Nghiên cứu thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp thep tiêu chuẩn IEEE 80 2013 có xét đến các yếu tố ảnh hưởng

TỔNG QUAN

Tổng quan

1.1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu

Nối đất trong trạm biến áp giúp dòng điện sự cố như dòng rò, dòng chạm đất, dòng ngắn mạch và dòng điện sét tản nhanh vào đất, từ đó hạn chế tác hại tại chỗ và ngăn ngừa sự lan truyền không mong muốn sang các phần tử khác trong hệ thống Đồng thời, việc này cũng giữ cho điện thế trên các phần tử nối đất ở mức thấp, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho toàn bộ hệ thống.

Trong thiết kế và lắp đặt hệ thống nối đất, giá trị điện trở nối đất phải nhỏ hơn mức cho phép theo các tiêu chuẩn hiện hành Tuy nhiên, ở những vùng có điện trở suất đất cao hoặc diện tích hạn chế, việc đạt được giá trị điện trở thấp cho hệ thống nối đất trở nên khó khăn.

Gần đây, nghiên cứu đã phát hiện ra nhiều loại hóa chất hiệu quả trong việc giảm điện trở đất Những hóa chất này không chỉ bền vững theo thời gian mà còn không bị rửa trôi và đảm bảo an toàn cho môi trường.

Hiện nay, các nghiên cứu tính toán, thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp trước đây vẫn còn một số hạn chế như sau:

 Tính toán, thiết kế nối đất cho trạm biến áp theo hướng dẫn của tiêu chuẩn IEEE Std 80-2000, mặc dù năm 2013 tiêu chuẩn này đã ra phiên bản mới;

 Chưa xem xét việc sử dụng phương án kết hợp giữa lưới nối đất và cọc nối đất trong thiết kế và tính toán hệ thống nối đất;

Trong quá trình tính toán và thiết kế hệ thống nối đất tại những khu vực có điện trở nối đất cao và diện tích thi công hạn chế, cần xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị điện trở nối đất Đặc biệt, việc sử dụng các loại hóa chất giảm điện trở nối đất khác nhau có sẵn trên thị trường Việt Nam là một yếu tố quan trọng không thể bỏ qua.

PGS.TS.Quyền Huy Ánh 15

Để giải quyết vấn đề chưa được xem xét về kinh tế giữa phương án sử dụng và không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất, đề tài "Nghiên cứu thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEEE 80-2013" sẽ tiến hành nghiên cứu và đề xuất các bước tính toán, lựa chọn giải pháp nối đất an toàn cho trạm biến áp, đặc biệt là trạm biến áp Long Thành Nghiên cứu này sẽ tuân thủ hướng dẫn của tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, xem xét việc áp dụng lưới nối đất kết hợp với cọc nối đất nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn cho hệ thống.

1.1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước a Nghiên cứu trong nước

Hồ Ninh Thuận đã nghiên cứu việc sử dụng chất cải tạo đất nhằm đảm bảo tính toán nối đất an toàn theo tiêu chuẩn IEEE STD 80-2013 trong luận văn Thạc sĩ tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật.

TPHCM, 2016 Đề tài tính toán nối đất và tối ưu hóa hệ thống nối đất khi có sử dụng chất cải tạo đất GEM theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013

Phạm Tấn Hưng (2015) đã thực hiện luận văn Thạc sĩ tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, nghiên cứu về phương pháp thực nghiệm đo điện trở đất cho trạm biến áp cao thế Nghiên cứu này đặc biệt chú trọng đến việc sử dụng hóa chất cải tạo đất GEM, theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2000, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của trạm biến áp.

Nguyễn Thanh Tùng đã nghiên cứu và tính toán điện trở nối đất cho các hình thức đơn giản, đồng thời xem xét ảnh hưởng của thành phần cải tạo đất trong luận văn Thạc sĩ của mình tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Nghiên cứu này cung cấp những kiến thức quan trọng về cách tối ưu hóa hệ thống nối đất, góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn trong các ứng dụng điện.

Nghiên cứu năm 2012 tại TPHCM đề xuất phương pháp tính toán điện trở nối đất cho trạm biến áp thông qua các hình thức đơn giản, đồng thời cải thiện thành phần điện trở nối đất.

Nguyễn Trung Phương đã nghiên cứu các phương pháp tính toán và giải pháp nhằm giảm điện trở ở những vùng có điện trở suất cao trong luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật tại Trường Đại học Nghiên cứu này góp phần quan trọng vào việc cải thiện hiệu suất điện trong các ứng dụng kỹ thuật.

PGS.TS Quyền Huy Ánh đã thực hiện nghiên cứu so sánh hai phương pháp tính toán điện trở nối đất của trạm biến áp, bao gồm phương pháp tính toán của Nga và phương pháp tính toán của Schwarz, theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE 80 Nghiên cứu này nhằm đánh giá hiệu quả và độ chính xác của từng phương pháp trong việc xác định trị số điện trở nối đất.

Trần Nam Anh đã thực hiện nghiên cứu và tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp trong các khu vực có điện trở suất cao của đất Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật của anh được trình bày tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật, nhằm cung cấp giải pháp hiệu quả cho vấn đề an toàn điện trong môi trường khó khăn này.

Nhìn chung các nghiên cứu nêu trên còn một số hạn chế như sau:

 Các bước tính toán sử dụng công thức tính toán phức tạp, gây khó khăn cho người sử dụng;

Hệ thống nối đất cần được tính toán và thiết kế theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2000, tuy nhiên tiêu chuẩn này đã hết hiệu lực thi hành Việc áp dụng phương án kết hợp giữa lưới và cọc nối đất vẫn chưa được xem xét, đặc biệt trong các trường hợp đất có điện trở suất cao và hạn chế về diện tích triển khai hệ thống nối đất Nghiên cứu từ nước ngoài cũng cần được tham khảo để cải thiện thiết kế này.

The article by Akshay Patil, published in the IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering, focuses on the design of earthing systems for substations It provides insights into the importance of proper earthing in ensuring safety and reliability in electrical installations The research, featured in Volume 12, Issue 1 Ver II, from January to February 2017, highlights key considerations and methodologies for effective substation earthing design.

[7] Hachimenum Nyebuchi Amadi, Design of grounding system for A.C substations with critical consideration of the mesh, touch and step potentials, European

Journal of Engineering and Technology, Vol 5 No 4, 2017

Bài báo nghiên cứu thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp xoay chiều, nhấn mạnh vai trò quan trọng của điện áp tiếp xúc và điện áp bước trong hoạt động an toàn của trạm biến áp.

Tính cấp thiết

Nghiên cứu và tính toán thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, kết hợp sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất cùng với lưới nối đất và cọc nối đất, không chỉ nâng cao hiệu quả kỹ thuật của hệ thống mà còn tối ưu hóa chi phí thi công, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể.

Nhiệm vụ nghiên cứu

Áp dụng tiêu chuẩn IEEE Std.80-2013, bài viết này trình bày cách tính toán thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp Nội dung sẽ phân tích hai trường hợp: một là khi chỉ sử dụng lưới nối đất, và hai là khi kết hợp lưới nối đất với cọc nối đất, mà không sử dụng hóa chất cải tạo đất.

Nghiên cứu thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp với việc sử dụng hóa chất cải tạo đất là cần thiết trong trường hợp điện trở suất của đất cao và diện tích triển khai hệ thống nối đất bị hạn chế.

