng một điện cực bán cầu sẽ không đáp ứng được yêu cầu Để đáp ứng được yêu cầu người ta phải dùng hệ thống nối đất phức tạp như hình 2.6. l
Hình 2.6 Hệ thống nối đất một thanh và n cọc
Trong đó: b: bề rộng của điện cực thanh. d: Đường kính cọc. l: chiều dài cọc.
L: Chiều dài thanh. a: Khoảng cách giữa hai cọc liên tiếp.
Khi hệ thống nối đất gồm n cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu vi mạch vòng, điện trở tản của hệ thống được tính theo công thức:
Rc: Điện trở tản của một cọc.
Rt: Điện trở tản của tia hoặc của mạch vòng n: Số cọc
c:Hệ số sử dụng của cọc.
t: Hệ số của tia hoặc của dài hoặc của mạch vòng.
Các hệ số sử dụng c và t phụ thuộc vào tỷ số a/l (a: khoảng cách giữa các cọc, l: chiều dài cọc), và số cọc n, vào các bố trí thanh (tia, mạch vòng). Điện trở nối đất của n cọc (đóng thẳng đứng) có xét đến hệ số sử dụng là:
R1c: là trị số điện trở nối đất của một cọc.
c : Hệ số sử dụng của các cọc. Điện trở nối đất của các thanh ngang khi tính đến hệ số sử dụng của các thanh ngang
Rt :Điện trở nối đất của các thanh ngang khi chưa tính đến hệ số sử dụng của các thanh ngang t.
2.1.2 Tính toán nối đất dạng lưới-cọc:
2.1.2.1 Các khái niệm và định nghĩa: a Lưới nối đất :
Lưới nối đất gồm các điện cực chôn nằm ngang trong đất như hình 2.7, số thanh ngang (Nb) và số thanh dọc (Na) được xác định theo công thức:
(2.16b) Tổng chiều dài điện cực hình thành lưới:
L = Na.b + Nb.a (2.17) b Điện trở nối đất tương hổ giữa các điện cực nối đất:
Xét trường hợp có hai điện cực nối đất hình bán cầu, bán kính r1, r2 chôn sát mặt đất như hình 2.8.
Hình 2.8 Điện trở nối đất tương hổ giữa các điện cực nối đất r2 a
Na aHình 2.7 Lưới (điện cực) nối đất
Khi các điện cực đặt cách xa nhau, chúng sẽ là các điện cực nối đất cô lập và có các điện trở nối đất:
2 π.r 2 (2.18b) Với tt là điện trở suất tính toán của đất.
Khi các điện cực đặt cách nhau một khoảng a và có dòng điện tản vào đất qua điện cực 1 (hình 2.8) ta sẽ có:
Thế trên điện cực 2 là: 2 I.ρ tt
Hệ số ngẫu hợp giữa các điện cực nối đất:
(2.20) Điện trở nối đất tương hổ: R12 ρ tt
2 π a (2.21) Điện trở nối đất riêng điện cực 1 (R1) được suy từ:
(2.23a) Tương tự điện trở nối đất riêng của điện cực 2:
(2.23b) Khi các điện cực 1,2 ghép song song với nhau thì điện trở nối đất của hệ hai điện cực sẽ có trị số bằng:
R 1+R 2−2R12 (2.24a) Nếu các điện cực có cùng kích thước thì R1 = R2 và được:
Khi các điện cực 1, 2 ghép nối tiếp nhau thì điện trở nối đất sẽ bằng:
2.1.2.2 Tính toán điện trở nối đất của TBA: a Tính toán điện trở nối đất của lưới: Điện trở nối đất của lưới điện cực ngang được tính toán theo công thức gần đúng sau:
tt: Điện trở suất tính toán của đất. r e =√ S π l: Tổng chiều dài tất các thanh dẫn chôn trong đất.
S: Diện tích lưới nối đất.
Tính toán hệ thống nối đất TBA 110/22KV Hội An theo TCVN 4756-1989
2.2.1 Giới thiệu chung TBA 110KV Hội An :
TBA 110KV Hội An nằm ở khu vực thị xã Hội An, gồm có 2 MBA T1, T2 với tổng công suất 50MVA (trước mắt lắp đặt một máy T1với công suất 25MVA) Trạm nhận điện từ thanh góp 110KV của TBA 110KV Điện Ngọc để cung cấp cho khu vực Thị xã và các Huyện cận Để bảo vệ các thiết bị trong trạm và đảm bảo cho nhân viên vận hành trạm thì việc bảo vệ chống sét và nối đất cho trạm là một yêu cầu rất quan trọng Trong đồ án này sẽ tính toán thiết kế hệ thống nối đất cho TBA 110KV Hội An. Qua việc khảo sát TBA 110/22KV ở Hội An có diện tích mặt bằng của trạm là:
S = 57,8 x 46,75= 2702,15 m 2 , và đặc điểm khu vực của trạm như sau:
Hướng Tây tiếp giáp với khu đất trống và là hướng đường dây 110KV có thể mở rộng thêm diện tích lưới nối đất.
Hướng Nam và Bắc là khu dân cư nên không thể mở rộng diện tích lưới nối đất được.
Hướng Đônglà đường ô tô, đây là mặt trước của TBA nên cũng không thể mở rộng lưới nối đất. Địa hình TBA là vùng đồng bằng, ruộng cát, bằng phẳng.
Giá trị điện trở suất do trung tâm thiết kế điện đo trong các điều kiện như sau: Thời tiết: Trời mưa nhẹ, gió nhẹ, nhiệt độ trung bình 26 0 C.
