4.1 Khái niệm về hệ thống nối đất và các phần tử liên quan:
4.1.1 Khái niệm về hệ thống nối đất:
Hệ thống nối đất là một tập hợp bao gồm các cọc, dây dẫn liên kết với nhau về điện được chôn sâu trong đất và tiếp xúc trực tiếp với đất. Tác dụng của hệ thống nối đất là tản dòng điện đi vào trong đất nhằm giữ điện thế thấp trên các vật cần nối đất dù dòng điện này sinh ra từ bất cứ nguồn gốc nào chẳng hạn như các dòng xung do sét tạo ra hay các dòng điện sự cố ở lưới điện đang vận hành.Trong hệ thống điện có ba loại nối đất khác nhau:
Nối đất làm việc: có tác dụng đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc của một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã được tính trước. Loại nối đất này bao gồm nối đất của điểm trung tính máy biến áp, của các máy biến áp đo lường, kháng điện bù ngang… trong hệ thống điện. Trị số điện trở nối đất cho phép phụ thuộc vào tình trạng làm việc của từng thiết bị cụ thể.
Nối đất an toàn: có tác dụng đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện thiết bị hư hỏng. Loại nối đất này bao gồm nối đất các bộ phận kim loại bình thường không mang điện như vỏ máy, thùng máy biến áp, giá đỡ kim loại… của các thiết bị điện. Trị số điện trở nối đất này được qui định như sau:
Đối với trung tính trực tiếp nối đất thì R ≤ 0,5Ω.
Đối với trung tính cách điện:
+ Nếu phần nối đất chỉ dùng cho thiết bị cao áp thì R ≤ 250/I (Ω).
+ Nếu phần nối đất dùng cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì R ≤ 125/I (Ω) nhưng không quá 10Ω.
Trong đó I là dòng điện chạm đất. Trị số dòng điện này phụ thuộc vào thông số của lưới điện thiết kế (điện áp lưới, tổng chiều dài đường dây).
+ Cho phép tăng giá trị điện trở lên 0,002ρ lần nhưng không quá 10 lần (ρ tính bằng Ωm) nếu đất có điện trở suất lớn hơn 500Ωm đối với các thiết bị có điện áp lớn hơn 1000V và thiết bị có điện áp đến 1000V khi mà chi phí cho việc đặt các cọc nối đất nhân tạo có chi phí quá cao. (Trích công văn số 2413/CV-EVN-KTAT-KTLĐ-QLXD của Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam – Áp dụng theo TCVN 4756-1989).
Nối đất chống sét: có tác dụng tản dòng sét trong đất khi có sét đánh vào cột thu sét hay trên đường dây để giữ cho điện thế mọi điểm trên thân cột không quá lớn tránh gây phóng điện ngược tới công trình được bảo vệ. Thường nối đất của cột thu sét và cột điện được bố trí độc lập.
Như đã nêu ở trên mỗi loại nối đất có yêu cầu về trị số điện trở nối đất cho phép khác nhau, việc nối đất riêng rẽ theo từng loại và theo từng cấp điện áp có nhiều ưu điểm, tuy nhiên việc thực hiện sự cách ly này đôi lúc gặp nhiều khó khăn và có thể không thực hiện được. Do vậy trên thực tế thường nối thành hệ thống chung, khi đó cần chú ý rằng hệ thống chung phải thỏa mãn yêu cầu của loại nối đất nào có trị số điện trở nối đất cho phép nhỏ nhất.
4.1.2 Các phần tử liên quan đến điện trở của hệ thống nối đất:
- Điện trở của vật liệu và các mối nối đến nó:
Nếu cọc tiếp địa được chế tạo từ vật liệu có độ dẫn điện cao, tiết diện đủ lớn, các mối nối được thực hiện chắc chắn, tiếp xúc tốt thì điện trở bản thân của nó chiếm tỷ lệ không lớn so với giá trị điện trở tản của hệ thống nối đất. Một khi các vật liệu làm cọc không đúng quy cách theo thiết kế, dây nối quá dài, các mối nối tiếp xúc không tốt sẽ có ảnh hưởng lớn đến giá trị điện trở nối đất. Việc đặt một dây dẫn duy nhất thật dài để nối tới vùng đất có điện trở suất thật thấp để giảm điện trở nối đất là điều không nên làm bởi vì khi đó đối với dòng xung sét dây dẫn này sẽ có trở kháng đáng kể làm giảm hiệu quả của hệ thống nối đất.
