QUAN
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Nối đất an toàn trong hệ thống điện là yếu tố thiết yếu để bảo vệ người và thiết bị khỏi nguy hiểm Trong mạng lưới truyền tải điện và mạng điện công nghiệp, vỏ thiết bị thường không mang điện, nhưng khi có điện áp bất ngờ hoặc dòng rò, điều này có thể đe dọa tính mạng con người Do đó, việc triển khai một hệ thống nối đất an toàn là cần thiết và phải tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo an toàn cho người sử dụng và thiết bị điện Ý nghĩa của nối đất là tạo ra một mạch điện giữa vỏ thiết bị và đất với độ dẫn điện lớn hơn điện dẫn của cơ thể người, giúp dòng điện khi chạm vào vỏ thiết bị trở nên không nguy hiểm.
Khi dòng điện xoay chiều đi qua hệ thống điện cực vào đất, nó tạo ra một điện trường xung quanh, dẫn đến sự phân bố điện trường và điện thế trong đất Do đó, khi thiết kế lưới nối đất an toàn, cần chú ý không chỉ đến giá trị điện trở nối đất mà còn đến độ chênh lệch điện thế nhằm giảm điện áp bước và điện áp tiếp xúc trong trường hợp xảy ra sự cố Một lưới nối đất an toàn theo tiêu chuẩn IEEE Std 80 sẽ xác định được giá trị điện áp bước và điện áp tiếp xúc trong giới hạn cho phép Đề tài “Chương trình hóa thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao thế theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013” sẽ nghiên cứu tiêu chuẩn này để thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao thế, đảm bảo các điều kiện an toàn về điện trở nối đất cũng như điện áp bước và điện áp tiếp xúc.
CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
Hiện nay, nhiều nghiên cứu và bài báo khoa học đã đề cập đến việc thiết kế hệ thống nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, chú trọng đến điện áp bước và điện áp tiếp xúc Tuy nhiên, vẫn chưa có thiết kế tổng quát cho các hình dạng lưới nối đất và chưa xem xét thiết kế cho lưới nối đất không đều Hơn nữa, việc lập trình trên môi trường Matlab để phục vụ cho thiết kế này vẫn chưa được thực hiện một cách tổng quát và tiện dụng.
Luận văn cao học "Nghiên cứu phân bố lưới nối đất an toàn trạm biến áp" đã trình bày bảng số liệu thực nghiệm giúp tối ưu hóa số lượng thanh dẫn nối đất giữa lưới nối đất phân bố không đều và đều Để đơn giản hóa quá trình thiết kế, cần xây dựng các hàm toán học tổng quát và trình tự các bước thiết kế cụ thể, nhằm chương trình hóa quá trình này, đặc biệt trên môi trường Matlab, từ đó tiết kiệm thời gian, công sức và đảm bảo tính chính xác trong thiết kế hệ thống nối đất.
GIÁ TRỊ THỰC TIỄN
Cung cấp công cụ tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp, giúp các công ty điện lực, công ty tư vấn thiết kế điện và công ty xây dựng điện thực hiện tính toán nhanh chóng với độ chính xác cao.
Tài liệu tham khảo này được thiết kế dành cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điện, nhằm hỗ trợ trong công tác nghiên cứu về nối đất và bảo vệ chống sét.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài này là phân tích quy trình thiết kế hệ thống nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80 – 2013, nhằm áp dụng cho việc thiết kế hệ thống nối đất tại trạm biến áp cao thế, cả trong trường hợp lưới nối đất đồng đều và không đồng đều.
Chương trình sử dụng phần mềm Matlab để thiết kế các bước, xuất các giá trị tính toán và so sánh giữa lưới nối đất đều và không đều, đồng thời đánh giá tính tối ưu của chúng.
Chọn lọc, thu thâ ̣p và đo ̣c hiểu nhƣ̃ng tài liê ̣u liên quan đến hệ thống nối đất.
Nghiên cứu tiêu chuẩn IEEE Std80 - 2013 thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao thế
Xây dựng chương trình tính toán nối đất hệ thống trong môi trường Matlab
Dựa trên tiêu chuẩn IEEE Std 80 – 2013, bài nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao thế, bao gồm cả tính toán cho các trường hợp lưới nối đất đều và không đều.
Xây dựng chương trình tính toán hệ thống nối đất trong môi trường Matlab
Xuất kết quả và so sánh cũng như đánh giá hiệu quả thiết kế đối với lưới nối đất đều và không đều
Chương 2: TIÊU CHUẨN IEEE Std 80-2013 VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP CAO THẾ
Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VỚI LƯỚI PHÂN BỐ ĐỀU
Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VỚI LƯỚI PHÂN BỐ KHÔNG ĐỀU
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
TIÊU CHUẨN IEEE Std 80-2013 VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP CAO THẾ
2.1 MỤC ĐÍCH CỦA TIÊU CHUẨN
Tiêu chuẩn này nhằm cung cấp hướng dẫn và thông tin cần thiết cho thiết kế hệ thống nối đất trong trạm biến áp, với các mục tiêu cụ thể được nêu rõ.
Thiết lập các vấn đề cơ bản cho thiết kế bao gồm việc xác định giới hạn an toàn và mức độ chênh lệch điện thế có thể xảy ra trong trạm khi có sự cố, cũng như những điểm mà con người có thể tiếp xúc.
Xem xét các hệ thống nối đất thực tế và tham khảo các tiêu chuẩn an toàn là rất quan trọng để thiết kế một hệ thống nối đất an toàn Việc áp dụng những tiêu chuẩn này giúp đảm bảo an toàn cho người sử dụng và giảm thiểu rủi ro trong các tình huống điện.
