Giáo trình Cao áp - Chương 5

Phần I

Chơng 5 : Nối đất chống sét
1


Kỹ thuật điện áp cao PDF by

Chơng 5 : Nối đất chống sét
5.1. Giới thiệu
5.1.1. Định nghĩa
9 Mạng nối đất bao gồm các tất cả các bộ phận của hệ thống nối đất nh là :
+ điện cực nối đất (điện cực nối đất là những vật dẫn bằng kim loại chôn trong đất hoặc ngập trong
móng bê tông)
+ các thanh nối .
9 Nhiệm vụ của hệ thống nối đất là tản dòng điện khi sự cố (h hỏng cách điện) đảm bảo an toàn cho ngời và
bảo vệ các thiết bị.
9 Trong trờng hợp có dòng điện sét, các đặc tính của hệ thống nối đất phải tính toán với dòng điện rất lớn có
thể đạt tới hàng trăm kilo-ampe và ở tần số đến mégahertz.
9 Hệ thống nối đất cho phép lập thế quy chiếu.
9 ở tần số cao, tất cả các liên lạc có tính trở kháng, đặc biệt do thành phần tự cảm của các dây nối. Khái niệm
thế quy chiếu do đó không tồn tại nữa và vậy thì nhiệm vụ của mạng nối đất một mặt chế ngự chênh lệch thế
để giảm điện áp bớc và điện áp tiếp xúc, mặt khác hạn chế chênh lệch thế ngang giữa hai điểm kề nhau của
công trình để giảm nguy cơ phóng điện và nhiễu điện từ.
5.1.2. Chức năng của hệ thống nối đất
Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy cơ bị tiếp xúc với dòng điện (h hỏng cách điện) nối với hệ thống
nối đất. Tuỳ theo hiệu quả và nhiệm vụ ngời ta chia hệ thống nối đất thành ba laọi
Nối đất làm việc : Có nhiệm vụ đảm bảo cho sự làm việc bình thờng của thiết bị hoặc một số bộ phận của thiết bị
theo chế độ làm việc đã đợc qui định sẵn

+ nối đất trung tính máy biến áp,
+ nối đất của TU
+ nối đất trung tính của hệ thống trung tính nối đất.
Nối đất an toàn : Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho ngời khi cách điện bị h hỏng hoặc thiết bị bị dò điện ra vỏ.
Nối đất an toàn đuợc thực hiện bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thờng không mang điện (vỏ thiết bị
điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ...). Khi cách điện bị h hỏng trên các vật này sẽ có xuất hiện điện thế nhng do có nối
đất nên giữ đuực mức điện thế thấp không gây nguy hiểm cho ngời khi tiếp xúc với chúng.
Nối đất chống sét có mục đích để tản dòng điện sét sét. Nó có nhiêm vụ hạn chế hình thành và lan truyền của
sóng quá điện áp do phóng điện sét gây nên. Nó cúng có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ trên cột
điện và đất. Nếu không, mỗi khi có sét đánh vào cột chống sét hoặc trên đờng dây, sóng điện áp d có khả năng phóng
điện ngợc tới các thiết bị và công trình cần bảo vệ, phá huỷ các thiết bị điện và máy biến áp.
5.1.3. Mạng nối đất
9 Định nghĩa về "đất quy chiếu" nằm cách xa điểm dòng điện đi vào đất và có thế bằng không.
9 Dòng điện sét vào đất dẫn tăng thế tại những điểm trên mặt đất, có thể mô phóng sự tăng thế này bằng các
tổng trở nối giữa điểm nối đất và điểm đo.
Xem xét một thiết bị có hai nối đất riêng biệt.
+ Nối đất thứ nhất đặt tại điểm A, (ví dụ nối đất chống sét) qua đó có dòng điện I.
+ Nối đất 2 tại B là nối đất (ví dụ cho các thiết bị điện tử) qua đó có dòng điện I
t
đi qua.


Phần I

Chơng 5 : Nối đất chống sét
2


Kỹ thuật điện áp cao PDF by

I
t
trong thực tế là rất nhỏ so với I.

Z
A
et Z
B
- tổng trở của hai nối đất này so với đất cục bộ,
Z
C
là tổng trở giữa đất cục bộ với đất quy chiếu.

