Luận văn thạc sĩ về mô phỏng quá độ sét trong hệ thống nối đất trạm cao thế 110kV Phú Châu

Bài viết phân tích mô phỏng quá độ sét trong hệ thống nối đất trạm cao thế 110kV Phú Châu, đánh giá hiệu quả an toàn và ổn định hệ thống.

• Tác giả: La Phan Lạc
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Phan Tú
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Mô phỏng quá độ sét trong hệ thống nối đất của trạm cao thế 110kV Phú Châu bằng phương pháp RBF-FDTD
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Các nghiên cứu liên quan
• 1.2.1. Các nghiên cứu quốc tế
• 1.2.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.3. Phương pháp thực hiện
• 1.4. Điểm mới của đề tài
• 1.5. Nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VÀ MÔ HÌNH TOÁN MÔ TẢ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
• 2.1. Hệ Thống Nối Đất
• 2.1.1. Giới thiệu chung
• 2.1.2. Cấu tạo hệ thống nối đất
• 2.1.3. Quá trình tản dòng điện vào trong đất
• 2.1.4. Điện trở suất của đất
• 2.1.5. Điện trở nối đất
• 2.1.6. Yêu cầu an toàn về điện áp bước và điện áp tiếp xúc
• 2.2. Mô Hình Toán Mô Tả Hệ Thống Nối Đất
• 2.2.1. Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất
• 2.2.2. Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất
• 2.2.3. Phương Pháp Số
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN TRÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP RBF-FDTD
• 3.1. Giới thiệu phương pháp RBF-FDTD
• 3.1.1. Phương pháp FDTD
• 3.1.2. Phương pháp RBF-FDTD
• 3.1.3. Phương pháp tìm hệ số hình dạng tối ưu c
• 3.2. Tính toán cho bài toán mạch điện đơn giản
• 3.2.1. Phương pháp RBF-FDTD
• 3.2.2. Điều kiện biên
• 3.2.3. Kết quả mô phỏng
• 3.3. RBF – FDTD CHO BÀI TOÁN QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
• 3.3.1. Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất
• 3.3.2. Mô Hình Đường Dây Truyền Tải Không Đồng Nhất
• 3.4. Mô Phỏng Qúa Độ Hệ Thống Nối Đất Bằng Phương Pháp RBF-FDTD
• 3.4.1. Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất
• 3.4.2. Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất
• 3.4.3. Trường hợp thanh nối đất
• 3.4.4. Trường hợp lưới nối đất
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG LƯỚI NỐI ĐẤT CỦA TRẠM BIẾN ÁP 110KV PHÚ CHÂU
• 4.1. Áp dụng mô phỏng lưới nối đất trạm 110kV Phú Châu
• 4.2. Đánh giá kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN
• 5.1. Kết luận chung
• 5.2. Hướng phát triển của luận văn
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mô phỏng quá độ sét và hệ thống nối đất

Mô phỏng quá độ sét là một phương pháp quan trọng trong việc nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của hệ thống nối đất trong các trạm cao thế 110kV. Luận văn này tập trung vào việc áp dụng phương pháp RBF-FDTD để mô phỏng quá trình quá độ sét trong hệ thống nối đất của trạm cao thế 110kV Phú Châu. Phương pháp này giúp tăng độ chính xác và tiết kiệm thời gian tính toán so với các phương pháp truyền thống. Hệ thống nối đất đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các thiết bị điện khỏi tác động của sét, đảm bảo an toàn điện và bảo vệ hệ thống điện.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống nối đất

Hệ thống nối đất là một phần không thể thiếu trong các công trình điện, đặc biệt là các trạm cao thế. Khi sét đánh, dòng điện sét sẽ được dẫn xuống đất thông qua hệ thống này. Nếu hệ thống nối đất không được thiết kế đúng cách, nó có thể gây ra quá điện áp quá độ, dẫn đến hư hỏng thiết bị và nguy hiểm cho con người. Do đó, việc thiết kế hệ thống nối đất và đánh giá rủi ro là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

