Kü thuËt cao ¸p. Bé m«n: N¨ng l−îng ®iÖn
Tr−êng §¹i häc Kü ThuËt c«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn. http://www.ebook.edu.vn 1
Ch−¬ng VI
Nèi ®Êt trong hÖ thèng ®iÖn
§ 6-1. Kh¸i niÖm chung:
T¸c dông cña nèi ®Êt lµ ®Ó t¶n dßng ®iÖn vµ gi÷ møc ®iÖn thÕ thÊp trªn c¸c vËt
®−îc nèi ®Êt. Trong hÖ thèng ®iÖn cã ba lo¹i nèi ®Êt kh¸c nhau:
Nèi ®Êt lµm viÖc: nhiÖm vô cña lo¹i nèi ®Êt nµy lµ ®¶m b¶o sù lµm viÖc b×nh
th−êng cña thiÕt bÞ hoÆc cña mét sè bé phËn cña thiÕt bÞ theo chÕ ®é lµm viÖc ®· ®−îc
quy ®Þnh s½n. Lo¹i nèi ®Êt nµy gåm cã nèi ®Êt ®iÓm trung tÝnh m¸y biÕn ¸p trong hÖ
thèng cã ®iÓm trung tÝnh n«Ý ®Êt, nèi ®Êt cña m¸y biÕn ¸p ®o l−êng vµ cña kh¸ng ®iÖn
dïng trong bï ngang trªn c¸c ®−êng d©y t¶i ®iÖn ®i xa.
Nèi ®Êt an toµn (b¶o vÖ) : cã nhiÖm vô ®¶m b¶o an toµn cho ng−êi khi c¸ch ®iÖn
bÞ h− háng, thùc hiÖn nèi ®Êt an toµn b»ng c¸ch ®em nèi ®Êt mäi bé phËn kim lo¹i b×nh
th−êng kh«ng mang ®iÖn (vá m¸y, thïng m¸y biÕn ¸p, m¸y c¾t ®iÖn, c¸c gi¸ ®ì kim
lo¹i, ch©n sø...). Khi c¸ch ®iÖn bÞ h− háng, trªn c¸c bé phËn nµy sÏ xuÊt hiÖn ®iÖn thÕ
nh−ng do ®· ®−îc nèi ®Êt nªn gi÷ ®−îc møc ®iÖn thÕ thÊp... do ®ã ®¶m b¶o an toµn cho
ng−êi khi tiÕp xóc víi chóng.
Nèi ®Êt chèng sÐt: Nèi ®Êt chèng sÐt nh»m t¶n dßng ®iÖn sÐt trong ®Êt( khi cã
sÐt ®¸nh vµo cét thu sÐt hoÆc trªn ®−êng d©y) ®Ó gi÷ cho ®iÖn thÕ t¹i mäi ®iÓm trªn th©n
cét kh«ng qu¸ lín... do ®ã h¹n chÕ ®−îc c¸c phãng ®iÖn ng−îc tíi c«ng tr×nh cÇn b¶o
vÖ.
MÆc dÇu hai lo¹i trªn kh«ng liªn quan nhiÒu ®Õn ph¹m vi cña gi¸o tr×nh n¸y
nh−ng còng cÇn tr×nh bµy s¬ l−îc bëi v× chóng cã dïng chung mét sè c«ng thøc vµ
ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n vµ ®«i khi cïng mét bé phËn nèi ®Êt ®ång thêi lµm nhiÖm vô cña
nhiÒu lo¹i ®Êt kh¸c nhau.
BÊt kú lo¹i nèi ®Êt nµo còng ®Òu cã c¸c ®iÖn cùc ch«n trong ®Êt vµ ®−îc nèi víi
vËt cÇn ®−îc nèi ®Êt. §iÖn cùc th−êng dïng lµ lo¹i cäc s¾t ch«n th¼ng ®øng hoÆc thanh
dµi ®Æt n»m ngang trong ®Êt. Trong tr−êng hîp tæng qu¸t, s¬ ®å thay thÕ cña nèi ®Êt
gåm ®iÖn trë t¸c dông r vµ ®iÖn c¶m L cña b¶n th©n ®iÖn cùc ( lÊy theo ®¬n vÞ dµi), ®iÖn
trë t¶n R cña m«i tr−êng ®Êt xung quanh ®iÖn
cùc vµ ®iÖn dung C cña ®iÖn cùc ®èi víi n¬i cã
thÕ b»ng kh«ng cña ®Êt.
