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

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

1. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP CHƯƠNG 5 : NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT 5.1. Giới thiệu 5.2. Tính toán nối đất 5.3. Lựa chọn phương án nối đất 3/31/2014 Page 1
2. CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúc với dòng điện (hư hỏng cách điện) nối với hệ thống nối đất. Tuỳ theo hiệu quả và nhiệm vụ người ta chia hệ thống nối đất thành ba loại Có nhiệm vụ đảm bảo cho sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã được qui định sẵn Nối đất làm việc + nối đất trung tính máy biến áp, + nối đất của TU + nối đất trung tính của hệ thống trung tính nối đất Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện bị hư hỏng hoặc thiết bị bị dò điện ra vỏ. Nối đất an toàn đuợc thực hiện bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thường Nối đất an toàn không mang điện (vỏ thiết bị điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ ). Khi cách điện bị hư hỏng trên các vật này sẽ có xuất hiện điện thế nhưng do có nối đất nên giữ đuực mức điện thế thấp không gây nguy hiểm cho người khi tiếp xúc với chúng có mục đích để tản dòng điện sét sét. Nó có nhiêm vụ hạn chế hình thành và lan truyền của sóng quá điện áp do phóng điện sét gây nên. Nó cúng có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa Nối đất chống sét hai điểm bất kỳ trên cột điện và đất. Nếu không, mỗi khi có sét đánh vào cột chống sét hoặc trên đường dây, sóng điện áp dư có khả năng phóng điện ngược tới các thiết bị và công trình cần bảo vệ, phá huỷ các thiết bị điện và máy biến áp 3/31/2014 Page 2
3. Mọi mạng nối đất đều gồm các điện cực kim loại chôn nằm ngang hoặc chôn thẳng đứng trong đất điện trở nối đất là một số liệu rất quan trọng để tối để đảm bảo an toàn, phụ thuộc vào điện trở suất của đất và kích thước của các ddiện cực nối đất Trường hợp tổng quát, sơ đồ tương đương của mạng nối đất + điện trở r, I L L + điện cảm L của bản thân điện cực, g g g g + 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 đất vì nó rất nhỏ so với điện trở tản R. Cũng không xét đến điện dung C của các điện cực so với đất vì dòng điện dung rất bé thậm chí ngay cả khi có dòng điến sét. Các tham số L và g phụ thuộc vào một số các yếu tố và hiệu ứng của chúng tuỳ vào điều kiện tính toán. 3/31/2014 Page 3
4. Khi có một dòng điện mà sự biến thiên theo thời gian rất nhanh chạy qua hệ thống nối đất (dòng điện sét), điện cảm của các điện cực + ban đầu sẽ cản trở không cho dòng điện đi đến cuối, dẫn đến phân bố điện áp không đồng nhất theo thời gian và dọc theo chiều dài điện cực. + Sau đó, ảnh hưởng của điện cảm sẽ giảm dần và phân bố áp sẽ trở nên đều hơn. khi dòng điện tản vào đất là dòng điện một chiều hoặc dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp, có thể bỏ qua ảnh hưởng của điện cảm L và tất cả hệ thống nối đất có thể biểu diễn bởi điện trở tản Rt. Thời gian tồn tại quá trình quá độ phụ thuộc vào hằng số thời gian : T=Lgl2 3/31/2014 Page 4
