Nghiên cứu các phương pháp tính toán và giải pháp giảm điện trở các vùng có điện trở suất cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Trung Phương

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ GIẢI PHÁP
GIẢM ĐIỆN TRỞ CÁC VÙNG CÓ ĐIỆN TRỞ SUẤT CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

Hà Nội – Năm 2012


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi thực hiện, các số liệu tính toán được sử
dụng trong luận văn và các kết quả nghiên cứu hoàn toàn trung thực và chưa được
công bố trong các công trình khác.

Hà Nội, tháng 3 năm 2012
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Trung Phương

MỤC LỤC
Trang
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Lời mở đầu .......................................................................................................... 1
Chương 1: Tổng quan về hệ thống nối đất các trạm biến áp và đường dây
thuộc khu vực Truyền tải điện Quảng Ninh quản lý ........................................ 4
1.1. Giới thiệu khái quát về lưới điện thuộc khu vực Truyền tải điện Quảng
Ninh quản lý ................................................................................................... 4
1.2. Các quy định, tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống nối đất .......................... 4
1.2.1. Nối đất các thiết bị điện tại các vùng đất có điện trở suất cao ........... 4
1.2.2. Các quy định về nối đất trạm biến áp ............................................... 5
1.2.3. Các quy định nối đất cột đường dây trên không ............................... 6
1.3. Các phương pháp thường được sử dụng để giảm điện trở nối đất .............. 7
1.3.1. Lợi dụng các vật tiếp đất tự nhiên có sẵn .......................................... 7
1.3.2. Thay đất gốc có điện trở suất cao bằng đất mới có điện trở suất thấp 7
1.3.3. Giảm điện trở suất đất bằng muối ăn ................................................. 8
1.3.4. Bổ sung thêm hệ thống tiếp đất ......................................................... 8
1.3.5. Sử dụng hóa chất để làm giảm điện trở suất cục bộ ........................... 8
1.4. Nhận xét .................................................................................................. 10
Chương 2: Lựa chọn phương pháp tính trị số điện trở nối đất của trạm biến áp
.............................................................................................................................. 11
2.1 Giới thiệu các phương pháp tính ............................................................... 11
2.1.1. Phương pháp tính toán của Nga ....................................................... 11
2.1.2. Phương pháp tính toán của Schwarz ................................................. 16
2.2. Đánh giá và lựu chọn phương pháp tính ................................................... 21
2.2.1. Hê thống nối đất là một mạch vòng chưa có cọc nối đất ................... 21
a. Tính theo phương pháp của Nga .................................................... 21

b. Tinh theo phương pháp của Schwarz ............................................. 22
2.2.2. Hệ thống nối đất là một mạch vòng có cọc nối đất chôn dọc theo chu
vi ............................................................................................................... 23
a. Tính theo phương pháp của Nga .................................................... 23
b. Tinh theo phương pháp của Schwarz ............................................. 24
2.2.3. Hệ thống nối đất là lưới có cọc nối đất chôn dọc theo chu vi ............ 26
a. Tính theo phương pháp của Nga .................................................... 26
b. Tinh theo phương pháp của Schwarz ............................................. 27
2.2.4. Nhận xét và đánh giá phương pháp tính điện trở nối đất ................... 29
2.3. Tính toán điện trở nối đất theo phương pháp Schwarz cho thiết kế định hình
mẫu của Tổng Công ty điện lực Việt Nam ...................................................... 30
2.3.1. Tính trong trường hợp đất đồng nhất ................................................ 30
2.3.2. Tính trong trường hợp đất không đồng nhất ..................................... 34
2.3.3. Nhận xét về các thiết kế định hình trạm biến áp ............................... 36
2.4. Nối đất an toàn theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE80 ......................................... 37
2.4.1. Điện trở cơ thể người ....................................................................... 37
2.4.2. Phản ứng của cơ thể con người đối với dòng điện xoay chiều hình sin
tần số công nghiệp ..................................................................................... 38
2.4.3. Tính điện áp bước và điện áp tiếp xúc cho phép ............................... 39
2.4.4. Phương pháp và trình tự tính toán .................................................... 44
2.4.5. Tính toán điện trở nối đất cho mẫu thiết kế định hình kiểu 2 theo tiêu
chuẩn ANSI/IEEE 80 ................................................................................ 45
Chương 3: Biện pháp giảm điện trở cột điện đường dây ở vùng có điện trở suất
cao ........................................................................................................................ 50
3.1. Tính toán điện trở tiếp địa đường dây 220kV Tràng Bạch - Hoành Bồ ..... 50
3.1.1. Tính toán cho loại tiếp địa RS4x30-4 ................................................ 51
3.1.2. Tính toán cho loại tiếp địa RS2x30-4 ................................................ 53
3.1.3. Nhận xét ........................................................................................... 54
3.2. Các biện pháp giảm điện trở các cột đường dây ....................................... 55

3.2.1. Giảm điện trở tiếp địa đường dây bằng cách sử dụng tham bùn ........ 55
a. Hệ số k1 ảnh hưởng đối với lớp đất bổ sung .................................. 56
b. Các phương án khi sử dụng than bùn ............................................. 58
3.2.2. Giảm điện trở tiếp địa bằng cách sử dụng hoá chất Gem .................. 60
3.2.3. Nhận xét ........................................................................................... 62
3.2.4. Tính toán phương án giảm điện trở nối đất các cột đường dây khi sử
dụng than bùn và hoá chất Gem ................................................................. 62
3.3. So sánh chỉ tiêu chống sét cho đường dây trước và sau khi bổ sung tiếp địa
cột điện ............................................................................................................ 67
3.3.1. Số liệu tính toán ............................................................................... 67
3.3.2. Tính số lần sét đánh thẳng lên đường dây ........................................ 68
3.3.3. Tính suất cắt của đường dây 220kV do sét đánh vòng qua dây chống
sét vào dây pha .......................................................................................... 68
3.3.4. Tính suất cắt của đường dây 220kV khi sét đánh vào khoảng vượt .. 71
3.3.5. Tính suất cắt của đường dây 22kV khi sét đánh vào đỉnh cột và lân cận
đỉnh cột ..................................................................................................... 78
3.3.6. Tính toán điện áp xuất hiện trên cách điện pha A của đường dây khi
sét đánh vào đỉnh cột ................................................................................. 87
3.3.7. So sánh suất cắt trước và sau khi cải tạo hệ thống tiếp địa ................ 94
Một số hình ảnh trong quá trình thi công cải tạo hệ thống tiếp địa cột điện .... 96
Tài liệu tham khảo .............................................................................................. 101
Phụ lục ................................................................................................................ 103


