Kỹ thuật cao áp - Chương 6 pptx

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
1

Chơng VI
Nối đất trong hệ thống điện

Đ 6-1. Khái niệm chung:
Tác dụng của nối đất là để tản dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các vật
đợc nối đất. Trong hệ thống điện có ba loại nối đất khác nhau:
Nối đất làm việc: nhiệm vụ của loại nối đất này là đảm bảo sự làm việc bình
thờng của thiết bị hoặc của một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã đợc
quy định sẵn. Loại nối đất này gồm có nối đất điểm trung tính máy biến áp trong hệ
thống có điểm trung tính nôí đất, nối đất của máy biến áp đo lờng và của kháng điện
dùng trong bù ngang trên các đờng dây tải điện đi xa.
Nối đất an toàn (bảo vệ) : có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho ngời khi cách điện
bị h hỏng, thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình
thờng không mang điện (vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, các giá đỡ kim
loại, chân sứ ). Khi cách điện bị h hỏng, trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế
nhng do đã đợc nối đất nên giữ đợc mức điện thế thấp do đó đảm bảo an toàn cho
ngời khi tiếp xúc với chúng.
Nối đất chống sét: Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét trong đất( khi có
sét đánh vào cột thu sét hoặc trên đờng dây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân
cột không quá lớn do đó hạn chế đợc các phóng điện ngợc tới công trình cần bảo
vệ.
Mặc dầu hai loại trên không liên quan nhiều đến phạm vi của giáo trình náy
nhng cũng cần trình bày sơ lợc bởi vì chúng có dùng chung một số công thức và
ph
ơng pháp tính toán và đôi khi cùng một bộ phận nối đất đồng thời làm nhiệm vụ của
nhiều loại đất khác nhau.

Bất kỳ loại nối đất nào cũng đều có các điện cực chôn trong đất và đợc nối với
vật cần đợc nối đất. Điện cực thờng dùng là loại cọc sắt chôn thẳng đứng hoặc thanh
dài đặt nằm ngang trong đất. Trong trờng hợp tổng quát, sơ đồ thay thế của nối đất
gồm điện trở tác dụng r và điện cảm L của bản thân điện cực ( lấy theo đơn vị dài), điện
trở tản R của môi trờng đất xung quanh điện
cực và điện dung C của điện cực đối với nơi có
thế bằng không của đất.
Trong mọi trờng hợp đều có thể bỏ
qua điện trở tác dụng r vì nó rất bé so với trị số
điện trở tản, đồng thời cũng không cần xét đến
phần điện dung C vì ngay cả trong trờng hợp





Hình6 -1
Sơ đồ thay thế của nối đất.

I
L

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
2

sóng xung kích, dòng điện dung cũng rất nhỏ so với dòng điện qua điện trở tản. Các
tham số con tại ( L, R) phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và tác dụng của chúng cũng tuỳ
thuộc vào các điều kiện tính toán cụ thể. Nếu thay thế điện trở tản R bằng điện dẫn g

theo đơn vị dài của điện cực
g =
1
Rl




l
là chiều dài của điện cực
)
thì sơ đồ thay thế
đơn giản của nối đất sẽ có dạng tham số phân bố ( hình 6-1).
Khi dòng điện đi vào bộ phận nối đất và nếu tốc độ biến thiên của dòng điện
theo thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu điện cảm sẽ ngăn cản không cho dòng
điện đi tới các phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều trong
thời gian về sau ảnh hởng của điện cảm mất dần và điện áp sẽ phân bố đều đặn hơn.
Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc bào hằng số thời gian

TLgl
2
(6-1)

(
T
tỷ lệ với trị số điện cảm tổng
L
t và điện dẫn tổng gl =
1
R

của điện cực
)
.

Từ biểu thức (6-1) cho thấy, khi dòng điện tản trong đất là dòng điện 1 chiều
hoặc xoay chiều tần số công nghiệp, ảnh hởng của L không đáng kể và bất kỳ hình
thức nối đất nào ( thẳng đứng hoặc nằm ngang) cũng đều biểu thị bởi trị số điện trở tản.
Khi dòng điện tản trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất tuỳ
thuộc vào tơng quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng dòng điện. Khi
T
<
ds
thì tới lúc cần xét (khi dòng điện đạt trị số cực đại) quá trình quá độ đã kết thức
và nối đất thể hiện nh một điện trở tản. Trờng hopự này ứng với các hình thức nối đất
dùng cọc hoặc thanh ngang có chiều dài không lớn lám và đợc gọi là nối đất tập
trung.
Nếu điện cực dài, hằng số thời gian có thể đạt tới mức
ds
và tại thời điểm dòng
điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ cha kết thúc và nh đã phân tích vè tác dụng
của điện cảm, nối đất sẽ thể hiện nh một tổng trở Z có trị số rất lớn so với trị số điện
trở tản. Trờng hợp này đợc gọi là nối đất phân bố dài.
Điện trở tản của nối đất phụ thuộc vào kích thớc hình học, cách bố trí điện cực
và phụ thuộc đặc tính dẫn điện của nối đất biểu thị bởi trị số điện trở suất của nó. Ngoài
ra còn phân biệt trị số điện trở tản xoay chiều (
R
hoặc
R
) và điện trở tản xung kích (
R

xk
). Điện trở tản xoay chiều dùng trong các tính toán về nối đất làm việc và nối đất an
toàn, trong trờng hợp này do mật độ dòng điện tản trong đất bé nên cờng độ điện
trờng trong đất ( E = i; mật độ dòng điện ; điện trở suất của đất) cha đạt tới
mức để có thể gây nên phóng điện trong đất.
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
3

