Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp - Chương 5: Nối đất chống sét

CHƯƠ NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT 5.1. Giới thiệu 5.2. Tính toán nối đ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP 3/31/2014 Page 1 5.3. Lựa chọn phươ NG 5 : ất ng án nối đất CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG NỐI Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy với hệ thống nối đất. Tuỳ theo hiệu quả và nhiệm vụ người ta chia hệ thống Nối đất làm việc Có nhiệm vụ đảm bảo cho sự làm việc bình th bị theo chế độ làm việc đã + nối đất trung tính máy biến áp, + nối đất của TU + nối đất trung tính của hệ thống trung tính nối 3/31/2014 Page 2 Nối đất an toàn Nối đất chống sét Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho ng vỏ. Nối đất an toàn đuợc thực hiện bằng cách không mang điện (vỏ thiết bị trên các vật này sẽ có xuất hiện không gây nguy hiểm cho ng có mục đích để tản dòng sóng quá điện áp do phóng hai điểm bất kỳ trên cột trên đường dây, sóng điện áp d cần bảo vệ, phá huỷ các thiết bị ĐẤT cơ bị tiếp xúc với dòng điện (hư hỏng cách điện) nối nối đất thành ba loại ường của thiết bị hoặc một số bộ phận của thiết được qui định sẵn đất ười khi cách điện bị hư hỏng hoặc thiết bị bị dò điện ra đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thường điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ...). Khi cách điện bị hư hỏng điện thế nhưng do có nối đất nên giữ đuực mức điện thế thấp ười khi tiếp xúc với chúng điện sét sét. Nó có nhiêm vụ hạn chế hình thành và lan truyền của điện sét gây nên. Nó cúng có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa điện và đất. Nếu không, mỗi khi có sét đánh vào cột chống sét hoặc ư có khả năng phóng điện ngược tới các thiết bị và công trình điện và máy biến áp Mọi mạng nối đất đều gồm các điện cực kim loại điện trở nối đất là một số liệu rất quan trọng để tối kích thước của các ddiện cực nối đất Trường hợp tổng quát, sơ đồ tương đương của + điện trở r, + điện cảm L của bản thân điện cực, 3/31/2014 Page 3 + điện trở tản R của môi trường xung quanh điện cực + điện dung C của các điện cực so với điểm thế bằng không. bỏ qua điện trở tác dụng của các điện cực nối điện dung C của các điện cực so với đất vì dòng Các tham số L và g phụ thuộc vào một số các yếu L I L chôn nằm ngang hoặc chôn thẳng đứng trong đất để đảm bảo an toàn, phụ thuộc vào điện trở suất của đất và mạng nối đất g g g g đất vì nó rất nhỏ so với điện trở tản R. Cũng không xét đến điện dung rất bé thậm chí ngay cả khi có dòng điến sét. tố và hiệu ứng của chúng tuỳ vào điều kiện tính toán. Khi có một dòng điện mà sự biến thiên theo sét), điện cảm của các điện cực + Sau đó, ảnh hưởng của điện cảm sẽ giảm dần và phân bố áp sẽ trở nên + ban đầu sẽ cản trở không cho dòng không đồng nhất theo thời gian và dọc theo chiều dài khi dòng điện tản vào đất là dòng điện một chiều 3/31/2014 Page 4 bỏ qua ảnh hưởng của điện cảm L và tất cả hệ thống Thời gian tồn tại quá trình quá độ phụ thuộc T=Lgl thời gian rất nhanh chạy qua hệ thống nối đất (dòng điện đều hơn. điện đi đến cuối, dẫn đến phân bố điện áp điện cực. hoặc dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp, có thể nối đất có thể biểu diễn bởi điện trở tản Rt. vào hằng số thời gian : 2 Với dòng điện sét, tham số thể hiện nối đất đầu sóng f của dòng điện sét. Nếu T<<f, khi dòng điện sét đạt giá trị cực một điện trở tản. Trường hợp này tươ nhưng có chiều dài không lớn lắm. Ng 3/31/2014 Page 5 đối với các điện cực nối đất dài, hằng số thời gian th đạt giá trị cực đại, hiện tượng quá đ trị số khá lớn so với điện trở tản. Những loại nối dài) điện trở nối đất phụ thuộc vào điện trở tản dòng điện xoat chiều (R) khác trị số phụ thuộc tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đại, quá trình quá độ đã kết thúc, nối đất thể hiện như ng ứng với các dạng điện cực nằm ngang hoặc thẳng đứng ười ta gọi những loại nối đất này nối đất tập trung ường đạt và vượt xa f và như vậy lhi dòng điện ộ vẫn chưa kết thúc. Vì vậy nối đất thể hiện như một tổng trở Z có đất này nối đất phân bố tham số rải (nối đất kéo suất của đất, kích thước và bố trí các điện cực. Trị số điện trở tản dòng điện xung kích (RXK).  Trong dải tần số bé  Nối đất trong thực tế không phải là hoàn toàn cảm kháng phụ thuộc vào kích thước hình học và điện sét, tổng trở này có thể rất khác với điện trở nối đất có thể coi là thuần trở và có thể tính toán cực, điều kiện lắp đặt và điện trở suất của đất. điện trở tản dòng nối đất an toàn và nối đất làm việc. Trong những tr trường trong đất (E=.j với j là mật độ dòng điện và gây phóng điện trong đất. 3/31/2014 Page 6 tính khác với trị số điện trở nối đất đo thông bằng thuần trở mà là một tổng trở gồm thành phần dung và bản chất của đất, xét ảnh hưởng các thành phần dòng tản ở tần số thấp. Nối đất tản dòng điện sét có các đặc điện trở nối đất bằng việc xem xét kích thước hình dạng điện điện xoay chiều (R) được dùng để tính toán ường hợp này cường độ dòng điện tản vào đất bé, điện  điện trở suất của đất), có trị số bé không đạt tới ngưỡng các dụng cụ đo điện trở nối đất. THỰC HIỆN NỐI Thanh nằm ngang : sắt dẹt chiều (rộng 20 - 40 hơn 20mm làm các điện cực nằm ngang. Bộ phân nối đất thường sử dụng các điện cực bằng nằm ngang. Cọc chôn thẳng đứng : thép ống, thép đặc hoặc thép hình thực hiện nối đất chung các loại nối đất khác nhau Nối đất trạm biến áp về nguyên tắc phải tách riêng hệ thống nối đất an 3/31/2014 Page 7 điện sự cố tần số 50Hz cũng như dòng điện tần số Nối đất là hệ thống (thanh nằm ngang, các cọc thẳng Nối đất cột điện của các đường dây tải điện trên không để giảm xác suất phóng điện ngược, độ dốc của đ Vì thế người ta cần quy định trị số điện trở nối đất trong vùng điện trở suất lớn ( > 300 .m), để đ lớn. Nhưng do tự cảm của các điện cực rất dài, tổng toán ở tần số thấp. Chính vì thế nên tồn tại chiều ĐẤT mm), chiều dầy không nhỏ hơn 4mm, sắt tròn đường kính không nhỏ kim loại chôn thẳng đứng (cọc) hoặc thanh đảm bảo độ bền cơ khí và chống ăn mòn với mục đích để có một mạng nối đất đẳng thế, có thể tản dòng toàn và nối đất chống sét. cao và dòng điện sét. đứng, thanh cân bằng) tạo thành lưới nối đất. iện thế phải bé, điện trở nối đất phải nhỏ . thấp đối với các cột điện của các đường dây tải điện. ạt