đơn giản
Mạch điện đơn giản có −u điểm lớn là tiết kiệm chi phí xây dựng l−ới điện. Nh−ng các mạng này gặp rất nhiều khó khăn trong việc nối đất và chi phí về trang bị nối đất lớn nếu dung l−ợng TBA lớn. Nh− ta đ7 biết dung l−ợng TBA lớn thì dòng điện ngắn mạch nối đất tăng. Bảng 3.1 trình bày các trị số giới hạn công suất của trạm phát điện nhỏ hoặc công suất cua TBA hạ từ mạng khu vực mà ứng với công suất đó dòng điện ngắn mạch hai pha nối đất bé hơn 500 A.
D−ới đây chúng tôi trình bày công suất giới hạn của trạm d−ới góc độ an toàn. Theo quy định, điện thế cho phép trên HTTĐ không quá 50V
Utd≤ 50V
Do vậy dòng điện cực đại cho phép là:
Icp= A
Rd ,
50
Từ đó công suất cho phép của TBA là: Ba pha: Scp≤√3.U.I =√3.U. 50,(kVA)
Rd (3- 34)
Một pha: Scp≤U.I =U. 50,(kVA)
Rd (3-35)
Nh− vậy, công suất giới hạn của TBA phụ thuộc vào điện trở suất và các tham số của l−ới điện.
ứng với giá trị Rd=0,3Ω các giá trị giới hạn công suất truyền tải của từng mạng nh− sau:
Bảng 3.1. Công suất truyền tải cực đại
Ba pha Một pha
Mạng điện
35 kV 10 kV 35 kV 10kV
S(kVA) 10103,6 5773,5 5838,3 1666
Tuy công suất truyền tải của các mạng điện đơn giản bị giới hạn nh−ng các giá trị tới hạn công suất truyền tải của các mạng này hoàn toàn có thể đáp ứng đ−ợc nhu cầu của vùng nông thôn, miền núi và hải đảo.
3.7. Nhận xét
Từ những phân tích trên có thể khẳng định ph−ơng án dùng đất thay thế cho một dây dẫn là một ph−ơng án khả thi, hoàn toàn có thể áp dụng đ−ợc trong điều kiện ở Việt Nam. Mạng điện dùng đất thay thế cho một dây dẫn có −u điểm là tiết kiệm đ−ợc dây dẫn, xà, sứ.... nh−ng chi phí cho hệ thống tiếp địa của mạng này tăng so với mạng ba pha thông th−ờng.
Bên cạnh đó công suất truyền tải của mạng này còn bị giới hạn. Do đó, mạng này chỉ phát huy đ−ợc −u điểm của mình khi đ−ợc sử dụng để cung cấp cho các khu vực có mật độ tải. Cách xa nguồn cung cấp và khoảng cách truyền tải nhỏ thì mạng này không thể cạnh tranh với mạng ba pha thông th−ờng. Nh− vậy, sử dụng mạng điện đơn giản dùng đất thay thế có MĐT là một giải pháp tiết kiệm vốn đầu t− hiệu quả.
Mạng điện đơn giản cũng có những nh−ợc điểm gây mất đối xứng, tăng chi phí cho tiếp địa.
Những nh−ợc điểm này hoàn toàn có thể khắc phục đ−ợc hiển nhiên khắc phục những nh−ợc điểm này sẽ tăng chi phí xây dựng và vận hành của mạng điện đơn giản, vấn đề đặt ra là phải tìm ra phạm vi áp dụng giới hạn sử dụng của các mạng điện này. Vấn đề này sẽ đ−ợc giải quyết trong các phần tiếp theo của đề tài.
3.8. hệ thống tiếp địa trong mạng điện dùng đất thay thế cho một dây dẫn
3.8.1. Khái niệm chung
Trong mạng 2D + Đ hay 1D + Đ ở các Trạm bién áp cung cấp và tiêu thụ đều phải tiếp địa một pha qua bộ phấn nối đất. Một vật bằng kim loại với hinh dạng và kích th−ớc bất kỳ tiếp xúc với đất, có liên quan về mặt dẫn điện với đất đ−ợc gọi là phần tử nối đất. Một tập hợp nhiều phần tử nối đất gọi là điện trở tản dòng điện trong đất, là tổng điện trở của bộ phận kim loại nằm trong đất và điện trở tiếp xúc của phần đất với bề mặt của bộ phận kim loại đó. Trị số điện trở nối đất về căn bản phụ thuộc vào điện trở lớp đất ở mặt tiếp xúc với bộ phận nối đất khi có dòng điện đi qua, có nghĩa là phụ thuộc vào điện
trở suất của đất (ρđ) ngoài ra còn phụ thuộc vào kích th−ớc, hình dáng và cách
bố trí trang bị nối đất trong đất.
