(Đề tài NCKH) nghiên cứu tính toán điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA HÓA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT MÃ SỐ: T2015-25TĐ SKC004804 Tp Hồ Chí Minh, 2015 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 NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA HÓA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT Mã số: T2015-25TĐ 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 DANH SÁCH THÀNH VIÊN PGS.TS Quyền Huy Ánh, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM, CN đề tài PGS.TS Hồ Văn Nhật Chương, Đại học Bách Khoa Tp HCM ThS Ngô Kim Lân, Cao đẳng nghề Đồng Nai i MỤC LỤC Trang Danh sách thành viên i Mục lục ii Danh mục hình vẽ vi Danh mục bảng biểu vii Thông tin - kết viii CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1.1.Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 1.2.Tính cấp thiết đề tài 1.3.Mục tiêu đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5 Cách tiếp cận 1.6.Phương pháp nghiên cứu 1.7 Nội dung nghiên cứu CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 2.1 Một số khái niệm 2.2 Các biện pháp giảm điện trở hệ thống nối đất 2.2.1 Giảm điện trở cách tăng cường điện cực nối đất 2.2.2 Giảm điện trở nối đất cách giảm điện trở suất đất 2.3 Tính tốn nối đất an toàn 2.3.1 Tính tốn nối đất theo điện trở nối đất yêu cầu (Ryc) 2.3.1.1 Tính tốn nối đất trường hợp đất đồng 2.3.1.1.1 Xác định điện trở yêu cầu hệ thống nối đất 2.3.1.1.2 Xác định điện trở nối đất nhân tạo 2.3.1.1.3 Chọn điện cọc nối đất xác định điện trở chúng ii 2.3.1.1.4 Xác định số lượng cọc nối đất cần thiết chưa tính đến nối ngang 12 2.3.1.1.5 Xác định điện trở hệ thống nối đất nhân tạo có tính đến điện trở nối ngang 12 2.3.1.1.6 Xác định số lượng điện cực thức 14 2.3.1.1.7 Kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt hệ thống nối đất 14 2.3.1.2 Tính tốn nối đất trường hợp có hai lớp đất khác .14 2.3.2 Tính tốn nối đất theo điện áp tiếp xúc điện áp bước cho phép .15 2.3.2.1 Bước 1: Diện tích lưới điện trở suất 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 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 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 điện áp bước 23 2.3.2.9 Bước 9: So sánh điện áp lưới Em điện áp tiếp xúc cho phép Etouch 25 2.3.2.10 Bước 10: So sánh Es điện áp bước cho phép Estep 25 2.3.2.11 Bước 11: Thay đổi thiết kế sơ 25 2.3.2.12 Bước 12: Thiết kế chi tiết cho lưới 26 CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CỦA CỌC, THANH NỐI ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƢỞNG CỦA HÓA CHẤT LÀM GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT (GEM) 27 3.1 Điện trở nối đất cọc thẳng đứng 27 1.1 Hố khoan có dạng hình trụ trịn 27 3.1.2- Hố khoan có dạng hình hộp chữ nhật 31 3.2 Điệntrở nối đất ngang 33 3.2.1 Hố khoan có dạng hình trụ trịn ngang 33 iii 3.2.2 Hố khoan có dạng hình hộp chữ nhật 37 CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THƠNG 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 điện trở nối đất chiều dài cọc 40 4.1.2 Quan hệ điện trở nối đất đường kính cọc 40 4.1.3 Quan hệ điện trở nối đất độ chôn sâu cọc 41 4.1.4 Quan hệ điện trở nối đất bề dày lớp GEM 41 4.1.5 Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất cọc 42 4.1.6 Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất đất 42 4.1.7 Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất lớp GEM 43 4.2 Thanh nối đất 43 4.2.1 Quan hệ điện trở nối đất chiều dài 44 4.2.2 Quan hệ điện trở nối đất đường kính 44 4.2.3 Quan hệ điện trở nối đất độ chôn sâu 45 4.2.4 Quan hệ điện trở nối đất bề dày GEM 45 4.2.5 Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất 46 4.2.6 Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất đất 46 4.2.7 Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất GEM 47 CHƢƠNG 5: CƠNG THỨC ĐƠN GIẢN ĐỂ TÍNH TỐN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CỦA CỌC, THANH KHI CÓ HÓA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT 48 5.1 Cơng thức tính tốn điện trở nối đất 48 5.1.1 Tính điện trở nối đất cọc 48 5.1.2 Tính điện trở nối đất 48 5.2 So sánh kết 49 iv CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG 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 v DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 2.1:Giảm điện trở nối đất GEM Hình 2.2: Lưu đồ tính tốn nối đất theo điện trở nối đất u cầu Ryc 13 Hình 2.4: Biểu đồ xác định độ sâu điện cực nối 15 Hình2.5:Lưu đồ tính tốn 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 trịn 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 trịn 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 điện trở nối đất chiều dài cọc 40 Hình 4.2: Quan hệ điện trở nối đất đường kính cọc 40 Hình 4.3: Quan hệ điện trở nối đất độ chôn sâu cọc 41 Hình 4.4: Quan hệ điện trở theo bề dày lớp GEM……….………… ……41 Hình 4.5: Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất cọc 42 Hình 4.6: Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất đất 42 Hình 4.7: Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất lớp GEM 43 Hình 4.8: Quan hệ điện trở nối đất chiều dài nối đất 44 Hình 4.9: Quan hệ điện trở nối đất đường kính nối đất 44 Hình 4.10: Quan hệ điện trở nối đất độ chôn sâu 45 Hình 4.11: Quan hệ điện trở nối đất bề dày GEM 45 Hình 4.12: Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất nối đất .46 Hình 4.13: Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất đất 46 Hình 4.14: Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất GEM 47 vi DANH SÁCH CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Điện áp tiếp xúc cho phép phụ thuộc vào thời gian cắt Bảng 2.2: Tính toán điện trở nối đất điện cực nối đất 10 Bảng 2.3: Điện trở suất trung bình số loại đất điều kiện tiêu chuẩn 11 Bảng 2.4: Giá trị hệ số khc 11 Bảng 2.4: Ý nghĩa thông số dùng để thiết kế 18 Bảng 5.1: So sánh kết đất (5-2) [12] cọc nối đất 50 Bảng 5.2: So sánh kết (5-3) [12] nối đất 51 vii THƠNG TIN- KẾT QUẢ Thơng tin chung Tên đề tài: Nghiên cứu tính tốn điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng 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 Mục tiêu - Nghiên cứu phân tích thông số ảnh hưởng đến điện trở nối đất có hóa chất giảm điện trở nối đất; - Xác định cơng thức đơn giản tính tốn điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng hóa chất giảm điện trở nối đất Tính sáng tạo Phân tích thơng số ảnh hưởng đến điện trở nối đất cọc nối đất có sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất từ tìm cơng thức đơn giản để tính tốn điện trở nối đất Kết nghiên cứu - Phân tích thơng số ảnh hưởng đến điện trở nối đất cọc, nối đất có hóa chất giảm điện trở nối đất - Đề xuất cơng thức để tính tốn điện trở nối đất cọc, nối đất có hóa chất giảm điện trở nối đất Sản phẩm - Công bố báo Hội nghị Quốc tế Kỹ thuật điện-Điện tử (ISEE 2015), ĐH Bách khoa Tp HCM 10/2015 viii 4.2.3 Quan hệ điện trở nối đất độ chôn sâu Hình 4.10: Quan hệ điện trở nối đất độ chơn sâu Trên Hình 4.10, nhận thấy độ chôn sâu thay đổi từ 0.5 mét đến mét giá trị điện trở nối đất thay đổi từ khoảng 41Ω đến 49Ω 4.2.4 Quan hệ điện trở nối đất bề dày GEM Hình 4.11: Quan hệ điện trở nối đất bề dày GEM Trên Hình 4.11, nhận thấy bề dày lớp GEM thay đổi từ 0.05 mét đến 0.55 mét giá trị điện trở nối đất thay đổi nhiều, từ khoảng 29Ω đến 48.5Ω 45 4.2.5 Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất Hình 4.12: Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất nối đất Trên Hình 4.12, nhận thấy điện trở suất thay đổi giá trị điện