Trong quá trình đo có đổ nước tại vị trí các cọc đo.
tính toán theo k mùa(.m) Ghi chú
Hệ số K mùa thay đổi từ 1.0 2.0, nhưng ở đây là khu vực tổng lượng mưa trung bình cao thêm vào đó điểm khảo sát vào mùa mưa đang ngập nước K mùa được lấy là 1,5 được chọnbảng 1.2 ở chương 1. Điện trở suất tính toán là:
1 = đo.Km = 249,1 1,5 = 373,6 (.m) (2.33) Môi trường đất có hai lớp, lớp đất ở trên có bề dày H = 1,5m điện trở suất 1 và các cọc đóng sâu vào lớp đất dưới có độ điện dẫn cao hơn điện trở suất 2 Lưới được chôn ở lớp đất trên có điện trở suất 1, nhưng các cọc thì một phần ở 1 và một phần ở
2 Qua việc khảo sát ở trạm, điện trở suất lấy thực nghiệm là: 2 = 200 .m.
2.2.2 Xác định điện trở nối đất cho phép cần thiết [R đ ] theo yêu cầu: Ở đây ta dùng TBNĐ chung cho các thiết bị cấp điện áp phía 110KV và 22KV.
Vì cấp 110KV và 22KV đều có trung tính trực tiếp nối đất cho nên theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4756-1989 để đảm bảo an toàn cho người khi vào trạm thì giá trị điện trở nối đất đuợc quy định như sau:
2.2.3 Tính toán TBNĐ cho TBA:
2.2.3.1 Xác định điện trở nối đất nhân tạo : Ở TBA không sử dụng nối đất tự nhiên nên điện trở nối đất nhân tạo bằng trị số điện trở nối đất theo tiêu chuẩn
Hình thức nối đất là dùng thanh thép dẹp có kích thước là 40 4 mm, có độ chôn sâu h = 0,8(m), và các cọc có kích thước là 63×63×6mm đóng dọc theo chu vi trạm và bên trong các mắt lưới của trạm.
Số thanh ngang của lưới:
D 1 + 1 = 11 (thanh) a: chiều dọc của trạm, a = 50 m
D1:chiều rộng ô lưới; D1 = 5m Theo tiêu chuẩn ngành TCXD 46:1984
Số thanh dọc của lưới:
D 2 + 1 = 13 (thanh) b: chiều dài của lưới, b = 60m.
D2: chiều dài ô lưới; D2 = 5m Theo tiêu chuẩn ngành TCXD 46:1984 Tổng chiều dài điện cực hình thành lưới:
Trước hết, ta sơ bộ dùng các cọc đóng dọc chu vi của trạm.
Số cọc cần đóng là :
5 2 = 44 (cọc) a Điện trở nối đất của các điện cực chôn nằm ngang (điện trở của luới):
1: Điện trở suất của đất nơi tiếp xúc với lưới ở độ chôn sâu h = 0,8m, tức là điện trở suất của lớp đất phía trên, 1= 373,6 m h’: Kích thước phụ thuộc độ chôn sâu của lưới h’ = √ h×d 1 d1: Đường kính thép dùng làm lưới, d1 = 0,02 m. h: Độ chôn sâu của lưới, h = 0,8 m
S: Diện tích lưới nối đất, S = 50 ×60 = 3000 m 2
K1, K2: các hệ số liên quan đến cấu trúc hình học của lưới nối đất.
Ta có: b a = 1,2 Tra hình 2.10 ta được: K1 = 1,37; K2 = 5,7
Thay số vào ta được:
√ 3000 - 5,7 ) = 3,3 . b Điện trở nối đất của cọc chôn thẳng đứng:
Dùng các cọc đóng xung quanh chu vi trạm có kích thước là: 63×63×6mm có chiều dài 3m.
Với a : là điện trở suất biểu kiến tuơng đương.
L2: Chiều dài trung bình của các cọc nối đất. n: Là số cọc nối đất đóng dọc theo chu vi trạm, n = 42 cọc.
K1: Hệ số liên quan đến yếu tố hình học của hệ thống.
. c Điện trở tương hổ giữa lưới và cọc:
√ 3000 - 5,7 + 1) = 1,86 . d Điện trở nối đất của hệ thống: Điện trở nối đất của hệ thống được tính theo công thức sau:
Vì Rđ > 0,5 nên ta cần tính toán lại dể cho đạt giá trị Rđ 0,5.
Giả sử ta cần bố trí tất cả các cọc bên trong mắt lưới của ô lưới Do đó số cọc tăng lên Tổng số cọc cần bố trí bên trong lưới là: 13 11 = 143 (cọc). a1 Điện trở nối đất của cọc chôn thẳng đứng:
√ 3000 ( √ 143 - 1) 2 – 1 ) 1,894. a2 Điện trở nối đất của hệ thống:
Rđ > 0,5 vẫn chưa đạt yêu cầu.
Hiện tại bên trong lưới nối đất ta đã bố trí tất cả các cọc nhưng vẫn không thỏa mãn yêu cầu giá trị điện trở nối đất của hệ thống Tăng diện tích lưới nối đất về phía đường dây 110KV đồng thời khoan giếng tiếp địa Do điện trở suất cúa đất giảm theo độ sâu, nên ta dùng biện pháp khoan giếng sâu từ 12m đến 30m và thả cọc dẫn điện xuống.
2.2.3.2 Tăng diện tích lưới nối đất:
Với diện tích mặt bằng của trạm đã cho, qua bước tính sơ bộ khó thực hiện thiết kế TBNĐ cho trạm đạt được giá trị điện trở nối đất của hệ thống theo yêu cầu Nếu đạt thì vốn đầu tư vào TBNĐ cho trạm rất lớn vì phải khoan nhiều giếng tiếp địa, chi phí làm một giếng tiếp địa rất tốn kém Để khắc phục, ta lợi dụng phần đất trống ngoài hành lang trạm ở hướng phía dưới đường dây 110KV mở rộng diện tích lưới nối đất cho đến cột cuối đường dây vào trạm Diện tích để thiết kế lưới nối đất cần tính toán là:
Số thanh ngang của lưới:
D 1 + 1 = 11 (thanh) a: chiều dọc của trạm, a = 50m
Số thanh dọc của lưới:
D 2 + 1 = 16 (thanh) b: chiều dài của lưới, b = 75 m.
Tổng chiều dài điện cực hình thành lưới:
L1 ’= Na.b + Nb.a = 1625 m. a Điện trở nối đất của các điện cực chôn nằm ngang (điện trở của luới):
√ S - K 2 ) S: Diện tích lưới nối đất, S = 3750 m 2
K1, K2: các hệ số liên quan đến cấu trúc hình học của lưới nối đất.
