Nghiên cứu tính toán điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT
CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA HÓA CHẤT
GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2015-25TĐ

S KC 0 0 4 8 0 4

Tp. Hồ Chí Minh, 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
---o0o---

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ĐIỆN TRỞ
NỐI ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA
HÓA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT
Mã số: T2015-25TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Quyền Huy Ánh
Thành viên: PGS. TS Hồ Văn Nhật Chương
ThS. Ngô Kim Lân

TP. HCM, 11/2015


DANH SÁCH THÀNH VIÊN
1. PGS.TS. Quyền Huy Ánh, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM, CN đề tài.
2. PGS.TS. Hồ Văn Nhật Chương, Đại học Bách Khoa Tp HCM
3. ThS. Ngô Kim Lân, Cao đẳng nghề Đồng Nai.

i

MỤC LỤC
Trang
Danh sách những thành viên ........................................................................................ i
Mục lục ....................................................................................................................... ii
Danh mục các hình vẽ ................................................................................................ vi
Danh mục các bảng biểu ........................................................................................... vii
Thông tin - kết quả ................................................................................................... viii
CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU ............................................................................................. 1
1.1.Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ................................. 1
1.2.Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................... 3
1.3.Mục tiêu của đề tài........................................................................................ 3
1.4 .Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 3
1.5. Cách tiếp cận ............................................................................................... 4
1.6.Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 4
1.7. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 4
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT ............. 5
2.1 . Một số khái niệm ....................................................................................... 5
2.2 . Các biện pháp giảm điện trở của hệ thống nối đất .................................... 5
2.2.1. Giảm điện trở bằng cách tăng cường điện cực nối đất ............................ 5
2.2.2. Giảm điện trở nối đất bằng cách giảm điện trở suất của đất ................... 6
2.3 . Tính tốn nối đất an tồn .......................................................................... 7
2.3.1. Tính tốn nối đất theo điện trở nối đất u cầu (Ryc) .............................. 7
2.3.1.1. Tính tốn nối đất trong trường hợp đất đồng nhất ............................... 7
2.3.1.1.1. Xác định điện trở yêu cầu của hệ thống nối đất ................................ 8
2.3.1.1.2. Xác định điện trở nối đất nhân tạo .................................................... 8
2.3.1.1.3. Chọn điện cọc nối đất và xác định điện trở của chúng ..................... 9

ii

2.3.1.1.4. Xác định số lượng cọc nối đất cần thiết khi chưa tính đến thanh nối
ngang ............................................................................................................... 12
2.3.1.1.5. Xác định điện trở của hệ thống nối đất nhân tạo có tính đến điện trở của
các thanh nối ngang ......................................................................................... 12
2.3.1.1.6. Xác định số lượng điện cực chính thức........................................... 14
2.3.1.1.7. Kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt của hệ thống nối đất ................... 14
2.3.1.2. Tính tốn nối đất trong trường hợp có hai lớp đất khác nhau ............ 14
2.3.2. Tính tốn nối đất theo điện áp tiếp xúc và điện áp bước cho phép ....... 15
2.3.2.1. Bước 1: Diện tích lưới và điện trở suất của đất ................................. 19
2.3.2.2. Bước 2: Kích cỡ dây dẫn nối đất ........................................................ 19
2.3.2.3. Bước 3: Tiêu chuẩn điện áp tiếp xúc và điện áp bước ....................... 20
2.3.2.4. Bước 4: Thiết kế ban đầu ................................................................... 21
2.3.2.5. Bước 5: Xác định điện trở của lưới nối đất ........................................ 21
2.3.2.6. Bước 6: Dòng điện lưới cực đại ......................................................... 23
2.3.2.7. Bước 7: GPR ...................................................................................... 23
2.3.2.8. Bước 8: Điện áp lưới và điện áp bước ............................................... 23
2.3.2.9. Bước 9: So sánh điện áp lưới Em và điện áp tiếp xúc cho phép Etouch 25
2.3.2.10. Bước 10: So sánh Es và điện áp bước cho phép Estep ....................... 25
2.3.2.11. Bước 11: Thay đổi thiết kế sơ bộ ..................................................... 25
2.3.2.12. Bước 12: Thiết kế chi tiết cho lưới .................................................. 26
CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CỦA CỌC, THANH NỐI
ĐẤT CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƢỞNG CỦA HÓA CHẤT LÀM GIẢM ĐIỆN
TRỞ NỐI ĐẤT (GEM) ........................................................................................... 27
3.1. Điện trở nối đất của cọc thẳng đứng ........................................................ 27
3. 1.1. Hố khoan có dạng hình trụ trịn ........................................................... 27
3.1.2- Hố khoan có dạng hình hộp chữ nhật ................................................... 31
3.2. Điệntrở nối đất của thanh ngang ............................................................. 33
3.2.1. Hố khoan có dạng hình trụ trịn ngang .................................................. 33