trở nối đất xem không thay đổi 4.2.6 Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất đất Hình 4.13: Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất đất Trên Hình 4.13, nhận thấy điện trở suất đất thay đổi giá trị điện trở nối đất thay đổi gần tuyến tính 46 4.2.7 Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất GEM Hình 4.14: Quan hệ điện trở nối đất điện trở suất GEM Trên Hình 4.14, nhận thấy điện trở suất GEM thay đổi giá trị điện trở nối đất thay đổi 47 Chƣơng CƠNG THỨCĐƠN GIẢN ĐỂ TÍNH TỐN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CỦA CỌC, THANH KHI CĨ HĨA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT Qua phân tích ảnh hưởng thông số đến điện trở nối đất cọc (từ Hình 4.1 đến Hình 4.7) nối đất có hóa chất giảm điện trở nối đất GEM (từ Hình 4.8 đến Hình 4.14), nhận thấy điện trở nối đất cọc nối đất phụ thuộc vào thông số Tuy nhiên, điện trở nối đất bị ảnh hưởng nhiều thơng số: bề dày hóa chất C, chiều dài điện cực l, độ chôn sâu điện cực t điện trở suất đất ρ 1, cịn thơng số đường kính điện cực d, điện trở suất cửa lớp hóa chất ρ 2và điện trở suất vật liệu làm điện cực ρ3 có ảnh hưởng Do đó, để đơn giản q trình tính tốn, ta tìm biểu thức tương đương khác đơn giản 5.1 Cơng thức tính tốn điện trở nối đất 5.1.1 Tính điện trở nối đất cọc a (bt ct R C  (eC  f ) Trong a, b, c, n,e, f, g m thông số cần phải xác định với sai số cho trước Bằng phương pháp nội suy Lagrange tìm giá trị thông số nêu biểu thức (5-1) trở thành: R C  (0.8C 0.5)(22l 45) 5.1.2 Tínhđiện trở nối đất Bằng phương pháp tương tự trên, tìm cơng thức để tính điện trở nối đất cho sau: Rt  0.081 (0.15C 0.12)(0.6l 48 5.2 So sánh kết Để đánh giá sai số công thức (5-2) (5-3) so với công thức [12], thay đổi thông số giữ không đổi thông số cịn lại.Kết tính tốn cho Bảng 5.1 Bảng 5.2 Bảng 5.1: So sánh kết đất (5-2) [12] cọc nối đất ρ1 (Ωm) 100 200 300 400 500 600 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 Bảng 5.2: So sánh kết (5-3) [12] nối đất ρ1 (Ωm) 100 200 300 400 500 600 200 200 200 200 200 50 So sánh kết tính cơng thức [12] công thức đề xuất (5-2) (5-3) để tính điện trở nối đất cọc sử dụng GEM có sai số khơng vượt 10% 51 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Qua thời gian thực đề tài: “Nghiên cứu tính tốn điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng hóa chất giảm điện trở nối đất”, nhóm nghiên cứu đã:  Phân tích thơng số ảnh hưởng đến điện trở nối đất cọc, nối đất có hóa chất giảm điện trở nối đất  Đề xuất cơng thức đơn giản để tính tốn điện trở nối đất cọc, nối đất có hóa chất giảm điện trở nối đất  So sánh kết tính tốn cơng thức đề xuất với với kết tính tính tốn cơng thức [12] 6.2 Hƣớng nghiên cứu phát triển đề tài Đề tài nghiên cứu phát triển theo hướng sau:  Tiếp tục nghiên cứu hiệu kinh tế có sử dụng hóa chất GEM để cải tạo đất  Ứng dụng tính tốn nối đất thiết kế hệ thống nối đất lớn  Xác định hệ số sử dụng hệ thống cọc nối đất có hóa chất giảm điện trở nối đất  Xác định hệ số màng che hệ thống lưới nối đất phức hợp gồm: Cọc - Thanh 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Trọng Tuấn Mỹ, Trường điện từ, Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ [2] Nathan Ida, Engineering Electromagnetics, Hamilton Printing Co., Rensselaser, NY., 2000 [3] Jinliang He, Rong Zeng, Bo Zhang “ Methodology and Technology for Power System Grounding” John Wiley & Sons Singapore Pte StD.; 2013 [4] ANSI/IEEE Std 80-2000, IEEE guide for safety in AC substation grounding, New York [5] Alya B Joffe, Kai-sang Lock, Grounds for Grounding: A Circuit to System Handbook, Wiley,-2010 [6] ERICO Engineers “Practical Guide to Electrical Grounding” ERICO, USA, 1999 [7] E.U Ubeku and F Odiase “Substation Earthing Gird Safety Analysis” Medwell