Ta có: b a = 1,5 Tra hình 2.10 ta được : K1 = 1,35; K2 = 5,8 Thay số vào ta được:
√ 3750 - 5,8 ) = 2,94 . b Điện trở nối đất của cọc chôn thẳng đứng:
Dùng các cọc kích thước là: 63×63×6mm có chiều dài 3m bố trí tất cả bên trong mắt lưới của ô lưới Số cọc cần sử dụng là: n = 11 × 16 = 176 (cọc)
√ 3750 ( √ 176 - 1) 2 – 1 ) 1,684 . c Điện trở tương hổ giữa lưới và cọc:
√ 3750 - 5,8 + 1) = 1,671 . d Điện trở nối đất của hệ thống: Điện trở nối đất của hệ thống được tính theo công thức sau:
Vì Rđ > 0,5 nên ta cần tính toán lại dể cho đạt giá trị Rđ 0,5.
2.2.3.3 Dùng biện pháp khoan giếng tiếp địa:
Sơ bộ ta khoan một số giếng và thả cọc dẫn điện xuống, chiều dài của mỗi cọc là lg = 20m, giả sử ta khoan ng = 12 giếng. a Điện trở của cọc thẳng đứng khi khoan giếng là:
Với a ’: là điện trở suất biểu kiến tuơng đương.
g - là điện trở suất của đất khi khoan giếng, điện trở suất của đất giảm theo độ sâu , theo kinh nghiệm từ thực tế chọn g = 130 m. n - tổng số cọc bố trí bên trong lưới, n = 176 cọc. nn = 176 - 12 = 164 là số cọc ngắn, L2 = 3 m. l - chiều dài trung bình của cọc. l L 2 n n +l g n g n n +n g = 3.164+20.12
= 1,045 . b Điện trở tương hổ giữa cọc và lưới:
√ 3750 - 5,8 + 1) = 1,656 . c Điện trở nối đất của hệ thống là:
Vậy Rht = 0,49 < 0,5 hệ thống nối đất TBA đạt yêu cầu.
Tổng số lượng sắt thép tính toán dùng trong hệ thống nối đất là:
- Tổng chiều dài của điện cực hình thành lưới:
- Tổng chiều dài các điện cực chôn thẳng đứng: lc = 3.164 + 12.20 = 732 m.
- Tổng chiều dài sắt thép dùng cho TBNĐ là:
2.2.3.4 Kiểm tra điện trở nối đất của hệ thống R nđ :
Cách bố trí các điện cực trên diện tích thực của TBA như bản vẽ 1 ở phần phụ lục.
So với việc tính sơ bộ ban đầu ở trên, khi bố trí các điện cực trên diện tích thực của TBA tạo thành hệ thống lưới nối đất thì tổng số lượng sắt thép bố trí trong diện tích của trạm giảm đi Vì dưới chân MBA hố thu dầu sự cố và các thiết bị khác ta không thể bố trí các điện cực, phần móng đặt các thiết bị này bị chôn sâu âm xuống đất nên khi bố trí các điện cực ta tránh ra Do đó, cần kiểm tra lại điện trở nối đất của hệ thống khi bố trí các điện cực trên diện tích thực có đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn hay không.
Tổng số sắt thép bố trí trên điện tích của trạm là:
- Số cọc bố trí trong trạm là: n’ = 176 – 2 = 174 cọc.
- Tổng chiều dài điện cực hình thành lưới là: Lt = 1625 – 45 = 1580 m a Điện trở nối đất của các điện cực chôn nằm ngang (điện trở của luới):
Thay số vào ta được:
√ 3750 - 5,8 ) = 2,947 . b Điện trở của cọc thẳng đứng:
√ S ¿ ( √ n' - 1) 2 – 1 ) Trong đó: n’ - tổng số cọc bố trí bên trong lưới, n’ = 174 cọc. nn' = 174 - 12 = 162 là số cọc ngắn, L2 = 3m.
L ’ - chiều dài trung bình của cọc.
Thay số vào ta được:
= 1,046 . c Điện trở tương hổ giữa cọc và lưới:
√ 3750 - 5,8 + 1) = 1,657 . d Điện trở nối đất của hệ thống là:
Các khái niệm về an toàn điện
An toàn trong công tác vận hành TBA là yêu cầu quan trọng trong quản lý và vận hành hệ thống điện Để đảm bảo an toàn cho nhân viên vận hành trạm người ta phải tìm cách giảm điện áp đặt trên thiết bị trong trạm khi tồn tại dòng sự cố đến mức cho phép đối với điện áp bước và điện áp tiếp xúc.
3.1.1 Trở kháng điện của cơ thể người :
Trị số của kháng điện của cơ thể người là một hàm của điện áp tiếp xúc, tần số, độ ẩm của da, đường đi của dòng điện qua cơ thể người và bề mặt tiếp xúc.
Sơ đồ thay thế trở kháng của cơ thể người:
Trong đó: Zi : Trở kháng trong.
Z1, Z2 : Trở kháng của da tay và da chân.
Trở kháng tổng trở của cơ thể:
Z = Zi + Z1 + Z2 (3.1) Khi U ~ 50V trở kháng da thay đổi nhiều nên Z thay đổi theo.
Khi điện áp tiếp xúc cao hơn thì trở kháng tổng phụ thuộc ngày càng ít vào Z, trị số của nó tiến dần đến trị số Zi.
3.1.1.1 Trở kháng trong của cơ thể người:
Có thể coi hầu hết là điện trở Trị số của nó phụ thuộc vào đường đi của dòng điện qua cơ thể con người, ít phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc Theo các kết quả nghiên cứu cho thấy đường đi nguy hiểm nhất của dòng điện qua người là qua tim, phổi, não.
Trở kháng của da có thể coi là tập hợp các điện trở và dung kháng Cấu trúc của nó gồm một lớp bán dẫn và một phần tử dẫn điện nhỏ (lỗ chân lông) Trở kháng của da giảm đi khi dòng điện tăng.
