TỔNG QUAN
Tổng quan chung về hướng nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã được công bố
1.1.1 Tổng quan chung về hướng nghiên cứu
Hàng năm, ngành điện nước ta phải đối mặt với những tổn thất lớn do sấm sét, gây gián đoạn cung cấp điện và thất thoát ngân sách Nhà nước Do đó, việc tính toán và thiết kế một hệ thống nối đất hiệu quả là rất quan trọng và cần thiết để bảo vệ an toàn cho con người cũng như thiết bị trong hệ thống điện.
Nối đất có tác dụng quan trọng trong việc tạo điều kiện cho các dòng điện sự cố như dòng rò, dòng chạm đất, dòng ngắn mạch và dòng điện sét nhanh chóng tản vào lòng đất Điều này giúp hạn chế tác hại tại chỗ và ngăn chặn sự lan truyền không mong muốn sang các phần tử khác trong hệ thống Đồng thời, nó cũng giữ cho điện thế trên các phần tử nối đất luôn ở mức giá trị thấp, đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.
Trong hệ thống điện có 3 loại nối đất như sau:
Nối đất làm việc là phương pháp quan trọng nhằm đảm bảo hoạt động ổn định của trang thiết bị điện trong các điều kiện bình thường và trong trường hợp sự cố Việc này bao gồm nối đất điểm trung tính của cuộn dây máy phát, nối đất cho máy biến áp đo lường, và thực hiện nối đất trong hệ thống pha - đất.
Nối đất an toàn là biện pháp quan trọng nhằm bảo vệ người sử dụng khi thiết bị điện gặp sự cố rò rỉ điện Việc thực hiện nối đất cho vỏ máy phát, vỏ thiết bị điện và các kết cấu kim loại của hệ thống phân phối điện giúp đảm bảo an toàn tối đa cho người sử dụng.
Nối đất chống sét là phương pháp quan trọng giúp tản dòng điện sét vào lòng đất, nhằm duy trì điện thế an toàn cho các phần tử được nối đất Việc này hạn chế hiện tượng phóng điện ngược từ các phần tử này đến các thiết bị điện và bộ phận khác, bao gồm cột thu sét, dây chống sét và các kết cấu kim loại có nguy cơ bị sét đánh.
Trong hệ thống nối đất, điện trở đất đóng vai trò quan trọng, với giá trị càng thấp thì hiệu quả càng cao Tuy nhiên, ở những khu vực đồi núi, cao nguyên hoặc nhiều đá sỏi, điện trở đất thường cao Do đó, việc giảm điện trở nối đất là rất cần thiết, không chỉ nâng cao hiệu quả của hệ thống mà còn mang lại lợi ích kinh tế.
Gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra hóa chất San Earth M5C, một sản phẩm hiệu quả và bền vững trong việc giảm điện trở đất, được sản xuất bởi hãng Sankosa-Nhật Bản và hiện đã có nhà máy tại Việt Nam Mặc dù vậy, việc tính toán và thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp vẫn gặp một số hạn chế cần khắc phục.
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;
Nhiều nghiên cứu trước đây chưa xem xét việc sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất trong quá trình tính toán và thiết kế hệ thống nối đất, đặc biệt là ở những khu vực có điện trở nối đất cao và diện tích thi công hạn chế.
Để giải quyết vấn đề về kinh tế giữa việc sử dụng và không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất, nghiên cứu "Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao" đã được thực hiện Mục tiêu của nghiên cứu là đề xuất các bước tính toán và lựa chọn giải pháp nối đất an toàn cho trạm biến áp, phù hợp với tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, đặc biệt trong các khu vực có điện trở suất đất cao.
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 trong tính toán nối đất an toàn, tuân theo tiêu chuẩn IEEE STD 80-2013 Luận văn Thạc sĩ của ông được thực hiện tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, nhằm nâng cao hiệu quả và độ an toàn trong hệ thống nối đất.
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
[2] Phạm Tấn Hưng, Nối đất trạm biến áp cao thế có tính đến hóa chất cải tạo đất,
Luận văn Thạc sĩ năm 2015 tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM nghiên cứu 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, tuân thủ theo tiêu chuẩn IEEE STD 80-2000.
Nguyễn Thanh Tùng trong luận văn Thạc sĩ của mình tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đã nghiên cứu về việc 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 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.
Năm 2012 tại TPHCM, nghiên cứu đã được thực hiện về phương pháp tính toán điện trở nối đất cho trạm biến áp Nghiên cứu này sử dụng các hình thức đơn giản và có thành phần cải tạo điện trở nối đất, nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc thiết kế hệ thống nối đất.
Nguyễn Trung Phương đã tiến hành nghiên cứu các phương pháp tính toán và giải pháp giảm điện trở ở những vùng có điện trở suất cao Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật của anh được thực hiện tại Trường Đại học, nhằm tìm ra những biện pháp hiệu quả để cải thiện tình trạng này.
Bách Khoa Hà Nội, 2012 Nghiên cứu so sánh hai phương pháp tính toán điện trở nối đất của trạm biến áp, bao gồm phương pháp của Nga và phương pháp Schwarz, dựa trên tiêu chuẩn ANSI/IEEE 80.
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;
Tính toán, thiết kế hệ thống nối đất theo tiêu chuẩn IEEE STD 80-2000 đã hết hiệu lực thi hành b Nghiên cứu ngoài nước
Tính cấp thiết của đề tài
Nghiên cứu và thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp sử dụng hóa chất giảm điện trở là cần thiết, đặc biệt ở những vùng có điện trở suất đất cao Giải pháp này không chỉ nâng cao hiệu quả kỹ thuật của hệ thống nối đất mà còn tối ưu hóa chi phí thi công, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể.
Nhiệm vụ của đề tài
Áp dụng tiêu chuẩn IEEE Std.80-2013, tính toán thiết kế hệ thống nối đất trạm biến áp khi không sử dụng hóa chất cải tạo đất
Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống nối đất trạm biến áp khi sử dụng hóa chất cải tạo đất
Chương trình tính toán và thiết kế tự động lưới nối đất an toàn trong trạm biến áp cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, đồng thời xác định hàm chi phí tính toán hàng năm cho phương án nối đất được lựa chọn Phân tích sẽ được thực hiện cho cả hai trường hợp: có và không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất.
Giới hạn đề tài
Nghiên cứu này đề xuất giải pháp tính toán nối đất cho trạm biến áp tại khu vực có điện trở suất đất cao, áp dụng tiêu chuẩn IEEE STD 80-2013 Tuy nhiên, việc thực nghiệm vẫn chưa được tiến hành.
Phương pháp nghiên cứu
Thu thập, nghiên cứu tài liệu
Lập trình trong phần mềm Matlab.
