C1. Tổng quan
Tổng trở của hệ thống nối đất phụ thuộc nhiều vào điện trở suất của đất, phạm vi và hình dạng điện cực được chôn. Đất tại một vị trí cho trước có thể được hình thành từ nhiều sự kết hợp khác nhau của đất khô, đất sét, cát, sỏi, đá phiến, sa thạch …Tổng trở nối đất có thể thay đổi theo mùa như nhiệt độ, độ ẩm và độ chặt của đất.
Sau khi lắp đặt một trạm phân phối hay kết cấu nối đất khác, sự sắp xếp của đất theo những thay đổi thời tiết tuần hoàn hàng năm có khuynh hướng làm giảm tổng trở nối đất trong năm đầu tiên hoặc năm thứ hai.
Tổng trở của điện cực nối đất thường được đo theo các đại lượng điện trở bởi vì thành phần điện kháng thông thường không đáng kể. Thành phần điện kháng tăng theo kích thước lưới nối đất. Việc xác định thành phần điện kháng là cần thiết nếu việc phân tích liên quan đến dòng điện sóng hài hoặc dòng điện xung.
Điện trở sẽ thường không thay đổi lớn từ năm này sang năm sau, sau năm đầu tiên hoặc năm thứ hai sau khi lắp đặt.
Những giá trị tính toán hoặc lý thuyết của điện trở một điện cực so với điểm đất xa có thể khác với giá trị đo,do các yếu tố sau:
1) Sự không phù hợp của các phương pháp phân tích được dùng trong tính toán điện trở.
2) Điện trở suất đất tại thời điểm đo khác với điện trở suất được giả thiết trong tính toán.
3) Phạm vi khảo sát điện trở suất chưa chính xác hoặc chưa đủ, số lượng và sự phân tán các thử nghiệm, khoảng cách cọc dò và sự không phù hợp của dụng cụ đo được sử dụng.
4) Xuất hiện những kết cấu kim loại chôn ngầm trong đất và những dây nối đất ở gần công trường thử nghiệm,chúng có thể làm lệch hướng một lượng lớn dòng điện thử nghiệm.
5)Máy đo dạng kẹp có thể chứa sai số lớn nếu điện kháng trong mạch thử là đáng kể so với điện trở, hoặc nếu các bộ lọc không thích hợp để lọc các tần số 50/60Hz gây ra bởi dòng điện rò. Sự khác nhau giữa những giá trị điện trở đo và giá trị tính toán có thể được giảm thiểu nếu các phép đo điện trở suất đất và điện trở lưới nối đất thu được dưới những điều kiện thời tiết giống nhau. Một cách tương tự, đối với những lưới nối đất mà nó bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi mùa, thận trọng thực hiện các phép đo điện trở suất đất khi điều kiện thời tiết bất lợi để thu được các giá trị hợp lý.
C2.Phương pháp đo tổng trở nối đất C2.1Phương pháp hai điểm
Trong phương pháp này điện trở của điện cực nối đất được đo nối tiếp với một điện cực nối đất phụ. Điện trở của nối đất phụ được bỏ qua so với điện trở của đối tượng nối đất. Giá trị đo được khi đó biểu diễn điện trở của đối tượng nối đất.
Một ứng dụng của phương pháp này là đo điện trở của cọc nối đất được đóng liên kết với một nhà dân gần đó. Thông thường, một nhà dân có một hệ thống nối đất tổng trở thấp do nối đất của nó nối vào dây trung tính của hệ thống điện. Việc sử dụng hệ thống nối đất đó như một nối đất phụ có thể cho những kết quả với độ chính xác hợp lý.
Phương pháp này chịu sai số lớn cho việc thử nghiệm nối đất điện trở thấp. Nếu nối đất chính và phụ gần nhau, khi đó điện trở hỗ cảm giữa các nối đất cũng là nguyên nhân sai số.
C2.2 Phương pháp ba điểm
Điện trở giữa mỗi cặp điện cực được đo và được ký hiệu là R12, R13 và R23, ở đó
R12 = R1 + R2, tương tự cho R13 và R23.