U
A
=Z
A
I + Z
C
(I + It)
U
B
=Z
B
It + Z
C
(I + It)

tăng thế của đất B so với đất A :
U

AB
=Z
A
I - Z
B
I
t

9 Điện áp này có thể tăng cao, không phụ thuộc vào chất lợng nối đất Z
C
. Nếu cả hai điểm nối đất A và B gần
nhau, chênh lệch thế có thể đủ để gây ra phóng điện giữa hai mạng này.
9 Muốn giảm mức tăng thế, cần nối chung tối đa tất cả các bộ phận có thể trở thành dây dẫn trở về của dòng
điện đất. Điều này cho phép trớc hết giảm tổng trở của các nối đất, phân tán dòng điện vào đất theo nhiều
nhanh (giảm Z
A
I).
9 nối đất (đất cục bộ) của một công trình là tập hợp tất cả các mạng cho phép đảm bảo quy chiếu thế dọc theo
công trình.
9 Điều kiện chủ yếu và cơ bản hiệu quả của bảo vệ chống hiệu ứng điện từ của dòng điện sét là hạn chế hiệu
điện thế giữa các điểm của mạch nối đất liền kề loại bỏ khả năng xảy ra phóng điện.
Mạng mát

Mạng mát bao gồm các vỏ kim loại của các vật cần bảo vệ :
9 khung cốt, giàn giá
9 đờng cáp
9 kết cấu kim loại
Mỗi phần tử này đều tham gia vào mạng mát vì có tác dụng giảm đáng kể hiệu ứng trờng điện từ do kênh sét và
dòng điện sét gây nên.
Mạng nối đất

Cần phải rất chú trọng hiệu quả của nối đất tốt theo các lý do :
9 nối đất vỏ các thiết bị điện là bắt buộc : mạng nối đất phải thoả mãn tiêu chuẩn bảo đảm an toàn cho
ngời;
9 hệ thống nối đất phải hạn chế chênh lệch điện thế đặc biệt là điện áp bớc, đặc biệt trong vùng xung
quanh chu vi mạch vòng nối đất;
Nối đất các thiết bị
Các dây dẫn khi có dòng điện sét đi qua sẽ gây nên điện từ trờng mạnh là nguồn gây các nhiễu loạn cho đối với
các thiết bị. Với mục đích giảm ánh hởng này, các dây nối này đợc phân tán xung quanh công trình cần đợc bảo vệ.
5.1.4. Điện trở nối đất
9 Điện trở nối đất là một số liệu rất quan trọng để tối để đảm bảo an toàn, phụ thuộc vào điện trở suất của
đất và kích thớc của các ddiện cực nối đất.
9 Mọi mạng nối đất đều gồm các điện cực kim loại chôn nằm ngang hoặc chôn thẳng đứng trong đất.
Trờng hợp tổng quát, sơ đồ tơng đơng của mạng nối đất :


Phần I

Chơng 5 : Nối đất chống sét
2


Kỹ thuật điện áp cao PDF by

+ điện trở r,
+ điện cảm L của bản thân điện cực,
+ điện trở tản R của môi trờng xung quanh điện cực,
+ điện dung C của các điện cực so với điểm thế bằng không.
9 Có thể bỏ qua điện trở tác dụng của các điện cực nối đất vì nó rất nhỏ so với điện trở tản R. Ngời ta cũng
không xét đến điện dung C của các điện cực so với đất vì dòng điện dung rất bé thậm chí ngay cả khi có
dòng điến sét.

g
g g g
L
I
L

Các tham số L và g phụ thuộc vào một số các yếu tố và hiệu ứng của chúng tuỳ thuộc vào điều kiện tính toán.
9 Khi có một dòng điện mà sự biến thiên theo thời gian rất nhanh chạy qua hệ thống nối đất (dòng điện sét),
điện cảm của các điện cực
+ ban đầu sẽ cản trở không cho dòng điện đi đến cuối, dẫn đến phân bố điện áp không đồng nhất theo
thời gian và dọc theo chiều dài điện cực.
+ Sau đó, ảnh hởng của điện cảm sẽ giảm dần và phân bố áp sẽ trở nên đều hơn.
9 khi dòng điện tản vào đất là dòng điện một chiều hoặc dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp, có thể bỏ
qua ảnh hởng của điện cảm L và tất cả hệ thống nối đất có thể biểu diễn bởi điện trở tản R
t
.
9 Thời gian tồn tại quá trình quá độ phụ thuộc vào hằng số thời gian :
T=Lgl
2
(5. 1)
9 Với dòng điện sét, tham số thể hiện nối đất phụ thuộc tơng quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu
sóng
f
của dòng điện sét.
+ Nếu T<<
f
, khi dòng điện sét đạt giá trị cực đại, quá trình quá độ đã kết thúc, nối đất thể hiện nh một
điện trở tản. Trờng hợp này tơng ứng với các dạng điện cực nằm ngang hoặc thẳng đứng nhng có
chiều dài không lớn lắm. Ngời ta gọi những loại nối đất này nối đất tập trung.

