Bài giảng Kỹ thuật cao áp - Chương 4: Nối đất trong hệ thống điện

Ch ươ ng 4: Nối đ ất trong hệ thống đ iện 
I) Khái niệm chung : 
Tác dụng của nối đ ất là đ ể tản dòng đ iện sự cố vào đ ất và đ ể giữ mức đ iện thế thấp trên các phần tử thiết bị đ iện đư ợc nối đ ất . 
Các loại sự cố th ư ờng xảy ra nh ư : rò đ iện do cách đ iện , xảy ra các loại ngắn mạch , chạm đ ất 1 pha , dòng đ iện sét . 
Theo chức n ă ng của các loại nối đ ất , nó đư ợc chia làm 3 loại sau đ ây : 
Nối đ ất chống sét : đ ảm bảo an toàn cho TBĐ. Nối từ bộ phận thu sét xuống đất . 
Cả 2 loại nối đ ất trên đư ợc gọi là nối đ ất bảo vệ 
Nối đ ất an toàn : nhằm đ ảm bảo an toàn cho con ng ư ời . Nối đất an toàn là nối tất cả các bộ phận kim loại của TBĐ hay của các kết cấu kim loại mà khi cách đ iện bị h ư hỏng thì nó xuất hiện đ iện áp xuống hệ thống nối đ ất . 
Nối đ ất làm việc : nhằm đ ảm bảo đ iều kiện làm việc bình th ư ờng cho TBĐ và 1 số bộ phận của TBĐ theo chế đ ộ đ ã đư ợc qui đ ịnh sẵn , đ ây là loại nối đ ất bắt buộc đ ể đ ảm bảo các đ iều kiện vận hành của hệ thống . 
Trong rất nhiều tr ư ờng hợp , 2 hoặc 3 nhiệm vụ nối đ ất trên đư ợc thực hiện trên cùng một hệ thống nối đ ất . 
Các loại nối đ ất th ư ờng đư ợc thực hiện bằng một hệ thống những cọc thép ( hoặc đ ồng ) đ óng vào đ ất hoặc những thanh ngang hoặc hệ thống thanh - cọc nối liền nhau chôn trong đ ất ở một đ ộ sâu nhất đ ịnh . 
II) Điện trở suất của đ ất - hệ số mùa : 
Đất là môi tr ư ờng dẫn đ iện phức tạp , không đ ồng nhất về 
thành phần và cấu tạo , phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố : 
L ư ợng ẩm trong đ ất ; 
N ă ng lực giữ ẩm của đ ất ; 
- Tạp chất trong đ ất ; 
Vì vậy khi tính toán nối đ ất thì ng ư ời ta lấy : 
* K mùa phụ thuộc vào đ ộ chôn sâu của đ iện cực 
* K mùa phụ thuộc vào loại nối đ ất : nối đ ất an toàn hay nối đ ất chống sét . Th ư ờng tính toán nối đ ất chống sét lấy k mùa nhỏ h ơ n so với nối đ ất an toàn 
II) Hệ số mùa : 
Loại nối đất 
Hình thức 
Độ chôn sât 
K m 
An toàn , làm việc 
Nằm ngang 
0,5 
4,5  6,5 
0,8 
1,6  3 
Thẳng đứng 
0,8 
1,4  2 
Chống sét 
Nằm ngang 
0,5 
1,4  1,8 
0,8 
1,2  1,45 
Thẳng đứng 
0,8 
1,15  1,3 
2.3 Hệ số mùa 
 phụ thuộc vào đ ộ chôn sâu của đ iện cực 
 phụ thuộc vào loại nối đ ất 
* K m 
k m nối đ ất chống sét < k m nối đ ất an toàn 
 phụ thuộc hình thức nối đ ất 
Nằm ngang hay thẳng đ ứng 
III) Tính toán nối đ ất an toàn : 
1)Xác đ ịnh đ iện trở nối đ ất của các đ iện cực đơ n : 
I đ 
r 
r o 
dr 
Xác đ ịnh R n đ của bán cầu có bán kính r o 