Cung cấp qui trình cho thiết kế hệ thống nối đất dựa vào tiêu chuẩn này
Phát triển phương pháp phân tích giúp nhận biết và giải quyết vấn đề chênh lệch điện áp
2.2 VẤN ĐỀ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
2.2.1 Những vấn đề cơ bản
Thiết kế hệ thống nối đất an toàn phải đảm bảo hai mục đích sau:
Đảm bảo dòng điện được truyền vào đất trong điều kiện bình thường và khi có sự cố mà không vượt quá giá trị vận hành và giới hạn chịu đựng của thiết bị, đồng thời không ảnh hưởng đến sự liên tục cung cấp điện.
Đảm bảo rằng con người trong vùng lân cận hệ thống nối đất không đối mặt với những nguy hiểm về điện giật
Trước đây, nhiều người nghĩ rằng thiết bị nối đất luôn an toàn khi tiếp xúc Tuy nhiên, mối quan hệ giữa điện trở của hệ thống nối đất và dòng điện chạy qua cơ thể con người rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố Do đó, một trạm biến áp với điện trở nối đất thấp có thể gây nguy hiểm, trong khi một trạm biến áp khác có điện trở cao hơn lại có thể đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Hình 2.1: Hệ thống có trung tính nối đất trực tiếp
Trạm điện trong trường hợp này được cấp điện qua đường dây trên không mà không có dây trung tính nối đất trực tiếp Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, phần lớn dòng điện sẽ chạy vào lưới nối đất, gây ra sự chênh lệch điện áp lớn trong trạm Do đó, việc đảm bảo điện trở nối đất thấp là rất cần thiết cho trạm.
Trong một số trường hợp, việc phân tích ảnh hưởng của dòng điện chạy vào đất tại khu vực trạm là cần thiết Nếu hình dạng và kích thước của cực nối đất, cùng với đặc tính của đất và các yếu tố khác, tạo ra điện áp dốc quá mức cho phép trên bề mặt trạm, thì hệ thống nối đất sẽ không đạt yêu cầu Điều này xảy ra mặc dù hệ thống có khả năng dẫn dòng điện với biên độ đủ lớn và thời gian cho phép để rơ le bảo vệ có thể phát hiện và ngắt sự cố.
Hình 2.2: Hệ thống có trung tính nối đất qua thiết bị bảo vệ
Khi xảy ra sự cố, một phần dòng sự cố sẽ chạy ngược qua thiết bị bảo vệ để trở về nguồn, giúp giảm chênh lệch điện áp trong trạm Điều này làm giảm nguy hiểm và cải thiện an toàn cho hệ thống điện.
2.2.2 Những điều kiện nguy hiểm
Khi xảy ra sự cố chạm đất, dòng điện sẽ chạy vào đất, tạo ra sự chênh lệch điện áp trong và xung quanh trạm biến áp Nếu tiêu chuẩn an toàn không được áp dụng trong thiết kế, chênh lệch điện áp lớn trên bề mặt đất có thể gây nguy hiểm cho con người Hơn nữa, điện áp nguy hiểm này cũng có thể xuất hiện giữa các kết cấu nối đất, vỏ thiết bị và các điểm lân cận.
Những tình huống có thể xảy ra tai nạn điện giật:
Dòng sự cố lớn chạy vào trong hệ thống nối đất nhƣng không thoát hết xuống đất
Do điện trở suất cuả đất và dòng chạy vào đất tạo ra điện thế cao trên bề mặt
Có sự hiện diện của những yếu tố: thời gian, vị trí cơ thể con người tiếp xúc vào hai điểm có sự chênh lệch điện thế cao
Tiếp xúc trực tiếp hoặc không có điện trở mắc nối tiếp để hạn chế dòng qua cơ thể người xuống dưới mức an toàn
Do thời gian bị sự cố và cách tiếp xúc của cơ thể người nên dòng điện qua lâu dẫn đến nguy hiểm
2.3 TÁC HẠI CỦA DÕNG ĐIỆN ĐỐI VỚI CƠ THỂ NGƯỜI
Dòng điện truyền qua cơ thể con người sẽ gây ra tác dụng về nhiệt, về điện và về sinh học:
Tác động nhiệt do dòng điện gây ra có thể dẫn đến những nguy hiểm nghiêm trọng cho cơ thể, đặc biệt là bỏng Khi dòng điện đi qua cơ thể, nó có thể làm nóng và gây tổn thương cho các mạch máu, dây thần kinh, tim, não và nhiều bộ phận khác, dẫn đến sự phá hủy hoặc rối loạn chức năng của chúng.
MỤC ĐÍCH CỦA TIÊU CHUẨN
Tiêu chuẩn này nhằm cung cấp hướng dẫn và thông tin cần thiết cho việc thiết kế hệ thống nối đất trong trạm biến áp, với các mục đích cụ thể được nêu rõ.
Việc thiết lập các vấn đề nền tảng cho thiết kế là rất quan trọng, bao gồm việc xác định giới hạn an toàn và sự chênh lệch điện thế có thể xảy ra trong trạm khi có sự cố Đồng thời, cần chú ý đến những điểm mà con người có thể tiếp xúc để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
Xem xét các hệ thống nối đất thực tế, bài viết này tập trung vào việc đảm bảo an toàn bằng cách đưa ra những tiêu chuẩn thiết kế nối đất an toàn Các tham khảo đặc biệt về an toàn sẽ được phân tích để cải thiện hiệu quả của hệ thống nối đất trong thực tiễn.
Cung cấp qui trình cho thiết kế hệ thống nối đất dựa vào tiêu chuẩn này
Phát triển phương pháp phân tích giúp nhận biết và giải quyết vấn đề chênh lệch điện áp.
VẤN ĐỀ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
2.2.1 Những vấn đề cơ bản
Thiết kế hệ thống nối đất an toàn phải đảm bảo hai mục đích sau:
Đảm bảo rằng dòng điện được truyền vào đất trong điều kiện bình thường và sự cố mà không vượt quá giới hạn vận hành và khả năng chịu đựng của thiết bị, đồng thời không ảnh hưởng đến sự liên tục trong việc cung cấp điện.