Các bước tiến hành
Nghiên cứu tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013;
Nghiên cứu tính năng, thông số và phạm vi ứng dụng của hóa chất giảm điện trở nối đất SAN EARTH có trên thị trường Việt Nam;
Nghiên cứu và đề xuất các bước thiết kế tự động hệ thống nối đất cho trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, đồng thời tính toán chi phí hàng năm của phương án được lựa chọn.
Nghiên cứu và đề xuất các bước tính toán thiết kế tự động hệ thống nối đất cho trạm biến áp, sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất Bài viết sẽ xem xét chi phí tính toán hàng năm của phương án được lựa chọn, nhằm tối ưu hóa hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho hệ thống.
Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển.
Điểm mới của đề tài
Xây dựng chương trình thiết kế tự động hệ thống nối đất trên cơ sở các bước tính toán đề xuất bởi tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013
Chương trình thiết kế tự động hệ thống nối đất sẽ được xây dựng dựa trên các bước tính toán theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013, đặc biệt trong trường hợp áp dụng hóa chất để giảm điện trở nối đất.
Giá trị thực tiễn của đề tài
Luận văn giới thiệu 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 này áp dụng cho cả trường hợp có và không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất, phục vụ cho các công ty Điện lực và các công ty Tư vấn Thiết kế điện tại Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ là tài liệu tham khảo quý giá cho cán bộ kỹ thuật tại các công ty Điện lực, nghiên cứu sinh (NCS), và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện, đặc biệt trong việc tính toán và thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp ở vùng có điện trở suất đất cao.
Nội dung của đề tài
Chương 2: Tổng quan về lưới nối đất và hóa chất giảm điện trở đất
Chương 3: Tính toán nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013
Chương 4: Chương trình tính toán lưới nối đất
Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI NỐI ĐẤT VÀ HÓA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ ĐẤT
Tổng quan về lưới nối đất trong trạm biến áp
2.1.1 Các yêu cầu của lưới nối đất trạm biến áp
2.1.1.1 Phần nối đất trạm biến áp
Các thành phần của hệ thống nối đất trong trạm biến áp, bao gồm thanh nối đất và cọc nối đất, cần được kết nối chặt chẽ và thiết kế với độ bền cao để đảm bảo tuổi thọ lâu dài.
Đảm bảo sự dẫn điện và không tạo ra sự khác biệt về điện áp trong trạm biến áp
Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu nối đất, những hư hỏng về cơ khí phải được đảm bảo khi có dòng sự cố
Các chỗ liên kết phải chắc chắn, tin cậy, độ bền cơ khí cao
Dễ dàng bảo trì và thay thế
2.1.1.2 Tính toán điện trở nối đất trạm biến áp
Tính toán dòng chạm đất
Trị số dòng điện tính toán để lựa chọn đặc tính kỹ thuật của dây nối đất cần dựa vào trị số lớn nhất của dòng điện ổn định chạm đất 1 pha trong hệ thống điện Đồng thời, cần xem xét sự phân bố dòng điện chạm đất giữa các điểm trung tính nối đất trong hệ thống.
Trị số dòng điện chạm đất cần được tính toán dựa trên sơ đồ vận hành của lưới điện, nhằm xác định dòng điện ngắn mạch với trị số lớn nhất.
Thời gian cắt trong trường hợp chạm đất
Khi xác định giá trị điện áp tiếp xúc và điện áp bước cho phép, cần tính toán thời gian tác động bằng tổng thời gian tác động của bảo vệ và thời gian cắt toàn phần của máy cắt Tại nơi làm việc của công nhân, nếu có thể xảy ra ngắn mạch khi thực hiện các thao tác đóng cắt, thời gian tác động của thiết bị bảo vệ phải được lấy bằng thời gian tác động của bảo vệ dự phòng.
Xác định điện trở suất của đất
Khi thiết kế hệ thống nối đất cho thiết bị điện, việc xác định trị số điện trở suất của đất thông qua đo đạc tại hiện trường là rất quan trọng Để đảm bảo hiệu quả cho hệ thống nối đất, cần phải xem xét sự biến thiên của điện trở suất của đất trong suốt cả năm.
Điện trở nối đất của hệ thống trạm biến áp 110kV đến 500kV cần được tính toán dựa trên điện áp tiếp xúc và điện áp bước, đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể.
Điện áp tiếp xúc và điện áp bước tính toán phải nhỏ hơn điện áp tiếp xúc và điện áp bước cho phép
Tiết diện dây nối đất phải lớn hơn tiết diện dây nối đất tính toán
Điện áp dư của 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 Việc tính toán điện áp tiếp xúc, điện áp bước và điện trở nối đất là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống.
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4756 – Quy phạm nối đất trong hệ thống điện
2.1.3 Các dạng của lưới nối đất trạm biến áp
Trong thực tế, lưới nối đất trạm biến áp sẽ được thiết kế theo các kiểu như sau:
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
Thực hiện nối đất theo kiểu mạch vòng ở chu vi diện tích nối đất giúp tránh dòng điện và điện áp cao trong lưới nối đất cũng như ở cuối đường cáp gần đó Bên trong chu vi, các thanh nối đất được đặt song song dọc theo chiều dài và chiều rộng của cọc nối đất, đảm bảo cấu trúc kết nối ngắn nhất cho các thiết bị.
Hệ thống cọc nối đất tiêu biểu bao gồm các thanh đồng được chôn sâu từ 0,3 đến 0,5 m, với khoảng cách giữa các thanh từ 3 đến 7 m Các thanh dẫn được hàn chắc chắn với nhau và bố trí ở góc lưới nối đất hoặc tại các nút giao nhau dọc theo chu vi Cọc nối đất được kết nối với các thiết bị chính hoặc đặt dưới các cọc thu sét để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Hệ thống cọc nối đất cần được kéo dài toàn bộ trạm và dọc theo hàng rào Để đảm bảo an toàn, nhiều dây và thanh nối đất có tiết diện lớn được sử dụng để kết nối vào hệ thống nối đất, đặc biệt tại những vị trí có dòng điện lớn như dây trung tính của máy biến áp và máy phát.
Sự kết nối dọc tạo ra nhiều đường thoát cho dòng sự cố làm điện áp trên bề mặt lưới thấp đi.
Hóa chất giảm điện trở nối đất San Earth M5C
2.2.1 Giới thiệu về hóa chất giảm điện trở nối đất San Earth M5C
San Earth là hóa chất dẫn điện dạng bột, được chế tạo từ các thành phần có độ bền hóa học cao Kể từ khi ra mắt vào năm 1979, San Earth đã cung cấp một lượng lớn sản phẩm cho thị trường và được ưa chuộng nhờ khả năng hiệu quả trong việc giảm điện trở nối đất.
San Earth là vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng, nhưng chủ yếu được sử dụng làm vật liệu nối đất nhờ vào tính tiện lợi và hiệu quả vượt trội của nó.
