Nghiên cứu tính toán nối đất trạm biến áp đất trở suất cao - Trần Nam Anh

Nghiên cứu luận văn thạc sĩ về phương pháp tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất đất cao. Phân tích giải pháp kỹ thuật tối ưu và ứng dụng

• Tác giả: Trần Nam Anh
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nối đất trạm biến áp vùng đất cao

Nối đất trạm biến áp là giải pháp quan trọng đảm bảo an toàn điện và ổn định vận hành hệ thống điện. Trong vùng đất có điện trở suất cao, việc thiết kế hệ thống nối đất gặp nhiều thách thức do khả năng dẫn điện kém của môi trường đất. Điện trở suất đất cao làm tăng điện trở nối đất, dẫn đến nguy cơ quá điện áp, nguy hiểm cho con người và thiết bị. Nghiên cứu này tập trung vào phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất đất, phương pháp đo đạc và đánh giá thực trạng tại các trạm biến áp. Hệ thống nối đất cần đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn như IEC 60364, IEEE 80 nhằm đảm bảo điện áp bước, điện áp tiếp xúc trong giới hạn an toàn. Các giải pháp kỹ thuật như sử dụng hóa chất giảm điện trở, cải thiện kết cấu lưới nối đất được áp dụng rộng rãi.

1.1. Vai trò của nối đất trong trạm biến áp

Nối đất trạm biến áp có ba vai trò chính: bảo vệ chống sét, đảm bảo an toàn điện và ổn định hệ thống. Hệ thống nối đất giúp dẫn dòng điện sét xuống đất, ngăn ngừa hư hỏng thiết bị do quá điện áp. Nó cũng tạo ra điểm tham chiếu ổn định cho các thiết bị điện, ngăn chặn sự cố chạm vỏ nguy hiểm. Trong trường hợp sự cố chạm đất, hệ thống nối đất giúp bảo vệ con người khỏi điện giật bằng cách hạn chế điện áp bước và điện áp tiếp xúc. Tại Việt Nam, các tiêu chuẩn TCVN 9385:2012, TCVN 7447-5-54:2010 quy định chi tiết yêu cầu về nối đất trong hệ thống điện.

1.2. Thách thức khi điện trở suất đất cao

Điện trở suất đất cao (trên 1000 Ω.m) gây khó khăn trong việc thiết kế hệ thống nối đất đạt tiêu chuẩn an toàn. Đất cát, đá granit có điện trở suất rất cao, dẫn đến điện trở nối đất tăng đáng kể. Điều này làm giảm hiệu quả dẫn điện của hệ thống, tăng nguy cơ quá nhiệt tại điểm nối đất. Các vùng ven biển, đồi núi tại Việt Nam thường có điện trở suất đất cao, đòi hỏi giải pháp kỹ thuật đặc biệt. Việc đo đạc chính xác điện trở suất đất bằng phương pháp Wenner hoặc Schlumberger là bước quan trọng trước khi thiết kế.

II. Phân tích vấn đề nối đất trạm biến áp vùng đất cao

Nối đất trạm biến áp trong vùng đất cao đối mặt với nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp. Điện trở suất đất cao dẫn đến điện trở nối đất tăng, ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét và an toàn điện. Sự phân bố không đồng đều của điện trở suất theo độ sâu gây khó khăn trong việc thiết kế hệ thống nối đất. Các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE 80, IEC 60364 yêu cầu điện trở nối đất phải dưới 1 Ω cho trạm biến áp, nhưng điều này khó đạt được trong điều kiện đất cao. Ngoài ra, hiện tượng ăn mòn cọc nối đất trong môi trường đất có tính axit hoặc kiềm cao cũng là thách thức lớn. Việc lựa chọn vật liệu chống ăn mòn như thép mạ kẽm, đồng bọc thép là giải pháp phổ biến.

2.1. Ảnh hưởng của điện trở suất đất đến an toàn

Điện trở suất đất cao làm tăng điện trở nối đất, dẫn đến điện áp bước và điện áp tiếp xúc vượt quá giới hạn an toàn. Theo tiêu chuẩn IEEE 80, điện áp bước giới hạn là 1000 V cho người nặng 70 kg, nhưng trong đất cao, điện trở nối đất tăng có thể khiến điện áp này vượt ngưỡng. Điều này tăng nguy cơ điện giật cho nhân viên vận hành. Ngoài ra, điện trở suất đất cao cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống chống sét, khiến dòng sét không được dẫn xuống đất kịp thời, gây hư hỏng thiết bị.

