Thiết bị hệ thống nối đất

CHƯƠNG 3 : HỆ THỐNG CHỐNG SÉT, NỐI ĐẤT

2.1 Hệ thống nối đất Error! Bookmark not defined

2.1.2. Thiết bị hệ thống nối đất

Có hai loại nối đất là nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạọ

2.1.2.1. Nối đất tự nhiên

Nối đất tự nhiên là trang thiết bị nối đất sử dụng các ống dẫn nước chôn ngầm trong đất hay các ống bằng kim loại khác đặt trong đất (trừ các ống nhiên liệu lỏng và khí dễ cháy, nổ), các kết cấu kim loại của cơng trình nhà cửa có nối đất, các vỏ bọc kim loại của cáp đặt trong đất.

Khi xây dựng trang bị nối đất cần phải tạn dụng các vật nối đất tự nhiên sẵn có. Tuy nhiên hiện nay nhằm tăng tốc độ an toàn và do các trang thiết bị nối đất tự nhiên không được kiểm tra chặt chẽ về chất lượng nên nối đất tự nhiên chỉ được coi là nối

66

đất bổ sung chứ khơng phải là nối đất chính. Điện trở nối đất tự nhiên đựơc xác định bằng cách đo thực tế tại chỗ hay dự theo các tài liệu để tính tốn gần đúng.

2.1.2.2. Nối đất nhân tạo

Nối đất nhân tạo được sử dụng để đảm bảo giá trị điện trở nối đất nằm trong giá trị cho phép và ổn định trong thời gian dài.

Nối đất nhân tạo thường được thực hiện bằng các cọc thép, thanh thép dẹt hình chữ nhật hay hình thép góc dài (2 ÷ 3) m đóng sâu xuống đất sao cho đầu trên của nó cách mặt đất từ (0,5 ÷ 0,8) m.

Các thanh thép dẹt chiều dài không nhỏ hơn 4 m và tiết diện không nhỏ hơn 48mm2 cho các thiết bị có điện áp đến 1000 V và khơng nhỏ hơn 100 mm2 với trang thiết bị có điện áp lớn hơn 1000 V.

Đặc điểm các trang thiết bị kiểu cũ và kiểu mới được biểu diễn trong bảng 3-1.

2.1.2.3. Các kiểu nối đất

Tùy theo cách bố trí các điện cực nối đất mà phân biệt nối đất tập trung hay nối đất mạch vòng.

*, Nối đất tập trung: thường dùng nhiều cọc đóng xuống đất và nối với nhau bằng các thanh ngang hay cáp đồng trần. Khoảng cách giữa các cọc thường bằng hai lần chiều dài cọc để loại trừ hiệu ứng màn chẹ Trong trường hợp khó khăn về mặt bằng thi cơng thì khoảng cách này khơng nên nhỏ hơn chiều dài cọc. Nối đất tập trung thường dùng nơi đất ẩm, điện trở suất thấp, ở xa cơng trình. (hình 3-2).

Bảng 3-1. Đặc điểm của trang thiết bị nối đất kiểu cũ và kiểu mới

Thiết bị kiểu cũ Thiết bị kiểu mới

- Ông kim loại Ø = 35÷50 mm d = 3÷5 mm, l = 2÷3 m - Thanh thép dẹt 4mm ≤ d 48 mm2 ≤ S - Cáp đồng 25 mm2 ≤ S - Cọc đồng lõi thép Ø =13÷50 mm, d = 1,4; 2,4 và 3 m - Cọc mạ lõi thép Ø =13÷50 mm, d = 1; 1,5 và 3 m - Băng đồng 50 mm x 0,5 mm - Cáp đồng trần 25 mm2 ≤ S - Lưới đồng trần - Bản đồng trần. - Liên kết giữa cọc và cáp + Kẹp kim loại + Hàn điện + Hàn gió đá - Liên kết giữa cọc và cáp + Ốc xiết cáp +Hàn hóa nhiệt