iii


3.2.2. Hố khoan có dạng hình hộp chữ nhật.................................................... 37
CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ ĐẾN
ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT KHI CÓ HÓA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT ... 39
4.1.Cọc nối đất .......................................................................................................... 39
4.1.1. Quan hệ giữa điện trở nối đất và chiều dài cọc............................................... 40
4.1.2. Quan hệ giữa điện trở nối đất và đường kính cọc ........................................... 40
4.1.3. Quan hệ giữa điện trở nối đất và độ chôn sâu của cọc ................................... 41
4.1.4. Quan hệ giữa điện trở nối đất và bề dày lớp GEM ......................................... 41
4.1.5. Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của cọc .................................. 42
4.1.6. Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của đất ................................... 42
4.1.7. Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của lớp GEM ......................... 43
4.2. Thanh nối đất ..................................................................................................... 43
4.2.1. Quan hệ giữa điện trở nối đất và chiều dài thanh ........................................... 44
4.2.2. Quan hệ giữa điện trở nối đất và đường kính thanh ....................................... 44
4.2.3. Quan hệ giữa điện trở nối đất và độ chôn sâu của thanh ................................ 45
4.2.4. Quan hệ giữa điện trở nối đất và bề dày của GEM ......................................... 45
4.2.5. Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của thanh ............................... 46
4.2.6. Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của đất ................................... 46
4.2.7. Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của GEM ............................... 47
CHƢƠNG 5: CƠNG THỨC ĐƠN GIẢN ĐỂ TÍNH TỐN ĐIỆN TRỞ NỐI
ĐẤT CỦA CỌC, THANH KHI CĨ HĨA CHẤT GIẢM ĐIỆN TRỞ NỐI
ĐẤT .......................................................................................................................... 48
5.1. Cơng thức tính tốn điện trở nối đất .................................................................. 48
5.1.1. Tính điện trở nối đất của cọc .......................................................................... 48
5.1.2. Tính điện trở nối đất của thanh ....................................................................... 48
5.2. So sánh kết quả ................................................................................................. 49

iv


CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN .......... 52
6.1. Kết luận .............................................................................................................. 52
6.2. Hướng nghiên cứu phát triển đề tài ................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 53

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1:Giảm điện trở nối đất bằng GEM................................................................... 7
Hình 2.2: Lưu đồ tính tốn nối đất theo điện trở nối đất yêu cầu Ryc...................................... 13
Hình 2.4: Biểu đồ xác định độ sâu của điện cực nối................................................... 15
Hình2.5:Lưu đồ tính tốn nối đất Trạm biến áp AC
theo tiêu chuẩn IEEE Std.80-2000............................................................... 16
Hình 3.1: Nối đất thẳng đứng với hố khoan hình trụ trịn có lớp GEM...................... 27
Hình 3.2: Nối đất thẳng đứng với hố khoan hình chữ nhật có lớp GEM……………32
Hình 3.3: Nối đất nằm ngang với hố khoan hình trụ trịn có lớp GEM ...................... 33
Hình 3.4: Nối đất nằm ngang với hố khoan hình chữ nhật có lớp GEM. ................... 37
Hình 4.1: Quan hệ giữa điện trở nối đất và chiều dài cọc........................................... 40
Hình 4.2: Quan hệ giữa điện trở nối đất và đường kính cọc ....................................... 40
Hình 4.3: Quan hệ giữa điện trở nối đất và độ chơn sâu của cọc ............................... 41
Hình 4.4: Quan hệ giữa điện trở theo bề dày của lớp GEM……….…………...……41
Hình 4.5: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của cọc ............................... 42
Hình 4.6: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của đất ............................... 42
Hình 4.7: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của lớp GEM ..................... 43
Hình 4.8: Quan hệ giữa điện trở nối đất và chiều dài thanh nối đất ........................... 44