2.2. Khó khăn trong đo đạc và thiết kế

Việc đo đạc điện trở suất đất trong vùng cao đòi hỏi phương pháp chuyên dụng như Wenner 4 cực hoặc Schlumberger. Sự biến đổi theo mùa, độ ẩm đất ảnh hưởng lớn đến kết quả đo. Thiết kế hệ thống nối đất phải tính đến sự thay đổi điện trở suất theo độ sâu, thường sử dụng mô hình phân lớp đất. Các phần mềm chuyên dụng như CDEGS, ETAP hỗ trợ mô phỏng hệ thống nối đất, nhưng chi phí cao. Tại Việt Nam, việc thiếu trang thiết bị đo đạc hiện đại và tiêu chuẩn thiết kế thống nhất gây khó khăn trong triển khai dự án.

III. Giải pháp tính toán nối đất trạm biến áp vùng đất cao

Để khắc phục thách thức từ điện trở suất đất cao, các giải pháp kỹ thuật tiên tiến được áp dụng. Sử dụng hóa chất giảm điện trở đất như Bentonite, GEM (Ground Enhancement Material) giúp giảm điện trở suất đất xung quanh cọc nối đất. Cải thiện kết cấu lưới nối đất bằng cách tăng số lượng cọc, sử dụng thanh nối đất dài hơn cũng là giải pháp hiệu quả. Tiêu chuẩn IEEE 80 cung cấp phương pháp tính toán chi tiết, bao gồm bước xác định điện trở suất đất, thiết kế lưới nối đất và đánh giá an toàn. Các phần mềm như ETAP, SKM PowerTools hỗ trợ mô phỏng hệ thống nối đất, tối ưu hóa thiết kế. Tại Việt Nam, giải pháp sử dụng cọc nối đất sâu (trên 30 m) kết hợp hóa chất giảm điện trở được áp dụng rộng rãi.

3.1. Sử dụng hóa chất giảm điện trở đất

Hóa chất giảm điện trở đất như Bentonite, GEM có khả năng hấp thụ nước, giữ ẩm và giảm điện trở suất đất xung quanh cọc nối đất. Bentonite có điện trở suất thấp (5-10 Ω.m), giúp cải thiện đáng kể hiệu quả nối đất. GEM có khả năng chống rửa trôi, tuổi thọ cao hơn. Việc bơm hóa chất vào lỗ khoan xung quanh cọc nối đất tạo ra vùng đất có điện trở suất thấp, giảm điện trở nối đất tổng thể. Theo nghiên cứu, sử dụng hóa chất có thể giảm điện trở nối đất từ 30-50%. Tuy nhiên, chi phí hóa chất và công tác thi công là thách thức lớn.

3.2. Tối ưu hóa thiết kế lưới nối đất

Thiết kế lưới nối đất tối ưu bao gồm tăng mật độ cọc, sử dụng thanh nối đất dài hơn và cải thiện kết nối giữa các phần tử. Khoảng cách giữa các cọc nên từ 2-4 lần chiều dài cọc để tránh hiệu ứng che chắn. Độ sâu chôn lưới nên từ 0.5-1 m để tận dụng lớp đất ẩm. Sử dụng phần mềm mô phỏng như ETAP giúp đánh giá điện trở nối đất, điện áp bước, điện áp tiếp xúc trước khi thi công. Tại Việt Nam, các trạm biến áp vùng cao thường sử dụng lưới nối đất hình chữ nhật với mật độ cọc 1 cọc/25 m². Kết hợp với hóa chất giảm điện trở, hiệu quả nối đất được cải thiện đáng kể.