67 - Cải tạo đất

+ Than + Muối

- Cải tạo đất

+Hóa chất giảm điện trở đất: khơng ăn mịn điện cực, không bị phân hủy theo thời gian, ổn định điện trở đất

- Bảng đồng nối đất - Hộp kiểm tra nối đất

* Nối đất mạch vòng: các điện cực nối đất được đặt theo chu vi cơng trình cần bảo vệ (cách mép ngồi từ 1÷1,5)m khi phạm vi cơng trình rộng. Nối đất mạch vịng cịn đặt ngay trong khu vực cơng trình. Nối đất mạch vịng nên dùng ở các trang thiết bị có điện áp trên 1000 V, dịng điện chạm đất lớn.

Về vấn đề thi công hệ thống nối đất cần chú ý đến các điểm sau:

* Các cọc nối đất (thanh nối đất) bằng sắt hay thép trước khi đặt xuống đất đều phải đánh sạch gỉ, khơng sơn. Ở nơi có khả năng ăn mịn kim loại, phải dùng sắt tráng kẽm hay cọc thép bọc đồng.

* Đường dây nối đất chính đặt ở ngồi nhà phải chơn sâu 0,5 ÷ 0,6 m, ở trong nhà đặt trong rãnh hoặc đặt nối theo tường, sao việc kiểm tra trang thiết bị được thuận tiện.

* Dây nối đất chính được nối vào bảng đồng nối đất, các trang thiết bị điện được nối với bảng đồng nối đất bằng một đường dây nhánh. Cám mắc nối tiếp các trang thiết bị điện vào dây nối đất chính.

Hình 3-2. Nối đất tập trung đặt xa cơng trình 1. Hệ thống cọc nối đất 2. Cáp liên kết chính 3. Cáp nối vỏ máy 4. Thiết bị Hình 3-3. Nối đất mạch vòng 1. Hệ thống cọc nối đất 2. Cáp liên kết chính 3. Cáp nối vỏ máy 4. Thiết bị

68

2.1.3. Tính tốn tiếp đất

Việc tổ chức tiếp đất cho thiết bị được thực hiện bằng trạm tiếp đất trung tâm và các tiếp đất cục bộ, dây nối giữa tiếp xúc trung tâm với tiếp xúc cục bộ.

Trạm tiếp đất trung tâm được đặt ở nơi có khả năng tiếp đất tốt, nhất là những nơi có nước chảy qua và thuận lợi cho việc nối các tiếp đất cục bộ vàọ Trạm tiếp đất trung tâm cần có hai hệ thống để dự phịng cho nhau trong thời gian sửa chữạ

Tiếp đất cục bộ có thể dạng tấm, thép thanh hoặc thép ống chôn sâu trong đất. Để có điện trở tiếp đất đủ nhỏ cần phải sử dụng cọc tiếp đất có bề mặt diện tích tiếp xúc với đất đủ lớn và dây nối vỏ với cọc thiết bị có tiết diện đủ lớn. Cọc tiếp đất cần chơn ở chỗ đất đá có độ ẩm caọ Ở những nơi khơ cần dùng cọc tiếp đất có chiều dài 1,5 m chơn sâu trong đất 1,4 m, đường kính ống tối thiểu 30 mm. Những nơi ẩm ướt có thể dùng các tấm tiếp đất có diện tích lớn hơn 0,6 mm2. Dây nối cọc tiếp đất cục bộ với mạng tiếp đất chung có tiết diện 50 mm2. Để giảm điện trở tiếp đất chúng ta nối các cọc tiếp đất cục bộ với nhau và với mạng tiếp đất chung.

Để tính tốn tiếp đất chúng ta sử dụng cơng thức tính tốn điện trở tiếp đất của các vật tiếp đất thường dùng thể hiện trong bảng 3-2.