MỞ ĐẦU
Việt Nam nằm ở tâm dông châu Á, một trong ba tâm giông trên thế giới có
hoạt dộng giông sét mạnh. Mùa dông ở Việt Nam tương đối dài bắt đầu từ khá sớm
và kết thúc khá muộn. Số ngày dông trung bình khoảng 100 ngày/năm và số giờ

dông trung bình là 250 giờ/năm. Trên nền hoạt động dông tương đối mạnh này có
độ chênh lệch khá lớn về mức độ hoạt động dông ở các vùng. Có những nơi có số
giờ dông nhỏ như Cam Ranh (55 giờ/năm), bên cạnh đó lại có khu vực đạt số giờ
dông tới 489 giờ/năm như ở A Lưới. Có thể giải thích sự chênh lệch này bởi nhiều
yếu tố khác nhau trong đó có sự phân chia lãnh thổ bởi những dãy núi cao có hướng
khác nhau, có tác dụng tăng cường hoạt động dông ở vùng này và hạn chế hoạt
động dông ở vùng khác. Những vùng hoạt động dông mạnh là những vùng có nhiễu
động khí quyển mạnh mẽ và có địa hình thuận lợi cho việc hình thành các dòng
thăng.
Ngoài tác dụng có lợi của dông như mang lại lượng nước mưa, khả năng
cung cấp nitrat của phóng điện sét đem lại cho nông nghiệp nguồn đạm phong phú,
dông sét còn gây ảnh hưởng tiêu cực lên kinh tế xã hội. Dông có thể gây lụt lội
(những đợt dông front kéo dài), sét thường xuyên là hiểm họa gây thiệt hại về người
và của. Trong thập kỷ gần đây, rất nhiều công trình, đường dây tải điện, kho tàng,
các thiết bị ngành bưu chính viễn thông, thiết bị nghiên cứu khoa học, thiết bị điện
tử đã bị sét đánh hỏng gây thiệt hại rất lớn; ngoài thiệt hại về kinh tế, sét còn gây
thiệt hại về người, gây tâm lý hoang mang ở một số địa phương như xã Cổ Dũng
(Hải Dương), huyện Đông Anh (Hà Nội), Đồng bằng sông Cửu Long.v.v… và gây
nên những sự cố trong vận hành Hệ thống điện.
Trong lĩnh vực phòng chống sét hầu hết Việt Nam sử dụng các thiết bị phòng
chống sét nhập ngoại. Nhiều loại máy móc thiết bị phòng chống sét được tung ra
trên thị trường. Hiệu quả của nhiều phương pháp mới còn chưa rõ ràng, thậm chí
nhiều kết quả còn đem lại hậu quả không mong muốn. Nhiều công ty nước ngoài
quảng cáo thiết bị với tài liệu kỹ thuật chứa đựng những thông tin không tin cậy
mang nhiều tính chất quảng cáo. Quy phạm chống sét đang sử dụng đã có những

-1-


điểm lạc hậu cần tiến hành rà soát sửa đổi, công tác tư vấn cần đẩy mạnh hơn.

Trong thời gian qua đã có nhiều công trình nghiên cứu và đã phân vùng mật độ sét
trên lãnh thổ nước ta, vì vậy việc lựa chọn và đưa ra bản đồ sét ghi chi tiết để phục
vụ cho công tác thiết kế và bảo vệ các đường dây tải điện và trạm biến áp là rất cần
thiết và quan trọng.
Công ty Truyền tải điện 1 là một đơn vị thành viên của Tổng Công ty Truyền
tải điện Quốc gia với nhiệm vụ quản lý và vận hành lưới điện áp từ cấp 220kV đến
500kV. Với địa bàn quản lý rộng. Trong khi đó đường dây lại là phần tử dài nhất
trong lưới điện nên thường bị sét đánh và gây ra quá điện áp (quá điện áp khí
quyển). Quá điện áp có thể gây ra phóng điện tạo thành ngắn mạch làm cho các máy
cắt đường dây tác động, ảnh hưởng đến sự cung cấp điện liên tục của lưới và đến sự
an toàn của các thiết bị điện khác trong trạm. Việc bảo vệ đường dây đến mức an
toàn tuyệt đối không thể thực hiện được vì vốn đầu tư vào đường dây quá lớn như
tăng cường cách điện đường dây và đặt các thiết bị bảo vệ chống sét… Do đó
phương hướng đúng đắn là việc tính toán mức độ bảo vệ chống sét của đường dây
phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế, tức là phải tìm phương thức bảo vệ đường dây sao
cho tổn hao do sét gây ra thấp nhất.
Hiện tại ở một số trạm biến áp và đặc biệt là các tuyến đường dây đi qua các
đồi núi, rẻo cao có điện trở suất cao, trị số điện trở không đạt yêu cầu theo tiêu
chuẩn quy phạm hiện hành. Công ty Truyền tải điện 1 đã có các biện pháp xử lý
như bổ sung thêm hệ thống nối đất, hố than bùn, muối ăn, hóa chất GEM .v.v…
nhưng song chưa giải quyết được hoàn toàn. Do đó việc nghiên cứu các tiêu chuẩn
kỹ thuật quốc tế và áp dụng các giải pháp xử lý hệ thống nối đất theo công nghệ
mới là một vấn đề cần thiết.
Để giải quyết vấn đề nêu trên đề tài “Nghiên cứu các phương pháp tính toán
và giải pháp để giảm điện trở tiếp địa các vùng có điện trở suất cao” được trình bày
với các nội dung sau đây:
1. Tổng quan về hệ thống nối đất các trạm biến áp và đường dây thuộc khu vực
Truyền tải điện Quảng Ninh quản lý.