được điện trở nối đất cột điện bé phải sử dụng các cọc có chiều dài trở xung kích ở tần số cao có thể lớn hơn rất nhiều so với kết quả tính dài điện cực tới hạn. điện trở suất của đất đất là môi trường phức tạp, điện trở suất có thể thay từ các hạt chất rắn, nước và không khí. đất bão hoà n đầy nước. điện trở suất của đất phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của 3/31/2014 Page 8 Khi đất bị đóng băng hoặc đất bị hạn hán, điện trở suất t đất càng ẩm, điện trở suất của nó càng bé khi có các muối hoặc các axít, tính dẫn điện tăng lên, điện điện trở suất của đất ở trạng thái khô thường khá ổn định đổi trong phạm vi rất rộng. Về bản chất đất tự nhiên cấu tạo ước là trường hợp đặc biệt khi toàn bộ khoảng trống lấp đất, điều kiện khí hậu độ ẩm nhiệt độ ăng lên. trở suất giảm độ sâu (m) 5 10 20 25 điện trở suất (.m) 1280 1290 1340 134 0 NhiÖt ®é ®Êt E 3/31/2014 Page 9 1 3 52 4 6 Thêi gian (th¸ng) 7 9 118 10 12 Bản chất của đất đất tổng hợp ẩm cát sét đất đá phiến đất sét dẻo đất vôi đất sỏi đất đá phiến mica đất đầm lầy 3/31/2014 Page 10 đất bùn đất silicat đất đá granit và cát kết đất mùn granit và cát kết háu nước đất calcaire mềm sét vôi và sét chắc đất calcaire chắc ĐIỆN TRỞ SUẤT TRUNG BÌNH 5-100 50-500 50-300 50 30-40 300-500 800 3 -30 20-100 200-3000 1500-3000 1500-10000 10-150 100-600 100-500 100-200 1000-5000 Hệ số mùa Khi thiết kế hệ thống nối đất phải tính trước hết điện trở suất của vùng rộng theo nhiệt độ và độ ẩm của đất, theo thành phần và cấu trúc, theo Trong năm, điều kiện khí hậu thay đổi làm cho nhiệt độ của theo. điện trở suất trong mùa khô khác với điện trở suất trong mùa m Trong tính toán điện trở nối đất, điện trở suất của đất đư Hệ số mùa phụ thuộc vào hình dạng điện cực (thanh hoặc cọc), bố trí và bản chất của đất 3/31/2014 Page 11 Dạng nối đất Bố trí điện cực Nối đất an toàn và nối đất làm việc Thanh nằm ngang Cọc thẳng đứng Nối đất chống sét Thanh nằm ngang Cọc thẳng đứng Hệ số mùa lấy giá trị bé nếu đo điện trở suất thực hiện trong trước khi đo điện trở suất msc k  đất đó. điện trở suất thay đổi trong phạm vi rất độ sâu và theo mùa đất, độ ẩm, thành phần các chất hoà tan của nó thay đổi ưa. ợc nhân với hệ số an toàn gọi là hệ số mùa k; điện cực (nằm ngang hay thẳng đứng), độ chôn sâu độ chôn sâu, m Hệ số mùa, ks 0,5 4,56,5 0,8 1,63 0,8 1,42 0,5 1,41,8 0,8 1,21,45 0,8 1,151,30 điều kiện độ ẩm trung bình, lấy giá trị lớn nếu độ ẩm cao Tính toán điện trở nối đất an toàn Một số giả thiết Tính điện trở tản của hệ thống nối đất hình bán cầu chôn sát mặt đất trong vùng đất có điện trở suất . đất là thuần nhất có điện trở suất  [.cm]. có một dòng điện bằng Iđ đi vào trong môi trường đ 3/31/2014 Page 12 Dòng điện tản ra từ tâm hình cầu, toả ra theo đường bán kính. Có thể coi trường của dòng điện đi trong đất giống nh Phương trình điện trường trong đất theo định luật Oh Dòng điện Iđ đi vào đất gây nên sụt áp trên điện trở nối    drr r r dr dR 22 dr r Utx ất. U(x) Up ư dạng trường tĩnh điện J E  đất U=I.R với R là điện trở tản của nối đất oRr dr dRR    22 0 2 0    22 r I J d   EdrdU gradUE   Mặt khác, mật độ dòng điện tại một điểm cách