Đối với xí nghiệp tuyển khống, điện trở tiếp đất cho phép khi thực hiện mạng tiếp đất chung cho cả mạng cao áp và hạ áp không vượt quá 4 Ω; điện áp tiếp xúc cho phép [Utx] = 40 V. Vịng tiếp đất trung tâm có thể bố trí ngay ở cạnh trạm biến áp phân phối của xí nghiệp. Với những phân xưởng riêng lẻ bố trí cạnh trạm biến áp phân phối phân xưởng.

Bảng 3-2

TT Dạng tiếp đất Hình dạng Cơng thức tính tốn Điều kiẹn ứng dụng 1 Cọc hoặc ống chôn sâu bằng mặt đất I >> d, nếu dùng thép góc có bản b thì d=0,95b 2 Cọc hoặc ống

chôn sâu trong

đất ( sai số 0-10%) I >> d; t0≥0,5m, nếu thép góc bản b thì d=0,95b 3 Thanh dẹt hoặc trịn chơn sâu I >> 4h nếu thanh trịn có l d d l t0 t h b l

69 trong đất đường kính d thì b=2d 4 Tấm đặt nghiêng trong đất hoặc nước

Ví dụ: Tính tốn mạng tiếp đất chung cho cả mạng trung áp 6 kV và mạng hạ áp

có vịng tiếp đất trung tâm bố trí cạnh trạm biến áp phân phối của phân xưởng tuyển khống có các số liệu ban đầu như: Tổng chiều dài dây dẫn trên không 6 kV: Ltk = 2,5 km, chiều dài cáp Lcap = 500 m. Khoảng cách từ trạm biến áp phân phối đến thiết bị hạ áp 0,4 kV xa nhất L0,4 = 900 m trong đó đường dây trên khơng AC-50 dài 700 m, cáp hạ áp ГРШС 3x 35 + 1x10 dài 200 m.

Tính tốn thiết kế:

Dịng chạm đất một pha trong mạng 6 kV được xác định theo công thức thực nghiệm (2-21):

Điện trở cho phép của mạng tiếp đất để đảm bảo điều kiện an toàn đối với mạng cao áp:

Ω

Điện trở cho phép của mạng tiếp đất để đảm bảo điều kiện [Rz] ≤ 4 Ω dùng chung cho cả cao và trung áp :

Ω

Trong đó điện trở Rd(0,4) gồm điện trở dây nối tiếp đất đoạn dây trên không dài

0,7 km lây bằng dây AC-50 bằng ; Điện trở dây cáp

0,4 kV dài 200 m bằng 0,37 Ω.

Vòng tiếp đất trung tâm gồm các cọc tiếp đất bằng ống thép có đường kính d = 5,8 cm, dài l = 300 cm, khoảng cách giữa các cọc a = 600 cm; Dây nối giữ các cọc có đường kính d = 1cm; Ống và thanh nối chôn sâu trong đất h = 50 cm; Điện trở suất của đất ρ = 0,6. 104 Ω.cm. Điện trở tản của một cọc:

Ω

Số cọc cần thiết khi kể đến hệ số sử dụng của cọc:

70

cọc với ηc =0,68 được tra theo bảng. Chiều dàidây nối: l = 1,05 .ạn = 1,05 . 600 . 15 = 9.500 cm Điện trở của day nối khi không kể đến điện trở của màn chắn:

Ω (với b = 2d) Điện trở tiếp đất đo gần trạm trung tâm:

Ω với ηn = 0,34 – hệ số sử dụng của dây nối

Điện trở của mạng tiếp đất đến thiết bị 0,4 kV xa nhất là:

Ω

2.2. Hệ thống chống sét

2.2.1. Khái niệm cơ bản

Sét (hay cịn gọi là sự phóng điện dơng) là một nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất xảy ra trong tự nhiên. Nguyên nhân làm xuất hiện sét là do sự hình thành các điện tích khối lớn.