San Earth có sẵn ở hai dạng, dưới dạng bột được dùng để nối đất các công trình điện và dạng hỗn hợp dùng trong xây dựng
Chất giảm điện trở đất San Earth M5C, được đóng gói trong bao 25 kg, mang đến giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường cho các vấn đề liên quan đến hệ thống tiếp đất.
Hóa chất San Earth M5C, do công ty Sankosa của Nhật Bản sản xuất, là giải pháp hiệu quả giúp giảm điện trở đất Hiện nay, Việt Nam đã xây dựng nhà máy sản xuất loại hóa chất này, đáp ứng nhu cầu trong nước.
Vào ngày 08/07/2014, Tập đoàn Sankosha từ Nhật Bản và Công ty cổ phần Cơ - Điện - Môi trường Lilama đã tổ chức lễ khánh thành Nhà máy Sankosha Việt Nam tại xã Bình Nguyên, huyện Bình Sơn.
Nhà máy Sankosha Việt Nam chuyên sản xuất vật liệu giảm điện trở đất San Earth, một sản phẩm tiên tiến phục vụ cho các hệ thống tiếp đất trong các công trình yêu cầu bảo vệ và chống sét cao như viễn thông, điện lực, đường sắt và hàng hải Với công suất 500 tấn sản phẩm mỗi năm, đây là nhà máy đầu tiên tại Việt Nam sản xuất vật liệu này và là một trong ba nhà máy của Tập đoàn Sankosha trên toàn cầu Đặc biệt, 80% sản phẩm của nhà máy được xuất khẩu sang các nước châu Á và Trung Đông.
Hình 2.1: Mặt trước bao San Earth M5C Hình 2.2: Mặt sau bao San Earth M5C 2.2.2.Tính năng của hóa chất giảm điện trở nối đất San Earth M5C
2.2.2.1 Chất lượng nối đất tuyệt vời
San Earth thường được sử dụng dưới dạng bột khô, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao Sản phẩm này giúp tăng cường sự liên kết với môi trường xung quanh, cho hiệu quả vượt trội so với các phương pháp nối đất truyền thống.
2.2.2.2 Chống ăn mòn kim loại nối đất Ở bình thường, quá trình oxy hóa xảy ra đối với bất kỳ kim loại nào chôn trong lòng đất Quá trình oxy hóa làm kim loại bị ăn mòn nghiêm trọng Quá trình này sẽ được hạn chế tối đa bằng cách sử dụng San Earth Phủ lên kim loại bằng San Earth sẽ tạo ra sự dẫn điện giữa kim loại và San Earth làm giảm phản ứng oxy hóa và ngăn kim loại bị ăn mòn
2.2.2.3 Chi phí nối đất hiệu quả
Hó a chất giảm điện trở đất San Earth là giải pháp dễ dàng lắp đặt bằng cách rải hoá chất khô lên hoặc xung quanh các chất dẫn điện theo rãnh nằm ngang Khi đổ đầy rãnh, hó a chất này sẽ hút ẩm từ đất và cứng lại, trở thành một phần của điện cực đất, từ đó tăng diện tích bề mặt và giảm điện trở đất một cách hiệu quả Với dạng bột, San Earth không gây khó khăn trong thi công, ngay cả ở những khu vực dốc, góp phần làm tăng tính hiệu quả về chi phí.
2.2.2.4 An toàn với môi trường
San Earth hoàn toàn an toàn và không gây ô nhiễm, vì nó được cấu thành từ các chất hóa học trơ Chất liệu này không tan trong đất và không chuyển hóa thành các chất điện phân.
2.2.2.5 Các ứng dụng trong thực tế
Trụ tháp truyền thông và trụ tháp điện cao thế;
Hệ thống nối đất của các nhà máy điện;
Tháp thu phát sóng viba;
Hệ thống nối đất của các trạm điện nhỏ;
Hệ thống bảo vệ các xung điện;
Trạm điện một chiều trung tâm;
Trạm thu tín hiệu vệ tinh dưới mặt đất
2.2.3.Thực nghiệm tính nối đất củaSan Earth M5C
So sánh hóa chất San Earth M5C với dây đồng trần
Hình 2.3: Điện trở Hình 2.4: Tổng trở đột biến Độ sõu điện cực: 0,5 m Dạng súng đột biến: 1/100 às Chiều rộng điện cực San Earth: 0,5 m Chiều dài điện cực: 40 m
Chiều rộng điện cực San Earth là 0,5 m, với kết quả đo điện trở đất cho các độ sâu 0.2 m, 1.72 m, 4.3 m, 6.88 m và 20.0 m lần lượt là 305.91 Ω-m, 382.40 Ω-m, 185.80 Ω-m, 161.20 Ω-m và 47.40 Ω-m Điện trở suất trung bình ở các độ sâu này được xác định là 305.91 Ω-m, 371.58 Ω-m, 232.24 Ω-m, 331.77 Ω-m và 236.98 Ω-m.
2.2.4 Thi công điển hình với San Earth M5C
2.2.4.1 Đối với các điện cực nằm ngang
San Earth M5C sau khi thi công sẽ hóa rắn bằng cách hấp thụ độ ẩm từ đất xung quanh, điều này giúp sản phẩm trở nên lý tưởng cho việc nối đất ở những vị trí không có điều kiện thuận lợi.
Copper Ground Wire Copper Ground Wire
M5C Electrode có khả năng kết nối với nguồn nước sẵn có Dây nối đất được lắp đặt trong rãnh và được phủ bằng San Earth, giúp tăng đáng kể diện tích bề mặt của điện cực nối đất.
Chiều dài rãnh phụ thuộc vào điện trở đất của công trình và yêu cầu về giá trị điện trở của dự án Rãnh cần có độ sâu tối thiểu 0.5m và đáy rãnh nên được giữ phẳng để đảm bảo hiệu quả.
Hình 2.5: Mặt cắt dọc điện cực khi thi công
Bước 1: Đặt dây nối đất trong rãnh
Bước 2: Phủ lên trên dây nối đất bằng San Earth M5C đồng thời trải một lớp mỏng ở dưới đáy rãnh
Bước 3: Cho phép San Earth phủ khoảng 30 cm phần cách điện của dây nối đất
Hình 2.6: Mặt cắt ngang điện cực khi thi công
Bước 4: Phủ lên lớp San Earth M5C khoảng 10 cm đất và đầm chặt chúng
Bước 5: Lắp đất và hoàn thiện quá trình lắp đặt
2.2.4.2 Đối với các điện cực thẳng đứng
Dùng cọc tiếp đất bọc đồng hoặc dây tiếp đất đồng trần
Có thể tạo vữa bằng cách trộn bột giảm điện trở đất San Earth với nước và đổ hỗn hợp này vào lỗ quanh dây dẫn Ngoài ra, việc lắp đặt hóa chất giảm điện trở đất theo chiều thẳng đứng cũng là một phương pháp hiệu quả, đặc biệt khi diện tích lắp đặt bị hạn chế Để thực hiện, cần đào một lỗ có đường kính 75 mm theo chiều dọc, kích thước này tùy thuộc vào tính toán của điện trở đất đo được tại công trình, nhằm đạt được giá trị điện trở đất mong muốn.
TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN IEEE Std 80-2013 3.1 Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013
Giới thiệu về tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013
Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 cung cấp hướng dẫn thiết kế hệ thống nối đất an toàn cho các trạm biến áp trong hệ thống điện Được lần đầu tiên xuất bản vào năm 1961, tiêu chuẩn này dựa trên mô hình toán học thực tế để tính toán điện áp bước và điện áp tiếp xúc, được đề xuất bởi Steven vào năm 1959 Qua các năm, tiêu chuẩn đã được các nhà khoa học như Thapar, Sverak và Dawalibi phát triển và sửa đổi vào các năm 1976, 1986, 1996 và 2000.
Tiêu chuẩn IEEE Std 80-1976 cung cấp phương pháp tính toán giới hạn điện áp tiếp xúc, điện áp lưới và điện áp bước cho hệ thống nối đất hình vuông Tiêu chuẩn này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn điện cho người sử dụng và thiết bị.
Năm 1986, hai sửa đổi quan trọng đã được đưa ra, bao gồm định nghĩa lại giới hạn điện áp bước và điện áp tiếp xúc cho khối lượng cơ thể người 50 kg và 70 kg, cùng với việc thêm hệ số Cs do điện trở suất khác nhau của lớp đất bên dưới Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2000 đã mở rộng các công thức tính toán cho các loại lưới nối đất như hình vuông, hình chữ nhật, hình tam giác, hình chữ T và hình chữ L, đồng thời điều chỉnh phương pháp tính hệ số suy giảm bề mặt với sai số 5% Ngoài ra, các tiêu chí đánh giá lựa chọn thanh dẫn và kết nối cũng đã được thay đổi, đồng thời mô hình đất nhiều lớp được áp dụng để tính toán điện trở suất của hệ thống nối đất.
Tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013 được phát hành dựa trên nền tảng của phiên bản trước, IEEE Std 80-2000, với sự chỉnh sửa và rút gọn bởi các chuyên gia Phiên bản mới này loại bỏ những phần không cần thiết, giúp người đọc dễ dàng hiểu hơn về hướng dẫn thiết kế hệ thống nối đất an toàn cho các trạm biến áp trong hệ thống điện.
Theo tiêu chuẩn này, ngưỡng an toàn của dòng điện đối với cơ thể người được xác định dựa trên thời gian dòng điện đi qua, theo một công thức cụ thể.
Công thức IB2.ts = SB (3.1) thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện đi qua cơ thể người (IB, tính bằng mA) và thời gian dòng điện tác động (ts, tính bằng giây), trong đó SB là hằng số kinh nghiệm liên quan đến năng lượng do điện giật.
Từ đó xác định giá trị I B : 𝐼 𝐵 = 𝑘
Với k là hệ số phục hồi phụ thuộc vào trọng lượng cơ thể người
Trường hợp người cân nặng 50 kg thì k = 0,116;
Trường hợp người cân nặng 70 kg thì k = 0,157
3.1.2 Lưu đồ giải thuật tính toán nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013
Kích thước thanh dẫn: 3I 0 , t c , d Điện áp tiếp xúc cho phép: E touch 50 or 70 Điện áp bước cho phép: E step 50 or 70
Thiết kế ban đầu: D, n, L C , L T , h Điện trở lưới nối đất: R g , L T , L C
Tính điện áp lưới và điện áp bước
Bước 10 Sai Đúng Sai Đúng
Hình 3.1: Trình tự các bước tính toán nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std.80-2013
3.1.3 Ý nghĩa các ký hiệu trong tính toán nối đất
Bảng 3.1: Ý nghĩa các ký hiệu trong tính toán nối đất theo 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 (Sf) xác định dòng hỗ cảm đi qua dây chống sét mà không đi qua lưới nối đất Thời gian tồn tại dòng sự cố (tc) được sử dụng để xác định kích cỡ dây nối đất (s) Thời gian tồn tại dòng sự cố (tf) cũng được áp dụng để xác định Df, trong khi thời gian tồn tại dòng ngắn mạch (ts) giúp xác định dòng cho phép qua người (s).
3.1.4 Các bước tính toán thiết kế lưới nối đất trạm biến áp
Bước 1: Diện tích lưới nối đất và điện trở suất
Để xác định diện tích lưới nối đất của trạm biến áp, cần dựa vào chiều dài và chiều rộng của lưới nối đất, với các hình dạng như hình vuông, hình chữ nhật hoặc hình chữ L Đồng thời, việc xác định điện trở suất của đất tại vị trí thiết kế nối đất cũng rất quan trọng Nếu ký hiệu a là chiều dài và b là chiều rộng, thì diện tích của lưới nối đất sẽ được tính toán dựa trên các thông số này.
Bước 2: Kích cỡ dây dẫn nối đất
Khi có sự cố ba pha chạm đất, dòng chạm đất đối xứng If = 3I0
Khi có sự cố một pha chạm đất, dòng điện chạm đất thứ tự không bằng:
Trong hệ thống điện, Vln đại diện cho điện áp pha ở phía sơ cấp của máy biến áp (MBA) Rf là điện trở ước lượng trong trường hợp có sự cố, thường được giả định là bằng không Các điện trở R1, R2, R0 tương ứng với điện trở tương đương thứ tự thuận, nghịch và không của hệ thống Tương tự, X1, X2, X0 là điện kháng tương đương của hệ thống theo thứ tự thuận, nghịch và không.
Khi đó cần chú ý đến ngắn mạch xảy ra trên thanh cái nào của máy biến áp để quy đổi giá trị trở kháng sự cố cho chính xác
Tiết diện dây dẫn cần thiết cho lưới nối đất được xác định theo biểu thức sau:
Akcmil là tiết diện của dây dẫn tính bằng kcmil; If đại diện cho giá trị hiệu dụng của dòng chạm đất tính bằng kA; tc là khoảng thời gian xảy ra chạm đất tính bằng giây; và Kf là hằng số vật liệu được xác định trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2: Thông số vật liệu
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
Có thể sử dụng công thức tính tiết diện dây tổng quát hơn, với các thông số của vật liệu tra ở Bảng 3.3
Trong bài viết này, các ký hiệu được định nghĩa như sau: tc là khoảng thời gian sự cố tính bằng giây; Tm là nhiệt độ tối đa cho phép tính bằng độ C; Ta là nhiệt độ môi trường tính bằng độ C; Tr là hằng số nhiệt độ của vật liệu; α0 là hằng số nhiệt độ ở 0 độ C; αr là hệ số nhiệt của điện trở suất tại nhiệt độ Tr; ρr là điện trở suất của dây nối đất tại nhiệt độ Tr; và TCAP là nhiệt dung tính bằng J/cm³.