Xây dựng chương trình tự động thiết kế lưới nối đất an toàn cho trạm biến áp, đảm bảo tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật Đồng thời, xác định hàm chi phí hàng năm cho phương án nối đất được chọn, bao gồm cả hai trường hợp có và không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất.

Giới hạn đề tài

Nghiên cứu giải pháp tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp khi điện trở suất của đất cao và diện tích triển khai hệ thống bị hạn chế, tuân theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013.

 Tính toán, thiết kế hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp 220kV/110kV Long Thành

Phương pháp nghiên cứu

 Thu thập, nghiên cứu tài liệu;

 Lập trình trong phần mềm Matlab.

Điểm mới của đề tài

Xây dựng một chương trình thiết kế tự động cho hệ thống nối đất dựa trên các bước tính toán được đề xuất bởi tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, nhằm tối ưu hóa việc kết hợp giữa lưới nối đất và cọc nối đất.

Chương trình thiết kế tự động hệ thống nối đất được xây dựng dựa trên các bước tính toán theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, đặc biệt trong trường hợp sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất.

Giá trị thực tiễn của đề tài

Bài viết này giới thiệu công cụ thiết kế tự động hệ thống nối đất cho trạm biến áp, dựa trên các bước tính toán theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 Công cụ này kết hợp giữa lưới nối đất và cọc nối đất, áp dụng cho cả trường hợp có và không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất Sản phẩm này hướng đến các công ty Điện lực và các công ty Tư vấn Thiết kế điện tại Việt Nam.

Nghiên cứu này cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho cán bộ kỹ thuật của các công ty Điện lực, nghiên cứu sinh (NCS) và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện trong việc tính toán và thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao áp.

Nội dung của đề tài

Chương 2: Tổng quan về lưới nối đất và hóa chất giảm điện trở đất

Chương 3: Tính toán và thiết kế nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 Chương 4: Xây dựng chương trình tính toán lưới nối đất

Chương 5: Tính toán và thiết kế lưới nối đất an toàn cho trạm biến áp

Chương 6: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển

TỔNG QUAN VỀ LƯỚI NỐI ĐẤT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

Tổng quan về lưới nối đất trạm biến áp

2.1.1 Các yêu cầu của lưới nối đất trạm biến áp

1 Phần nối đất trạm biến áp

Các phần tử trong hệ thống nối đất của trạm biến áp, bao gồm thanh nối đất và cọc nối đất, cần được kết nối chặt chẽ với nhau và phải đảm bảo đạt tiêu chuẩn về tuổi thọ thiết kế.

 Đảm bảo sự dẫn điện và không tạo ra sự chênh lệch về điện áp giữa các kết cấu được nối đất trong trạm biến áp;

 Vật liệu thực hiện hệ thống nối đất phải đảm bảo về nhiệt độ nóng chảy và độ bền về cơ khí khi có dòng sự cố;

 Các liên kết phải chắc chắn, làm việc tin cậy, độ bền cơ khí cao;

 Dễ dàng bảo trì và thay thế

2 Các yếu tố ảnh hưởng liên quan đến giá trị điện trở nối đất a Dòng chạm đất: được sử dụng để lựa chọn đặc tính kỹ thuật của dây/cáp nối đất, phải lấy là trị số lớn nhất của dòng ổn định chạm đất 1 pha trong hệ thống điện và phải tính đến sự phân bố dòng chạm đất giữa các điểm trung tính nối đất của hệ thống; b Thời gian cắt dòng chạm đất được lấy bằng tổng thời gian tác động của rơ le bảo vệ và thời gian cắt toàn phần của máy cắt c Điện trở suất của đất: xác định bằng máy đo theo phương pháp đo 4 cọc tại hiện trường; Trường hợp đo vào mùa mưa thì giá trị điện trở suất của đất tính toán phải nhân với hệ số mùa d Hóa chất giảm điện trở nối đất: trong trường hợp diện tích triển khai hệ thống nối đất bị hạn chế hay vùng đặt trạm biến áp có điện trở suất của đất cao thì có thể sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất

3 Giá trị điện trở nối đất yếu cầu

Giá trị điện trở nối đất yếu cầu của trạm biến áp 110kV đến 500kV phải đảm bảo đáp ứng các yêu cầu như sau:

Giá trị điện áp tiếp xúc và điện áp bước cần được tính toán sao cho nhỏ hơn các giá trị cho phép của chúng.

 Tiết diện dây nối đất phải lớn hơn tiết diện dây nối đất tính toán;

Điện áp dư trên lưới nối đất trong trường hợp xảy ra ngắn mạch cần phải thấp hơn mức cách điện của trung tính nối đất của các thiết bị hoạt động trong trạm.

 Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013: IEEE Guide for safety in AC substation grounding

 TCVN 9621-1:2013 (IEC/TS 60479-1:2005); Ảnh hưởng của dòng điện lên người và gia súc để sử dụng khi thiết lập các yêu cầu an toàn điện

 TCVN 4756: 1989; Quy phạm nối đất trong hệ thống điện

2.1.3 Cấu hình của lưới nối đất trạm biến áp

Các cấu hỉnh của lưới nối đất trạm biến áp bao gồm:

 Lưới hình vuông không có cọc nối đất và có cọc nối đất;

 Lưới hình chữ nhật không có cọc nối đất và có cọc nối đất;

 Lưới hình L không có cọc nối đất và có cọc nối đất.

Các loại hóa chất giảm điện trở nối đất

2.2.1 Hóa chất giảm điện trở nối đất

Trên thị trường Việt Nam có nhiếu loại hóa chất giảm điện trở nối đất, cụ thể:

1 San Earth M5C của công ty Sankosa - Nhật Bản;

2 GEM của công ty Erico-Mỹ;

3 TerraFILL TF50 của công ty ALLTEC Mỹ;

Các loại hóa chất này có một số đặc điểm chung như sau:

 Tính hiệu quả: Giảm điện trở nối đất từ 50% - 90%, giữ ổn định giá trị điện trở nối đất, hiệu quả ngay cả khi đất rất khô;

Với độ bền cao, vật liệu này không bị biến tính hay phân hủy theo thời gian, đồng thời không yêu cầu bảo trì định kỳ hay thay thế Hơn nữa, khả năng dẫn điện của nó không phụ thuộc vào sự hiện diện thường xuyên của nước.

Bảo vệ môi trường là ưu tiên hàng đầu, đảm bảo không làm ảnh hưởng đến tính chất của đất, không gây độc hại hay ô nhiễm nguồn nước Sản phẩm đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của EPA, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.

Sản phẩm dễ sử dụng, được đóng gói tiện lợi cho việc vận chuyển Nó có thể được sử dụng ở dạng khô hoặc ướt, dễ dàng pha trộn với xi măng, bùn hoặc than Đặc biệt, sản phẩm nhanh chóng hút ẩm từ đất và đông cứng lại, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng xây dựng.

2.2.2 Tính điện trở với hóa chất giảm điện trở nối đất

Giá trị điện trở nối đất R (Ω) của điện cực đơn nằm ngang được xác định bởi hóa chất giảm điện trở nối đất và điện trở suất của đất xung quanh (Ωm), như được thể hiện trong biểu thức (2.1).

Trong đó: L là chiều dài điện cực nối đất (m); W là chiều rộng lớp hóa chất (m); D là chiều sâu rãnh (m)

Hình 2.1 Điện cực đơn nằm ngang với hóa chất giảm điện trở đất

2 Các điện cực nối đất song song

Xét hai dải điện cực nằm ngang có chiều dài L (m), chiều sâu D (m) và khoảng cách giữa hai điện cực a (m) như trình bày trong Hình 2.2 Điện trở nối đất được xác định theo biểu thức (2.2).

