Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Khái niệm chung Tác dụng nối đất là để tản vào đất dòng điện sự cố (rò cách điện ngắn mạch, chạm đất hoặc dòng điện sét) và giữ cho điện thế trên các phần tử được nối đất thấp. Theo chức năng của nó, nối đất trong hệ thống điện chia làm ba loại [7]. Nối đất làm việc có nhiệm vụ bảo đảm sự làm việc của trang thiết bị điện trong các điềi kiện làm việc bình thường và sự cố theo các chế độ qui định.
Đó là nối đất điểm trung tính các cuộn dây máy phát, máy biến áp công suất và máy bù, nối đất máy biến áp đo lường, nối đất trong hệ thống pha đất (đất được dùng như một dây dẫn). Nối đất an toàn hay nối đất bảo vệ có nhiệm vụ bảo vệ an toàn cho người phục vụ khi cách điện của trang thiết bị điện bị hư hỏng gây rò điện. Đó là nối đất vỏ máy phát, máy biến áp, vỏ thiết bị điện, vỏ cáp, nối đất các kết cấu kim loại, bình thường có điện thế bằng không, nhưng khi cách điện bị hư hỏng do phóng điện xuyên thủng hay phóng điện mặt sẽ có điện thế khác không. 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 điện khác.
Đó là nối đất cột thu sét, dây chống sét, các thiết bị chống sét, nối đất các kết cấu kim loại có thể bị sét đánh. Trong rất nhiều trường hợp, cùng một hệ thống nối đất đồng thời thực hiện hai hoặc ba nhiệm vụ nói trên. Các nối đất thông thường được thực hiện bằng một hệ thống những cọc thép (hoặc đồng) đóng vào đất hoặc những thanh ngang bằng cùng loại vật liệu chôn trong đất, hoặc cọc và thanh nối liền nhau và nối liền với vật cần nối đất. Cọc thường làm bằng thép ống hoặc thép thanh tròn không rỉ (hoặc mạ kẽm), đường kính từ 3 đến 6cm, dài từ 2 đến 3m hoặc bằng théo góc 40*40mm.mm đường thẳng đứng vào đất, còn thanh ngang bằng thép thanh dẹt tiết diện (3÷5)*(20÷40)mm2 hoặc thép thanh tròn đường kính 10 đến 20mm.
Cọc và thanh được gọi chung là cực nối đất, thường được chôn sâu cách mặt đất 50 đến 80cm để giảm bớt ảnh hưởng của thời HVTH: Trương Văn Tảng 4 Lớp: K2017 QLNL Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Vũ Phan Tú tiết không thuận lợi (quá khô về mùa nắng, bị băng giá về mùa đông) và tránh khả năng bị hư hỏng về cơ giới (do đào bới cày cuốc). Dòng điện Id chạy qua các cực tản vào đất, tạo nên trong đất quanh nó một điện trường (điện trường trong môi trường dẫn điện). Mỗi điểm trong điện trường đó có một điện thế nhất định. Trên mặt đất những điểm ở cách xa cực khoảng 20m trở lên có thể coi như có điện thế bằng không (cường độ trường ở các khoảng cách đó thường không quá 1V/m).
Điện thế của cực nối đất đối với các điểm có điện thế “không”, về trị số bằng điện áp giáng trên cực được gọi là điện áp trên cực Ud. Điện trở của cực nối đất được định nghĩa như là tỉ số giữa điện áp trên cực Ud và dòng điện qua nó Id. Rd = Ud / Id φr/Uđ Utx Ub Uđ Hình 1.Phân bố thế quanh điện cực trong đất HVTH: Trương Văn Tảng 5 Lớp: K2017 QLNL Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Vũ Phan Tú Điện trở Rd gồm điện trở của bản thân điện cực và điện trở tản trong đất. Điện trở của bản thân điện cực phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của cực.
Khi tản dòng một chiều hoặc xoay chiều 50Hz thì trị số của điện trở tản bản thân điện cực rất bé có thể bỏ qua. Khi tản dòng điện xung có độ dốc lớn (dòng sét) nó có thể có trị số đáng kể. Điện trở tản trong đất có trị số lớn hơn nhiều và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, hình dáng, số lượng, cách bố trí các điện cực phụ thuộc vào dạng và trị số dòng điện, phụ thuộc tính chất, cấu tạo, trạng thái của đất và thời tiết. Khi tản dòng sét, quá trình truyền sóng trên cực nối đất tương tự như trên đường dây tải điện.
Tuy nhiên trong sơ đồ thay thế thông số rải, điện trở tác dụng của bản thân điện cực ro rất bé so với cảm kháng trên Lo của điện cực và dòng điện qua điện dung Co của nó rất bé so với dòng qua điện dẫn tản go ra môi trường đất quanh điện cực nên có thể bỏ qua ro và Co. Nhờ đó phương trình mô tả quá trình truyền sóng trên cực đất đơn giản hơn và có thể giải bằng các phương pháp giải tích đơn giản thông dụng: - = Lo ; - = go. Sơ đồ thay thế khi tản dòng sét qua cực nối đất (đã bỏ qua ro và Co) Khi dòng sét với độ dốc đấu sóng lớn chạy qua điện cực thì, ban đầu do từ thông không biến thiên đột ngột, nên điện cảm của cực có tác dụng cản trở dòng điện đi sâu vào chiều dài của nó, do đó trị số điện trở nối đất ở thời điểm ban đầu lớn, điện áp giáng ở đầu vào lớn và giảm dần theo chiều dài điện cực, tức thế phân bố không đều trên điện cực [1]. HVTH: Trương Văn Tảng 6 Lớp: K2017 QLNL Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Vũ Phan Tú Ảnh hưởng của điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian, điện áp phân bố theo chiều dài điện cực trở nên đều đặn hơn và khi quá trình quá độ kết thúc điện trở tản ổn định bằng: R∞ = 1/( go.l ) = R~ Với: go - điện dẫn tản của đất trên một đơn vị chiều dài của điện cực.