5. Với dòng điện sét, tham số thể hiện nối đất phụ thuộc tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng f của dòng điện sét. Nếu T<<f, khi dòng điện sét đạt giá trị cực đại, quá trình quá độ đã kết thúc, nối đất thể hiện như một điện trở tản. Trường hợp này tương ứng với các dạng điện cực nằm ngang hoặc thẳng đứng nhưng có chiều dài không lớn lắm. Người ta gọi những loại nối đất này nối đất tập trung đối với các điện cực nối đất dài, hằng số thời gian thường đạt và vượt xa f và như vậy lhi dòng điện đạt giá trị cực đại, hiện tượng quá độ vẫn chưa kết thúc. Vì vậy nối đất thể hiện như một tổng trở Z có trị số khá lớn so với điện trở tản. Những loại nối đất này nối đất phân bố tham số rải (nối đất kéo dài) điện trở nối đất phụ thuộc vào điện trở suất của đất, kích thước và bố trí các điện cực. Trị số điện trở tản dòng điện xoat chiều (R ) khác trị số tản dòng điện xung kích (RXK). 3/31/2014 Page 5
6.  Trong dải tần số bé nối đất có thể coi là thuần trở và có thể tính toán điện trở nối đất bằng việc xem xét kích thước hình dạng điện cực, điều kiện lắp đặt và điện trở suất của đất. điện trở tản dòng điện xoay chiều (R ) được dùng để tính toán nối đất an toàn và nối đất làm việc. Trong những trường hợp này cường độ dòng điện tản vào đất bé, điện trường trong đất (E= .j với j là mật độ dòng điện và điện trở suất của đất), có trị số bé không đạt tới ngưỡng gây phóng điện trong đất.  Nối đất trong thực tế không phải là hoàn toàn thuần trở mà là một tổng trở gồm thành phần dung và cảm kháng phụ thuộc vào kích thước hình học và bản chất của đất, xét ảnh hưởng các thành phần dòng điện sét, tổng trở này có thể rất khác với điện trở tản ở tần số thấp. Nối đất tản dòng điện sét có các đặc tính khác với trị số điện trở nối đất đo thông bằng các dụng cụ đo điện trở nối đất. 3/31/2014 Page 6
7. THỰC HIỆN NỐI ĐẤT Bộ phân nối đất thường sử dụng các điện cực bằng kim loại chôn thẳng đứng (cọc) hoặc thanh nằm ngang. Thanh nằm ngang : sắt dẹt chiều (rộng 20 - 40mm), chiều dầy không nhỏ hơn 4mm, sắt tròn đường kính không nhỏ hơn 20mm làm các điện cực nằm ngang. Cọc chôn thẳng đứng : thép ống, thép đặc hoặc thép hình đảm bảo độ bền cơ khí và chống ăn mòn Nối đất trạm biến áp về nguyên tắc phải tách riêng hệ thống nối đất an toàn và nối đất chống sét. thực hiện nối đất chung các loại nối đất khác nhau với mục đích để có một mạng nối đất đẳng thế, có thể tản dòng điện sự cố tần số 50Hz cũng như dòng điện tần số cao và dòng điện sét. Nối đất là hệ thống (thanh nằm ngang, các cọc thẳng đứng, thanh cân bằng) tạo thành lưới nối đất. Nối đất cột điện của các đường dây tải điện trên không để giảm xác suất phóng điện ngược, độ dốc của điện thế phải bé, điện trở nối đất phải nhỏ . Vì thế người ta cần quy định trị số điện trở nối đất thấp đối với các cột điện của các đường dây tải điện. trong vùng điện trở suất lớn ( > 300 .m), để đạt được điện trở nối đất cột điện bé phải sử dụng các cọc có chiều dài lớn. Nhưng do tự cảm của các điện cực rất dài, tổng trở xung kích ở tần số cao có thể lớn hơn rất nhiều so với kết quả tính toán ở tần số thấp. Chính vì thế nên tồn tại chiều dài điện cực tới hạn. 3/31/2014 Page 7