Hình 2.2 Hai điện cực đơn nằm ngang song song với hóa chất giảm điện trở đất

3 Điện cực nối đất hình chữ L

Hai dải điện cực nối đất hình chữ L có chiều dài L/2 (m), chiều rộng W (m) và chiều sâu D (m) như mô tả trong Hình 2.3 Điện trở nối đất được xác định theo công thức (2.3).

Hình 2.3 Hai điện cực đơn nằm ngang hình chữ L với hóa chất giảm điện trở đất

4 Điện cực nối đất hình chữ thập và điện cực nối đất dạng chu vi

Xét hai dải điện cực nối đất hình chữ thập với kích thước mỗi dải dài L/2 (m), rộng W (m) và sâu D (m) Đồng thời, xem xét điện cực nối đất dạng chu vi cho 4 dải điện cực hình vuông có chiều dài L/4 (m) Điện trở nối đất được xác định theo biểu thức (2.4).

Để thuận tiện cho việc lập trình, cần xác định mối quan hệ giữa chiều dài rãnh được bao phủ bởi một bao hóa chất và tiết diện mặt cắt ngang của lớp phủ hóa chất.

Dựa vào thông tin từ các nhà sản xuất hóa chất giảm điện trở nối đất và công cụ cftool của Matlab, mối quan hệ giữa chiều dài L (m) và tiết diện F (cm²) đã được xác định.

Hình 2.6 Số liệu nhà sản xuất hóa chất giảm điện trở đất.

Hình 2.7 Công cụ Cftool trong Matlab.

TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN IEEE Std 80-2013

Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013

Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 được phát triển dựa trên phiên bản trước, IEEE Std 80-2000, với sự tinh gọn và loại bỏ những phần không cần thiết, nhằm giúp người đọc dễ dàng hiểu về hướng dẫn thiết kế hệ thống nối đất an toàn cho các trạm biến áp trong hệ thống điện.

Theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, ngưỡng an toàn của dòng điện đối với cơ thể người phụ thuộc vào thời gian dòng điện đi qua :

Công thức tính dòng điện qua cơ thể người được biểu diễn bằng IB2.ts = SB, trong đó SB là hằng số kinh nghiệm liên quan đến năng lượng do điện giật, IB là dòng điện (mA) và ts là thời gian dòng điện chạy qua cơ thể (s) Giá trị của IB có thể được xác định từ công thức này.

Với k là hệ số phục hồi phụ thuộc vào trọng lượng cơ thể người

 Với người cân nặng 50 kg thì k = 0,116;

 Với người cân nặng 70 kg thì k = 0,157.

Ý nghĩa các ký hiệu trong tính toán nối đất

Bảng 3.1: Các ký hiệu và ý nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị ρ Điện trở riêng của đất Ω.m ρs Điện trở suất của lớp đất bề mặt Ω.m

3I0 Dòng ngắn mạch chạm đất lớn nhất A

A Diện tích lưới nối đất m 2

Cs Hệ số hiệu chỉnh làm giảm điện trở suất của lớp đất bề mặt d Đường kính của dây dẫn làm lưới nối đất (dt, dc) m

D Khoảng cách giữa những dây dẫn song song m

Df Hệ số tính đến ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ được dùng để tính Ig

Dm Khoảng cách lớn nhất giữa hai điểm bất kỳ trên lưới m

Em Điện áp lưới ở giữa những mắt lưới V

Es Điện áp giữa 2 điểm trên mặt đất V

Estep50 Điện áp bước chịu đựng được đối với người nặng 50 kg V

Estep70 Điện áp bước chịu đựng được đối với người nặng 70 kg V

Etouch50 Điện áp tiếp xúc chịu đựng được đối với người nặng 50 kg V

Etouch70 Điện áp tiếp xúc chịu đựng được đối với người nặng 70 kg V h Độ sâu của lưới nối đất m hs Độ dày của lớp đất bề mặt m

IG Dòng điện tản vào đất lớn nhất A

Ig Dòng điện tản vào đất A

K Hệ số phản xạ của đất

Kh Hệ số hiệu chỉnh độ chôn sâu của lưới nối đất

Ki Hệ số hiệu chỉnh cho hình dạng của lưới nối đất

Kii Hệ số hiệu chỉnh cách bố trí của lưới nối đất

Km Hệ số khoảng cách cho điện áp lưới

Ks Hệ số khoảng cách cho điện áp bước

LC Tổng chiều dài các thanh dẫn của lưới m

LM Chiều dài ảnh hưởng của LC+LR đối với điện áp lưới m

LR Tổng chiều dài của các cọc nối đất m

Lr Chiều dài của mỗi cọc nối đất m

Ls Chiều dài ảnh hưởng của LC+LR đối với điện áp bước m

LT Tổng chiều dài ảnh hưởng của hệ thống nối đất, bao gồm lưới và cọc m

Lx Chiều dài lớn nhất của lưới theo phương x m

Ly Chiều dài lớn nhất của lưới theo phương y m n Hệ số hình học bao gồm na, nb, nc, nd

N Tổng số cọc được dùng theo diện tích A

Rg Điện trở của hệ thống nối đất Ω

Hệ số phân dòng sự cố xác định dòng hỗ cảm qua dây chống sét mà không đi qua lưới nối đất Thời gian tồn tại dòng sự cố được sử dụng để xác định kích cỡ dây nối đất và dòng cho phép qua người trong trường hợp ngắn mạch.

Giải thuật tính toán nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013

Lưu đồ giải thuật tính toán nối đất theo IEEE Std 80-2013 trình bày ở Hình 3.1.

(1): tf , Z1, Z2, Z0, Sf, hs, h, A, ρ, ρs, ZT, ZT1, ZT1,ZT0, ST, ZT,Vll,VT_ pri_ ll,VT_ sec_ ll

Hình 3.1 Lưu đồ tính toán nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std.80-2013

Bước 4 : Cấu hình ban đầu: D, N, L C , L T , h

Bước 1 : Xác định: thông số ban đầu (1) Bước 2 : Xác định: 3I 0 , t C , d

Bước 3 : Xác định: điện áp cho phép theo tiêu chuẩn:

Bước 5 : Điện trở lưới, tổng chiêu dài thanh và cọc: R g , L C , L R

Bước 6 : Xác định đòng điện lưới, thời gian sự cố: I G , t f

Bước 8 : Tính điện áp lưới và điện áp bước

Bước 12 : Thiết kế chi tiết

Bước 7 : So sánh GPR&E touch

Bước 9 : So sánh E m < E touch Đóng cọc dọc theo chu vi lưới

Các bước tính toán thiết kế lưới nối đất

Bước 1: Xác định diện tích triển khai lưới nối đất và điện trở suất của đất

Xác định vị trí và hình dạng của lưới nối đất là bước quan trọng để tính diện tích của lưới nối đất tại trạm biến áp Nếu lưới nối đất có hình chữ nhật với chiều dài a và chiều rộng b, diện tích lưới nối đất A sẽ được tính theo công thức (3.4).

Để xác định điện trở suất của đất tại vị trí lắp đặt hệ thống nối đất, cần sử dụng máy đo chuyên dụng theo phương pháp 4 cọc Sau đó, tiến hành đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình của các lần đo để có kết quả chính xác.