GVHD: TS Trương Thị Hoa 38 mA/ mm280
Hình 3.1 Các trở kháng của cơ thể người Z1 Z2
Zi Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nối đất cho TBA 110kV
Vùng 1: Da không thay đổi.
Vùng 3: Da có vết của dòng.
Vùng 4: Da bị cháy thành than.
Những thay đổi của da người phụ thuộc vào mật độ dòng điện iA(mA/mm 2 ) và thời gian dòng điện đi qua.
Dưới 10mA/mm 2 : Không nhận thấy sự thay đổi trên da (vùng 1).
Từ (10 20)mA/mm 2 : Một vết đỏ xuất hiện trên da với sự phồng có hình làn sóng màu trắng (vùng 2).
Từ (20 50)mA/mm 2 : Một màu nâu nhạt phát triển dưới điện cực xuất hiện trên da Với thời gian dài (vài chục giây) những vết đỏ có thể rộp lên (vùng 3).
Trên 50mA/mm 2 : Da có thể cháy thành than (vùng 4)
Trị số trở kháng của da phụ thuộc vào điện áp, tần số, thời gian dòng điện chạy qua, diện tích bề mặt tiếp xúc, độ ẩm của da… Đối với U 50V trở kháng của da giảm nhiều và có thể đánh thủng Ở diện áp xoay chiều tần số công nghiệp và khi điện áp tác dụng lên cơ thể người (điện áp tiếp xúc) từ vài trăm vôn trở lên thì cơ thể người được xem như một thuần trở vì lúc này da đã bị đánh thủng nên xem trở kháng da bằng không. Điện trở cỏ thể người (Rng) là một tham số phức tạp vì phụ thuộc vào nhiều yếu tố lại mang tính phi tuyến và ngẫu nhiên Trong các tính toán về an toàn điện, điện trở cơ thể người có thể lấy gần đúng bằng Rng = 1000
3.1.2 Ảnh hưởng của độ lớn và thời gian của dòng điện qua cơ thể người :
Giá trị dòng điện đi qua người là một yếu tố quan trọng nhất, phụ thuộc vào hai yếu tố rất quan trọng: điện áp mà người phải chịu và điện trở của cơ thể người khi tiếp
Hình 3.2 Sự phụ thuộc của sự thay đổi của da ngưòi theo mật độ dòng điện và thời gian dòng điện đi qua.
0 10 20 30 40 50 60 xúc với phần có điện áp Cơ thể có các phản ứng khác nhau tùy thuộc vào độ lớn dòng điện qua cơ thể người Tùy theo cường độ dòng điện tác dụng lên cơ thể người ta chia ra các ngưỡng sau:
3.1.2.1 Ngưỡng nhận biết và ngưỡng phản ứng:
Nhũng ngưỡng này phụ thuộc rất nhiều tham số như diện tích tiếp xúc, các điều kiện tiếp xúc (độ ẩm, áp lực, nhiệt độ) và các đặc tính sinh lý của từng người.
Ngưỡng cảm nhận: Là trị số tối thiểu của dòng điện để người nhận biết được rằng có dòng điện đi qua cơ thể (nhận biết được mình đã bị chạm điện).
Ngưỡng phản ứng: Là trị số tối thiểu của dòng điện gây co cơ không tự giác (nạn nhân không thể thoát ra khoải nguồn điện) Ngưỡng phản ứng có trị số bằng 0,5mA.
3.1.2.2 Ngưỡng tự buông, ngưỡng buông thả:
Là trị số lớn nhất của dòng điện mà người ta đang tiếp xúc với điện cực có thể rút ra khỏi điện cực đó (khi dòng điện bé hơn giá trị này thì co cơ càng dịu đi và người càng dễ dàng tự thoát ra khỏi điện cực) Giá trị trung bình của ngưỡng tự buông là 10mA.
Những ngưỡng này phụ thuộc vào nhiều thông số như diện tích tiếp xúc, dạng và kích thước của các điện cực cũng như các đặc tính sinh lý của người.
3.1.2.3 Ngưỡng rung tim, ngưỡng rung cơ tim:
Các thành tựu nghiên cứu về an toàn điện cho thấy rung tim là nguyên nhân chủ yếu gây tử vong cho người bị điện giật Mức độ rung tim dẫn đến gây tử vong phụ thuộc vào hai yếu tố:
Độ lớn của dòng điện qua tim.
Thời gian duy trì dòng điện qua tim.
Sở dĩ có ảnh hưởng của thời gian là vì trong một nhịp tim (khoảng 1s) có tồn tại một thời kỳ tim dễ bị tổn thương kéo trong khoảng 1/10 nhịp tim (0,1s) Trong thời kỳ này nếu có dòng điện qua tim thì các sợi cơ tim sẽ bị kích thích không đồng đều và nếu dòng điện đủ lớn thì dẫn đến rung tim.
Giới thiệu chung cách tính toán TBNĐ an toàn TBA 110KV Hội An theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std 80-1986
Lưới nối đất gồm các điện cực chôn nằm ngang trong đất như hình 3.3, số thanh ngang (Nb) và số thanh dọc (Na) được xác định theo công thức:
Tổng chiều dài điện cực hình thành lưới:
L = Na.b + Nb.a (3.7) Khi có đóng thêm cọc (điện cực chôn thẳng đứng), với tổng chiều dài các cọc là
LC, thì tổng chiều dài các điện cực nối đất (gồm tất cả các điện cực chôn thẳng đứng và chon nằm ngang) sẽ được xác định bỡi:
GVHD: TS Trương Thị Hoa 42 b
Na a Hình 3.3 Lưới (điện cực) nối đất
(3.7a) (3.7b) (3.7a) Khi có ít cọc và cọc đóng bên trong xa chu vi lưới.
(3.7b) Khi có cọc đóng ở chu vi lưới hoặc gần chu vi lưới.
Hệ số 1,15 là do mật độ dòng điện tản vào trong đất từ các cọc này lớn do đó tương ứng với sự tăng chiều dài cọc.