Bảng 3.3: Hệ số vật liệu 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 Thép không rỉ 304 2,4 0.001 30 749 1400 72.00 4.0 Sau đó, quy đổi tiết diện dây dẫn từ Akcmil Amm theo công thức:
Amm = hệ số quy đổi Akcmil (trong đó hệ số quy đổi tra ở Bảng 3.4) (3.10)
Bảng 3.4: Hệ số quy đổi đơn vị tiết diện dây dẫn
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: Tiêu chuẩn 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 tính như sau:
Trong đó: 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)
Hệ số Cs cũng có thể xác định bằng cách tra đồ thị Cs – k (Hình 3.2)
K mang giá trị âm được chấp nhận khi điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt lớn hơn điện trở suất của đất Trong tình huống này, chỉ một phần dòng điện chạm đất sẽ đi vào lớp bề mặt Ngược lại, nếu K có giá trị dương, dòng điện đi vào lớp bề mặt sẽ lớn hơn.
An toàn của con người liên quan đến việc ngăn chặn nguy cơ điện giật trước khi sự cố xảy ra Điện áp tối đa trong trường hợp sự cố không được vượt quá điện áp bước giới hạn (Estep) và điện áp tiếp xúc giới hạn (Etouch).
+ Đối với người nặng 50 kg
+ Đối với người nặng 70 kg
Và điện áp tiếp xúc giới hạn là:
+ Đối với người nặng 50 kg
+ Đối với người nặng 70 kg
Bước 4: Thiết kế ban đầu
Trong bước này, tùy theo dạng lưới nối đất có các giá trị ban đầu khác nhau như:
- 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 lưới nối đất Điện trở nối đất của hệ thống đơn giản:
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: Dòng điện lưới cực đại
Hệ số phân dòng sự cố Sf :
Dòng lưới cực đại IG :
Từ công thức (3.18 và 3.19) suy ra:
Công thức IG = Df Sf 3 I0 (3.20) mô tả dòng tản vào đất lớn nhất (IG) chạy giữa lưới và đất, với I0 là dòng điện chạm đất thứ tự không Các yếu tố Df và Sf lần lượt là hệ số suy giảm và hệ số phân dòng sự cố, trong khi Ig là dòng tản vào đất Tham khảo Bảng 3.5 để biết thêm thông tin về hệ số suy giảm.
Thời gian sự cố, t f Hệ số giảm, D f
Giây Chu kỳ với 60 Hz X/R = 10 X/R = 20 X/R = 30 X/R = 40
Bước 7: Độ tăng điện thế đất GPR
Việc cần thiết là so sánh giá trị GPR tìm được với giá trị điện áp tiếp xúc Etouch
Các bước tính toán thiết kế lưới nối đất trạm biến áp
Bước 1: Diện tích lưới nối đất và điện trở suất
Để xác định diện tích lưới nối đất của trạm biến áp, cần xem xét chiều dài và chiều rộng của lưới nối đất, có thể là hình vuông, hình chữ nhật hoặc hình chữ L Đồng thời, việc xác định điện trở suất của đất tại vị trí thiết kế nối đất cũng rất quan trọng Nếu ký hiệu a là chiều dài và b là chiều rộng, thì diện tích của lưới nối đất sẽ được tính dựa trên các thông số này.
Bước 2: Kích cỡ dây dẫn nối đất
Khi có sự cố ba pha chạm đất, dòng chạm đất đối xứng If = 3I0
Khi có sự cố một pha chạm đất, dòng điện chạm đất thứ tự không bằng:
Trong hệ thống điện, Vln đại diện cho điện áp pha ở phía sơ cấp của máy biến áp (MBA) Rf là điện trở ước lượng trong trường hợp sự cố, thường được giả định là bằng không Các điện trở R1, R2, và R0 lần lượt tương ứng với điện trở thứ tự thuận, nghịch và không của hệ thống Tương tự, X1, X2, và X0 là các điện kháng tương đương cho thứ tự thuận, nghịch và không của hệ thống.
Khi đó cần chú ý đến ngắn mạch xảy ra trên thanh cái nào của máy biến áp để quy đổi giá trị trở kháng sự cố cho chính xác
Tiết diện dây dẫn cần thiết cho lưới nối đất được xác định theo biểu thức sau:
Akcmil là tiết diện dây dẫn được đo bằng đơn vị kcmil; If đại diện cho giá trị hiệu dụng của dòng chạm đất tính bằng kA; tc là thời gian xảy ra sự cố chạm đất tính bằng giây; và Kf là hằng số vật liệu được tra cứu trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2: Thông số vật liệu
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
Có thể sử dụng công thức tính tiết diện dây tổng quát hơn, với các thông số của vật liệu tra ở Bảng 3.3
Trong bài viết này, các ký hiệu quan trọng được định nghĩa như sau: tc là khoảng thời gian xảy ra sự cố tính bằng giây; Tm là nhiệt độ tối đa cho phép tính bằng độ C; Ta là nhiệt độ môi trường cũng tính bằng độ C; Tr là hằng số nhiệt độ của vật liệu; α0 là hằng số nhiệt độ ở 0 độ C; αr là hệ số nhiệt của điện trở suất tại nhiệt độ Tr; ρr là điện trở suất của dây nối đất ở nhiệt độ Tr; và TCAP là nhiệt dung tính bằng J/cm³.
Bảng 3.3: Hệ số vật liệu 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 Thép không rỉ 304 2,4 0.001 30 749 1400 72.00 4.0 Sau đó, quy đổi tiết diện dây dẫn từ Akcmil Amm theo công thức:
Amm = hệ số quy đổi Akcmil (trong đó hệ số quy đổi tra ở Bảng 3.4) (3.10)
Bảng 3.4: Hệ số quy đổi đơn vị tiết diện dây dẫn
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: Tiêu chuẩn 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 tính như sau:
Trong đó: 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)
Hệ số Cs cũng có thể xác định bằng cách tra đồ thị Cs – k (Hình 3.2)
K mang giá trị âm được chấp nhận khi điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt lớn hơn điện trở suất của đất Trong tình huống này, chỉ một phần dòng điện chạm đất sẽ đi vào lớp bề mặt Ngược lại, nếu K có giá trị dương, dòng điện đi vào lớp bề mặt sẽ lớn hơn.
Để đảm bảo an toàn cho con người, việc ngăn chặn nguy cơ điện giật là rất quan trọng trước khi sự cố xảy ra Điện áp tối đa trong trường hợp sự cố không được vượt quá điện áp bước giới hạn (Estep) và điện áp tiếp xúc giới hạn (Etouch).
+ Đối với người nặng 50 kg
+ Đối với người nặng 70 kg
Và điện áp tiếp xúc giới hạn là:
+ Đối với người nặng 50 kg
+ Đối với người nặng 70 kg
Bước 4: Thiết kế ban đầu
Trong bước này, tùy theo dạng lưới nối đất có các giá trị ban đầu khác nhau như:
- 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 lưới nối đất Điện trở nối đất của hệ thống đơn giản:
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 đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu quả của hệ thống nối đất, giúp bảo vệ an toàn cho các thiết bị điện và con người.