+ Đối với các điện cực nối đất dài, hằng số thời gian thờng đạt và vợt xa
f
và nh vậy lhi dòng điện
đạt giá trị cực đại, hiện tợng quá độ vẫn cha kết thúc. Vì vậy nối đất thể hiện nh một tổng trở Z có trị
số khá lớn so với điện trở tản. Những loại nối đất này nối đất phân bố tham số rải (nối đất kéo dài).
9 Điện trở nối đất phụ thuộc vào điện trở suất của đất, kích thớc và bố trí các điện cực. Trị số điện trở tản
dòng điện xoat chiều (R

) khác trị số tản dòng điện xung kích (R
imp
).
9 Trong dải tần số bé; nối đất có thể coi là thuần trở và do vậy có thể tính toán điện trở nối đất bằng việc xem
xét kích thớc hình dạng điện cực, điều kiện lắp đặt và điện trở suất của đất. Điện trở tản dòng điện xoay
chiều (R

) đợc dùng để tính toán nối đất an toàn và nối đất làm việc. Trong những trờng hợp này cờng
độ dòng điện tản vào đất bé, điện trờng trong đất (E=.j với j là mật độ dòng điện và điện trở suất của
đất), có trị số bé không đạt tới ngỡng gây phóng điện trong đất.
9 Nối đất trong thực tế không phải là hoàn toàn thuần trở mà là một tổng trở gồm thành phần dung và cảm
kháng phụ thuộc vào kích thớc hình học và bản chất của đất, xét ảnh hởng các thành phần dòng điện


Phần I

Chơng 5 : Nối đất chống sét
3


Kỹ thuật điện áp cao PDF by

sét, tổng trở này có thể rất khác với điện trở tản ở tần số thấp. Nối đất tản dòng điện sét có các đặc tính
khác với trị số điện trở nối đất đo thông bằng các dụng cụ đo điện trở nối đất (terrometre/telluromètre). Điện
trở suất của đất đợc đo bằng ohm.met (m).
a) Điện trở suất của đất
9 Đất là môi trờng phức tạp, điện trở suất có thể thay đổi trong phạm vi rất rộng. Về bản chất đất tự nhiên
cấu tạo từ các hạt chất rắn, nớc và không khí. Đất bão hoà nớc là trờng hợp đặc biệt khi toàn bộ
khoảng trống lấp đầy nớc.
9 Điện trở suất của đất phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của đất, điều kiện khí hậu độ ẩm nhiệt độ. Điện
trở suất của đất ở trạng thái khô thờng khá ổn định, khi có các muối hoặc các axít, tính dẫn điện tăng lên,
điện trở suất giảm. Đất càng ẩm, điện trở suất của nó càng bé. Khi đất bị đóng băng hoặc đất bị hạn hán,
điện trở suất tăng lên.
9 Điện trở suất của đất theo thành phần cấu tạo
Bản chất của đất
Điện trở suất trung bình, m
đất tổng hợp ẩm 5-100
cát sét 50-500
đất đá phiến 50-300
đất sét dẻo 50
đất vôi 30-40
đất sỏi 300-500
đất đá phiến mica 800
đất đầm lầy 3 -30
đất bùn 20-100
đất silicat 200-3000
đất đá 1500-3000
granit và cát kết 1500-10000
đất mùn 10-150
granit và cát kết háu nớc 100-600
đất calcaire mềm 100-500
sét vôi và sét chắc 100-200