Đảm bảo rằng con người trong vùng lân cận hệ thống nối đất không đối mặt với những nguy hiểm về điện giật
Trước đây, nhiều người nghĩ rằng thiết bị nối đất luôn an toàn khi tiếp xúc Tuy nhiên, mối liên hệ giữa điện trở của hệ thống nối đất và dòng điện qua cơ thể người rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố Do đó, một trạm biến áp có điện trở nối đất thấp có thể gây nguy hiểm, trong khi một trạm khác có điện trở cao hơn lại có thể đảm bảo an toàn cho con người.
Hình 2.1: Hệ thống có trung tính nối đất trực tiếp
Trong trường hợp trạm được cấp điện bởi đường dây trên không không có dây trung tính nối đất trực tiếp, sự cố ngắn mạch sẽ khiến phần lớn dòng ngắn mạch chạy vào lưới nối đất, tạo ra sự chênh lệch lớn trong điện áp phân bố tại trạm Vì vậy, trạm cần phải có điện trở nối đất thấp để đảm bảo an toàn và ổn định.
Trong một số trường hợp, cần phân tích ảnh hưởng của dòng điện chạy vào đất tại khu vực trạm Nếu hình dạng và kích thước của cực nối đất, cùng với đặc tính đất và các yếu tố khác, tạo ra đường dốc điện áp vượt quá mức cho phép trên bề mặt trạm, hệ thống nối đất sẽ không đạt yêu cầu Điều này có thể xảy ra ngay cả khi nó dẫn dòng điện đủ lớn và thời gian cho phép rơ le bảo vệ phát hiện và cắt sự cố.
Hình 2.2: Hệ thống có trung tính nối đất qua thiết bị bảo vệ
Khi xảy ra sự cố, một phần dòng sự cố sẽ chạy ngược qua thiết bị bảo vệ để trở về nguồn, giúp giảm chênh lệch điện áp trong trạm và làm giảm nguy hiểm.
2.2.2 Những điều kiện nguy hiểm
Khi xảy ra sự cố chạm đất, dòng điện sẽ chạy vào đất, tạo ra sự chênh lệch điện áp bên trong và xung quanh trạm biến áp Nếu thiết kế không tuân thủ tiêu chuẩn an toàn, chênh lệch điện áp lớn trên bề mặt đất trong điều kiện sự cố có thể gây nguy hiểm cho con người Hơn nữa, điện áp nguy hiểm này cũng có thể xuất hiện giữa các cấu trúc nối đất hoặc vỏ thiết bị và các điểm lân cận.
Những tình huống có thể xảy ra tai nạn điện giật:
Dòng sự cố lớn chạy vào trong hệ thống nối đất nhƣng không thoát hết xuống đất
Do điện trở suất cuả đất và dòng chạy vào đất tạo ra điện thế cao trên bề mặt
Có sự hiện diện của những yếu tố: thời gian, vị trí cơ thể con người tiếp xúc vào hai điểm có sự chênh lệch điện thế cao
Tiếp xúc trực tiếp hoặc không có điện trở mắc nối tiếp để hạn chế dòng qua cơ thể người xuống dưới mức an toàn
Do thời gian bị sự cố và cách tiếp xúc của cơ thể người nên dòng điện qua lâu dẫn đến nguy hiểm.
TÁC HẠI CỦA DÕNG ĐIỆN ĐỐI VỚI CƠ THỂ NGƯỜI
Dòng điện truyền qua cơ thể con người sẽ gây ra tác dụng về nhiệt, về điện và về sinh học:
Nhiệt độ cao do dòng điện gây ra có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng cho cơ thể, chủ yếu là bỏng Khi dòng điện đi qua cơ thể, nó có thể làm nóng các mạch máu, dây thần kinh, tim, não và nhiều bộ phận khác, dẫn đến tổn thương hoặc rối loạn chức năng của các cơ quan này.
Điện phân có tác dụng phân hủy các chất lỏng trong cơ thể, đặc biệt là máu, dẫn đến tổn hại cho cả máu lẫn các mô trong cơ thể.
Dòng điện có tác dụng kích thích và phá hoại quá trình sinh học của cơ thể, gây ra co giật cơ bắp và làm tổn thương các tế bào Sự ảnh hưởng này có thể dẫn đến việc ngừng hoạt động hoàn toàn của các cơ quan hô hấp, tuần hoàn và hệ thần kinh Mức độ tác động của dòng điện qua cơ thể người phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc, biên độ và tần số của dòng điện.
2.3.1 Ảnh hưởng của tần số
Dòng điện tần số 50 Hz đến 60 Hz có thể gây thương tích nghiêm trọng cho con người, với giá trị khoảng 0,1A có khả năng dẫn đến tử vong Nghiên cứu cho thấy cơ thể con người có thể chịu đựng dòng điện tần số 25Hz gấp 5 lần so với dòng điện một chiều Ở tần số từ 3000 đến 10000Hz, khả năng chịu đựng dòng điện cao hơn, và trong một số trường hợp, con người có thể chịu được dòng điện lớn tương đương với dòng điện sét.
2.3.2 Ảnh hưởng của biên độ và thời gian tác dụng của dòng điện
Với một giá trị của tần số, tùy theo mức độ của biên độ dòng điện sẽ gây tác dụng khác nhau đến cơ thể con người:
Dòng điện 1mA thường gây cảm giác ngứa ngáy ở bàn tay hoặc đầu ngón tay khi có dòng điện chạy qua, cho thấy sự nhạy cảm của cơ thể đối với điện.
Dòng điện từ 1 – 6 mA bắt đầu gây giật nhưng con người có thể thoát khỏi đƣợc
Dòng điện từ 9 – 25 mA có thể gây đau đớn và làm cứng cơ khớp, khiến con người không thể thoát ra khỏi mạng điện Ngoài ra, dòng điện này còn có khả năng gây teo cơ và khó thở.