Chế độ làm việc của mạng điện dùng đất thay thế một dây dẫn phụ thuộc rất nhiều vào trị số điện trở nối đất. Nếu trị số này càng bé thì mạng sẽ vận hành càng an toàn và hiệu quả. Có hai biện pháp chủ yếu để làm giảm trị số điện trở nối đất.
- Làm giảm điện trở suất của đất tại vị trí tiếp địa - Làm tăng bề mặt tiếp xúc của hệ thống nối đất.
Tuỳ thuộc vào điều kiện kinh tế, kỹ thuật, đặc điểm khí hậu và đặc biệt là công suất truyền tải, trị số điện trở nối đất có các giá trị khác nhau.
Do đặc điểm của mạng truyền dẫn điện trong đất là luôn có dòng chạy qua Hệ thống tiếp địa, nên ta chỉ sử dụng ph−ơng pháp nối đất nhân tạo. Đó là ph−ơng án sử dụng vật liệu kim loại chôn trực tiếp trong đất nhằm đạt đ−ợc trị số điện trở nối đất theo yêu cầu.
3.8.2. Trị số điện trở nối đất
Trị số điện trở nối đất đ−ợc lựa chọn theo điều kiện điện áp giáng trên trang bị nối đất trong tình trạng bình th−ờng và sự cố phải bé hơn trị số cho phép nguy hiểm đối với con ng−ời. Trong tình trạng bình th−ờng khi có dòng
điện lớn nhất đi qua hệ thống nội đất là Im(A) thì trị số điện trở nối đất phải
thoả m7n.
Im.Rd ≤50, V Do đó: Rd ≤50;Ω
m
I (3-36)
Trong tinh trạng sự cố, nghĩa là khi ở mạng điện xẩy ra ngắn mạch nối đất trị số điện trở nối đất phụ thuộc vào trị số dòng điện ngắn mạch.
ở mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp, trị số dòng điện ngắn mạch
hai pha nối đất th−ờng v−ợt quá 500A. Khi có điện trở nối đất theo quy phạm không v−ợt quá 0,5Ω.
ở mạng điện có dòng điện nhỏ (mạng có trung tính cách ly:
35,22,10kV) dòng điện ngắn mạch hai pha nối đất IN(A:1) th−ờng nhỏ hơn 500A
và phụ thuộc vào dung l−ợng của Trạm biến áp. Tuỳ thuộc vào dung l−ợng của Trạm biến áp điện trở nối đất có các trị số khác nhau (bảng 3.2).
So sánh trị số Rd xác định theo bảng (3.2) và Rd tính theo công thức (3.37) và chọn trị số Rd bé hơn để thực hiện nối đất.
Ngoài ra trình bày các giá trị giới hạn công suất của trạm điện nhỏ, hoặc công suất của Trạm biến áp hạ từ mạng khu vực mà ứng với công suất đó dòng điện ngắn mạch hai pha nối đất bé hơn 500A.
Bảng 3.2. Trị số điện trở nối đất trong mạng đó dòng trạm đất bé phụ thuộc vào dung l−ợng trạm biến áp.
Điện trở nối đất (Ω) khi điện áp của mạng kV Công suất của MBA
trong trạm kVA 6 10 35 60 100 240 320 560 1000 2400 3200 5600 10 6 2 1,6 1 0,5 0,5 0,5 0,5 10 10 3,5 2,5 1,5 1 0,5 0,5 0,5 10 10 4 4 4 3 1,5 1 0,5
Trong tr−ờng hợp sử dụng 2D + Đ ở hai cấp điện áp (35 và 10kV) th−ờng thực hiện nối đất chung. Vì khi đó dòng điện phía cao áp và hạ áp đi trong hệ thống tiếp địa chung có chiều ng−ợc nhau, dòng điện đi qua Hệ thống tiếp địa sẽ giảm xuống.
I C ic I B I C I A A B C a b c ia i b i c I C i c I B I C I A A B C a b c ia i b i c
3.8.3. Đặt bộ phận nối đất ở những vùng có trị số điện trở suất cao
ở những vùng đất có độ dẫn điện xấu, điện trở suất cao hoặc rất cao nh−: đất cát, đất đồi có lẫn nhiều sỏi đá..., khi đặt một hệ thống nối đất muốn đạt trí số điện trở nối đất yêu cầu sẽ rất khó khăn và tốn kém. Những vùng đất nh− vậy, muốn giảm trị số ĐTSĐ có thể sử dụng một trong các biện pháp sau:
* Dùng dạng nối đất chôn sâu
Trong nối đất chôn sâu, loại cọc đ−ợc sử dụng có kích th−ớc dài hơn và cọc này đ−ợc chôn ngập trong đất khoảng từ 5 - 12m. Nếu có biện pháp đóng cọc thì chiều dài này có thể đạt tới 20m hoặc hơn nữa nhằm lợi dụng lớp đất d−ới có điện trở suất nhỏ và ổn định.
Dạng nối đất chôn sâu có các −u điểm
ở độ chôn sâu từ 2,5 -3m trở lên trị số điện trở suất đạt đ−ợc xem nh−
t−ơng đối ổn định.
Độ dẫn điện của đất ít bị ảnh h−ởng do thời tiết khí huậ của lớp không khí trên mặt đất. Diện tích đặt bộ phận nối đất hẹp nên công tắc lắp đặt, đào đất ít tốn kém, đạt chỉ tiêu kinh tế về mặt sử dụng kim loại giá thành hạ.
Qua các −u điểm trên, chúng tôi nhận thấy ph−ơng pháp nối đất chôn sâu đ7 đem lại một số kết quả tốt trong từng điều kiện cụ thể khác nhau, nhất là ở trong tr−ờng hợp ở lớp đất d−ới sâu có độ dẫn điện tốt, cho nên ng−ời ta hay dùng dạng nối đất này ở những vùng đất có thành phần cấu tạo đồng nhất trị số ρd ít thay đổi theo chiều sâu chôn cọc.
ở n−ớc ta mức n−ớc ngắn có độ sâu từ 3 - 10m so với mặt đất. Do đó trị
số ρd vùng có mạch n−ớc ngầm đi qua rất thấp bằng từ (0,2 - 0,7).104Ωcm.
Nên nếu chôn đ−ợc cọc nếu đất vào vùng đất này thì hiệu quả sẽ rất tốt rất có lợi về kinh tế. Trong thực tế, ngoài những vùng đất có mạch n−ớc ngầm đi
thấp và nếu ta sử dụng đ−ợc lớp đất này thì rất có lợi so với tr−ờng hợp dùng các cọc ngắn thông th−ờng.
Tuy nhiên ph−ơng pháp này có hạn chế là ở những vùng đất cứng (đất cấp 2, 3 trở lên) hoặc chiều dài cọc>3m không thể dùng biện pháp đóng cọc đ−ợc mà ta phải sử dụng biện pháp khoan nhồi cọc. Do vậy làm tăng chi phí của hệ thống nối đất. Nếu ph−ơng pháp này chỉ sử dụng cho những nơi có điện trở suất rất cao.
* Cải tạo độ dẫn điện của đất để giảm chỉ số điện trở suất của đất.
Ngoài biện pháp sử dụng dạng nối đất chôn sâu, ng−ời ta thấy rằng việc dùng muối để cải tạo độ dẫn điện của đất cũng đem lại một kết quả tốt, làm trị số điện trở suất đất giảm rất nhanh, nhất là trong điều kiện đất ẩm.
Th−ờng vùng đất đ−ợc cải tạo bằng muối ở trung quanh cọc nối đất có chiều dày bằng khoảng một phần ba chiều dài cọc, bán kính bằng từ 0,5 đến 1m. Vị trí lớp đất chộn muối bao quanh cọc nên để phía trên gần sát đầu mút trên của cọc. Theo một số tài liệu đ7 đ−ợc nghiên cứu, thí nghiệm thì ở vị trí này muối ít làm han rỉ cọc, hơn nữa thông th−ờng vùng đất ở khoảng một phần ba phía trên thân cọc cũng là vùng đất có trị số điện trở suất lớn hơn so với các vùng khác dọc theo thân cọc.
Với ph−ơng pháp này ta có thế làm giảm đ−ợc trị số điện trở suất đất một số lần ứng với các loại đất nh− sau:
- Đất pha sét giảm 1,5ữ2 lần - Đất pha cát giảm 2,5 ữ4 lần - Đất cát giảm 4ữ8 lần
Hệ số giảm trị số ĐTSĐ của các loại đất khác đ−ợc cho trong phụ lục (9) sự thay đổi thời tiết xẩy ra trong năm th−ờng ít ảnh h−ởng đến trị số điện trở suất của đất đ−ợc cải tạo theo ph−ơng pháp trên. Trị số điện trở suất này luôn
chung quanh cọc nối đất một thời gian t−ơng đối dài. Tuy nhiên đến một lúc nào đó l−ợng muối trong đất cũng bị tiêu tan dần, nhất là bị n−ớc m−a hoà tan mang đi bởi vậy cần phải có chế độ kiểm tra kiểm định kỳ để bổ sung muối. Với đất sét, đất thịt từ 4 đến 6 năm kiểm tra một lần, với đất xốp đất cát hoặc cát pha từ 1 đến 2 năm kiểm tra một lần
* Dùng dạng nối đất đi xa.
Đó là biện pháp xây dựng hệ thống tiếp địa ở xa vị trí đặt thiết bị có ĐTSĐ cao trong khi vùng đất gần đó có trị số điện trở suất bé hơn.
