MỞ ĐẦU 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 toàn, tính ổn định – tin cậy và kinh tế trong vận hành. Hệ thống nối đất là một phần quan trọng không 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 toán, 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 công 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 toán 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 công nghệ. Các nghiên cứu, phân tích hệ thống nối đất chuyển từ các phương pháp tính toán đơn giản, các công thức thực nghiệm trên mô hình đất đồng nhất sang các phương pháp số, các mô 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 toán, thiết kế, lắp đặt hệ thống nối đất cho trạm biến áp cũng 1 Luan van gặp nhiều khó khăn.
Bài toán 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 toán 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 công trình điển hình như sau: Công 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.
Công 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. Công 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 toán hệ thống nối đất cũng được quan tâm từ lâu.Tuy nhiên, hướng nghiên cứu sử dụng các các phương pháp số để tính toán và đặc biệt là dùng hóa chất để cải tạo đất của hệ thống nối đất vẫn còn hạn chế, ít được các chuyên gia và các nhà khoa học quan tâm.Hơn thế nữa, Việt Nam là nước đang phát triển, tốc độ đô thị hóa nhanh, mật độ dân cư không đề, các hộ dân sống tập trung tại các khu đô 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 toán thiết kế, thi công hệ thống nối đất bảo đảm giá trị điện trở nối đất cho hệ thống điện vận hành an toàn, tin cậy cũng là một thách thức không nhỏ.Một số công trình nghiên cứu về hóa chất giảm điện trở của hệ thống nối đất đã được công bố: 2 Luan van Công 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 toán điện trở nối đất khi có chất cải tạo đạo đất. Tuy nhiên, các công 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 công thức tính toán khá phức tạp. Tính cấp thiết của đề tài Việc xác định điện trở nối đất trong các công 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 toán 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 công 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 toán điện trở nối đất trong trường hợp này thì việc nghiên cứu tính toán điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất là yêu cầu bức thiết. Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu phân tích các thông số ảnh hưởng đến điện trở nối đất khi có hóa chất giảm điện trở nối đất; - Xác định công thứctính toán điện trở nối đất có xét đến ảnh hưởng của hóa chất giảm điện trở nối đất. 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. Cách tiếp cận Nghiên cứu phương pháp tính toán 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.
Phƣơng pháp nghiên cứu Tham khảo tài liệu, phân tích, tổng hợp. 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 công thứcđể tính toán 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 Luan van Chƣơng 2 TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 2. 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 tròn, ống hoặc thép góc, dài 23 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, công trình ngầm bằng kim loại có sẵn trong lòng đất như các cấu kiện bê tông cốt thép, các hệ thống ống dẫn bằng kim loại, vỏ cáp ngầm 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. 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 không mang điện nhưng có thể bị nhiễm điện bất ngờ do những nguyên nhân nào đó. Ví dụ nối đất vỏ thiết bị, nối đất khung, bệ máy v. Các biện pháp giảm điện trở của hệ thống nối đất 2.
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 chôn sâu từ (10-30)m, ta có thể giảm được điện trở nối đất, cọc chôn sâu có ưu điểm về điện trở tản nhỏ, độ ổn định cao mà không cần bảo dưỡng, ít bị tác động bởi môi trường và thích hợp với diện tích hẹp. Theo một số nghiên cứu, phương pháp tăng cường 5 Luan van cọc chôn 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 không thay đổi nữa. Ngoài ra, gradien điện thế của cọc chôn 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 chôn 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.