Giáo trình kỹ thuật cao áp - Chương 3 ppsx

1
Chương 3:
NỐI ĐẤT TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN
2
3.1 KHÁI NIỆM
Cọc nối đất: được đóng
thẳng xuống mặt đất ở độ
sâu từ 0,5m đến 0,8m
Đất
Không khí
độ chôn
sâu t
0
dây dẫn dòng
sự cố, dòng sét
Cọc nối đất
bằng đồng hay
thép mạ kẽm
3
3.1 KHÁI NIỆM
Thanh nối đất: được chôn
trong đất ở độ sâu từ 0,5m
đến 0,8m
Đất
Không khí
độ chôn
sâu t
0
dây dẫn dòng
sự cố, dòng sét

Thanh nối đất
bằng đồng hay
thép mạ kẽm
4
3.1 KHÁI NIỆM
Lưới nối đất: do nhiều cọc hay thanh
ghép nối với nhau, chôn trong đất ở
độ sâu 0,5m đến 0,8m
các thanh nối
đất hay dây cáp
kết nối thành
lưới
Cọc nối đất
đóng ven chu vi
(học dọc theo
đường chéo)
5
3.1 KHÁI NIỆM
Các mối ghép kỹ thuật
6
3.1 KHÁI NIỆM

Nối đất làm việc: là nối đất điểm trung
tính của máy phát, máy biến áp công suất,
TI, TU…Đảm bảo sự làm việc của trang
thiết bị điện lúc bình thường và sự cố.

Nối đất an toàn: là nối đất vỏ trang thiết
bị điện hoặc kết cấu kim loại. Đảm bảo an
toàn cho người vận hành khi có sự cố rò

cách điện.

Nối đất chống sét: là nối đất các bộ phận
thu sét ( KTS, DCS…) Nhằm tản dòng sét
vào đất, tránh phóng điện ngược từ phần tử
đó đến các bộ phận mang điện.
C
B
R
đ
A
N
Muốn điện áp tại N = 0
R
đ
R
đ
KTS
7
3.1 KHÁI NIỆM
Cấu tạo của nối đất: thông thường được thực hiện bằng một hệ
thống những cọc bằng thép hoặc đồng ( có thể tròn hoặc dẹt) đóng
vào đất, hoặc những thanh ngang chôn vào đất. Hoặc cọc và thanh
nối liền với nhau và chôn vào đất.
Trạm phân phối: 3 hệ thống nối đất phải được nối riêng lẻ.
Trạm truyền tải ( >=110 kV): 3 hệ thống nối đất được dùng chung.
Điện trở nối đất R
đ
là tỉ số giữa điện áp trên cực
U

đ
và dòng điện qua nó I
đ
. Điện trở R
đ
bao gồm
điện trở của bản thân điện cực và điện trở tản trong
đất.

Khi tản dòng một chiều hay xoay chiều thì điện trở bản thân điện
cực rất bé có thể bỏ qua.
R
đ
I
đ
U
đ
8
3.1 KHÁI NIỆM

Khi tản dòng một chiều hay xoay chiều thì điện trở bản thân điện
cực rất bé có thể bỏ qua.
Hình : Mô hình điện cực nối đất đơn giản ( thanh hay cọc nối đất)
9
3.1 KHÁI NIỆM

Khi tản dòng sét, quá trình truyền sóng trên cực nối đất tương tự
như trên đường dây tải điện. Do có điện cảm cản trở dòng điện đi sâu
vào chiều dài điện cực nên điện thế phân bố không đều trên điện cực.
T < <T

đs
( l bé): Nối đất tập trung. R
x
=R
∞
T >=T
đs
( l lớn): Nối đất kéo dài ( nối đất phân bố). R
x
≥ R
∞
R
x
(Ω)
t (µs)
R
∞
Ảnh hưởng của điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian. Điện trở tản
của cực nối đất lớn nhất gần đúng vào lúc dòng sét đạt giá trị cực
đại.
T=L
0
.g
0
.l
2
T
đs
10
3.1 KHÁI NIỆM

Hình : Quá điện áp tại các vị trí trên các thanh nối 20 m và 100m
11
3.1 KHÁI NIỆM

Khi tản dòng sét, ngoài ảnh hưởng của điện cảm L làm giảm
khả năng tản dòng sét của htnđ, còn có ảnh hưởng phi tuyến bởi
hiện tượng phóng điện tia lửa trong đất khi dòng sét có biên độ
lớn. Vùng đất quanh điện cực trở nên dẫn điện tốt, làm tăng khả
năng tản dòng sét, tức làm điện trở tản xung giảm.
12
3.1 KHÁI NIỆM
Hình: Bán kính của các phân đoạn trên thanh tại các thời điểm a) 0.2 μs và b) 0.5μs
a)
b)
13
3.1 KHÁI NIỆM
Hình: Quá điện áp tại vị trí vào dòng sét và vị trí cuối trên thanh từ a) FEM và b) FDTD
a) b)
14
3.1 KHÁI NIỆM

Đối với nối đất chống sét cần phân biệt điện trở tản xung R
x
với
điện trở tản ổn định R
∞
. R
∞
cũng chính là điện trở tản dòng xoay
chiều ( R

