Bài viết trình bày khảo sát và thiết kế hệ thống nối đất, góc tối ưu để đóng cọc nối đất, khảo sát thiết kế lưới đất, nghiên cứu chống ăn mòn trong hệ thống nối đất, điện trở suất của đất.
TIẾP ĐỊA TRẠM VÀ ĐƯỜNG DÂY KS VÕ THANH ĐỒNG Hội Điện lực miền Nam 28 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 Hình : Mô lưới tiếp đất trạm (tùy theo cấu tạo tầng địa chất) Có yếu tố để xác định hiệu cọc nối đất: Cấu tạo tầng địa chất (tạo nên điện trở suất lớn hay nhỏ) Sự kết nối dây tiếp đất cọc đất liền kề Trong chủ đề nghiên cứu ảnh hưởng hai yếu tố nêu đến điện trở điện cực để xác định giải pháp thực góc nghiêng tối ưu cho việc đóng cọc đất 1/ Điện trở suất đất : Công dụng cọc đất làm giảm điện trở điện cực (phụ thuộc vào điện trở suất đất bề dày lớp đất khác cấu trúc Điện trở bình thường Lâu việc: Khảo sát - Thiết kế, Thi công – Giám sát Nghiệm thu hệ thống “Tiếp địa Trạm Đường dây” thường gây trì trệ cho tiến độ hồn thành dự án điện trị số đo điện trở đất lúc nghiệm thu thường lớn tiêu chuẩn cho phép Về ngun nhân phân tích sau: Giai đoạn Khảo sát – Thiết kế: đơn vị Tư vấn không thực việc khảo sát sát 100% cấu tạo địa chất vị trí trụ điện mà thường dựa vào tài liệu địa chất ngành tài nguyên môi trường Không đo điện trở suất đất vị trí số liệu đầu vào phục vụ cơng tác thiết kế khơng xác Về kỹ thuật chun mơn: ta phải “chọn góc tối ưu để đóng cọc đất nhằm đạt hiệu cao nhất” Trong giai đoạn khảo sát cần lưu ý thành phần cấu tạo địa chất có chứa chất điện giải hay không để thiết kế chọn loại cọc đất kim loại thích hợp chống “ăn mịn” Trong q trình thi cơng – giám sát: Đơn vị giám sát phải thường xuyên có mặt để kiểm tra chất lượng thi cơng có thiết kế khơng Nên lưu ý: đa số đơn vị thi công “làm nhanh, làm lệch thiết kế” khơng có người kiểm tra giám sát thường trực Đối với phần ngầm hệ thống tiếp địa Trạm Đường dây trước lắp đất cần có chứng kiến lập biên đại diện đơn vị Thi công, đơn vị Thiết kế, đơn vị Giám sát, đơn vị Quản lý Vận hành đơn vị Quản lý Cơng trình Trong phạm vi viết nghiên cứu chuyên đề sau : A/ KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT : I/ GÓC TỐI ƯU ĐỂ ĐĨNG CỌC ĐẤT : Cọc nối đất đóng xuống mặt đất có cơng dụng làm giảm điện trở điện cực thuộc hệ thống tiếp đất, theo suy nghĩ thơng thường góc tiếp xúc cọc mặt đất 90° tốt nhiên nhà khoa học chứng minh điều khơng xác Ngồi cấu trúc lớp đất có điện trở suất khác cịn có tác dụng “hệ số hiệu góc nghiêng đóng cọc đất” Cọc nối đất lắp góc nghiêng tối ưu có tác dụng làm giảm điện trở suất đất Góc nghiêng Hình : Tương quan góc nghiêng cọc điện trở đất Điện trở bình thường Các dây cáp liên kết lưới đất thường sử dụng cáp đồng trần, tròn tiết diện s ≥ 50 mm2, (kết tính tốn khơng phụ thuộc nhiều vào loại vật liệu cáp liên kết) Chương trình tính tốn giả định bơm vào lưới đất dòng điện xoay chiều cố định, kết cho trị số điện trở điện cực (cọc đất) Điện trở điện cực tiêu biểu tham khảo để tính góc nghiêng đóng cọc tương ứng với cấu trúc lớp đất mà cọc đất xuyên qua) Nếu lớp đất có điện trở suất thấp nằm lớp đất khơng thiết đóng cọc xun qua lớp đất khác có điện trở suất cao Khi lớp đất thuận lợi nàm ngồi cần đóng cọc với góc nghiêng nhỏ (khuynh hướng nằm ngang) Khảo sát cho thấy lớp đất điện trở suất thấp việc đóng cọc nghiêng mang lại hiệu từ ÷ lần so với đóng góc 90° Trường hợp lớp đất có điện