TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008
26
TÍNH CHỌN ĐIỆN CỰC NỐI ĐẤT VÀ CÁC GIẢI
PHÁP GIẢM ĐIỆN TRỞ CỦA TRANG BỊ NỐI ĐẤT
CHOOSING GROUNDING ELECTRODES AND SOME METHODS OF
REDUCING EARTHING RESISTANCE
TRẦN VINH TỊNH
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN LƯƠNG MÍNH
Công ty Cổ phần Đầu tư Điện Lực 3
TÓM TẮT
Trang bị nối đất (TBNÐ) của công trình điện được xem là đạt yêu cầu khi đáp ứng các
chỉ tiêu kỹ thuật, có giá thành hợp lý và đảm bảo khả năng làm việc không ngắn hơn
thời gian hoạt động của công trình. Việc tính chọn điện cực nối đất (ĐCNĐ) ảnh hưởng
quyết định đến thời gian làm việc và giá thành của TBNÐ. Bài báo này trình bày các
vấn đề về tính chọn ĐCNĐ và một số giải pháp giảm điện trở tản của TBNÐ, sử dụng ở
các công trình nhà máy điện (NMĐ), trạm biến áp (TBA).
ABSTRACT
Grounding electrodes affect not only dissipation resistance but also the cost and lifetime
of the earthing system. Based upon the soil characteristics such as resistivity, pH value,
moisture, etc… the grounding electrodes can be corroded rapidly or not. This paper
presents how to choose grounding electrodes and some methods of reducing earthing
resistance of power substations.
1. Giới thiệu
TBNĐ của các công trình điện chủ yếu được thực hiện theo kiểu cọc, tia kết
hợp. Tùy thuộc vào loại vật liệu của điện cực, kích thước và cách bố trí chúng trong hệ
thống nối đất mà TBNÐ có được giá trị điện trở tản, phân bố điện thế tốt hay xấu. Thực
tế, điện trở của bản thân điện cực là rất nhỏ so với điện trở tiếp xúc giữa điện cực với
vùng đất xung quanh, nên nó ảnh hưởng không lớn đến giá trị điện trở tản của cả hệ
thống. Các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của ÐCNÐ chủ yếu được thể hiện ở khả năng tản
dòng điện ra đất, chịu đựng nhiệt độ do dòng điện ngắn mạch (DĐNM) sinh ra, ít bị ăn
mòn, thuận tiện cho thi công và giá thành thực hiện. Để đáp ứng các yêu cầu trên ,
ÐCNÐ phải được tính chọn một cách cẩn thận về vật liệu, kích thước và biện pháp
chống ăn mòn.
2. Tính chọn và bố trí điện cực trong TBNĐ
* Vật liệu làm ÐCNÐ: Việc chọn lựa vật liệu phải dựa theo các tiêu chí về nhiệt
độ nóng chảy, điện trở suất, mức độ bị ăn mòn, cường độ lực và chi phí. Thực tế, ta
không thể chọn được loại vật liệu thỏa mãn tất cả các yêu cầu trên mà chỉ có thể đáp
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008
27
ứng được một số tiêu chí được xem là quan trọng nhất theo quan điểm của người sử
dụng. Đồng luyện (đồng đỏ) và thép là hai loại vật liệu phổ biến để chế tạo ÐCNÐ. So
với thép, đồng có những ưu điểm cố hữu về độ dẫn điện, bền với môi trường nhưng chi
phí đầu tư cao và sinh ra các phản ứng điện - hóa làm ăn mòn các kết cấu kim loại khác
chôn gần nó. Ngược lại, thép có chi phí đầu tư thấp hơn, cường độ lực và khả năng hấp
thụ nhiệt cao hơn nhưng lại dễ bị ăn mòn hóa học và độ dẫn điện thấp. Để dung hòa các
tiêu chí này người ta chỉ sử dụng điện cực bằng đồng ở những vùng có khả năng bị ăn
mòn cao và chủ yếu sử dụng điện cực thép có tăng cường bảo vệ chống ăn mòn (mạ
kẽm hoặc mạ đồng) để giảm chi phí đầu tư (trung bình giảm được khoảng 40% chi phí
so với đồng [4]).