3.8.4. Tính toán hệ thống nối đất 3.8.4.1. Cách thức nối đất
Ph−ơng pháp nối đất trong các mạng 2D + Đ và 1D + Đ là nối đất nhân tạo. Nối đất nhân tạo th−ờng đ−ợc thực hiện bằng cách dùng dây, cọc kim loại, thanh kim loại dẹt hình chữ nhật hay thép góc dài từ (1,5ữ3) m chôn sâu xuống đất sao cho đầu trên của chúng cách mặt đất khoảng (0,5ữ0,8m). Hoặc ta có thể sử dụng hình thức nối đất chôn sâu đ7 trình bày ở trên. Do có hiện t−ợng ăn mồn kim loại, vật liệu sử dụng trong hệ thống tiếp địa có chiều dài không nên bé hơn 4mm và đ−ợc mạ kẽm.
Dây nối đất cần có tiết diện thoả m7n độ bền cơ khí và ổn định nhiệt, chịu đ−ợc dòng điện cho phép lâu dài. Dây nối nên lấy bằng tiết diện dây pha nếu sử dụng cùng loại vật liệu và không đ−ợc bé hơn một phần ba tiết diện dây pha, nếu sử dụng đồng làm dây dẫn.
3.8.4.2. Tính toán nối đất nhân tạo
Điện trở nối đất chủ yếu xác định bằng ĐTSĐ, hình dạng kích th−ớc và độ chôn sâu của bộ phận nối đất. Điện trở suất của đất phụ thuộc vào thành phần, một độ, độ ẩm và nhiệt độ của đất và có thể xác định chính xác bằng ph−ơng pháp đo l−ờng. ĐTSĐ trong năm thay đổi do ảnh h−ởng của độ ẩm và
nhiệt độ của đất, vì vậy điện trở của trang bị nối đất cũng thay đổi theo. Trong tính toán nối đất phải dùng điện trở suất tính toán là trị số lớn nhất trong năm.
ρtt=K.ρđo, ,Ω.cm (3.37)
K là hệ số tăng cao phụ thuộc vào điều kiện khí hậu ở nơi xây dựng trang thiết bị nối đất.
ρđo: điện trở suất của đát đ−ợc xác định qua phép đo trực tiếp, Ω.cm
Tuy nhiên trong thiết kế sơ bộ ta có thể sử dụng các giá trị điện trở suất đất. Điện trở nối đất nhân tạo gồm hệ thống lọc thẳng đứng (điện cực thẳng đứng) và thanh đặt nằm ngang. Điện cực ngang đ−ợc xác định theo công thức: Rnt= g d ng d R R R R + . (3.38)
Rd - điện trở khuyếch tán của hệ thống cọc thẳng đứng, Ω
Rng - điện trở khuyếch tán của hệ thống cọc chôn nằm ngang, Ω
Công thức xác định điện trở khuếch tán của các điện cực khác đ−ợc cho trong bảng 3.2.
Dựa vào công tức trong bảng 3.2 ta xác định đ−ợc điện trở khuyếch tán của các điện cực chôn trong đất.
Đối với thép góc, đ−ờng kính đẳng trị số đ−ợc tính
d=0,95b, m (3.39)
Khi xác định điện trở nối đất tổng của toàn bộ mạch vòng cần phải xét tới ảnh h−ởng màn chắn giữa các cọc. Trong tr−ờng hợp này ta phải tính đến hệ số sử dụng của điện cực thẳng đứng ηc và của điện cực ngang hau của thanh nằm giữa ηng.
Bả ng 3 .2 . C ôn g th ức x ác đ ịn h đi ện tr ở tả n củ a cá c đi ện c ực c hô n tr on g
Khi tính toán đến hệ số sử dụng, các giá trị điện trở khuyếch tán của cọc và thanh nối ngang đ−ợc xác định nh− sau:
Rdc= N R c c . η ,Ω (3.40) Rng= ng ng R η ' ,Ω (3.41)
R’ng - điện trở khuyếch tán của thanh nối ngang ch−a xét đến ảnh h−ởng
màu chắn.
3.8.4.3. Chi phí của một hệ thống tiếp địa
Chi phí của hệ thống tiếp địa phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: điện trở suất của đất, điện trở nối đất yêu cầu cách bố trí Hệ thống tiếp địa, độ sâu chôn tiếp địa, hình dạng kích th−ớc và bản chất vật liệu sử dụng....
Để thống nhất trong tính toán, dễ dàng trong so sánh kinh tế chúng tôi tiến hành tính toán trên các điều kiện vật liệu.
- Cọc tiếp địa: thép góc mạ kẽm 50x50x5mm - Thanh nối ngang: thép mạ kẽm 40x4mm - Hình thức bố trí tiếp địa