Hình 4.9: Quan hệ giữa điện trở nối đất và đường kính thanh nối đất ....................... 44
Hình 4.10: Quan hệ giữa điện trở nối đất và độ chơn sâu của thanh .......................... 45
Hình 4.11: Quan hệ giữa điện trở nối đất và bề dày của GEM ................................... 45
Hình 4.12: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của thanh nối đất ............. 46
Hình 4.13: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của đất ............................. 46
Hình 4.14: Quan hệ giữa điện trở nối đất và điện trở suất của GEM ......................... 47

vi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Điện áp tiếp xúc cho phép phụ thuộc vào thời gian cắt............................... 8
Bảng 2.2:. Tính toán điện trở nối đất của các điện cực nối đất................................... 10
Bảng 2.3: Điện trở suất trung bình của một số loại đất ở điều kiện tiêu chuẩn .......... 11
Bảng 2.4: Giá trị hệ số khc ......................................................................................................................................... 11
Bảng 2.4: Ý nghĩa của các thông số được dùng để thiết kế ........................................ 18
Bảng 5.1: So sánh kết quả đất giữa (5-2) và [12] của cọc nối đất .............................. 50
Bảng 5.2: So sánh kết quả giữa (5-3) và [12] của thanh nối đất ................................. 51

vii


THƠNG TIN- KẾT QUẢ
1. Thơng tin chung
Tên đề tài: Nghiên cứu tính tốn điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất
giảm điện trở nối đất.
Mã số:T2005-25TĐ
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Quyền Huy Ánh
Cơ quan chủ trì: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: 10/03/2015-31/01/2016
2. Mục tiêu
- Nghiên cứu phân tích các thơng số ảnh hưởng đến điện trở nối đất khi có hóa chất
giảm điện trở nối đất;
- Xác định cơng thức đơn giản tính tốn điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của
hóa chất giảm điện trở nối đất.
3. Tính mới và sáng tạo
Phân tích các thông số ảnh hưởng đến điện trở nối đất của các cọc và thanh nối đất
khi có sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất từ đó tìm cơng thức đơn giản hơn để tính
tốn điện trở nối đất.
4. Kết quả nghiên cứu
- Phân tích được các thơng số ảnh hưởng đến điện trở nối đất của các cọc, thanh nối
đất khi có hóa chất giảm điện trở nối đất.
- Đề xuất được cơng thức để tính tốn điện trở nối đất của các cọc, thanh nối đất khi
có hóa chất giảm điện trở nối đất.
5. Sản phẩm
- Cơng bố 1 bài báo trên Hội nghị Quốc tế về Kỹ thuật điện-Điện tử (ISEE 2015),
ĐH Bách khoa Tp HCM 10/2015.
viii


- Đào tạo một nghiên cứu sinh Ngành Kỹ thuật điện: Ngơ Kim Lân, khóa 20142017.
6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng
- Tài liệu tham khảo cho học viên cao học Ngành Kỹ thuật điện.
- Đào tạo 1 nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện
Trƣởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

ix


RESULT INFORMATION
1 General information
Project title: Research and calculate the grounding resistance, considering the
influence of theground enhancement material.
Code number: T2015-25TD
Coordinator: Associate Professor Quyen Huy Anh
Implementing institution: University of Technical Education Ho Chi Minh city
Duration: from March, 2015 to Dec, 2015.
2 Objective
 Research and analyze the parameters affecting the earth resistance in the case of
ground enhancement material.
 Determine simple formulas for calculating the resistances of simple grounding
systems with ground enhancement material.
3 Creativeness and innovativeness
Analysis the parameters affecting to the earth resistance of the grounding wires
and the grounding rods when using the ground enhancement material from there
to find a simple formula to calculate the grounding resistance.
4 Research result
 Analysis the parameters affecting to the earth resistance of the grounding
wires and the grounding rods when using the ground enhancement material.
 Recommend the simple formula to calculate the grounding resistance when
using the ground enhancement material.
.
5 Products



01 paper on The 2015 International Symposium on Electrical and
Electronics Engineering (ISEE 2015), Paper ID 44, 10/2015.

 Training one PhD student of electrical engineering: Mr. Ngo Kim Lan, School
Year 2014-2017.
x


6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability
 Reference for the graduate students in Electrical Engineering.
 Training one PhD student of electrical engineering.

Dean of faculty

Coordinator

xi


Chƣơng 1

MỞ ĐẦU
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Xã hội phát triển, yêu cầu đối với hệ thống điện cũng ngày càng được đòi hỏi cao về
độ an tồn, tính ổn định – tin cậy và kinh tế trong vận hành. Hệ thống nối đất là một phần
quan trọng khơng thể thiếu, nó là nền tảng để bảo đảo cho hệ thống điện vận hành an
toàn, tin cậy và đặc biệt là bảo đảm an toàn cho con người trong trạng thái làm việc bình
thường cũng như sự cố của hệ thống điện. Về cơ bản, có thể phân loại hệ thống nối đất

theo mục đích sử dụng:
-

Nối đất làm việc.

