Bài tập lớn (phần 2) tính toán Điện trở nối Đất và tổng trở xung kích Đầu vào của hệ thống nối Đất

1.2 Các yêu cầu kỹ thuật Điện trở nối đất cho phép của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số điện áp bước và tiếp xúc trong mọi trường hợp không vượt qua giới hạn cho phép.. Theo

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN (PHẦN 2)

Tính toán điện trở nối đất và tổng trở xung kích đầu vào của

hệ thống nối đất

NGUYỄN SỸ ĐẠT

DAT.NS210176 @sis.hust.edu.vn

Ngành Kỹ thuật điện Chuyên ngành Hệ thống điện

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 10/2024

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT 1

1.1 Mở đầu 1

1.2 Các yêu cầu kỹ thuật 1

1.3 Lý thuyết tính toán nối đất 2

1.3.1 Tính toán nối đất an toàn 2

1.3.2 Tính toán nối đất chống sét 4

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN 7

2.1 Tính toán nối đất an toàn 7

2.2 Tính toán nối đất chống sét 7

CHƯƠNG 3 SO SÁNH ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT VÀ ĐIỆN TRỞ XUNG KÍCH 9

TÀI LIỆU THAM KHẢO 10

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT 1.1 Mở đầu

Nối đất là nối các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ tiếp xúc với dòng

điện do hư hỏng cách điện đến một hệ thống nối đất Trong HTĐ có 3 loại nối đất:

Nối đất an toàn có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện

của thiết bị bị hư hỏng Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phân kim loại bình thường không mang điện (vỏ máy, thùng máy biến áp, các giá

đỡ kim loại …) Khi cách điện bị hư hỏng trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế nhưng do đã được nối đất nên mức điện thế thấp Do đó đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc với chúng

Nối đất làm việc có nhiệm vụ đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết

bị hoặc một số bộ phận của thiết bị theo chế độ đã được quy định sẵn Loại nối đất này bao gồm: nối đất điểm trung tính máy biến áp trong hệ thông điện có điểm trung tính nối đất, nối đất của MBA đo lường và của các kháng điện bù ngang trên các đường dây tải điện đi xa

Nối đất chống sét là loại nối đất có nhiệm vụ tản dòng điện sét trong đất

(khi có sét đánh vào cột thu sét hoặc trên đường dây) để giữ cho điện thế tại mọi

điểm trên thân cột không quá lớn… do đó cần hạn chế các phóng điện ngược trên các công trình cần bảo vệ

1.2 Các yêu cầu kỹ thuật

Điện trở nối đất cho phép của nối đất an toàn được chọn sao cho các trị số điện áp bước và tiếp xúc trong mọi trường hợp không vượt qua giới hạn cho phép

Theo quy trình hiện hành tiêu chuẩn nối đất được quy định như sau:

- Đối với thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất (dòng ngắn mạch chạm đất lớn) trị số điện trở nối đất cho phép là: R ≤ 0,5 Ω

- Đối với thiết bị điện có điểm trung tính cách điện (dòng ngắn mạch chạm đất bé) thì:

o Nếu chỉ dùng cho các thiết bị cao áp:

R ≤250

I Ω

o Nếu dùng cho cả cao áp và hạ áp:

R ≤125

I Ω

Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, nối đất làm việc và nối đất an toàn ở các cấp điện áp khác thường được nối thành hệ thống chung Khi đó phải đạt được yêu cầu của loại nối đất nào có trị số điện trở nối đất cho phép bé nhất

Trong khi thực hiện nối đất, cần tận dụng các hình thức nối đất có sẵn ví

dụ như các đường ống và các kết cấu kim loại của công trình chôn trong đất, móng bê tông cốt thép Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất hoàn toàn giống với điện cực hình tia

Đối với các thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất bé khi điện trở tản của các phần nối đất có sẵn đạt yêu cầu thì không cần nối đất bổ sung Với các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì phải đặt thêm nối đất nhân tạo với trị số điện trở tản không quá 1 Ω

Trong thực tế đất là một môi trường phức tạp và không đồng nhất về thành phần Điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần, nhiệt độ, độ ẩm … Do khí hậu của các mùa thay đổi nên độ ẩm, nhiệt độ của đất luôn thay đổi Vì vậy trong khi thiết kế hệ thống nối đất thì với mỗi loại điện cực nối đất khác nhau ta phải hiệu chỉnh điện trở suất tính toán ρ tt theo hệ số mùa K m Khi đó, điện trở suất tính toán: ρ tt=ρ đo K m