Đối với nối đất chống sét, vì mật độ dòng điện sét tản trong đẩt rất lớn, trờng
tăng cao và dẫn đến quá trình phóng điện trong đất, tơng đơng với việc tăng kích
thớc điện cực và tăng điện dẫn của đất khiến cho điện trở tản xung kích ( R
xk
) có trị số
thấp hơn so với điện trở tản xoay chiều.
Đất là một môi trờng rất phức tạp và không đồng nhất về thành phần cũng nh
về cấu tạo. Các phần cấu thành chủ yếu của đất gồm các hạt nhỏ gốc hữu cơ hoặc vô cơ
và nớc. Điện dẫn của đất ở trạng thái khô cũng nh của nớc nguyên không đáng kể.
Nhng nếu trong đất có các loại muối, axít chúng sẽ hoà tan thành dung dịch điện phân
làm cho đất trở thành môi trờng dẫn điện. Nh vậy điện trở suất của đất phụ thuộc
nhiều vào thành phần hoá học và độ ẩm của đất.
Độ ẩm của đất không những chỉ phụ thuộc vào lợng ma và các vùng nớc ở
gần mà còn phụ thuộc vào kích thớc hạt đất, hạt càng bé thì năng lực giữ ẩm càng tốt.

Các loại đất thờng gặp là loại đất cát, đất sét, đất mùn. Đất cát cấu tạo bởi các
hạt thạch anh đờng kính 0,2 ữ 2mm, có rất ít các dung dịch điện phản và năng lực giữ
ẩm kém. Đất sét cũng có gốc vô cơ gòm những hạt rất nhỏ, mịn đờng kính khoảng vài
phần ngàn milimét và ở thể keo. Trong đất sét có nhiều thành phần muối và axít và vì
có năng lực giữ ẩm tốt nên điện dẫn của nó lớn hơn nhiều so với cát. Đất mùn cũng có

cấu tạo thể keo, khả năng giữa ẩm lớn và có nhiều dung dịch điện phân. Khác với đất
sét, đất mùn có gốc hữu cơ và bở.
Khi cát bị ẩm, điện trở giảm rất nhanh và giảm tới mức điện trở của nớc khi
nớc đầy kín các lỗ xốp. Đất sét và đất mùn bị ẩm sẽ tạo nên các dung dịch điện phân
khiến cho điện trở suất của đất có thể giảm thấp hơn so với điện trở của nớc.
Trị số gần đúng của điện trở suất của một số loại đất trong điều kiện tự nhiên
cho ở bảng 6-1.
Bảng 6-1
Trị số điện trở suất của các loại đất
Loại đất
Điện trở suất, m
Cát 400 và lớn hơn
Đất cát 300
Đất thịt 100
Đất sét 60
Đất đen 50
Than bùn 20
Nớc sông
10 ữ 50

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
4

Trong năm do điều kiện khí tợng thay đổi làm cho nhiệt độ của đất, hàm lợng
và thành phần của hơi ẩm trong đất và độ bão hoà của chúng ở các tầng đất khác nhau
cũng thay đổi. Do đó điện trở suất của đất biến đổi trong phạm vi rộng, trị số trong mùa
ma và mùa khô có thể khác nhau xa. Trong tính toán thiết kế về nối đất, trị số điện trở
suất của đất dựa theo kết quả đo lờng thực địa ( công tác do lờng đợc tiến hành

trong mùa ma vào lúc tạnh ráo) và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa K (bảng 19-
2) nhằm tăng cờng an toàn:



tt d
K
=
.
(6-2)

Bảng 6-2

Các số liệu và hệ số màn K

Loại nối đất Hình thức nối đất Bộ chôn sâu (m) Hệ số mùa K
Nối đất làm Nằm ngang 0,5
1,5 ữ 6,5
việc và nối

0,8
1,6 ữ 3
đất an toàn
Thẳng đứng
0,8
1,4 ữ 2
Nối đất Nằm ngang 0,5
1,4 ữ 1,8
chống sét 0,8
1,2 ữ 1,45

Thẳng đứng 0,8
1,15 ữ 1,30

Khi đo, nếu đất khô ráo sẽ lấy hệ số mùa theo giới hạn dới và nếu đất ẩm sẽ lấy
theo giới hạn trên.
Từ bảng số thấy rằng, đối với nối đất làm việc và nối đất an toàn phải chọn các
hệ số mùa lớn vì nó làm việc quanh năm và trị số tăng rất cao trong mùa khô. Hệ số
mùa lớn còn phụ thuộc vào độ chôn sau của nối
đất, điện cực chôn càng sâu thì ảnh hởng do sự
thay đổi thời tiết càng bị hạn chế.
Khi nghiên cứu quá trình phóng điện
trong đất có thể dùng hình 6-2: các tia lửa
phóng điện phát triển chung quanh điện cực
hình thành khu vực có điện trở suất bằng không
và cờng độ trờng ở bề mặt có trị số bằng
cờng độ phóng điện trong đất (
E
0
)
.