-2-

2. Lựa chọn phương pháp tính trị số điện trở nối đất của trạm biến áp.
3. Biện pháp giảm điện trở cột điện đường dây ở vùng có điện trở suất cao.
Để hoàn thành luận văn này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sự hướng dẫn và chỉ
bảo tận tình của thầy giáo Phó giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Đình Thắng, các thầy cô
giáo trong bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin chân
thành cảm ơn các thầy cô giáo trung tâm bồi dưỡng và Đạo tạo sau đại học trường
Đại học Bách khoa Hà Nội.
Do thời gian có hạn vấn đề nghiên cứu có liên quan đến nhiều lĩnh vực và
chưa hiểu biết nhiều nên luận văn còn nhiều hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong
được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô, các chuyên gia và bạn bè đồng nghiệp để
đề tài này được hoàn thiện hơn.

Hà Nội, ngày tháng 3 năm 2012
Tác giả
Nguyễn Trung Phương

-3-


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CÁC TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG
DÂY THUỘC KHU VỰC TRUYỀN TẢI ĐIỆN QUẢNG NINH QUẢN LÝ
1.1. Giới thiệu khái quát về lưới điện thuộc khu vực truyền tải điện Quảng
Ninh quản lý.
Hệ thống lưới truyền tải điện Việt Nam hiện nay đang đóng một vai trò rất
quan trọng trong hệ thống điện Việt Nam. Hiện tại Việt Nam đang mua điện từ
Trung Quốc thông qua 02 đường 110kV Móng Cái, 02 đường 220kV Hà Khẩu
Tuyên Quang và xuất khẩu sang nước bạn Lào. Với hệ thống lưới điện rộng lớn,

chủ yếu đi qua các vùng đồi núi cao và các rẻo cao nên việc sự cố trên đường dây
do sét là không thể tránh khỏi, giảm suất cắt là một tiêu chí hàng đầu đối với ổn
định và cung cấp điện cho hệ thống. Để hạn chế được điều đó người ta thường sử
dụng chức năng tự động đóng lại đường dây sau sự cố thoáng qua và giảm điện nối
đất cho hệ thống, lắp đặt chống sét van cho đường dây, tăng chiều dài cách
điện.v.v… Đối với các vùng có điện trở suất của đất cao người ta có thể giảm điện
trở nối đất bằng cách bổ sung thêm hệ thống nối đất hoặc giảm điện trở bằng cách
giảm điện trở suất của đất.
Truyền tải điện Quảng Ninh đang quản lý 01 trạm biến áp 500kV; 02 trạm
biến áp 220kV; 92,4km đường dây 500kV mạch kép; 214km đường dây 220kV
mạch kép và 40km đường dây 220kV mạch đơn. Ở đây các trạm biến áp có cấp
điện áp từ 220kV trở lên đều có kích thước lớn nên điện trở hệ thống nối đất hầu hết
đều đạt tiêu chuẩn so với quy phạm. Tuy nhiên các tuyến đường dây 220kV lại chủ
yếu đi qua các vùng núi cao có điện trở suất rất lớn, nên việc làm giảm trị số điện
trở tiếp địa cho các cột đường dây ở đây cũng là một bài toán khó khăn đối với đơn
vị cũng như Công ty.
1.2. Các quy định, tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống nối đất.
1.2.1. Nối đất các thiết bị điện tại các vùng đất có điện trở suất cao.
a. Đối với vùng có điện trở suất cao lớn hơn 500m thì được xác định vào thời
gian bất lợi nhất trong năm (đo vào mùa khô), để tiến hành các trang bị nối đất
nhân tạo ta có thể sử dụng các biện pháp sau đây, [7]:

-4-


- Tăng chiều dài cọc nối đất nếu điện trở suất của đất giảm theo độ sâu.
- Đặt điện cực nối đất kéo dài (có thể từ 1-2km) nếu ở gần đó có những chỗ điện
trở suất thấp của đất nhỏ hơn.
- Cải tạo đất để làm giảm điện trở suất đất (dùng bột sét, bột bentônít hoặc than
chì v.v… trộn với các chất phụ gia khác).