* Kích thước ÐCNÐ: Kích thước điện cực phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu
(điện trở suất, hằng số nhiệt độ của điện trở suất), cường độ DÐNM chạm đất, thời gian
duy trì sự cố, nhiệt độ môi trường... Kích thước ÐCNÐ được tính theo công thức [3]:
974,1
t
K
.IA
fđ
=
(1)
Với:
+ A(mm2
+ I
) là tiết diện của điện cực
đ
+ t(s) là thời gian sự cố, để an toàn lấy t=1s
(KA) là giá trị hiệu dụng của dòng điện tản vào đất , Iđ = Sf. Df . IN(1) (Sf là
hệ số phân dòng, Df là hệ số tắt dần, IN(1) là DĐNM một pha)
+ Kf là hệ số vật liệu, lấy theo bảng 1
Bảng 1. Hệ số Kf ở nhiệt độ môi trường 40o
Vật liệu
C
Điện dẫn Nh.độ nóng chảy Ta(oHệ số KC) f
Đồng luyện 100 1.083 7,00
Dây đồng mạ thép 40 1.084 10,45
Thép đen 10,8 1.510 15,95
Cọc thép mạ kẽm 8,6 419 28,96
Cọc thép không rỉ 9,8 1.400 14,72
Cường độ lực của ÐCNÐ cần đảm bảo không bị nứt hay cong khi được đóng vào
đất. Khi cọc nối đất có đường kính càng lớn thì cường độ chịu lực sẽ càng cao nhưng diện
tích tiếp xúc với đất tăng lên nên có thể sẽ khó khăn hơn khi được đóng vào đất.
* Ăn mòn và các biện pháp chống ăn mòn điện cực : Quá trình ăn mòn kim loại
trong đất là sự mất dần các tính chất của nó do hậu quả của phản ứng giữa kim loại với
môi trường xung quanh. Hầu hết sự ăn mòn kim loại trong đất ở nhiệt độ bình thường là
kết quả các phản ứng điện - hóa. Sự ăn mòn xuất hiện do quá trình mất ion kim loại tại
cực dương (anốt) - là nơi dòng điện chạy từ kim loại sang đất - dưới tác nhân của sự
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008
28
chênh lệch điện thế trê n các thanh kim loại như hình 2 [4]. Có nhiều dạng ăn mòn
ÐCNÐ như sau:
Hình 2. Ăn mòn kim loại (phản ứng điện – hóa) Hình 3. Các dạng ăn mòn trên bề mặt kim loại
− Rỉ sét: do dòng điện chạy giữa các phần khác nhau trên cùng một thanh kim loại
gây nên, làm cho phần lớn bề mặt kim loại bị mục ruỗng dần (hình 3.a).
− Ăn mòn rỗ hoa: là dạng kim loại bị ăn mòn cục bộ ở những chỗ mà lớp chống rỉ
bị bong tróc, để lại những lỗ sâu trên bề mặt và tiếp tục làm mục ruỗng điện cực
(hình 3.b).
