Nối đất chống sét

CHƯƠNG 3. CÁC GIẢI PHÁP NHẰM GIẢM SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY

3.2. Giải pháp giảm điện trở nối đất

3.2.8. Nối đất chống sét

- Nối đất xung kích của cột điện:

+ HTNĐ cột điện có thể phân thành làm 2 dạng là: nối đất tập trung và nối đất phân bố dài.

Nối đất tập trung có thể được miêu tả bằng các phần tử mạch tập trung, được áp dụng khi điện cực nối đất ngắn.

Nối đất phân bố dài là hệ thống mà ở đó thời gian truyền của trường điện từ dọc theo điện cực nối đất có thể so sánh với thời gian truyền dọc chính cột điện đó, thường áp dụng với HTNĐ có kích thước điện cực lớn hơn vài chục m hoặc nối đất dạng lưới.

+ Điện trở nối đất cột điện là một hàm của dòng điện sét đi qua chân cột đến đất.

ĐTNĐ xung kích thay đổi theo thời gian và điều lưu ý là giá trị nhỏ hơn điện trở ở tần số điện áp làm việc.

- Đặc điểm của NĐCS:

NĐCS là loại nối đất ở các cột thu lôi và các cột điện đường dây. Khi sét đánh vào ĐD dòng điện sét sẽ được tản vào trong đất qua bộ phận nối đất này, vì vậy để tránh không xảy ra hiện tượng phóng điện ngược từ các phần xà, thân cột (được kết nối) tới dây dẫn các pha thì ĐTNĐ phải đủ bé.

Tính toán về ĐTNĐ khi tản dòng điện sét có những đặc điểm khác hẳn so với khi tính toán ĐTNĐ an toàn, trong trường hợp này dòng điện tản trong đất chẳng những có mật độ bé mà còn biến thiên rất chậm theo thời gian. Khi tản dòng điện sét các hiện tượng vật lý sau đây đã xảy ra:

+ Ảnh hưởng của điện cảm của điện cực nối đất:

Dòng điện sét có dạng xung biến thiên đặc biệt nhanh trong giai đoạn đầu sóng.

Trong tính toán dạng xung (1) được thay thế bởi dạng xiên góc (2) với phương trình biểu thị dòng điện:







 

đs đs

đs

is





 t khi a

t khi at

Do I có thể lớn tới hàng trăm kA còn ds không quá chục s nên trong giai đoạn đầu sóng tốc độ biến thiên của dòng điện theo thời gian (độ dốc dòng điện sét a) có thể đạt tới hàng tỷ A/s khi cho phần điện áp giáng trên điện cảm của điện cực nối đất có trị số lớn không thể bỏ qua được. Điều đó đã hạn chế sự lan truyền của dòng điện dọc

DUT.LRCC

theo chiều dài điện cực nối đất và dòng điện đó làm giảm sút hiệu quả của nối đất. Nối đất trong trường hợp này sẽ không được thể hiện như một thuần trở (R) mà sẽ là một tổng trở (Z).

Tính toán NĐCS khi đồng thời xét cả hai đặc điểm nêu trên sẽ rất phức tạp nên trong thời hạn có thể chấp nhận được đã phân thành hai loại:

.) Khi kích thước điện cực nối đất thu gọn (như cọc, tia ngắn) thì có thể bỏ qua không xét ảnh hưởng của điện cảm và do đó khi tính toán chỉ xét đến quá trình phóng điện trong đất.

.) Khi điện cực nối đất có kích thước lớn (tia dài từ mấy chục mét trở lên), điện cảm của điện cực có ảnh hưởng lớn phân bố áp và dòng điện dọc theo chiều dài điện cực.

Cũng do điện cực có diện tích tiếp xúc với môi trường đất lớn nên mật độ dòng điện j bé và do đó có thể bỏ qua không xét quá trình phóng điện trong đất. Trên thực tế, mật độ dòng điện j có trị số lớn ở đoạn đầu vào của nối đất nhưng sau đó giảm rất nhanh và trên phần lớn chiều dài điện cực hoàn toàn có thể bỏ qua không xét quá trình phóng điện trong đất.