Bước 2: Xác định kích cỡ dây nối đất

Dòng chạm đất 3 pha đối xứng:

If = 3I0 (3.5) Khi xuất hiện sự cố một pha chạm đất, dòng điện chạm đất thứ tự không xác định theo biểu thức (3.6):

Công thức điện áp pha phía sơ cấp MBA được biểu diễn như sau: \((3𝑅 𝑓 )+( 𝑅 1 + 𝑅 2 + 𝑅 0 )+𝑗 ( 𝑋 1 + 𝑋 2 + 𝑋 0 )\) Trong đó, \(Vln\) là điện áp pha, \(Rf\) là điện trở ước lượng khi có sự cố (thường được giả định bằng không), và \(R1\), \(R2\), \(R0\) lần lượt là điện trở tương đương thứ tự thuận, nghịch và không của hệ thống Bên cạnh đó, \(X1\), \(X2\), \(X0\) là điện kháng tương đương thứ tự thuận, nghịch và không của hệ thống.

Lưu ý, để tính chính xác giá trị trở kháng sự cố, cần xác định sự cố ngắn mạch xảy ra tại thanh cái nào của máy biến áp

Tiết diện dây nối đất được xác định theo biểu thức (3.8):

Công thức tính tiết điện dây nối đất được biểu diễn bằng Akcmil = If Kf √tc, trong đó Akcmil là tiết diện của dây nối đất tính bằng kcmil, If là giá trị hiệu dụng của dòng chạm đất tính bằng kA, tc là thời gian xảy ra chạm đất tính bằng giây, và Kf là hằng số vật liệu được tra cứu trong Bảng 3.2.

Bảng 3.2: Đặc tính vật liệu của dây nối đất

Vật liệu Độ dẫn điện (%) T m ( 0 C) K f Đồng mềm 100 1083 7,0 Đồng 97 1084 7,06 Đồng 97 250 11,78

Ngoài ra, có thể tính tiết diện dây nối đất theo biểu thức (3.9), với các đặc tính của vật liệu tra ở Bảng 3.3

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các yếu tố ảnh hưởng đến dây nối đất, bao gồm khoảng thời gian tồn tại sự cố (tc), nhiệt độ lớn nhất cho phép của dây nối đất (Tm), và nhiệt độ môi trường (Ta) Ngoài ra, các hằng số nhiệt độ của vật liệu, như α0 và αr, cũng như điện trở suất ρr tại nhiệt độ Tr sẽ được đề cập Cuối cùng, nhiệt dung (TCAP) sẽ được phân tích để hiểu rõ hơn về khả năng chịu nhiệt của dây nối đất.

Sau đó, quy đổi tiết diện dây dẫn từ Akcmil sang Amm theo biểu thức (3.11):

Amm = Kqđ Akcmil (3.11) Ở đây: Kqđ là hệ số quy đổi tra ở Bảng 3.4

Bảng 3.3: Hệ số vật liệu của dây nối đất

Kim loại Độ dẫn điện (%) α r (1/ 0 C) K 0

Thép thanh không gỉ 9,8 0.003 77 245 1400 17.50 4.4 Thép thanh tráng kẽm 8,6 0.003 20 293 419 20.10 3.9

Bảng 3.4: Hệ số quy đổi của dây nối đất

Quy đổi Hệ số quy đổi

Hình tròn (mils) Hình vuông (inches) 0,0000007854

Hình tròn (mils) Hình vuông (mils) 0,7854

Hình tròn (mils) Hình vuông (mm) 0,0005067

Hình vuông (cm) Hình vuông (inches) 0,155

Hình vuông (feet) Hình vuông (m) 0,0929

Hình vuông (inches) Hình tròn (mils) 1273240

Hình vuông (inches) Hình vuông (cm) 6,4516

Hình vuông (inches) Hình vuông (mm) 645,16

Hình vuông (inches) Hình vuông (mils) 1000000

Hình vuông (m) Hình vuông (feet) 10,764

Hình vuông (mm) Hình vuông (inches) 0,00155

Hình vuông (mm) Hình tròn (mils) 1973,54

Hình vuông (mils) Hình tròn (mils) 1,2732

Hình vuông (mils) Hình vuông (inches) 0,000001

Bước 3: Xác định điện áp tiếp xúc và điện áp bước

Với lớp đá dăm bề mặt có bề dày hs và điện trở suất là ρs, hệ số giảm tải lớp bề mặt được xác định theo biểu thức (3.12):

2ℎ 𝑠 +0.09 (3.12) Ở đây: hs là bề dày lớp đá dăm trải bề mặt (m); ρs là điện trở suất của lớp đá dăm (Ω.m); ρ là điện trở suất của đất (Ω.m)

Ngoài ra, hệ số Cs cũng được xác định bằng cách tra đồ thị quan hệ Cs – k (Hình 3.2)

K có thể có giá trị âm khi điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt cao hơn điện trở suất của đất, dẫn đến chỉ một phần dòng điện chạm đất đi vào lớp bề mặt Ngược lại, nếu K có giá trị dương, dòng điện đi vào lớp bề mặt sẽ lớn hơn.

Hình 3.2 Đồ thị quan hệ Cs - k

Để đảm bảo an toàn cho con người, việc ngăn chặn điện giật là rất quan trọng trước khi sự cố được loại trừ hoàn toàn khỏi hệ thống Cần chú ý rằng điện áp bước và điện áp tiếp xúc không được vượt quá giới hạn cho phép, cụ thể là điện áp bước giới hạn (Estep) và điện áp tiếp xúc giới hạn (Etouch).

 Xác đinh điện áp bước giới hạn:

+ Đối với người nặng 50 kg, điện áp bước xác định theo biểu thức (3.14):

+ Đối với người nặng 70 kg, điện áp bước xác định theo biểu thức (3.15):

 Xác định điện áp tiếp xúc giới hạn:

+ Đối với người nặng 50 kg:

+ Đối với người nặng 70 kg:

Bước 4: Thiết kế ban đầu Ở bước này, các giá trị ban đầu tùy thuộc dạng lưới nối đất:

 Khoảng cách giữa các thanh nối đất D (m);

 Số thanh theo chiều dọc và ngang của lưới;

 Tổng chiều dài của thanh dẫn nối đất Lc (m);

 Tổng chiều dài của cọc tiếp đất LR (m);

 Tổng chiều dài của hệ thống thanh dẫn và cọc tiếp đất LT (m);

 Chu vi của lưới nối đất LP (m);

 Độ chôn sâu của lưới h (m)

Bước 5: Xác định điện trở của hệ thống nối đất Điện trở của lưới nối đất đơn giản được xác định theo biểu thức (3.18):

Điện trở của hệ thống nối đất (Rg) được xác định bởi độ chôn của lưới nối đất (h), điện trở suất của đất (ρ) và diện tích của lưới nối đất (A) Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ thống nối đất trong việc bảo vệ an toàn điện.

Bước 6: Xác định dòng điện lưới cực đại

Hệ số phân dòng sự cố Sf :

Dòng điện lưới cực đại IG :

Từ biểu thức (3.19 và 3.30), suy ra:

Công thức tính dòng tản vào đất lớn nhất (IG) được biểu diễn như sau: IG = Df Sf 3 I0, trong đó IG là dòng tản vào đất (A), I0 là dòng điện chạm đất thứ tự không (A), Df là hệ số suy giảm được tra cứu trong Bảng 3.5, và Sf là hệ số phân dòng sự cố.