- Điện trở tiếp xúc của đất xung quanh với cọc nối đất:
Đối với các cọc nối đất được mạ đảm bảo kỹ thuật, không rỉ rét và lớp đất xung quanh cọc được chèn cứng thì điện trở tiếp xúc giữa cọc và đất có thể bỏ qua. Trong thực thì chất lượng thi công hệ thống nối đất lại không như mong muốn.
- Điện trở của đất xung quanh khi có dòng điện chạy qua:
Điều này liên quan đến điện trở suất của đất, đây là yếu tố có ý nghĩa nhất đối với điện trở của hệ thống nối đất. Có thể xem cọc như được bao quanh bởi các lớp đất đồng tâm, càng gần cọc bề mặt bao quanh càng nhỏ do đó điện trở của nó càng lớn cọc bề mặt bao quanh càng lớn nên điện trở của nó càng nhỏ. Dần dần đến một khoảng cách nhất định nào đó xem như đất bao quanh không còn ảnh hưởng đến điện trở nối đất. Vùng ảnh hưởng này gọi là vùng tản của điện trở nối đất.
4.2 Lựa chọn thiết bị đo và dụng cụ đo:
4.2.1 Chọn thiết bị đo:
Các thiết bị đo được dùng để đo điện trở nối đất thường là các cầu đo chuyên dụng được chế tạo phù hợp cho việc đo điện trở nối đất. Đặc điểm của các cầu đo này là nguồn điện mà chúng phát ra là nguồn có tần số 128Hz với mục đích là hạn chế ảnh hưởng của dòng làm việc tần số 50Hz và các thành phần sóng hài bậc cao của nó đến dòng điện thử nghiệm. Mỗi loại cầu đo có tính năng khác nhau tùy theo nhà sản xuất và trình độ phát triển công nghệ. Các cầu đo thường dùng là các cầu đo: M416, ABB 5003, TERCA, DET2/2.
4.2.2 Chọn dụng cụ đo:
Các dụng cụ đo dùng để đo điện trở nối đất bao gồm: Cọc, búa, dây.
Các cầu đo chuyên dụng thường đi kèm các dụng cụ đo như đã nêu ở trên thường thích hợp cho việc đo hệ thống nối đất đơn như ở các cột điện đơn vì cọc đo ngắn, cuộn dây đo ngắn không thích hợp với việc đo điện trở nối đất của hệ thống nối đất bao gồm nhiều cọc bố trí theo chu vi mạch vòng ở các trạm biến áp có diện tích mặt bằng lớn. Do vậy cần phải chọn dụng cụ đo phù hợp với hệ thống nối đất cần đo.
Dụng cụ đo cần quan tâm ở đây là cọc và dây đo:
Cọc phải dùng cọc bằng đồng mạ kẽm đường kính tối thiểu 20mm, chiều dài cọc khoảng 1m để đảm bảo độ sâu đóng cọc vào đất khoảng 0,8m.
Dây đo có tiết diện tối thiểu là 2,5mm2 và có chiều dài đủ lớn phù hợp với phép đo.
4.3 Một số phương pháp đo điện trở nối đất điển hình:
4.3.1 Phương pháp độ rơi điện thế:
Lý thuyết của phương pháp:
Xét hệ thống nối đất X cần đo.
Để đo điện trở nối đất ta dùng các cọc nối đất phụ Z (gọi là cọc dòng), cọc dò Y (gọi là cọc áp) dùng để đo, điều quan trọng ở đây liên quan đến độ chính xác của phép đo là cọc dòng phải đủ xa hệ thống nối đất cần đo, cọc áp Y phải nằm ngoài vùng chịu ảnh hưởng điện trở của hệ thống nối đất và cọc nối đất phụ Z. Nếu cọc áp Y nằm trong một vùng ảnh hưởng điện trở hoặc cả hai vùng nếu chúng giao nhau thì khi thay đổi vị trí cọc áp Y trị số điện trở R biến đổi rõ rệt như trên hình 4-1. Trong điều kiện như vậy không thể xác định được trị số chính xác điện trở của hệ thống nối đất cần đo. Ngược lại nếu cọc áp Y nằm ngoài vùng ảnh hưởng điện trở như trên hình 4-2 thì khi di chuyển cọc áp Y ta nhận thấy mức độ biến thiên giá trị R rất nhỏ, lúc này mới có thể cho kết quả đo chính xác.