Dòng điện từ 60 – 100mA làm cho tim ngƣng đập và gây tử vong
Việc xác định ngưỡng nguy hiểm của dòng điện là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống nối đất Nếu hệ thống nối đất được thiết kế với mục tiêu hạn chế dòng điện qua cơ thể con người dưới các ngưỡng nguy hiểm, sẽ giúp bảo vệ an toàn cho con người.
Dalziel đã đƣa ra biểu thức quan hệ giữa dòng điện giới hạn trong khoảng thời gian tác dụng 0.03 – 3 s với năng lượng tác động lên cơ thể con người:
I B : là giá trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua cơ thể người t s : là thời gian tác dụng của dòng điện
S B :là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào năng lượng dòng điện mà cơ thể con người có thể chịu đƣợc
2.3.3 Tầm quan trọng của việc cắt nhanh sự cố
Theo biểu thức liên hệ trong phương trình (2.1) trên, nhận thấy việc cắt nhanh dòng sự cố có hai ƣu điểm chính:
Khả năng bị điện giật giảm đi nhiều do việc rút ngắn thời gian tồn tại của dòng điện
Kết quả kiểm tra thực nghiệm cho thấy rằng khả năng gây nguy hiểm của dòng điện sẽ giảm đáng kể khi thời gian tác dụng của nó được rút ngắn.
GIỚI HẠN DÕNG ĐIỆN CƠ THỂ NGƯỜI CHỊU ĐỰNG
2.4.1.Công thức thời gian tác dụng
Biên độ và thời gian tác dụng của dòng điện có tần số từ 50 – 60 Hz mà con người có thể chịu đựng được xác định theo phương trình (2.1)
Khoảng 99,5% số người có thể an toàn khi tiếp xúc với dòng điện, miễn là biên độ và thời gian tác dụng không vượt quá các giá trị quy định.
Giới hạn dòng điện đối với người 50kg, k = 0.116 s
Giới hạn dòng điện đối với người 70kg, k = 0.157 s
2.4.2.Vấn đề đóng lại của đường dây khi sự cố Ở hệ thống điện có thiết bị tự đóng lại, khi có sự cố ngắn mạch chạm đất sau một thời gian t1 duy trì sự cố gây nên lần điện giật thứ 1, tuy nhiên không gây nguy hiểm cho người do tự động cắt sự cố Sau một thời gian t2 thiết bị sẽ tự động đóng lại và duy trì trong thời gian t3, gây nên lần điện giật thứ 2 và có thể gây nguy hiểm cho con
MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG KHI NGƯỜI BỊ TẠI NẠN ĐIỆN
2.5.1 Điện trở của cơ thể người Đối với dòng điện DC hoặc dòng điện AC tần số 50 – 60 Hz cơ thể người được đặc trưng bởi một giá trị điện trở Đường đi của dòng điện được xem xét đi từ tay sang chân hay từ chân sang chân Điện trở bên trong cơ thể người khoảng 300 và giá trị điện trở của cơ thể người bao gồm cả da khoảng 500 đến 3000 Điện trở của cơ thể người sẽ giảm khi da bị thương hay bị rách ở điểm tiếp xúc Trong tiêu chuẩn này giá trị điện trở người được chọn là 1000[6]
2.5.2 Đường đi của dòng điện qua cơ thể người Điện trở người được chọn có giá trị 1000 và đường đi của dòng điện qua cơ thể người từ tay đến 1 hoặc 2 chân và dòng điện đi qua các bộ phận quan trọng của cơ thể người bao gồm cả tim Đồng ý rằng dòng điện đi qua cơ thể người theo hướng từ chân sang chân thì ít nguy hiểm hơn Những thí nghiệm đƣợc hoàn thành tại Đức cho thấy dòng điện đi từ chân sang chân lớn hơn dòng điện đi từ tay sang chân thì dòng điện qua tim vẫn nhƣ nhau
Giá trị điện trở của con người có thể vượt quá 1000Ω khi dòng điện di chuyển từ chân này sang chân kia Tuy nhiên, cần lưu ý hai yếu tố quan trọng sau đây.
Điện áp giữa 2 chân, bệnh tật nhƣng chƣa tử vong, có thể dẫn đến dòng điện qua ngực lớn
Một người đang làm việc hoặc đang nghỉ ngơi trong tư thế nằm sấp khi sự cố xảy ra
2.5.3 Mạch điện tương đương khi người bị điện giật
Dòng điện sẽ chạy qua cơ thể con người tạo thành một mach khép kín
Để xác định giới hạn điện áp giữa hai điểm tiếp xúc, cần sử dụng giới hạn dòng điện qua cơ thể người được quy định trong công thức (2.4) và (2.5), cùng với mạch điện tương đương.
Hình 2.3: Điện áp tiếp xúc
Với: I b là dòng qua cơ thể người; R A là điện trở của mạch sự cố; V A là tổng điện áp của mạch
Hình 2.3 minh họa dòng điện sự cố đi vào đất qua hệ thống nối đất của trạm Khi người tiếp xúc với bộ phận kim loại tại vị trí H, điện thế tại H tương đương với điện thế của lưới nối đất khi dòng sự cố chạy vào lưới Tại vị trí F, điện thế là điện thế trên bề mặt đất tại hai chân người tiếp xúc Dòng điện Ib chảy từ H qua cơ thể người đến F và xuống đất.
Hình 2.4:Sơ đồ mạch điện cho điện áp tiếp xúc
Điện áp V th giữa hai điểm H và F khi người chưa tiếp xúc, trong khi Z th là tổng trở của hệ thống từ H đến F, kết nối với nguồn áp hệ thống RB đại diện cho điện trở của người, và I b là dòng điện chạy qua cơ thể người.
Hình 2.5 minh họa dòng điện sự cố đi vào đất qua hệ thống nối đất của trạm Dòng điện Ib di chuyển từ điểm F1, qua cơ thể người, đến điểm F2, trong đó F1 và F2 là hai điểm trên bề mặt hệ thống nối đất mà người tiếp xúc.