Giải ba phương trình đồng thời, suy ra rằng R1
Bằng cách đo điện trở nối tiếp của mỗi cặp điện cực nối đất và thay thế giá trị điện trở vào phương trình trên, có thể xác định giá trị R1. Nếu hai điện cực phụ có điện trở cao hơn điện cực được thử nghiệm, khi đó những sai số trong các phép đo riêng biệt sẽ được khuếch đại đáng kể trong kết quả cuối cùng. Để đo đạt chính xác, các điện cực cần được đặt ở khoảng cách đủ xa với nhau nhằm mục đích giảm thiểu điện trở hỗ cảm giữa chúng. Trong trường hợp đòi hỏi các khoảng cách không phù hợp giữa các điện cực, những điều vô lý như là điện trở thứ tự không và thứ tự nghịch có thể tăng. Trong phép đo điện trở cọc nối đất, tách biệt ba điện cực bằng ít nhất ba lần độ sâu của cọc chính. Trong việc cung cấp hướng dẫn này, cũng đưa ra giả thiết rằng các điện cực phụ được đóng ở độ sâu bằng hoặc nhỏ hơn độ sâu của cọc chính. Phương pháp này trở nên khó áp dụng nếu hệ thống nối đất lớn và phức tạp,trường hợp này những phương pháp khác được ưu tiên với độ chính xác cao hơn. C2.3. Phương pháp điện áp rơi:
Lý thuyết của phương pháp: Xét hệ thống nối đất G cần đo.
Để đo điện trở nối đất ta dùng các cọc nối đất phụ C(gọi là cọc dòng), cọc dò P (gọi là cọc áp) dùng để đo, điều quan trọng ở đây liên quan đến độ chính xác của phép đo là cọc dòng phải đủ xa hệ thống nối đất cần đo, cọc áp P phải nằm ngoài vùng chịu ảnh hưởng điện trở của hệ thống nối đất và cọc nối đất phụ C. Nếu cọc áp nằm trong một vùng ảnh hưởng điện trở hoặc cả hai vùng nếu chúng giao nhau thì khi thay đổi vị trí cọc áp P trị số điện trở R biến đổi rõ rệt như trên hình 1.C. Trong điều kiện như vậy không thể xác định được trị số chính xác điện trở của hệ thống nối đất cần đo. Ngược lại nếu cọc áp P nằm ngoài vùng ảnh hưởng điện trở như trên hình 2.C thì khi di chuyển cọc áp P ta nhận thấy mức độ biến thiên giá trị R rất nhỏ, lúc này mới có thể cho kết quả đo chính xác.
Hình 2.C:: Các vùng ảnh hưởng điện trở không giao nhau
Như vậy cơ sở của phương pháp này là xác lập phép đo sao cho cọc áp P nằm đúng ở đoạn phẳng ngang của đặc tuyến điện trở nối đất (tức là vùng mà khi di chuyển cọc áp P mức độ biến thiên của R rất nhỏ) như ở hình 2.C. Phương pháp này được tính toán cho hệ thống nối đất nhỏ tức là hệ thống nối đất gồm một hay hai cọc đơn được đóng sâu trong đất như nối đất của các trạm biến áp phụ tải nhỏ độc lập công suất nhỏ.
Hình 3.C: Sơ đồ đo của phương pháp điện áp rơi
Các bước thực hiện:
Cọc dòng C được đóng sâu vào đất cách điện cực cần đo G một khoảng tư 30-50m. Khoảng cách này phải đủ xa để các vùng ảnh hưởng điện trở không bị xếp chồng lên nhau và gây ra sai số phép đo. Cọc áp P được đóng vào đất ở điểm giữa của khoảng cách giữa cọc dòng C và điện cực nối đất G cần đo theo hướng thẳng hàng với nhau.
Nối dây đo từ các điện cực vào cầu đo điện trở nối đất, đầu cực C2 nối đến cọc dòng C, đầu cực P2 nối đến cọc áp P và các đầu cực C1, P1 nối đến điện cực nối đất G cần đo(chú ý phải dùng 2 dây để loại trừ ảnh hưởng của dây nối vào trị số đo). Kết quả đo sẽ hiển thị trên cầu đo.
Tiếp tục thực hiện các phép đo thứ 2 và 3 tương ứng với vị trí của cọc áp như trên hình 3.C.