Hình6 -2
Hình thành tia lửa điện

trong vùng đất chung
quanh điện cực

E E
0

I
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
5

Khi đất khô ráo, quá trình phóng điện xảy ra men theo các khe rãnh của đất tức
là khe hở khí, do đó cờng độ trờng phóng điện (
E
0
) không phụ thuộc vào thành phần
hoá lý của đất và đạt đợc trị số gần
thống nhất giữa các loại đất khác nhau.
Khi đất ẩm cờng độ trờng phóng điện
tăng theo lợng ẩm trong đất và có thể
đạt trị số lớn hơn so với khi đất khô do
cờng độ phóng điện xung kích của
nớc lớn hơn so với khí.
Điện trở suất của vùng đất bên
ngoài khu vực tia lửa điện cũng bị giảm
thấp dới tác dụng của trờng. Hình 19-
3 cho các đờng cong biểu thị sự giảm
thấp tơng đối của điện trở suất xung
kích của đất và của nớc làm ẩm đất

theo cờng độ trờng ở thời điểm cực
đại của sóng. Để đợc đơn giản trong
tính toán, quan hệ này đợc tuyến tính
hoá trong phạm vi trị số trờng E = 0 và
E = E
0
và biểu thị bởi phơng trình:

(
)


xk
EK=1
(6-3)
Đối với các loại đất cát, đất sét
và đất mùn thông thờng, hệ số K biến thiên trong phạm vi 0,01 ữ 0,05.

Đ 6-2. Tính toán về nối đất.
1. Trị số điện trở tản xoay chiều của các hình thức nối đất thông thờng.
Để có khái niệm về cách tính toán điện trở tản của nối đất có thể xét trờng hợp
đơn giản nhất là trờng hợp điện cực hình bán cầu (Hình 19-4).
Dòng điện chạm đất I đi qua nơi sự cố sẽ tạo nên điện áp giáng trên bộ phận nối
đất U = I, R là điện trở tản của nối đất. Điện trở tản của lớp đất giới hạn bởi các mặt
đẳng thế bán kính r và r + dr có trị số:

dR
dr
r
r

rdr
=
+

2
2


Từ đó tính đợc điện trở tản của nối đất hình bán cầu có bán kính r
0
.













Hình6 -3
Quan hệ
()


xk

fE=
ở một thời điểm
l
ds s
=
=
ữ


23
1.Nớc có =70.m; 2. Cát có =450m;
3. Cát có =300m; 4. Đất sét có =70.m;
5. . Đất sét có =300.m; 6. Đất mùn =300m
7. Đất mùn =3000m
0 2 4 6 8 10 12 kv/cm
1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

1
2
3
4
6

5
7
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
6


==


RdR
r
r
0
2
0


(6-5)
Sự phân bố điện áp trên mặt đất đợc xác định theo:


UIdR
r
r
r
==

.
1
2


(6-6)
Trên hình 19-4 cho đờng cong phân
bố điện áp trên mặt đất đồng thời còn
cho các khái niệm về trị số điện áp tiếp
xúc (L
tx
) và điện áp bớc (U
b
).
Trong thực tế, nối đất thờng có
các hình thức: cọc dài 2ữ3m bằng sắt
tròn hay sắt góc chôn thẳng đứng;
thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu
0,5ữ0,8m đặt theo hình tia hoặc mạch
vòng và hình thức tổ hợp của hai hình
thức trên. Trị số điện trở tản của hình
thức nối đất cọc đợc xác định theo các
công thức cho ở bảng 6-3.
Bảng 6-3.

Công thức tính điện trở nối đất của cọc.


Hình thức
nối đất

Sơ đồ của
nối đất
Công thức tính điện
trở tản (ôm)
Ghi chú

Cọc chôn nổi


R
l
In
l
dd
c
=


2
4
(6-7)


Khi dùng sắt góc

Cọc chôn sâu
dới mặt đất

(
R
c
=+


2
2
l
In
l
d


+
+




1
2
4
4
In
ll
l
(6-8)

trị số d thay bằng
0,95b (b-chiều
rộngcủa sắt góc).


Đối với nối đất chôn nằm ngang có thể dùng công thức chung để tính trị số điện
trở tản xoay chiều.














Hình 6 -4
Xác định điện áp bớc và điện áp tiếp xúc.
U=IR
U
t
k

U
h

U=f(r)
d
r

r

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
7


R
l
In
KL
dt
=


2
2
(6-9)

L
chiều dài tổng của điện cực ( nếu là mạch vòng sẽ lấy bằng chu vi).

d đờng kính điện cực khi điện cực dùng sắt tròn. Nếu dùng sắt dẹt trị số d
thay bằng

b
b
2
(
chiều rộng của sắt dẹt).

l

độ chôn sâu.