tâm bán cầu một khoảng là r bằng d r d r AA r I r drI dU AA 1 22 2          3/31/2014 Page 13 phân bố điện áp trên mặt đất có dạng hyperbole. tại điểm trên mặt của vật nối đất ta sẽ có đ càng xa nơi đặt bộ phận nối đất, trị số điện thế càng giảm. độ dốc của đường cong phân bố điện thế phụ thuộc vào điện trở suất của đất càng lớn, đường cong càng thoải và dr r I drJ dr dU d    22   A d A r I r 1 2    iện áp đối với đất tối đa bằng điện trở suất của đất và dòng điện chạm đất. điểm có điện thế bằng không càng xa điện trở nối đất của cọc thẳng đứng (dài là l d d l l Rc 4 ln ..2    d t điện trở nối đất của điện cực dạng thanh nằm dt LK L Rt . . ln ..2 2    K : hệ số hình dạng của thanh hoặc mạch vòng nối 3/31/2014 Page 14 l d t K =1 K =1,27 K =1,46 K =8,45 K =2,38 K =19,2 Khi sử dụng chỉ có một điện cực (đơn giản) không dạng nối đất tổ hợp (nhiều cọc thẳng đứng đất). l, độ chôn sâu cách mặt đất là t ) l          lt lt d l l Rc 4 4 ln 2 12 ln ..2   ngang đất, phụ thuộc vào hình dạng nối đất thanh (đường kính d, dài L, chôn sâu t cách mặt đất) l2 l1 l D 2 2 4D l K  l1/l2 K 1 5,53 1.5 5,81 2 6,42 3 8,17 4 10,4 đạt trị số điện trở nối đất yêu cầu, cần sử dụng đóng dọc theo thanh nằm ngang hoặc mạch vòng nối Nếu dùng nhiều cọc hiệu quả của nối đất sẽ giảm nhau của các điện cực B A I II a nếu khoảng cách a đủ độc lập với nhau), dòng đ nếu các điện cực nằm gần trong đất trong vùng nằm điện áp của mỗi điện cực điện I/2 chạy qua và điện 3/31/2014 Page 15 Với hệ gồm hai điện cực như trên, điện trở được xác  I U Rht So với trường hợp lý tưởng (2 điện cực này đứng độc lập), 4 Tỷ số giữa điện trở tản khi xét đến ảnh hưởng ngẫu hợp của các cực gọi là hệ số sử dụng : so với từng điện cực riêng rẽ do ảnh hưởng lẫn lớn (điện trường do các dòng điện gây nên được xem là iện sẽ tản vào đất đồng đều về tất cả các hướng nhau, dòng điện từ điện cực 1 không thể tản vào bên phải đường AB xác định bởi điện áp riêng của mỗi điện cực khi có dòng áp do điện trường do điện cực bên cạnh gây ra định        aRo 11 .4  điện trở nối đất đã tăng một lượng a 1 .  điện aaR R R R o o ht 1 1 1 11 ..4 ..22 1 2 1                  Với một hệ thống nối đất phức tạp gồm n cọc thống nối đất cb tc ht nR RR R . .    Hệ số sử dụng của cọc và thanh (p, b) phụ Khi tính toán điện trở nối đất của một cột thu công thức sau đây (V. V. Bazukin) điện trở nối đất của một cọc bằng thép ống 3/31/2014 Page 16  l Rc ln ..2   điện trở nối đất của một thanh bằng thép dẹt     l Rt 1 ln .  điện trở nối đất của móng trụ bê tông cốt thép Rmc 2 7,1 chôn dọc một thanh nằm ngang thì điện trở tản của cảc hệ tc R. thuộc chủ yếu vào tỷ lệ a/l (l là chiều dài cọc). sét độc lập hoặc của cột điện đường dây có thể sử dụng các hoặc thép đặc         lt lt d l 4 24 hoặc thép đặc    bt l5,       b t t 4 ln ..  