Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 1 Chơng VI Nối đất trong hệ thống điện Đ 6-1. Khái niệm chung: Tác dụng của nối đất là để tản dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các vật đợc nối đất. Trong hệ thống điện có ba loại nối đất khác nhau: Nối đất làm việc: nhiệm vụ của loại nối đất này là đảm bảo sự làm việc bình thờng của thiết bị hoặc của một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã đợc quy định sẵn. Loại nối đất này gồm có nối đất điểm trung tính máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nôí đất, nối đất của máy biến áp đo lờng và của kháng điện dùng trong bù ngang trên các đờng dây tải điện đi xa. Nối đất an toàn (bảo vệ) : có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho ngời khi cách điện bị h hỏng, thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thờng không mang điện (vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ ). Khi cách điện bị h hỏng, trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế nhng do đã đợc nối đất nên giữ đợc mức điện thế thấp do đó đảm bảo an toàn cho ngời khi tiếp xúc với chúng. Nối đất chống sét: Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét trong đất( khi có sét đánh vào cột thu sét hoặc trên đờng dây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn do đó hạn chế đợc các phóng điện ngợc tới công trình cần bảo vệ. Mặc dầu hai loại trên không liên quan nhiều đến phạm vi của giáo trình náy nhng cũng cần trình bày sơ lợc bởi vì chúng có dùng chung một số công thức và ph ơng pháp tính toán và đôi khi cùng một bộ phận nối đất đồng thời làm nhiệm vụ của nhiều loại đất khác nhau. Bất kỳ loại nối đất nào cũng đều có các điện cực chôn trong đất và đợc nối với vật cần đợc nối đất. Điện cực thờng dùng là loại cọc sắt chôn thẳng đứng hoặc thanh dài đặt nằm ngang trong đất. Trong trờng hợp tổng quát, sơ đồ thay thế của nối đất gồm điện trở tác dụng r và điện cảm L của bản thân điện cực ( lấy theo đơn vị dài), điện trở tản R của môi trờng đất xung quanh điện cực và điện dung C của điện cực đối với nơi có thế bằng không của đất. Trong mọi trờng hợp đều có thể bỏ qua điện trở tác dụng r vì nó rất bé so với trị số điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét đến phần điện dung C vì ngay cả trong trờng hợp Hình6 -1 Sơ đồ thay thế của nối đất. I L Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 2 sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện qua điện trở tản. Các tham số con tại ( L, R) phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và tác dụng của chúng cũng tuỳ thuộc vào các điều kiện tính toán cụ thể. Nếu thay thế điện trở tản R bằng điện dẫn g theo đơn vị dài của điện cực g = 1 Rl l là chiều dài của điện cực ) thì sơ đồ thay thế đơn giản của nối đất sẽ có dạng tham số phân bố ( hình 6-1). Khi dòng điện đi vào bộ phận nối đất và nếu tốc độ biến thiên của dòng điện theo thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu điện cảm sẽ ngăn cản không cho dòng điện đi tới các phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều trong thời gian về sau ảnh hởng của điện cảm mất dần và điện áp sẽ phân bố đều đặn hơn. Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc bào hằng số thời gian TLgl 2 (6-1) ( T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng L t và điện dẫn tổng gl = 1 R của điện cực ) . Từ biểu thức (6-1) cho thấy, khi dòng điện tản trong đất là dòng điện 1 chiều hoặc xoay chiều tần số công nghiệp, ảnh hởng của L không đáng kể và bất kỳ hình thức nối đất nào ( thẳng đứng hoặc nằm ngang) cũng đều biểu thị bởi trị số điện trở tản. Khi dòng điện tản trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất tuỳ thuộc vào tơng quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng dòng điện. Khi T < ds thì tới lúc cần xét (khi dòng điện đạt trị số cực đại) quá trình quá độ đã kết thức và nối đất thể hiện nh một điện trở tản. Trờng hopự này ứng với các hình thức nối đất dùng cọc hoặc thanh ngang có chiều dài không lớn lám và