b. Đối với những vùng đất đá lởm chởm và có điện trở suất lơn hơn 500m
được xác định vào thời gian bất lợi nhất trong năm, việc nối đất các thiết bị điện
phải áp dụng các biện pháp quy định trong điều I.7.41 tài liệu [7]. Trong trường
hợp sử dụng các biện pháp do không hợp lý về phương diện kinh tế thì cho phép
tăng trị số điện trở nối đất quy định trong quy phạm lên 0,001[] lần nhưng
không được lớn hơn 5.
1.2.2. Các quy định về nối đất trạm biến áp.
a. Bảo vệ chống sét đánh thẳng vào trạm biến áp và các thiết bị ngoài trời
thường được sử dụng kim chống sét bố trí trên cao như các cột pooctick và cột đèn
pha chiếu sáng được coi như là cột chống sét.
b. Dây chống sét của đường dây tải điện trên không có điện áp 110kV trở lên
thường được nối vào kết cấu nối đất của hệ thống phân phối ngoài trời (trạm biến
áp). Dây chống sét của đường dây trên không được nối vào kết cấu nối đất của hệ
thống phân phối ngoài trời khi điện trở suất tương đương của đất đo mùa sét đến
750m - không phụ thuộc vào diện tích mạch vòng dây nối đất của trạm, lớn hơn
750÷ 1000m khi diện tích mạch vòng nối đất của trạm 10000m2 trở lên. Dây
chống sét của đường dây trên không nếu không cho phép kéo vào trạm thì dừng lại
ở cột cuối đường dây. Đoạn đường dây trên không cho vào trạm không có dây
chống sét thì được bảo vệ bằng kim thu sét bố trí trong trạm, trên cột đường dây
trên không hoặc gần đường dây trên không. Chỗ nối dây nối đất của các kết cấu có
kim thu sét hay dây thu sét vào hệ thống nối đất chung của trạm phải cách chỗ nối
của máy biến áp (cuộn kháng) ít nhất 15m tính theo vành đai nối đất chính.
c. Trang bị nối đất của thiết bị điện có điện áp lớn hơn 1000V trong mạng điện
có trung tính nối đất hiệu quả phải đảm bảo trị số điện trở nối đất và trị số điện áp

-5-


tiếp xúc cũng như điện áp trên trang bị nối đất. Những yêu cầu này không được áp
dụng cho các trang bị nối đất các cột điện đường dây tải điện trên không.

d. Điện trở của trang bị nối đất không được lớn hơn 0,5 trong bất cứ thời gian
nào trong năm, có tính đến điện trở nối đất tự nhiên. Điện trở nối đất nhân tạo
không được vượt quá 1.
e. Trang bị nối đất phải đảm bảo trị số điện áp tiếp xúc không lớn hơn giá trị quy
định trong bất kỳ thời gian nào trong năm khi có dòng điện ngắn mạch chạy qua.
Khi xác định giá trị cho phép của điện áp tiếp xúc thì thời gian tác động tính
toán phải lấy bằng tổng thời gian tác động của bảo vệ và thời gian cắt hoàn toàn
của máy cắt.
Để xác định giá trị của điện áp tiếp xúc cho phép ở chỗ làm việc của công
nhân khi thực hiện các thao tác đóng cắt có thể xuất hiện ngắn mạnh ra các kết cấu
mà nhân viên vận hành có thể chạm tới, thì thời gian tác động của bảo vệ phải lấy
bằng thời gian tác động của bảo vệ dự phòng. Đối với những chỗ làm việc còn lại
thì lấy thời gian này bằng thời gian tác động của bảo vệ chính.
1.2.3. Các quy định nối đất cột đường dây trên không
Điện trở nối đất của ĐDK điện áp 6-22kV ở vùng ít dân cư khi có điện trở
suất đến 100Ωm không quá 30Ω, khi điện trở suất của đất trên 100Ωm không quá
0,3. Còn lại điện trở nối đất các ĐDK đều được quy định như bảng 1-1, [7].
Đối với ĐDK cao trên 40m có dây chống sét thì điện trở nối đất phải nhỏ
hơn 2 lần trị số trong bảng 1-1.
Bảng: 1-1: Điện trở nối đất của ĐDK
STT

Điện trở suất của đất  (Ωm)

Điện trở nối đất (Ω)

1

Đến 100

Đến 10

2

Trên 100 đến 500

15

3

Trên 500 đến 1000

20

4

Trến 1000 đến 5000

30

5

Trên 5000

6.10-3

-6-


1.3. Các phương pháp thường được sử dụng để giảm điện trở nối đất.

Trong thời gian gần đây các đường dây và trạm biến áp được xây dựng
nhiều, để giảm chi phí đầu tư người ta thường chọn các vùng đồi núi và thưa dân cư
để xây dựng các công trình đường dây và trạm biến áp. Vì vậy việc thiết kế nối đất
đạt tiêu chuẩn và có tuổi thọ là vấn đề rất cần thiết, vì các hệ thống nối đất phải đáp
ứng được các yêu cầu sau:
- Giá trị điện trở nối đất của hệ thống phải đảm bảo đúng theo quy phạm hiện hành.
- Tuổi thọ công trình cao.
- Không ảnh hưởng đến môi trường xung quang
- Giá thành thấp.
Những vùng đất có điện trở suất cao hoặc rất cao như vùng đất cát, đất gan
gà, đất nhiều sỏi đát, núi đá phong hóa, đá tổ ông .v.v…, việc thiết kế một hệ thống
tiếp đất sao cho đạt được trị số điện trở tiếp đất đạt tiêu chuẩn theo quy phạm sẽ gặp
nhiều khó khăn. Đối với những vùng đất trên, muốn giảm điện trở suất đất người ta
có thể áp dụng các giải pháp sau:
1.3.1. Lợi dụng các vật tiếp đất tự nhiên có sẵn
Đối với các thiết bị nối đất trong mạng điện xoay chiều, trước hết sử dụng
nối đất tự nhiên. Đó là các thiết bị và cấu kiện khác nhau, tùy theo tính chất của bản
thân, chúng có thể đồng thời làm cả chức năng nối đất: ống nước, vỏ cáp kim loại,
các cấu kiện bằng thép hoặc bêtông cốt thép của tòa nhà và các công trình chôn
chắc chắn xuống đất.
Sử dụng hợp lý nối đất tự nhiên sẽ làm đơn giản và hạ giá thành các công
trình nối đất. Trong thực tế, phần lớn trường hợp hệ thống đường dây, đường ống
ngầm có giá trị điện trở nối đất rất thấp (khoảng 1÷2), trong khi đó một hệ thống
nối đất nhân tạo muốn đạt được trị số nhỏ theo yêu cầu lại gặp nhiều khó khăn và
tốn kém (đối với trường hợp điện trở suất cao, diện tích nhỏ).
1.3.2. Thay đất gốc có điện trở suất cao bằng đất mới có điện trở suất thấp