IV. Kết luận và ứng dụng trong thực tế

Nối đất trạm biến áp trong vùng đất cao là bài toán kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Nghiên cứu cho thấy điện trở suất đất cao ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn và hiệu quả của hệ thống nối đất. Các giải pháp như sử dụng hóa chất giảm điện trở, tối ưu hóa thiết kế lưới nối đất mang lại hiệu quả rõ rệt. Tiêu chuẩn IEEE 80, IEC 60364 cung cấp khung pháp lý quan trọng cho thiết kế và đánh giá hệ thống nối đất. Tại Việt Nam, việc áp dụng các giải pháp tiên tiến giúp nâng cao an toàn vận hành hệ thống điện, đặc biệt trong vùng đất cao. Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư điện, nhà quản lý dự án.

4.1. Đánh giá hiệu quả giải pháp

Hiệu quả của các giải pháp nối đất trong vùng đất cao được đánh giá thông qua điện trở nối đất, điện áp bước, điện áp tiếp xúc. Sử dụng hóa chất giảm điện trở giúp giảm điện trở nối đất từ 30-50%, cải thiện đáng kể an toàn. Lưới nối đất tối ưu với mật độ cọc cao hơn giúp phân bố đều dòng điện, giảm điện áp bước. Các phần mềm mô phỏng như ETAP, SKM PowerTools cho phép đánh giá trước khi thi công, tối ưu hóa thiết kế. Tại Việt Nam, các trạm biến áp đã áp dụng giải pháp này đạt tiêu chuẩn an toàn, vận hành ổn định.

4.2. Hướng nghiên cứu phát triển

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào phát triển vật liệu mới có khả năng chống ăn mòn cao, tuổi thọ dài hơn. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong tối ưu hóa thiết kế lưới nối đất cũng là hướng đi hứa hẹn. Ngoài ra, nghiên cứu về ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến điện trở suất đất cũng cần được quan tâm. Các tiêu chuẩn quốc tế cần được cập nhật để phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Việc hợp tác giữa trường đại học, doanh nghiệp và cơ quan quản lý sẽ thúc đẩy ứng dụng các giải pháp tiên tiến trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về hướng nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã được công bố 1. Tổng quan chung về hướng nghiên cứu Hàng năm ngành điện nước ta phải gánh chịu những tổn thất to lớn do hậu quả của các trận sấm sét gây ra. Nó không những làm gián đoạn việc cung cấp điện mà còn làm thất thoát rất nhiều ngân sách của Nhà nước.

Trước tình hình đó thì việc tính toán và thiết kế một hệ thống nối đất hiệu quả là việc rất quan trọng và cấp thiết nhằm bảo vệ an toàn tính mạng cho con người và thiết bị trong hệ thống điện. Tác dụng của việc nối đất là tạo điều kiện thuận lợi nhất cho các dòng điện sự cố (dòng rò qua cách điện, dòng chạm đất, dòng ngắn mạch hoặc dòng điện sét) tản nhanh vào trong lòng đất nhằm hạn chế được các tác hại tại chỗ cũng như tránh được các sự lan truyền không mong muốn của chúng sang các phần tử khác của hệ thống, đồng thời giữ cho điện thế trên các phần tử nối đất luôn ở các mức giá trị thấp chấp nhận được. Trong hệ thống điện có 3 loại nối đất như sau:  Nối đất làm việc nhằm bảo đảm sự làm việc của trang thiết bị điện trong các điều kiện bình thường và sự cố theo các chế độ quy định (nối đất điểm trung tính các cuộn dây máy phát, nối đất máy biến áp đo lường, nối đất trong hệ thống pha - đất).  Nối đất an toàn (nối đất bảo vệ) nhằm bảo đảm an toàn cho người khi cách điện của trang thiết bị điện bị hư hỏng gây rò điện (nối đất vỏ máy phát, vỏ thiết bị điện, nối đất các kết cấu kim loại của trang thiết bị phân phối điện).

 Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét vào đất, giữ cho điện thế của các phần tử được nối đất không quá cao để hạn chế phóng điện ngược từ các phần tử đó đến các bộ phận mang điện và trang thiết bị khác (nối đất cột thu sét, dây chống sét, nối đất các kết cấu kim loại có thể bị sét đánh). HVTH: Trần Nam Anh GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1 Luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao” Trong hệ thống nối đất thì yếu tố điện trở đất là yếu tố rất quan trọng, giá trị điện trở đất càng thấp thì càng có lợi. Nhưng trong thực tế ở những vùng đồi núi, cao nguyên, vùng nhiều đá sỏi. thì điện trở đất rất cao, do đó việc làm giảm điện trở nối đất trong hệ thống là điều rất quan trọng, nó không những giúp cho việc nối đất hiệu quả hơn mà còn mang lại lợi ích về kinh tế.