K
hệ số phụ thuộc vào sơ đồ của nối đất, cho ở bảng 6-4.
Khi dùng các hình thức nối đất đơn giản trên không đạt đợc yêu cầu về trị số
điện trở tản thì phải dùng hình thức nối đất tổ hợp gồm nhiều cọc chôn dọc theo chiều
dài tia hoặc dọc theo chu vi mạch vòng. Hiệu quả của nối đất giảm do ảnh hởng lẫn
nhau giữa các điện cực. Để giải thích đợc hiện tợng này xét hệ thống gồm hai điện
cực hình bán cầu (hình 6-5). Nếu khoảng cách a đủ lớn thì các điện trờng của chúng sẽ
không ảnh hởng lẫn nhau và dòng điện ở điện cực đợc ảtn trong đất đồng đều theo
mọi phơng hớng. Khi điện cực gần nhau, dòng điện từ điện cực I không thể đi vào
phần đất phía bên phải của mặt phẳng AB. Tình hình tản dòng điện ở điện cực II cũng
tơng tự nh vậy.
Bảng 6-4.
Hệ số K
Sơ đồ của nối đất K Sơ đồ của nối đất

ll
12
/

K

1 1 5,53




1,27

l
2


1,5

5,81



1,46


2 6,42


2,38

l
1


3 8,17

8,45

4 10,40


19,2


D
l


l
D
2
2
4


Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
8


Điện áp của mỗi điện cực đợc xác định bằng điện áp của bản thân điện cực khi
có dòng điện
1

2
đi qua và điện áp gây nên bởi điện trờng của điện cực kia đặt cách xa
khoảng cách a. Từ đó suy tính đợc điện trở tản của hệ thống nối đất gồm hai điện cực
hình bán cầu:

R
U
Ira
ht
== +








4
11
0

So với trờng hợp lý tởng (không có ảnh
hởng lẫn nhau) điện trở tản của nôí đất tăng
thêm phân lợng


4
1
.

a
.
Tỷ lệ giữa hai trị số điện trở tản của nối
đất khi có và không có sét đến ảnh hởng lẫn
nhau giữa các điện cực đợc gọi là hệ số sử dụng
của nối đất. Trong hệ thống gồm hai điện cực
hình bán cầu hệ số sử dụng có trị số bằng:


=
R
h t





R
r
ra
r
a
2
22
4
11
1
1
0
0

0
=
+






=
+
.
(6-10)
Từ (6-10) thấy rằng, hệ số sử dụng giảm khi tăng kích thớc của điện cực và
giảm khoảng cách giữa chúng.
Khi hệ thống nối đất gồm nhiều cọc bố trí dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu
vi mạch vòng, điện trở tản của hệ thống đợc tính theo công thức.

R
RR
RR
ht
ct
ct tc
=
+

(6-11)
trong đó:
R

c

điện trở tản của một cọc.

R
t

điện trở tản của tia hoặc của mạch vòng.

n
Số cọc


c
hệ số sử dụng của cọc.


t

hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng.

Hình6 -5
Nghiên cứu ảnh hởng lẫn nhau
giữa các điện cực nối đất.
A
a
B
I II
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
9

Các hệ số sử dụng

c
và

t
phụ thuộc vào tỷ số
a
l
a
(
khoảng cách giữa các
cọc,
l chiều dài cọc ) và số cọc n.
2. Tính toán nối đất chống sét.
Tính toán về nối đất chống sét có phức tạp hơn vì ở đây phải đề cập tới cả hai
quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất:

Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực.

Quá trình phóng điện trong đất.
Nh đã trình bày ở trên, khi chiều dài điện cực ngắn ( nối đất tập trung) thì
không cần xét quá trình quá độ mà chỉ xét đến quá trình phóng điện trong đất. Ngợc
lại khi nối đất dùng hình thức phân bố dài ( tia dài hoặc mạch vòng) thì đồng thời phải
xét đến cả hai quá trình, chúng có ảnh hởng khác nhau đối với hiệu quả của nối đất.
Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung.
Việc tính toán điện trở tản xung kích tiến hảnh trên cơ sở giả thiết gẫn đúng về
sự phát triển đồng đều của khu vực tia lửa điện lý tởng mà mặt ngoài có điện trờng
EEE
00
(
cờng độ điện trờng phóng điện trong đất), điện cực có kích thớc lấy
bằng của khu vực tia lửa điện và đợc đặt trong vùng đất có trị số điện trở suất biểu thị
theo quan hệ của (6-3). Dạng sóng dòng điện đợc chọn theo dạng sóng xiên góc có
biên độ I. Trị số điện trở tản đợc tính ở thời điểm
t
ds
=

vì lúc này điện áp trên bộ phận nối đất có
trị số lớn nhất ( chỉ là gần đúng vì trị số cực dại của
điện áp xuất hiện có sớm hơn đôi chút so với trị số
cực đại của dòng điện).
Tiếp tục xét với trờng hợp điện cực hình bán
cầu (hình 6-6). Do sự hình thành khu vực tia lửa điện
nên bán kính điện cực đợc tăng tới trị số
r

và
trờng ở mặt ngoài có trị số bằng E
0
. Nh vậy có thể
viết đợc:



()
Ei
I
r
KE
xk0
2
0
2
1==





Suy ra bán kính
r

:

r
lKE

E

=



()1
2
0
0
(6-12)










Hình 6 -6
Tính toán điện trở tản xung
kích của nối đất tập trung
.
E
r

2r
0

E=E
0

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

10

Cờng độ trờng tại điểm cách tâm điện cực khoảng cách
rr>

đợc tính theo:

()
E
I
r
KE
rr
=
2
1
2



hoặc
E
I

rIK
r
=
+


2
2

và công thức tính điện áp của nối đất:

UEdrI
dr
rIK
r
rr r
==
+





2
2


UI
IK
arctgr

IK
=












22
2


Từ đó suy ra đợc trị sốện trở tản xung kích của điện cực hình bán cầu:

R
U
IIK
arctg
KE
xk
=

2
157
1
1
0
,
(6-13)
Từ (6-13) thấy rằng, điện trở tản xung kích không phụ thuộc vào kích thớc hình
học của điện cực mà quyết định bởi biên độ dòng điện I, điện trở xuất
và đặc tính
xung kích của đất.
Vì trị số điện trở tản xoay chiều của nối đất tỷ lệ với
nên hệ số xung kích, tỷ lệ
giữa trị số điện trở tản xung kích và xoay chiều, có trị số:



xk
xk
R
R
I
==
1

Hoặc ở dạng tổng quát:

(
)


xk
fI
=
(6-14)
Có thể dùng công thức (6-13) đển ớc tính điện trở tản xung kích của một số nối
đất có sẵn khi chúng có dạng gần nh hình bán cầu ( các hệ, móng kim loại hoặc bê
tông cốt thép) và đánh giá khả năng của " tự nối đất" là khi mà xét đánh thẳng xuống
nơi không có điện cực nối đất, lúc này có thể xem nh kích thớc điện cực đợc rút gọn
tới hạn bé nhất.
Việc tính toán điện trở tản xung kích của cọc đợc tiến hành tơng tự nh trên
và thấy rằng hệ số xung kích cũng biến thiên theo quy luật của ( 6-14).
Tính toán nối đất phân bố dài.
Chia hai trờng hợp để xét:
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

11

a) Tính toán nối đất phân bố dài khi không xét quá trình phóng điện trong
đất.
Sơ đồ đẳng trị của nối đất đợc biểu thị ở hình 6-1, có các tham số phân bố L, g
xác định theo công thức:

LIn
r
Hm=






02
1
031,,/



l

chiều dài điện cực.

r
bán kính của tiết diện thanh điện cực r
d
=






2

và :
g
Rl
=
1


R điện trở tản xoay chiều của nối đất.
Từ sơ đồ đẳng trị có thể thành lập đợc hệ phơng trình vi phân:








=





=



Ug
x

l
l
I
L
x
U
(6-15)
Sau khi giải các phơng trình vi phân trên với dạng sóng của dòng điện ở đầu
vào của bộ phận nối ddất là dạng sóng xiên góc
(
)
it at0,
=
, sẽ đợc điện áp tại điểm bất
kỳ trên điện cực.

()

+=


=

l
xk
cose1
K
1
T2t
gl
g
t,xu
1k
T
t
2
1
k
(6-16)
Suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất:

()
()
()

+==


=

1k
T
t
2
1
k
e1
k
1
t
T2
1
gl

1
t,0i
t,0u
t,0Z
(6-17)
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

12

Tổng trở xung kích của nối đất gồm hai
thành phần: thành phần ổn định có trị số bằng trị
số điện trở tản ( xoay chiều) và thành phần cảm
ứng biến thiên theo thời gian. Trên hình 6-7 cho
quan hệ Z (0,t) khi điện cực có chiều dài khác
nhau. Tổng trở tiến tới trị số ổn định R càng
nhanh khi chiều dài điện cực càng ngắn. Hình
19-8 cho sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài
của điện cực tại thời điểm t =

ds
. Chiều dài điện
cực càng lớn thì điện áp ở đầu cuối càng bé,
điều này chứng tỏ các phần ở xa của điện cực
phát huy tác dụng kém.

b) Tính toán nối đất phân bố dài khi có xét quá trình phóng điện trong đất.
Việc giảm điện áp và cả mật độ dòng điện ở các phần xa của điện cực làm cho
quá trình phóng điện trong đất ở các nơi này có yếu hơn so với ở đầu vào của nối đất.