1.2. Phương pháp RBF FDTD trong mô phỏng

Phương pháp RBF-FDTD là một tiếp cận mới trong việc mô phỏng quá độ sét. Phương pháp này sử dụng các hàm RBF để xấp xỉ các đạo hàm không gian và phương pháp sai phân hữu hạn để xấp xỉ các đạo hàm thời gian. Điều này giúp tăng độ chính xác của kết quả mô phỏng và giảm thời gian tính toán. Phương pháp này đã được áp dụng thành công trong việc mô phỏng hệ thống nối đất của trạm cao thế 110kV Phú Châu, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các công trình điện khác.

II. Phân tích quá độ sét và hệ thống nối đất

Quá độ sét là hiện tượng xảy ra khi dòng điện sét đánh vào hệ thống điện, gây ra quá điện áp quá độ lan truyền trong hệ thống. Việc phân tích quá độ này giúp xác định các điểm yếu trong hệ thống và đề xuất các giải pháp bảo vệ phù hợp. Hệ thống nối đất cần được thiết kế để chịu được các trạng thái cực đoan nhất, đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị.

2.1. Mô hình toán học của hệ thống nối đất

Mô hình toán học của hệ thống nối đất được xây dựng dựa trên lý thuyết đường dây truyền tải. Mô hình này bao gồm các thông số như điện trở, điện cảm, điện dẫn và điện dung trên đơn vị chiều dài. Việc mô hình hóa chính xác các thông số này giúp tăng độ chính xác của kết quả mô phỏng. Phương pháp RBF-FDTD đã được áp dụng để mô phỏng quá độ sét trên các mô hình hệ thống nối đất khác nhau, từ các thanh nối đất đơn giản đến các lưới nối đất phức tạp.

2.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá

Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp RBF-FDTD có độ chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Các kết quả này đã được so sánh với các kết quả từ các tài liệu quốc tế và cho thấy sự tương đồng cao. Điều này khẳng định tính hiệu quả của phương pháp RBF-FDTD trong việc mô phỏng quá độ sét và hệ thống nối đất. Kết quả mô phỏng cũng giúp xác định các điểm yếu trong hệ thống nối đất của trạm cao thế 110kV Phú Châu, từ đó đề xuất các giải pháp cải thiện.

III. Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển

Luận văn này không chỉ dừng lại ở việc mô phỏng và phân tích mà còn hướng đến các ứng dụng thực tiễn trong việc thiết kế và cải thiện hệ thống nối đất cho các công trình điện. Phương pháp RBF-FDTD có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các trạm cao thế và các hệ thống điện khác, giúp tăng cường an toàn điện và bảo vệ hệ thống điện.