đợc gọi là nối đất tập trung. Nếu điện cực dài, hằng số thời gian có thể đạt tới mức ds và tại thời điểm dòng điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ cha kết thúc và nh đã phân tích vè tác dụng của điện cảm, nối đất sẽ thể hiện nh một tổng trở Z có trị số rất lớn so với trị số điện trở tản. Trờng hợp này đợc gọi là nối đất phân bố dài. Điện trở tản của nối đất phụ thuộc vào kích thớc hình học, cách bố trí điện cực và phụ thuộc đặc tính dẫn điện của nối đất biểu thị bởi trị số điện trở suất của nó. Ngoài ra còn phân biệt trị số điện trở tản xoay chiều ( R hoặc R ) và điện trở tản xung kích ( R xk ). Điện trở tản xoay chiều dùng trong các tính toán về nối đất làm việc và nối đất an toàn, trong trờng hợp này do mật độ dòng điện tản trong đất bé nên cờng độ điện trờng trong đất ( E = i; mật độ dòng điện ; điện trở suất của đất) cha đạt tới mức để có thể gây nên phóng điện trong đất. Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 3 Đối với nối đất chống sét, vì mật độ dòng điện sét tản trong đẩt rất lớn, trờng tăng cao và dẫn đến quá trình phóng điện trong đất, tơng đơng với việc tăng kích thớc điện cực và tăng điện dẫn của đất khiến cho điện trở tản xung kích ( R xk ) có trị số thấp hơn so với điện trở tản xoay chiều. Đất là một môi trờng rất phức tạp và không đồng nhất về thành phần cũng nh về cấu tạo. Các phần cấu thành chủ yếu của đất gồm các hạt nhỏ gốc hữu cơ hoặc vô cơ và nớc. Điện dẫn của đất ở trạng thái khô cũng nh của nớc nguyên không đáng kể. Nhng nếu trong đất có các loại muối, axít chúng sẽ hoà tan thành dung dịch điện phân làm cho đất trở thành môi trờng dẫn điện. Nh vậy điện trở suất của đất phụ thuộc nhiều vào thành phần hoá học và độ ẩm của đất. Độ ẩm của đất không những chỉ phụ thuộc vào lợng ma và các vùng nớc ở gần mà còn phụ thuộc vào kích thớc hạt đất, hạt càng bé thì năng lực giữ ẩm càng tốt. Các loại đất thờng gặp là loại đất cát, đất sét, đất mùn. Đất cát cấu tạo bởi các hạt thạch anh đờng kính 0,2 ữ 2mm, có rất ít các dung dịch điện phản và năng lực giữ ẩm kém. Đất sét cũng có gốc vô cơ gòm những hạt rất nhỏ, mịn đờng kính khoảng vài phần ngàn milimét và ở thể keo. Trong đất sét có nhiều thành phần muối và axít và vì có năng lực giữ ẩm tốt nên điện dẫn của nó lớn hơn nhiều so với cát. Đất mùn cũng có cấu tạo thể keo, khả năng giữa ẩm lớn và có nhiều dung dịch điện phân. Khác với đất sét, đất mùn có gốc hữu cơ và bở. Khi cát bị ẩm, điện trở giảm rất nhanh và giảm tới mức điện trở của nớc khi nớc đầy kín các lỗ xốp. Đất sét và đất mùn bị ẩm sẽ tạo nên các dung dịch điện phân khiến cho điện trở suất của đất có thể giảm thấp hơn so với điện trở của nớc. Trị số gần đúng của điện trở suất của một số loại đất trong điều kiện tự nhiên cho ở bảng 6-1. Bảng 6-1 Trị số điện trở suất của các loại đất Loại đất Điện trở suất, m Cát 400 và lớn hơn Đất cát 300 Đất thịt 100 Đất sét 60 Đất đen 50 Than bùn 20 Nớc sông 10 ữ 50 Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 4 Trong năm do điều kiện khí tợng thay đổi làm cho nhiệt độ của đất, hàm lợng và thành phần của hơi ẩm trong đất và độ bão hoà của chúng ở các tầng đất khác nhau cũng thay đổi. Do đó điện trở suất của đất biến đổi trong phạm vi rộng, trị số trong mùa ma và mùa khô có thể khác nhau xa. Trong tính toán thiết kế về nối đất, trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lờng thực địa ( công tác do lờng đợc tiến hành trong mùa ma vào lúc tạnh ráo) và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa K (bảng 19- 2) nhằm tăng cờng an toàn: tt d K = . (6-2) Bảng 6-2 Các số liệu và hệ số màn K Loại nối đất Hình thức nối đất Bộ chôn sâu (m) Hệ số mùa K Nối đất làm Nằm ngang 0,5 1,5 ữ 6,5 việc và nối 0,8 1,6 ữ 3 đất an toàn Thẳng đứng 0,8 1,4 ữ 2 Nối đất Nằm ngang 0,5 1,4 ữ 1,8 chống sét 0,8 1,2 ữ 1,45 Thẳng đứng 0,8 1,15 ữ 1,30 Khi đo, nếu đất khô ráo sẽ lấy hệ số mùa theo giới hạn dới và nếu đất ẩm sẽ lấy theo giới hạn trên. Từ bảng số thấy rằng, đối với nối đất làm việc và nối đất an toàn phải