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(mm 2 + 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 K f ở nhiệt độ môi trường 40 o Vật liệu C Điện dẫn Nh.độ nóng chảy T a ( o Hệ 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 (F e ++ 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 .X 1 + 7,37.X 2 + 0,86.X 3 + 0,31.X 4 ).10 -3 + Y là tỷ trọng ăn mòn hàng năm (mm/năm) (2) Với: + X 1 + 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 48mm 2 78mm / 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 : I đ = D f . S f . k . I N(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 mm 2 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 mm 2 * 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 (U tx ) và điện áp bước (U b ). Cọc nối đất có tác dụng làm giảm nhanh R đ , nhưng không giảm U tx và U b . Ngược lại, lưới nối đất có phân bố điện thế bằng phẳng hơn nên làm giảm U tx , U b nhưng ít tác dụng làm giảm R đ . Lợi dụng đặc điểm này, người 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 R đ , 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 R đ 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. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 31 cụ thể điện trở của điện cực giảm đến độ sâu nào đó, vào khoảng (20÷30)m thì không thay đổi nữa. Ngoài ra, gradien điện thế trên mặt đất của điện cực chôn sâu khá lớn, nhất là khu vực xung quanh điện cực. Cho nên, cần phải phối hợp sử dụng cả điện cực chôn sâu và điện cực ô lưới để đạt được đồng thời yêu cầu về điện trở tản và phân bố điện thế. Ở những nơi điều kiện địa chất không cho phép thực hiện theo phương pháp điện cực chôn sâu, ta có thể kéo dài lưới nối đất và bổ sung thêm nhiều cọc nối đất song song. Các tia điện cực được kéo dài thêm có thể đến (1÷2)km về hướng có điện trở suất nhỏ như khu vực có sông, suối, đồng ruộng Hạn chế lớn của giải pháp này là kết quả phụ thuộc nhiều vào điện trở suất lớp đất mặt, kết quả bị giới hạn do hiệu ứng màn che và chỉ có thể thực hiện ở khu vực có diện tích lớn. Về mặt kinh tế, giải pháp này có chi phí đầu tư không quá cao nên có thể chấp nhận được. * Giảm điện trở nối đất bằng cách giảm điện trở suất của đất: Theo kết quả thực nghiệm, trong khoảng 0,3m xung quanh điện cực, điện trở tản đạt 68% tổng điện trở tản của cả điện cực [2]. Nên việc làm giảm điện trở suất của vùng đất này sẽ có hiệu quả rất lớn trong việc giảm điện trở tản của ÐCNÐ. Nguyên tắc cơ bản của giải pháp này là làm giảm điện trở suất đất bằng cách thay lớp đất tự nhiên bằng loại đất có điện trở suất nhỏ hơn hoặc bổ sung các hóa chất để tạo môi trường dẫn điện tốt xung quanh điện cực. Giải pháp này được sử dụng ở những nơi đất khô cằn, có điện trở suất đất cao ( ρ > 500Ω.m) hoặc không thể thực hiện giải pháp bổ sung điện cực. Thực tế, có thể làm giảm điện trở suất đất bằng muối ăn, than chì, bentonite… Muối được đổ xung quanh cọc nối đất (0,5÷1)m, tuần tự thành từng lớp xen kẽ với đất, chiều dày mỗi lớp khoảng (2÷4)cm cho đến khi đạt khoảng 1/3 chiều dài cọc (hình 5), có thể làm giảm điện trở suất đất xuống (1,5÷2) lần với đất pha sét, (2,5÷4) lần với đất pha cát và (4÷8) lần với đất cát [1]. Tuy nhiên, khi dùng muối, điện cực sẽ dễ bị ăn mòn, muối bị tan theo nước mưa nên độ ổn định thấp. Hiện nay, người ta đã sử dụng các hoá chất có tác dụng làm giảm điện trở suất của đất như GEM (Grounding Enhancement Materials), EEC (Earth Enhancing Compound) , có cách xử lý như hình 6. Thành phần chính của các chất này là hỗn hợp các ôxít kim loại, không gây ô nhiễm môi trường, được pha trộn với các chất kết dính, có điện trở suất khoảng (10÷12)Ω.m. Các thử nghiệm tại hiện trường cho thấy có thể giảm kh oảng (50÷90)% điện trở suất đất khi dùng GEM, EEC. Phương pháp dùng hóa chất có thể Hình 5. Giảm điện trở TBNĐ bằng muối ăn Hình 6. Giảm điện trở TBNĐ bằng GEM TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 32 khắc phục các nhược điểm của giải pháp tăng cường điện cực và sử dụng muối, nhưng giá thành khá cao. Kết quả xử lý (bằng GEM) cũng chỉ ổn định trong vài năm đầu, sau đó có xu hướng tăng dần trong các năm tiếp theo. 4. Kết luận Vật liệu và kích thước ÐCNÐ ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành xây dựng và độ bền với thời gian, còn cách thức bố trí điện cực có tác dụng rất lớn đến hiệu quả làm việc của TBNÐ. Những sai sót về tính chọn và bố trí điện cực nối đất không chỉ làm tăng chi phí đầu tư mà có thể làm giảm hiệu quả của TBNÐ (tăng R đ [1] Tiêu chuẩn xây dựng TCXD 46:1984 Chống sét cho các công trình xây dựng - Tiêu chuẩn thiết kế và thi công, Nxb Xây dựng, Hà Nội. , gây phóng điện ngược…). Các giải pháp giảm bổ sung điện cực hoặc cải thiện điện trở suất của đất cho phép làm giảm điện trở tản của TBNÐ. Nhìn chung, kết quả của các giải pháp này có tính ổn định chưa cao nên người vận hành cần phải định kỳ kiểm tra và tiếp tục xử lý để TBNÐ luôn thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật. TÀI LIỆU THAM KHẢO [2] IEEE std. 142-1991 (1991), Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, USA. [3] IEEE std. 80-2000 (2000), IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, USA. [4] P.K. Sen, Keith Malmedal, John P. Nelson (2002), Steel grounding design giude and application notes, IEEE Rural Electric Power Conference, Colorado, USA. . 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. 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. 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