3.2.2 Cách tính toán TBNĐ cho TBA : a.Với các số liệu ban đầu như diện tích mặt phẳng của trạm, điện trở suất của đất, dòng điện sự cố chạm đất, thời gian sự cố… Người ta xác định điện áp tiếp xúc cho phép và điện áp bước cho phép:
Đối với người cân nặng 50Kg:
Đối với người cân nặng 70Kg :
√ t (1000 + 6C SS) (3.9b) b Kế tiếp ta đưa ra thiết kế sơ bộ nối đất chỉ sử dụng các điện cực nằm ngang nối với nhau thành một ô mắt lưới (chưa sử dụng các cực).Với ô lưới này ta xác định các trị số sau:l
Điện trở mạng nối đất Rg
L: Tổng chiều dài điện cực nối đất.
S: Diện tích lưới nối đất. h: Độ chôn sâu của lưới.
Dòng cực đại tản vào lưới nối đất, IG được xác định theo công thức sau:
I: giá trị hiệu dụng dòng sự cố chạm đất đối xứng
Df: Hệ số tắt dần
Cp: hệ số hiệu chỉnh thiết kế khi xét đến sự gia tăng của dòng điện sự cố
Sf: hệ số phân dòng điện do có một phần dòng điện sự cố tản vào đất thông qua các dây chống sét, dây trung tính được nối đất.
Edâng thế = IG.Rg (3.12) c Bước tiếp ta tính các điện áp ô lưới, và điện áp bước tính toán sau đó so sánh độ dâng thế đất, điện áp ô lưới với các giá trị điện áp tiếp xúc cho phép và điện áp bước cho phép.
L: Tổng chiều dài điện cực nối đất.
tt: Điện trở suất tính toán của đất.
Km: Hệ số hình học của hệ thống nối đất, được các định theo công thức Several.
2 π [ ln ( 16.h D 2 d + (D 8 + D 2 h) d 2 − 4 h d )+ K K ii h ln π ( 2.n−1) 8 ] (3.14) Trong đó:
D: Khoảng cách các thanh dẫn của lưới D = √ D 1 D 2 n: Số thanh dẫn trung bình, n = √ N a N b và được làm số nguyên.
Kh: Hệ số biểu thị ảnh hưởng độ sâu (h) của lưới nối đất.
Kh = √ 1+ h/h 0 , trong đó h0 = 1m từ lưới nối đất đến đất nền.
Kii : Hệ số liên hệ sự phân bố cọc.
+ Kii = 1 khi cọc đóng khắp diện tích lưới hoặc đóng theo chu vi lưới, ở góc lưới.
(2 n) 2/n Khi lưới nối đất không có cọc điện cực.
Ki = 0,656 + 0,172.n là hệ số hiệu chỉnh (3.15)
Điện áp bước tính toán:
L Với L = L1 + 1,15Lcọc (3.16) Còn KS là hệ số hình học của lưới nối đất:
Nếu Edâng thế > Etiếp xúc cho phép Và Eô lưới > Etiếp xúc cho phép thì điều tất yếu là phải bổ sung điện cực nối đất nằm ngang hoặc đóng thêm các cọc điện cực nối đất thẳng đứng vào mạng nối đất trong thiết kế sơ bộ
Sau đó tính toán lại từ bước tính Rg, Edâng thế, Eô lưới, … và cứ mỗi lần bổ sung điện cực nối đất đều phải tính lại cho đến khi nào đạt được chỉ tiêu.
Eô lưới tính toán < Etiếp xúc cho phép (3.18a)
E bước tính toán < E bước cho phép (3.18b)
Quan điểm về nối đất an toàn theo ANSI/IEEE Std 80 -1986
Hệ thống nối đất an toàn ở các TBA có bộ phận chủ yếu là lưới các điện cực nằm ngang chôn trong đất Tiêu chuẩn của nối đất an toàn không được thể hiện bỡi giá trị của điện trở nối đất mà được thể hiện bỡi các giá trị của điện áp bước và điện áp tiếp xúc, các điện áp này không gây nên tử vong do rung tim Điện áp tiếp xúc và điện áp bước lớn nhất cho phép khi chạm điện gián tiếp được xác định bỡi công thức:
Đối với người cân nặng 50Kg: (3.8a), (3.8b).
Đối với người cân nặng 70Kg: (3.9a), (3.9b).
Trong các công thức trên:
1000: Trị số điện trở cơ thể người. ts: Thời gian duy trì dòng điện qua người, cũng là thời gian duy trì sự cố (s).
Css: Do trong khu vực TBA thường có rải một lớp sỏi đá trên bề mặt đất nên dưới chân ngưòi sẽ là một môi trường đất không đồng nhất như trên hình 3.1 Lớp sỏi đá có độ dày hs và có điện trở suất s, thông thường hs = (0,08 0,15)m và s = (2000
3000)m còn bên dưới là lớp đất với điện trở suất là s.
Dùng phương pháp soi gương để dưa môi trường đất không đồng nhất này (hình 3.4a) về môi trường đồng nhất (hình 3.4b) với điện trở suất như trên hình vẽ.
Hình 3.4 Chuyển môi trường không đồng nhất thành môi trường đồng nhất.
Hệ số hiệu chỉnh điện trở Cs, theo , s, được xác định gần đúng theo công thức của Jacksson và Several.
Khi: s = hoặc khi hs = 0 sẽ được Cs.s = .
Như đã biết khi điện cực nối đất là đĩa kim loại tròn bán kính r đặt trên bề mặt của đất có điện trở suất sẽ cho điện trở nối đất là:
Do vậy điện trở nối đất của bàn chân người với giả thiết bàn chân người là dẫn điện lý tưởng và có đường kính là 16cm.