Bảng 3.5: Hệ số suy giảm Df

Thời gian sự cố, t f Hệ số suy giảm, D f

Giây Chu kỳ với 60 Hz X/R = 10 X/R = 20 X/R = 30 X/R = 40

Bước 7: Xác định độ tăng điện thế đất GPR Độ tăng điện thế đất GPR được xác định theo biểu thức (3.22):

 Nếu giá trị GPR tìm được nhỏ hơn điện áp tiếp xúc giới hạn thì đi thực hiện bước 12 là thiết kế chi tiết cho hệ thống nối đất

 Nếu giá trị GPR lớn hơn điện áp tiếp xúc giới hạn thì thực hiện tiếp bước 8

Bước 8: Xác định điện áp lưới và điện áp bước

Xác định hệ số khoảng cách cho điện áp lưới (Km) được xác định theo biểu thức (3.23):

Đối với lưới nối đất có cọc tiếp địa dọc theo chu vi hoặc lưới với các cọc ở các góc lưới và trên toàn khu vực lưới, hệ số Kii được xác định là 1 Ngược lại, nếu lưới không có cọc tiếp đất hoặc chỉ có một số cọc không nằm ở các góc hoặc trên cạnh chu vi, thì hệ số Kii sẽ khác.

𝐿 𝑃 (3.27) nb = 1 nếu lưới là hình vuông nc = 1 nếu lưới là hình vuông và hình chữ nhật nd = 1 nếu lưới là hình vuông và hình chữ nhật hoặc hình chữ L

Khoảng cách giữa các dây nối đất được ký hiệu là D (m), trong khi LC đại diện cho tổng chiều dài của dây nối đất (m) Lx là chiều dài tối đa của lưới nối đất theo chiều dài (m), và Ly là chiều dài tối đa trong cấu trúc nối đất.

PGS.TS Quyền Huy Ánh 37 đề cập đến các thông số của lưới nối đất, bao gồm chiều rộng (m), tổng chiều dài của hệ thống thanh và cọc tiếp đất (LT, m), khoảng cách tối đa giữa hai điểm bất kỳ trên lưới (Dm, m), cũng như đường kính của thanh và cọc nối đất (dt, dc, m) Ngoài ra, h0 = 1 là độ sâu tiêu chuẩn của lưới nối đất (m).

Hệ số Ki được tính theo biểu thức (3.31):

Ki = 0,644 + 0,148 n (3.31) Đối với lưới không có cọc tiếp đất thì điện áp lưới Em được tính theo biểu thức (3.32):

𝐿 𝐶 + 𝐿 𝑟 (3.32) Đối với lưới có cọc tiếp đất thì điện áp lưới Em lúc này sẽ được tính theo biểu thức (3.33):

Hệ số khoảng cách cho điện áp bước (Ks) được xác định theo biểu thức (3.34):

𝐷 (1 − 0,5 𝑛−2 ) ] (3.34) Điện áp bước Es được xác định theo biểu thức (3.35):

Bước 9: So sánh điện áp lưới E m và điện áp tiếp xúc cho phép E touch

 Nếu điện áp lưới Em ≤Etouch thì tiếp tục thực hiện Bước 10;

 Nếu như điện áp lưới Em > Etouch thì thực hiện Bước 11 để thay đổi thiết kế ban đầu

Bước 10: So sánh E s và điện áp bước cho phép E step

 Nếu điện áp bước Es ≤ Estep thì thực hiện Bước 12 là bước thiết kế chi tiết;

 Nếu điện áp bước Es > Estep thì thực hiện Bước 11 để thay đổi thiết kế ban đầu

Bước 11: Thay đổi thiết kế ban đầu

Nếu một trong hai bước: Bước 9 và Bước 10 không thỏa thì cần thay đổi thiết kế

PGS.TS Quyền Huy Ánh đề xuất điều chỉnh các yếu tố trong thiết kế hệ thống nối đất, bao gồm khoảng cách giữa các thanh dẫn nối đất (D), số lượng cọc trong lưới (N), chiều dài mỗi cọc (Lr) và chiều dài thanh dẫn nối đất Những thay đổi này nhằm mục tiêu tăng giá trị tổng chiều dài thanh dẫn nối đất (LC), tổng chiều dài cọc nối đất (LR) và diện tích lưới, từ đó giảm giá trị Em và Es tính được.

Bước 12: Thiết kế chi tiết cho lưới

Nếu các bước trên đã tính toán và thỏa mãn thì thiết kế chi tiết cho lưới nối đất

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN LƯỚI NỐI ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN IEEE Std 80-2013

Chương trình tính toán lưới nối đất SGDS-1 (Safety Grounding Design Software-1)

1 Chức năng của chương trình SGDS-1

Các chức năng chính của chương trình SGDS-1 bao gồm:

Hệ thống tự động thiết kế lưới nối đất an toàn cho trạm biến áp đảm bảo điện áp tiếp xúc và điện áp bước nằm trong giới hạn cho phép, tuân thủ theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013.

 Cấu hình lưới nối đất kết hợp sử dụng lưới nối đất với cọc nối đất;

 Tính toán hàm chi phí tính toán hàng năm của lưới nối đất đề xuất

2 Thông số ban đầu và kết quả tính toán a Thông số ban đầu

Các thông số ban đầu bao gồm:

tf là thời gian sự cố (s);

 Z1 là tổng trở tương đương thứ tự thuận phía sơ cấp (Ω);

 Z2 = Z1 là tổng trở tương đương thứ tự nghịch phía sơ cấp (Ω);

 Z0 là tổng trở tương đương thứ tự không phía phía sơ cấp (Ω);

 Sf là hệ số chia dòng;

 Vll là điện áp dây tại nơi xảy ra sự cố (kV);

 ρ là điện trở suất của đất (Ω.m);

 ρs là điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt (Ω.m);

 hs là độ dày của lớp đá (m);

 h là độ chôn sâu của lưới nối đất (m);

 h0 là độ chôn sâu của lưới nối đất chuẩn (m);

 ZT1 là tổng trở thứ tự thuận của MBA phía thứ cấp;

 ZT2 = ZT1 là tổng trở thứ tự nghịch của MBA phía thứ cấp;

 ZT0 = ZT1 là tổng trở thứ tự không của MBA phía thứ cấp;

 ST là công suất MBA (MVA);

 ZT là tổng trở MBA 9%;

 VT_ pri_ ll là điện áp phía sơ cấp của MBA;

 VT_ sec_ ll là điện áp phía thứ cấp của MBA;

 Dr là chiều rộng diện tích lắp đặt (m);

 Dl là chiều dài diện tích lắp đặt (m);

 Lr là chiều dài cọc nối đất (m);

 Tmt là nhiệt độ môi trường ( 0 C);

 Tm là nhiệt độ tối đa cho phép ( 0 C);

 Kf là hằng số vật liệu;

 ꞵ là giá 1m cáp đồng (VND);

 γ là giá 1 mối hàn hóa nhiệt Cadweld (VND);

 gr là giá cọc nối đất (VND);

 avh là hệ số vận hành;

 Thv là thời gian hoàn vốn (năm); b Kết quả tính toán

Kết quả tính toán bao gồm:

 Nr là số lượng thanh theo chiều rộng;

 D1 là khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều rộng;

 Nl là số lượng thanh theo chiều ngang;

 D2 là khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều ngang;

 Amm là tiết điện cáp nối đất (mm2);

 LT là tổng chiều dài cáp nối đất (m);

 Nrod là số lượng cọc ;

Lr là chiều dài cọc (m);

 MH là tổng số mối hàn Cadweld;

 K là tổng vốn đầu tư (VND);

 Z là chi phí tính toán hàng năm (VND/năm)

Mã chương trình SGDS-1 được trình bày ở Phụ lục 1.