-

Nối đất an toàn.

-

Nối đất chống sét.

Các nghiên cứu về tính tốn, thiết kế hệ thống nối đất cho hệ thống điện đã được
nghiên cứu từ lâu. Nhưng cho đến những năm đầu của thập kỷ 1980, với sự phát triển của
cơng nghệ máy tính và sự tiến bộ trong kỹ thuật phân tích trường điện từ bằng các
phương pháp số như: phương pháp phần tử biên, phương pháp điện ảnh soi phức tạp,
phương pháp phần tử hữu hạn và các phương pháp số khác mới được ứng dụng trong
tính tốn hệ thống nối đất. Đến nay, kỹ thuật nối đất cho hệ thống điện đã đạt được rất
nhiều thành tựu cả về phương pháp và cơng nghệ. Các nghiên cứu, phân tích hệ thống nối
đất chuyển từ các phương pháp tính tốn đơn giản, các cơng thức thực nghiệm trên mơ
hình đất đồng nhất sang các phương pháp số, các mơ hình đất phức tạp và quan tâm nhiều
hơn đến các yếu tố ảnh hưởng trong suốt quá trình làm việc của hệ thống nối đất [8, 9,
19, 20, 21, 22].
Đặc biệt những năm gần đây, kinh tế - xã hội phát triển nhanh, nhu cầu sử dụng điện vì
thế cũng tăng nhanh, hệ thống điện chịu áp lực lớn về truyền tải công suất. Do đó, ngày
cáng xây dựng nhiều trạm dẫn sâu vào các thành phố, nơi có hạn chế về diện tích xây
dựng trạm biến áp, việc tính tốn, thiết kế, lắp đặt hệ thống nối đất cho trạm biến áp cũng

1

gặp nhiều khó khăn. Bài tốn tối ưu về thiết kế được đặt ra, làm sao để hệ thống nối đất
vẫn bảo đảm giá trị điện trở cho hệ thống điện vận hành an toàn, tin cậy mà giá thành
thấp nhất? Hướng nghiên cứu dùng hóa chất để cải tạo đất (GEM: Ground Enhancement
Material) trong tính tốn thiết kế, thi công hệ thống nối đất được các chuyên gia, nhà
khoa học quan tâm để giải quyết bài toán này [10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. Một số
nước phát triển như Mỹ, Đức, Nga Nhât, Úc…đã có các công ty chuyên sản xuất chất cải
tạo đất, GEM của ERICO, SAN-ERTHER của SANCOSHA…. Cụ thể là một số cơng
trình điển hình như sau:
 Cơng trình [14] nghiên cứu một số ứng dụng thực tế đã mang lại hiệu quả cao
khi sử dụng vật liệu làm giảm điện trở nối đất. Đặc biệt là những hệ thống nối đất
được lắp đặt tại những nơi có điện trở suất cao.
 Cơng trình [15] nghiên cứu một số các vật liệu, hóa chất làm giảm điện trở của
hệ thống nối đất. Đánh giá tính bền vững, hiệu quả của các vật liệu bằng phương
pháp thực nghiệm.
 Cơng trình [16] nghiên cứu tính ổn định của hệ thống nối đất có các điện cực
được bao phủ bởi hóa chất làm giảm điện trở là hỗn hợp xi măng – Bentonite.
Tại Việt Nam, nghiên cứu tính tốn hệ thống nối đất cũng được quan tâm từ lâu.Tuy
nhiên, hướng nghiên cứu sử dụng các các phương pháp số để tính tốn và đặc biệt là
dùng hóa chất để cải tạo đất của hệ thống nối đất vẫn cịn hạn chế, ít được các chun gia
và các nhà khoa học quan tâm.Hơn thế nữa, Việt Nam là nước đang phát triển, tốc độ đơ
thị hóa nhanh, mật độ dân cư không đề, các hộ dân sống tập trung tại các khu đơ thị. Do
đó, trong những năm sắp tới việc xây dựng thêm nhiều trạm biến áp cao áp và trạm biến
áp dẫn sâu vào các thành phố là không tránh khỏi. Mặt khác, do đặc điểm về lãnh thổ,
miền trung du, miền núi chiếm diện tích khá lớn, những vùng đất này có điện trở suất lớn,
có nơi có điện trở suất lên đến trên 2000Ωm. Tại những vùng đất này, để tính tốn thiết
kế, thi công hệ thống nối đất bảo đảm giá trị điện trở nối đất cho hệ thống điện vận hành
an tồn, tin cậy cũng là một thách thức khơng nhỏ.Một số cơng trình nghiên cứu về hóa
chất giảm điện trở của hệ thống nối đất đã được công bố:

2


 Cơng trình [13] nghiên cứu và đề xuất hướng giải quyết để cải thiện hệ thống nối
đất của đường dây truyền tải và trạm biến áp cao áp. Trong đó có đề xuất đến việc
sử dụng hóa chất để làm giảm điện trở của hệ thống nối đất.
 Công trình [11,12] nghiên cứu phương pháp tính tốn điện trở nối đất khi có chất
cải tạo đạo đất.
Tuy nhiên, các cơng trình nghiên cứu chủ yếu tập trung tìm kiếm các vật liệu dùng để
giảm điện trở của hệ thống nối đất, nghiên cứu đánh giá tính hiệu quả, ổn định của các
vật liệu được sử dụng trong thực tế và cơng thức tính tốn khá phức tạp.
1.2 . Tính cấp thiết của đề tài
Việc xác định điện trở nối đất trong các cơng trình điện là một trong các yêu cầu đầu
tiên nhằm đảm bảo an toàn cho người và sự vận hành bình thường của các thiết bị. Có rất
nhiều phương pháp tính tốn điện trở nối đất trong trường hợp bình thường.Nhưng khi sử
dụng hóa chất giảm điện trở nối đất thì việc xác định điện trở nối đất trở nên khó khăn
hơn và hiện nay có rất ít cơng trình nghiên cứu về vấn đề này. Ở Việt Nam, có rất nhiều
vùng có điện trở suất của đất cao dẫn đến việc sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất là
yêu cầu không thể thiếu nhằm đạt được giá trị điện trở nối đất nằm trong phạm vi cho
phép, để trợ giúp cho công tác thiết kế, tính tốn điện trở nối đất trong trường hợp này thì
việc nghiên cứu tính tốn điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện
trở nối đất là yêu cầu bức thiết.
1.3 . Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu phân tích các thơng số ảnh hưởng đến điện trở nối đất khi có hóa
chất giảm điện trở nối đất;
- Xác định cơng thứctính tốn điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất
giảm điện trở nối đất.
1.4 . Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Tìm biểu thức đơn giản để xác định giá trị điện trở nối đất của cọc, thanh nối đất có
xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất.

3


1.5 . Cách tiếp cận
Nghiên cứu phương pháp tính tốn điện trở nối đất, cách xác định giá trị điện trở nối
đấtcó xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất.
1.6 . Phƣơng pháp nghiên cứu
Tham khảo tài liệu, phân tích, tổng hợp.
1.7 . Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan;
- Nghiên cứu phương pháp xác định điện trở nối đất;;
- Phân tích ảnh hưởng của các thông số đến điện trở nối đất khi cọc, thanh nối đất
có hóa chất giảm điện trở nối đất;
- Xác định cơng thứcđể tính tốn điện trở nối đất của cọc, thanh nối đất có xét ảnh
hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất.
- Kết luận, đề xuất

4


Chƣơng 2

TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
2.1. Một số khái niệm
Hệ thống nối đất– tập hợp các cọc và thanh nối đất có nhiệm vụ truyền dẫn dòng điện
xuống đất.Hệ thống nối đất bao gồm nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo.
Cọc nối đất– Cọc bằng kim loại dạng trịn, ống hoặc thép góc, dài 23 mét được đóng
sâu trong đất. Các cọc này được nối với nhau bởi các thanh giằng bằng phương pháp hàn.
Hệ thống nối đất tự nhiên – hệ thống các thiết bị, cơng trình ngầm bằng kim loại có
sẵn trong lịng đất như các cấu kiện bê tơng cốt thép, các hệ thống ống dẫn bằng kim loại,