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã tìm ra một loại hóa chất làm giảm điện trở đất rất hiệu quả, bền vững với thời gian, không bị rửa trôi, an toàn với môi trường. Đó là hóa chất San Earth M5C - một loại hóa chất làm giảm điện trở đất được hãng Sankosa-Nhật Bản sản xuất và hiện nay Việt Nam cũng đã xây dựng nhà máy sản xuất hóa chất này. Tuy nhiên, hiện nay các nghiên cứu tính toán, thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp vẫn còn một số hạn chế như sau:  Tính toán, thiết kế nối đất cho trạm biến áp theo hướng dẫn của tiêu chuẩn IEEE Std. 80-2000, mặc dù năm 2013 tiêu chuẩn này đã ra phiên bản mới;  Đa phần các nghiên cứu trước đây, chưa xem xét sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất khi tính toán, thiết kế hệ thống nối đất đặt ở vùng có điện trở nối đất cao và diện tích thi công bị hạn chế;  Chưa xem xét, so sánh về kinh tế giữa phương án có/không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất.

Để giải quyết các vấn đề trên, đề tài “ Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao” được học viên tiến hành nghiên cứu nhằm đề xuất các bước tính toán và lựa chọn giải pháp nối đất an toàn cho trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao theo hướng dẫn của tiêu chuẩn IEEE Std. Các nghiên cứu trong và ngoài nước a. Nghiên cứu trong nước [1] Hồ Ninh Thuận, Sử dụng chất cải tạo đất trong tính toán nối đất an toàn theo tiêu chuẩn IEEE STD. 80-2013, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, 2016.

HVTH: Trần Nam Anh GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 2 Luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao” Đề tài tính toán nối đất và tối ưu hóa hệ thống nối đất khi có sử dụng chất cải tạo đất GEM theo tiêu chuẩn IEEE STD. [2] Phạm Tấn Hưng, Nối đất trạm biến áp cao thế có tính đến hóa chất cải tạo đất, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, 2015. Đề tài nghiên cứu phương pháp thực nghiệm đo điện trở đất trạm biến áp cao thế có tính đến hóa chất cải tạo đất GEM theo tiêu chuẩn IEEE STD. [3] Nguyễn Thanh Tùng, Tính toán điện trở nối đất của các hình thức đơn giản có tính đến thành phần cải tạo đất, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, 2012.

Đề tài nghiên cứu phương pháp tính toán điện trở nối đất trạm biến áp bằng các hình thức đơn giản có thành phần cải tạo điện trở nối đất. [4] Nguyễn Trung Phương, Nghiên cứu các phương pháp tính toán và giải pháp giảm điện trở các vùng có điện trở suất cao, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2012. Đề tài nghiên cứu so sánh 2 phương pháp: phương pháp tính toán của Nga, phương pháp tính toán của Schwarz để tính trị số điện trở nối đất của trạm biến áp theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE80. Nhìn chung các nghiên cứu nêu trên còn một số hạn chế như sau:  Các bước tính toán sử dụng công thức tính toán phức tạp, gây khó khăn cho người sử dụng;  Tính toán, thiết kế hệ thống nối đất theo tiêu chuẩn IEEE STD.

80-2000 đã hết hiệu lực thi hành. Nghiên cứu ngoài nước [5] Akshay Patil, IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering (IOSR- JEEE), Substation Earthing Design, Volume 12, Issue 1 Ver. Bài báo nghiên cứu về thiết kế nối đất trạm biến áp. HVTH: Trần Nam Anh GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 3 Luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao” [6] Hachimenum Nyebuchi Amadi, Design of grounding system for A.