Bước 6: Dòng điện lưới cực đại
Hệ số phân dòng sự cố Sf :
Dòng lưới cực đại IG :
Từ công thức (3.18 và 3.19) suy ra:
Công thức IG = Df Sf 3 I0 (3.20) mô tả dòng tản vào đất lớn nhất (IG) chạy giữa lưới và đất, với I0 là dòng điện chạm đất thứ tự không Hệ số suy giảm (Df) được tra cứu trong Bảng 3.5, trong khi Sf là hệ số phân dòng sự cố Dòng tản vào đất (Ig) được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Thời gian sự cố, t f Hệ số giảm, D f
Giây Chu kỳ với 60 Hz X/R = 10 X/R = 20 X/R = 30 X/R = 40
Bước 7: Độ tăng điện thế đất GPR
Việc cần thiết là so sánh giá trị GPR tìm được với giá trị điện áp tiếp xúc Etouch
GPR = IG Rg (3.21) Nếu giá trị GPR xác định nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép, bước tiếp theo là thực hiện bước 12, đó là thiết kế chi tiết cho hệ thống nối đất.
Ngược lại, nếu giá trị GPR lớn hơn điện áp tiếp xúc cho phép thì thực hiện tiếp bước 8
Bước 8: Điện áp lưới và điện áp bước
Xác định hệ số Km:
Đối với lưới nối đất có cọc tiếp địa dọc theo chu vi hoặc ở các góc lưới, hệ số Kii được xác định là 1 Trong trường hợp lưới không có cọc tiếp đất hoặc chỉ có một số cọc không nằm ở các góc hoặc cạnh chu vi, giá trị Kii sẽ khác.
𝐿 𝑃 (3.26) 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
Nếu không thì: nb = √ 4 √𝐴 𝐿 𝑃 (3.27) nc = ( 𝐿 𝑥 𝐿 𝑦
Khoảng cách giữa các thanh nối đất được ký hiệu là D (m), trong khi LC đại diện cho tổng chiều dài của thanh dẫn nối đất (m) Lưới nối đất có chiều dài tối đa theo chiều dài là Lx (m) và chiều rộng là Ly (m) Tổng chiều dài của hệ thống thanh và cọc tiếp đất được ký hiệu là LT (m) Khoảng cách tối đa giữa hai điểm bất kỳ trên lưới là Dm (m), với dt và dc là đường kính của thanh và cọc nối đất tương ứng (m) Độ sâu lưới nối đất chuẩn được xác định là h0 = 1 (m).
Hệ số Ki được tính theo công thức sau:
Ki = 0,644 + 0,148 n (3.30) Đối với lưới không có cọc tiếp đất thì điện áp lưới Em được tính như sau:
𝐿 𝐶 + 𝐿 𝑟 (3.31) Đối với lưới có cọc tiếp đất thì điện áp lưới Em lúc này sẽ được tính như sau:
Với hệ số Ks được tính như sau:
𝐷 (1 − 0,5 𝑛 −2 ) ] (3.33) Điện áp bước Es được tính như sau:
Bước 9: So sánh điện áp lưới E m và điện áp tiếp xúc cho phép E touch
Nếu điện áp lưới nhỏ hơn điện áp Etouch cho phép, tiếp tục thực hiện bước 10 Ngược lại, nếu điện áp lưới lớn hơn điện áp Etouch, cần chuyển sang bước 11 để điều chỉnh thiết kế sơ bộ ban đầu.
Bước 10: So sánh E s và điện áp bước cho phép E ste p
Nếu điện áp bước Es tính toán ở bước 8 nhỏ hơn điện áp bước cho phép Estep, thì tiến hành Bước 12 để thực hiện thiết kế chi tiết Ngược lại, cần điều chỉnh thiết kế sơ bộ.
Bước 11: Thay đổi thiết kế sơ bộ
Nếu Bước 9 hoặc Bước 10 không đạt yêu cầu, cần điều chỉnh thiết kế sơ bộ Cụ thể, có thể thay đổi 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, nhằm tăng tổng chiều dài thanh dẫn nối đất (LC), tổng chiều dài cọc nối đất (LR) và diện tích lưới Mục tiêu là giảm giá trị Em và Es đã tính toán.
Bước 12: Thiết kế chi tiết cho lưới
Khi mà tất cả các bước ở trên đã được tính toán và thỏa mãn thì tiến hành thiết kế chi tiết cho lưới nối đất.
Tính toán lưới nối đất trạm biến áp điển hình 115/13 kV
3.2.1 Trường hợp không sử dụng hóa chất
Tính toán thi ết kế nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std 80 – 2013 trong trường hợp không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất
Dữ liệu ban đầu: i = √−1, j = i tf = 0,5 s Thời gian tồn tại dòng sự cố
Z1 = (4+j10) Ω Tổng trở tương đương thứ tự thuận của hệ thống phía 115 kV
Z2 = Z1 Tổng trở tương đương thứ tự nghịch của hệ thống phía 115 kV
Z0 = (10+j40) Ω Tổng trở tương đương thứ tự không của hệ thống phía 115 kV
Sf = 0,6 Hệ số chia dòng
Tại nơi xảy ra sự cố, điện áp dây là 115 kV, trong khi điện trở suất của đất là 400 Ω.m và điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt là 2500 Ω.m Lớp đá có độ dày 0,102 m và độ chôn sâu là 0,5 m.
Ap.70= 4900(m 2 ) Diện tích khu vực nối đất
ZT 1=(0,034 +j1,014) Tổng trở thứ tự thuận của MBA phía 13 kV
ZT 2 = ZT 1 Tổng trở thứ tự nghịch của MBA phía 13kV
ZT 0 = ZT 1 Tổng trở thứ tự không của MBA phía 13kV
ST = 15 MVA Công suất MBA (MVA)
VT _ pri_ ll = 115 kV Điện áp phía sơ cấp của MBA
VT _ sec_ ll = 13 kV Điện áp phía thứ cấp của MBA
Điện trở suất của lớp đá được xác định thông qua các phép tính thực tế, trong khi tổng trở tương đương của hệ thống và hệ số chia dòng Sf là hai yếu tố quan trọng trong các hệ thống nối đất của trạm biến áp.