Nếu bỏ qua điện trở nối đất tương hổ giữa các bàn chân thì điện trở nối đất hệ hai bàn chân sẽ là:
- Trong tính toán điện áp tiếp xúc:
(3.22) (do điện trở nối đất của các bàn chân ghép song song với nhau)
- Trong tính toán điện áp bước:
2×Rch = 6Css (3.23)(do điện trở các bàn chân được ghép nối tiếp với nhau)
Các thông số của TBA 110KV Hội An
- Dòng điện ngắn mạch một pha: I = 7,5175KA
- Điện trở suất của đất: = 373,6m
- Điện trở suất của lớp đá vụn: s = 2500m
- Độ dày lớp đá: hS = 0,15m
- Độ chôn sâu lưới nối đất: h = 0,8m
- Hệ số phân dòng: Sf = 0,35
- Diện tích mặt bằng của trạm: A = 46,75 57,8m 2
Tính toán TBNĐ cho TBA
Bước1: Với số liệu đã cho S = 46,75 57,8 = 2702,15 m 2 và điện trở suất tính toán của đất là 373,6m Ta giả thiết mặt bằng của trạm có kích thước là 50 × 75 m, và lưới nối đất là một mạng các ô mắt lưới nhưng không có các cọc điện cực Như vậy ta thiết kế TBNĐ cho TBA với diện tích là S = 50 × 75 750 m 2 và điện trở suất của đất là
Bước 2: Xác định kích thước các điện cực nối đất (các thanh nằm ngang)
Sơ đồ tính toán: Dựa trên sơ đồ hệ thống điện Việt Nam, trong đó tính toán lấy nguồn hệ thống là trạm 500KV Đà Nẵng Lưới điện 110KV Hội An được xuất tuyến mạch kép đi Điện Nam - Điện Ngọc.
- Đường dây 110KV từ MBA 500KV Đà Nẵng - Điện Nam: mạch kép dây 2×AC-185, dài: 20Km, MBA:25MVA.
- Đường dây 110KV Hội An: dây dẫn ACKII – 185 dài 8,133Km.
- Trạm 110KV Hội An: xét trường hợp vận hành 2 máy 2×25MVA song song.Kết quả tính toán:
Dòng điện ngắn mạch một pha là: I = 7517,5A.
Với thời gian sự cố là: ts = 0,5s ta có hệ số tắt dần Df = 1 (theo bảng 3.3)
Bảng 3.3 Hệ số tắt dần theo thời gian sự cố:
Thời gian sự cố Df
Như vậy dòng chạm đất cực đi qua hệ thống nối đất là: I = 7,5175KA Với ts 0,5s và If ta xác định được kích thước các điện cực nằm ngang theo đường cong cho trong hình 3.5.
Hình 3.5 Đồ thị tiết diện thanh
Khi sử dụng loại đường cong này ta có thể chọn các loại điện cực khác nhau, thí dụ ta chọn loại 100% Cu, thì từ hình 3.5 ở trên trên ta được: Ac’ = 3 mm 2 /KA
4 = 22,6mm 2 d = 5,365mm = 0,00536m là đường kính của các điện cực nằm ngang Do các điện cực này phải chịu các lực kéo căng và độ gồ ghề của đất cũng như mức chịu đựng và ổn định nhiệt cho nên ta chọn đường kính có điện cực d’ > d, chọn d’ = 0,04m Điện cực này chịu được nhiệt độ tới 1084 O C.
Bước 3: Tính toán Etiếp xúc cho phép và Ebước cho phép
30% CCS 97%Cu - 250 0 C 40% CCS 97%Cu - 450 0 C 97%Cu AND 100%Cu
1 Đây là bước tính toán quan trọng vì kết quả của bước này sẽ được đem ra để so sánh với điện áp tiếp xúc tính toán và điện áp bước tính toán Nếu các điện áp tính toán không thỏa mãn các điện áp cho phép thì phải thay đổi hay bổ sung cho thiết kế sơ bộ.
Ta có công thức tính Etxcp (điện áp tiếp xúc cho phép) và Ebcp (điện áp bước cho phép) theo tiêu chuẩn IEEE/ANSI Std.80 – 1986 như sau:
- Số 1000: là điện trở cơ thể người (theo IEEE/ANSI và IEC) tính bằng
- Các hệ số 6 trong Ebước và 1,5 trong Etiếp xúc là tính đến dòng qua cơ thể có điện trở của bàn chân, ngoài ra giữa 2 chân có điện trở tương hổ giữa chúng khi tính toán người ta lấy khoảng cách 2 chân là 0,8 m.
- Hệ số 0,157 là hệ số kinh nghiệm do Dalziel đưa ra qua nhiều thí nghiệm với cơ thể cân nặng 70kg, còn đối với cơ thể cân nặng 50kg là 0,116.
- ts = 0,5s thời gian sự cố.
- Cs là hệ số hiệu chỉnh điện trở suất được xác định theo công thức gần đúng của Jacksson và Several:
0,106+2.0,15 = 0,77Thay vào các công thức ở trên ta được:
Bước 4: Thiết kế sơ bộ
Ta có thể bố trí một hệ thống nối đất đơn giản như sau:
Sử dụng các điện cực nối đất có đường kính 0,04m tạo thành một mạng ô mắt lưới với khoảng cách mỗi ô là D = 5m chôn sâu h = 0,8m và chưa dùng đến cọc thẳng đứng.
Như vậy ta có: L1 = 11.75 + 16.50 = 1625m là tổng chiều dài các điện cực nằm ngang.
Bước 5: Xác định điện trở nối đất của hệ thống: Áp dụng công thức Several để tính toán:
Bước 6: xác định dòng vào lưới nối đất cực đại IG:
Như ta đã biết, khi có sự cố chạm đất thì sẽ có 1 dòng điện lớn đi vào từ hệ thống nối đất ra vùng xung quanh, do đó tạo ra độ dâng thế rất lớn Edâng thế trên bề mặt khá rộng của trạm Khi dòng sự cố đi vào đất, nó sẽ bị phân dòng theo hệ số phân dòng Sf và thiết lập các dòng đối xứng tương ứng: Ig = Sf.I.
Ig: dòng đối xứng vào lưới nối đất.
I: giá trị hiệu dụng dòng sự cố chạm đất đối xứng.
Sf: hệ số phân dòng liên quan đến biên độ của dòng sự cố, do có một phần dòng điện sự cố tản vào đất thông qua các dây chống sét trung tính được nối đất Tra hình 3.6 ta được: Sf = 0,36.