Hình 2.6: Sơ đồ mạchđiện cho điện áp bước
V th : Điện áp giữa 2 điểm F1 và F 2 khi người chưa tiếp xúc
Z th : Tổng trở của hệ thống nhìn từ F 1 và F 2 , nối tắt nguồn áp hệ thống
R f : Điện trở tiếp đất của 1 chân người (bỏ qua điện trở của hệ thống nối đất)
I b : Dòng điện qua cơ thể người
s (.m): Điện trở suất của lớp đất bề mặt b =0.08m: Bán kính bàn chân người
- Khi xác định điện áp bước thì Z th = 2R f = 6 s
- Khi xác định điện áp tiếp xúc thì Z th = 0,5R f = 1,5 s
Do đó điện áp bước và điện áp tiếp xúc giới hạn là
2.5.4 Ảnh hưởng của bề dày lớp đất bề mặt
Các phương trình được áp dụng cho đất đồng nhất, nhưng trên bề mặt trạm thường có lớp đá dày từ 0.08 – 0.15 m nhằm tăng cường điện trở giữa người và lớp đất tiếp xúc Khu vực trải đá đủ rộng để coi như con người tiếp xúc với lớp đất có điện trở suất đồng đều theo phương ngang Tuy nhiên, với lớp đá mỏng, đất sẽ được xem như không đồng nhất theo phương đứng khi xác định điện trở.
Nếu lớp đất dưới có điện trở suất thấp hơn lớp bề mặt, dòng điện ngược lên bề mặt sẽ rất nhỏ và điện áp trên bề mặt sẽ đồng đều Dòng điện qua cơ thể người giảm do điện trở tiếp xúc giữa chân và đất lớn Hệ số suy giảm này phụ thuộc vào điện trở suất của lớp đất dưới, điện trở suất của lớp bề mặt và độ dày của lớp đất bề mặt.
C s là hệ số hiệu chỉnh làm giảm điện trở suất của lớp đất bề mặt b = 0,08 m (bán kính qui đổi của bàn chân khi tính điện trở)
Hình 2.7: Quan hệ giữa bề dày lớp đất bề mặt h s và hệ số C s với s 00m
Nhận xét: Khi bề dày lớp đất bề mặt càng tăng thì hệ số Cs càng tăng và tiến gần đến
Khi bề dày lớp đất bề mặt lớn, chúng ta có thể coi lớp đất này là đồng nhất, với điện trở suất tương đương với điện trở suất của lớp đất bề mặt.
C s : Đƣợc xác định theo công thức đơn giản với sai số 5%
GIÁ TRỊ LỚN NHẤT CHO PHÉP CỦA ĐIỆN ÁP BƯỚC VÀ ĐIỆN ÁP TIẾP XệC
Điện áp bước và điện áp tiếp xúc lớn nhất cho phép là tiêu chuẩn quan trọng trong thiết kế hệ thống nối đất an toàn Nếu điện áp bước và điện áp tiếp xúc của lưới nối đất nhỏ hơn giá trị quy định, hệ thống này sẽ đáp ứng yêu cầu an toàn Giá trị tối đa của điện áp bước và điện áp tiếp xúc càng nhỏ, việc thiết kế lưới nối đất càng trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.
Sự an toàn của con người liên quan chặt chẽ đến việc ngăn ngừa năng lượng giật trước khi xảy ra sự cố và xử lý kịp thời Điện áp tiếp xúc giới hạn được xác định cho người có khối lượng 50kg và 70kg là yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe và tính mạng.
(2.15) Điện áp bước giới hạn đối với người có khối lượng 50kg và 70kg:
E step :là điện áp bước (V)
E touch :là điện áp tiếp xúc (V) t s :thời gian tác dụng của dòng điện (s)
C s :hệ số hiệu chỉnh ρ s : điện trở suất của lớp đá bề mặt (Ωm)
XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRỞ CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
Một bước quan trọng trong việc xác định kích thước và bố trí cơ bản của hệ thống nối đất là đánh giá điện trở của nó Điện trở này chủ yếu phụ thuộc vào diện tích mà hệ thống nối đất chiếm lĩnh, thường được xem xét trong giai đoạn thiết kế ban đầu.
Hệ thống nối đất lý tưởng có điện trở gần bằng 0 so với đất Đối với hầu hết các trạm truyền tải và các trạm lớn hơn, điện trở của hệ thống nối đất thường đạt khoảng 1 ohm.
Ω hoặc thấp hơn Tại các trạm nhỏ hơn, điện trở có thể đƣợc chấp nhận từ 1 – 5 Ω, tùy thuộc vào các điều kiện cục bộ[8]
Khi lưới nối đất có độ chôn sâu từ 0.25 – 2.5 m điện trở sẽ được xác định theo công thức gần đúng của Sverak:
Trong đó: ρ :điện trở suất đo đƣợc vào thời điểm đo (Ωm)
A :diện tích lưới nối đất (m 2 )
L T : tổng chiều dài của hệ thống cọc và thanh nối đất (m) h : độ chôn sâu của lưới nối đất (m)
2.7.2 Công thức Schwarz Được sử dụng khi cần xác định giá trị chính xác đặc biệt đối với lưới nối đất có cả cọc và thanh nối đất: m m g R R R
R 1 : điện trở của các thanh dẫn (Ω)
R 2 : điện trở của các cọc nối đất (Ω)
R m : điện trở tương tác giữa R1 và R2 (Ω)
L C : tổng chiều dài của thanh dẫn được kết nối trong lưới (m) a ' = a.2h, với 2a là đường kính của thanh dẫn (m)
A : diện tích của lưới nối đất (m 2 ) h : độ sâu chôn lưới (m)
L r : tổng chiều dài của mỗi cọc nối đất (m)
2b : đường kính của cọc (m) n R : số cọc nối đất
(2.22) k 1 , k 2 là các hệ số sẽ được xác định như đồ thị dưới đây
CÁC BƯỚC THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
Có 2 mục tiêu để cần phải đạt đƣợc khi thiết kế hệ thống nối đất khi vận hành bình thường cũng như sự cố
Đảm bảo thoát hết dòng trong đất mà không có sự gia tăng lớn hơn giới hạn của thiết bị cũng nhƣ điều khiện vận
Đảm bảo người tiếp cận với những thiết bị nối đất thì không bị điện giật
Bước đầu tiên trong việc thực hiện nối đất là xác định sơ đồ và vị trí trạm biến áp, từ đó chọn lựa địa điểm thích hợp nhất Tiếp theo, cần xác định kích thước của lưới nối đất A, kiểm tra điện trở suất của đất và xác định mô hình đất để tính toán điện trở suất của đất ρ.