vỏ cáp ngầm v.v.
Hệ thống nối đất nhân tạo – hệ thống bao gồm các cực tiếp địa bằng thép hoặc bằng
đồng được nối liên kết với nhau bởi các thanh ngang.Phân biệt hai dạng nối đất là nối đất
làm việc và nối đất bảo vệ.
Hệ thống nối đất làm việc – hệ thống nối đất mà sự có mặt của nó là điều kiện tối cần
thiết để các thiết bị làm việc bình thường, ví dụ nối đất điểm trung tính của máy biến áp,
nối đất của các thiết bị chống sét v.v.
Hệ thống nối đất an toàn – hệ thống nối đất với mục đích loại trừ sự nguy hiểm khi
có sự tiếp xúc của người với các phần tử bình thường khơng mang điện nhưng có thể bị
nhiễm điện bất ngờ do những ngun nhân nào đó. Ví dụ nối đất vỏ thiết bị, nối đất
khung, bệ máy v.v.
2.2. Các biện pháp giảm điện trở của hệ thống nối đất
2.2.1. Giảm điện trở bằng cách tăng cƣờng điện cực nối đất
Bằng cách bổ sung vào hệ thống nối đất các cọc nối đất, theo hướng ưu tiên các cọc
nối đất chơn sâu từ (10-30)m, ta có thể giảm được điện trở nối đất, cọc chơn sâu có ưu
điểm về điện trở tản nhỏ, độ ổn định cao mà không cần bảo dưỡng, ít bị tác động bởi mơi
trường và thích hợp với diện tích hẹp. Theo một số nghiên cứu, phương pháp tăng cường
5


cọc chơn sâu có thể giảm được 40% giá trị điện trở nối đất.Tuy nhiên, không phải cứ tăng
chiều dài của cọc là có thể giảm được điện trở. Thực nghiệm cho thấy, ở một khu vực cụ
thể, điện trở giảm đến độ sâu nào đó, khoảng (20-30)m thì khơng thay đổi nữa. Ngồi ra,
gradien điện thế của cọc chơn sâu khá lớn, nhất là khu vực xung quang điện cực.Cho nên,
cần phải phối hợp cả cọc chôn sâu và thanh nằm ngang để đạt được đồng thời yêu cầu về
điện trở tản và phân bố thế. Ở những nơi điều kiện địa chất không cho phép thực hiện
theo phương pháp cọc chơn sâu, ta có thể kéo dài lưới nối đất và bổ sung thêm nhiều cọc
nối đất song song .Hạn chế lớn của giải pháp này là kết quả phụ thuộc nhiều vào điện trở
suất của lớp đất mặt, kết quả bị giới hạn do hiệu ứng màn che và chỉ thực hiện được ở
khu vực có diện tích lớn.Về mặt kinh tế, giải pháp này có chi phí đầu tư khơng q cao

nên có thể chấp nhận được.
2.2.2. Giảm điện trở nối đất bằng cách giảm điện trở suất của đất
Theo kết quả một số nghiên cứu thực nghiệm, trong khoảng 0,3m xung quanh điện cực
nối đất, điện trở tản đạt khoảng 68% tổng điện trở tản của điện cực [24]. Nên việc làm
giảm điện trở suất của vùng đất này có hiệu quả rất lớn trong việc giảm điện trở của điện
cực nối đất. Nguyên tắc cơ bản của giải pháp này là làm giảm điện trở suất bằng cách
thay lớp đất tự nhiên có điện trở suất cao bằng loại đất có điện trở suất nhỏ hơn hoặc bổ
sung hóa chất để tạo mơi trường dẫn điện tốt hơn xung quanh điện cực nối đất. Giải pháp
này sử dụng ở những nơi có điện trở suất cao hoặc không thể thực hiện giải pháp bổ sung
điện cực. Thực tế, có thể giảm điện trở suất bằng muối ăn, than chì, bentonite…Muối
được bổ xung quanh cọc nối đất (0,5-1)m, tuần tự thành lớp xen kẽ với đất, chiều dày
mỗi lớp từ (2-4)cm, cho đến khi đạt 1/3 chiều dài cọc [23]. Tuy nhiên khi dùng muối,
điện cực sẽ dễ bị ăn mòn, muối tan theo nước mưa nên độ ổn định thấp. Hiện nay, người
ta sử dụng hóa chất có tác dụng làm giảm điện trở suất của đất như GEM (Grounding
Enhancement Material), EEC ( Earth Enhancing Compound), MEG (More Effective
Grounding), …được lắp đặt như Hình 2.1. Thành phần chính của các hóa chất này là hỗn
hợp các ơxít kim loại, khơng gây ơ nhiễm mơi trường, được pha chộn với các chất kết
dính, có điện trở suất khoảng (10-12)Ω.m. Các thử nghiệm tại hiện trường cho thấy, có
6


thể giảm từ (50-90)% điện trở suất khi dùng GEM, EEC. Phương pháp dùng hóa chất có
thể khắc phục được nhược điểm của giải pháp tăng cường điện cực và sử dụng muối
nhưng giá thành vẫn cịn tương đối cao.