Khi có dòng điện chạm đất I đ đi vào bán cầu thì mật độ dòng điện cách tâm bán cầu một khoảng r bất kỳ được xác định : 
- mật đ ộ dòng đ iện đ i trong đ ất 
- đ iện trở suất của đ ất 
Theo đ ịnh luật Ohm dạng vi ph đ n, xâc định được cường độ điện trường trong đất : 
Từ đó xác định được : 
I đ 
r 
r o 
dr 
A 
Điện áp trên bề mặt bán cầu r o : 
Từ đó suy ra : Điện trở của bán cầu có bán kính r o là 
Điện áp tại điểm A nào đó cách tâm bán cầu một khoảng bằng r A được xác định bởi hiệu điện thế : 
* Điện trở nối đ ất của cọc chôn sâu trong đ ất : 
t 
l 
m 
d 
* Điện trở nối đ ất của thanh chôn nằm ngang : 
L 
t 
d 
k - hệ số phụ thuộc vào hình dáng nối đ ất 
t đ ộ chôn sâu 
k_hệ số hình dáng nối đ ất nằm ngang 
19,3 
10,4 
4 
8,45 
8,17 
3 
2,38 
6,46 
2 
1.46 
5,81 
1,5 
1,22 
5,53 
1 
1 
K 
Hình dáng 
K 
Hình dáng 
l 2 
l 1 
2.4 Tính toán nối đ ất ổn đ ịnh 
2)Xác đ ịnh đ iện trở nối đ ất của 1 hệ thống : 
Xét đ iện cực gồm 2 bán cầu bán kính r o 
I d 
I d /2 
I d /2 
r o 
r o 
a 
Điện áp đ ặt trên một đ iện cực chính bằng đ iện áp của hệ thống nối đ ất : 
Điện trở nối đ ất của hệ thống : 
Nh ư vậy so với tr ư ờng hợp lý t ư ởng của 2 bán cầu nối song song , đ iện trở nối đ ất của hệ thống 2 bán cầu khi có sự ảnh h ư ởng lẫn nhau giữa 2 đ iện cực đ ặt trong đ ất t ă ng lên một l ư ợng là : 
Để đ ặc tr ư ng cho hiện t ư ợng này thì ng ư ời ta đư a ra 1 hệ số gọi là hệ số sử dụng 
- η giảm khi a giảm , η t ă ng khi a t ă ng . Chính vì lý do này mà ít khi ng ư ời ta đ óng các cọc quá gần nhau (a ≥3m) 
Nh ư vậy : 
- η giảm khi r o t ă ng , η t ă ng khi r o giảm . 
Khi có hệ thống nối đ ất gồm n cọc liên kết với nhau bằng thanh chôn nằm ngang 
Các hệ số η c và η t đư ợc tra trong các bảng phụ lục 24-27 Sách Bài tập Kỹ thuật đ iện Cao Áp (TS. Hồ V ă n Nhật Ch ươ ng - ĐHBK TP HCM) 
IV) Tính toán nối đ ất chống sét : 
1) Đặc đ iểm : 
 - Dòng đ iện sét có biên đ ộ lớn (I s lớn ), tức mật đ ộ J lớn , suy ra c ư ờng đ ộ đ iện tr ư ờng E lớn . 
Nếu E > E cp đ thì vùng đ ất xung quanh đ iện cực sẽ bị phóng đ iện , lúc này t ươ ng đươ ng với kích th ư ớc của đ iện cực t ă ng làm giảm đ áng kể trị số đ iện trở nối đ ất . 
 - Khi đ ó, đ iện áp đ ặt trên đ iện cực nối đ ất đư ợc tính toán theo biểu thức : 
Vì vậy hệ thống nối đ ất chống sét không thuần tuý nh ư 1 đ iện trở nữa mà là tổng trở Z và làm trị số Ohm t ă ng lên khá lớn . 
 Do lớn do đ ó không thể bỏ qua ảnh h ư ởng 
của đ iện cảm của bản thân đ iện cực . Bởi vì nó gây ra 
một giá trị đ iện áp giáng trên bản thân đ iện cực . 