Trong mäi tr−êng hîp ®Òu cã thÓ bá
qua ®iÖn trë t¸c dông r v× nã rÊt bÐ so víi trÞ sè
®iÖn trë t¶n, ®ång thêi còng kh«ng cÇn xÐt ®Õn
phÇn ®iÖn dung C v× ngay c¶ trong tr−êng hîp
H×nh6 -1
S¬ ®å thay thÕ cña nèi ®Êt.
I L
Kü thuËt cao ¸p. Bé m«n: N¨ng l−îng ®iÖn
Tr−êng §¹i häc Kü ThuËt c«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn. http://www.ebook.edu.vn 2
sãng xung kÝch, dßng ®iÖn dung còng rÊt nhá so víi dßng ®iÖn qua ®iÖn trë t¶n. C¸c
tham sè con t¹i ( L, R) phô thuéc vµo rÊt nhiÒu yÕu tè vµ t¸c dông cña chóng còng tuú
thuéc vµo c¸c ®iÒu kiÖn tÝnh to¸n cô thÓ. NÕu thay thÕ ®iÖn trë t¶n R b»ng ®iÖn dÉn g
theo ®¬n vÞ dµi cña ®iÖn cùc g = 1
Rl −
⎛
⎝
⎜l lµ chiÒu dµi cña ®iÖn cùc
)
th× s¬ ®å thay thÕ
®¬n gi¶n cña nèi ®Êt sÏ cã d¹ng tham sè ph©n bè ( h×nh 6-1).
Khi dßng ®iÖn ®i vµo bé phËn nèi ®Êt vµ nÕu tèc ®é biÕn thiªn cña dßng ®iÖn
theo thêi gian rÊt lín th× trong thêi gian ®Çu ®iÖn c¶m sÏ ng¨n c¶n kh«ng cho dßng
®iÖn ®i tíi c¸c phÇn cuèi cña ®iÖn cùc khiÕn cho ®iÖn ¸p ph©n bè kh«ng ®Òu... trong
thêi gian vÒ sau ¶nh h−ëng cña ®iÖn c¶m mÊt dÇn vµ ®iÖn ¸p sÏ ph©n bè ®Òu ®Æn h¬n.
Thêi gian cña qu¸ tr×nh qu¸ ®é nãi trªn phô thuéc bµo h»ng sè thêi gian
TLgl≡2 (6-1)
(
T tû lÖ víi trÞ sè ®iÖn c¶m tæng
L
t vµ ®iÖn dÉn tæng gl = 1
R cña ®iÖn cùc
)
.
Tõ biÓu thøc (6-1) cho thÊy, khi dßng ®iÖn t¶n trong ®Êt lµ dßng ®iÖn 1 chiÒu
hoÆc xoay chiÒu tÇn sè c«ng nghiÖp, ¶nh h−ëng cña L kh«ng ®¸ng kÓ vµ bÊt kú h×nh
thøc nèi ®Êt nµo ( th¼ng ®øng hoÆc n»m ngang) còng ®Òu biÓu thÞ bëi trÞ sè ®iÖn trë t¶n.
Khi dßng ®iÖn t¶n trong ®Êt lµ dßng ®iÖn sÐt, tham sè biÓu thÞ cña nèi ®Êt tuú
thuéc vµo t−¬ng quan gi÷a h»ng sè thêi gian T vµ thêi gian ®Çu sãng dßng ®iÖn. Khi
T
< τ ds th× tíi lóc cÇn xÐt (khi dßng ®iÖn ®¹t trÞ sè cùc ®¹i) qu¸ tr×nh qu¸ ®é ®· kÕt thøc
vµ nèi ®Êt thÓ hiÖn nh− mét ®iÖn trë t¶n. Tr−êng hopù nµy øng víi c¸c h×nh thøc nèi ®Êt
dïng cäc hoÆc thanh ngang cã chiÒu dµi kh«ng lín l¸m ... vµ ®−îc gäi lµ nèi ®Êt tËp
trung.
NÕu ®iÖn cùc dµi, h»ng sè thêi gian cã thÓ ®¹t tíi møc τ ds vµ t¹i thêi ®iÓm dßng
®iÖn ®¹t trÞ sè cùc ®¹i, qu¸ tr×nh qu¸ ®é ch−a kÕt thóc vµ nh− ®· ph©n tÝch vÌ t¸c dông
cña ®iÖn c¶m, nèi ®Êt sÏ thÓ hiÖn nh− mét tæng trë Z cã trÞ sè rÊt lín so víi trÞ sè ®iÖn
trë t¶n. Tr−êng hîp nµy ®−îc gäi lµ nèi ®Êt ph©n bè dµi.