Do đó điện dẫn của nối đất ( trong sơ đồ đẳng trị) không những chỉ phụ thuộc vào
I
,


mà còn phụ thuộc vào toạ độ. Việc tính toán tổng trở sẽ rất phức tạp và chỉ có thể giải
bằng phơng pháp gần đúng. ở đấy không chú ý đến quá trình tính toán mà chỉ nghiên
cứu về các quy luật nối đất phân bố dài khi có xét quá trình phóng điện trong đất.
Trên hình 6-9 cho quan hệ của điện trở tản xoay chiều R
R
gl
=
1
, tổng trở xung
kích khi không xét quá trình phóng điện Z
xk
theo chiều dài của điện cực. So sánh các
đờng cong của Z
xk
và Z
0
thấy rằng, quá
trình phóng điện trong đất làm giảm tổng trở
xung kích của nối đất phân bố dài. Khi
chiều dài điện cực ngắn ảnh hởng này còn
có thể bù đợc ảnh hởng làm tăng tổng trở
của điện cảm khiến cho tổng trở xung kích
có thể thấp hơn trị số điện trở tản xoay chiều
R
xk

=
Z
R
x
<






1 . Khi tăng chiều dài điện
cực, ảnh hởng của điện cảm của điện cảm
sẽ tăng và làm cho tổng trở xung kích có trị









Hình 6 -7
Biến thiên theo thời gian của
tổng trở xung kích ở đầu vào
của nối đất phân bố dài (vùng
đất có = 500 , cm)

Hình 6 -8
Phân bố điện áp dọc theo điện
cực có chiều dài khác nhau
= 500 , cm;
ds
= 3s)
R
R
R
60

40

20

0
4 8 12 16

s

t
L=20m
L=40m
L=80m
L =20m
L
=40m
L =60m
L =80m
x

U
s
/U
1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

20 40 60 80 m
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

13

số lớn hơn
()
R
xk

> 1 . Bảng 6-5 đề xuất các giới hạn về chiều dài điện cực của nối đất
phân bố dài trong các vùng đất có điện trở suất khác nhau khi có dòng điện sét có biên
độ
I
kA= 40
và độ dài đầu sóng


ds
s
=
ữ
36 .
Trong trờng hợp phải dùng hình thức nối đất tổ hợp (thờng là một số cọc đợc
liên hệ với nhau bởi thanh nối) thì
việc tính toán điện trở tản xung kích
của hệ thống đợc tiến hành theo
các bớc sau đây:

Tính toán trị số điện trở tản
xoay chiều cuả từng bộ phận nối đất
riêng lẻ.

Phân bố dòng điện sẽt
cho từng bộ phận nối đất bằng cách
chia tỷ lệ ngịch với trị số điện trở tản
để xác định hệ số xung kích và trị số
điện trở tản xung kích của chúng.














Bảng 6-5.

Giới hạn về chiều dài điện cực của nối đất phân bố dài
( khi
I
kA
=
40 và

ds
s
=
ữ
36)






















Hình 6 -9
Quan hệ của điện trở tản xoay chiều R,
tổng trở xung kích Z

xk
và Z
0
theo chiều dài
điện cực của nối đất phân bố dài trong
các vùng đất có điện trở suất khác nhau

ds
= 3s) ; E
0
= 14kV/cm
180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

I=0
I=10kA

I=20kA
I=40kA
Z
0

Z
u

R
I=0
I=10kA

I=20kA
I=40kA
Z
0

Z
u

I=0
I=10kA

I=20kA
I=40kA
Z

0

Z
u

R
R
P=2x10
3
m
P=4x10
3
m
20 40 60 80 m
R Z Z
U
l
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

14

()

.m
5.10
2
10.10
2

20.10
2
40.10
2

()
lm
gh

25
ữ35 45ữ50 60ữ80 80 ữ100


Điện trở tản xung kích của hệ thống đợc xác định theo công thức:

R
R
n
R
R
n
RR
RR
RnR
xkht
xkc
xkt
xkc
xkt
xk

xkc xkt
xkc xkt xk
=
+
=
+
11

.
.
(6-18)

R
xkc
điện trở tản xung kích của một cọc.

R
xkt
điện trở tản xung kích của thanh nối.

n số cọc.


xk

hệ số sử dụng xung kích của nối đất.
Hệ số sử dụng xung kích có trị số bé hơn so với hệ số sử dụng xoay chiều vì khu
vực tia lửa điện xung quanh điện cực đã làm tăng ảnh hởng giữa chúng với nhau. Việc
tính toán hệ số sử dụng xung kích rất phức tạp vì nó phụ thuộc vào quá trình phóng điện
trong đất tức là phụ thuộc vào biên độ dòng điện, điện trở suất và đặc tính xung kích

của đất do đó hệ số này thờng đợc xác định bằng thực nghiệm trên mô hình.

Đ 6-3. lựa chọn các phơng án nối đất hợp lý.