-7-

Nếu lớp đất trên bề mặt có điện trở suất cao hoặc có độ dẫn điện kém nhưng
có chiều dày không lớn (khoảng 20cm) thì việc giảm chỉ số tiếp địa có thể áp dụng
các giải pháp sau:
- Đào đất xung quang cực nối đất với bán kính từ 1,5÷2m, độ sâu bằng chiều dài
cọc nối đất cộng thêm với độ chôn sâu (khoảng 0,8m).
- Sau khi đặt cực tiếp đất, lấp đầy hố bằng đất tự nhiên có điện trở suất thấp hơn rồi
tưới nước, đầm chặt. Với hệ thống tiếp đất gồm nhiều cực nối đất thì tiến hành nối
các thanh liên kết cực khi hố chưa lấp đất.
Loại đất sử dụng để lấp hố là loại đất có điện trở suất nhỏ hơn điện trở suất
của đất gốc nơi đặt hệ thống tiếp đát từ 5÷10 lần, ví dụ hệ thống tiếp địa đặt trong
đất cát hoặc đá thì có thể sử dụng đất sét, than bùn, đất đen, đất pha sét .v.v… tưới
nước, đầm chặt lấp đầy hố.
1.3.3. Giảm điện trở suất đất bằng muối ăn
Dùng muối ăn để cải tạo độ dẫn điện của đất làm trị số điện trở suất của đất
giảm nhanh trong điều kiện đất ẩm. Thời gian đầu khi đổ muối trị số điện trở suất
đất giảm chậm bởi muối ăn chưa ngấm vào đất, khoảng 1 năm mới ổn định đối với
vùng đất cát, đất rời. Độ ổn định của lớp đất có muối có trong đất phục thuộc vào
thành phần cấu tạo của đất, độ ẩm, số lượng và mức độ các trận mưa…, ở những
vùng mưa nhiều thời gian định kỳ cải tạo bổ sung muối phải rút ngắn lại.
Khi sử dụng muối ăn làm cho các bộ phận của nối đất bị ăn mòn dẫn đến
giảm tuổi thọ của hệ thống tiếp đất, đồng thời muối dễ bị các mạch nước ngầm rửa
trôi làm cho giá trị điện trở nối đất không ổn định.
1.3.4. Bổ sung thêm hệ thống tiếp đất
Nếu trong trường hợp ta đã sử dụng nối đât tự nhiên hoặc không nhưng trị số
điện trở nối đất vẫn không đảm bảo theo quy phạm hiện hành thì chúng ta có thể bổ
sung thêm hệ thống nối đất cũ bằng hệ thống nói đất mới có thể là các tia kéo dài
đến vùng có điện trở suất thấp hơn hoặc tăng chiều dài thanh cọc nối đất đến lớp đất
phía dưới có điện trở suất nhỏ hơn.
1.3.5. Sử dụng hóa chất để làm giảm điện trở suất cục bộ

-8-


Theo kết quả thực nghiệm, trong khoảng 0,3m xung quanh điện cực, điện
trở tản đạt 68% tổng điện trở tản của cả điện cực, nên việc làm giảm điện trở suất
của vùng đất này sẽ có hiệu quả rất lớn trong việc giảm điện trở tản của điện cực nối
đất. Nguyên tắc cơ bản của giải pháp này là làm giảm điện trở suất đất bằng cách
thay lớp đất tự nhiên bằng loại đất có điện trở suất nhỏ hơn hoặc bổ sung các hóa
chất để tạo môi trường dẫn điện tốt xung quanh điện cực. Giải pháp này được sử
dụng ở những nơi đất khô cằn, có điện trở suất đất cao (ρ> 500Ω.m) hoặc không thể
thực hiện giải pháp bổ sung điện cực. Phương pháp này có ưu điểm là giá trị điện
trở nối đất ổn định, ít thay đổi theo mùa do độ ẩm và nhiệt độ ẩm của lớp đất phía
dưới ổn định.
a. Hợp chất tăng cường tiếp đất EEC (Earth Enhancing Compound) thường được sử
dụng ở khu vực có cấu tạo đại chất là sỏi đá rời rạc hoặc diệp thạch với điện trở suất
trong khoảng 100÷1000m. EEC là chất gồm hai thành phần hóa chất có độ phân
ly mạnh:
- Sunfat đồng chiếm 15% coc dạng bột màu xanh.
- Sudium Ferro Cyanide chiếm khoảng 85%, dạng bột màu vàng.
Sau khi hòa tan từng thành phần với nước và tưới vào hố và rãnh tiếp địa,
chúng ta sẽ kết hợp với nhau và đất tạo thành dạng hồ dích màu nâu, tạo ra môi
trường dẫn điện rất tốt bao bọc vật nối đất và tồn tại lâu dài trong đất.
b. Vật liệu GEM (Grounding Enhancement Materials).
Được phát triển từ năm 1992, hoá chất giảm và ổn định điện trở đất GEM
(Ground Enhancing Materials) là một loại vạt liệu bền vững và dẫn điện siêu hạng.
GEM là vật liệu lý tưởng để sử dụng ở những nơi đất có tính dẫn điện xấu. Sử dụng
hoá chất GEM nhằm giải quyết những khó khăn trong việc xử lý tiếp địa cho những
vùng đất dẫn điện kém như: Vùng đất điện trở suất cao, khu vực đồi núi, cát sỏi,
diện tích làm tiếp địa bị giới hạn. Giảm điện trở tiếp đất từ 50% đến 90% so với
phương pháp không sử dụng GEM. Ổn định điện trở đất theo thời gian và kéo dài

tuổi thọ của hệ thống đất do GEM tạo thành dạng rắn bao quanh lấy điện cực làm
giảm sự ăn mòn điện hoá từ môi trường đất. GEM không bị biến đổi và phân huỷ