§iÖn trë t¶n cña nèi ®Êt phô thuéc vµo kÝch th−íc h×nh häc, c¸ch bè trÝ ®iÖn cùc
vµ phô thuéc ®Æc tÝnh dÉn ®iÖn cña nèi ®Êt biÓu thÞ bëi trÞ sè ®iÖn trë suÊt cña nã. Ngoµi
ra cßn ph©n biÖt trÞ sè ®iÖn trë t¶n xoay chiÒu ( R hoÆcR ) vµ ®iÖn trë t¶n xung kÝch (
Rxk). §iÖn trë t¶n xoay chiÒu dïng trong c¸c tÝnh to¸n vÒ nèi ®Êt lµm viÖc vµ nèi ®Êt an
toµn, trong tr−êng hîp nµy do mËt ®é dßng ®iÖn t¶n trong ®Êt bÐ nªn c−êng ®é ®iÖn
tr−êng trong ®Êt ( E = iρ; − mËt ®é dßng ®iÖn ; ρ − ®iÖn trë suÊt cña ®Êt) ch−a ®¹t tíi
møc ®Ó cã thÓ g©y nªn phãng ®iÖn trong ®Êt.
Kü thuËt cao ¸p. Bé m«n: N¨ng l−îng ®iÖn
Tr−êng §¹i häc Kü ThuËt c«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn. http://www.ebook.edu.vn 3
§èi víi nèi ®Êt chèng sÐt, v× mËt ®é dßng ®iÖn sÐt t¶n trong ®Èt rÊt lín, tr−êng
t¨ng cao vµ dÉn ®Õn qu¸ tr×nh phãng ®iÖn trong ®Êt,... t−¬ng ®−¬ng víi viÖc t¨ng kÝch
th−íc ®iÖn cùc vµ t¨ng ®iÖn dÉn cña ®Êt khiÕn cho ®iÖn trë t¶n xung kÝch ( Rxk) cã trÞ sè
thÊp h¬n so víi ®iÖn trë t¶n xoay chiÒu.
§Êt lµ mét m«i tr−êng rÊt phøc t¹p vµ kh«ng ®ång nhÊt vÒ thµnh phÇn còng nh−
vÒ cÊu t¹o. C¸c phÇn cÊu thµnh chñ yÕu cña ®Êt gåm c¸c h¹t nhá gèc h÷u c¬ hoÆc v« c¬
vµ n−íc. §iÖn dÉn cña ®Êt ë tr¹ng th¸i kh« còng nh− cña n−íc nguyªn kh«ng ®¸ng kÓ.
Nh−ng nÕu trong ®Êt cã c¸c lo¹i muèi, axÝt chóng sÏ hoµ tan thµnh dung dÞch ®iÖn ph©n
lµm cho ®Êt trë thµnh m«i tr−êng dÉn ®iÖn. Nh− vËy ®iÖn trë suÊt cña ®Êt phô thuéc
nhiÒu vµo thµnh phÇn ho¸ häc vµ ®é Èm cña ®Êt.
§é Èm cña ®Êt kh«ng nh÷ng chØ phô thuéc vµo l−îng m−a vµ c¸c vïng n−íc ë
gÇn mµ cßn phô thuéc vµo kÝch th−íc h¹t ®Êt, h¹t cµng bÐ th× n¨ng lùc gi÷ Èm cµng tèt.
C¸c lo¹i ®Êt th−êng gÆp lµ lo¹i ®Êt c¸t, ®Êt sÐt, ®Êt mïn. §Êt c¸t cÊu t¹o bëi c¸c
h¹t th¹ch anh ®−êng kÝnh 0,2 ÷ 2mm, cã rÊt Ýt c¸c dung dÞch ®iÖn ph¶n vµ n¨ng lùc gi÷
Èm kÐm. §Êt sÐt còng cã gèc v« c¬ gßm nh÷ng h¹t rÊt nhá, mÞn ®−êng kÝnh kho¶ng vµi
phÇn ngµn milimÐt vµ ë thÓ keo. Trong ®Êt sÐt cã nhiÒu thµnh phÇn muèi vµ axÝt vµ v×
cã n¨ng lùc gi÷ Èm tèt nªn ®iÖn dÉn cña nã lín h¬n nhiÒu so víi c¸t. §Êt mïn còng cã
cÊu t¹o thÓ keo, kh¶ n¨ng gi÷a Èm lín vµ cã nhiÒu dung dÞch ®iÖn ph©n. Kh¸c víi ®Êt
sÐt, ®Êt mïn cã gèc h÷u c¬ vµ bë.