Chương trình tính toán lưới nối đất SGDS-2 (Safety Grounding Design Software-2)

1 Chức năng của chương trình SGDS-2

Các chức năng chính của chương trình SGDS-2 bao gồm:

Tự động thiết kế lưới nối đất an toàn cho trạm biến áp, đảm bảo điện áp tiếp xúc và điện áp bước nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn IEEE Std 80.

2013 trong trường hợp có sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất;

 Cấu hình lưới nối đất sử dụng lưới nối đất kết hợp với cọc nối đất;

 Tính toán hàm chi phí tính toán hàng năm của lưới nối đất đề xuất trong trường hợp có sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất

2 Thông số ban đầu và kết quả tính toán a Thông số ban đầu

Các thông số ban đầu bao gồm:

 tf là thời gian sự cố (s);

 Z1 là tổng trở tương đương thứ tự thuận phía sơ cấp (Ω);

 Z2 = Z1 là tổng trở tương đương thứ tự nghịch phía sơ cấp (Ω);

 Z0 là tổng trở tương đương thứ tự không phía phía sơ cấp (Ω);

 Sf là hệ số chia dòng;

 Vll là điện áp dây tại nơi xảy ra sự cố (kV);

 ρ là điện trở suất của đất (Ω.m);

 ρs là điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt (Ω.m);

 hs là độ dày của lớp đá (m);

 h là độ chôn sâu của lưới nối đất (m);

 h0 là độ chôn sâu của lưới nối đất chuẩn (m);

 ZT1 là tổng trở thứ tự thuận của MBA phía thứ cấp;

 ZT2 = ZT1 là tổng trở thứ tự nghịch của MBA phía thứ cấp;

 ZT0 = ZT1 là tổng trở thứ tự không của MBA phía thứ cấp;

 ST là công suất MBA (MVA);

 ZT là tổng trở MBA 9%;

 VT_ pri_ ll là điện áp phía sơ cấp của MBA;

 VT_ sec_ ll là điện áp phía thứ cấp của MBA;

 Dr là chiều rộng diện tích lắp đặt (m);

 Dl là chiều dài diện tích lắp đặt (m);

 W là bề rộng rãnh hóa chất (m);

 b là bề dày rãnh hóa chất (m);

 Lr là chiều dài cọc nối đất (m);

 Tmt là nhiệt độ môi trường ( 0 C);

 Tm là nhiệt độ tối đa cho phép ( 0 C);

 Kf là hằng số vật liệu;

 ꞵ là giá 1m cáp đồng (VND);

 γ là giá 1 mối hàn hóa nhiệt Cadweld (VND);

 gr là giá cọc nối đất (VND);

 gh là giá tiền một bao hóa chất (VND);

 avh là hệ số vận hành;

 Thv là thời gian hoàn vốn (năm)

PGS.TS.Quyền Huy Ánh 43 b Kết quả tính toán

Kết quả tính toán bao gồm:

 Nr là số lượng thanh theo chiều rộng;

 D1 là khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều rộng;

 Nl là số lượng thanh theo chiều ngang;

 D2 là khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều ngang;

 Amm là tiết điện cáp nối đất (mm 2 );

 LT là tổng chiều dài cáp nối đất (m);

 Nrod là số lượng cọc;

 Lr là chiều dài cọc (m);

 MH là tổng số mối hàn Cadweld;

 Bh là tổng số bao hóa chất cần sử dụng (bao);

 K là tổng vốn đầu tư (VND);

 Z là chi phí tính toán hàng năm (VND/năm)

Mã chương trình SGDS-2 được trình bày ở Phụ lục 2

TÍNH TOÁN LƯỚI NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV LONG THÀNH 5.1 Thông tin trạm biến áp 220kV Long Thành

Thiết kế lưới nối đất an toàn cho trạm biến áp 220kV/110kV 250MVA

1 Trường hợp không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất

Sử dụng chương trình SGDS-1 để tính toán với các thông số ban đầu như sau:

 tf =0,5s Thời gian sự cố (s);

 Z1= 6.6+16.5i Tổng trở tương đương thứ tự thuận phía sơ cấp (Ω);

 Z2 = Z1 Tổng trở tương đương thứ tự nghịch phía sơ cấp (Ω);

 Z0= 16.5+66i Tổng trở tương đương thứ tự không phía phía sơ cấp (Ω);

 Sf =0.6 Hệ số chia dòng;

 Vll #0kV Điện áp dây tại nơi xảy ra sự cố (kV);

 ρ`0 Điện trở suất của đất (Ω.m);

 ρs 000 Điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt (Ω.m);

 hs =0.2 Độ dày của lớp đá (m);

 h=0.7 Độ chôn sâu của lưới nối đất (m);

 h0 = 1 Độ chôn sâu của lưới nối đất chuẩn (m);

 Dr 0 Chiều rộng diện tích lắp đặt (m);

 Dl 0 Chiều dài diện tích lắp đặt (m);

 ZT1=(0,3916 +j0,415) Tổng trở thứ tự thuận của MBA phía 115kV;

 ZT2 = ZT1 Tổng trở thứ tự nghịch của MBA phía 115kV;

 ZT0 = ZT1 Tổng trở thứ tự không của MBA phía 115kV;

 ST = 250 MVA Công suất MBA (MVA);

 VT_ pri_ ll = 230kV Điện áp phía sơ cấp của MBA;

 VT_ sec_ ll = 115kV Điện áp phía thứ cấp của MBA;

 Lr=3 Chiều dài cọc nối đất (m);

 Tmt@ Nhiệt độ môi trường ( 0 C);

 Tm80 Nhiệt độ tối đa cho phép ( 0 C);

 Kf =7.06 Hằng số vật liệu;

 γ 0000 Giá 1 mối hàn hóa nhiệt Cadweld (VND);

 gr 0000 Giá cọc nối đất (VND);

 avh=0.1 Hệ số vận hành;

 Thv=8 Thời gian hoàn vốn (năm)

Kết quả tính toán như sau:

 Nr = 16 Số lượng thanh theo chiều rộng;

 D1 = 6.67 Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều rộng;

 Nl = 16 Số lượng thanh theo chiều ngang;

 D2 = 6.67 Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều ngang;

 Amm = 70 Tiết điện cáp nối đất (mm2);

 LT = 3000 Tổng chiều dài cáp nối đất (m);

 MH = 256 Tổng số mối hàn Cadweld;

 K = 862,400,000 Tổng vốn đầu tư (VND);

 Z = 194,040,000 Chi phí tính toán hàng năm (VND/năm)

2 Trường hợp có sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất

 Z1= 6.6+16.5i Tổng trở tương đương thứ tự thuận phía sơ cấp (Ω);

 Z0= 16.5+66i Tổng trở tương đương thứ tự không phía phía sơ cấp (Ω);

 Vll #0kV Điện áp dây tại nơi xảy ra sự cố (kV);

 Dr 0 Chiều rộng diện tích lắp đặt (m);

 Dl 0 Chiều dài diện tích lắp đặt (m);

 ST = 250 MVA Công suất MBA (MVA);

 W =0.05 Bề rộng rãnh hóa chất (m);

 b= 0.025 Bề dày rãnh hóa chất (m);

 Gh = 1100000 Giá tiền một bao hóa chất (VND);

 Thv=8 Thời gian hoàn vốn (năm);

 D1 Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều rộng;

 D2 = 10 Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều ngang;

 Amm p Tiết điện cáp nối đất (mm2);

 MH 1 Tổng số mối hàn Cadweld;

 Bh 1 Tổng số bao hóa chất cần sử dụng (bao);

3 So sánh kết quả tính toán

Phân tích kết quả thiết kế lưới nối đất an toàn cho trạm biến áp 250MVA Long Thành cho thấy phương án sử dụng hóa chất có nhiều ưu điểm hơn so với phương án không sử dụng hóa chất, mặc dù chi phí hàng năm của hai phương án này tương đương nhau (không sai lệch quá 5%) Cụ thể, phương án 2 (PA 2) mang lại nhiều lợi thế hơn so với phương án 1 (PA 1).