Đối với nối đất của hệ thống thu sét ở các trạm biến áp khi bộ phận thu sét đặt ngay trên xà trạm thì phần nối đất chống sét buộc phải nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm Lúc này sẽ xuất hiện nối đất phân bố dài làm Z xk

lớn làm tăng điện áp giáng gây phóng điện trong đất Do đó việc nối đất chung này chỉ thực hiện được với các trạm biến áp có cấp điện áp U  110 kV Ngoài

ra còn phải tiến hành một số biện pháp bổ sung, khoảng cách theo mạch dẫn điện trong đất từ chỗ nối đất của hệ thống thu sét phải từ 15m trở lên…

1.3 Lý thuyết tính toán nối đất

Với cấp điện áp từ 110 kV đổ lên, điều kiện thỏa mãn nối đất an toàn:

 Điện trở nối đất của hệ thống có giá trị R ≤ 0,5 Ω

 Cho phép sử dụng nối đất an toàn và nối đất làm việc thành một hệ thống Khi đó, điện trở nối đất của hệ thống:

R HT=R NT/¿R TN=R NT R TN

R NT+R TN ≤ 0,5 Ω

Trong đó: R NT ≤ 1 Ω là điện trở nối đất nhân tạo

R TN là điện trở nối đất tự nhiên

- Nối đất tự nhiên

Theo yêu cầu của đề bài, ta xét nối đất tự nhiên của trạm biến áp là hệ thống chống sét đường dây và cột điện 110 kV, 220 kV tới trạm

Công thức tính điện trở tự nhiên:

R TN= R c

1

2+√ R c

R CS

+1 4

(Ω)

Trong đó:

 R c là điện trở nối đất của cột điện.

 R CS là điện trở dây chống sét trong khoảng vượt; R CS=r0.l KV

N

- Nối đất nhân tạo

Đối với nối đất chôn nằm ngang, dùng công thức điện trở tản xoay chiều:

R t ả n= ρ

2 πllln

K l2

d t (Ω)

Trong đó:

 L là chiều dài tổng điện cực (m)

 t là độ chôn sâu của thanh dài (m)

 d là đường kính điện cực khi dùng thanh sắt tròn (m)

 nếu dùng thanh sắt dẹt thì thay d bằng b/2 (b là chiều rộng sắt dẹt)

 K là hệ số hình dạng phụ thuộc vào tỷ lệ l l1

2 Giá trị K=f(l1

l2) được cho bởi bảng hoặc đồ thị

Bảng 1 Bảng giá trị hệ số hình dạng K

l1

l2

Khi hệ thống nối đất gồm nhiều 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:

R h t= R t R c

R c η t+n R t η c (Ω )

Trong đó:

o R c là điện trở tản của một cọc

o R t là điện trở tản của tia hoặc mạch vòng

o n là số cọc

o η t là hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng

o η c là hệ số sử dụng của cọc

Hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất bao gồm:

- Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực

- Quá trình phóng điện trong đất

Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung) thì không cần xét quá trình quá độ mà chỉ cần xét quá trình phóng điện trong đất Ngược lại khi nối đất dùng hình thức tia dài hoặc mạch vòng (phân bố dài) thì đồng thời phải xem xét đến cả hai quá trình, chúng có tác dụng khác nhau đối với hiệu quả nối đất

Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung: Qua nghiên cứu và tính toán người ta thấy rằng điện trở tản xung kích không phụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực mà nó được quy định bởi biên độ dòng điện I, điện trở suất  và đặc tính xung kích của đất

Vì trị số điện trở tản xoay chiều của nối đất tỉ lệ với  nên hệ số xung kích

có trị số là:

α xk=R xk

R =

1

√I ρ

Hoặc dạng tổng quát:

α xk=f ( I ρ )

Tính toán nối đất phân bố dài không xét tới quá trình phóng điện trong đất Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:

L0

R0

L0

R0

L0

R0

Hình 1 Sơ đồ đẳng trọ của hệ thống nối đất

Trong mọi trường hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng R vì nó bé so với trị số điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét đến phần điện dung C vì

ngay cả trong trường hợp sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện qua điện trở tản Lúc này sơ đồ đẳng trị có dạng thu gọn như sau:

G0 G0

G0

Hình 2 Sơ đồ đẳng trị thu gọn

Trong sơ đồ thay thế trên:

L0 là điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài

L0=0,2.[ln(r l0)−0,31] (μHH m )

G0 là điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài

G0= 1

R l=

πl

ρ ln ⁡( l

√h d)

(1¿¿Ω m)¿

Với

o l là chiều dài cực (m)

o r0=d

2là bán kính cưc (m), nếu cực là thép dẹt có bề rộng b (m) thì r = b

4

Đặt Z ( x ,t ) là điện trở xung kích của nối đất kéo dài, là hàm số của không gian và

thời gian: Z ( x ,t )= u(x , t)

i( x , t)

U ( x , t ); I (x ,t )là điện áp và dòng điện được xác định theo phương trình vi phân:

{−∂ x ∂u=L0 ∂ i

∂t

−∂i

∂ x =G0.u

Giải phương trình trên, ta thu được điện áp bất kì tại thời điểm t trên điện cực:

u ( x , t )=aR¿

Trong đó:

a (kA /μHs ) – độ dốc dòng điện sét tản vào đất

R= ρ

πllln( √1hd)(Ω)−¿ điện trở nối đất xoay chiều của tia

T k=L0 G0.l2

k2 πl2 Đ ặ t T1=

L0 G0.l2

πl2 t h ìT k=

T1

k2

Từ đó, ta suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của điện cực nối đất

Z (0, t )= u (0 , t)

i(0 , t)=1+

2 T1

t ∑

k=1

∞

1−e

−t

T k

k2

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN

2.1 Tính toán nối đất an toàn

Sử dụng thanh đồng trong, tiết diện hình tròn( Đường kính 4 cm), dài 500 (m), chôn sâu 0,8 (m), điện trở suất của đất là 1000 Ω.m

Khi đó điện trở nối đất của hệ thống mạch vòng là than dẹt nằm ngang là:

R= ρ

2 πllln(K l h d2)= 1000

2 πl 500 ln(0,8.0,041.5002 )=5,05(Ω)

2.2 Tính toán nối đất chống sét

Chiều dài điện cực là: l=500 (m)

Bán kính điện cực là: r = b

2=

0,04

2 =0,02(m) Điện cảm của điện cực trên một đơn vị độ dài là:

L0=0,2.[ln(r l)−0,31]=0,2.[ln(0,02500 )−0,31]=1,96¿ ¿

Điện dẫn của điện cực trên một đơn vị độ dài là:

G0= 1

l R=

1 500.5,05=0,37.10

−3

(1/Ω m)

Tính phân bố điện áp và tổng trở xung kích của hệ thống nối đất

Dạng sóng xiên góc của dòng điện sét có biên độ không đổi:

I s={a t k hi t<τ ds

I max k h it >τ ds

Với biên độ dòng điện sét là I max=150 kA, thời gian đầu sóng là τ ds=2 μHs

Độ dốc của dòng điện sét là a= I max

τ ds =

150

2 =75 kA / μHs Tổng trở xung kích của hệ thống nối đất nhân tạo:

Z (0, t )=¿

Ta có:

T k=L0 G0.l2

k2 πl2 =1,96.0,37.10−3 5002

k2 πl2 =18,37

k2

T1=L0 G0 l2

πl2 =

1,96 0,35.10−3 5002

πl2 =18,37(μHs)

Z(0, τ ds)=¿

Z(0, τ ds)=1+18,37.∑

k =1

∞

1

k2.(1−e

−2 17,38

k2 ¿

)¿

Khai triển maclaurin – sử dụng phần mềm wolf fram alpha tính toán các tổng:

∑

k =1

∞

1

k2=

πl2

6 ;∑

k=1

∞

1

k2 e

−2 18,37

k2

=1,526

⟹ Z(0, τ ds)=10.994(Ω)

CHƯƠNG 3 SO SÁNH ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT VÀ ĐIỆN TRỞ XUNG

KÍCH

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Bách, Lưới điện và hệ thống điện, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật,

2004

[2] Trần Văn Tớp, "Kỹ Thuật Điện Cao Áp"

[3] Bộ Cồng Thương, "Thông tư 44/2014_TT_BCT ngày 28/11/2014"

[4] H Đ Hoàn, "Giáo trình Nhà máy điện và trạm biến áp (Phần điện)," 2017 [5] B C Thương, "Thông tư 44/2014"