Khi c¸t bÞ Èm, ®iÖn trë gi¶m rÊt nhanh vµ gi¶m tíi møc ®iÖn trë cña n−íc khi
n−íc ®Çy kÝn c¸c lç xèp. §Êt sÐt vµ ®Êt mïn bÞ Èm sÏ t¹o nªn c¸c dung dÞch ®iÖn ph©n
khiÕn cho ®iÖn trë suÊt cña ®Êt cã thÓ gi¶m thÊp h¬n so víi ®iÖn trë cña n−íc.
TrÞ sè gÇn ®óng cña ®iÖn trë suÊt cña mét sè lo¹i ®Êt trong ®iÒu kiÖn tù nhiªn
cho ë b¶ng 6-1.
B¶ng 6-1
TrÞ sè ®iÖn trë suÊt cña c¸c lo¹i ®Êt
Lo¹i ®Êt §iÖn trë suÊt, Ωm
C¸t 400 vµ lín h¬n
§Êt c¸t 300
§Êt thÞt 100
§Êt sÐt 60
§Êt ®en 50
Than bïn 20
N−íc s«ng 10 ÷ 50
Kü thuËt cao ¸p. Bé m«n: N¨ng l−îng ®iÖn
Tr−êng §¹i häc Kü ThuËt c«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn. http://www.ebook.edu.vn 4
Trong n¨m do ®iÒu kiÖn khÝ t−îng thay ®æi lµm cho nhiÖt ®é cña ®Êt, hµm l−îng
vµ thµnh phÇn cña h¬i Èm trong ®Êt vµ ®é b·o hoµ cña chóng ë c¸c tÇng ®Êt kh¸c nhau
còng thay ®æi. Do ®ã ®iÖn trë suÊt cña ®Êt biÕn ®æi trong ph¹m vi réng, trÞ sè trong mïa
m−a vµ mïa kh« cã thÓ kh¸c nhau xa. Trong tÝnh to¸n thiÕt kÕ vÒ nèi ®Êt, trÞ sè ®iÖn trë
suÊt cña ®Êt dùa theo kÕt qu¶ ®o l−êng thùc ®Þa ( c«ng t¸c do l−êng ®−îc tiÕn hµnh
trong mïa m−a vµo lóc t¹nh r¸o) vµ sau ®ã ph¶i hiÖu chØnh theo hÖ sè mïa K (b¶ng 19-
2) nh»m t¨ng c−êng an toµn:
ρ
ρ
tt d K
=
. (6-2)
B¶ng 6-2
C¸c sè liÖu vµ hÖ sè mµn K
Lo¹i nèi ®Êt H×nh thøc nèi ®Êt Bé ch«n s©u (m) HÖ sè mïa K
Nèi ®Êt lµm N»m ngang 0,5 1,5 ÷ 6,5
viÖc vµ nèi 0,8 1,6 ÷ 3
®Êt an toµn Th¼ng ®øng 0,8 1,4 ÷ 2
Nèi ®Êt N»m ngang 0,5 1,4 ÷ 1,8
chèng sÐt 0,8 1,2 ÷ 1,45
Th¼ng ®øng 0,8 1,15 ÷ 1,30
Khi ®o, nÕu ®Êt kh« r¸o sÏ lÊy hÖ sè mïa theo giíi h¹n d−íi vµ nÕu ®Êt Èm sÏ lÊy
theo giíi h¹n trªn.
Tõ b¶ng sè thÊy r»ng, ®èi víi nèi ®Êt lµm viÖc vµ nèi ®Êt an toµn ph¶i chän c¸c
hÖ sè mïa lín v× nã lµm viÖc quanh n¨m vµ trÞ sè ρ t¨ng rÊt cao trong mïa kh«. HÖ sè
mïa lín cßn phô thuéc vµo ®é ch«n sau cña nèi
®Êt, ®iÖn cùc ch«n cµng s©u th× ¶nh h−ëng do sù
thay ®æi thêi tiÕt cµng bÞ h¹n chÕ.
Khi nghiªn cøu qu¸ tr×nh phãng ®iÖn
trong ®Êt cã thÓ dïng h×nh 6-2: c¸c tia löa
phãng ®iÖn ph¸t triÓn chung quanh ®iÖn cùc
h×nh thµnh khu vùc cã ®iÖn trë suÊt b»ng kh«ng
vµ c−êng ®é tr−êng ë bÒ mÆt cã trÞ sè b»ng
c−êng ®é phãng ®iÖn trong ®Êt ( E0).