trở suất cao việc đóng cọc sâu (góc 90°) tăng bề mặt tiếp xúc với lớp đất điện trở suất thấp mang lại hiệu tốt Đồ thị cho thấy tương quan độ sâu điện trở đất (đối với loại đất điện trở suất cao) 2/ Hiệu ứng lân cận : Sự kết nối cọc đất & phần lại tạo hệ số hiệu lưới đất ; dây cáp liên kết lưới đất nên chôn đất để tạo gradient điện áp phần dòng điện tản qua đất Các cực đất ( xử dụng đồng ) đặt nằm ngang đất mang lại hiệu cao so với xử dụng cọc đất đóng thẳng đứng II/ KHẢO SÁT THIẾT KẾ LƯỚI ĐẤT : 1/ Phương pháp luận : Người ta sử dụng chương trình phần mềm SES Tech CDEGS để tính tốn thiết kế hệ thống lưới đất Trạm (trong mơ hệ thống cọc đất thành cọc nhất) Các tham số cấu tạo loại lớp đất, chiều dài góc nghiêng cọc đất mơ Mơ hình trạm nghiên cứu có kích thước 40 x 40m khoảng cách tất cọc đất 2,5m Mỗi cọc chôn sâu 0,5m mặt đất Góc nghiêng đóng cọc Hình : Hiệu ứng lân cận - tương quan điện trở cọc góc nghiêng cọc 2/ Tham số cọc đất : Các cọc đất mặc định dài 12m, chiều dài chọn hướng đến tác dụng lớp đất cùng, góc đóng cọc thay đổi từ 0° đến 90° (các cọc thay đổi góc nghiêng 15°cho cấp) 3/ Mơ hình đất : Trong tính tốn người ta mơ có lớp đất: loại tốt có điện trở suất đất thấp loại xấu có điện trở suất đất cao Lớp điện trở suất thấp giả định có bề dầy cấp: – 2,7 – 5,5m; lớp cịn lại bên có điện trở suất cao Điện trở bình thường Hình 3: Sơ đồ mô điện cực đất trạm với hiệu Ứng lân cận – điện trở đất giảm theo chiều sâu Điện trở bình thường Độ sâu đóng cọc (m) Góc nghiêng đóng cọc Hình : Tương quan điện trở đất theo góc nghiêng cọc (bề dày lớp đất: 1m – điện trở suất từ cao xuống thấp) BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 29 Góc nghiêng đóng cọc Hình : Tương quan điện trở đất theo góc đóng cọc (mơ hình đất dày 1m – điện trở suất từ thấp lên cao) Đối với góc nghiêng nhỏ, độ chơn sâu cọc chi phối đặc tính làm giảm điện trở đất Đối với góc nghiêng cọc lớn hơn: hiệu ứng lân cận chi phối kết điện trở đất tăng theo chiều sâu Độ chôn sâu cọc nghiên cứu chiều sâu lý thuyết để chứng minh cho hiệu ứng lân cận Điện trở cọc đất mơ hình giảm ổn định mức 200 m lớp đất mặt (ở lớp đất sâu > 200 m, hiệu ứng lân cận khơng cịn ảnh hưởng) Hình số biểu thị đặc trưng Với độ sâu điện trở đất biến thiên theo đường cong có hàm số mũ đạt giá trị cực đại góc nghiêng 90°, theo đồ thị hình điện trở kết nối cọc vào lưới chinh giảm Ngồi hình ra: hiệu ứng lân cận đơn lẻ nên góc nghiêng tối ưu cọc thấp: 0° ÷ 10°(gần nằm ngang với mặt trạm) 5/ Ảnh hưởng cấu trúc đất : 5.1 / Mơ hình đất dày 1m lớp – điện trở suất từ cao xuống thấp: Loại đất mô dày 1m có điện trở suất: 1000 ohm-m , sâu 1m đất có điện trở suất trung bình: 400 ohm-m Theo hình số 5: Điện trở đất nhỏ cọc đóng theo góc nghiêng từ 15° ÷ 30° 30 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 Đối với góc nghiêng < 15°| điện trở cao tác động hiệu ứng lân cận thấp phần lớn cọc nằm lớp đất có điện trở suất cao Đối với góc nghiêng > 30°điện trở đất tăng dần theo hàm số mũ 5.2/ Mơ hình đất dày 1m lớp – điện trở từ thấp lên cao: Loại đất mô dày 1m có điện trở suất 400 ohm-m, sâu 1m đất có điện trở suất 1000 ohm-m Theo hình số 6: Điện trở đất góc nghiêng cọc 0° sau tăng nhanh đến 90° cọc vào lớp đất có điện trở suất cao Ngồi góc > 20° hiệu ứng lân cận tác động theo hàm số mũ làm tăng dần điện trở đất 5.3/ Mơ hình đất dày 2,7 