 Vốn đầu tư thấp hơn;

 Lượng cáp đồng và số mối hàn Cadweld sử dụng thấp hơn, điều này tạo thuận lợi cho công tác lắp đặt tại thực địa

Bảng 5.1 Kết quả tính toán lưới nối đất cho trạm biến áp 220kV/110kV

PA 1 Không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối dất

Có sử dụng hóa chất giảm điện trở nối dất

Số lượng thanh theo chiều rộng 16 11

Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều rộng (m) 6,67 10

Số lượng thanh theo chiều ngang 16 11

Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều ngang (m) 6.67 10

Tiết điện cáp nối đất (mm 2 ) 70 70

Tổng chiều dài cáp nối đất (m) 3000 2000

Tổng số mối hàn Cadweld 256 121

Tổng số bao hóa chất cần sử dụng (bao) 0 111

Tổng vốn đầu tư (VND) 862,400,000 703,500,000

Chi phí tính toán hàng năm

Thiết kế lưới nối đất an toàn cho trạm biến áp 110kV/22kV 40MVA

1 Trường hợp không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất

 Z1= 4+10i Tổng trở tương đương thứ tự thuận phía sơ cấp (Ω);

 Z0= 10+40i Tổng trở tương đương thứ tự không phía phía sơ cấp (Ω);

 Vll 5kV Điện áp dây tại nơi xảy ra sự cố (kV);

 Dr ` Chiều rộng diện tích lắp đặt (m);

 Dl ` Chiều dài diện tích lắp đặt (m);

 ST = 40MVA Công suất MBA (MVA);

 D1 = 3.33 Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều rộng;

 D2 =3.33 Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều ngang;

 Amm = 70 Tiết điện cáp nối đất (mm2);

 MH = 361 Tổng số mối hàn Cadweld;

2 Trường hợp có sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất

 Z1= 4+10i Tổng trở tương đương thứ tự thuận phía sơ cấp (Ω);

 Z0= 10+40i Tổng trở tương đương thứ tự không phía phía sơ cấp (Ω);

 Vll 5kV Điện áp dây tại nơi xảy ra sự cố (kV);

 Dr ` Chiều rộng diện tích lắp đặt (m);

 Dl ` Chiều dài diện tích lắp đặt (m);

 ST = 40MVA Công suất MBA (MVA);

 W =0.05 Bề rộng rãnh hóa chất (m);

 b= 0.025 Bề dày rãnh hóa chất (m);

 Gh = 1100000 Giá tiền một bao hóa chất (VND);

 D1 =5 Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều rộng;

 D2 = 5 Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều ngang;

 Amm p Tiết điện cáp nối đất (mm2);

 MH 9 Tổng số mối hàn Cadweld;

 Bh y Tổng số bao hóa chất cần sử dụng (bao);

3 So sánh kết quả tính toán

Phân tích kết quả thiết kế lưới nối đất an toàn cho trạm biến áp 40MVA Long Thành cho thấy phương án sử dụng hóa chất (PA 2) có nhiều ưu điểm hơn so với phương án không sử dụng hóa chất (PA 1), mặc dù chi phí hàng năm của hai phương án này tương đương (không sai lệch quá 5%) Các lợi thế của PA 2 so với PA 1 được thể hiện rõ trong bảng 5.2.

 Vốn đầu tư thấp hơn;

 Lượng cáp đồng và số mối hàn Cadweld sử dụng thấp hơn, điều này tạo thuận lợi cho công tác lắp đặt tại thực địa

Bảng 5.2 Kết quả tính toán lưới nối đất cho trạm biến áp 115kV/23kV

PA 1 Không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối dất

Có sử dụng hóa chất giảm điện trở nối dất

Số lượng thanh theo chiều rộng 19 13

Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều rộng (m) 3,33 5

Số lượng thanh theo chiều ngang 19 13

Khoảng cách giữa 2 thanh theo chiều ngang (m) 3,33 5

Tiết điện cáp nối đất (mm 2 ) 70 70

Tổng chiều dài cáp nối đất (m) 2160 1440

Tổng số mối hàn Cadweld 361 169

Tổng số bao hóa chất cần sử dụng (bao) 0 79

Tổng vốn đầu tư (VND) 655,800,000 519,500,000

Chi phí tính toán hàng năm

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN

Kết luận

Đề tài "Nghiên cứu thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEEE 80-2013" đã được hoàn thành đúng thời hạn và đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, bao gồm việc xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống nối đất.

Nghiên cứu phương pháp tính toán nối đất an toàn cho trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, sử dụng cấu hình hệ thống nối đất kết hợp giữa lưới nối đất và cọc nối đất, nhằm đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy trong việc bảo vệ thiết bị và con người.

Chúng tôi cung cấp hai công cụ thiết kế tự động hệ thống nối đất cho trạm biến áp, dựa trên các bước tính toán theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 Công cụ SGDS-1 được sử dụng trong trường hợp không áp dụng hóa chất giảm điện trở nối đất, trong khi đó công cụ SGDS-2 hỗ trợ thiết kế khi có sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất.

2) cho các công ty Điện lực, các công ty Tư vấn Thiết kế điện, tại Việt Nam;

Kết quả nghiên cứu từ luận văn này có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho cán bộ kỹ thuật tại các công ty Điện lực, nghiên cứu sinh (NCS) và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện trong việc tính toán và thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp cao áp.

Hướng nghiên cứu phát triển

Sự thay đổi giá trị điện trở suất của đất có ảnh hưởng đáng kể đến cấu hình và kết quả tính toán thiết kế hệ thống nối đất an toàn trong trạm biến áp Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện, đồng thời đảm bảo an toàn cho người sử dụng và thiết bị Do đó, việc kiểm tra và điều chỉnh điện trở suất đất là rất cần thiết để tối ưu hóa thiết kế hệ thống nối đất.

 Tính toán lưới nối đất an toàn trạm biến áp sử dụng cọc chôn sâu ở những vùng có giá trị điện trở suất của đất rất cao (ρ>1000m)

Hồ Ninh Thuận đã nghiên cứu việc sử dụng chất cải tạo đất để tính toán nối đất an toàn theo tiêu chuẩn IEEE STD 80-2013 trong luận văn Thạc sĩ tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật.

Phạm Tấn Hưng (2015) trong luận văn Thạc sĩ tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã nghiên cứu về việc nối đất cho trạm biến áp cao thế, đồng thời xem xét ảnh hưởng của hóa chất cải tạo đất Nghiên cứu này không chỉ đóng góp vào việc nâng cao độ an toàn cho hệ thống điện mà còn giúp cải thiện tính chất đất, từ đó tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của các trạm biến áp.

Nguyễn Thanh Tùng (2012) trong luận văn Thạc sĩ của mình tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã nghiên cứu và tính toán điện trở nối đất cho các hình thức đơn giản, đồng thời xem xét ảnh hưởng của các thành phần cải tạo đất đến kết quả tính toán này.

Nguyễn Trung Phương đã thực hiện nghiên cứu về các phương pháp tính toán và giải pháp giảm điện trở trong các vùng có điện trở suất cao Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật của ông được trình bày tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội vào năm 2012 Nghiên cứu này đóng góp quan trọng vào việc cải thiện hiệu suất điện trong các khu vực có điện trở cao.