Bước 1: Dữ liệu ban đầu
Sử dụng lưới 70m x 70m, khoảng cách bằng nhau, lưới hình vuông chia làm mười phần
Bước 2: Kích thước dây dẫn
Bỏ qua thành phần điện trở, dòng điện ngắn mạch chạm đất đối xứng If = 3 I0 Điện áp pha phía sơ cấp MBA
𝑅 = 3,333 Dòng ngắn mạch trên thanh cái 13 kV
Biến đổi tổng trở ngắn mạch phía 115 kV về phía 13 kV Do máy biến áp đấu Y/Δ nên chỉ có thành phần thứ tự thuận được chuyển về phía 13 kV
VT _pri_ll = 115 kV VT _sec_ll = 13 kV
Các tổng trở thứ tự qui về phía thứ cấp của MBA giảm áp
ZT 1 lv_new = 0,085+j1,142 ZT 2 lv_new = ZT 1 lv_new ZT 0 = 0,034+1,014j
R1 lv=Re(ZT 1 lv_new) = 0,085 R2 lv = R1 lv R0 lv = Re(ZT 0) = 0,034
X1 lv=lm(ZT 1 lv_new) = 1,142 X2 lv = X1 lv X0 lv = Re(ZT 0) = 1,014 Điện áp pha phía thứ cấp:
3I0lv = 6815 với I0lv: dòng chạm đất thứ tự không phía thứ cấp
Dòng ngắn mạch trên thanh góp 13 kV ở phía thứ cấp của MBA được sử dụng để tính toán dây nối đất, và giá trị của nó lớn hơn so với phía sơ cấp 115 kV của MBA.
Sử dụng Bảng 3.5 với thời gian sự cố 0,5 giây và hệ số suy giảm Df = 1,0, giá trị hiệu dụng của dòng chạm đất không đối xứng được tính toán dựa trên giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch không đối xứng là 6815A, dẫn đến giá trị hiệu dụng của dòng chạm đất không đối xứng cũng là 6815A.
Dòng ngắn mạch không đối xứng bao gồm dòng ngắn mạch đối xứng và thành phần DC Để chọn kích cỡ cáp đồng ở nhiệt độ môi trường 40°C, chúng ta tham khảo Bảng 3.2, trong đó cáp đồng cứng có Tm là 84°C và Kf là 7,06 Để xác định tiết diện mặt cắt ngang của cáp đồng, công thức được sử dụng là Akcmil = I (kA) Kf √𝑡𝑐, với tc là thời gian xảy ra sự cố.
Kf = 7.06 tc= 0.5 IF = 6.815.10 3 (A) = 6,815 (kA) IF_unitless = 6815
Tra bảng 3.4 để tìm hệ số quy đổi
Tra thông số bảng cáp đồng, chọn được cáp đồng 25mm 2
Nhưng kích thước cáp này không thỏa điều kiện độ bền cơ học
Loại cáp có tiết diện 70 mm 2 được lựa chọn
𝜋 )= 9,441 mm d m = d mm /1000 = 0,0094 m (sắp xỉ loại đồng xoắn)
Akcmil có thể được tính toán bằng cách xác định TCAP cho vật liệu không có trong Bảng 3.3 Thông tin này hỗ trợ việc tính toán TCAP cho các tổ hợp khác nhau của cọc nối đất và kim loại trong hệ thống nối đất Bảng này cũng trình bày các tiêu chuẩn, với hai mục đích: đầu tiên, để so sánh phép tính trong IEEE Std 80 với phần mềm thiết kế nối đất thương mại, chứng minh rằng các phép tính của IEEE Std 80 là chính xác; thứ hai, cung cấp cho người dùng phần mềm phương pháp kiểm tra sự hiểu biết của họ về phần mềm.
Sử dụng các giá trị trong Bảng 3.3, dây thép bọc đồng với độ dẫn điện 30% αr = 0,00378
Tm = 700 0 C giá trị thiết kế và giá trị lớn nhất cho bởi người sử dụng
Ta = 40 0 C nhiệt độ môi trường
Dòng điện IF được tính là kA
Các giá trị ban đầu được sử dụng
Amm = 0,5067 Akcmil = 33,612 mm Đường kín tối thiểu trong trường hợp này: dmin_mm = √( 𝐴 𝑚𝑚 𝜋 4 ) = 6,541 mm dmin_m = 𝑑 min _𝑚𝑚
Dây/cọc thép bọc đồng với độ dẫn điện 30% được sử dụng cho lưới nối đất với tiết diện 70mm², trong khi đường kín dmin được tính toán thấp hơn d = 0,01 m Với tỷ lệ 1000 = 0,0065 m, việc lựa chọn này đảm bảo hiệu suất tối ưu ngay cả khi nhiệt độ chảy lớn nhất lên tới 700°C.
Bước 3: Xác định điện áp bước & điện áp tiếp xúc
Với lớp vật liệu bề mặt dày 0,102 m và điện trở suất 2500 Ω.m, trong khi điện trở suất của đất là 400 Ω.m, hệ số phản xạ K được tính toán theo công thức 3.10 với các giá trị ρ = 400 Ωm và ρs = 2500 Ωm.
K = ρ − ρ s ρ + ρ s K là hệ số phản xạ
Giá trị K = -0,724 cho thấy điện trở suất của lớp vật liệu bề mặt lớn 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 sẽ đi vào lớp bề mặt nhiều hơn.
Xác định hệ số K ở Hình 3.2 hs là bề dày lớp vật liệu bề mặt, hs = 0,102 m
Từ hình trên với K = - 0,724, điện trở suất của lớp vật liệu bầ mặt suy giảm với hệ số
Nếu đồ thị không chính xác thì phương trình sau sẽ cho phép xác định hệ số Cs: hs = 0.102 m
Giá trị này gần với biểu đồ cho 2 vị trí thập phân đầu tiên, chính xác
Nhập lại các giá trị không có đơn vị đo để cho kết quả tính toán ρ = 400, ρs = 2500 ts = 0,5 thời gian dòng điện giật cho phép qua cơ thể người (s)
Bước 4: Thiết kế ban đầu
Lưới nối đất hình vuông có kích thước 70m x 70m, với khoảng cách giữa các dây nối đất đều nhau là 7m, tạo thành 11 hàng Độ sâu chôn lưới nối đất là 0,5m, và thiết kế này không sử dụng cọc nối đất.
Tổng chiều dài cáp nối đất:
Lưu ý: Khu vực công trình nối đất phải có rào chắn không cho người ngoài tiếp cận
Bước 5: Xác định điện trở lưới nối đất
Bước 6: Xác định dòng điện lưới cực đại trong lưới nối đất
Dòng điện lưới cực đại trong lưới nối đất được xác định bằng cách sử dụng Công thức
3.20 Ở bước 2, Df = 1,0 và hệ số chia dòng Sf = 0,6 cho bởi thông số thiết kế ban đầu Mặc dù dòng ngắn mạch ở thanh cái phía 13kV là 6815A lớn hơn dòng ngắn mạch ở thanh cái phía 115kV là 3180A, nhưng điều này đã được nhắc đến trong tiêu chuẩn: cuộn dây của máy biến áp phía 13kV nối đất là nguồn dòng sự cố cục bộ và không đóng góp vào GPR Do đó, dòng điện chạy trong hệ thống chủ yếu là dòng ngắn mạch 3180A trên thanh cái phía 115kV
3I0 = 3180 A dòng ngắn mạch phía 115 kV
IG = Df Ig = Df Sf 3I0 = 3180 0.6 = 1908 A là dòng điện lớn nhất trong lưới nối đất
Bước 7: Độ tăng điện thế đất GPR
Cần phải so sánh tích số IG.Rg hay còn gọi là GPR với điện áp tiếp xúc cho phép Etouch70
Từ bước 3, xác định giá trị Etouch70:
Điện áp của GPR vượt quá nhiều so với Etouch70, với giá trị Etouch70 là 840,548 V Độ tăng điện thế đất lớn hơn điện áp tiếp xúc cho người nặng 70kg, dẫn đến việc không đạt yêu cầu Vì vậy, cần thiết phải thực hiện tính toán thiết kế lại.