8. điện trở suất của đất đất là môi trường phức tạp, điện trở suất có thể thay đổi trong phạm vi rất rộng. Về bản chất đất tự nhiên cấu tạo từ các hạt chất rắn, nước và không khí. đất bão hoà nước là trường hợp đặc biệt khi toàn bộ khoảng trống lấp đầy nước. điện trở suất của đất phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của đất, điều kiện khí hậu độ ẩm nhiệt độ điện trở suất của đất ở trạng thái khô thường khá ổn định khi có các muối hoặc các axít, tính dẫn điện tăng lên, điện trở suất giảm đất càng ẩm, điện trở suất của nó càng bé độ sâu (m) 5 10 20 25 Khi đất bị đóng băng hoặc đất bị hạn hán, điện trở suất tăng lên. điện trở 1280 1290 1340 134 suất (.m) 0 3/31/2014 Page 8
9. NhiÖt ®é ®Êt E 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Thêi gian (th¸ng) 3/31/2014 Page 9
10. Bản chất của đất ĐIỆN TRỞ SUẤT TRUNG BÌNH đất tổng hợp ẩm 5-100 cát sét 50-500 đất đá phiến 50-300 đất sét dẻo 50 đất vôi 30-40 đất sỏi 300-500 đất đá phiến mica 800 đất đầm lầy 3 -30 đất bùn 20-100 đất silicat 200-3000 đất đá 1500-3000 granit và cát kết 1500-10000 đất mùn 10-150 granit và cát kết háu nước 100-600 đất calcaire mềm 100-500 sét vôi và sét chắc 100-200 đất calcaire chắc 1000-5000 3/31/2014 Page 10
11. Hệ số mùa Khi thiết kế hệ thống nối đất phải tính trước hết điện trở suất của vùng đất đó. điện trở suất thay đổi trong phạm vi rất rộng theo nhiệt độ và độ ẩm của đất, theo thành phần và cấu trúc, theo độ sâu và theo mùa Trong năm, điều kiện khí hậu thay đổi làm cho nhiệt độ của đất, độ ẩm, thành phần các chất hoà tan của nó thay đổi theo. điện trở suất trong mùa khô khác với điện trở suất trong mùa mưa. Trong tính toán điện trở nối đất, điện trở suất của đất được nhân với hệ số an toàn gọi là hệ số mùa k; c ks m Hệ số mùa phụ thuộc vào hình dạng điện cực (thanh hoặc cọc), bố trí điện cực (nằm ngang hay thẳng đứng), độ chôn sâu và bản chất của đất Dạng nối đất Bố trí điện cực độ chôn sâu, m Hệ số mùa, ks Nối đất an toàn và nối đất làm 0,5 4,56,5 việc Thanh nằm ngang 0,8 1,63 Cọc thẳng đứng 0,8 1,42 Nối đất chống sét 0,5 1,41,8 Thanh nằm ngang 0,8 1,21,45 Cọc thẳng đứng 0,8 1,151,30 Hệ số mùa lấy giá trị bé nếu đo điện trở suất thực hiện trong điều kiện độ ẩm trung bình, lấy giá trị lớn nếu độ ẩm cao trước khi đo điện trở suất 3/31/2014 Page 11
12. Tính toán điện trở nối đất an toàn U(x) Utx Tính điện trở tản của hệ thống nối đất hình bán cầu chôn sát mặt đất trong vùng đất có điện trở suất . Up Một số giả thiết đất là thuần nhất có điện trở suất [.cm]. dr r có một dòng điện bằng Iđ đi vào trong môi trường đất. 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 như dạng trường tĩnh điện Phương trình điện trường trong đất theo định luật Oh J E Dòng điện Iđ đi vào đất gây nên sụt áp trên điện trở nối đất U=I.R với R là điện trở tản của nối đất r dr dr dr dR R dR 2 2 2 r 2 r 2 Ro r 0 0 3/31/2014 Page 12
13. Mặt khác, mật độ dòng điện tại một điểm cách tâm bán cầu một khoảng là r bằng I d dr I d 1 I d 1 U A A d 2 r 2 2 r r 2 r r r A A A A dU Id E gradU J dr 2 r2 I dU Edr J dr d dr 2 r 2 phân bố điện áp trên mặt đất có dạng hyperbole. tại điểm trên mặt của vật nối đất ta sẽ có điện áp đối với đất tối đa bằng 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 và dòng điện chạm đất. điện trở suất của đất càng lớn, đường cong càng thoải và điểm có điện thế bằng không càng xa 3/31/2014 Page 13
14. điện trở nối đất của cọc thẳng đứng (dài là l, độ chôn sâu cách mặt đất là t ) 4l 2l 1 4t l t R ln ln Rc ln c d l l 2. .l d 2 4t l 2. .l d d điện trở nối đất của điện cực dạng thanh nằm ngang K.L2 R ln (đường kính d, dài L, chôn sâu t cách mặt đất) t 2. .L t.d K : hệ số hình dạng của thanh hoặc mạch vòng nối đất, phụ thuộc vào hình dạng nối đất thanh l1/l2 K K =2,38 D K =8,45 K =19,2 1 5,53 l 1.5 5,81 l1 2 2 6,42 t d l K l 2 3 8,17 K =1,27 4D K =1,46 K =1 l2 4 10,4 Khi sử dụng chỉ có một điện cực (đơn giản) không đạt trị số điện trở nối đất yêu cầu, cần sử dụng dạng nối đất tổ hợp (nhiều cọc thẳng đứng đóng dọc theo thanh nằm ngang hoặc mạch vòng nối 3/31/2014 Page 14đất).
15. Nếu dùng nhiều cọc hiệu quả của nối đất sẽ giảm so với từng điện cực riêng rẽ do ảnh hưởng lẫn nhau của các điện cực nếu khoảng cách a đủ lớn (điện trường do các dòng điện gây nên được xem là A I II độc lập với nhau), dòng điện sẽ tản vào đất đồng đều về tất cả các hướng nếu các điện cực nằm gần nhau, dòng điện từ điện cực 1 không thể tản vào a trong đất trong vùng nằm bên phải đường AB B điện áp của mỗi điện cực xác định bởi điện áp riêng của mỗi điện cực khi có dòng điện I/2 chạy qua và điện áp do điện trường do điện cực bên cạnh gây ra Với hệ gồm hai điện cực như trên, điện trở được xác định U 1 1 Rht I 4. Ro a So với trường hợp lý tưởng (2 điện cực này đứng độc lập), điện trở nối đất đã tăng một lượng 1 4. a 1 1 R 2 2. .R 1 Tỷ số giữa điện trở tản khi xét đến ảnh hưởng ngẫu hợp của các điện  2 o R 1 1 1 cực gọi là hệ số sử dụng : ht 1 a 4. . Ro a 3/31/2014 Page 15
16. Với một hệ thống nối đất phức tạp gồm n cọc chôn dọc một thanh nằm ngang thì điện trở tản của cảc hệ thống nối đất Rc .Rt Rht b Rc n.c .Rt Hệ số sử dụng của cọc và thanh (p, b) phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ a/l (l là chiều dài cọc). Khi tính toán điện trở nối đất của một cột thu sét độc lập hoặc của cột điện đường dây có thể sử dụng các công thức sau đây (V. V. Bazukin) điện trở nối đất của một cọc bằng thép ống hoặc thép đặc 4l 2t l Rc ln 2. .l d 4t l điện trở nối đất của một thanh bằng thép dẹt hoặc thép đặc 1,5l Rt ln .l bt điện trở nối đất của móng trụ bê tông cốt thép 4t Rmc 1,7 ln 2. .t b 3/31/2014 Page 16