3.1. Ứng dụng trong thiết kế hệ thống nối đất

Kết quả từ luận văn này có thể được áp dụng trực tiếp vào việc thiết kế hệ thống nối đất cho các trạm cao thế. Việc sử dụng phương pháp RBF-FDTD giúp tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo hệ thống nối đất có thể chịu được các tác động cực đoan của sét. Điều này không chỉ giúp bảo vệ các thiết bị điện mà còn đảm bảo an toàn cho con người.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, phương pháp RBF-FDTD có thể được phát triển thêm để áp dụng cho các hệ thống điện phức tạp hơn, như các trạm biến áp lớn và các hệ thống điện lực quy mô lớn. Ngoài ra, việc kết hợp phương pháp này với các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể giúp tăng cường hiệu quả và độ chính xác của các mô phỏng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng phóng điện sét là một trong những nguyên nhân chính gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho hệ thống điện, đặc biệt là các trạm biến áp cao thế. Theo ước tính, các sự cố do sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền có thể làm hư hỏng thiết bị, gián đoạn cung cấp điện và đe dọa an toàn con người. Trong đó, hệ thống nối đất đóng vai trò then chốt trong việc tản dòng sét vào đất, bảo vệ an toàn cho thiết bị và người vận hành. Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống nối đất chưa tối ưu có thể làm tăng nguy cơ quá điện áp quá độ, gây hư hại nghiêm trọng hơn.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng quá độ sét trong hệ thống nối đất của trạm cao thế 110kV Phú Châu, tỉnh An Giang, trong giai đoạn từ năm 2023 đến 2024. Mục tiêu chính là đề xuất và ứng dụng phương pháp số RBF-FDTD (Radial Basis Function - Finite Difference Time Domain) để mô phỏng phân bố điện áp quá độ sét trên hệ thống nối đất, từ đó đánh giá hiệu quả và độ chính xác của phương pháp so với các phương pháp truyền thống. Nghiên cứu cũng nhằm xác định hệ số hình dạng tối ưu c trong phương pháp RBF-FDTD để nâng cao hiệu quả tính toán.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệ thống nối đất an toàn, tối ưu chi phí và nâng cao độ tin cậy vận hành các trạm biến áp cao thế tại Việt Nam. Việc mô phỏng chính xác quá độ sét giúp phát hiện điểm yếu trong hệ thống nối đất, từ đó đề xuất các giải pháp bảo vệ phù hợp, giảm thiểu rủi ro sự cố do sét gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết đường dây truyền tải: Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất và không đồng nhất được sử dụng để mô phỏng đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất. Mô hình đồng nhất giả định các tham số điện trở, điện cảm, điện dung và điện dẫn trên đơn vị chiều dài là hằng số, trong khi mô hình không đồng nhất cho phép các tham số này thay đổi theo không gian và thời gian, phản ánh chính xác hơn bản chất vật lý của hệ thống.

• Phương pháp số RBF-FDTD: Kết hợp phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) với hàm cơ sở xuyên tâm (RBF) để xấp xỉ các đạo hàm không gian. Phương pháp này cải thiện độ chính xác và giảm thời gian tính toán so với FDTD truyền thống. Việc tìm hệ số hình dạng tối ưu c giúp giảm sai số và tăng hiệu quả mô phỏng.

• Các khái niệm chính: Quá độ sét, hệ thống nối đất, điện áp quá độ, điện trở nối đất, điện trở suất đất, điện áp bước và điện áp tiếp xúc, mô hình đường dây truyền tải, hàm cơ sở xuyên tâm (RBF), phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm và thông số kỹ thuật của hệ thống nối đất trạm biến áp 110kV Phú Châu, tỉnh An Giang; các tài liệu khoa học quốc tế và trong nước về mô hình hệ thống nối đất và phương pháp số.

• Phương pháp phân tích: Áp dụng phương pháp RBF-FDTD để mô phỏng quá độ sét trên các mô hình hệ thống nối đất khác nhau, bao gồm thanh nối đất dài 20m và 100m, lưới nối đất kích thước 1x1, 2x2, 6x6, và hệ thống nối đất thực tế của trạm 110kV Phú Châu. So sánh kết quả với phương pháp FDTD truyền thống và các kết quả tham khảo từ tài liệu khoa học.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 11/2023, hoàn thành mô phỏng và phân tích vào tháng 4/2024, hoàn thiện luận văn và bảo vệ vào tháng 6/2024.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình số hóa hệ thống nối đất thành các phân đoạn nhỏ (độ dài từ 0,5 đến 2m) để tính toán tham số trên đơn vị dài. Việc chọn mẫu dựa trên cấu trúc thực tế của hệ thống nối đất trạm 110kV Phú Châu và các mô hình chuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của phương pháp RBF-FDTD: Phương pháp RBF-FDTD với hệ số hình dạng tối ưu c giúp giảm thời gian tính toán đáng kể so với phương pháp FDTD truyền thống. Ví dụ, thời gian tìm hệ số c trên thanh nối đất 20m giảm khoảng 30%, đồng thời sai số điện áp quá độ giảm xuống dưới 2%, thể hiện qua các đồ thị so sánh điện áp tại đầu và cuối đường dây.

2. Mô phỏng quá độ sét trên các mô hình nối đất: Kết quả mô phỏng trên các lưới nối đất 1x1, 2x2, 6x6 cho thấy điện áp quá độ tại vị trí vào lưới tăng theo kích thước lưới, với lưới 6x6 có điện áp quá độ cao hơn khoảng 15% so với lưới 1x1. Phương pháp RBF-FDTD cho kết quả ổn định và chính xác hơn so với FDTD, đặc biệt trong các trường hợp dòng sét đổ bộ vào góc và tâm lưới.

3. Mô phỏng hệ thống nối đất trạm 110kV Phú Châu: Điện áp quá độ tại vị trí vào của dòng sét khi sét đánh vào góc lưới đạt giá trị cực đại khoảng 9.5kV, thấp hơn giới hạn an toàn 10kV theo quy định. Quá trình lan truyền quá điện áp trên lưới nối đất được mô phỏng chi tiết tại các thời điểm 0µs, 1µs và 2µs, cho thấy sự phân bố điện áp không đồng đều, tập trung tại các vị trí sét đánh vào.

4. So sánh mô hình đồng nhất và không đồng nhất: Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất cho kết quả mô phỏng chính xác hơn, phản ánh đúng sự thay đổi tham số theo không gian và thời gian, giảm sai số điện áp quá độ khoảng 10% so với mô hình đồng nhất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp phương pháp RBF-FDTD vượt trội là do việc sử dụng hàm cơ sở xuyên tâm để xấp xỉ đạo hàm không gian, kết hợp với phương pháp sai phân hữu hạn cho đạo hàm thời gian, giúp giảm sai số và tăng tốc độ tính toán. Việc tìm hệ số hình dạng tối ưu c mà không cần lời giải chính xác tham khảo là bước đột phá, mở rộng khả năng ứng dụng cho các bài toán thực tế phức tạp.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng của luận văn phù hợp với các báo cáo quốc tế về mô hình đường dây truyền tải và mô phỏng quá độ sét. Việc áp dụng mô hình không đồng nhất giúp phản ánh chính xác hơn các hiện tượng vật lý trong hệ thống nối đất, đặc biệt trong điều kiện đất có điện trở suất thay đổi theo thời tiết.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp quá độ tại các vị trí khác nhau trên hệ thống nối đất, bảng so sánh thời gian tính toán và sai số giữa các phương pháp, cũng như hình ảnh mô phỏng quá trình lan truyền quá điện áp theo thời gian.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng rộng rãi phương pháp RBF-FDTD trong thiết kế hệ thống nối đất: Khuyến nghị các đơn vị quản lý và thiết kế trạm biến áp sử dụng phương pháp RBF-FDTD để mô phỏng quá độ sét, nhằm nâng cao độ chính xác và tiết kiệm thời gian tính toán. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6-12 tháng.

2. Tối ưu cấu trúc lưới nối đất dựa trên kết quả mô phỏng: Đề xuất điều chỉnh kích thước và bố trí các thanh nối đất để giảm điện áp quá độ tại các vị trí nhạy cảm, đảm bảo an toàn điện áp bước và điện áp tiếp xúc. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế và vận hành trạm biến áp.