Ba giá trị vừa đo được xác định được đoạn đặc tuyến phẳng nhất của đường đặc tuyến điện trở nối đất như ở hình 2.C. Nếu giá trị đo phù hợp với độ chính xác yêu cầu thì trị số trung bình của chúng được xem là trị số điện trở nối đất thực.
Giả sử 3 trị số đo được là R1, R2, R3. Trị số trung bình sẽ là: Rtb=(R1+R2+R3)/3.
Gọi độ lệch cực đại của R1, R2, R3 so với trị số trung bình của chúng là ∆R, nó có thể biểu thị theo phần trăm của trị số trung bình là (∆R/Rtb)x100%.
Nếu trị số (1,2x∆R/Rtb)x100% nhỏ hơn độ chính xác của phép đo thì trị số trung bình được chấp nhận là trị số điện trở nối đất của hệ thống cần đo. Nếu trị số (1,2x∆R/Rtb)x100% không nhỏ hơn độ chính xác của phép đo thì có thể do vị trí ban đầu của cọc dòng không đúng tạo nên hiện tượng như đã nêu ở hình 1.C. Lúc này cần phải đưa cọc dòng C ra vị trí xa hơn hoặc chuyển sang hướng khác và tiến hành đo lại cho đến khi nào thỏa điều kiện yêu cầu độ chính xác phép đo.
Nhận xét:
Đây là kỹ thuật đo cơ bản nhất trong các kỹ thuật đo điện trở nối đất, nó có ưu điểm là thực hiện đơn giản tính toán ít.
Cơ sở lý thuyết của phương pháp này dựa trên tính toán cho các hệ thống nối đất đơn cọc, đơn thanh nên đối với hệ thống nối đất phức tạp phép đo này không đạt độ chính xác cao vì trong thực tế ít gặp hệ thống nối đất đơn.
C2.4.Phương pháp điện áp rơi 62%
Phương pháp điện áp rơi (FOP) đòi hỏi cho qua một dòng điện giữa một điện cực nối đất (G) và một cọc dòng điện (CP), và sau đó đo điện áp giữa G và cọc dò điện thế (PP), như được thể hiện trong hình 4.C. Để giảm thiểu ảnh hưởng giữa các điện cực do điện trở hỗ cảm, cọc dòng điện một cách phổ biến được đặt ở khoảng cách xa điện cực nối đất đang thử nghiệm.
Thông thường, khoảng cách này bằng ít nhất năm lần kích thước lớn nhất của điện cực nối đất đang thử nghiệm. Cọc dò điện thế được đặt cùng phương với cọc dòng điện, nhưng nó có thể được đặt ở chiều đối diện, như được thể hiện trong hình 4.C. Trong thực tế, khoảng cách “X” đối với cọc dò điện thế thường được chọn bằng 62% khoảng cách của cọc dòng với điện cực nối đất đang thử nghiệm (X=62%D) khi các cọc dòng và cọc dò điện thế nằm cùng chiều (qui tắc 62%). Khoảng cách này dựa trên vị trí hiệu chỉnh một cách lý thuyết cho phép đo tổng trở điện cực chính xác đối với đất có điện trở suất đồng nhất.
Hình 4.C Minh họa phương pháp điện áp rơi 62%
Một cách thực tế để xác định cọc dò điện thế có bị ảnh hưởng từ các điện cực khác hay không là thu thập vài giá trị điện trở đọc được bằng cách di chuyển cọc dò điện thế giữa lưới nối đất và cọc dò dòng. Hai đến ba giá trị điện trở đọc được liên tiếp không đổi có thể được xem là giá trị điện trở đúng.Hình 5.C thể hiện những biểu đồ tổng trở tiêu biểu theo khoảng cách cọc dò PP đến điện cực nối đất đang thử nghiệm. Đường nét liền biểu diễn xu hướng của các cọc dò điện thế PP cùng chiều bố trí cọc dòng CP. Đường đứt nét biểu diễn xu hướng của các cọc dò điện thế PP ngược chiều bố trí cọc dòng CP. Trong một tình huống lý tưởng, một điểm uốn có thể được nhận biết nó xấp xỉ tổng trở của điện cực được thử nghiệm.