l - chiều dài điện cực. R∞ - cũng chính là trị số của điện trở tản R~ khi tản dòng một chiều hoặc xoay chiều tần số 50Hz vì trong trường hợp này ảnh hưởng của điện cảm Lo không đáng kể, do tốc độ biến thiên dòng điện bé. Như vậy ảnh hưởng của điện cảm Lo của điện cực thay đổi theo thời gian của quá trình truyền sóng qua điện cực, nghĩa là phụ thuộc vào hằng số thời gian của quá trình quá độ T ≡ Lo. Khi tản dòng sét trị số điện trở tản của điện cực nối đất lớn nhất, gần đúng vào lúc dòng sét đạt trị số cực đại, tức là lúc t = T đs thì lúc dòng điện sét đạt trị số cực đại, quá trình quá độ đã kết thúc, ảnh hưởng của điện cảm Lo không còn nữa, điện trở tản có trị số bằng R∞ và có thể coi điện thế tại mọi điểm trên điện cực bằng nhau.
Trường hợp này ứng với hình thức nối đất bằng cọc hoặc thanh ngang, có chiều dài không lớn và được gọi là hình thức nối đất tập trung. Nếu cực nối đất dài, T có thể lớn hơn hoặc bằng T đs (T ≥ T đs) thì khi dòng sét qua trị số cực đại (t = T đs) quá trình quá độ chưa kết thúc, ảnh hưởng của điện cảm vẫn còn tồn tại, do đó Rx ≥ R∞. Đây là trường hợp nối đất kéo dài (hay nối đất phân bố). Điện thế phân bố không đều trên điện cực, ở đầu vào cao và giảm dần theo chiều dài điện cực.
Khi tản dòng sét, ngoài ảnh hưởng của điện cảm L của cực nối đất còn một yếu tố quan trong nữa ảnh hưởng đến trị số của điện trở tản nối đất, đó là phóng điện tia lửa trong đất. Khi dòng sét có biên độ lớn, cường độ xung trong đất quanh điện cực có trị số bằng Eđx = δs.ρx với δs – mật độ dòng sét, ρx điện trở suất xung của đất, có thể có trị số cao vượt quá trị số trường tới hạn của đất Epđđất thì sẽ gây nên phóng điện tia lửa trong đất (Epđđất gần bằng 10÷12 kV/cm), vùng đất quanh điện cực trở nên đẫn điện tốt, khiến điện trở tản xung giảm và trong trường hợp khi chiều dài điện cực ngắn thì điện trở tản xung có thể bé hơn cả điện trở tản xoay chiều tần số 50Hz. HVTH: Trương Văn Tảng 7 Lớp: K2017 QLNL Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Vũ Phan Tú Tóm lại, đối với nối đất chóng sét, cần phân biệt điện trở hay tổng trở tản xung (Zx hay Rx) với điện trở tản ổn định R∞. Quan hệ giữa hai trị số này biểu thị bởi hệ số xung αx = Rx /R∞.
Nếu ảnh hưởng của điện cảm của cực nối đất nhỏ (chiều dài bé) thì αx < 1 tương ứng với hình thức nối đất tập trung, ngược lại nếu ảnh hưởng của điện cảm lớn (chiều dài lớn) thì αx ≥ 1, tương ứng với hình thức nối đất kéo dài (nối đất phân bố).2 Điện trở tản nối đất ở tần số công nghiệp R~ Đối với hệ thống có trung tính trực tiếp nối đất (tức hệ thống có dóng ngắn mạch chạm đất một pha lớn Iđ >500A và thời gian duy trì khoảng t ≤ 0,15s (xác định bởi thời gian tác động của bảo vệ rơle chính) thì điện trở nối đất an toàn của trang thiết bị điện trong mọi trường hợp và mọi điều kiện thời tiết không được vượt quá 0,5Ω (R≤0,5Ω) [14]. Đối với hệ thống có trung tính cách điện (Iđ ≤ 500A) nếu nối đất riêng cho các thiết bị điện cao áp (U ≥ 1000V) thì điện trở nối đất an toàn cho phép: R ≤ 250/Iđ, Ω, nếu nối đất chung cho cả thiết bị điện cao áp (U ≥ 1000V) và điện áp thấp (U <1000V) thì điện trở nối đất an toàn cho phép tính theo: R ≤ 125/Iđ, Ω. Nhưng trong cả hai trường hợp, điện trở tản nối đất an toàn cho phép không vượt quá 4÷10Ω đối với nối đất của trạm và nhà máy điện và không quá 5÷30Ω đối với nối đất đường dây. Trong các công thức trên Iđ là dòng chạm đất một pha tính tại nơi định đặt nối đất.
Nếu hệ thống có trung tính cách điện thì: Iđ = 3ωCUp Với: C - điện dung của pha đối với đất Up - điện áp pha. Nếu hệ thống có trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang thì Iđ = |İL – İC| là dòng diện bù dư. Điện trở tản ở tần số công nghiệp (ổn định) của các điện cực nối đất dạng đơn giản, trong môi trường đất đồng nhất, có thể xác định bằng giải tích.