Hình 2.1: Giảm điện trở nối đất bằng GEM
2.3. Tính tốn nối đất an tồn
Việc tính tốn nối đất là để xác định số lượng cọc và thanh ngang cần thiết đảm bảo
điện trở của hệ thống nối đất nằm trong giới hạn yêu cầu.Điện trởcủa hệ thống nối đất
phụ thuộc vào loại và số lượng cọc nối đất, cấu trúc của hệ thống nối đất và tính chất của

đất nơi đặt hệ thống nối đất.
2.3.1. Tính tốn nối đất theo điện trở nối đất u cầu (Ryc)
2.3.1.1. Tính tốn nối đất trong trƣờng hợp đất đồng nhất
Q trình tính tốn nối đất theo Ryc đối với khu vực có đất đồng nhất được thực hiện
theo các bước sau:

7


2.3.1.1.1. Xác định điện trở yêu cầu của hệ thống nối đất
Như đã phân tích ở trên, giá trị của điện trở nối đất phải đủ nhỏ sao cho điện áp tiếp
xúc không vượt quá giới hạn cho phép. Điện trở nối đất trong mạng điện được xác định
theo điều kiện
R yc 

UL

Id

(2-1)

Trong đó:
Id – Dịng điện ngắn mạch chạy trong đất, A;
UL - Điện áp tính tốn có giá trị ULUcp ;
Ucp- Giá trị được áp tiếp xúc cho phép, phụ thuộc vào thời gian cắt của bảo vệ: đối
với mạng điện cao áp Ucp=250V, nếu hệ thống nối đất được xây dựng chung cho cả mạng
cao và hạ áp thì Ucp=125V. Trong trường hợp có sử dụng các thiết bị tự động cắt bảo vệ
thì giá trị của Ucp có thể lấy theo Bảng 2.1.
tc, s
Ucp, V

0,3

0,2

0,007

0,004

50120

120 230

230 400

>400

Bảng 2.1: Điện áp tiếp xúc cho phép phụ thuộc vào thời gian cắt
2.3.1.1.2. Xác định điện trở nối đất nhân tạo
Thông thường để tăng cường cho hệ thống nối đất và tiết kiệm cho hệ thống nối đất
nhân tạo, người ta tận dụng các cơng trình ngầm như ống dẫn bằng kim loại, các cấu kiện
bê tông cốt thép, vỏ cáp, nền móng v.v. Tuy nhiên ở đây cần hết sức lưu ý là không bao
giờ được sử dụng các đường ống dẫn nhiên liệu. Điện trở của tất cả các cơng trình kể trên
gọi là điện trở nối đất tự nhiên Rtn. Giá trị của điện trở nối đất tự nhiên được xác định
theo phương pháp đo, bằng thiết bị đo điện trở tiếp địa. Giá trị điện trở nối đất nhân tạo
Rn.taotheo biểu thức:
Rn.tao 

Rtn .R yc
Rtn  R yc

,

(2-2)

8


Với:
Rn.tao- điện trở của hệ thống nối đất nhân tạo;
Rtn- điện trở của hệ thống nối đất tự nhiên.
2.3.1.1.3. Chọn điện cọc nối đất và xác định điện trở của chúng
Cọc nối đất được làm bằng thép tròn, thép ống hoặc thép góc, được đóng sâu trong đất
và được nối liên kết với nhau bởi các thanh nối nằm ngang. Các cọc nối đất bằng đồng có
độ dẫn điện tốt, khả năng đề kháng đối với ảnh hưởng của các yếu tố tác động của môi
trường cao, nhưng vốn đầu tư cao hơn nhiều so với hệ thống tiếp địa bằng thép.
Trong nhiều trường hợp bản thân hệ thống lưới nối đất chỉ bao gồm các thanh nối đất
ngang cũng có thể đảm bảo được giá trị điện trở nối đất yêu cầu.Tuy nhiên, thông thường
người ta kết hợp hệ thống lưới nối đất ngang và các cọc nối đất thẳng đứng để đảm bảo
độ ổn định của điện trở nối đất.Điện trở của một số dạng điện cực nối đất cơ bản được
tính như trong Bảng 2.2.
Biểu thức tính điện trở

h

Cọc bằng thép trịn,
đường kính d m, chiều
dài l(m), chôn thẳng
đứng cách mặt đất h(m).
Điện trở suất của đất

Sơ đồ bố trí

d

Rdc 

l

Điện cực và đặc điểm


2l 1 4l  7h
(ln  ln
)
2 .l
d 2 l  7h

(2-3)

(.m).

d

Rdc 

l

Cọc bằng thép trịn,
đường kính d(m), chiều

dài l(m), chơn thẳng
đứng đầu trên sát mặt
đất.