Bước 2: Xác định tiết diện dây dẫn cho hệ thống nối đất bằng cách tính toán dòng sự cố lớn 3I0 Thời gian tc cần được xác định, đây là khoảng thời gian tối đa để cô lập sự cố an toàn.
Bước 3 : Xác định giới hạn điện áp bước, điện áp tiếp xúc và xác định khoảng thời gian điện giật
Bước 4 trong thiết kế sơ bộ bao gồm việc tạo ra hệ thống nối đất xung quanh chu vi và lắp đặt dây nối đất dọc bên trong để đảm bảo kết nối hiệu quả cho các thiết bị Cần xác định khoảng cách giữa các dây nối đất và vị trí cọc nối đất dựa trên dòng I G và diện tích nối đất.
Bước 5: Tính toán điện trở ban đầu của hệ thống nối đất trong mô hình đất đồng nhất là rất quan trọng Để có thiết kế chính xác, cần phải xác định giá trị này dựa trên mô phỏng các thành phần của hệ thống nối đất, đồng thời đảm bảo rằng mô hình đất được lựa chọn là chính xác.
Bước 6: Xác định dòng lớn nhất chạy vào lưới nối đất và đất là rất quan trọng Cần tránh thiết kế dư thừa, chỉ cần đảm bảo dòng sự cố tổng 3I0 sẽ đi qua lưới tới khu vực đất xa được sử dụng trong thiết kế Dòng IG thể hiện loại và vị trí sự cố, đồng thời phản ánh hệ số suy giảm cũng như khả năng mở rộng hệ thống trong tương lai.
Nếu giá trị gia tăng điện áp GPR thấp hơn điện áp tiếp xúc có thể chịu đựng được, không cần tính toán thêm Chỉ cần thêm dây nối từ thiết bị nối đất đến hệ thống nối đất.
Bước 8 : Tính toán điện áp bước và điện áp lưới cho lưới mới vừa hoàn thành
Nếu điện áp lưới thấp hơn điện áp tiếp xúc chịu đựng, quá trình thiết kế đã hoàn tất Ngược lại, nếu điện áp lưới cao hơn điện áp tiếp xúc chịu đựng, cần phải điều chỉnh thiết kế ban đầu.
Nếu điện áp bước và điện áp tiếp xúc thấp hơn giới hạn chịu đựng, thiết kế chỉ cần đảm bảo kết nối vào thiết bị nối đất Nếu không, cần phải điều chỉnh lại thiết kế ban đầu.
Bước 11: Khi giới hạn chịu đựng của điện áp bước và điện áp tiếp xúc tăng lên, cần điều chỉnh thiết kế ban đầu Việc thay đổi này có thể bao gồm việc giảm khoảng cách giữa các dây nối đất và bổ sung thêm cọc nối đất Mục tiêu là đảm bảo giới hạn điện áp tiếp xúc và điện áp bước được duy trì an toàn.
Bước 12: Để đảm bảo an toàn điện, cần kiểm tra điện áp bước và điện áp tiếp xúc Ngoài ra, cần thêm lưới và cọc nối đất vào hệ thống Nếu thiết kế không bao gồm dây dẫn nối thiết bị xuống hệ thống nối đất, hãy thêm dây dẫn cho lưới Đặc biệt, cần lắp đặt cọc nối đất dưới các thiết bị chống sét và trung tính của máy biến áp.