Hình 3.6 Hệ số phân dòng Sf của dòng sự cố tản vào lưới nối đất
Ta có: IG = Cp.Df.Ig mà Ig = Sf.I
Do đó IG = Cp.Df Sf.I là dòng cực đại không đối xứng đi vào lưới nối đất và vùng xung quanh
Cp: hệ số hiệu chỉnh tính đến sự tăng trưởng của dòng sự cố trong thời gian tuổi thọ của trạm, với hệ thống phát triển lấy bằng 1
Df: hệ số tắt dần, Df = 1
Bước 7: Tính độ dâng thế đất
Ta thấy Edâng thế > Etxcp (7585,5V > 642,61V)
Bước 8: Do Etxcp < Edâng thế nên phải tính Eô lưới
Công thức tính: Eô lưới ρ tt I G K m K i L
: điện trở suất của đất, = 373,6m
L: tổng chiều dài điện cực nối đất của hệ thống nối đất, L = 1625m.
IG: dòng điện cực đại đã tính ở trên IG = 2631,12A.
Km: hệ số hình học của hệ thống nối đất được tính theo công thức sau:
(2 n ) 2/n khi ô lưới nối đất không có cọc điện cực
Kii = 1 khi lưới có cọc điện cực đóng theo chu vi
Ki = 0,656 + 0,172.n là hệ số hiệu chỉnh Và n là số thanh dẫn trung bình. n = √ 11.16 = 13,2 chọn n = 13
D: khoảng cách các thanh dẫn của lưới.
Kh = √ 1+ h h 0 trong đó h0 = 1m từ lưới nối đất đến đất nền.
Thay số vào ta được:
Kết quả trên ta thấy E ô lưới > Etxcp Như vậy qua 8 bước ta được:
Edâng thế > Etxcp và E ô lưới > Etxcp Điều này ta thấy thiết kế sơ bộ không đạt yêu cầu Vậy cần phải bổ sung thêm điện cực dạng cọc đóng theo chu vi, tăng thêm chiều dài các điện cực…Mỗi lần như vậy ta phải tính lại bước thứ 5.
Từ các bước tính toán thiết kế sơ bộ ở trên ta bổ sung như sau:
- Diện tích mặt bằng của lưới nối đất là: S = 50×75 750m 2
- Lấy mạng ô lưới như trên với D = 5m, chôn sâu h = 0,8 m.
- Dùng thêm 60 cọc có chiều dài điện cực mỗi cọc là Lc = 3m.
Như vậy ta có: L1 = 11.75 + 16.50 + 60.3 = 1805m là tổng chiều dài các điện của lưới nối đất.
Tính lại từ bước thứ 5 :
Bước 5’: Tìm điện trở nối đất của hệ thống:
Bước 6’: Giá trị dòng IG như cũ IG = 2631,12A.
Bước7’: Tính độ dâng thế đất:
Ta thấy: E’dâng thế > Etxcp
Bước8’: Tính điện áp ô lưới.
L1 = 1625m, tổng chiều dài các điện cực nằm ngang.
Bước 9’: So sánh kết quả ta thấy:
E’ô lưới < Etx(50) = 642,61V, Etx(70) = 869,75V Vậy hệ thống nối đất thỏa mãn điều kiện an toàn về điện áp tiếp xúc đối với người nặng 50Kg, 70Kg khi tiếp xúc với thiết bị.
Bước 10’: Điện áp bước lớn nhất tác dụng lên cơ thể người.
Ebước tính toán(Es) ρ tt I G K s K i L
Ks: Hệ số khoảng cách trong tính toán Es, được xác định theo công thức:
Thay số vào ta được :
Ta thấy : Es < Eb(50) = 2441,98V, Eb(70) = 3305,1V Như vậy hệ thống nối đất thõa mãn điều kiện an toàn về điện áp bước đối với người nặng 50Kg, 70Kg khi vào trạm.
Tóm lại theo sơ đồ tính toán ta thấy rằng với việc bổ sung các điện cực nối đất như trên là đạt yêu cầu và chuyển sang thiết kế chi tiết như thêm cọc nối đất cho chống sét và cho việc nối đất các thiết bị…
Kết luận
Qua phương pháp tính TBNĐ cho TBA 110KV Hội An theo tiêu chuẩn ANSI/
IEEE Std 80-1986, hệ thống nối đất thõa mãn điều kiện an toàn về điện áp tiếp xúc, điện áp bước đối với người nặng 50Kg, 70Kg khi vào trạm và số lượng thép sử dụng là:
Tổng số cọc sử dụng là: n = 60cọc, dài 3m
Tổng chiều dài điện cực hình thành lưới là: L = 1625m.
Tổng chiều dài sắt thép dùng cho TBNĐ là: L1 = 1625 + 180 = 1805m
Với số lượng sắt thép đã sử dụng cho TBNĐ này thì tiêu chuẩn an toàn đạt được không yêu cầu cụ thể giá trị của điện trở nối đất, mà được thể hiện bỡi các giá trị điện áp bước và điện áp tiếp xúc đảm bảo điều kiện an toàn cho người vận hành khi xuất hiện.
Các yêu cầu chính theo TCVN 4756 -1989 và ANSI/IEEE Std 80 - 1986
Nối đất an toàn cho TBA nhằm đạt mục đích:
Tuy nhiên, TCVN không hướng dẫn xác định Utx và Ub, các giá trị cho phép Utxcp và Ubcp được xây dựng từ những số liệu thống Yêu cầu chính của tiêu chuẩn là: Điện trở của TBNĐ không được lớn hơn 0,5 trong bất cứ thời gian nào trong năm, có tính đến điện trở nối đất tự nhiên Điện trở nhân tạo không vượt quá 1 Nên theo TCVN thì không trả lời trực tiếp liệu người có được an toàn khi có tác dụng của điện áp bước và điện áp tiếp xúc.