Bộ phận nối đất có trị số điện trở tản càng bé sẽ càng thực hiện đợc tốt nhiệm
vụ tản dòng điện trong đất và giữ đợc mức điện thế thấp trên các vật đợc nối đất.
Tuy nhiên việc giảm thấp điện trở tản đòi hỏi phải tốn rất nhiều kim loại và khối lợng
thi công. Do đó việc xác định tiêu chuẩn của nối đất và lựa chọn các phơng án nối đất
phải sao cho hợp lý về kinh tế kỹ thuật.
1. Đối với đất làm việc trị số điện trở nối đất cho phép quyết định bởi yêu cầu
của tình trạng làm việc của từng thiết bị cụ thể, ở đây không xét tới.
Trị số điện trở nối đất cho phép của nối đất an toàn (bảo vệ) đợc chọn sao cho
các trị số điện áp bớc và tiếp xúc (xem hình 6-4) trong mọi trờng hợp đều không vợt
quá giới hạn cho phép. Cho đến nay vẫn cha có đầy đủ số liệu để xác định trị số điện
áp cho phép đối với ngời theo quan điểm an toàn vì chúng phụ thuộc vaò rất nhiều yếu
tố. Một trong các yếu tố rất quan trọng là thời gian tác dụng của điện áp, nếu thời gian
này giảm thì điện áp chịu đựng của ngời sẽ tăng lên. Điều đó cho phép làm nhẹ yêu
cầu đối với nối đất an toàn trong các thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất lớn (
I
A
> 500 )
vỉ ở đấy thời gian tồn tại của ngắn mạch rất ngắn và quyết định bởi thời gian
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

15

ngắn mạch tác động của hệ thống bảo vệ rơle. Ngoài ra khi thời gian có ngắn mạch
chạm đất ngắn thì xác suất có ngời trong khu vực có điện áp tăng cao lúc sự cố sẽ

giảm rất nhiều. Theo các quy trình hiện hành, tiêu chuẩn nối đất an toàn đợc quy định
nh sau:

Đối với các thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đát (dòng điện ngắn
mạch chạm đất lớn) trị số điện trở nối đất cho phép:

R

05,

(6-9)

Đối với thiết bị có điểm trung tính cách điện (dòng điện ngắn mạch chạm đất
bé) thì:

R
I

250

(6-20)
nếu phần nối đất này chỉ dùng cho các thiết bị cao áp và

R
I

125
(19-21)
khi dùng chung cho cả phần cao áp và hạ áp nhng không đợc quá 10
.

Khi trong lới điện không đặt cuộn dập hồ quang ( cuộn Pêtecxen) thì dòng
điện I sẽ là dòng điện dung của toàn lới:

IU C
ph
=
3



U
ph
điện áp pha.

C

điện dung của pha đối với đất.
Trong trờng hợp có bù dòng điện dung, dòng điện tính toán I sẽ là dòng điện d
( phần cha đợc bù) với giả thiết trong lới đã cắt cuộn dây dập hồ quang có công suất
lớn nhất và trong mọi trờng hợp dòng điện này đều đều không đợc lớn quá 30A.
Dòng điện tính toán của nối đất tại các trạm có đặt cuộn dây hồ quang sẽ lấy bằng
125%I
dm
của cuộn dây dập hồ quang.
Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, nối đất làm việc và nối đất an toàn ở
các cấp điện áp khác nhau thờng đợc nối thành hệ thống chung. Việc nối đất riêng rẽ
theo từng loại nối đất và theo từng cấp điện áp có u điểm là dòng điện ngắn mạch
chạm đất đi trong bộ phận nối đất này sẽ không làm tăng điện áp ở bộ phận nối đất
khác; nhng thực hiện sự cách ly giữa chúng sẽ gặp rất nhiều khó khăn và nhiều khi
không thể đợc. Khi nối thành hệ thống chung, phải đạt đợc yêu cầu của loại nối đất

nào đó có trị số điện trở nối đất cho phép bé nhất.
Trong thực hiện nối đất, cần tận dụng các hình thức nối đất có sẵn ví dụ các
đờng ống ( ống nớc, vỏ cáp) và các kết cấu kim loại của công trình chôn trong đất,
móng bê tông cốt thép v.v
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

16

Việc tính toán điện trở tản của các đờng ống chôn trong đất hoàn toàn giống
với điện cực tia nhng do tác dụng của điện cảm nên độ dài điện cực không nên lấy quá
1 km.
Trong thời gian gần đây đã tiến hành nghiên cứu nhiều về tác dụng nối đất của
móng bê tông cốt thép. Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong vùng đất ẩm ( có

310
4
) cm và sau thời gian thi công vài tháng lớp bê tông của móng sẽ trở thành
môi trờng có trị số điện dẫn cao và ổn định. Do đó có thể xem phần cốt thép đặt trong
móng và chân cột bê tông nh các điện cực nối đất. Có thể sử dụng các công thức tính
toán thông thờng để tính điện trở nối đất của chân cột và móng bê tông chỉ cần chú ý
các điểm sau đây:

Do nối đất làm việc trong môi trờng không đồng nhất " đất - bê tông" nên
điện trở suất của nó lớn hơn so với trị số điện trở suất của đất thuần tuý và trong tính
toán lấy tăng thêm 25 %.

