Giáo trình Thiết kế chống sét - Chương 7: Tính toán nối đất chống sét

Chương 7: tính toán nối đất 
chống sét
A. Tính toán nối đất chống sét cho phía 110 kV
Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất, nếu tốc độ biến 
thiên của dòng điện theo thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu 
điện cảm sẽ ngăn cản không cho dòng điện đi tới các phần cuối của 
điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều, sau một thời gian, 
ảnh h-ởng của điện cảm mất dần và điện áp phân bố sẽ đều hơn.
Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số 
thời gian.
T =L.g.l2 (II – 6 )
Từ (II–6) ta thấy: T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng L.l và điện 
dẫn tổng 
R
l.g
1 của điện cực.
Từ biểu thức (II–6) ta thấy khi dòng điện tản trong đất là dòng 
điện một chiều hoặc xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh h-ởng 
của L không đáng kể và bất kỳ hình thức nối đất nào ( thẳng đứng 
hoặc nằm ngang ) cũng đều biểu thị bởi trị số điện trở tản.
Khi dòng điện tản trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị 
của nối đất tuỳ thuộc vào t-ơng quan giữa hằng số thời gian T và 
thời gian đầu sóng của dòng điện. Khi T<< đ.s (khi dòng điện đạt 
trị số cực đại) thì cần xét quá trình quá độ đã kết thúc và nối đất thể 
hiện nh- một điện trở tản. Tr-ờng hợp này ứng với các hình thức 
nối đất dùng cọc hoặc thanh có chiều dài không lớn lắm và goị là 
nối đất tập trung.
Nếu điện cực dài, hằng số thời gian có thể đạt tới mức đ.s và tại 
thời điểm dòng điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ ch-a kết 
thúc và nh- đã phân tích tác dụng của điện cảm, nối đất sẽ thể hiện 
nh- một tổng trở Z có giá trị rất lớn so với điện trở tản. Tr-ờng hợp 
này gọi là nối đất phân bố dài.
Trong tính toán thiết kế trạm biến áp 110kV, th-ờng thì phần 
nối đất nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm. Nh- vậy 
sẽ gặp tr-ờng hợp nối đất phân bố dài, tổng trở xung kích Zx.k có 
thể lớn gấp nhiều lần so với điện trở tản xoay chiều làm tăng điện 
áp giáng trên bộ phận nối đất và có thể gây phóng điện ng-ợc đến 
các phần mang điện của trạm. Do đó ta phải tính toán, kiểm tra 
theo yêu cầu của nối đất chống sét trong tr-ờng hợp có dòng điện 
sét đi vào hệ thống nối đất.
II.4.1- Dạng sóng tính toán của dòng điện sét.
Trong tính toán thiết kế ta chọn sóng tính toán của dòng điện sét 
là dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi (xem hình II-1) .
Dạng sóng tính toán của dòng điện sét: + Is = a.t khi t < đs
 + Is = I khi t  đs
Trong đó: + a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/s
 + I: biên độ dòng điện sét I = 150kA
 + đs: thời gian đầu sóng lấy bằng 5s 
; 



  s
a
Is
ds 530
150
II.4.2-Yêucầu kiểm tra
Ta kiểm tra theo điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cho cách điện 
của máy biến áp : I.Z(0, đ.s )  U0,5.
Trong đó:
I : là trị số dòng điện sét lấy bằng 150kV.
Z(0, đ.s ): là tổng trở xung kích nối đất tại thời điểm ngay chỗ 
dòng điện sét đi vào điện cực.
U0,5 : trị số điện áp phóng điện xung kích bé nhất của máy 
biến áp
U0,5 (MBA) = 460kV.
II.4.3-Tính toán lại trị số điện trở nhân tạo theo yêu cầu nối đất 
chống sét.
Do việc dùng hệ thống nối đất an toàn phía 110 kV làm hệ 
thống nối đất chống sét nên ta phải tính toán lại trị số điện trở nối 
đất nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét.
Tra bảng 19- 2 sách kỹ thuật điện cao áp ta chọn hệ số mùa sét 
là:
Km.v = 1,2 ; Kcoc = 1,15.
Dựa vào công thức (II-4);(II-5) thấy Rm.v và Rcoc. sẽ tỷ lệ thuận 
với kmùa , do  đo không đổi.
Vậy điện trở của mạch vòng là:
.037,1
6,1
382,1.2,1
.
.
).(.
)(.).(.
. 
toànanvm
toananvmsétvm
vm K
RK
R
Điện trở của cọc là:
.36,36
4,1
87,43.15,1
.
.
).(
)().( 
toànancoc
toanancocsétcoc
coc K
RK
R
Điện trở nối đất nhân tạo tính cho nối đất chống sét là: 
)7(
... ..
.
)(. 
 II
RnR
RR
R
cocvmvmcoc
vmcoc
séttn 
Trong đó:
Rm.v và Rcọc ta vừa tính đ-ợc.
n là số cọc đã tính đ-ợc n = 100 cọc
cọc và m.v đã tính đ-ợc ở phần nối đất nhân tạo ứng với n = 
100 cọc ta có cọc = 0,39. ; m.v = 0,19.
Vậy:
.8,0
037,1.39,0.10019,0.36,36
1037.36,36
... ..
.
)(. 



