Chương 3 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN IEEE Std. 80-2013
3.4. Các bước tính toán thiết kế lưới nối đất
Bước 1: Xác định diện tích triển khai lưới nối đất và điện trở suất của đất
Xác định vị trí, hình dạng của lưới nối đất qua đó tính diện tích lưới nối đất của
trạm biến áp. Nếu lưới nối đất là hình chữ nhật với a là chiều dài, b là chiều rộng thì diện tích lưới nối đất A được xác định theo biểu thức (3.4):
A=a.b (m2).
Xác định điện trở suất của đất tại vị trí triển khai hệ thống nối đất bằng cách
đo bằng máy đo chuyên dụng với phương pháp 4 cọc và lấy giá trị trung bình của các lần đo.
Bước 2: Xác định kích cỡ dây nối đất
Dòng chạm đất 3 pha đối xứng:
If = 3I0 Khi xuất hiện sự cố một pha chạm đất, dòng điện chạm đất thứ tự không xác định theo biểu thức (3.6):
3I0 = | 3. | (3.6)
(( 3 )+( 1+ 2+ 0)+ . ( 1+ 2+ 0))
Ở đây: Vln là điện áp pha phía sơ cấp MBA; Rf là điện trở ước lượng khi sự cố, thông thường giả định bằng không; R1, R2, R0 lần lượt là điện trở tương đương thứ tự thuận, nghịch và không của hệ thống; X1, X2, X0 lần lượt là điện kháng tương đương thứ tự thuận, nghịch và không của hệ thống.
Lưu ý, để tính chính xác giá trị trở kháng sự cố, cần xác định sự cố ngắn mạch xảy ra tại thanh cái nào của máy biến áp .
Tỷ số
Tiết diện dây nối đất được xác định theo biểu thức (3.8):
= . .√
(3.7)
(3.8)
Ở đây: Akcmil là tiết điện dây nối đất (kcmil); If là giá trị hiệu dụng dòng chạm đất (kA); tc là thời gian xảy ra chạm đất (s); Kf là hằng số vật liệu tra ở Bảng 3.2.
Bảng 3.2: Đặc tính vật liệu của dây nối đất.
Vật liệu
Đồng mềm
Đồng
Đồng
Thép mạ đồng
Dây thép mạ đồng
Cọc thép mạ đồng
Thép mạ nhôm
Thép 1020
Cọc thép không rỉ
Cọc thép mạ kẽm
Thép 304
Ngoài ra, có thể tính tiết diện dây nối đất theo biểu thức (3.9), với các đặc tính của vật liệu tra ở Bảng 3.3.
Akcmil = If .
(3.9)
Ởđây: tc là khoảng thời gian tồn tại sự cố (s); Tm là nhiệt độ lớn nhất cho phép của
dây nối đất (0C); Ta là nhiệt độ môi trường (0C); Tr là hằng số nhiệt độ của vật liệu, α 0
là hằng số nhiệt độ ở 0 0C, α r là hệ số nhiệt của điện trở suất ở nhiệt độ Tr (0C), ρr là điện trở suất của dây nối đất ở nhiệt độ Tr (0C); TCAP là nhiệt dung (J/cm3.0c).
K0 = (1/ α r ) - Tr
Sau đó, quy đổi tiết diện dây dẫn từ Akcmil sang Amm theo biểu
Amm = Kqđ . Akcmil
Ở đây: Kqđ là hệ số quy đổi tra ở Bảng 3.4.
Bảng 3.3: Hệ số vật liệu của dây nối đất.
Kim loại
Đồng
Đồng
Dây thép mạ đồng
Dây thép mạ đồng
Thép thanh mạ đồng
Dây thép mạ nhôm
Thép thanh không gỉ
Thép thanh tráng kẽm
Bảng 3.4: Hệ số quy đổi của dây nối đất.
Từ dạng
Hình tròn (mils)
Hình tròn (mils)
Hình tròn (mils)
Hình vuông (cm)
Hình vuông (feet)
Hình vuông (inches)
Hình vuông (inches)
Hình vuông (inches)
Hình vuông (inches)
Hình vuông (m)
Hình vuông (mm)
Hình vuông (mm)
Hình vuông (mils)
Hình vuông (mils)
Bước 3: Xác định điện áp tiếp xúc và điện áp bước
Với lớp đá dăm bề mặt có bề dày hs và điện trở suất là ρs, hệ số giảm tải lớp bề mặt được xác định theo biểu thức (3.12):
0,09 . (1− )
Cs = 1 - (3.12)
2ℎ +0.09
Ở đây: hs là bề dày lớp đá dăm trải bề mặt (m); ρs là điện trở suất của lớp đá dăm (Ω.m); ρ là điện trở suất của đất (Ω.m).
Ngoài ra, hệ số Cs cũng được xác định bằng cách tra đồ thị quan hệ Cs – k (Hình 3.2).
Hệ số phản xạ K:
K =
ρ − ρs
ρ + ρs
K có thể mang giá trị âm do điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt lớn hơn điện trở suất của đất. Trong trường hợp này chỉ 1 phần dòng điện chạm đất đi vào lớp bề mặt; ngược lại dòng điện đi vào lớp bề mặt lớn hơn nếu K có giá trị dương.
Hình 3.2. Đồ thị quan hệ Cs - k
Sự an toàn của người phụ thuộc vào việc ngăn chặn bị điện giật trước khi sự cố bị loại trừ hoàn toàn ra khỏi hệ thống.
Điện áp bước và điện áp tiếp xúc lớn nhất khi sự cố không được vượt quá điện áp
bước giới hạn (Estep) và điện áp tiếp xúc giới hạn (Etouch):
Xác đinh điện áp bước giới hạn:
+ Đối với người nặng 50 kg, điện áp bước xác định theo biểu thức (3.14):
Estep50 = (1000 + 6 . Cs . ρs) . + Đối với người nặng 70 kg, điện áp bước xác định theo biểu thức (3.15):
Estep70 = (1000 + 6 . Cs . ρs) .
Xác định điện áp tiếp xúc giới hạn:
+ Đối với người nặng 50 kg:
Etouch50 + Đối với người nặng 70 kg:
Etouch70
Bước 4: Thiết kế ban đầu
Ở bước này, các giá trị ban đầu tùy thuộc dạng lưới nối đất:
Khoảng cách giữa các thanh nối đất D (m);
Số thanh theo chiều dọc và ngang của lưới;
Tổng chiều dài của thanh dẫn nối đất Lc (m);
Tổng chiều dài của cọc tiếp đất LR (m);
Tổng chiều dài của hệ thống thanh dẫn và cọc tiếp đất LT (m);
Chu vi của lưới nối đất LP (m);
Độ chôn sâu của lưới h (m).
Bước 5: Xác định điện trở của hệ thống nối đất
Điện trở của lưới nối đất đơn giản được xác định theo biểu thức (3.18):
R
Ởđây: Rg là điện trở của hệ thống nối đất (Ω); h
là
ρ là điện trở suất của đất (Ω.m); A là diện tích
của lưới
độ chôn của lưới nối đất (m); nối đất (m2).
PGS.TS.Quyền Huy Ánh
Bước 6: Xác định dòng điện lưới cực đại
Hệ số phân dòng sự cố Sf :
Sf =
0
Dòng điện lưới cực đại IG :
IG = Df . Ig Từ biểu thức (3.19 và 3.30), suy ra:
IG = Df . Sf . 3 . I0
Ở đây: IG là dòng tản vào đất lớn nhất (A); I0 là dòng điện chạm đất thứ tự không
(A); Df là hệ số suy giảm, tra ở Bảng 3.5; Sf là hệ số phân dòng sự cố; Ig là dòng tản
vào đất (A).
Bảng 3.5: Hệ số suy giảm Df.
Thời gian sự cố, tf
Giây Chu kỳ với 60 Hz
0.008 33 005 0.10 0.20 0.30 040 0.50 0.75
1 00
Bước 7: Xác định độ tăng điện thế đất GPR
Độ tăng điện thế đất GPR được xác định theo biểu thức (3.22):
GPR = IG . Rg Ởđây:
Nếu giá trị GPR tìm được nhỏ hơn điện áp tiếp xúc giới hạn thì đi thực
hiện bước 12 là thiết kế chi tiết cho hệ thống nối đất.
Nếu giá trị GPR lớn hơn điện áp tiếp xúc giới hạn thì thực hiện tiếp
bước 8.
Bước 8: Xác định điện áp lưới và điện áp bước
Xác định hệ số khoảng cách cho điện áp lưới (Km) được xác định theo biểu thức (3.23):
Km=
1
. [ln [
2
Đối với lưới nối đất có cọc tiếp địa dọc theo chu vi hoặc lưới với các cọc ở các góc lưới cũng như trên toàn khu vực lưới thì: Kii = 1
Đối với lưới không có cọc tiếp đất hoặc với lưới chỉ có vài cọc tiếp đất không nằm
ở các góc lưới hoặc trên cạnh chu vi lưới thì:
Kii =
(2 . )
Ở đây:
K (3.25)
n = na . nb . nc . nd
Với: na =2 .
nb = 1 nếu lưới là hình vuông
nc = 1 nếu lưới là hình vuông và hình chữ nhật
nd = 1 nếu lưới là hình vuông và hình chữ nhật hoặc hình chữ L
Nếu không thì:
(3.26) (3.27)
nb = √4. √
0,7 .
nc = ( . )( . )
nd =
√ 2 + 2
(3.28)
(3.29) (3.30)
Ởđây: D là khoảng cách giữa các dây nối đất (m); LC là tổng chiều dài của dây nối
đất (m); Lx là chiều dài tối đa của lưới nối đất theo chiều dài (m); Ly là chiều dài tối đa
của lưới nối đất theo chiều rộng (m); LT là tổng chiều dài của hệ thống thanh và cọc tiếp đất (m); Dm là khoảng cách tối đa giữa hai điểm bất kỳ trên lưới (m); dt, dc là đường kính thanh và đường kính cọc nối đất (m); h0 = 1 là độ sâu lưới nối đất chuẩn (m).
Hệ số Ki được tính theo biểu thức (3.31):
Ki = 0,644 + 0,148 . n (3.31) Đối với lưới không có cọc tiếp đất thì điện áp lưới Em được tính theo biểu thức
(3.32):
Em =
Đối với lưới có cọc tiếp đất thì điện áp lưới Em lúc này sẽ được tính theo biểu thức (3.33):
Em =
+ [1,55+1,22 . (
Hệ số khoảng cách cho điện áp bước (Ks) được xác định theo biểu thức (3.34):
Ks =1 [2 .1
ℎ + +1
ℎ +1 (1 − 0,5 −2) ] (3.34)
Điện áp bước Es được xác định theo biểu thức (3.35):
Es =
. . .
0,75 . + 0,85.
Bước 9: So sánh điện áp lưới Em và điện áp tiếp xúc cho phép Etouch
Nếu điện áp lưới Em ≤ Etouch thì tiếp tục thực hiện Bước 10;
Nếu như điện áp lưới Em > Etouch thì thực hiện Bước 11 để thay đổi thiết
kế ban đầu.
Bước 10: So sánh Es và điện áp bước cho phép Estep
Nếu điện áp bước Es ≤ Estep thì thực hiện Bước 12 là bước thiết kế chi tiết;
Nếu điện áp bước Es > Estep thì thực hiện Bước 11 để thay đổi thiết kế ban đầu.
Bước 11: Thay đổi thiết kế ban đầu
Nếu một trong hai bước: Bước 9 và Bước 10 không thỏa thì cần thay đổi thiết kế
ban đầu. Cụ thể, có thể thay đổi khoảng cách giữa các thanh dẫn nối đất (D), số cọc có trong lưới (N), chiều dài mỗi cọc (Lr), chiều dài thanh dẫn nối đất để từ đó tăng giá trị tổng chiều dài thanh dẫn nối đất (LC), tổng chiều dài cọc nối đất (LR), diện tích lưới… với mục đích là giảm giá trị Em và Es tính được.
Bước 12: Thiết kế chi tiết cho lưới
Nếu các bước trên đã tính toán và thỏa mãn thì thiết kế chi tiết cho lưới nối đất.