3. Nâng cao chất lượng dữ liệu điện trở suất đất theo mùa: Khuyến khích thực hiện đo đạc điện trở suất đất định kỳ để cập nhật dữ liệu chính xác, phục vụ cho mô phỏng và thiết kế hệ thống nối đất phù hợp với điều kiện thực tế. Thời gian thực hiện hàng năm, do các đơn vị khảo sát địa chất và điện lực phối hợp thực hiện.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ mô phỏng RBF-FDTD: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư và cán bộ kỹ thuật về phương pháp RBF-FDTD và ứng dụng trong mô phỏng hệ thống nối đất, nhằm nâng cao năng lực chuyên môn và áp dụng hiệu quả trong thực tế. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, viện nghiên cứu và các công ty điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện cao thế: Nghiên cứu giúp cải thiện thiết kế hệ thống nối đất, nâng cao độ an toàn và độ tin cậy vận hành trạm biến áp.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật điện: Cung cấp phương pháp mới và kết quả nghiên cứu cập nhật để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

3. Các đơn vị quản lý và quy hoạch điện lực: Hỗ trợ trong việc xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật về hệ thống nối đất và bảo vệ chống sét.

4. Sinh viên ngành kỹ thuật điện và công nghệ thông tin: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phương pháp số hiện đại trong mô phỏng kỹ thuật điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp RBF-FDTD khác gì so với FDTD truyền thống?
   Phương pháp RBF-FDTD sử dụng hàm cơ sở xuyên tâm để xấp xỉ đạo hàm không gian, giúp giảm sai số và tăng tốc độ tính toán so với FDTD truyền thống, vốn dùng sai phân hữu hạn cho cả không gian và thời gian.

2. Làm thế nào để tìm hệ số hình dạng tối ưu c trong RBF-FDTD?
   Luận văn đề xuất một thuật toán tìm hệ số c tối ưu dựa trên sai số cục bộ mà không cần lời giải chính xác tham khảo, giúp tiết kiệm thời gian và tăng khả năng ứng dụng trong thực tế.

3. Phương pháp này có thể áp dụng cho các hệ thống nối đất khác ngoài trạm 110kV Phú Châu không?
   Có, phương pháp được thiết kế linh hoạt và đã được thử nghiệm trên nhiều mô hình nối đất khác nhau, phù hợp với các trạm biến áp cao áp tại Việt Nam và quốc tế.

4. Điện áp quá độ sét có ảnh hưởng như thế nào đến an toàn vận hành?
   Điện áp quá độ sét cao có thể gây hư hỏng thiết bị, nguy hiểm cho con người do điện áp bước và điện áp tiếp xúc vượt ngưỡng an toàn. Mô phỏng giúp xác định và giảm thiểu các nguy cơ này.

5. Thời gian và tài nguyên tính toán của RBF-FDTD so với các phương pháp khác ra sao?
   RBF-FDTD giảm thời gian tính toán khoảng 20-30% so với FDTD truyền thống, đồng thời giảm sai số, nhờ việc chỉ cần tìm một hệ số hình dạng tối ưu và sử dụng ma trận tính toán đơn giản hơn.

Kết luận

• Đã đề xuất và phát triển thành công phương pháp RBF-FDTD với thuật toán tìm hệ số hình dạng tối ưu c, giúp mô phỏng quá độ sét trên hệ thống nối đất chính xác và hiệu quả hơn.

• Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất được áp dụng thành công, phản ánh đúng đặc tính vật lý của hệ thống nối đất trong điều kiện thực tế.

• Kết quả mô phỏng trên hệ thống nối đất trạm 110kV Phú Châu cho thấy điện áp quá độ sét nằm trong giới hạn an toàn, đảm bảo vận hành ổn định.

• Phương pháp RBF-FDTD có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và đánh giá hệ thống nối đất các trạm biến áp cao thế tại Việt Nam.

• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình cho các hệ thống nối đất phức tạp hơn, đào tạo chuyển giao công nghệ và triển khai thực tế tại các đơn vị điện lực.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị thiết kế và vận hành hệ thống điện nên nghiên cứu và áp dụng phương pháp RBF-FDTD để nâng cao hiệu quả bảo vệ chống sét, đảm bảo an toàn và tối ưu chi phí đầu tư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu. • Chương 2: Tổng quan các nghiên cứu về hệ thống nối đất và mô hình toán mô tả hệ thống nối đất. • Chương 3: Mô phỏng tính toán phân bố điện thế trên hệ thống nối đất bằng phương pháp RBF-FDTD. • Chương 4: Mô phỏng lưới nối đất của trạm biến áp 110kV thực tế.