2.8.2 Lưu đồ tính toán thiết kế hệ thống nối đất
Thông số mô hình đất: A, ρ Chọn tiết diện dây LNĐ:3I 0 , t C , d
Tiêu chuẩn điện áp bước và điện áp tiếp xúc
Thiết kế ban đầu:D, N, L C , L T , h Điện trở lưới nối đất: R g ,L C ,L R
Tính điện áp lưới và điện áp bước
Thay đổi thiết kế ban đầu
Bước 11 Đ ngĐ ng Đ ngĐ ng SaiSai
Bảng 2.1 Ý nghĩa của các thông số trong tiêu chuẩn
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị
Điện trở suất của lớp đất bên dưới m
s Điện trở suất của lớp đá bề mặt m
3I 0 Dòng ngắn mạch chạm đất lớn nhất A
A Diện tích lưới nối đất m 2
C s Hệ số hiệu chỉnh làm giảm điện trở suất của lớp đất bề mặt d Đường kính của dây dẫn làm lưới nối đất m
D Khoảng cách giữa những thanh dẫn song song m
D f Hệ số tính đến ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ được dùng để tính I G
D m Khoảng cách lớn nhất giữa 2 điểm bất kỳ trên lưới m
E m Điện áp lưới ở giữa những mắt lưới V
E s Điện áp bước giữa 2 điểm trên mặt đất Một điểm nằm ở góc ngoài của lưới và điểm còn lại nằm trên đường chéo hướng ra phía ngoài cách đó 1 m V
E step50 Điện áp bước giới hạn đối với người nặng 50 kg V
E step70 Điện áp bước giới hạnđối với người nặng 70 kg V
E touch50 Điện tiếp xúc giới hạnđối với người nặng 50 kg V
E touch70 Điện tiếp xúc giới hạnđối với người nặng 70 kg V h Độ sâu của lưới nối đất m h s Bề dy của lớp đất bề mặt m
I G Dòng tản vào đất lớn nhất (chạy giữa lưới và đất) A
K Hệ số phản xạ của đất (điện trở suất đất khác nhau)
K h Hệ số hiệu chỉnh độ chôn sâu của lưới nối đất
K i Hệ số hiệu chỉnh cho hình dạng của lưới nối đất
K ii Hệ số hiệu chỉnh cách bố trí cọc trong lưới nối đất
K m Hệ số khoảng cách cho điện áp lưới
K s Hệ số khoảng cách cho điện áp bước
L C Tổng chiều dài các dây dẫn của lưới m
L M Chiều dài ảnh hưởng của L C + L R đối với điện áp lưới m
L R Tổng chiều dài của các cọc nối đất m
L r Chiều dài của mỗi cọc nối đất m
L S Chiều dài ảnh hưởng của L C + L R đối với điện áp bước m
L T Tổng chiều dài ảnh hưởng của hệ thống nối đất, bao gồm lưới và cọc m
L x Chiều dài lớn nhất của lưới theo phương x m
L y Chiều dài lớn nhất của lưới theo phương y m n Hệ số hình học bao gồm n a , n b , n c ,n d nR Tổng số cọc đƣợc dùng trong diện tích A
R g Điện trở của hệ thống nối đất
Hệ số phân chia dòng sự cố là yếu tố quan trọng trong việc tính toán dòng hỗ cảm qua dây chống sét, không đi qua lưới nối đất Khoảng thời gian tồn tại của dòng sự cố (S t f) được sử dụng để xác định kích cỡ dây nối đất Đồng thời, khoảng thời gian tồn tại của dòng ngắn mạch (D f S t s) cũng cần được xác định để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VỚI LƯỚI NỐI ĐẤT PHÂN BỐ ĐỀU
CÁC BƯỚC THIẾT KẾ
Áp dụng các bước hướng dẫn thiết kế hệ thống nối đất của tiêu chuẩn IEEE Std 80 –
2013, ta xây dựng được trình tự thiết kế cho lưới nối đất phân bố đều
Để đảm bảo hiệu quả trong việc nối đất, cần xác định sơ đồ và vị trí của trạm biến áp, từ đó chọn lựa vị trí thích hợp nhất cho việc thực hiện nối đất Bên cạnh đó, việc xác định kích thước của lưới nối đất và tính toán diện tích lưới cần thiết cũng rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.
A (m 2 ).Kiểm tra và xác định điện trở suất của đấtρ, điển trở suất của lớp đá bề mặt ρ s , bề dày của lớp đá bề mặt h s
Để xác định tiết diện dây dẫn, cần tính toán dòng điện chạm đất 3I0 Từ dòng điện này, chúng ta có thể lựa chọn sơ bộ dây dẫn cho hệ thống nối đất Thời gian t c là thời gian lớn nhất để cô lập sự cố.
Trong trường hợp sự cố 2 pha chạm đất, dòng sự cố thứ tự không được xác định:
I 0 : dòng sự cố thứ tự không (A)
R f : điện trở ước tính của sự cố (Ω) (thường giả sử là R f = 0)
R 1 : điện trở thứ tự thuận (Ω)
R 2 : điện trở thứ tự nghịch (Ω)
R 0 : điện trở thứ tự không (Ω)
X 1 : điện kháng thứ tự thuận (Ω)
X 2 : điện kháng thứ tự nghịch (Ω)
X 0 : điện kháng thứ tự không (Ω)
Các giá trị R1, R2, R0, X1, X2 và X0 được xác định từ góc nhìn của hệ thống tại điểm xảy ra sự cố Đặc biệt, trong trường hợp sự cố một pha chạm đất, dòng sự cố thứ tự không thể xác định được.
Tiết diện của dây dẫn được xác định theo phương pháp đơn giản kcmil f c
VớiI : giá trị hiệu dụng dòng điện sự cố (kA)
K f : hằng số; t c : khoảng thời gian sự cố (s)
Bảng 3.1 Các thông số của một số kim loại
Kim loại Độ dẫn điện (%) T m a ( 0 C) K f
Ta sẽ sử dụng công thức tính tiết diện dây tổng quát hơn:
I: trị hiệu dụng dịng điện sự cố (kA)
K f : hằng số t c : khoảng thời gian sự cố (s)
T m :nhiệt độ lớn nhất cho phép ( o C)
T r : hằng số nhiệt độ vật liệu ( o C)
TCAP : khả năng chịu nhiệt
o: hệ số nhiệt của điện trở suất ở 0 o C
r : hệ số nhiệt của điện trở suất ở nhiệt độ T r ( o C)
r :điện trở suất của dây nối đất ở nhiệt độ T r ( o C);
Bảng 3.2 Các thông số của một số kim loại
Kim loại Độ dẫn điện (%) α r
Giới hạn điện áp bước và điện áp tiếp xúc được xác định dựa trên khối lượng của người sử dụng, cụ thể là 50kg và 70kg, thông qua các công thức (2.14) và (2.15) Đồng thời, việc xác định khoảng thời gian điện giật cũng rất quan trọng để đảm bảo an toàn.
(2.15) Điện áp bước giới hạn đối với người có khối lượng 50kg và 70kg được xác định theo các công thức (2.16), (2.17):
Thiết kế sơ bộ ban đầu bao gồm:
Khoảng cách giữa các thanh dẫn D (m)
Độ chôn sâu của lưới nối đất h (m)
Để tính toán điện trở của hệ thống nối đất Rg (Ω), cần thực hiện một phép tính ban đầu Trong giai đoạn thiết kế cuối cùng, việc xác định chính xác giá trị này là rất quan trọng, dựa vào mô phỏng các thành phần của hệ thống nối đất và đảm bảo rằng mô hình đất được lựa chọn là chính xác.