Journals, 2009 [8] I Colominas, F.Navarrina, M Casteliero “A Numerical Formulation for Grounding Analysis in Stratified Soils” IEEE Transactions on Power Delivery, 2001 [9] J.A Guemes, F.E Hernando “ Method for calculating the Ground Resistance of Grounding Girds using FEM” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.19, No.2, April 2004 [10] 2005 [11] ERICO Engineers “ Grounding Enhancement Material” ERICO, USA, Chuong HoVanNhat, Calculating resistance of simple grounding forms with or without the soil improved chemical substance, Ho Chi Minh City University of Technology [12] Chuong Ho Van Nhat, Tung Nguyen Thanh, Lan Ngo Kim “Formulas for Calculating Grounding Resistance of Simple Forms with Ground Enhancement Material” International Journal Automation and Power Engineering Volume Issue 2, February 2013 53 [13] Van DinhAnh and his Group, Researching and suggesting some solutions for improving grounding system of the transmission line and high voltage transformer substatioN, HoChiMinh City Power Company.- 2004 [14] Marek Loboda and Robert Marciniak “Practical Application of Enhancememt Materials in High Resistivity Soils” International Conference on Grounding and [15] Chandima Gomes, Chamath Lalitha and Chamalee Priyadarshanee “Improvement of Earthing Systems with Backfilll Materials” 30th International Conference on Lightning Protection - ICLP 2010 (Cagliari, Italy - September 13th -17th, 2010) [16] Siow Chun Lim “Preliminary Results of the Performance of Grounding Electrodes Encased in Bentonite-Mixed Concrete” 2012 International Conference on Lightning Protection (ICLP), Vienna, Austria [17] Hirotaka Shimizu and Nobuhiro Watanabe “Grounding Resistance of Grounding Electrode Using Carbon Plate Made of Woody Material” 2012 International [18] V P Androvitsaneas, I F Ganas, I A Stathapulas “Performance of Ground Enhancing Compounds During the Year” 2012 International Conference on Lightning [19] Grzegorz Kamas, Grzegorz Maslowski, Robert Ziemba, Stanislaw Wyderka “Influence of Different Multilayer Soil Models on Grounding System Resistance” 2012 International Conference on Lightning Protection (ICLP), Vienna, Austria [20] Lee Weng Choun, Chandima Gomes, Mohd Zainal Abidin Ab Kadir, Wan F atinhamamah Wan Ahmad “Analysis of Earth Resistance of Electrodes and Soil Resistivity at Different Environments” 2012 International Conference on Lightning [21] on Soil Li Liangfu, Qin Binquan “Research on Influence of Soil Water Content Resistivity” 2012 International Conference on Lightning Protection (ICLP), Vienna, Austria 54 [22] Testing Wentang Hu, Shaofeng Yu, Rui Cheng, Jinliang He, Fellow, IEEE “A Research on the Effect of Conductive Backfill on Reducing grounding Resistance under Lightning” 2012 International Conference on Lightning Protection (ICLP), Vienna, Austria [23] Tiêu chuẩn xây dưng TCXD 46:1986, chống sét cho công trình xây dựng – Tiêu chuẩn thiết kế thi cơng, Nxb xây dựng, Hà Nội [24] IEEE std 142-1991 Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems, The Institute of Electricals and Electronics Engineers, Inc., New York, USA 55 ... Nghiên cứu phân tích thơng số ảnh hưởng đến điện trở nối đất có hóa chất giảm điện trở nối đất; - Xác định công thức đơn giản tính tốn điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng hóa chất giảm điện trở nối. .. tích thông số ảnh hưởng đến điện trở nối đất cọc, nối đất có hóa chất giảm điện trở nối đất - Đề xuất công thức để tính tốn điện trở nối đất cọc, nối đất có hóa chất giảm điện trở nối đất Sản phẩm... số đến điện trở nối đất cọc, nối đất có hóa chất giảm điện trở nối đất; - Xác định cơng thứcđể tính tốn điện trở nối đất cọc, nối đất có xét ảnh hưởng hóa chất giảm điện trở nối đất - Kết luận,