• Chương 5: Kết luận chung và hướng phát triển luận văn. Chương 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VÀ MÔ HÌNH TOÁN MÔ TẢ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 2.1 Hệ Thống Nối Đất 2.1 Giới thiệu chung Như đã nêu ở trên, hệ thống nối đất là một hệ thống kỹ thuật quan trong trong các công trình điện nói chung và trong các trạm biến áp nói riêng, nó là tập hợp các cực tiếp địa và dây nối đất có nhiệm vụ tản dòng điện vào trong đất để bảo vệ an toàn cho con người và thiết bị khi có sự cố ngắn mạch, sét, đóng cắt thiết bị, rò điện qua cách điện. Về cơ bản có ba loại nối đất - theo [1]: i) nối đất làm việc, ii) nối đất an toàn và iii) nối đất chống sét: 1. Nối đất làm việc: Nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình thường cho thiết bị điện và một số bộ phận của thiết bị điện theo chế độ làm việc đã được quy định sẵn.

Đây là loại nối đất bắt buộc để đảm bảo các điều kiện vận hành của hệ thống, ví dụ như nối đất trung tính máy biến áp, đường dây. Nối đất an toàn: Nhằm đảm bảo an toàn cho con người khi làm việc với thiết bị điện. Các bộ phận bằng kim loại của thiết bị điện có khả năng tiếp xúc con người như vỏ máy, trụ tháp sắt, giá đỡ thiết bị. được nối trực tiếp với đất.

Do đó, khi có sự cố rò điện ra các bộ phận kim loại này thì dòng điện sự cố sẽ dẫn trực tiếp xuống đất không qua người, hay nói cách khác bộ phận kim loại đẳng áp với đất nên khi người tiếp xúc vào sẽ không có dòng điện chạy qua. Nối đất chống sét: bảo vệ chống sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền vào thiết bị điện, nối từ bộ phận thu sét xuống đất. Nối đất an toàn và chống sét gọi chung là 6 7 nối đất bảo vệ. Trong trạm biến áp có cấp điện áp 110kV trở lên, ba hệ thống nối đất này thường được sử dụng chung.2 Cấu tạo hệ thống nối đất Hệ thống nối đất bao gồm các cực tiếp địa bằng thép hoặc bằng đồng được liên kết với nhau bởi các thanh ngang bố trí thành dạng lưới ô chữ nhật, thường được chôn ở độ sâu nhất định trong đất.

Do hệ thống nối đất liên quan đến an toàn cho con người và thiết bị nên nó phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật theo quy phạm quốc gia, cụ thể ở Việt Nam là Quy phạm trang bị điện 11-TCN-18 2006, Phần I – Quy định chung, Chương I. Theo 11-TCN-18 2006, hệ thống nối đất của trạm biến áp có điện áp trên 1kV trung tính nối đất hiệu quả phải có cấu trúc đáp ứng các yêu cầu sau: • Khuyến cáo sử dụng trang bị nối đất chung cho các thiết bị điện có chức năng và điện áp khác nhau. Khi đó, điện trở của trang bị nối đất chung phải thỏa mãn yêu cầu của tất cả các thiết bị và có giá trị bằng hoặc nhỏ hơn điện trở nhỏ nhất của một trong các thiết bị đó. • Kích thước các điện cực của trang bị nối đất nhân tạo phải đảm bảo khả năng phân bố đều điện áp đối với đất trên diện tích đặt thiết bị điện.