m – điện trở suất từ cao xuống thấp: Loai đất mô dày 2,7 m có điện trở suất 1000 ohm-m, sâu 2,7 m đất có điện trở suất trung bình 400 ohm-m Theo hình số : Điện trở đất 1ohm góc nghiêng cọc 0° Điện trở đất có giá trị thấp góc nghiêng cọc 45°& giá trị giống góc 30° 70° 5.4/ Mơ hình đất dày 2,7 m – điện trở suất từ thấp lên cao: Điện trở đất thấp góc nghiêng cọc 45° Điện trở tăng dần góc nghiêng thay đổi : 45° ± 15° (Hình số 8) 5.5/ Mơ hình đất dày 5,5m- điện trở suất từ cao xuống thấp: Điện trở đất nhỏ khoảng góc nghiêng 60° ÷ 75° Điện trở bình thường Điện trở bình thường 4/ Hiệu ứng lân cận: Góc nghiêng đóng cọc thay đổi theo đồng lớp đất để hạn chế hiệu ứng lân cận Các yếu tố tham khảo tính tốn: Điện trở đất nhỏ góc nghiêng cọc 30° dễ thực vùng từ 15°÷ 50° (khả dĩ chấp nhận vùng: 30°÷ 60°) độ sâu đóng cọc nghiên cứu 0,5m thay 0,8m Góc nghiêng đóng cọc Hình : Tương quan điện trở đất theo góc nghiêng Đóng cọc (Mơ hình đất dày 2,7 m - điện trở suất từ cao xuống thấp) Điện trở bình thường Góc nghiêng đóng cọc Điện trở bình thường Hình : Tương quan điện trở đất theo góc nghiêng cọc (Mơ hình đất dày 2,7 m – điện trở suất từ cao xuống thấp) Góc nghiêng đóng cọc Hình : Tương quan điện trở đất theo góc đóng cọc (Mơ hình đất dày 5,5 m – điện trở suất từ cao xuống thấp) Điện trở bình thường Hiệu ứng lân cận chứng minh góc > 70° (Hình số 9) 5.6/ Mơ hình đất dày 5,5 m – điện trở suất từ thấp lên cao : Điện trở đất thấp khoảng góc nghiêng 0° ÷ 15° Điện trở tăng nhanh góc nghiêng > 15° hiệu ứng lân cận , thực tế cọc đóng sâu vào vùng đất điện trở suất cao (Hình số 10) / Nhận xét : Góc nghiêng tối ưu cọc đất chọn tùy theo cấu trúc loại đất (qua mơ tính tốn) Có số yếu tố xác định góc tối ưu như: tăng chiều sâu chơn cọc nhằm tăng diện tích tiếp xúc với đất, góc nghiêng xác giúp cho cọc đất tiếp xúc nhiều vào vùng điện trở suất thấp, góc dốc làm tăng hiệu ứng lân cận Các góc nghiêng < 10° > 80°thường khơng mang lại kết tốt B/ NGHIÊN CỨU CHỐNG ĂN MÒN TRONG HỆ THỐNG NỐI ĐẤT: Hệ thống tiếp địa Trạm Đường dây sau đưa vào vận hành cịn vấn đề quan trọng phải quan tâm trì chất lượng hệ thống Chúng ta biết kết cấu hệ thống nối đất kim loại đồng, thau, sắt, sắt mạ kẽm mạ đồng; đặt đất theo thời gian bị ăn mịn Chúng ta khơng thể chống ăn mịn điện cực biện pháp cách ly điện cực khỏi đất chắn tạo điện trở tiếp xúc đất lớn Nguy ăn mòn phụ thuộc vào thành phần cấu tạo đất, kim loại đơn làm điện cực (sắt đồng), kim loại mạ chống ăn mịn tốt Hiện tượng ăn mịn hình thành pin điện mà âm cực dây thép nối từ chân cột xuống đất thông qua khối bê tông móng trụ với cọc đất cịn lại xem dương cực Tỉ số gia cố khối bê tông chân trụ tiết diện âm cực so với tiết diện dương cực lại lớn điều khơng có lợi gia tăng yếu tố ăn mịn Chất điện phân Hình 11 : kết cấu pin với âm cực: sắt dương cực: đồng Góc nghiêng đóng cọc Hình 10: Tương quan điện trở đất theo góc đóng cọc (Mơ hình đất dày 5,5 m – điện trở suất từ thấp lên cao) Vấn đề cách ly điện tất dương cực để hạn chế tác động ăn mòn lý thuyết Ngày người ta phải liên kết tất cọc đất tiếp xúc tốt đất với cọc kim loại khác (sắt, thép), tạo liên kết đẳng để đảm BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 31 bảo an toàn không tạo điện áp xúc cao xảy ngắn mạch chạm đất thoát sét xuống đất Ngoài theo tiêu chuẩn IEC – 603644- 4- 41 IEC – 60364- 5- 54 dây nối