+ Hiện tượng phóng điện trong đất:

Do đất là môi trường dẫn với ĐTS  nên cường độ điện trường trong đất được

xác định theo: E = j (3.16)

Với j là mật độ dòng điện tản trong đất (ứng với đơn vị diện tích mặt tiếp xúc giữa điện cực với môi trường đất). Khi điện trường này vượt qua ngưỡng Eo = 6  12 kV/cm thì sẽ có quá trình phóng điện trong đất để hình thành một khu vực tia lửa điện bao quanh điện cực nối đất. Trong tính toán gần đúng khu vực này được xem như dẫn điện lý tưởng ( = 0). Sự hình thành khu vực tia lửa điện đã làm tăng đáng kể kích thước của điện cực nối đất và do đó làm giảm đáng kể trị số ĐTNĐ, điện trở này được gọi là ĐTNĐ xung kích (Rxk).

- Điện trở tản xung của dạng nối đất tập trung:

Nối đất tập trung có thể được miêu tả bằng các phần tử mạch tập trung, được áp dụng khi điện cực nối đất ngắn.

Đất được xem như điện trở thuần tuý ở tần số làm việc. Khi có dòng điện đi vào đất, sẽ tạo nên cường độ điện trường E = j, với j là mật độ dòng điện (ứng với mặt tiếp xúc giữa điện cực với môi trường đất) và  là ĐTS của đất. Với dòng điện xoay chiều ở tần số làm việc, do mật độ dòng điện bé nên cường độ điện trường trong đất chưa đạt tới mức có thể gây phóng điện trong đất. Tuy nhiên, với dòng điện xung sét đi vào đất, do mật độ dòng điện tản trong đất rất lớn, nên điện trường tăng cao và vượt

DUT.LRCC

giá trị ngưỡng E0=612kV/cm, sẽ làm ion hoá đất và dẫn đến quá trình phóng điện trong đất, điều này tương đương với việc tăng kích thước điện cực và tăng điện dẫn của đất, khiến cho điện trở tản xung kích nhỏ hơn điện trở tản xoay chiều.

Khu vực phóng điện tia lửa xung quanh điện cực được giới hạn bề mặt có cường độ trường bằng cường độ trường phóng điện trong đất (E=Epđ(đ)). Như vậy kích thước điện cực có thể thay thế bằng kích thước của khu vực phóng điện tia lửa ứng với khi dòng điện xung có trị số bằng biên độ chạy qua trong thời gian bằng thời gian đầu sóng đs. Và để tính toán điện trở xung của một điện cực nào đó thì dùng công thức tính điện trở tản ở tần số công nghiệp của nó, chỉ cần thay kích thước thật của điện cực bằng kích thước biểu kiến của nó (tức là kích thước của khu vực có phóng điện tia lửa).

Nếu đất không đồng nhất thì trong tính toán với độ chính xác chấp nhận được thay  bằng đt (ĐTS đẳng trị) xác định được trong chế độ ổn định

Khi điện cực là cọc chôn thẳng có chiều dài l, đường kính d: Khu vực phóng điện tia lửa có dạng hình trụ với bán kính biểu kiến rbk, cường độ trường ở bề mặt giới hạn.

d l I

E l R

R

I E l l r

l R l

lE r I

l r E I

E

đt s

đ pđ

x x

đt s

đ đt pđ

bk đt x

đ pđ đt s đt bk

bk s đ

pđ

ln4 ln4

ln4 . 2 ln 2

. . 2

. 2 .

2

) ( 2

) ( 2

) ( )

(





















 



















Cách tính điện trở tản xung của một điện cực thanh chôn ngang chiều dài không lớn và hệ số xung của nó cũng tiến hành tương tự. Từ biểu thức xác định x của nối đất tập trung, có thể rút ra các nhận xét sau:

+ Hệ số xung phụ thuộc vào tích Is., có nghĩa là biên độ của dòng điện sét Is

càng lớn, ĐTS của đất càng cao thì x càng giảm và điện trở xung Rx càng bé.

+ Khi chiều dài của điện cực tăng thì x tăng (do ảnh hưởng của điện cảm của điện cực) nhưng trong mọi trường hợp x<1 [8].

- Xác định điện trở tản xung của một tổ hợp nối đất tập trung:

Trường hợp hình thức nối đất hỗn hợp (thường là cọc liên kết với thanh) thì việc tính toán điện trở tản xung kích của hệ thống được tiến hành theo các bước sau:

(i) Tính toán điện trở tản xoay chiều của từng bộ phận nối đất riêng lẻ.