Với thiết bị có dòng chạm đất lớn phải đặt mạch vòng nối đất xung quanh thiết bị. • Để đảm bảo an toàn, các thiết bị có dòng điện chạm đất lớn phải thực hiện lưới san bằng điện áp. • Phải tính đến sự thay đổi điện trở suất của đất theo thời tiết trong năm bằng cách dùng các hệ số điều chỉnh theo mùa. • Điện trở Rd của trang bị nối đất ở vùng có điện trở suất của đất ρ ≤ 500Ωm không được lớn hơn 0.

Ở vùng đất có ρ ≥ 500Ωm, cho phép Rd tăng đến Rdmax = 0.001ρ(Ω) nhưng phải đảm bảo Rd ≤ 5Ω. • Điện áp trên trang bị nối đất Ud khi có dòng điện ngắn mạch chạm đất chạy qua không được vượt quá 10kV. • Để san bằng điện thế và đảm bảo kết nối các thiết bị điện với hệ thống điện cực, phải lắp đặt các điện cực theo chiều dài và chiều rộng trên diện tích đặt các thiết bị điện và nối chúng lại với nhau thành lưới nối đất. Tất cả được chôn sâu ở độ sâu từ 0.

8 • Khoảng cách giữa các điện cực theo chiều dài bố trí tùy theo vị trí thiết bị điện nhưng phải đảm bảo cách móng hoặc bệ đặt thiết bị từ 0. • Khoảng cách giữa các điện cực theo chiều ngang khuyến cáo bố trí với khoảng cách tăng dần tính từ biên chu vi đến trung tâm theo các giá trị 4m; 5m; 6m; 7.5m; 16m; 20m và lớn nhất không quá 30m. Với quy định ở trên có thể thấy trên thực tế, do phụ thuộc vào việc bố trí thiết bị trên mặt bằng, nên các ô lưới nối đất có kích thước không giống nhau. Cấu trúc lưới nối đất như trên sẽ được dùng để tính toán ở các phần sau ở hai trường hợp tuân thủ và không tuân thủ để so sánh, đánh giá.3 Quá trình tản dòng điện vào trong đất Khi có sự cố chạm đất, dòng điện truyền vào đất Id qua các đầu cực tiếp xúc rồi tỏa ra mọi hướng (xem Hình 2.

Giả thiết đầu cực tiếp xúc có dạng hình cầu đường kính D. Mật độ dòng điện đi vào đất j chính là dòng điện tính trên một đơn vị diện tích của nửa bề mặt hình cầu S2c , được xác định theo biểu thức: Hình 2.1: Quá trình tản dòng điện trong đất và sự phân bố điện thế trên đất quanh điện cực. Id 2Id Id D j = Sc = 2 = 2 (A/m2 ) với rc = (2.rc 2 Trong đó: rc = D2 là bán kính cực tiếp địa. Mật độ dòng điện jx tại điểm cách trục của cực tiếp địa một khoảng x được xác định theo biểu thức: 9 Id (A/m2 ) jx = (2.x2 Cường độ điện trường Ex tại điểm x, hiệu điện thế trên khoảng đất dx và điện thế ϕx tại điểm x được xác định theo các biểu thức: Id ρ Ex = jx ρ = (V /m2 ) (2.4) Z ∞ Z ∞ Id ρ dx Id ρ φx = dφx = = (2.5) là phương trình dạng hyperbole.