Nguồn sét chính là các đám mây mưa dơng mang điện tích dương và âm ở các phần trên và dưới của đám mâỵ Chúng tạo ra xung quanh đám mây này một điện trường có cường độ lớn.Trong q trình tích lũy các điện tích trái dấu, một điện trường có cường độ ln được gia tăng hình thành xung quanh đám mâỵ Khi điện thế ở một điểm bất kỳ của đám mây đạt giá trị tới hạn vượt q ngưỡng cách điện của khơng khí (với áp lực khí quyển bình thường khoảng 3.106 V/m), ở đó xảy ra sự đánh xuyên hay còn gọi là sét tiên đạọTheo ước tính trong mỗi giây đồng hồ có khoảng một trăm sét đánh xuống mặt đất. Sét gây ra các tai nạn cho con người, phá hoại các cơng trình xây dựng, năng lượng điện, hàng không, thiết bị điện tử, các đài, trạm quan sát tự động, các hệ thống thông tin liên lạc, trạm viễn thông,.v.v.

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của kỹ thuật hiện đại thì sự phá hoại của sét ngày càng tăng. Theo báo cáo và khảo sát thống kê các hư hỏng do sét gây ra đối với các cơng trình viễn thơng là cực kỳ nghiêm trọng : làm chết và bị thương hàng trăm người, phá hỏng hàng chục máy biến áp (trong đó có trên 11 trạm biến áp có cơng suất từ 100kA đến 180kA), gây hư hỏng nghiêm trọng cho hệ thống chuyển mạch và truyền dẫn của tổng cơng ty Bưu chính viễn thơng Việt Nam Tháng 5/2000 sét đánh vào đường dây cung cấp trung thế AC gây hỏng thiết bị chống sét phần hạ áp của trạm biến thế, dòng sét cảm ứng vào cáp điện thoại, cáp trung kế từ chuyển mạch sang truyền dẫn gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho các card nguồn, card trung kế, và card thuê bao hệ thống tổng đài NEAX 61S tại trạm HOST Phủ Lý Hà

71

Nam. Vào cuối tháng 10/2000 sét đánh gây hỏng 5 Card Modem trạm VMS2 thiệt hại ước tính 3000Dolas.v.v.

a, Sự hình thành sét và các đặc trưng cơ bản

Nguyên nhân làm xuất hiện sét là do sự hình thành các điện tích khối lớn. Nguồn sét chính là các đám mây mưa dơng mang điện tích dương và âm ở các phần trên và dưới của đám mây, chúng tạo ra xung quanh đám mây này một điện trường có cường độ lớn.

Hình 3-4. Q trình hình thành sét

Sự hình thành các điện tích khối với các cực tính khác nhau trong đám mây (hay cịn gọi là sự phân cực của đám mây) có liên quan đến sự ngưng tụ do làm lạnh hơi nước của luồng khơng khí nóng đi lên, tạo ra các ion dương và âm (các trung tâm ngưng tụ) và liên quan đến cả sự phân chia các giọt nước mang điện trong đám mây dưới tác dụng mạnh của luồng khơng khí nóng đi lên.

Trong q trình tích luỹ các điện tích có phân cực khác nhau, một điện trường với cường độ ln được gia tăng hình thành xung quanh đám mâỵ Khi Gradient điện thế ở một điểm bất kỳ của đám mây đạt giá trị tới hạn về tính chất cách điện của khơng khí (với áp lực khí quyển bình thường, khoảng 3.106 V/m) ở đó xảy ra sự đánh xuyên hay sét tiên đạọ

Sét gây ra các tác hại tĩnh điện, điện từ, nhiệt, động lực đến các đối tượng xung quanh như thiết bị kỹ thuật điện, đường dây thơng tin, tín hiệu, truyền số liệu, đường dây điện lực, các phương tiện thông tin, vô tuyến điện tử và thường gây ra các thiệt hại lớn.