Ngoài ra, tiêu chuẩn ngành TCXD 46: 1984 còn hướng dẫn về cách bố trí các thanh điện cực nằm ngang, kích thước mỗi ô lưới không được lớn hơn 5×5m, và còn hướng dẫn tính điện trở nối đất theo dạng tia kết hợp cọc.
Do không có hướng dẫn cụ thể về cách xác định Utxcp, Ubcp tiêu chuẩn cũng không kể đến ảnh hưởng của lớp đá dăm bề mặt, vì lớp đá này nhằm giảm điện áp tiếp xúc và điện áp bước Khi thiết kế TBNĐ chỉ quan tâm đến giá trị điện trở nối đất nên trong tính toán chỉ xét đến ảnh hưởng các lớp đất có điện trở suất 1, 2 khác nhau nơi đóng cọc chôn sâu xuống đất.
4.1.2 Yêu cầu theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std 80 – 1986 :
Tiêu chuẩn của nối đất an toàn không yêu cầu cụ thể giá trị của điện trở nối đất mà được thể hiện bỡi các giá trị của điện áp bước và điện áp tiếp xúc, các điện áp này không gây nên tử vong do rung tim
Tiêu chuẩn này không yêu cầu cụ thể giá trị điện trở nối đất và không hướng dẫn về cách bố trí các thanh điện cực nằm ngang Nhưng có hướng dẫn cụ thể về cách tính toán các giá trị Utx, Ub, Utxcp, Ubcp.
Do có hướng dẫn cụ thể về cách tính Utxcp, Ubcp nên tiêu chuẩn có kể đến ảnh hưởng lớp đá dăm trên bề mặt của trạm vì lớp đá này nhằm giảm Utx, Ub,và trong tính toán có xét đến điện trở cơ thể người, dòng điện qua cơ thể người và thời gian duy trì dòng điện qua người.
So sánh kết quả khi áp dụng phương pháp nối đất theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std 80-1986
và tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std 80-1986:
Qua phần tính toán về nối đất an toàn cho TBA 110KV Hội An theo yêu cầu của hai tiêu chuẩn, ta lập bảng so sánh như sau:
Bảng 4.1 kết quả so sánh hai phương pháp nối đất
Nối đất Tiêu chuẩn Việt Nam
Tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std.80 - 1986
Giá trị quan tâm Rnđ Ub.c.p, Ut.x.c.p
Hình thức nối đất Dạng lưới - cọc Dạng lưới - cọc.
Diện tích lưới nối đất S = 3750 m 2 S = 3750 m 2
Tổng số thép sử dụng L = 2312 m L = 1805 m Điện trở nối đất Rđ = 0,495 RG = 2,86 Điện áp bước và tiếp xúc cho phép
Từ bảng tổng hợp ta thấy tổng số thép cần sử dụng thiết kế TBNĐ cho TBA110KV Hội An để đạt được Rđ ≤ 0,5 theo yêu cầu của TCVN 4756-1989 lớn hơn tổng số thép theo yêu cầu tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std 80-1986, nhưng không chỉ ra được giá trị điện áp bước và điện áp tiếp xúc đảm bảo điều kiện an toàn cho người khi xuất hiện Trong khi đó thiết kế TBNĐ theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std.80-1986 thì tổng số thép sử dụng để nối đất có giảm đi và đảm bảo an toàn cho người vận hành khi xuất hiện điện áp bước và điện áp tiếp xúc.
4.2.3 Kết luận chung: Đồ án đã nêu lên các quan điểm khác nhau về vấn đề an toàn theo các tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std.80-1986, TCVN 4756-1989 Từ đó, đồ án đề xuất sử dụng chỉ tiêu về điện áp bước và điện áp tiếp xúc để làm cơ sở tính toán điều kiện an toàn cho các TBA.
Hiện nay do nhu cầu về điện liên tục tăng cao, do đó cần phải xây dựng nhiều TBA Nếu giảm được giá thành của hệ thống nối đất an toàn trong trạm mà vẫn đẩm bảo về mặt kỹ thuật thì tiết kiệm được một khoảng kinh phí xây dựng trạm Khi thiết kế hệ thống nối đất an toàn trong TBA, theo tiêu chuẩn Việt Nam đòi hỏi giá trị điện trở nối đất rất khắc khe Rđ ≤ 0,5 ở mọi nơi trong trạm và mọi thời điểm trong năm. Để đạt được điều này công tác thi công luôn gặp khó khăn và tốn kém nhiều về chi phí Nhưng theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std.80-1986 không yêu cầu cụ thể giá trị điện trở nối mà thể hiện giá trị điện áp tiếp xúc và điện áp bước, do đó thiết kế TBNĐ theo tiêu chuẩn này thõa mãn kỹ thuật lẫn kinh tế.
Mở rộng kết quả tính toán trong trường hợp diện tích không đổi, nhưng với điện trở suất của đất thay đổi ta lập được bảng so sánh khối lượng thép cho TBNĐ của TBA 110/22KV – 25MVA như bảng 4.2
Bảng 4.2 Chiều dài sắt thép dùng cho TBNĐ trong các trường hợp điện trở suất khác nhau Điện trở suất Theo tiêu chuẩn Việt
Tiêu chuẩn ANSI/IEEE Sdt.80-
1 Quan hệ giữa m) với L(m) theo tiêu chuẩn TCVN 4756-1989
2 Quan hệ giữa m) với L(m) theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std 80-1986
Từ bảng 4.2 và hình 4.1 cho thấy, khi điện trở suất của đất tăng hay giảm thì đường (1) luôn nằm trên đường (2) và có độ dốc hơn nhiều Nếu thiết kế TBNĐ theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std.80-1986 thì tiết kiệm nhiều kim loại màu hơn và theo tiêu chuẩn cho thấy khi thiết kế hệ thống nối đất an toàn không nhất thiết phải thiết kế cho đạt giá trị Rđ ≤ 0,5, mà là một giá trị lớn hơn 0,5 nhưng vẫn đảm bảo hai điều kiện kỹ thuật lẫn kinh tế Điều này giúp công tác thi công sẽ dễ dàng hơn và chi phí của hệ thống nối đất an toàn được giảm đi đáng kể.