substations with critical consideration of the mesh, touch and step potentials, European Journal of Engineering and Technology, Vol. Bài báo nghiên cứu về thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp xoay chiều xem xét tầm quan trọng về khả năng cảm ứng và bước thực hiện trong lưới điện. Takalkar, Feasibility Study of Adequacy of Existing Earthing Grid to the Extended Gas Insulated Substation , International Journal of Science and Research and Development, (IJERD) ISSN: 2278-067X Recent trends in Electrical and Electronics & Communication Engineering (Page 51-56) (RTEECE 08th – 09th April 2016). Bài báo này nghiên cứu tính khả thi phù hợp của lưới nối đất hiện tại với trạm biến áp cách điện sử dụng khí (SF6) [8] Dwarka Prasad , Dr.C Sharma, Designing an Earthing and Bonding System for High Voltage Substation, International Journal of Engineering Research and General Science Volume 3, Issue 2, March-April, 2015.

Bài báo nghiên cứu về thiết kế hệ thống nối đất và kết nối với trạm biến áp cao áp [9] M. Hellany, HV substation earth grid commissioning using current injection test (CIT) method: Worst case scenario determination, International Journal of Energy and Environment, Volume 6, Issue 4, 2015. Bài báo nghiên cứu về vận hành lưới điện áp cao áp bằng cách sử dụng phương pháp thực nghiệm thực tế (CIT): Xác định tình huống trường hợp xấu nhất. [10] Zhang Jinsong, Qian Feng, Guo Bing, Yexu Li, and Farid Dawalibi, Grounding of Urban GIS Substation Connected to Commercial Buildings and Metallic Infrastructures, International Journal of Materials, Mechanics and Manufacturing, Vol.

HVTH: Trần Nam Anh GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 4 Luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao” Bài báo nghiên cứu về nối đất của trạm biến áp GIS dân dụng được kết nối với các trung tâm thương mại và hộ tiêu thụ khác. [11] Muhammad Usman Cheema, MBilal Cheema ,Adnan Bashir, M Usman Aslam, A comparison of ground grid mesh design and optimization for 500kv substation using IEEE 80-2000 and finite element methods, Electrical and Electronics Engineering: An International Journal (ELELIJ) Vol 4, No 1, February 2015. Bài báo so sánh thiết kế lưới điện mặt đất và tối ưu hóa cho trạm biến áp 500KV dùng tiêu chuẩn IEEE 80-2000 và phương pháp phần tử hữu hạn.Shah and Nitin.Bhasme, Design of earthing system for hv/ehv ac substation (a case study of 400kv substation at aurangabad, india), International Journal of Advances in Engineering & Technology, Jan. Bài báo này trình bày thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp 400KV.

[13] Lothar Fickert, Ernst Schmautzer, Christian Raunig, Verification of global earthing systems, 22nd International Conference on Electricity Distribution Stockholm, 10- 13 June 2013. [14] Shan Sun, Guo Zeng, Xiaozang He, Yanping Lv, Xinyi Li, The Research on Grounding Protection for 110kV Resistance Grounding Distribution System , Energy and Power Engineering, 2013. Rizk, HV Substation Earthing Design for Mines, Volume 4, Issue 6 (October 2012). Bài báo nghiên cứu về thiết kế nối đất trạm biến áp cao áp cho khu hầm mỏ.

[16] Ashwani Kumar, Grounding System for High Resistivity Limited Area Substations in Hilly Region of Himachal Pradesh , 16th National Power Systems Conference, 15th-17th DECEMBER, 2010. Bài báo nghiên cứu về hệ thống nối đất cho các khu vực có điện trở suất cao tại khu vực đồi núi của Himachal Pradesh. HVTH: Trần Nam Anh GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 5 Luận văn Thạc sĩ: “Nghiên cứu và tính toán nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất của đất cao” Các nghiên cứu nêu trên có ưu điểm là nghiên cứu và phân tích chi tiết các bước tính toán, thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp, tuy nhiên vẫn có một số hạn chế như sau:  Tính toán, thiết kế hệ thống nối đất theo tiêu chuẩn IEEE Std. 80-2000 đã hết hiệu lực thi hành.

 Chưa xem xét, so sánh về kinh tế giữa phương án có/không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất. Tính cấp thiết của đề tài Đề tài nghiên cứu và tính toán thiết kế hệ thống nối đất trạm biến áp có sử dụng hóa chất làm giảm điện trở ở những vùng có điện trở suất của đất cao.