-9-


theo thời gian do đó không cần bảo trì hoặc thay thế. Không cần sự hiện diện
thường xuyên của nước để duy trì tính dẫn điện. Dễ dàng sử dụng, có thể sử dụng ở
dạng khô hay ướt. Có thể trộn lẫn với xi măng, đất đá, bùn than đẻ tạo bề mặt tiếp
xúc lớn và giảm kích thước hệ thống nối đất khi các phương pháp tiếp đất truyền
thống không thực hiện được. Đặc điểm của hoá chất giảm điện trở đất:
-Cấu tạo dạng bột, màu xám đen.
-Bền vững không cần bảo trì (không bị ăn mòn do phản ứng với muối hay hoá chất).
-Điện trở suất của GEM: 12 Ω cm, dẫn điên tốt hơn cả nước biển và không cần sự
hiện diện của nước để duy trì tính dẫn điện.
- Không độc hại, không gây ô nhiễm môi trường. Đáp ứng tiêu chuẩn EPA (tổ chức
bảo vệ môi trường của Mỹ).
1.4. Nhận xét
Qua tổng quan về hệ thống nối đất các trạm biến áp và đường dây thuộc khu
vực Truyền tải điện Quảng Ninh quản lý đề tài đã đi nghiên cứu các phương pháp
và biện pháp giảm điện trở nối đất cho trạm biến áp và cột đường dây như sau:
1. Lựa chọn phương pháp tính trị số điện trở nối đất của trạm biến áp và đánh giá
chỉ tiêu an toàn của hệ thống lưới nối đất theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE80.
2. Biện pháp giảm điện trở cột điện đường dây ở vùng có điện trở suất cao và đánh
giá chỉ tiêu chống sét cho đường dây trước và sau khi bổ sung tiếp địa cột điện.

- 10 -


CHƯƠNG 2

LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TRỊ SỐ ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CỦA
TRẠM BIẾN ÁP
2.1. Giới thiệu các phương pháp tính.
2.1.1. Phương pháp tính toán của Nga
Cho đến nay dựa vào kết quả tính toán trên mô hình vật lý của hệ thống nối
đất phức tạp và kết quả tính toán bằng phương pháp giải tích, người ta có thể phân
tích ảnh hưởng của các yếu tố như diện tích của hệ thống nối đất, số lượng, kích
thước thanh nối và cọc nối đất, cách bố trí cọc, độ chôn sâu. Phương pháp tính điện
trở nối đất được trình bày trong tài liệu [2]:
Về cơ bản sự phân tích này là nhằm xét các giá trị số điện trở cực đại (Rmax)
và cực tiểu (Rmin) của hệ thống nối đất trên một diện tích đã cho, trên cơ sở đó xác
định trị số thực tế của hệ thống:
R=ARmax

(2-1)

Hệ số A phục thuộc và kết cấu của hệ thống nối đất thực tế và được xác định
bằng mô hình hoặc bằng các phép tính toán.
Trị số cực đại của hệ thống nối đất trên một diện tích đã cho sẽ tương ứng
với trường hợp khi hệ thống nối đất được cấu tạo bằng những thanh và đặt ngay trên
mặt đất dọc theo chu vi. Để tính toán ở đây dùng phương pháp thế trung bình:
ln

Rmax =

2 S
d1 
4
S

(2-2)

Trong đó:
-điện trở suất của đất (m);
S-diện tích mạch vòng nối đất (m 2);
d 1-đường kính lưới nối đất (m);
a. Khi hệ thống nối đất là một mạch vòng hình chữ nhật cạnh ha và hb thì điện trở
nối đất của hệ thống được tính theo công thức:

- 11 -


RHT =


KL2
ln
2L hd

(2-3)

Trong đó:
RHT-giá trị điện trở nối đất của hệ thống mạch vòng ();
-điện trở suất của đất (m);
L-chiều dài toàn bộ thanh nối, nếu là mạch vòng sẽ lấy chu vi (m);
d-đường kính thanh nối (m), nếu thanh nối dẹt thì đường kính thanh
nối được lấy bằng

b
, với b là bề rộng của thanh dẹt;

2

h-độ chôn sâu của hệ thống nối đất (m);
K-hệ số phụ thuộc vào hình dạng của hệ thống nối đất;
Bảng 2-1. Hệ số K theo hình dạng của hệ thống nối đất
Chiều dài

1,0

1,5

2,0

3,0

4,0

5,53

5,81

6,42

8,17

10,4

Chiều rộng
Hệ số K

Để thuận tiện trong việc tính toán trên máy tính ta sử dụng chương trình
Microsofl Excel xác định hàm số gần tính gần đúng với các giá trị K cho ở bảng 2-1
a. Kết quả ta có:
a
b

2

a
b

K = 0,3393   - 0,0467   +5,1851

(2-4)

b. Khi hệ số nối đất là một mạng lưới
Để nghiên cứu ảnh hưởng của lưới nối đất tiến hành xác định RC của lưới với
số lượng ô lưới m (tính dọc theo cạnh chu vi) và tính với trường hợp giới hạn (toàn
bộ diện tích là một tấm kim loại). Trên cơ sở đó xác định được hệ số suy giảm AC.
Hệ số suy giảm AC phụ thuộc vào

d
S

và m.