Như vậy cơ sở của phương pháp này là xác lập phép đo sao cho cọc áp Y nằm đúng ở đoạn phẳng ngang của đặc tuyến điện trở nối đất (tức là vùng mà khi di chuyển cọc áp Y mức độ biến thiên của R rất nhỏ) như ở hình 4-2. Phương pháp này được tính toán cho hệ thống nối đất nhỏ tức là hệ thống nối đất gồm một hay hai cọc đơn được đóng sâu trong đất như nối đất của các trạm biến áp phụ tải nhỏ độc lập công suất nhỏ.
Sơ đồ đo:
Các bước thực hiện:
Cọc dòng Z được đóng sâu vào đất cách điện cực cần đo X một khoảng tư 30-50m. Khoảng cách này phải đủ xa để các vùng ảnh hưởng điện trở không bị xếp chồng lên nhau và gây ra sai số phép đo. Cọc áp Y được đóng vào đất ở điểm giữa của khoảng cách giữa cọc dòng Z và điện cực nối đất X cần đo theo hướng thẳng hàng với nhau.
Nối dây đo từ các điện cực vào cầu đo điện trở nối đất, đầu cực C2 nối đến cọc dòng Z, đầu cực P2 nối đến cọc áp Y và các đầu cực C1, P1 nối đến điện cực nối đất X cần đo(chú ý phải dùng 2 dây để loại trừ ảnh hưởng của dây nối vào trị số đo). Kết quả đo sẽ hiển thị trên cầu đo.
Tiếp tục thực hiện các phép đo thứ 2 và 3 tương ứng với vị trí của cọc áp như trên hình 4-3.
Ba giá trị vừa đo được xác định được đoạn đặc tuyến phẳng nhất của đường đặc tuyến điện trở nối đất như ở hình 4-2. Nếu giá trị đo phù hợp với độ chính xác yêu cầu thì trị số trung bình của chúng được xem là trị số điện trở nối đất thực.
Giả sử 3 trị số đo được là R1, R2, R3. Trị số trung bình sẽ là Rtb=(R1+R2+R3)/3.
Gọi độ lệch cực đại của R1, R2, R3 so với trị số trung bình của chúng là ΔR, nó có thể biểu thị theo phần trăm của trị số trung bình là (ΔR/Rtb)x100%.
Nếu trị số (1,2xΔR/Rtb)x100% nhỏ hơn độ chính xác của phép đo thì trị số trung bình được chấp nhận là trị số điện trở nối đất của hệ thống cần đo.
Nếu trị số (1,2xΔR/Rtb)x100% không nhỏ hơn độ chính xác của phép đo thì có thể do vị trí ban đầu của cọc dòng không đúng tạo nên hiện tượng như đã nêu ở hình 1. Lúc này cần phải đưa cọc dòng Z ra vị trí xa hơn hoặc chuyển sang hướng khác và tiến hành đo lại cho đến khi nào thỏa điều kiện yêu cầu độ chính xác phép đo.
Nhận xét:
Đây là kỹ thuật đo cơ bản nhất trong các kỹ thuật đo điện trở nối đất, nó có ưu điểm là thực hiện đơn giản tính toán ít.
Cơ sở lý thuyết của phương pháp này dựa trên tính toán cho các hệ thống nối đất đơn cọc, đơn thanh nên đối với hệ thống nối đất phức tạp phép đo này không đạt độ chính xác cao vì trong thực tế ít gặp hệ thống nối đất đơn.
4.3.2 Phương pháp 61,8%:
Lý thuyết của phương pháp:
Cơ sở của phương pháp này dựa vào sự hiểu biết về tâm điểm điện của hệ thống nối đất và đòi hỏi môi trường đất là đồng nhất. Giải quyết được hai vấn đề trên rất phức tạp.
Mọi mạng lưới tiếp địa có điện trở tản R đều có thể xem giống như điện cực bán cầu có bán kính rh được chôn trong vùng đất giống như nhau và có cùng điện trở tản R. Ở địa hình đồng nhất (vùng đất có điện trở suất không thay đổi trong toàn vùng) thì rh = ρ/2πR. Tâm điểm của bán cầu tương đương chính là tâm điểm điện của hệ thống nối đất.
Lý thuyết đo cũng đòi hỏi phải xem môi trường đất được đo là đồng nhất, trên thực tế ít có được với hệ thống nối đất bao gồm nhiều cọc và thanh nối với nhau trong vùng có diện tích rộng.
Phương pháp 61,8% được phát triển như là một cải tiến của phương pháp độ rơi điện thế nhằm khắc phục các vấn đề về việc đóng cọc thí nghiệm ở vị trí đúng để đạt được độ chính xác của phép đo.