17. Với nối đất chống sét, tính toán nối đất phức tạp hơn vì cần phải xét đồng thời 2 quá trình hiện tượng phóng điện trong đất : nếu dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất rất lớn, trên bề mặt các điện cực tạo nên một điện trường rất mạnh E=J. sẽ dẫn đến quá trình phóng điện trong đất tiếp giáp với điện cực. Xung quanh điện cực nối đất hình thành một vùng phóng điện tương đương làm tăng kích thước điện cực. Do đó điện trở nối đất giảm hiện tượng quá độ : dòng điện sét biến thiên rất nhanh, sự tăng rất dôc dòng điện sét trong khoảng thời gian đầu sóng gây nên điện áp giáng trên điện cảm của nối đất phân bố dài, làm giảm khả năng tản dòng điện của các phẫn nẵm xa hơn. Trong trường hợp này, điện trở nối đất ngược lại lại tăng Do ảnh hưởng của yếu tố này hay yếu tố kia (tạo ra vùng phóng điện hoặc điện áp giáng trên điện cảm), điện trở nối đất khi có dòng điện sét đi qua được gọi là điện trở nối đất xung kích hoặc tổng trở nối đất xung kích. Điện trở nối đất xung kích khác điện trở nối đất ổn định đo ở điện áp xoay chiều và dòng điện bé Tỷ số giữa điện trở nối đất xung kích và điện trở nối đất được gọi là hệ số xung kích xk R xk xk R Khi chiều dài hệ thống nối đất không lớn (nối đất tập trung), chúng ta không cần quan tâm đến hiện tượng quá độ. Nhưng trong trường hợp hệ thống nối đất rất dài (nối đất phân bố) ta phải xem xét cả hai quá trình trên 3/31/2014 Page 17
18. TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ CHỐNG SÉT TẬP TRUNG Tính toán điện trở nối đất xung kích được thực hiện trên cơ sở các giả thiết gần đúng về quá trình phóng điện trong đất Cường độ dòng điện lớn khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất dẫn đến xung quanh điện cực nối đất, gradient thế trong đất có thể lớn hơn trị số điện trường phóng điện của đất Các phóng điện này sẽ làm tổng trở nối đất, đối lập với hiệu ứng điện cảm : hiệu ứng suy giảm chỉ xảy ra nhất thời và kết thúc khi dòng điện sét đã đi qua. Nhưng trong một số trường hợp nó có thể làm cho thuỷ tinh hoá đất và nhất là khi đất có chứa silic thì hoàn toàn ngựoc lại nó sẽ hình thành một vỏ bọc cách điện xung quanh điện cực nối đất. Hiện tượng này tăng cường thêm khi có dòng điện ngắn mạch sẽ làm tăng vĩnh viễn điện trở suất của đất và do đó điện trở tản của hệ thống nối đất Khi xảy ra phóng điện trong đất, điện trở suất của đất nói chung giảm. Trong các tính toán cụ thể người ta sử dụng suy giảm theo biểu thức sau xk = (1-kE) đối với các loại đất cát, đất sét và đất mùn, k thay đổi từ 0,01 đến 0,05 Giống như một vỏ bọc bị ion hoá hình thành xung quanh điện cực khi xảy ra phóng điện được xem như một vật dẫn điện tốt, do đó hiện tượng phóng điện xảy ra giống như ta làm tăng bán kính tưởng tượng. Do vậy hiện tượng phóng điện trong đất sẽ làm giảm điện trở nối đất Trị số điện trở xung kích thường được tính vào thời điểm  vì khi này điện áp trên điện cực đạt trị số tối đa 3/31/2014 Page 18
19. Xét ví dụ điện cực hình bán cầu bán kính R khi có dòng điện xung kích i(t) đi qua Đối với dòng điện tăng dần, quá trình phóng điện bắt đầu trước hết ở bề mặt điện cực và khi điện trường bề mặt đạt giá trị tới hạn E0, nó sẽ phát triển xung quanh điện cực làm kích thước điện cực tăng đến R khi mà E(R,t) E0 I I 1 kE 0 E0 xk i(t) 1 kEo R 2 R 2 E0 I Điện trường trong đất có giá trị E r 1 kE r 2 r 2 Khi xảy ra quá trình ion hoá trong đất, điện thế trên điện cực nối đất bằng Hệ số xung kích dr xk U E dr I r 2 1 2 r I K R 1,57 arctg 1 R 1 R R xk xk 2I K KE xk 0 R I 2 I arctg R  2I K 2 I K Điện trở nối đất xung kích không phụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực, chỉ xác định bởi biên độ dòng điện 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 nếu dòng điện sét qua bộ phận nối đất và điện trở suất của đất càng lớn 3/31/2014 Page 19
20. TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ CHỐNG SÉT KÉO DÀI Sơ đồ tương đương của loại nối đất này nối đất phân bố tham số rải (nối đất kéo dài) I Lp « Go Go Go Go điện cảm của thanh nối được tính với giả thiết là dòng điện đi từ đầu điện cực đến cuối không đổi. Điểm cảm trên đơn vị dài l l L 0,2.(ln 0,31) 0,2.(ln 0,31) o r r Trị số điện dẫn dài của điện cực (điện trở rò lấy bằng điện trở tản R đo ở tấn số công nghiêp). 1 Go 2.R f .l ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT KHI KHÔNG XÉT PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐẤT U i t Lo. a T k x x t u(x,t) t 2T 1 1 e k cos 1 2 i t  k l G U k 1 x o 3/31/2014 Page 20
21. tổng trở nối đất xung kích đầu vào t u(x,t) x 0,t  1 Z (0, ) 1 2T 1 1 e Tk xk 1  k 2 i(t) G0l x 0,t  k 1 2 2 LoGol LoGol T1 T1 ; T1 2 k 2 2 k 2 Ta thấy rằng tổng trở nối đất xung kích gồm hai thành phần : một thành phần ổn định bằng điện trở tản đo ở điện áp thấp và một thành phần biến thiên theo thời gian t Z (0, xk 1 2T 1 1 e Tk xk 1 2 R  k k 1 Hệ số xung kích lớn hơn 1, có trị số càng lớn nếu nối đất càng dài và thời gian đầu sóng của dòng điện càng bé 3/31/2014 Page 21
22. Điện trở nối đất chống sét khi xét đến phóng điện trong đất Sự suy giảm điện áp và cường độ dòng điện dọc theo điện cực nối đất làm cho khả năng phóng điện ở phía cuối đường dây sẽ càng khó khăn. Điện dẫn dài G0 của nối đất không chỉ phụ thuộc vào I và , mà còn là hàm số của toạ độ Tính toán tổng trở nối đất xung kích có tính đến phóng điện trong đất vì thế càng phức tạp hơn, và chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng Sự biến thiên điện trở tản ổn định ứng với dòng điện xoay chiều và tổng trở xung kích của nối đất khi không xét đến quá trình phóng điện và tổng trở nối đất khi có xét đến quá trình phóng điện trong đất theo chiều dài điện cực nối đất với hai giá trị điện trở suất của đất khác nhau 3/31/2014 Page 22
23. quá trình phóng điện đã làm giảm tổng trở xung kích của R, Z0, Zimp,  hệ thống nối đất kéo dài. 200 180 Nếu chiều dài điện cực ngắn, thì ảnh hưởng của quá trình Zo, I=0 160 phóng điện trong đất còn có thể được ảnh hưởng làm tăng điện cảm của điện cực, khiến cho tổng trở xung kích có thể 140 R 120 thấp hơn điện trở tản xoay chiều tần số công nghiệp Zimp, R=10kA 100 ( xk 1). 60 40 Zimp, R=40kA 20 Chiều dài giới hạn của mạng nối đất chống sét (I=40kA, =3-6s). 0 l, m 20 40 60 80 100 (.m) 500 1000 2000 4000 ChiÒu dµi tíi h¹n lth (m) 2535 3550 6080 80100 Chiều dài giới hạn của điện cực nối đất thẳng đứng chôn trong đất đồng nhất (.m) 300 500 1000 ChiÒu dµi tíi h¹n lth (m) 2.5 4 8.5 3/31/2014 Page 23