chọn các hệ số mùa lớn vì nó làm việc quanh năm và trị số tăng rất cao trong mùa khô. Hệ số mùa lớn còn phụ thuộc vào độ chôn sau của nối đất, điện cực chôn càng sâu thì ảnh hởng do sự thay đổi thời tiết càng bị hạn chế. Khi nghiên cứu quá trình phóng điện trong đất có thể dùng hình 6-2: các tia lửa phóng điện phát triển chung quanh điện cực hình thành khu vực có điện trở suất bằng không và cờng độ trờng ở bề mặt có trị số bằng cờng độ phóng điện trong đất ( E 0 ) . Hình6 -2 Hình thành tia lửa điện trong vùng đất chung quanh điện cực E E 0 I Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 5 Khi đất khô ráo, quá trình phóng điện xảy ra men theo các khe rãnh của đất tức là khe hở khí, do đó cờng độ trờng phóng điện ( E 0 ) không phụ thuộc vào thành phần hoá lý của đất và đạt đợc trị số gần thống nhất giữa các loại đất khác nhau. Khi đất ẩm cờng độ trờng phóng điện tăng theo lợng ẩm trong đất và có thể đạt trị số lớn hơn so với khi đất khô do cờng độ phóng điện xung kích của nớc lớn hơn so với khí. Điện trở suất của vùng đất bên ngoài khu vực tia lửa điện cũng bị giảm thấp dới tác dụng của trờng. Hình 19- 3 cho các đờng cong biểu thị sự giảm thấp tơng đối của điện trở suất xung kích của đất và của nớc làm ẩm đất theo cờng độ trờng ở thời điểm cực đại của sóng. Để đợc đơn giản trong tính toán, quan hệ này đợc tuyến tính hoá trong phạm vi trị số trờng E = 0 và E = E 0 và biểu thị bởi phơng trình: ( ) xk EK=1 (6-3) Đối với các loại đất cát, đất sét và đất mùn thông thờng, hệ số K biến thiên trong phạm vi 0,01 ữ 0,05. Đ 6-2. Tính toán về nối đất. 1. Trị số điện trở tản xoay chiều của các hình thức nối đất thông thờng. Để có khái niệm về cách tính toán điện trở tản của nối đất có thể xét trờng hợp đơn giản nhất là trờng hợp điện cực hình bán cầu (Hình 19-4). Dòng điện chạm đất I đi qua nơi sự cố sẽ tạo nên điện áp giáng trên bộ phận nối đất U = I, R là điện trở tản của nối đất. Điện trở tản của lớp đất giới hạn bởi các mặt đẳng thế bán kính r và r + dr có trị số: dR dr r r rdr = + 2 2 Từ đó tính đợc điện trở tản của nối đất hình bán cầu có bán kính r 0 . Hình6 -3 Quan hệ () xk fE= ở một thời điểm l ds s = = ữ 23 1.Nớc có =70.m; 2. Cát có =450m; 3. Cát có =300m; 4. Đất sét có =70.m; 5. . Đất sét có =300.m; 6. Đất mùn =300m 7. Đất mùn =3000m 0 2 4 6 8 10 12 kv/cm 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 1 2 3 4 6 5 7 Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 6 == RdR r r 0 2 0 (6-5) Sự phân bố điện áp trên mặt đất đợc xác định theo: UIdR r r r == . 1 2 (6-6) Trên hình 19-4 cho đờng cong phân bố điện áp trên mặt đất đồng thời còn cho các khái niệm về trị số điện áp tiếp xúc (L tx ) và điện áp bớc (U b ). Trong thực tế, nối đất thờng có các hình thức: cọc dài 2ữ3m bằng sắt tròn hay sắt góc chôn thẳng đứng; thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu 0,5ữ0,8m đặt theo hình tia hoặc mạch vòng và hình thức tổ hợp của hai hình thức trên. Trị số điện trở tản của hình thức nối đất cọc đợc xác định theo các công thức cho ở bảng 6-3. Bảng 6-3. Công thức tính điện trở nối đất của cọc. Hình thức nối đất Sơ đồ của nối đất Công thức tính điện trở tản (ôm) Ghi chú Cọc chôn nổi R l In l dd c = 2 4 (6-7) Khi dùng sắt góc Cọc chôn sâu dới mặt đất ( R c =+ 2 2 l In l d + + 1 2 4 4 In ll l (6-8) trị số d thay bằng 0,95b (b-chiều rộngcủa sắt góc). Đối với nối đất chôn nằm ngang có thể dùng công thức chung để tính trị số điện trở tản xoay chiều. Hình 6 -4 Xác định điện áp bớc và điện áp tiếp xúc. U=IR U t k U h U=f(r) d r r . dụng của nối đất là để tản dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các vật đợc nối đất. Trong hệ thống điện có ba loại nối đất khác nhau: Nối đất làm việc: nhiệm vụ của loại nối đất này là. Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 1 Chơng VI Nối đất trong hệ thống điện Đ 6-1. Khái niệm chung: . dòng điện ; điện trở suất của đất) cha đạt tới mức để có thể gây nên phóng điện trong đất. Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn