Nghiên cứu tính toán điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất

26 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CỦA CỌC, THANH NỐI ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA HÓA CHẤT LÀM GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT GEM .... Thông tin chung Tên đề tài: Nghiên cứu tính toán điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT

CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA HÓA CHẤT

GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT

MÃ SỐ: T2015-25TĐ

S 0 9

S KC 0 0 4 8 0 4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-o0o -

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Thành viên: PGS TS Hồ Văn Nhật Chương

ThS Ngô Kim Lân

TP HCM, 11/2015

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA HÓA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT

Mã số: T2015-25TĐ

DANH SÁCH THÀNH VIÊN

1 PGS.TS Quyền Huy Ánh, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM, CN đề tài

2 PGS.TS Hồ Văn Nhật Chương, Đại học Bách Khoa Tp HCM

3 ThS Ngô Kim Lân, Cao đẳng nghề Đồng Nai

MỤC LỤC

Trang

Danh sách những thành viên i

Mục lục ii

Danh mục các hình vẽ vi

Danh mục các bảng biểu vii

Thông tin - kết quả viii

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1.Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.2.Tính cấp thiết của đề tài 3

1.3.Mục tiêu của đề tài 3

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Cách tiếp cận 4

1.6.Phương pháp nghiên cứu 4

1.7 Nội dung nghiên cứu 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 5

2.1 Một số khái niệm 5

2.2 Các biện pháp giảm điện trở của hệ thống nối đất 5

2.2.1 Giảm điện trở bằng cách tăng cường điện cực nối đất 5

2.2.2 Giảm điện trở nối đất bằng cách giảm điện trở suất của đất 6

2.3 Tính toán nối đất an toàn 7

2.3.1 Tính toán nối đất theo điện trở nối đất yêu cầu (Ryc) 7

2.3.1.1 Tính toán nối đất trong trường hợp đất đồng nhất 7

2.3.1.1.1 Xác định điện trở yêu cầu của hệ thống nối đất 8

2.3.1.1.2 Xác định điện trở nối đất nhân tạo 8

2.3.1.1.3 Chọn điện cọc nối đất và xác định điện trở của chúng 9

2.3.1.1.4 Xác định số lượng cọc nối đất cần thiết khi chưa tính đến thanh nối

ngang 12

2.3.1.1.5 Xác định điện trở của hệ thống nối đất nhân tạo có tính đến điện trở của các thanh nối ngang 12

2.3.1.1.6 Xác định số lượng điện cực chính thức 14

2.3.1.1.7 Kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt của hệ thống nối đất 14

2.3.1.2 Tính toán nối đất trong trường hợp có hai lớp đất khác nhau 14

2.3.2 Tính toán nối đất theo điện áp tiếp xúc và điện áp bước cho phép 15

2.3.2.1 Bước 1: Diện tích lưới và điện trở suất của đất 19

2.3.2.2 Bước 2: Kích cỡ dây dẫn nối đất 19

2.3.2.3 Bước 3: Tiêu chuẩn điện áp tiếp xúc và điện áp bước 20

2.3.2.4 Bước 4: Thiết kế ban đầu 21

2.3.2.5 Bước 5: Xác định điện trở của lưới nối đất 21

2.3.2.6 Bước 6: Dòng điện lưới cực đại 23

2.3.2.7 Bước 7: GPR 23

2.3.2.8 Bước 8: Điện áp lưới và điện áp bước 23

2.3.2.9 Bước 9: So sánh điện áp lưới Em và điện áp tiếp xúc cho phép Etouch 25 2.3.2.10 Bước 10: So sánh Es và điện áp bước cho phép Estep 25

2.3.2.11 Bước 11: Thay đổi thiết kế sơ bộ 25

2.3.2.12 Bước 12: Thiết kế chi tiết cho lưới 26

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CỦA CỌC, THANH NỐI ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA HÓA CHẤT LÀM GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT (GEM) 27

3.1 Điện trở nối đất của cọc thẳng đứng 27

3 1.1 Hố khoan có dạng hình trụ tròn 27

3.1.2- Hố khoan có dạng hình hộp chữ nhật 31

3.2 Điệntrở nối đất của thanh ngang 33

3.2.1 Hố khoan có dạng hình trụ tròn ngang 33

3.2.2 Hố khoan có dạng hình hộp chữ nhật 37

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐẾN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT KHI CÓ HÓA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT 39

4.1.Cọc nối đất 39

4.1.1 Quan hệ giữa điện trở nối đất và chiều dài cọc 40

4.1.2 Quan hệ giữa điện trở nối đất và đường kính cọc 40

4.1.3 Quan hệ giữa điện trở nối đất và độ chôn sâu của cọc 41

4.1.4 Quan hệ giữa điện trở nối đất và bề dày lớp GEM 41

4.1.5 Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của cọc 42

4.1.6 Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của đất 42

4.1.7 Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của lớp GEM 43

4.2 Thanh nối đất 43

4.2.1 Quan hệ giữa điện trở nối đất và chiều dài thanh 44

4.2.2 Quan hệ giữa điện trở nối đất và đường kính thanh 44

4.2.3 Quan hệ giữa điện trở nối đất và độ chôn sâu của thanh 45

4.2.4 Quan hệ giữa điện trở nối đất và bề dày của GEM 45

4.2.5 Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của thanh 46

4.2.6 Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của đất 46

4.2.7 Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của GEM 47

CHƯƠNG 5: CÔNG THỨC ĐƠN GIẢN ĐỂ TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CỦA CỌC, THANH KHI CÓ HÓA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT 48

5.1 Công thức tính toán điện trở nối đất 48

5.1.1 Tính điện trở nối đất của cọc 48

5.1.2 Tính điện trở nối đất của thanh 48

5.2 So sánh kết quả 49

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 52

6.1 Kết luận 52

6.2 Hướng nghiên cứu phát triển đề tài 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 2.1:Giảm điện trở nối đất bằng GEM 7

Hình 2.2: Lưu đồ tính toán nối đất theo điện trở nối đất yêu cầu Ryc 13

Hình 2.4: Biểu đồ xác định độ sâu của điện cực nối 15

Hình2.5:Lưu đồ tính toán nối đất Trạm biến áp AC theo tiêu chuẩn IEEE Std.80-2000 16

Hình 3.1: Nối đất thẳng đứng với hố khoan hình trụ tròn có lớp GEM 27

Hình 3.2: Nối đất thẳng đứng với hố khoan hình chữ nhật có lớp GEM………32

Hình 3.3: Nối đất nằm ngang với hố khoan hình trụ tròn có lớp GEM 33

Hình 3.4: Nối đất nằm ngang với hố khoan hình chữ nhật có lớp GEM 37

Hình 4.1: Quan hệ giữa điện trở nối đất và chiều dài cọc 40

Hình 4.2: Quan hệ giữa điện trở nối đất và đường kính cọc 40

Hình 4.3: Quan hệ giữa điện trở nối đất và độ chôn sâu của cọc 41

Hình 4.4: Quan hệ giữa điện trở theo bề dày của lớp GEM……….………… ……41

Hình 4.5: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của cọc 42

Hình 4.6: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của đất 42

Hình 4.7: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của lớp GEM 43

Hình 4.8: Quan hệ giữa điện trở nối đất và chiều dài thanh nối đất 44

Hình 4.9: Quan hệ giữa điện trở nối đất và đường kính thanh nối đất 44

Hình 4.10: Quan hệ giữa điện trở nối đất và độ chôn sâu của thanh 45

Hình 4.11: Quan hệ giữa điện trở nối đất và bề dày của GEM 45

Hình 4.12: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của thanh nối đất 46

Hình 4.13: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của đất 46

Hình 4.14: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của GEM 47

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Điện áp tiếp xúc cho phép phụ thuộc vào thời gian cắt 8

Bảng 2.2: Tính toán điện trở nối đất của các điện cực nối đất 10

Bảng 2.3: Điện trở suất trung bình của một số loại đất ở điều kiện tiêu chuẩn 11

Bảng 2.4: Giá trị hệ số khc 11

Bảng 2.4: Ý nghĩa của các thông số được dùng để thiết kế 18

Bảng 5.1: So sánh kết quả đất giữa (5-2) và [12] của cọc nối đất 50

Bảng 5.2: So sánh kết quả giữa (5-3) và [12] của thanh nối đất 51

THÔNG TIN- KẾT QUẢ

1 Thông tin chung

Tên đề tài: Nghiên cứu tính toán điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất

Mã số:T2005-25TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Cơ quan chủ trì: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: 10/03/2015-31/01/2016

4 Kết quả nghiên cứu

- Phân tích được các thông số ảnh hưởng đến điện trở nối đất của các cọc, thanh nối đất khi có hóa chất giảm điện trở nối đất

- Đề xuất được công thức để tính toán điện trở nối đất của các cọc, thanh nối đất khi

có hóa chất giảm điện trở nối đất

5 Sản phẩm

- Công bố 1 bài báo trên Hội nghị Quốc tế về Kỹ thuật điện-Điện tử (ISEE 2015),

ĐH Bách khoa Tp HCM 10/2015

- Đào tạo một nghiên cứu sinh Ngành Kỹ thuật điện: Ngô Kim Lân, khóa

2014-2017

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng

- Tài liệu tham khảo cho học viên cao học Ngành Kỹ thuật điện

- Đào tạo 1 nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

Coordinator: Associate Professor Quyen Huy Anh

Implementing institution: University of Technical Education Ho Chi Minh city Duration: from March, 2015 to Dec, 2015