H×nh6 -2
H×nh thµnh tia löa ®iÖn
trong vïng ®Êt chung
quanh ®iÖn cùc
E ≥ E0
I
Kü thuËt cao ¸p. Bé m«n: N¨ng l−îng ®iÖn
Tr−êng §¹i häc Kü ThuËt c«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn. http://www.ebook.edu.vn 5
Khi ®Êt kh« r¸o, qu¸ tr×nh phãng ®iÖn x¶y ra men theo c¸c khe r·nh cña ®Êt tøc
lµ khe hë khÝ, do ®ã c−êng ®é tr−êng phãng ®iÖn ( E0) kh«ng phô thuéc vµo thµnh phÇn
ho¸ lý cña ®Êt vµ ®¹t ®−îc trÞ sè gÇn
thèng nhÊt gi÷a c¸c lo¹i ®Êt kh¸c nhau.
Khi ®Êt Èm c−êng ®é tr−êng phãng ®iÖn
t¨ng theo l−îng Èm trong ®Êt vµ cã thÓ
®¹t trÞ sè lín h¬n so víi khi ®Êt kh« do
c−êng ®é phãng ®iÖn xung kÝch cña
n−íc lín h¬n so víi khÝ.
§iÖn trë suÊt cña vïng ®Êt bªn
ngoµi khu vùc tia löa ®iÖn còng bÞ gi¶m
thÊp d−íi t¸c dông cña tr−êng. H×nh 19-
3 cho c¸c ®−êng cong biÓu thÞ sù gi¶m
thÊp t−¬ng ®èi cña ®iÖn trë suÊt xung
kÝch cña ®Êt vµ cña n−íc lµm Èm ®Êt
theo c−êng ®é tr−êng ë thêi ®iÓm cùc
®¹i cña sãng. §Ó ®−îc ®¬n gi¶n trong
tÝnh to¸n, quan hÖ nµy ®−îc tuyÕn tÝnh
ho¸ trong ph¹m vi trÞ sè tr−êng E = 0 vµ
E = E0 vµ biÓu thÞ bëi ph−¬ng tr×nh:
(
)
ρ
ρ
xk EK=−1 (6-3)
§èi víi c¸c lo¹i ®Êt c¸t, ®Êt sÐt
vµ ®Êt mïn th«ng th−êng, hÖ sè K biÕn thiªn trong ph¹m vi 0,01 ÷ 0,05.
§ 6-2. TÝnh to¸n vÒ nèi ®Êt.
1. TrÞ sè ®iÖn trë t¶n xoay chiÒu cña c¸c h×nh thøc nèi ®Êt th«ng th−êng.
§Ó cã kh¸i niÖm vÒ c¸ch tÝnh to¸n ®iÖn trë t¶n cña nèi ®Êt cã thÓ xÐt tr−êng hîp
®¬n gi¶n nhÊt lµ tr−êng hîp ®iÖn cùc h×nh b¸n cÇu (H×nh 19-4).
Dßng ®iÖn ch¹m ®Êt I ®i qua n¬i sù cè sÏ t¹o nªn ®iÖn ¸p gi¸ng trªn bé phËn nèi
®Êt U = I, R lµ ®iÖn trë t¶n cña nèi ®Êt. §iÖn trë t¶n cña líp ®Êt giíi h¹n bëi c¸c mÆt
®¼ng thÕ b¸n kÝnh r vµ r + dr cã trÞ sè:
dR dr
r
r
rdr
=+
∫22
π
Tõ ®ã tÝnh ®−îc ®iÖn trë t¶n cña nèi ®Êt h×nh b¸n cÇu cã b¸n kÝnh r0 .
H×nh6 -3
Quan hÖ
()
ρ
ρ
xk fE= ë mét thêi ®iÓm
lds s
=
=
÷
μ
23
1.N−íc cã ρ =70Ω.m; 2. C¸t cã ρ =450Ωm;
3. C¸t cã ρ =300Ωm; 4. §Êt sÐt cã ρ =70Ω.m;
5. . §Êt sÐt cã ρ =300Ω.m; 6. §Êt mïn ρ =300Ωm
7. §Êt mïn ρ =3000Ωm
0 2 4 6 8 10 12 kv/cm
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
1
2
3
4
6
5
7