Hình 5.C Tổng trở tiêu biểu theo khoảng cách cực dò điện thế
cho phương pháp điện áp rơi
Giải thích các kết quả
Những trình bày trước đây chứng tỏ rằng để áp dụng qui tắc 62%, những điều kiện sau đây cần phải tồn tại:
1) Đất đồng nhất khá tốt
2) Những khoảng cách lớn giữa lưới nối đất đang được thử nghiệm và những điện cực tham chiếu sao cho tất cả các điện cực được giả sử là bán cầu.
3) Điện cực được thử nghiệm không có các nối đất mở rộng.
Ngoài ra, điểm tham chiếu ban đầu cho phép đo các khoảng cách của các điện cực phụ (các cọc dòng và cọc dò điện thế) được yêu cầu. Đối với những hệ thống nối đất bán cầu, điểm tham chiếu ban đầu là tâm của hệ thống nối đất. Đối với những hệ thống nối đất lớn, một vài tác giả đưa vào khái niệm tâm điện và mô tả phương pháp xác định tổng trở của hệ thống nối đất rộng lớn được chôn trong một vùng đất đồng nhất. Người dùng nên lưu ý rằng đối với một hệ thống lưới nối đất lớn và phức tạp, tâm điện có thể không trùng với tâm hình học của lưới nối đất. Không như tâm hình học, vị trí tâm điện phụ thuộc nhiều vào mật độ dòng điện trong và xung quanh các dây dẫn lưới nối đất.
Phương pháp điện áp rơi đo điện trở giữa một điểm trong lưới nối đất và vùng đất ở xa (điểm nối đất xa). Nếu giá trị thử nghiệm cao hơn nhiều giá trị mong đợi, khi đó những đầu dây thử nghiệm có thể đã được gắn vào một dây dẫn mà nó được đấu nối một cách không phù hợp vào lưới nối đất. Nếu nghi ngờ một mối nối có chất lượng kém, khi đó các phép đo có thể được lặp lại tại những điểm khác trong lưới nối đất. Nếu giá trị ban đầu và giá trị lặp lại thay đổi một cách đáng kể, khi đó lưới nối đất có thể bị hư hỏng và một thử nghiệm toàn bộ nối đất của lưới nối đất là thích hợp. Mặc khác, những thử nghiệm thông mạch được thực hiện trước khi thử nghiệm bằng phương pháp điện áp rơi.
Nhìn chung, cách tốt nhất để thu được một phép đo thỏa mãn là đạt được khoảng cách giữa lưới nối đất và cọc dòng (hình 4.C) sao cho tất cả các điện trở hỗ cảm là đủ nhỏ và lệch khỏi biểu đồ điện áp rơi (hình 5.C). Lợi ích
chính của phương pháp điện áp rơi là các cọc dò điện thế và cọc dòng điện có thể có một điện trở cao hơn đáng kể so với hệ thống nối đất đang được thử nghiệm mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.
Bảng 1 : Khoảng cách cọc áp và cọc dòng theo độ sâu điện cực cần đo
Chiều sâu cọc ( m ) Khoảng cách đến cọc áp P (m) Khoảng cách đến cọc dòng C (m )
6 45 72 8 50 80 10 55 88 12 60 96 18 71 115 20 74 120 30 86 140 C2.5. Phương pháp độ dốc
Phương pháp này không phụ thuộc vào sự hiểu biết tâm điểm điện của hệ thống nối đất và cũng không đòi hỏi khoảng cách quá lớn của cọc dòng. Trong kỹ thuật đo này khoảng cách đo được tính từ vị trí đặt tùy ý trong chu vi mạng nối đất, có thể ở rìa hệ thống nối đất G hoặc vị trí thuận tiện nào đó (nơi đặt máy đo).
Mục đích của phương pháp này là tìm ra độ dốc của đường đặc tuyến điện trở nối đất, từ đó xác định đoạn phẳng nhất của đặc tuyến và chọn vị trí tối ưu của cọc áp để đo điện trở nối đất của hệ thống.