(ii) Xác định sự phân bổ dòng điện sét cho từng loại điện cực, gần đúng theo tỷ lệ Từ đó:

Và hệ xung bằng (3.17)

DUT.LRCC

nghịch với trị số điện trở tản tần số xoay chiều của chúng.

(iii) Điện trở tản của hệ thống được xác định theo công thức:

Rxkht = . 1 . . 1

xkc xkt

xkc xkt

xkc xk xkc xkt xk

xkt

R R

R R n

R R nR

n R

   



Trong đó: Rxkc: điện trở xung kích của một cọc; Rxkt: điện trở xung kích của một thanh nối; n: số cọc; xk: hệ số sử dụng xung kích của nối đất.

- HTNĐ phân bố dài:

HTNĐ phân bố dài được định nghĩa là hệ thống mà ở đó thời gian truyền của trường điện từ dọc theo điện cực nối đất có thể so sánh với thời gian truyền dọc chính cột điện đó, thường được áp dụng với HTNĐ có kích thước điện cực lớn hơn 40m hoặc nối đất dạng lưới.

Hình 3.5: Sơ đồ thay thế hệ thống nối đất phân phối dài

HTNĐ được thay thế bằng điện trở r và điện cảm L của bản thân điện cực, điện trở tản rđ của điện cực với đất và điện dung C của điện cực đối với điểm có điện thế bằng không.

Trong thực tế tính toán có thể bỏ qua điện trở tác dụng r vì r<<rđ và không xét đến phần điện dung C, vì ngay cả với sóng xung kích thì dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện tản qua rđ, nên sơ đồ thay thế sẽ thu gọn như hình (3.5).

Ta chia làm hai trường hợp để nghiên cứu sau đây:

+ Khi không xét đến quá trình phóng điện trong đất:

Gọi L0 là điện cảm trên đơn vị chiều dài của điện cực nối đất:

L0 = 0,2. ln(

0

l

r -0,31) (H/m) (3.19) (3.18)

DUT.LRCC

Với l, r0 lần lượt là bán kính và chiều dài của điện cực.

Gọi G0 là điện dẫn nối đất ứng với đơn vị dài của điện cực nối đất:

G0 = 1

ln l Rl

hd





 (1/m)

Với R là ĐTNĐ ổn định của điện cực, d là đường kính điện cực và h là độ chôn sâu của điện cực.

Từ sơ đồ thay thế, ta thấy HTNĐ phân bố dài xem như ĐD dài, nên áp dụng phương trình truyền sóng ĐD dài ta có:

0

u i

x L t

 

 

 

0

i G u x

 



Với dòng điện sét có độ dốc đầu sóng không đổi is(0,t)=at, nghiệm của phương trình vi phân cho biến thiên của điện áp theo thời gian t tại một điểm x bất kỳ dọc theo chiều dài điện cực bằng:



 



 



 



 



 



 



 





1 2 1 0

cos 1 1

2 )

, (

k

T t

l x e k

T k l t

g t a x

u k 

Trong đó: Tk: hằng số thời gian, Tk =

2

0 0 1

2 2 2

L G l T

k   k , T1 =

2 0 0

2

L G l

 Từ đó, điện áp đầu vào (x=0), nơi có dòng điện sét đi vào HTNĐ:



 



 

 



 



 





1 2

1 0

1 1 2 )

, 0 (

k

T t

e k

T k l t

g t a u

Như vậy, tổng trở tản xung đầu vào tại thời điểm t bất kỳ sẽ là:



 



 

 



 





 





1 2

1 0

1 1 1 2

) , 0 (

) , 0 ) (

, 0 (

k

T t

e k

k t T l

g a t

i t t u

Z

Một cách gần đúng khi dòng sét đạt giá trị cực đại (t=đs) thì tổng trở xung đầu vào có giá trị lớn nhất:



 



 

 



 





 





1 2 1 0

1 1 1 2

) , 0 (

) , 0 ) (

, 0 (

k

T đs

đs

k đs

k e T l

g a t

i t Z u



 