− Ăn mòn điện - hóa: khi có sự chênh lệch điện thế giữa các điện cực làm từ các
kim loại khác nhau như đồng và thép, sẽ hình thành dòng điện chạy từ điện cực
thép (anốt) ra đất và đến điện cực đồng (catốt). Sự mất đi các ion kim loại (Fe++
Y = (85,44 – 2,45.10
)
ở anốt sẽ làm cho điện cực thép bị ăn mòn dần. Các nguyên nhân cơ bản ảnh
hưởng đến mức độ ăn mòn điện - hóa, đó là: mạch dẫn điện giữa các điện cực
thép và đồng, điện áp hình thành giữa các vật liệu, tỷ lệ giải phóng và hấp thụ
ion của anốt với catốt và điện trở của môi trường điện phân (đất). Cường độ ăn
mòn sẽ cao trong các trường hợp [4]: điện trở suất của đất giảm (bảng 2), khi đất
có tính axít hoặc bazơ cao (bảng 3), khi độ ẩm lớn và độ thoáng khí giảm. Nhìn
chung, đất có tính a xít, ẩm ướt, lẫn nhiều tạp chất hữu cơ yếm khí, có màu đen
thì có tính ăn mòn cao. Ngược lại , loại đất có cấu trúc dạng hạt khô, ráo, ít tạp
chất hữu cơ, màu sáng, độ rỗng lớn thường ít ăn mòn kim loại. Nghiên cứu của
Văn phòng Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ về tỷ trọng ăn mòn của thép chôn trong đất
đã công bố [4]:
-3.X1 + 7,37.X2 + 0,86.X3 + 0,31.X4).10-3
+ Y là tỷ trọng ăn mòn hàng năm (mm/năm)
(2)
Với:
+ X1
+ X2 là độ pH
là điện trở suất đất (Ω.cm)
+ X3 là độ ẩm (%)
+ X4 là độ thoáng khí (%)
Thực nghiệm cũng cho thấy, tỷ lệ ăn mòn trung bình của 12 năm tiếp theo chỉ
bằng 50% so với 12 năm đầu, mức độ ăn mòn ở các năm tiếp theo nữa là không đáng kể.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008
29
Bảng 2. Mức độ ăn mòn kim loại của đất
Bảng 3. pH và độ ăn mòn kim loại
Điện trở suất (Ωm)
Tỷ trọng ăn mòn (mm/năm)
Tính chất của đất
Độ pH
Mức độ ăn mòn
<25
Ăn mòn nghiêm trọng (>0,331)
Axít đậm đặc
<4,5
Ăn mòn cao nhất
26÷50
Ăn mòn vừa (0,0229÷0,305)
Axít rất mạnh
4,5÷5,0
51÷100
Ăn mòn yếu (0,102÷0,229)
Axít mạnh
5,1÷5,5
>100
Ăn mòn rất yếu (<0,102)
Axít vừa
5,6÷6,0
Axít yếu
6,1÷6,5
Trung tính
6,6÷7,3
Ít ăn mòn nhất
Bazơ yếu
7,4÷7,8
Bazơ vừa
7,9÷8,4
Bazơ mạnh
8,5÷9,0
Bazơ rất mạnh
>9,1
Ăn mòn cao
Ví dụ: Tính toán đường kính ÐCNÐ bằng thép, biết tr ước điện trở suất đất
2.500ρ=
Ω.cm, độ pH = 7, độ ẩm là 30%, độ thoáng khí 15%, DÐNM chạm đất
N(1)
I 10=
KA, hệ số phân dòng S f = 1, hệ số tắt dần D f
k2=
= 1, hệ số phát triển công
suất .
Bảng 4. Kích thước tối thiểu của điện cực nối đất
Điện cực nối đất
TCN18:2006
TCVN 4756 :1989
DIN VDE
0141
IED
621-2A
Vật liệu
Hình dáng
+ Đồng
dây trần
-
50mm
25mm
2
2
+ Thép mạ
dây trần
φ10mm
50mm
50mm
2
2
kẽm nhúng thanh dẹt 48mm278mm
/
dày 4mm -
2
nóng 70µm
cọc tròn
φ 10mm φ 20mm
-
hình L
dày 4mm
-
-
+ Thép không dây trần φ 10mm - -
mạ thanh dẹt 48mm
2
-
/
dày 4mm -
cọc tròn φ 10mm - -
hình L
dày 4mm
-
-
+ Thép mạ đồng cọc tròn - φ 15mm -
Từ thông số cho trước có thể tính được :
Iđ = Df . Sf . k . IN(1)
974,1
1
974,1
t
K.IA
fđ
15,95 . 20 ==
= 1 . 1 . 2 . 10 = 20KA
Từ (1) tính được tiết diện điện cực:
= 161,6 mm2
Nếu điện cực hình tròn thì bán kính là r = 7,2 mm. Từ (2) tính được tỷ trọng ăn
mòn của điện cực:
Y = (85,44 – 2,45.10-3.2500 + 7,37.7 + 0,86.30 + 0,31.15).10-3 = 0,161 mm/năm
Với đời sống dự án là 25 năm, hệ số an toàn là 150% thì độ ăn mòn của điện cực là:
Y∑ = (12 . 0,161 + 0,5 . 12 . 0,161). 1,5 = 4,35 mm
Như vậy, bán kính tối thiểu của điện cực là:
r = 7,2 + 4,35 = 11,55 mm
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008
30
Do đó, ta phải chọn điện cực có bán kính r = 12 mm, tiết diện A = 452 mm2
* Bố trí điện cực trong TBNÐ
của công trình điện: Hình dáng và
cách bố trí điện cực ảnh hưởng đến giá
trị điện trở tản của TBNÐ (R
.