9


4l
ln ,  ;
2 .l d

(2-4)


h

Thanh ngang dẹt có bề
dài L và rộng b(m) nằm
cách mặt đất ở độ sâu

b

h(m).

Rnga 


1,5L
ln
, ;

 .L
b.h

(2-5)

Rnga 


L
. ln
,
 .L
d .h

(2-6)

dài L, nằm cách mặt đất
ở độ sâu h(m).

d

Thanh ngang dẹt trịn
đường kính d(m) có bề

h

L

L

Lưới nối đất diện tích
b’

Fnd= a’ x b’ với tổng
chiều dài các thanh
ngang: L= n1.a’+n2.b’,

1
1
1
Rluoi  [ 
(1 
)]
L
20.Fnd
1  h. 20 / Fnd

(2-7)
a’

m.
Hệ thống gồm n tia trịn
đường kính d, dài l mét,

Rsao 

kết sao, đặt gần mặt đất.


 .n.l

.[ln

4.l
 1  N (n)], 
d

N(n)  (n-1).ln(3,414)-ln(n)
(2-8)

Tấm bản diện tích F,
m2, chơn thẳng đứng

Rtb  0,25

F


F

, ;

(2-9)

trong đất.
Bảng 2.2:. Tính tốn điện trở nối đất của các điện cực nối đất
Diện tích nối đất Fnd (kích thước a’xb’) trong biểu thức (2-7) được xác định trên cơ
sở mặt bằng của vùng được tính tốn nối đất. Có thể ước lượng gần đúng theo biểu thức:
10

Fnd  0,436

2

(2-10)

R yc2

Điện trở của thanh thép góc bản rộng b(m) cũng được xác định tương tự như thép tròn,
nhưng thay giá trị d=0,95.b. Giá trị điện trở suất của một số loại đất đặc trưng được thể
hiện trong Bảng 8.2.
Nếu giá trị điện trở suất của đất được xác định theo phương pháp đo thì:
 = do.khc

(2-11)

Với:
do-điện trở suất của đất theo chỉ số của thiết bị đo.
khc – hệ số hiệu chỉnh điện trở suất của đất, phụ thuộc vào thời điểm đo, hay
nói chính xác hơn là phụ thuộc vào trạng thái của đất, được lấy gần đúng theo Bảng 2.3.
, .m

Loại đất

, .m

Loại đất

Đất đá

3000

Sét pha

150

Đất pha sỏi

1000

Đất sét

100

Cát

700

Đất vườn

40

Cát pha

300

Đất mùn

30

Đất đen

200

Đất bùn

20

Bảng 2.3: Điện trở suất trung bình của một số loại đất ở điều kiện tiêu chuẩn
Cực nối đất

Đất ẩm

Đất tr. bình

Đất khô

Thanh ngang dẹt chôn sâu 0,5m

6,5

5

4,5

Thanh ngang dẹt chôn sâu 0,8m

3

2

1,6

Cọc đóng sâu cách mặt đất 0,50,8m

2

1,5

1,4

Bảng 2.4: Giá trị hệ số khc
11


2.3.1.1.4. Xác định số lượng cọc nối đất cần thiết khi chưa tính đến thanh nối ngang
n1 

Rdc
Rn.tao

(2-12)

Các cọc nối đất được bố trí thành từng dãy hoặc theo chu vi của thiết bị bảo vệ. Nếu
khoảng cách giữa các cọc quá gần thì hiệu quả của hệ thống nối đất sẽ thấp, do ảnh
hưởng của hiệu ứng đan chéo. Sau khi sơ bộ phân bố vị trí của các cọc nối đất, ta có thể
xác định được khoảng cách trung bình giữa chúng la, để từ đó xác định hệ số sử dụng ,
phục vụ cho q trình tính toán tiếp theo.
2.3.1.1.5. Xác định điện trở của hệ thống nối đất nhân tạo có tính đến điện trở của các

thanh nối ngang
R'n.tao 

R'nga.Rn.tao

(2-13)

R'nga  Rn.tao

R’nga- điện trở của thanh nối ngang có tính đến hệ số sử dụng.
R'nga 

Rnga

(2-14)

 nga

Trong đó:
Rnga- điện trở thanh nối ngang ();
nga- hệ số sử dụng thanh nối ngang, phụ thuộc vào tỷ số la/l và số lượng điện cực
n;
la- khoảng cách giữa các điện cực (m);
l- chiều dài của mỗi điện cực (m).

12