đất calcaire chắc 1000-5000
9 Điện trở suất của đất ở các độ sâu khác nhau
Độ sâu (m) 5 10 20 25
Điện trở suất (.m)
1280 1290 1340 1340
b) Hệ số mùa
9 Khi thiết kế hệ thống nối đất phải tính trớc hết điện trở suất của vùng đất đó. Điện trở suất thay đổi trong
phạm vi rất rộng theo nhiệt độ và độ ẩm của đất, theo thành phần và cấu trúc, theo độ sâu và theo mùa.
9 Trong năm, điều kiện khí hậu thay đổi làm cho nhiệt độ của đất, độ ẩm, thành phần các chất hoà tan của
nó thay đổi theo. Điện trở suất trong mùa khô khác với điện trở suất trong mùa ma.
9 Trong tính toán điện trở nối đất, điện trở suất của đất đợc nhân với hệ số an toàn gọi là hệ số mùa k
s
.
msc
k =
(5. 2)
9 Hệ số mùa phụ thuộc vào hình dạng điện cực (thanh hoặc cọc), bố trí điện cực (nằm ngang hay thẳng
đứng), độ chôn sâu và bản chất của đất.


Phần I

Chơng 5 : Nối đất chống sét
4


Kỹ thuật điện áp cao PDF by

Dạng nối đất Bố trí điện cực Độ chôn sâu, m Hệ số mùa, k
s

Nối đất an toàn và nối đất
làm việc
Thanh nằm ngang
0,5
4,5ữ6,5
0,8
1,6ữ3
Cọc thẳng đứng 0,8
1,4ữ2
Nối đất chống sét
Thanh nằm ngang
0,5
1,4ữ1,8
0,8
1,2ữ1,45
Cọc thẳng đứng 0,8
1,15ữ1,30


9 Hệ số mùa lấy giá trị bé nếu đo điện trở suất thực hiện trong điều kiện độ ẩm trung bình, lấy giá trị lớn nếu
độ ẩm cao trớc khi đo điện trở suất.
c) Thực hiện nối đất
Bộ phân nối đất thờng sử dụng các điện cực bằng kim loại chôn thẳng đứng (cọc) hoặc thanh nằm ngang.
Thanh nằm ngang : sắt dẹt chiều (rộng 20 - 40mm), chiều dầy không nhỏ hơn 4mm, sắt tròn đờng kính không nhỏ
hơn 20mm làm các điện cực nằm ngang.
Cọc chôn thẳng đứng : thép ống, thép đặc hoặc thép hình đảm bảo độ bền cơ khí và chống ăn mòn .
Nối đất trạm biến áp
9 về nguyên tắc phải tách riêng hệ thống nối đất an toàn và nối đất chống sét.
9 thực hiện nối đất chung các loại nối đất khác nhau với mục đích để có một mạng nối đất đẳng thế, có thể

tản dòng điện sự cố tần số 50Hz cũng nh dòng điện tần số cao và dòng điện sét.
9 Nối đất là hệ thống (thanh nằm ngang, các cọc thẳng đứng, thanh cân bằng) tạo thành lới nối đất.
Nối đất cột điện của các đờng dây tải điện trên không,
9 Để giảm xác suất phóng điện ngợc, độ dốc của điện thế phải bé, điện trở nối đất phải nhỏ .
9 Vì thế ngời ta cần quy định trị số điện trở nối đất thấp đối với các cột điện của các đờng dây tải điện.
9 trong vùng điện trở suất lớn ( > 300 .m), để đạt đợc điện trở nối đất cột điện bé phải sử dụng các cọc
có chiều dài lớn.
9 Nhng do tự cảm của các điện cực rất dài, tổng trở xung kích ở tần số cao có thể lớn hơn rất nhiều so với
kết quả tính toán ở tần số thấp. Chính vì thế nên tồn tại chiều dài điện cực tới hạn.
5.2. Tính toán nối đất
5.2.1. Tính toán điện trở nối đất an toàn
Xét nối đất đơn giản dạng một điện cực hình bán cầu bằng (bán kính R
o
) kim loại chôn sát mặt đất có I
d
là dòng
điện chạm đất, trong vùng đất có điện trở suất .

dr
r
U
c
U
p

Một số giả thiết
9 Qua điện cực này có một dòng điện bằng I
nđ
đi vào trong môi
trờng đất.

9 Đất là thuần nhất có điện trở suất [.cm].
9 Dòng điện tản ra từ tâm hình cầu, toả ra theo đờng bán kính.
9 Có thể coi trờng của dòng điện đi trong đất giống nh dạng
trờng tĩnh điện
Phơng trình điện trờng trong đất theo định luật Ohm :
JE=
(J mật độ dòng điện, E là cờng độ điện trờng và
là điện dẫn suất của đất).