RC = ACRmax

(2-5)

- 12 -


Hình 2-1. Hệ số suy giảm AC
Trên hình 2-1 ta thấy rằng việc tăng số ô của lưới chỉ làm giảm điện trở khi
m<16.
Để hiểu rõ ảnh hưởng của các thanh ngang của lưới đối với AC, ta so sánh trị
số điện trở của lưới với số ô trong các trường hợp:
- Chỉ có thanh dọc.
- Có cả thanh dọc và cả thanh ngang.
Kết quả cho thấy với cùng số lượng kim loại thì tốt nhất nên dùng hình thức
nối đất chỉ có các thành dọc mà không nên dùng kiểu lưới và lúc đó AC sẽ có giá trị
nhỏ.
c. Khi hệ thống nối đất là một mạch vòng có cọc nối đất chôn dọc theo chu vi.
Để nghiên cứu người ta đã tiến hành đo trên mô hình điện trở của mạch vòng
RMV có cọc chôn dọc theo chu vi trong các điều kiện

a
1
=0,5÷16;
=0,2÷0,0625.
l
S

Trong đó:
l-chiều dài cọc nối đất (m);
a-khoảng cách giữa các cọc nối đất (m);
d-đường kính thanh nối (m);
S-diện tích mạnh vòng (m2);
Qua nghiên cứu thấy rằng khi tỉ số

a
thay đổi vài lần thì chỉ làm cho trị số
S

điện trở nối đất thay đổi khoảng (2÷3)% và ảnh hưởng của đường kính cọc là không
đáng kể nên không xét đến yếu tố đó.

- 13 -


Dựa theo kết quả nghiên cứu người ta xác định được hệ số AMV phụ thuộc
vào

1
a
và .
l
S

RMV = AMVRmax

(2-6)

Hình 2-2. Hệ số suy giảm AMV
Qua hình 2-2 ta thấy rằng tỉ số

a
có ảnh hưởng rất lớn. Tỷ số này càng nhỏ
l

thì trị số điện trở nối đất càng gần với trị số nhỏ nhất của nó (ứng với trường hợp
a
=0).
l

Nếu các cọc nối đất ngắn hoặc diện tích lớn thì không chịu ảnh hưởng của tỷ số
giảm mà tác dụng của cọc cũng bị giảm vì

1
S

a
l

tiến đến 0 thì RMV sẽ tiến đến Rmax.

Qua đó ta thấy với cùng một tổng độ dài của các cọc thì cọc dài sẽ làm giảm
RMV nhiều hơn so với cọc ngắn. Như vậy đối với diện tích nhỏ thì dùng cọc nối đất
dài sẽ mang lại hiệu quả cao hơn.
d. Khi hệ thống nối đất kiểu lưới có cọc nối đất chôn dọc theo chu vi.
Với hệ số AC, AMV và với kết quả nghiên cứu trên mô hình của các loại nối
đất kiểu lưới có cọc chôn dọc theo chu vi với các số liệu

1
a
=0,5÷16; m = 1÷8;
=
l
S

0,0625÷0,125 có thể xác định điện trở của lưới nối đất có cọc chôn dọc theo chu vi:
RMV-C = AMV-CRmax

(2-7)

- 14 -




1  AC 

C min 

AMV-C =  AMV   AMV  AMV min 
1 A


(2-8)

ACmin, AMVmin - hệ số của các giá trị số cực tiểu của điện trở nối đất (trường hợp khi
mà toàn bộ vùng đất giới hạn bởi diện tích A và các cọc là một lưới dây kín).
ACmin =

RC min
Rmax

AMVmin =

(2-9)

RMV min
Rmax

(2-10)

Để xác định các trị số cực tiểu của điện trở nối đất trên diện tích có dạng
hình vuông hay hình chữ nhật hoặc có hình dạng giữa các kích thước của các phần
tử, các quan hệ ấy được xác định với các giá trị khác nhau của

l
.
A

Khi

2l

≤1 thì Rmin = Amin
A
A

(2-11)

Khi

2l

>1 thì Rmin = Amin

2l
A

(2-12)

Trong đó hệ số phụ Amin thuộc vào

l
A

Hình 2-3. Hệ số Amin
Theo hình 2-3 ta nhận thấy:
- Cọc dài có tác dụng làm giảm trị số điện trở nối đất của điện trở (Rmin) nhiều hơn
so với cọc ngắn.

- 15 -


- Lưới có tác dụng làm giảm trị số điện trở nối đất ứng với khi diện tích lớn. Do đó
với trạm có diện tích nhỏ để giảm điện trở nối đất nên dùng hình thức nối đất gồm
cả thanh nối và cọc. Đối với trạm có diện tích lớn thì ngược lại, nếu sử dụng hình
thức nối đất không cọc thì trị số giới hạn Rmin rất ít thay đổi nên khi đóng thêm cọc
cũng không làm cho điện trở nối đất giảm nhiều.
2.1.2. Phương pháp tính toán của Schwarz
Điện trở nối đất tương hỗ (Mutual resistance) giữa các điện cực nối đất: Khái
niệm này tương tự như khái niệm tổng trở sóng tương hỗ trong lý thuyết truyền
sóng. Xét trường hợp có 2 điện cực nối đất hình bán cầu có bán cầu có bán kính r1
và r2 chôn sát mặt đất.
a

1

2

r1

r2

R1r

R2r

I

R12

Hình 2-4 Điện trở của 2 điện cực nối đất hình bán cầu
a. Khi các điện cực được đặt cách xa nhau thì chúng sẽ là các điện cực nối đất cô
lập và có các điện trở nối đất như sau:
R1 =


2r1

(2-13)

R2 =


2r2

(2-14)

Trong đó:
-điện trở suất của đất (m);
r1, r2-bán kính của điện cực 1 và điện cực 2 (m);
b. Khi các điệc cực cách nhau khoảng cách là a và có dòng điện I tản vào đất qua
điện cực 1 (hình 2-4) sẽ có:

- 16 -


- Thế trên điện cực 1 là: 2 =

I
2r1

(2-15)

- Thế trên điện cực 2 là: 2 =

I
2a

(2-16)