Trong công thức trên, chỉ cần khai triển chuỗi  đến số hạng thứ i tương ứng

đs/Ti=3, vì với đs/Ti>3 thì e-đs/Ti <0,05 1-e-đs/Ti 1, ngoài ra đã biết

6

1 2

1 2







k k

Số hạng tới hạn thứ i được xác định theo:

(3.21) (3.20)

(3.23) (3.22)

(3.24)

(3.25)

DUT.LRCC

đs i

đs i

đs l L g

i i l g T L

T   



 0 0

2 2

2 0

0 3

3 3    



) 1

1( 1 2

) , 0 (

1 2

1 k

đs

T đs k

x đs

x e

k T R

Z 



   

 





 

Từ các biểu thức trên (3.24, 3.25) có thể nhận thấy tổng trở tản xung gồm hai thành phần:

.) Thành phần ổn định có trị số bằng điện trở tản xoay chiều:

l R g

0

 1

.) Thành phần cảm kháng quá độ giảm theo thời gian. Điện cực càng ngắn, hằng số thời gian của quá trình quá độ (T=g0L0l2) càng bé thì quá trình quá độ càng nhanh kết thúc, do đó tổng trở càng tiến nhanh đến trị số ổn định R, phân bố điện áp theo chiều dài điện cực càng đồng nhất hơn.

Điện cực càng dài thì càng cách xa đầu vào điện áp càng giảm nhanh, tức là hiệu quả tản dòng sét càng kém. Trong trường hợp đs/T1>3 thì tổng trở tản xung khi dòng điện qua trị số cực đại sẽ bằng:

đs đs

k đs đs đs

l R L Z

R T k

T l

g Z a

 





  ) 3 , 0 (

1 3 1

1 2 )

, 0 (

0

2 1 1 2

1 0







 



 

 



 



 

 



+ Khi có xét đến quá trình phóng điện trong đất:

Việc giảm điện áp và cả mật độ dòng điện ở phần xa của điện cực làm cho quá trình phóng điện trong đất những nơi này có yếu hơn so với đầu vào của điện cực nối đất. Do đó, điện dẫn nối đất ở sơ đồ đẳng trị không những phụ thuộc vào I,  mà còn phụ thuộc vào toạ độ. Việc tính toán trong trường hợp này sẽ rất phức tạp và chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng. Ở đây chỉ xét về các quy luật của nối đất phân bố dài khi xét đến quá trình phóng điện trong đất.

Gọi Z0 là tổng trở xung kích khi không xét quá trình phóng điện trong đất và Zxk là tổng trở xung kích khi có xét quá trình phóng điện trong đất theo chiều dài điện cực.

Qua nghiên cứu cho thấy, quá trình phóng điện trong đất làm giảm tổng trở xung kích của nối đất phân bố dài. Khi chiều dài điện cực ngắn, ảnh hưởng này còn có thể bù đắp được ảnh hưởng làm tăng tổng trở của điện cảm L làm cho tổng trở xung kích có thể thấp hơn trị số điện trở tản xoay chiều R (xk = Zxk/R<1). Khi tăng chiều dài điện cực, ảnh hưởng của điện cảm sẽ tăng và làm tổng trở xung kích có trị số lớn hơn R (xk>1).

(3.26)

(3.27)

(3.28)

DUT.LRCC

Bảng 3.5 [11] đề xuất các giới hạn về chiều dài điện cực của nối đất phân bố dài trong các vùng đất có ĐTS khác nhau khi dòng điện sét có biên độ I=40kA và độ dài đầu sóng đs = 3÷6s.

Bảng 3.5 Giới hạn về chiều dài điện cực của nối đất phân bố dài

 (.m) 5.102 10.102 20.102 40.102

lgh (m) 2535 3550 6080 80100

Hệ số sử dụng xung kích có trị số bé hơn so với hệ số sử dụng xoay chiều, vì khu vực tia lửa phóng điện xung quanh điện cực đã làm tăng ảnh hưởng giữa chúng lẫn nhau. xk thường được xác định bằng thực nghiệm trên mô hình.

Đối với nối đất phân bố dài thì khi chiều dài điện cực dài hơn chiều dài tới hạn lgh thì ngoài gây tốn kém còn bất lợi về mặt kỹ thuật vì tổng trở nối đất tăng cao.