Vì khung cốt thép không phải là cực đặc mà là do các thanh đan lại với nhau
thành lới nên phải hiệu chỉnh bằng cách thân thêm hệ số

= 1,4, đó là hệ số chuyển từ
cực lới sang cực đặc.
Đối với các thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất bé khi điện trở tản của các
phần nối đất có sẵn đạt đợc yêu cầu về trị số điện trở cho phép thì không cần phải có
thêm phần nối đất nhân tạo, nhng đối với các thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm
đất lớn thì dù các phần nối đất có sẵn đã đạt yêu cầu về trị số điện trở cho phép vẫn phải
đặt thêm bộ phận nối đất nhân tạo với trị số điện trở tản không quá 1
. Đối với nối đất
an toàn, song song với việc thực hiện yêu cầu về trị số điện trở nối đất cần phải sử dụng
các biện pháp cân bằng điện áp tạo nên sự phân bố điện áp đều đặn trên mặt đất, làm
giảm trị số điện áp bớc và điện áp tiếp xúc. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các
thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất lớn. Với mục đích đó, thờng dùng nối đất
mạch vòng bố trí dọc theo chu vi trạm để làm tăng điện áp của phần mặt đất ở bên
trong và nh vậy sẽ giảm đợc trị số điện áp tiếp xúc và điện áp bớc.
2. Loại nối đất chống sét thờng gặp là nối đất của cột thu sét, cột điện và nối
đất của hệ thống thu sét ở trạm biến áp và nhà máy điện.
Do bộ phận nối đất của cột thu sét và cột điện thờng bố trí độc lập ( không có
liên hệ với các bộ phận khác) nên cần sử dụng hình thức nối đất tập trung do có hiệu
quả tản dòng điện tốt nhất. Nối đất cột điện là một vấn đề có ý nghĩa rất lớn về kinh tế
và kỹ thuật. Khi xét đánh vào đờng dây, phần điện áp giáng trên bộ phận nối đất cột
điện chiếm tỷ lệ khá lớn trong toàn bộ điện áp tác dụng lên cách điện đờng dây, do đó
nếu nối đất có trị số điện trở tản bé sẽ hạn chế đợc khả năng phóng điện ngợc tới dây
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

17

dẫn, đảm bảo vạn hành an toàn. Nhng việc giảm điện trở nối đất sẽ phải huy động
nhiều sắt thép và khối lợng thi công do đó tiêu chuẩn nối đất cột điện phải đợc quy

định sao cho hợp lý. Hiện nay tiêu chuẩn nối đất cột điện đợc quy định theo điện trở
suất của đất và cho ở bảng 6-6. Vì không thể đo trực tiếp trị số điện trở tản xung kích
nên chỉ quy định về trị số điện trở tản xoay chiều, có thể căn cứ vào sơ đồ của nối đất
và trị số dòng điện sét để xác định hệ số xung kích và từ đó suy ra trị số điện trở tản
xung kích.
Bảng 6-6
Tiêu chuẩn nối đất cột điện

Điện trở suất của đất

(
. cm)
Điện trở nối đất của cột điện
(
)


10
4


10 510
44
<

.
510 10
45
. <

10
5
<


10
15
20
30

Khi đờng dây đi qua các vùng đất ẩm
(
)

310
4
cm , nên tận dụng phần nối
đất có sẵn của móng và chân cột bê tông để bổ sung hoặc thay thế cho phần nối đất
nhân tạo.
Đối với nối đất của hệ thống thu sét ở các trạm biến áp ( chơng XVIII), khi bộ
phận thu sét đặt ngay trên xà trạm thì phần nối đất chống sét buộc phải nối chung với
mạch vòng nối đất an toàn của trạm. Nh vậy sẽ gặp trờng hợp nối đất phân bố dài,
tổng trở xung kích Z
xk
có thể lớn gấp nhiều lần so với trị số điện trở tản xoay chiều làm
tăng phần điện áp giáng trên bộ phận nối đất và có thể gây nên phóng điện ngợc tới
phần mang điện của trạm. Do đó việc thực hiện nối đất chung (giữa nối đất chống sét và
nối đất an toàn) thờng chỉ đợc tiến hành ở các trạm biến áp 110kV và điện áp cao
hơn vì có trị số điện trở tản của mạch vòng nối đất an toàn bé

()
R 05,
và có mức
cách điện cao. Ngoài ra còn phải tiến hành một số biện pháp bổ sung nh ở các chỗ đi
vào đất của hệ thống thu sét có đóng thêm cọc; không đặt bộ phận thu sét trên xà máy
biến áp; khoảng cách theo mạch dẫn điện trong đất từ chỗ nối đất của máy biến áp tới
chỗ nối đất của hệ thống thu sét phải từ 15m trở lên v.v
Các biện pháp này nhằm mục đích gỉam phần điện áp giáng trên bộ phận nối đất
và bảo vệ an toàn cho máy biến áp là thiết bị điện quan trọng nhất của trạm.
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

18

Để cải thiện nối đất của trạm thờng kéo dây chống sét dùng bảo vệ đờng dây
vào tận xà trạm. Các yêu cầu kỹ thuật trong trờng hợp này hoàn toàn giống nh khi
đặt bộ phận thu sét trên xà trạm.