Với cùng dòng điện Id , cùng điện trở suất ρ, giá trị điện thế cực đại ϕ = ϕmax khi x → min, nghĩa là x = rc , khi đó: Id ρ ϕmax = (V ) (2.2 mô tả cách xác định điện áp bước và điện áp tiếp xúc trong vùng ảnh hưởng của cực tiếp địa. Ở đây có thể thấy rằng do biểu thức phân bố điện thế ϕx có dạng hyperbole nên: UtxM = (ϕmax − ϕM ) < UtxN = (ϕmax − ϕN ) (2.2: Điện áp tiếp xúc và điện áp bước tại vùng ảnh hưởng của điện cực khi có dòng điện sự cố chạy qua. Qua kết quả khảo sát sự phân bố điện thế trong vùng ảnh hưởng của cực tiếp địa, có thể rút ra kết luận như sau: 10 • Càng ở vị trí gần cực tiếp địa, điện áp bước càng cao. • Điện áp tiếp xúc lớn hơn khi ở xa cực tiếp địa hơn và đạt cực đại ϕmax khi đứng ở vùng điện thế bằng không mà chạm vào vỏ thiết bị được nối đất tại cực tiếp địa.

Vùng điện thế cực đại là ngay bề mặt của cực tiếp địa (theo (2.6)) còn vùng điện thế bằng không theo lý thuyết là vùng đất cách cực tiếp địa 20 mét trở lên, điều này sẽ được tính toán kiểm chứng ở các phần sau.4 Điện trở suất của đất Đất là một môi trường dẫn điện phức tạp, không đồng nhất về thành phần cấu tạo và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lượng ẩm, khả năng giữ ẩm trong đất, tạp chất, nhiệt độ môi trường, v., nên điện trở suất ρ (hay điện dẫn suất σ ) của đất khác nhau ở mỗi khu vực, mỗi thời điểm trong năm. Do đó, khi tính toán thiết kế hệ thống nối đất, cần phải xác định bằng thực nghiệm giá trị ρđo (hay σđo ) của nơi cần lắp đặt hệ thống nối đất tại một điều kiện tham khảo nào đó, rồi quy đổi bằng hệ số mùa km sao cho trị số tính toán ρtt (hay σtt ) là bất lợi nhất trong năm.8) Hệ số km phụ thuộc vào độ chôn sâu của điện cực, loại nối đất (an toàn, làm việc hay chống sét) và cách nối đất (nằm ngang hay thẳng đứng).5 Điện trở nối đất Điện trở nối đất Rd của một vùng đất được định nghĩa là tỷ số giữa điện áp giáng trên nó Ud và dòng điện đi qua nó Id .9) Id Từ phương trình (2.5), có thể tính được điện trở nối đất Rd (x) của vùng đất có bán kính x tính từ tâm của cực tiếp địa.x Điện trở nối đất Rd (x) gồm có hai thành phần i) Điện trở của bản thân điện cực Rdc và ii) Điện trở tản của đất Rt .Rdc thường có giá trị không đáng kể đối với dòng điện một chiều hoặc tần số công nghiệp 50Hz so với Rt , nên có thể bỏ qua trong tính toán. Tuy nhiên, đối với dòng điện xung với độ dốc lớn, Rdc có ảnh hưởng đáng kể nên cần 11 phải xét đến khi tính toán. Rt có giá trị lớn hơn nhiều so với Rdc , nó phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống nối đất, dạng và trị số dòng điện cũng như tính chất, cấu tạo, trạng thái của đất và điều kiện thời tiết, môi trường - [1].1: Cách tính giá trị Rt của một số loại điện cực thông dụng được biểu diễn bằng công thức toán học.

Loại điện cực Cách bố trí Công thức tính điện trở tản   Cọc bằng thép tròn, đường ρ Rt(coc) = 2π.l ln 2l d + 21 ln 4l+7h l+7h kính d (m), chiều dài l (m), chôn thẳng đứng cách mặt đất h (m). Điện trở suất của đất ρ (Ω · m). ρ 1,5L Thanh ngang dẹt, chiều dài Rt(ng. Thanh ngang tròn, đường ρ Rt(ng.

Lưới nối đất có diện tích Rt(luoi)   = Fnd = a × b (m2 ) với tổng ρ L1 + √ 1 1+ 1 q 20 20Fnd 1+h Fnd chiều dài các thanh ngang L = n1 a + n2 b (m), chôn cách mặt đất ở độ sâu h (m).