đất an toàn từ vỏ thiết bị cao xuống lưới đất đặt ống dẫn cáp bọc hạ để chống điện giật Giải pháp hạn chế giảm ăn mòn cọc đất với thiết bị nối đất chọn kim loại thích hợp Sự hình thành Pin – Hiện tượng ăn mòn: Nếu điện cực làm kim loại khác đặt chất điện phân tạo điện áp điện cực giá trị điện áp phụ thuộc vào chất điện phân Theo hình 11 nối Ampere kế điện cực sắt đồng có dịng điện chạy từ cực dương (đồng) sang cực âm (sắt) chất điện phân ngược lại: dịng điện chạy từ cực âm sang cực dương Nói cách khác kim loại bị phân hũy chất điện phân Hiện tượng ăn mịn cịn xảy hình thái Pin tập trung theo hình 12 Ở điện cực làm kim loại đặt chất điện phân khác nhau; điện cực đặt chất điện phân II có độ tập trung cao chất điện phân I tạo Ion dương so với điện cực lại Chất điện phân I Chất điện phân II Hình 12 : Pin tập trung Pin tập trung: Hai điện cực làm kim loại đặt chất điện phân khác Kim loại đặt chất điện phân II có mức tập trung ion cao chất điện phân I nên mang điện tích dương, liên kết điện cực lại có dịng điện i chạy từ cực âm sang cực dương chất điện phân, tượng điện hóa tạo ăn mòn điện cực âm Pin tập trung hình thành từ điện cực sắt: đóng đất nằm lớp bê tơng kết nối điện cực lại có dòng điện di chuyển từ cực âm (cọc đất) sang cực dương (cọc bê tông), tượng ăn mòn theo kinh nghiệm thực tế cho thấy cọc sắt đất mịn vài gram / năm 32 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 Bê tơng Đất Hình 13: Pin tập trung (Cọc sắt đất – Cọc sắt bê tông) Đặc điểm phân cực điện cực: Khi cọc thép mạ kẽm đóng đất có độ lệch điện áp khác với cọc thép trần đặt bê tông (hoặc so với điện cực sulfat đồng): · Thép trần khối bê tông : - 200 mV ÷ - 400 mV · Thép mạ kẽm đất : - 800 mV ÷ - 900 mV · Thép mạ kẽm ( nguyên ) đất : - 1000 mV Trong trường hợp đầu độ chênh điện áp cọc thép trần thép mạ kẽm lên đến 600 mV, thay đổi kim loại tạo độ lệch điện áp khác đất dẫn điện khác loại đất tạo độ lệch điện áp điện cực: dòng điện ăn mòn chạy điện cực gọi phân cực Thí dụ: Một đường ống dẫn khí làm thép có bọc lớp bảo ơn nằm đất nối đất điện cực đồng sau thời gian lớp bảo ơn bị bong tróc vài diện tích nhỏ tượng phân cực làm ăn mịn nhanh chóng ống thép dẫn khí dịng điện anod Đối với điện cực sulfat đồng ta đo điện áp phân cực từ 200 mV đến -600 mV tùy thuộc theo bề mặt điện cực catod (thép mạ kẽm) bề mặt điện cực anod (thép trần khối bê tơng) Hình 14 mơ tả trường hợp Các kinh nghiệm đúc kết: Các tượng phân cực < 20 mV không gây tác hại từ 20 mV ÷ 100 mV có dấu hiệu ăn mòn điện áp > 100 mV ảnh hưởng lớn đến điện cực Sự phân cực hình thành bởi: Các kim loại: khác kim loại diện tích khác (hình thành ăn mịn tiếp xúc) hay thành phần cấu trúc khác (hình thành ăn mòn tinh thể) + Dòng điện ăn mịn tính cơng thức: ... không mang lại kết tốt B/ NGHIÊN CỨU CHỐNG ĂN MÒN TRONG HỆ THỐNG NỐI ĐẤT: Hệ thống tiếp địa Trạm Đường dây sau đưa vào vận hành vấn đề quan trọng phải quan tâm trì chất lượng hệ thống Chúng ta biết... định góc tối ưu như: tăng chiều sâu chơn cọc nhằm tăng diện tích tiếp xúc với đất, góc nghiêng xác giúp cho cọc đất tiếp xúc nhiều vào vùng điện trở suất thấp, góc dốc làm tăng hiệu ứng lân cận... Các dây cáp liên kết lưới đất thường sử dụng cáp đồng trần, tròn tiết diện s ≥ 50 mm2, (kết tính tốn không phụ thuộc nhiều vào loại vật liệu cáp liên kết) Chương trình tính tốn giả định bơm vào