Kỹ thuật cao áp : Nối đất trong hệ thống điện ppsx

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