Thông th ư ờng , khi l >40 m thì lúc đ ó mới xét ảnh h ư ởng của đ iện cảm 
2) Phân loại : 
- Nối đ ất tập trung : khi chiều dài của đ iện cực chôn vào trong đ ất l < 40 m 
Bỏ qua ảnh h ư ởng của L chỉ xét dến hiện t ư ợng phóng đ iện ở trong đ ất 
- Nối đ ất phân bố dài : 
Xét đ ồng thời cả 2 ảnh h ư ởng : 
 + Hiện t ư ợng phóng đ iện trong đ ất 
 + Ảnh h ư ởng của đ iện cảm 
Tuy nhiên bài toán này khá phức tạp , cho nên đ ối với tr ư ờng hợp nay chỉ xét đ ến L bỏ qua hiện t ư ợng phóng đ iện trong đ ất 
3)Xác đ ịnh R xk của nối đ ất tập trung : 
Suy ra 
Xét tại 1 mặt cầu có bán kính r bất kỳ , ta có : 
I s 
r 
r o 
dr 
Xác đ ịnh đ iện áp đ ặt trên hệ thống nối đ ất : 
Nhận xét : R xk gần nh ư không phụ thuộc vào kích th ư ớc hình học ban đ ầu của hệ thống nối đ ất , mà chỉ phụ thuộc vào biên đ ộ dòng đ iện sét , đ iện trở suất tính toán của đ ất . 
Thực tế hiện nay ng ư ời ta th ư ờng tính R xk bằng công thức : 
Với là hệ số xung kích 
Hệ số xung kích đư ợc tra ở các bảng phụ lục 28-38 Sách Bài tập KTĐ Cao áp - TS. Hồ V ă n Nhật Ch ươ ng , ĐHBK TP HCM) tùy theo các giá trị đ iện trở suất của đ ất , giá trị dòng đ iện sét , cách nối đ ất ,... 
* đ iện trở nối đ ất của n cọc liên kết với nhau bằng thanh chôn nằm ngang 
: hệ số sử dụng xung kích ( tra phụ lục 36 Sách Bài tập KTĐ Cao áp - TS. Hồ V ă n Nhật Ch ươ ng , ĐHBK TP HCM) 
Trong đ ó: 
4)Xác đ ịnh Z xk của nối đ ất phân bố dài : 
L o - đ iện cảm trên 1 đơ n vị dài của bản thân đ iện cực 
G o - Điện dẫn trên 1 đơ n vị dài của hê thống nối dất 
S ơ đ ồ thay thế 
l - chiều dài của đ iện cực 
R- điện trở tản ổn định của hệ thống nối đất 
L o 
G o 
L o 
L o 
G o 
G o 
Từ s ơ đ ồ thay thế ta lập đư ợc hệ ph ươ ng trình vi phân : 
Với 
* Tính 
Mà theo toán học thì : 
Ta có : 
Nh ư vậy , giá trị còn lại ta cần tính : 
Ta có nhận xét sau : 
Khi thì giá trị nên bỏ qua . 
Vì vậy , ta chỉ cần tính toán các hệ số k là số nguyên là 1, 2, 3, ... đ ến giá trị gần với k’ nhất . 
Vậy , đ ối với những giá trị k sau đ ây ta sẽ bỏ qua 
R cột 
Quy đ ịnh này xuất phát từ yêu cầu kinh tế - kỹ thuật sao cho hợp lý 
V) Nối đ ất ở đư ờng dây và trạm biến áp : 
1) Nối đ ất ở đư ờng dây : 
Nối đ ất ở đư ờng dây là nối đ ất ở các cột đ iện làm nhiệm vụ nối đ ất chống sét và nối đ ất này đư ợc xem là dạng nối đ ất tập trung . 
I s 
Hiện nay ng ư ời ta quy đ ịnh nh ư sau : 
Yêu cầu kỹ thuật : 
2) Nối đ ất ở trạm biến áp : 
- Nối đ ất an toàn 
Có 2 loại nối đ ất : 
- Nối đ ất chống sét 
Nguyên tắc : làm 2 hệ thống nối đ ất khác nhau là tốt nhất cho 2 loại nối đ ất 
Tuy nhiên việc thực hiện 2 hệ thống nối đ ất trong 1 trạm phân phối là không thể làm đư ợc , mà chỉ có 1 hệ thống nối đ ất làm cả 2 nhiệm vụ . 
+ Hiện nay, quy đ ịnh tiêu chuẩn đ ối với nối đ ất an toàn : 
+ Đối với nối đ ất chống sét 
- U ≥ 110KV : 
- U ≤ 35KV :