3 Creativeness and innovativeness

Analysis the parameters affecting to the earth resistance of the grounding wires and the grounding rods when using the ground enhancement material from there

to find a simple formula to calculate the grounding resistance

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability

 Reference for the graduate students in Electrical Engineering

 Training one PhD student of electrical engineering

Chương 1

MỞ ĐẦU

Xã hội phát triển, yêu cầu đối với hệ thống điện cũng ngày càng được đòi hỏi cao về

độ an toàn, tính ổn định – tin cậy và kinh tế trong vận hành Hệ thống nối đất là một phần quan trọng không thể thiếu, nó là nền tảng để bảo đảo cho hệ thống điện vận hành an toàn, tin cậy và đặc biệt là bảo đảm an toàn cho con người trong trạng thái làm việc bình thường cũng như sự cố của hệ thống điện Về cơ bản, có thể phân loại hệ thống nối đất theo mục đích sử dụng:

19, 20, 21, 22]

Đặc biệt những năm gần đây, kinh tế - xã hội phát triển nhanh, nhu cầu sử dụng điện vì thế cũng tăng nhanh, hệ thống điện chịu áp lực lớn về truyền tải công suất Do đó, ngày cáng xây dựng nhiều trạm dẫn sâu vào các thành phố, nơi có hạn chế về diện tích xây dựng trạm biến áp, việc tính toán, thiết kế, lắp đặt hệ thống nối đất cho trạm biến áp cũng

gặp nhiều khó khăn Bài toán tối ưu về thiết kế được đặt ra, làm sao để hệ thống nối đất vẫn bảo đảm giá trị điện trở cho hệ thống điện vận hành an toàn, tin cậy mà giá thành

thấp nhất? Hướng nghiên cứu dùng hóa chất để cải tạo đất (GEM: Ground Enhancement

Material) trong tính toán thiết kế, thi công hệ thống nối đất được các chuyên gia, nhà

khoa học quan tâm để giải quyết bài toán này [10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18] Một số nước phát triển như Mỹ, Đức, Nga Nhât, Úc…đã có các công ty chuyên sản xuất chất cải tạo đất, GEM của ERICO, SAN-ERTHER của SANCOSHA… Cụ thể là một số công trình điển hình như sau:

 Công trình [14] nghiên cứu một số ứng dụng thực tế đã mang lại hiệu quả cao khi sử dụng vật liệu làm giảm điện trở nối đất Đặc biệt là những hệ thống nối đất được lắp đặt tại những nơi có điện trở suất cao

 Công trình [15] nghiên cứu một số các vật liệu, hóa chất làm giảm điện trở của

hệ thống nối đất Đánh giá tính bền vững, hiệu quả của các vật liệu bằng phương pháp thực nghiệm

 Công trình [16] nghiên cứu tính ổn định của hệ thống nối đất có các điện cực được bao phủ bởi hóa chất làm giảm điện trở là hỗn hợp xi măng – Bentonite

Tại Việt Nam, nghiên cứu tính toán hệ thống nối đất cũng được quan tâm từ lâu.Tuy nhiên, hướng nghiên cứu sử dụng các các phương pháp số để tính toán và đặc biệt là dùng hóa chất để cải tạo đất của hệ thống nối đất vẫn còn hạn chế, ít được các chuyên gia

và các nhà khoa học quan tâm.Hơn thế nữa, Việt Nam là nước đang phát triển, tốc độ đô thị hóa nhanh, mật độ dân cư không đề, các hộ dân sống tập trung tại các khu đô thị Do

đó, trong những năm sắp tới việc xây dựng thêm nhiều trạm biến áp cao áp và trạm biến

áp dẫn sâu vào các thành phố là không tránh khỏi Mặt khác, do đặc điểm về lãnh thổ, miền trung du, miền núi chiếm diện tích khá lớn, những vùng đất này có điện trở suất lớn,

có nơi có điện trở suất lên đến trên 2000Ωm Tại những vùng đất này, để tính toán thiết

kế, thi công hệ thống nối đất bảo đảm giá trị điện trở nối đất cho hệ thống điện vận hành

an toàn, tin cậy cũng là một thách thức không nhỏ.Một số công trình nghiên cứu về hóa chất giảm điện trở của hệ thống nối đất đã được công bố:

 Công trình [13] nghiên cứu và đề xuất hướng giải quyết để cải thiện hệ thống nối đất của đường dây truyền tải và trạm biến áp cao áp Trong đó có đề xuất đến việc

sử dụng hóa chất để làm giảm điện trở của hệ thống nối đất

 Công trình [11,12] nghiên cứu phương pháp tính toán điện trở nối đất khi có chất

cải tạo đạo đất

Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu chủ yếu tập trung tìm kiếm các vật liệu dùng để giảm điện trở của hệ thống nối đất, nghiên cứu đánh giá tính hiệu quả, ổn định của các vật liệu được sử dụng trong thực tế và công thức tính toán khá phức tạp

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Việc xác định điện trở nối đất trong các công trình điện là một trong các yêu cầu đầu tiên nhằm đảm bảo an toàn cho người và sự vận hành bình thường của các thiết bị Có rất nhiều phương pháp tính toán điện trở nối đất trong trường hợp bình thường.Nhưng khi sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất thì việc xác định điện trở nối đất trở nên khó khăn hơn và hiện nay có rất ít công trình nghiên cứu về vấn đề này Ở Việt Nam, có rất nhiều vùng có điện trở suất của đất cao dẫn đến việc sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất là yêu cầu không thể thiếu nhằm đạt được giá trị điện trở nối đất nằm trong phạm vi cho phép, để trợ giúp cho công tác thiết kế, tính toán điện trở nối đất trong trường hợp này thì việc nghiên cứu tính toán điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất là yêu cầu bức thiết

1.3 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu phân tích các thông số ảnh hưởng đến điện trở nối đất khi có hóa chất giảm điện trở nối đất;

- Xác định công thứctính toán điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất

1.4 Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

Tìm biểu thức đơn giản để xác định giá trị điện trở nối đất của cọc, thanh nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất

1.5 Cách tiếp cận

Nghiên cứu phương pháp tính toán điện trở nối đất, cách xác định giá trị điện trở nối đấtcó xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Tham khảo tài liệu, phân tích, tổng hợp

1.7 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan;

- Nghiên cứu phương pháp xác định điện trở nối đất;;

- Phân tích ảnh hưởng của các thông số đến điện trở nối đất khi cọc, thanh nối đất

có hóa chất giảm điện trở nối đất;

- Xác định công thứcđể tính toán điện trở nối đất của cọc, thanh nối đất có xét ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất

- Kết luận, đề xuất

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

2.1 Một số khái niệm

Hệ thống nối đất– tập hợp các cọc và thanh nối đất có nhiệm vụ truyền dẫn dòng điện

xuống đất.Hệ thống nối đất bao gồm nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo

Cọc nối đất– Cọc bằng kim loại dạng tròn, ống hoặc thép góc, dài 23 mét được đóng

sâu trong đất Các cọc này được nối với nhau bởi các thanh giằng bằng phương pháp hàn

Hệ thống nối đất tự nhiên – hệ thống các thiết bị, công trình ngầm bằng kim loại có

sẵn trong lòng đất như các cấu kiện bê tông cốt thép, các hệ thống ống dẫn bằng kim loại,

vỏ cáp ngầm v.v

Hệ thống nối đất nhân tạo – hệ thống bao gồm các cực tiếp địa bằng thép hoặc bằng

đồng được nối liên kết với nhau bởi các thanh ngang.Phân biệt hai dạng nối đất là nối đất làm việc và nối đất bảo vệ

Hệ thống nối đất làm việc – hệ thống nối đất mà sự có mặt của nó là điều kiện tối cần

thiết để các thiết bị làm việc bình thường, ví dụ nối đất điểm trung tính của máy biến áp, nối đất của các thiết bị chống sét v.v

Hệ thống nối đất an toàn – hệ thống nối đất với mục đích loại trừ sự nguy hiểm khi

có sự tiếp xúc của người với các phần tử bình thường không mang điện nhưng có thể bị nhiễm điện bất ngờ do những nguyên nhân nào đó Ví dụ nối đất vỏ thiết bị, nối đất khung, bệ máy v.v

2.2 Các biện pháp giảm điện trở của hệ thống nối đất

2.2.1 Giảm điện trở bằng cách tăng cường điện cực nối đất

Bằng cách bổ sung vào hệ thống nối đất các cọc nối đất, theo hướng ưu tiên các cọc nối đất chôn sâu từ (10-30)m, ta có thể giảm được điện trở nối đất, cọc chôn sâu có ưu điểm về điện trở tản nhỏ, độ ổn định cao mà không cần bảo dưỡng, ít bị tác động bởi môi trường và thích hợp với diện tích hẹp Theo một số nghiên cứu, phương pháp tăng cường