Trần Nam Anh (2019) đã thực hiện nghiên cứu và tính toán nối đất cho trạm biến áp trong khu vực có điện trở suất của đất cao Luận văn này thuộc chương trình Thạc sĩ Kỹ thuật tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, nhằm tìm ra giải pháp tối ưu cho việc đảm bảo an toàn điện trong các điều kiện khó khăn.

[6] Akshay Patil, IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering (IOSR-JEEE), Substation Earthing Design, Volume 12, Issue 1 Ver II , Jan – Feb 2017

[7] Hachimenum Nyebuchi Amadi, Design of grounding system for A.C substations with critical consideration of the mesh, touch and step potentials, European Journal of Engineering and Technology, Vol 5 No 4, 2017

A feasibility study conducted by Vijay Shinol and S M Takalkar examines the adequacy of the existing earthing grid in relation to an extended gas-insulated substation Published in the International Journal of Science and Research and Development (IJERD), this research highlights recent trends in Electrical and Electronics & Communication Engineering The study, featured in the proceedings of the RTEECE conference held on April 8th-9th, provides valuable insights into the performance and reliability of earthing systems in modern substations.

[9] Dwarka Prasad , Dr.H.C Sharma, Designing an Earthing and Bonding System for High Voltage Substation, International Journal of Engineering Research and General Science Volume 3, Issue 2, March-April, 2015

[10] M.Nassereddine, J.Rizk, M.Nagrial, A Hellany, HV substation earth grid commissioning using current injection test (CIT) method: Worst case scenario determination, International Journal of Energy and Environment, Volume 6, Issue 4,

Zhang Jinsong, Qian Feng, Guo Bing, Yexu Li, and Farid Dawalibi explore the grounding of urban GIS substations linked to commercial buildings and metallic infrastructures in their article published in the International Journal of Materials, Mechanics and Manufacturing, Volume 3, Issue 3, August.

[12] Muhammad Usman Cheema, MBilal Cheema ,Adnan Bashir, M Usman Aslam, A comparison of ground grid mesh design and optimization for 500kv substation using

IEEE 80-2000 and finite element methods, Electrical and Electronics Engineering: An International Journal (ELELIJ) Vol 4, No 1, February 2015

In their 2014 study published in the International Journal of Advances in Engineering & Technology, Swapnil G Shah and Nitin R Bhasme present a comprehensive design of an earthing system for high voltage (HV) and extra high voltage (EHV) alternating current substations, specifically focusing on a case study of a 400 kV substation located in Aurangabad, India Their research highlights the critical importance of an effective earthing system in ensuring the safety and reliability of electrical infrastructure.

[14] Carlos L B Silva, Calculation of Grounding Grids Parameter at Arbitrary Geometry, Vol 2, No 2 (2017)

[15] Revision of IEEE Std 80-2000/ Incorporates IEEE Std 80-2013/Cor 1-2015, IEEE Std 80™-2013

[16] Joe Gravelle, P.E Eduardo Ramirez-Bettoni, P.E., Substation Grounding Tutorial, Minnesota Power Systems Conference Thursday, Nov 9, 2017

[17] Ehsan Azordegan,Evaluation of Ground Grid Performance: Testing and Maintenance, June 2017

[18] nVent ERICO Ground Enhancement Material, nVent 2019

[19] TerraStreamer ESE Air Terminal, Altec 2019

[20] Loresco PowerFill, Mesa Products Inc 2019

[22] San-Earth ® Technical Review, Sankosha Corporation 2019

CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT KHÔNG CÓ SỬ DỤNG HÓA

CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT- SGDS 1 disp('SAFETY GROUNDING DESIGN SOFTWARE 1, Designer LY NGOC MINH, UTE')

% Initial Parameters tf=input('Fault Duration tf(s)=')

Z1=input('Positive Sequence Impedance at Primaty, Z1=')

Z0=input('Zero Sequence Impedance at Primaty,Z0=')

ZT1=input('Transformer Positive Sequence Impedance at secondary,ZT1=')

ZT2=ZT1;% Transformer Negative Sequence Impedance at secondary

ZT0=ZT1;% Transformer Zero Sequence Impedance at secondary

VTP=input('Primary Voltage of Transformer (kV),VTP=')

VTS=input('Secondary Voltage of Transformer (kV),VTS=')

ST=input('Rated power of Transformer (MVA),ST=')

Sf=input('Current Division Factor Sf=')

To calculate the electrical parameters for a grounding system, input the L-L voltage at the worst fault location (in kV), soil resistivity (in Ohm.m), crushed rock resistivity (in Ohm.m), thickness of crushed rock surfacing (in m), depth of grid burial (in m), and grid reference depth (in m) These values are essential for determining the effectiveness and safety of the grounding system.

Dr=input('Width of Grounding Grid (m),Dr=')

Dl=input('Length of Grounding Grid (m),Dl=')

Tmt=input('Ambient Temperature (oC),Tmt=')

LD=input('Resitivity of cable 1:Cu 100%,2: Cu 97%,3:Cu 40%,4:Cu 30%,5:Cu

Lr=input('Length of Earth Rod (m),Lr=') if LD==1

% nr Distance number by length

% nl Distance number by width for i=0:1:20 nr=2+i; nl=2+i;

% Number of bars by width

% Number of bars by length

% Distance between two bars by width

% Distance between two bars by length

% Total length of grounding cable

LT=Nr*Dr+Nl*Dl;

% Cross section of grounding system

% Primary Phase Voltage of Transformer

XR=(imag(Z1)+imag(Z2)+imag(Z0))/(real(Z1)+real(Z2)+real(Z0));

ZT1lvnew=((VTS/VTP)^2)*Z1+ZT1;

% Secondary Phase Voltage of Transformer

If_lv=(3*Vln_lv)/((3*Rf)+ZT1lvnew+ZT2lvnew+ZT0);

XRlv=(imag(ZT1lvnew)+imag(ZT2lvnew)+imag(ZT0))/(real(ZT1lvnew)+real(ZT2lvn ew)+real(ZT0));

% Decrement factor for determining IG if tf==0.05

Df=-0.0002325*XR^2+ 0.02095*XR+1.047; elseif tf==0.1

Df=-0.0001125*XR^2+ 0.01405*XR+0.9958; elseif tf==0.2

Df=-0.000025*XR^2+ 0.00685*XR+0.998; elseif tf==0.3

Df=-0.00001*XR^2+ 0.0045*XR+0.999; elseif tf==0.4

Df=-0.0000025*XR^2+ 0.003195*XR+1.001; elseif tf==0.5

Df=-0.000005*XR^2+ 0.00275*XR+0.999; elseif tf==0.75

Df=-0.0000025*XR^2+ 0.001795*XR+1; elseif tf==1

Df=(-1.106^(-19))*XR^2+ 0.0013*XR+1; else Df=1; end

Akcmil=(Ifrms*Kf*sqrt(tf))/1000;

% Converse to mm2 if Amm

Tiêu đề	Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Nối Đất Cho Trạm Biến Áp Theo Tiêu Chuẩn IEEE 80-2013 Có Xét Đến Các Yếu Tố Ảnh Hưởng
Tác giả	Pgs.Ts. Quyền Huy Ánh, ThS. Lý Ngọc Minh, ThS. Trần Nam Anh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Khoa Điện-Điện Tử
Thể loại	Công Trình NCKH
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	81
Dung lượng	3,95 MB