cocvmvmcoc
vmcoc
séttn RnR
RR
R 
Vậy điện trở nối đất nhân tạo tính cho nối đất chống sét là: 
Rn.t sét =0,8.
II.4.4- Tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét Z(0; đ.s).
Để tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét ta xét các điều 
kiện sau:
+ Bỏ qua nối đất t- nhiên.
+ Bỏ qua các thanh nối cân bằng điện áp trong trạm biến áp.
+ Trong tính toán, để đơn giản ta bỏ qua quá trình phóng điện 
tia lửa trong đất và giả thiết điện trở suất của đất không đổi.
+ Bỏ qua thành phần điện trở, điện dung của điện cực nối đất vì 
trở rất nhỏ so với thành phần điện kháng và điện dẫn ứng với tần số 
dòng điện sét.
Ta xem mạch nối vòng đất gồm hai tia dài ghép song song với 
nhau.
Hình (II – 6): Mạch vòng nối đất gồm hai tia dài ghép song 
song
Ta có sơ đồ thay thế:
 L0 L0 L0Is/2
g0 g0g0
 Hình (II–7): Sơ đồ thay thế của mỗi tia.
Với L và g là điện cảm và điện dẫn trên một đơn vị dài.
l =L/2





 m.
1
l.R
1
g0
R là điện trở nối đất ổn định của cực nối đất R = 0,8.
.)/(31,0ln.2,00 mHr
l
L 



 
Với r là bán kính cực nối đất:
.m.,mm,
b
r 210251512
4
50
4

Thay số vào ta có:
./65,131,0
10.25,1
130
ln.2,0
20
mHL 



  
Vì điện dẫn ghép song song nên ta có:






 
mlR
g
tn .
1
10.8,4
130.8,0.2
1
..2
1 3
.
0
Tính toán phân bố dài khi không xét quá trình phóng điện trong 
đất.
Từ sơ đồ thay thế có thể thành lập đ-ợc hệ ph-ơng trình vi phân:
)8( 




II
t
I
L
x
U
Giải hệ ph-ơng trình trên ta đ-ợc điện áp tại điểm bất kỳ và thời 
điểm bất kỳ trên điện cực.
)9(
.
cos.1
1
.2
.
),(
1
21
0






















 



II
l
xk
e
k
Tt
lg
a
txU
k
T
t
k

Với hằng số thời gian
22
2
00
k
.k
l.g.L
T


Ta có
2
2
00
1
l.g.L
T

 nên
2
1
k
T
Tk  . Từ đó suy ra tổng trở xung 
kích ở hai đầu vào nối đất:
)10(1
1
.
.2
1
.
1
),0(
1
2
1
0

















 



IIe
k
T
lg
tZ
k
T
t
ds
k

Tổng trở xung kích của nối đất ở đầu vào thời điểm t = đ.s và 
xét tới hai tia ghép song song là:
)11(1
1
.
.2
.
1
.
2
1
),0(
1
2
1
0

















 



IIe
k
T
l
lg
Z
k
T
t
ds
ds
k

Để tính Z(0, đ.s) xét chuỗi:
 






1 1 222
11
k k
TT
k
e
kk
e k
ds
k
ds
Vì : e-3 =0,05 ; e-4 =0,018 ; e-5 = 0,0067 ; e-6 = 0,00247
Nên ta chỉ xét đến e-4. Từ e-4 rất bé so với số hạng tr-ớc nên ta 
có thể bỏ qua, tức là tính với k sao cho 4
k
ds
T
Ta có 
2
1
k
T
Tk  nên 4
2
1

k
T
ds . Vậy: 
ds
.T
k

 412 
Hệ số K là nguyên d-ơng nên ta có: 
ds
T
k 
1.4
Với: ).(58,13
14,3
13010.8,4.65,1..
2
23
2
2
00
1 s
lgL
T  

đ.s = 5s, ta có: 3,35
58,13.4 k
Nh- vậy ta sẽ tính toán với K nhỏ nhất là 4.
Ta có các kết quả nh- bảng (II – 1 ):
k 1 2 3 4
Tk 13,58 3,395 1,509 0,849
k
ds
T

0,368 1,473 3,313 5,889
k
ds
Te

0,7351 0,2920 0,0627 0,0072
k
ds
Te

/k2 0,7351 0,073 0,0070 0,0005
Từ bảng (II – 1 ) ta tính đ-ợc: 8156,0
4
1
2


k
e k
ds
T

Và ta tính đ-ợc 
6
1 2
1
2


k k
Thay các giá trị vào (II – 11) ta đ-ợc:
.021,3)8156,0
6
.(
5
25,16.2
1
142.10.4,4
1
.
2
1
),0(
2
3



  
 dsZ
Kiểm tra điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cách điện cho máy 
biến áp với các giá trị : I =m .150kA ; Z(0, đ.s) = 3,021.
ứng với 2 giá trị trên tại thời điểm dòng điện sét đi vào hệ thống 
nối đất thì thế tại điểm dòng điện sét đi vào là:
Usét = I. Z(0, đ.s) = 150.3,021= 453,15kV.
Vậy Usét = 453,15kV < U50% = 460kV. 
Nhận xét:
Do điện trở nối đất đạt yêu cầu nên không phải nối đất bổ xung 
cho hệ thống chống sét.