Với nối đất chống sét, tính toán nối đất phức hiện tượng phóng điện trong đất : nếu dòng đ tạo nên một điện trường rất mạnh E=J. sẽ dẫn quanh điện cực nối đất hình thành một vùng phóng trở nối đất giảm hiện tượng quá độ : dòng điện sét biến thiên gian đầu sóng gây nên điện áp giáng trên điện điện của các phẫn nẵm xa hơn. Trong trường hợp 3/31/2014 Page 17 Khi chiều dài hệ thống nối đất không lớn (nối tượng quá độ. Nhưng trong trường hợp hệ thống nối đất rất dài (nối trên Do ảnh hưởng của yếu tố này hay yếu tố kia (tạo ra vùng phóng cảm), điện trở nối đất khi có dòng điện sét đi qua trở nối đất xung kích. Điện trở nối đất xung kích khác chiều và dòng điện bé Tỷ số giữa điện trở nối đất xung kích và điện trở nối tạp hơn vì cần phải xét đồng thời 2 quá trình iện sét đi vào hệ thống nối đất rất lớn, trên bề mặt các điện cực đến quá trình phóng điện trong đất tiếp giáp với điện cực. Xung điện tương đương làm tăng kích thước điện cực. Do đó điện rất nhanh, sự tăng rất dôc dòng điện sét trong khoảng thời cảm của nối đất phân bố dài, làm giảm khả năng tản dòng này, điện trở nối đất ngược lại lại tăng đất tập trung), chúng ta không cần quan tâm đến hiện đất phân bố) ta phải xem xét cả hai quá trình điện hoặc điện áp giáng trên điện được gọi là điện trở nối đất xung kích hoặc tổng điện trở nối đất ổn định đo ở điện áp xoay đất được gọi là hệ số xung kích xk R Rxk xk  TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ CHỐNG SÉT Tính toán điện trở nối đất xung kích thiết gần đúng về quá trình phóng điện Cường độ dòng điện lớn khi có dòng điện sét đi vào cực nối đất, gradient thế trong đất có thể lớn hơn trị số Các phóng điện này sẽ làm tổng trở nối đất, đối lập thời và kết thúc khi dòng điện sét đã đi qua. Nhưng nhất là khi đất có chứa silic thì hoàn toàn ngựoc lại nó 3/31/2014 Page 18 đối với các loại đất. Hiện tượng này tăng cường thêm khi có dòng điện đó điện trở tản của hệ thống nối đất Khi xảy ra phóng điện trong đất, điện trở suất của sử dụng suy giảm theo biểu thức sau xk = (1-kE) Giống như một vỏ bọc bị ion hoá hình thành xung điện tốt, do đó hiện tượng phóng điện xảy ra giống nh điện trong đất sẽ làm giảm điện trở nối đất Trị số điện trở xung kích thường được tính vào thời TẬP TRUNG được thực hiện trên cơ sở các giả trong đất hệ thống nối đất dẫn đến xung quanh điện điện trường phóng điện của đất với hiệu ứng điện cảm : hiệu ứng suy giảm chỉ xảy ra nhất trong một số trường hợp nó có thể làm cho thuỷ tinh hoá đất và sẽ hình thành một vỏ bọc cách điện xung quanh điện cực nối đất cát, đất sét và đất mùn, k thay đổi từ 0,01 đến 0,05 ngắn mạch sẽ làm tăng vĩnh viễn điện trở suất của đất và do đất nói chung giảm. Trong các tính toán cụ thể người ta quanh điện cực khi xảy ra phóng điện được xem như một vật dẫn ư ta làm tăng bán kính tưởng tượng. Do vậy hiện tượng phóng điểm  vì khi này điện áp trên điện cực đạt trị số tối đa Xét ví dụ điện cực hình bán cầu bán kính R Đối với dòng điện tăng dần, quá trình phóng điện bắt đ trị tới hạn E0, nó sẽ phát triển xung quanh điện cực làm kích Điện trường trong đất có giá trị xk R I tiE   1 2 )(0    r r I E  2 3/31/2014 Page 19 Khi xảy ra quá trình ion hoá trong đất, điện thế trên điện                        KI Rarctg KI I KIr dr IdrEU RR r       2 22 2 2  2 KI Rxk   Điện trở nối đất xung kích không phụ thuộc vào kích th sét và điện trở suất của đất, và đặc tính phóng điện của đất Nối đất tập trung có điện trở nối đất xung kích càng bé càng lớn khi có dòng điện xung kích i(t) đi qua ầu trước hết ở bề mặt điện cực và khi điện trường bề mặt đạt giá thước điện cực tăng đến R khi mà E(R,t)E0 okE   0 0 2 1 E kEI R      rkE12  cực nối đất bằng                  1 1 57,1 0KE arctg ước hình học của điện cực, chỉ xác định bởi biên độ dòng điện nếu dòng điện sét qua bộ phận nối đất và điện trở suất của đất   IR Rxk xk 1  Hệ số xung kích xk TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ Sơ đồ tương đương của loại nối đất này nối đ Go Go LpI điện cảm của thanh nối được tính với giả thiết là dòng đơn vị dài 3/31/2014 Page 20 ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT KHI KHÔNG TRONG ĐẤT Trị số điện dẫn dài của điện cực (điện trở rò lấy bằng 0.(ln2,0  r l Lo Go                 UG x i t i .L x U o o       t a txu ),( CHỐNG SÉT KÉO DÀI ất phân bố tham số rải (nối đất kéo dài) GoGo « điện đi từ đầu điện cực đến cuối không đổi. Điểm cảm trên XÉT PHÓNG ĐIỆN điện trở tản R đo ở tấn số công nghiêp). )31,0.(ln2,0)31,  r l lR f ..2 1                          l xk eTt k T t k k  cos12 1 1 1 2 Ta thấy rằng tổng trở nối đất xung kích gồm hai thành phần điện trở tản đo ở điện áp thấp và một thành phần biến thiên theo thời gian 12 2 1 ; T lGL T oo      0,0 ,0 1 )( ),( ),0( tx tx xk lGti txu Z    tổng trở nối đất xung kích đầu vào 3/31/2014 Page 21  1 ,0(xk xk R Z   Hệ số xung kích lớn hơn 1, có trị số càng lớn nếu nối điện càng bé : một thành phần ổn định bằng T 1 222 2 kk lGL oo                          1 1 1 121 2 k T t k keT                1 1 1 12 2 k T t k keT đất càng dài và thời gian đầu sóng của dòng Điện trở nối đất chống sét khi xét đến phóng Sự suy giảm điện áp và cường độ dòng điện dọc theo điện ở phía cuối đường dây sẽ càng khó khăn. Điện dẫn dài G0 của nối và , mà còn là hàm số của toạ độ 3/31/2014 Page 22 Tính toán tổng trở nối đất xung kích có tính đ chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng Sự biến thiên điện trở tản ổn định ứng với dòng khi không xét đến quá trình phóng điện và tổng trở nối đất theo chiều dài điện cực nối đất với hai giá trị điện trong đất điện cực nối đất làm cho khả năng phóng đất không chỉ phụ thuộc vào I ến phóng điện trong đất vì thế càng phức tạp hơn, và điện xoay chiều và tổng trở xung kích của nối đất đất khi có xét đến quá trình phóng điện trong điện trở suất của đất khác nhau quá trình phóng điện đã làm giảm tổng trở xung kích của hệ thống nối đất kéo dài. Nếu chiều dài điện cực ngắn, thì ảnh hưởng của quá trình phóng điện trong đất còn có thể được ảnh hư điện cảm của điện cực, khiến cho tổng trở xung kích có thể thấp hơn điện trở tản xoay chiều tần số công nghiệp (xk<1). Khi chiều dài điện cực tăng, ảnh hưởng của và tổng trở xung kích có giá trị lớn (xk>1). 3/31/2014 Page 23 Chiều dài giới hạn của mạng nối đất chống sét (I=40kA,  (.m) 500 1000 ChiÒu dµi tíi h¹n lth (m) 2535 3550 Chiều dài giới hạn của điện cực nối đất thẳng đứng chôn trong  (.m) 300 500 ChiÒu dµi tíi h¹n lth (m) 2.5 4 R, Z0, Zimp,  200 100 120 140 180 160 60 80 Zo, I=0 R Zimp, R=10kA Zimp, R=20kA ởng làm tăng điện cảm tăng l, m 0 20 40 20 40 60 80 100 Zimp, R=40kA =3-6s). 2000 4000 6080 80100 đất đồng nhất 1000 8.5