Sơ đồ đo:
Các bước thực hiện:
Cọc dòng Z được đóng vào đất cách tâm điểm điện của hệ thống cần đo 1 khoảng cách là dZ. Đối với điện cực đơn khoảng cách này là 15m. Đối với hệ thống nối đất gồm vài cọc hay thanh nối song song thì khoảng cách này có thể tăng lên đến 50 – 60m hoặc hơn nữa. Nói chung khoảng cách này ít nhất phải bằng 6 lần đường kính lớn nhất của của mạch vòng tiếp địa.
Cọc áp được đóng ở khoảng cách 61,8% dZ tính từ tâm điểm điện của hệ thống X cần đo, ta gọi khoảng cách này là dY (dY = 61,8% dZ). Vì vậy phương pháp này được gọi là phương pháp 61,8%. Các cọc áp Y, cọc dòng Z và điểm nối dây đo vào điện cực nối đất X cần đo phải nằm trên một đường thẳng. Sau khi đóng cọc xong, nối dây đo và tiến hành đo thì giá trị điện trở đo được có thể xem là trị số điện trở nối đất của hệ thống.
Tuy nhiên, lý thuyết này giả định môi trường đất là đồng nhất điều này trên thực tế ít xảy ra. Do vậy để có kết quả đo tin cậy, phải xê dịch cọc dòng Z ra xa vị trí ban đầu so với điện cực nối đất là 10m và xê dịch cọc dòng Z gần với điện cực nối đất là 10m. Lúc đó tất nhiên cọc áp phải dịch chuyển theo sao cho thoả mãn qui tắc 61,8%. Từ 3 kết quả đo có thể tính toán được trị số trung bình.
Để có thể khắc phục những khác biệt trong sự không đồng nhất của đất, có thể chuyển sang các hướng đo khác và thực hiện các bước đo trên.
Vấn đề đặt ra là phải xác định khoảng cách dZ cần thiết là bao nhiêu. Cần phải biết đường chéo lớn nhất của mạch vòng tiếp địa. Các kích thước dY và dZ đến các cọc áp và dòng được tham khảo theo bảng 4-1 sau:
Bảng 4-1: Bảng ghi khoảng cách cọc dòng và cọc áp
| Khoảng cách lớn nhất của đường chéo mạch vòng nối đất, m (xấp xỉ) | Khoảng cách đến cọc áp dY đo được từ tâm điểm điện của hệ thống nối đất, m (xấp xỉ) | Khoảng cách đến cọc dòng dZ đo được từ tâm điểm điện của hệ thống nối đất, m (xấp xỉ) |
|---|---|---|
| 1 | 16.3 | 27 |
| 1.5 | 20.1 | 33 |
| 2 | 23.3 | 38 |
| 2.5 | 26.1 | 42.5 |
| 3 | 28.6 | 46.5 |
| 4 | 33.2 | 53.8 |
| 5 | 37 | 60 |
| 6 | 41 | 66 |
| 7 | 44 | 71 |
| 8 | 47 | 76 |
| 9 | 50 | 81 |
| 10 | 53 | 85 |
| 15 | 65 | 105 |
| 20 | 76 | 120 |
| 30 | 94 | 149 |
| 40 | 109 | 172 |
| 50 | 122 | 193 |
| 60 | 135 | 212 |
| 70 | 146 | 230 |
| 80 | 157 | 246 |
| 90 | 167 | 262 |
| 100 | 178 | 279 |
Bảng trên được lập ra với giả thiết rằng tâm điểm điện ở cùng vị trí với tâm điểm hình học của hệ thống nối đất, mặc dù điều này không phải lúc nào cũng xảy ra.
Nhận xét:
Đây là phương pháp thực hiện đơn giản nhất, tính toán tối thiểu, số lần dịch chuyển cọc ít nhất.
Trở ngại của phương pháp này là khoảng cách cọc dòng và chiều dài dây đo lớn khi áp dụng để đo hệ thống nối đất lớn, chiều dài dây đo có thể lên đến 1000m hoặc hơn nữa và như vậy sẽ gặp khó khăn trong thực tế trong việc xác định đúng khoảng cách dY, dZ khi phải đi qua địa hình rừng núi và với chiều dài dây lớn như vậy thì điện kháng của nó có thể ảnh hưởng đến kết quả đo. Một trở ngại nữa là cần phải biết tâm điểm điện cũng như xem môi trường đất đặt hệ thống nối đất là đồng nhất.
Vì vậy phương pháp này có thể áp dụng để đo các trạm biến áp cấp 35KV công suất không lớn (≤16MVA).