Bước 8: Tính điện áp lưới và điện áp bước
Tính toán hệ số Km
Nhập dữ liệu mới để loại kết quả không đạt:
D = 7 m khoảng cách 2 dây cáp song song, đơn vị (m) d = dm = 0,01 đường kính của dây cáp nối đất tính ở bước 2
Tính toán và xác định n số dây dẫn song song trong lưới nối đất theo bảng công thức sau:
LC = LT = 1540 m (trong đó LC là tổng chiều dài dây dẫn theo mặt phẳng ngang, LT là tổng chiều dài dây dẫn)
LP = (70+70+70+70) = 280 m chu vi lưới nối đất na = 2 𝐿 𝐶
𝐿 𝑃 = 11 Đối với lưới nối đất hình vuông thì nb, nc, nd =1 n = na.nb.nc.nd = 11
(2 𝑛) 2 𝑛 = 0,57 h0 = 1 m chôn sâu chuẩn h = 0,5 m độ chôn sâu của dây nối đất
Tính toán điện áp lưới Em:
𝐿 𝐶 + 𝐿 𝑟 Ở đây Lr là chiều dài thanh nối đất, mà chúng ta không có đề cập đến nên Lr = 0 Vậy tổng chiều dài dây dẫn LT cũng bằng với LC.
Bước 9: So sánh E m với E touch
Etouch70 = 840,548 V và Em = 994,689 V Điện áp lưới Em cao hơn điện áp tiếp xúc Etouch70,
Vì vậy không thỏa giá trị điện áp tiếp xúc cho phép
Bước 11: Sửa đổi thiết kế bằng cách sử dụng cọc nối đất đóng theo chu vi lưới nối đất
Thêm 20 cọc đất (vị trí chấm đen như hình vẽ), mỗi thanh dài 7,5 m, xung quanh chu vi của lưới nối đất
Sử dụng phương trình cho LT = 1540 + 20 7,5 = 1690 m và A = 4900 m 2 mang lại kết quả điện trở lưới nối đất như sau:
Quay lại thực hiện tính toán theo trình tự các bước như Hình 3.1 tính lại Bước 5
Bước 5: Tính điện trở đất
IG = Df Ig = Df Sf 3I0 = 3180 0.6 = 1908 A
GPR= IG Rg = 1908 2,75 = 5247 V, vẫn lớn hơn nhiều so với Etouch70 = 840,548 V
Bước 8: Điện áp lưới và điện áp bước
Với Kii =1,0 đối với lưới nối đất có cọc
= 747,4 V Điện áp bước không được tính, các giá trị mới của Ki, Es, Ls, Ks, cũng phải được tính toán Lưu ý giá trị của Ki = 2,272
Bước 9: E m so sánh với E touch
Lúc này điện áp lưới vừa được tính thấp hơn điện áp tiếp xúc ( Em < Etouch) vì vậy tiến hành được Bước 10
Bước 10: E s so sánh với E ste p
Es được tính toán nhỏ hơn điện áp bước cho phép (Es = 548,9 V < Estep = 2686,6 V)
Bước 11: Kết quả bước trên đã đạt nên không cần làm bước này
Bước 12: Thiết kế chi tiết
Thiết kế nối đất an toàn đã được tính toán xong Cần thiết kế nối đất chống sét để có hệ thống nối đất hoàn chỉnh
3.2.2 Trường hợp có sử dụng hóa chất San Earth M5C
Tính toán lại hệ thống nối đất có sự sử dụng hóa chất San Earth M5C với thông số bề rộng “W” và bề dày “b” như sau:
W = 0,05 m với W là bề rộng rãnh h = 0,5 m với h là chiều sâu rãnh b = 0,025 m với b là bề dày lớp San Earth trong rãnh
LSE = LT = 1540 m với LSE là chiều dài toàn bộ hệ thống nối đất có San Earth
S là diện tích mặt cắt ngang của lớp hóa chất San Earth M5C
S = W.b = 0,05 0,025 = 1,25.10 −3 m 2 Đường kín tương đương của lớp hóa chất San Earth: d = √ 4 𝑆
Từ Bước 1 đến Bước 4 được tính toán như trường hợp không sử dụng hóa chất
Bước 5: Xác định điện trở lưới nối đất
Bước 6: Xác định dòng tản cực đại trong lưới nối đất
IG = Df Ig = Df Sf 3I0 = 3180 0,6 = 1908 A
Trong đó IG là dòng điện lớn nhất trong lưới nối đất
Bước 7: Độ tăng điện thế đất
Từ bước 3, xác định giá trị Etouch70:
Điện áp của GPR vượt quá đáng kể so với Etouch70, với giá trị Etouch70 là 840,548 V Độ tăng điện thế đất lớn hơn điện áp tiếp xúc cho người nặng 70kg, dẫn đến việc không đáp ứng yêu cầu Do đó, cần thiết phải thực hiện tính toán thiết kế lại.
Bước 8: Tính điện áp lưới và điện áp bước
Trong đó: LC là tổng chiều dài dây dẫn theo mặt phẳng ngang (m); LT là tổng chiều dài dây dẫn (m)
Chu vi lưới nối đất LP:
𝐿 𝑃 = 11 Đối với lưới nối đất hình vuông thì nb =1, nc =1, nd =1 n = na.nb.nc.nd = 11
(2 𝑛) 2 𝑛 = 0,57 h0 =1 m là độ sâu lưới nối đất chuẩn h = 0,5 là độ chôn sâu của dây nối đất
Với d là đường kính vật liệu dẫn điện San Earth
Tính toán điện áp lưới Em:
Bước 9: so sánh E m với E touch Điện áp lưới Em u3,272 V < Etouch70 = 840,548 V thỏa
Bước 10: So sánh E s với E ste p
Lr = 0 (vì không có cọc chôn sâu)
Bước 12: Thiết kế chi tiết
Thiết kế nối đất an toàn đã được tính toán xong Cần thiết kế nối đất chống sét để có hệ thống nối đất hoàn chỉnh.