Nhận xét:
Nói chung phương pháp này dễ thực hiện, không đòi hỏi tính toán nhiều, không cần biết tâm điểm điện của hệ thống như qui tắc 62%. Phương pháp này còn có ưu điểm là khi các vùng điện trở tản của hệ thống nối đất và cọc dòng ảnh hưởng lẫn nhau thì sẽ phản ảnh qua hệ số µ nằm ngoài bảng 1.C.
Bảng2.C – Các hệ số phương pháp độ dốc µ PT/C µ PT/C µ PT/C 0,40 0,643 0,80 0,580 1,20 0,494 0,41 0,642 0,81 0,579 1,21 0,491 0,42 0,640 0,82 0,577 1,22 0,488 0,43 0,639 0,83 0,575 1,23 0,486 0,44 0,637 0,84 0,573 1,24 0,483 0,45 0,636 0,85 0,571 1,25 0,480 0,46 0,635 0,86 0,569 1,26 0,477
0,48 0,632 0,88 0,566 1,28 0,4710,49 0.630 0,89 0,564 1,29 0,468 0,49 0.630 0,89 0,564 1,29 0,468 0,50 0,629 0,90 0,562 1,30 0,465 0,51 0,627 0,91 0,560 1,31 0,462 0,52 0,626 0,92 0,558 1,32 0,458 0,53 0,624 0,93 0,556 1,33 0,455 0,54 0,623 0,94 0,554 1,34 0,452 0,55 0,621 0,95 0,552 1,35 0,448 0,56 0,620 0,96 0,550 1,36 0,445 0,57 0,618 0,97 0,548 1,37 0,441 0,58 0,617 0,98 0,546 1,38 0,438 0,59 0,615 0,99 0,544 1,39 0,434 0,60 0,614 1,00 0,542 1,40 0,431 0,61 0,612 1,01 0,539 1,41 0,427 0,62 0,610 1,02 0,537 1,42 0,423 0,63 0,609 1,03 0,535 1,43 0,418 0,64 0,607 1,04 0,533 1,44 0,414 0,65 0,606 1,05 0,531 1,45 0,410 0,66 0,604 1,06 0,528 1,46 0,406 0,67 0,602 1,07 0,526 1,47 0,401 0,68 0,601 1,08 0,524 1,48 0,397 0,69 0,599 1,09 0,522 1,49 0,393 0,70 0,597 1,10 0,519 1,50 0,389 0,71 0,596 1,11 0,517 1,51 0,384 0,72 0,594 1,12 0,514 1,52 0,379 0,73 0,592 1,13 0,512 1,53 0,374 0,74 0,591 1,14 0,509 1,54 0,369 0,75 0,589 1,15 0,507 1,55 0,364 0,76 0,587 1,16 0,504 1,56 0,358 0,77 0,585 1,17 0,502 1,57 0,352 0,78 0,584 1,18 0,499 1,58 0,347 0,79 0,582 1,19 0,497 1,59 0,341
C2.6.Phương pháp đo bằng kìm (phương pháp Stakeless)
Thông thường, hệ thống nối đất lưới phân phối có thể được mô tả như mạch điện đơn giản ở hình 6.C hoặc mạch điện tương đương ở hình 7.C
Hình 6.CMạch điện đơn giản mô tả hệ thống nối đất của lưới phân phối
Hình 7.CMạch điện tương đương
Nếu điện áp E đặt vào cực nối đất cần đo Rx qua máy biến áp đặc biệt thì dòng điện I chạy qua mạch được tính bằng công thức:
Vì vậy: , nếu biết E và I, có thể xác định ngay điện trở nối đất.
Từ hình 6.C và hình 7.C, với nguồn điện áp E tần số 1,6 KHz sẽ tạo nên dòng điện qua biến dòng lỏi xuyến. Chỉ có tín hiệu 1,6 KHz được khuếch đại qua bộ khuếch đại chọn lọc, sau đó qua bộ biến đổi Digital và được hiển thị trên màn hình tinh LCD của máy đo.
Bộ khuếch đại chọn lọc được sử dụng để loại bỏ dòng điện tần số lưới (50/60Hz) và các dòng nhiểu tần số cao. Điện áp được đo bằng cuộn dây quấn xung quanh biến dòng xuyến, sau đó qua bộ khuếch đại và chỉnh lưu rồi