Xác định dòng lớn nhất vào lưới nối đất là rất quan trọng để đảm bảo an toàn Cần tránh thiết kế dư thừa và chỉ cần đảm bảo rằng dòng sự cố tổng 3I0 sẽ đi qua lưới và tới khu vực đất xa Dòng IG không chỉ thể hiện loại và vị trí sự cố mà còn phản ánh hệ số suy giảm và khả năng mở rộng hệ thống trong tương lai.
Dòng điện lưới lớn nhất I G là giá trị thiết kế tối đa của dòng điện sự cố vào lưới nối đất Để tính toán dòng I G, cần xem xét điện trở của lưới nối đất, sự phân chia dòng điện sự cố và hệ số suy giảm.
I G đƣợc tính toán nhƣ sau:
I G : dòng điện lưới lớn nhất (A)
D f : hệ số suy giảm, xác định theo bảng 4.3
I g : dòng điện lưới đối xứng (A)
I g : dòng điện lưới đối xứng (A)
S f : hệ số phân chia dòng điện sự cố
I f : giá trị hiệu dụng lớn nhất của dòng điện chạm đất (A)
Bảng 3.3 Giá trị của D f theo t f và X/R t f D f
Số chu kỳ ở tần số 60 Hz X/R = 10 X/R = 20 X/R = 30 X/R = 40
Nếu giá trị GPR (Ground Potential Rise) với điện áp tiếp xúc cho phép thấp hơn hoặc bằng điện áp tiếp xúc cho phép (GPR ≤ Etouch), thì không cần thực hiện thêm tính toán nào Trong trường hợp này, cần thêm dây nối từ thiết bị nối đất đến hệ thống nối đất.
Tính toán điện áp bước và điện áp lưới cho lưới mới vừa hoàn thành
Giá trị điện áp ô lưới E m được xác định dựa trên các thông số quan trọng như hệ số hình học K m, hệ số điều chỉnh hình dạng lưới nối đất K i, điện trở suất của đất ρ, và giá trị dòng điện trung bình trên mỗi đơn vị chiều dài tác động của thanh dẫn chôn (I G /L M).
Trong đó, hệ số hình học K m đƣợc xác định theo biểu thức sau:
Với D là khoảng cách giữa các thanh dẫn song song (m) d : đường kính thanh dẫn (m)
K ii : hệ số điều chỉnh cách bố trí cọc nối đất
Hệ số K h là yếu tố quan trọng thể hiện tác động của độ sâu chôn lưới nối đất Đối với các lưới nối đất có cọc nối đất được bố trí dọc theo chu vi hoặc ở các góc của lưới, cũng như cọc nối đất trải dài khắp khu vực lưới, việc điều chỉnh này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả.
𝐾 𝑖𝑖 = 1 Đối với các lưới nối đất không có hoặc có ít cọc nối đất không đặt tại góc lưới cũng như dọc chu vi lưới:
Hệ số điều chỉnh cho hình dạng của lưới nối đất K i được xác định như sau:
Với n là hệ số hình học đƣợc xác định nhƣ sau:
L p : chiều dài thiết bị ngoại vi của lưới (m)
L C : tổng chiều dài của thanh dẫn trong lưới (m)
A : diện tích của lưới nối đất (m 2 )
L x : chiều dài lớn nhất của lưới theo trục x (m)
L y :chiều dài lớn nhất của lưới theo trục y (m)
D m : khoảng cách lớn nhất giữa hai điểm bất kỳ trên lưới (m)
𝑛 𝑏 = 1đối với lưới hình vuông
𝑛 𝑏 = 1đối với lưới hình vuông và hình chữ nhật
Đối với lưới nối đất hình vuông, hình chữ nhật và hình L, hệ số n b được xác định là 1 Khi lưới nối đất không có cọc nối đất hoặc chỉ có một số ít cọc rải rác, đặc biệt là không có cọc tại các góc lưới và dọc theo chu vi, chiều dài tác động của thanh dẫn được chôn là L M.
𝐿 𝑀 = 𝐿 𝐶 + 𝐿 𝑅 (3.20) Với L C : tổng chiều dài thanh dẫn (m)
L R là tổng chiều dài của tất cả các cọc nối đất (m) Đối với các lưới nối đất có cọc tại góc lưới, dọc chu vi lưới và toàn bộ lưới, chiều dài tác động của thanh dẫn được xác định là L M.
Với Lr là chiều dài của mỗi cọc nối đất (m)
Giá trị điện áp bước E s được xác định dựa trên các yếu tố như hệ số khoảng cách K s, hệ số điều chỉnh hình dạng lưới nối đất K i, điện trở suất của đất ρ, và giá trị dòng điện trung bình I G trên mỗi đơn vị chiều dài thanh dẫn L S.
𝐿 𝑆 (3.22) Đối với lưới nối đất có hoặc không có cọc nối đất, chiều dài tác động của thanh dẫn đƣợc chôn L S là:
𝐿 𝑠 = 0.75 𝐿 𝐶 + 0.85 𝐿 𝑅 (3.23) Đối với độ sâu chôn lưới thông thường h = 0,25 ÷ 2,5 m, hệ số khoảng cách đối với điện áp bước K s được xác định như sau:
Khi điện áp của lưới thấp hơn điện áp tiếp xúc đã được thiết kế, quá trình thiết kế được coi là hoàn thành Ngược lại, nếu điện áp lưới cao hơn điện áp tiếp xúc, thiết kế ban đầu cần phải được điều chỉnh để phù hợp.
Nếu điện áp bước và điện áp tiếp xúc thấp hơn giới hạn chịu đựng, thiết kế chỉ cần đảm bảo kết nối vào thiết bị nối đất Ngược lại, nếu không đạt yêu cầu, cần phải điều chỉnh lại thiết kế ban đầu.