~
) hay dòng một chiều.

x
x
R
R
α
∞
=

Nối đất tập trung: α
x
< 1, ảnh hưởng của phóng điện tia lữa
chiếm ưu thế

Nối đất kéo dài: α
x
≥ 1, ảnh hưởng của điện cảm dọc theo chiều
dài của thanh dẫn trong HTNĐ chiếm ưu thế
15
3.1 KHÁI NIỆM

Một số phương pháp đo điện trở suất đất

2
U
a
I
ρ π

=
Phương pháp Wenner
2
4
ln
l U
l
I
d
π
ρ
=
Phương pháp Driven Rod
16
3.2 ĐIỆN TRỞ TẢN DÒNG XOAY CHIỀU R
~

Khi dòng điện xoay chiều chạy qua điện cực tản vào đất, tạo
nên trong đất quanh nó một điện trường. Mỗi điểm trong điện
trường đó kể cả trên mặt đất có một điện thế nhất định.
U
tx
U
b
Giảm U
tx
, U
b

Trên mặt đất khu vực nối đất

được rải một lớp sỏi hoặc đá để
giảm sự chên lệch điện thế.
U
đ
φ
r
/U
đ

Giảm điện áp trên điện cực U
đ

hay giảm điện trở tiếp đất.
17

Đối với điện cực nối đất đơn giản: công thức xác định điện trở
tản ở tần số công nghiệp của một số dạng điện cực thường dùng
(Bảng 4.1, 4.2)
3.2 ĐIỆN TRỞ TẢN DÒNG XOAY CHIỀU R
~
4
ln
2
tt
c
l
R
l d
ρ
π

=
Cọc chôn nổi:
0
2 1 4
(ln ln )
2 2 4
2
tt
c
l t l
R
l d t l
l
t t
ρ
π
+
= +
−
= +
Cọc chôn chìm:
2
0
ln
2
tt
t
l
R
l dt

ρ
π
=
Thanh chôn chìm:
0
8
(ln ln )
2 . 4
tt
V
D D
R
D d t
ρ
π
π π
= +
Thanh hình xuyến chôn chìm:
2
0
ln
2
tt
t
kL
R
L dt
ρ
π
=

Thanh có hình dáng đặc biệt:
d
dang tròn
b
b
dang góc
d=0,95b
dang dẹp
d=0,5b
dott m
k
ρ ρ
=
Điện trở suất tính toán của đất:
18
3.2 ĐIỆN TRỞ TẢN DÒNG XOAY CHIỀU R
~

Đối với điện trở nối đất của tổ hợp nhiều điện cực:

Hiệu ứng màn che làm méo dạng vùng
đẳng thế giữa hai điện cực, làm giảm khả
năng tản của hệ thống nối đất.
Để đặc trưng cho hiệu ứng màn che,
người ta dùng hệ số η
~
. η
~
là hệ số sử dụng
khi tản dòng điện xoay chiều tần số công

nghiệp. Đây là đại lượng toán học thể hiện
bản chất vật lý là hiệu ứng màn che.
R
1
R
2
R
3

Bỏ qua hiệu ứng màn che R
tđ
= R
1
//R
2
//R
3

Xét đến hiệu ứng màn che R
th~
=R
tđ
/η
~
> R
tđ
~
~
1
td

th
R
R
η
= ≤
19
3.2 ĐIỆN TRỞ TẢN DÒNG XOAY CHIỀU R
~
Hệ số sử dụng phụ thuộc vào vào loại điện cực, số lượng và cách
bố trí chúng. Nó có thể tra cứu trong các bảng số hoặc các đường
cong cho trong các tài liệu hướng dẫn(SBT PL 4 đến PL 7).
Xét tổ hợp thanh và cọc
…
cọc n
R
c
, R
t
: điện trở của từng cọc riêng lẻ và thanh.
η
c
,η
t
hệ số sử dụng của cọc và thanh trong tổ hợp
12 m
3 m
η
c
= 0.7 , η
t

= 0.74
VD
c t
c t c t
th
c t
c t t c
c t
R R
n R R
R
R R
R R n
n
η η
η η
η η
×
×
= =
+ × ×
+
20
3.3 ĐIỆN TRỞ TẢN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
3.3.1 Điện trở tản xung của dạng nối đất tập trung

Kích thước thật của điện cực có thể
thay thế bằng kích thước của khu vực
phóng điện tia lửa.
R

x
= α
x
R
~
(α
x
< 1 )

α
x
= f(I
s
, ρ
đ
): đặc trưng cho phóng
điện trong đất và giản nở điện cực nối
đất.