- Hệ số ngẫu hợp giữa các điện cực nối đất:
k=

 2 r1


1 a

(2-17)

- Điện trở nối đất tương hỗ:
R12 =


2a

(2-18)

- Điện trở nối đất riêng của điện cực 1 (R1r) được suy từ:
R1 = R1r + R12

(2-19)

 R1r = R1 - R12 =


2

 1 1
  
 r1 a 

(2-20)

- Tương tự ta cũng suy ra được điện trở nối đất riêng của điện cực 2:

R2r = R2 – R12 =

  1 1
  
2  r2 a 

(2-21)

Ở điện cực 2 chỉ xuất hiện điện thế mà không có dòng tản vào trong đất do
mạch hở.
c. Khi các điện cực 1, 2 ghép song song nhau thì điện trở nối đất của hệ hai điện cực
sẽ có trị số bằng:
R = R12 + (R1r // R2r)
R = R12 +

R1r R2r
R1r  R2 r

R = R12 +

( R1  R12 )( R2  R12 )
R1  R2  2 R12

R =

( R1 R12  R2 R12  2 R122  R1 R2  R1 R12  R2 R12  R122 )
R1  R2  2 R12

R =

R1 R2  R122
R1  R2  2R12

(2-22)

- 17 -


Công thức này được sử dụng để tính toán điện trở nối đất của một hệ thống
nối đất phức tạp trong tiêu chuẩn ANSI/IEEE 80 theo tài liệu [1] &[10].
Nếu các điện cực có cùng kích thước thì R1 = R2 và:
R=

1
( R1  R12 )
2

(2-23)

d. Khi các điện cực 1, 2 ghép nối tiếp nhau thì điện trở nối đất sẽ bằng:
R = R1r + R2r = R1 + R2 - 2R12

(2-24)

Và nếu có R1 = R2 thì:
R = 2(R1 - R12)

(2-25)

Công thức Schwarz có thể dùng để tính toán nối đất trong trạm biến áp dưới

dạng lưới nối đất. Điện trở nối đất của hệ thống gồm có tổ hợp của lưới nối đất (đặt
nằm ngang) có điện trở R1 và các điện cực (chôn thẳng đứng) có điện trở R2 và sẽ
nhỏ hơn điện trở riêng rẽ của từng thành phần nhưng vẫn lớn hơn gái trị điện trở tổ
hợp song song giữa chúng.
Điện trở nối đất ở công thức sau của hệ thống này được xác định bởi công
thức [Schwarz]:
R=

R1 R2  R122
R1  R2  2R12

Trong đó:
R- điện trở nối đất của hệ thống ();
R1-điện trở nối đất của lưới các điện cực chôn nằm ngang ();
R1 =


1   2l1 
 l1 
  K2 
ln    K1 
l1   h' 
 S


(2-26)

R2-điện trở nối đất của các điện cực chôn thẳng đứng ();
R2 =

1   8l2 
l
  1  2 K1 2
ln 
2nl2   d 2 
S



2
n 1 




(2-27a)

R12-điện trở nối đất tương hỗ giữa lưới và các cọc ();
R12 =


1   2l1 
 l1 
  K 2  1
ln    K1 
l1   l2 
 S


- 18 -

`

(2-28a)


Tuy nhiên trong thực tế, khi tính toán một hệ thống nối đất chúng ta vẫn
mong muốn các cọc nối đất được đóng xuống sâu xuống lớp đất bên dưới, nơi có
điện trở suất nhỏ và ổn định hơn so với điện trở suất của lớp đất bên trên (2<1), để
tăng khả năng tản nhanh dòng điện sự cố hay dòng điện sét vào trong đất. Do đó
trong các công thức tính R2 và R12 dưới đây đã đưa giá trị điện trở suất biểu kiến a
vào:
a
2nl 2

R2 =

R12 =

  8l 2 
l
  1  2 K1 2
ln 
S
  d2 



2
n 1 






 a   2l1 
 l 
  K1  1   K 2  1
ln 
2l1   nl2 
 S


(2-27b)

(2-28b)

Và điện trở suất biểu kiến a được xác định theo công thức:
a =

1  2 l
 2 ( H  h )  1 ( l  h  H )

(2-29)

Trong đó:
1-điện trở suất của đất nơi tiếp xúc với lưới ở độ chôn sâu h (m);
a-điện trở suất biểu kiến của đất được nhìn thấy từ cọc (m);
H-chiều dày lớp đất phía trên (m);
2-điện trở suất của đất phía dưới độ sâu H (m);

l1-tổng chiều dài lưới nối đất (m);
l2-chiều dài trung bình của cọc nối đất (m);
h-độ chôn sâu của lưới nối đất (m);
h’-một kích thước phụ thuộc vào độ chôn sâu của lưới, h’= d 1h khi
lưới có độ chôn sâu h≠0 hoặc h’=0,5d 1 khi h = 0;
S-diện tích lưới nối đất (m 2);
n-số lượng cọc nối đất trong diện tích S;
K1, K2-các hệ số liên hệ đến cấu trúc hình học của lưới nối đất;
d 1-đường kính của lưới nối đất (m);
d 2-đường kính của cọc nối đất (m);

- 19 -


h a-chiều dài lưới nối đất (m);
h b-chiều rộng lưới nối đất (m);

Tỷ số chiều dài/chiều rộng

Hình 2-5. Hệ số K1
Đường A-độ chôn sâu 0≤h≤
Đường B-độ chôn sâu

1
S thì yA = -0,04x+1,41;
10

1
1
S ≤h≤

S thì yB = -0,05x+1,20;
10
6

Đường C-độ chôn sâu h>

1
S thì yC = -0,05x+1,13;
6

Trong đó x là tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng của lưới nối đất.

Tỷ số chiều dài/chiều rộng

Hình 2-6. Hệ số K2

- 20 -