Để giảm sự ăn mòn kim loại, người ta thường mạ kẽm hoặc mạ đồng cho các
điện cực thép, hay dùng biện pháp bảo vệ catốt. Trong thực tế, các tiêu chuẩn kỹ thuật
đã quy định kích thước tối thiểu của các loại ÐCNÐ (như bảng 4) để tiện sử dụng.
đ), điện
áp tiếp xúc (Utx) và điện áp bước (Ub).
Cọc nối đất có tác dụng làm giảm
nhanh Rđ, nhưng không giảm U tx và
Ub. Ngược lại, lưới nối đất có phân bố
điện thế bằng phẳng hơn nên làm giảm
Utx, Ub nhưng ít tác dụng làm giảm
Rđ. Lợi dụng đặc điểm này, ng ười ta
thường bố trí các điện cực dạng ô lưới (dọc và ngang) cho toàn bộ diện tích trạm (kéo
dài ra ngoài hàng rào khoảng 1m) để san bằng điện thế. Còn để giảm điện trở Rđ, ta ưu
tiên bố trí cọc nối đất dọc theo chu vi của lưới nối đất và ở các vị trí nối đất của trung
tính MBA, kim thu sét, chống sét van… Nếu TBNÐ vẫn chưa thỏa mãn yêu cầu về R đ,
ta mới bổ sung thêm cọc nối đất xen kẽ vào các ô lưới. Để bớt ảnh hưởng của hiệu ứng
màn che, cần đảm bảo khoảng cách giữa các điện cực nằm ngang không lớn hơn 5m,
khoảng cách giữa các cọc nối đất (a) không nhỏ hơn chiều dài của nó (l), tỷ số a/l lý
tưởng vào khoảng (1÷3) [1]. Đối với TBNÐ thực hiện nhiệm vụ nối đất làm việc, thì
lưới nối đất có tác dụng tốt hơn điện cực cọc trong việc tạo mạch dẫn cho dòng điện trở
về. Còn với nhiệm vụ tản dòng điện sét, điện cực phẳng có điện cảm nhỏ nên sẽ có tổng
trở nối đất xung kích sẽ nhỏ, việc tăng diện tích lưới nối đất không có tác dụng đến việc
tản dòng điện sét. Hình dáng của lưới nối đất càng giống hình vuông thì càng dễ đạt yêu
cầu về Rđ
3. Các giải pháp giảm điện trở của TBNÐ
và giảm chi phí do tổng chiều dài điện cực sẽ bé nhất. Mô tả hình dáng
TBNÐ của TBA thông thường như hình 4.
Điện trở tản của TBNÐ chủ yếu phụ thuộc vào điện trở tiếp xúc giữa điện cực
với đất và điện trở của vùng đất xung quanh điện cực. Thực tế, người ta làm giảm các
yếu tố trên bằng cách tăng cường ĐCNĐ và cải thiện điện trở suất đất.
* Giảm điện trở nối đất theo cách tăng cường điện cực: Bằng cách bổ sung vào
TBNĐ cũ các điện cực hoặc các lưới nối đất mới, theo hướng ưu tiên sử dụng điện cực
chôn sâu từ (10÷30)m, ta có thể giảm được điện trở nối đất. Điệ n cực 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. Phương pháp tăng cường điện cực chôn sâu
có thể giảm được đến 40% giá trị điện trở nối đất. Tuy nhiên, không phải cứ tăng chiều
dài điện cực là có thể giảm được điện trở nối đất. Kinh nghiệm cho thấy, ở một khu vực
Hình 4. Mô tả TBNĐ cho TBA.