Khi chiều dài của điện cực tăng lên
thì α
x
tăng lên do ảnh hưởng của điện
cảm.
Phóng điện trong đất
E > E
pđ(đ)
I
S
Biên độ lớn

E = E
pđ(đ)


ρ
đ

Nếu nối đất là tổ hợp R
thx
= R
tđx
/η
x
> R
tđx
η
x
: thể hiện hiệu ứng màn che của tổ hợp
khi tản dòng điện xung.
21
3.3 ĐIỆN TRỞ TẢN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
Trình tự tính toán điện trở tản xung của một tổ hợp nối đất tập trung
B1: Chọn k
m
(nối đất chống sét) . ρ
tt
= k
m
.ρ
đo

B2: Tính R
~
của từng loại điện cực riêng lẻ. (R
~c
, R
~t
)
B3: Tính R
x
của từng loại điện cực rriêng lẻ (R
xc
, R
xt
)
- Tính dòng sét phân bố qua mỗi điện cực riêng lẻ
- Tính α
x
: có thể tra bảng hoặc tính bằng công thức
R
xc
= α
xc
R
~c
; R
xt
= α
xt
R
~t

B4: Điện trở tản xung của cả tổ hợp
1 1
xc
xt
xc xt
th
xc
x xc xt x
xt
R
R
R R
n
R
R
R n R
R
n
η η
×
×
= × = ×
+ ×
+
n : số cọc
η
x
: hệ số sử dụng xung
của tổ hợp. ( η
x

< η
~
)
22
3.3 ĐIỆN TRỞ TẢN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
BT 1:
Chúng ta có một thanh sắt tròn dài
40 m đường kính 20 mm. Hỏi dạng
nối đất nào sau đây, có điện trở tản
xoay chiều nhỏ nhất? Biết nối đất
được chôn sâu 0.8 m trong đất. Đất
có điện trở suất đo vào mùa mưa là
100 Ωm.
a)
b)
c)
l
1
l
2
= 2l
1
BT 2:
Cho một hệ tổ hợp phức như hình gồm
5 cọc, mỗi cọc dài 3 m, đường kính 30
mm, đóng cọc dọc theo thanh dạng tròn
đường kính 20 mm dài 12 m. Cả tổ hợp
nằm sâu trong đất 0.8 m có điện trở suất
đo lúc khô ráo là 120 Ωm. Bỏ qua hiệu
ứng màn che. Tính điện trở tản xoay

chiều của tổ hợp.
23
3.3 ĐIỆN TRỞ TẢN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
BT 3:
BT 4:
Cho một hệ tổ hợp phức như hình gồm 3
cọc, mỗi cọc dài 3 m, đường kính 25 mm,
đóng cọc dọc theo thanh dạng tròn đường
kính 15 mm dài 12 m. Cả tổ hợp nằm sâu
trong đất 0.5 m có điện trở suất đo lúc khô
ráo là 150 Ωm. Tính điện trở tản xoay chiều
và tản xung của tổ hợp.
Xác định điện trở xoay chiều và xung kích của ba thanh nối
đất làm bằng thép dẹt 4x40 mm2, mỗi thanh dài 15 m chôn
sâu trong đất 0.8 m. Điện trở suất đất đo vào mùa ẩm là 200
Ωm. Giả sử dòng sét chạy qua hệ thống nối đất là 120 kA.
I
s
= 100kA
( ) ( )
1500
320 45
t
tt t
l
I
α
ρ
=
+ +

I
s
I
t
24
3.3 ĐIỆN TRỞ TẢN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
3.3.2 Điện trở tản xung của nối đất kéo dài bằng thanh ngang
a. Khi bỏ qua quá trình phóng điện trong đất (ρ lớn, i
s
nhỏ)
i
s
l
U
(0)
U
(l)
i
s
L
0
L
0
L
0
L
0
g
0
g

0
g
0
g
0
g
0
0
0
~
0.2 ln 0.31 /
1
1/
l
L H m
r
g m
R l
µ
 
= −
 ÷
 
= Ω
Phương trình truyền sóng qua điện cực có dạng:
0
0
u i
L
x t

i
g u
t
∂ ∂

− =


∂ ∂

∂

− =

∂


Dòng sét có độ dốc đầu sóng
không đổi i
s
(0,t) = at
25
3.3 ĐIỆN TRỞ TẢN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
3.3.2 Điện trở tản xung của nối đất kéo dài bằng thanh ngang
a. Khi bỏ qua quá trình phóng điện trong đất (ρ lớn, i
s
nhỏ)

Điện áp tại vị trí bất kỳ theo thời gian t:
1

2
1
0
1
2
1
0
1
( , ) 2 1 os
1
(0, ) 2 1
k
k
t
T
k
t
T
k
a k x
u x t t T e c
g l k l
a
u t t T e
g l k
π
∞
−
=
∞

−
=
 
 
 
= + −
 
 ÷
 ÷
 ÷
 
 
 
 
 
 
= + −
 
 ÷
 ÷
 
 

⇒

∑
∑

Tổng trở tản xung đầu vào tại một thời điểm bất kỳ t:
1

2
1
0
2
(0, ) 1 1
(0, ) 1 1
(0, )
k
t
T
k
s
T
u t
Z t e
i t g l t k
∞
−
=
 
 
= = + −
 
 ÷
 ÷
 
 
 
∑
2

0 0
1
1
2 2
;
k
L g l
T
T T
k
π
= =
Hằng số thời gian của quá trình truyền
sóng điều hòa bậc 1 và bậc k