Phân loại sét

Theo dấu hiệu phía ngồi sét được phân ra thành một số loạị Loại phổ biến nhất là sét vạch với các dạng khác nhau như : sét dải, sét dạng tên lửa, sét dạng chữ chi

và dạng nhánh, loại hiếm thấy nhất là sét cầụ

Sét vạch thường gặp nhất trong thiên nhiên và cũng chính là nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất.

72

Sét vạch gồm có các loại như sau:

- Sét vạch “Đám mây - Lớp khí quyển phía trên”; - Sét vạch “Đám mây - Đất”;

- Sét vạch “Đám mây - Đám mây”;

- Sét vạch bên trong đám mây (Đám mây);

Trong các dạng sét vạch thì sét vạch “Đám mây - Đất” thường hay gặp nhất.

Các đặc điểm cơ bản của sét:

-Trị số điện tích mang. -Dịng điện trong kênh sét. -Số sét lặp lại trong một kênh sét. -Cường độ hoạt động của dông sét.

b, Phân loại hệ thốngchống sét

- Hệ thống chống sét trực tiếp - Hệ thống chống setd gián tiếp.

2.2.2. Thiết bị hệ thống chống sét

a, Chống sét đánh thẳng.

Cấu hình của loại này gồm có 3 phần:

- Các đầu kim thụ sét:

Thường làm bằng thép mạ đồng, đồng thau đúc bằng inox. Lựa chọn chiều dài của kim còn phụ thuộc vào cấu trúc của cơng trình cần được bảo vệ.

- Dây dẫn sét:

Dùng dẫn dòng sét từ các đầu kim thu đến hệ thống tiếp đất. Thường làm bằng đồng lá hoặc cáp đồng trần, tiết diện của dây dẫn được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế ( NFC 17 102 của Pháp ) từ50mm2 đến 75mm2.

- Hệ thống tiếp đất:

Dùng để tản dịng điện sét trong đất. Cấu hình của hệ thống tiếp đất này gồm:

- Các cọc tiếp đất: thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét. Đường kính ngồi thường là 14-16mm. Được chơn thẳng đứng và cách mặt đất từ 0.5 đến 1 mét. Khoảng cách cọc với cọc từ 3 đến 15 mét.

Dây tiếp đất: thường là cáp đồng trần có tiết diện từ50 đến 75mm2 dùng để liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhaụ Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0,5 đến 1 mét.

- Ốc siết cáp hoặc mối hàn hoá nhiệt CADWELD: dùng để liên kết và các cọc tiếp đất với nhaụ

* Chống sét đánh thẳng bằng công nghệ tiêu tán đám mây điện tích khơng cho hình thành tia tiên đạo sét (dissipation array system).

73

Công nghệ này hiện nay ở Viêt Nam rất ít sử dụng vì giá thành cao,chỉ được ứng dụng vào một số cơng trình cần thiết.

Các hãng sản xuất như: LEC – USA, LIGHTING PREVECTION SYSTEM _ USẠ

Cấu hình của loại này gồm có 3 phần:

- Các đầu phát ion dương: Thường làm bằng thép mạđồng hoặc bằng inox. Các đầu phát ion dương có dạng quả cầu nhiều gaị Dạng cái dù nhiều gai, hoặc dạng cánh dơi nhiều gai

- Dây dẫn sét: Dùng để dẫn dòng ion dương từ mặt đất đi lên các thiết bị phát ion dương. Thường làm bằng cáp đồng trần, tiết diện của dây dẫn được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế ( nfc 17 102 của Pháp ) từ50mm2 đến 75mm2.

- Hệ thống tiếp đất: Dùng để tản dịng điện sét trong đất. Cấu hình của hệ thống tiếp đất này gồm:

+ Các cọc tiếp đất: thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét. Đường kính ngồi thường 14–16mm. Được chơn thẳng đứng và cách mặt đất từ0,5 đến 1 mét. Yêu cầu dây cáp