BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Trung Phương

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ GIẢI PHÁP
GIẢM ĐIỆN TRỞ CÁC VÙNG CÓ ĐIỆN TRỞ SUẤT CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

Hà Nội – Năm 2012


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi thực hiện, các số liệu tính toán được sử
dụng trong luận văn và các kết quả nghiên cứu hoàn toàn trung thực và chưa được
công bố trong các công trình khác.

Hà Nội, tháng 3 năm 2012
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Trung Phương



b. Tinh theo phương pháp của Schwarz ............................................. 22
2.2.2. Hệ thống nối đất là một mạch vòng có cọc nối đất chôn dọc theo chu
vi ............................................................................................................... 23
a. Tính theo phương pháp của Nga .................................................... 23
b. Tinh theo phương pháp của Schwarz ............................................. 24
2.2.3. Hệ thống nối đất là lưới có cọc nối đất chôn dọc theo chu vi ............ 26
a. Tính theo phương pháp của Nga .................................................... 26
b. Tinh theo phương pháp của Schwarz ............................................. 27
2.2.4. Nhận xét và đánh giá phương pháp tính điện trở nối đất ................... 29
2.3. Tính toán điện trở nối đất theo phương pháp Schwarz cho thiết kế định hình
mẫu của Tổng Công ty điện lực Việt Nam ...................................................... 30
2.3.1. Tính trong trường hợp đất đồng nhất ................................................ 30
2.3.2. Tính trong trường hợp đất không đồng nhất ..................................... 34
2.3.3. Nhận xét về các thiết kế định hình trạm biến áp ............................... 36
2.4. Nối đất an toàn theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE80 ......................................... 37
2.4.1. Điện trở cơ thể người ....................................................................... 37
2.4.2. Phản ứng của cơ thể con người đối với dòng điện xoay chiều hình sin
tần số công nghiệp ..................................................................................... 38
2.4.3. Tính điện áp bước và điện áp tiếp xúc cho phép ............................... 39
2.4.4. Phương pháp và trình tự tính toán .................................................... 44
2.4.5. Tính toán điện trở nối đất cho mẫu thiết kế định hình kiểu 2 theo tiêu
chuẩn ANSI/IEEE 80 ................................................................................ 45
Chương 3: Biện pháp giảm điện trở cột điện đường dây ở vùng có điện trở suất
cao ........................................................................................................................ 50
3.1. Tính toán điện trở tiếp địa đường dây 220kV Tràng Bạch - Hoành Bồ ..... 50
3.1.1. Tính toán cho loại tiếp địa RS4x30-4 ................................................ 51
3.1.2. Tính toán cho loại tiếp địa RS2x30-4 ................................................ 53
3.1.3. Nhận xét ........................................................................................... 54
3.2. Các biện pháp giảm điện trở các cột đường dây ....................................... 55

dông trung bình là 250 giờ/năm. Trên nền hoạt động dông tương đối mạnh này có
độ chênh lệch khá lớn về mức độ hoạt động dông ở các vùng. Có những nơi có số
giờ dông nhỏ như Cam Ranh (55 giờ/năm), bên cạnh đó lại có khu vực đạt số giờ
dông tới 489 giờ/năm như ở A Lưới. Có thể giải thích sự chênh lệch này bởi nhiều
yếu tố khác nhau trong đó có sự phân chia lãnh thổ bởi những dãy núi cao có hướng
khác nhau, có tác dụng tăng cường hoạt động dông ở vùng này và hạn chế hoạt
động dông ở vùng khác. Những vùng hoạt động dông mạnh là những vùng có nhiễu
động khí quyển mạnh mẽ và có địa hình thuận lợi cho việc hình thành các dòng
thăng.
Ngoài tác dụng có lợi của dông như mang lại lượng nước mưa, khả năng
cung cấp nitrat của phóng điện sét đem lại cho nông nghiệp nguồn đạm phong phú,
dông sét còn gây ảnh hưởng tiêu cực lên kinh tế xã hội. Dông có thể gây lụt lội
(những đợt dông front kéo dài), sét thường xuyên là hiểm họa gây thiệt hại về người
và của. Trong thập kỷ gần đây, rất nhiều công trình, đường dây tải điện, kho tàng,
các thiết bị ngành bưu chính viễn thông, thiết bị nghiên cứu khoa học, thiết bị điện
tử đã bị sét đánh hỏng gây thiệt hại rất lớn; ngoài thiệt hại về kinh tế, sét còn gây
thiệt hại về người, gây tâm lý hoang mang ở một số địa phương như xã Cổ Dũng
(Hải Dương), huyện Đông Anh (Hà Nội), Đồng bằng sông Cửu Long.v.v… và gây
nên những sự cố trong vận hành Hệ thống điện.
Trong lĩnh vực phòng chống sét hầu hết Việt Nam sử dụng các thiết bị phòng
chống sét nhập ngoại. Nhiều loại máy móc thiết bị phòng chống sét được tung ra
trên thị trường. Hiệu quả của nhiều phương pháp mới còn chưa rõ ràng, thậm chí
nhiều kết quả còn đem lại hậu quả không mong muốn. Nhiều công ty nước ngoài
quảng cáo thiết bị với tài liệu kỹ thuật chứa đựng những thông tin không tin cậy
mang nhiều tính chất quảng cáo. Quy phạm chống sét đang sử dụng đã có những

-1-


điểm lạc hậu cần tiến hành rà soát sửa đổi, công tác tư vấn cần đẩy mạnh hơn.



2. Lựa chọn phương pháp tính trị số điện trở nối đất của trạm biến áp.
3. Biện pháp giảm điện trở cột điện đường dây ở vùng có điện trở suất cao.
Để hoàn thành luận văn này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sự hướng dẫn và chỉ
bảo tận tình của thầy giáo Phó giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Đình Thắng, các thầy cô
giáo trong bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin chân
thành cảm ơn các thầy cô giáo trung tâm bồi dưỡng và Đạo tạo sau đại học trường
Đại học Bách khoa Hà Nội.
Do thời gian có hạn vấn đề nghiên cứu có liên quan đến nhiều lĩnh vực và
chưa hiểu biết nhiều nên luận văn còn nhiều hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong
được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô, các chuyên gia và bạn bè đồng nghiệp để
đề tài này được hoàn thiện hơn.

Hà Nội, ngày tháng 3 năm 2012
Tác giả
Nguyễn Trung Phương

-3-


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CÁC TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG
DÂY THUỘC KHU VỰC TRUYỀN TẢI ĐIỆN QUẢNG NINH QUẢN LÝ
1.1. Giới thiệu khái quát về lưới điện thuộc khu vực truyền tải điện Quảng
Ninh quản lý.
Hệ thống lưới truyền tải điện Việt Nam hiện nay đang đóng một vai trò rất
quan trọng trong hệ thống điện Việt Nam. Hiện tại Việt Nam đang mua điện từ
Trung Quốc thông qua 02 đường 110kV Móng Cái, 02 đường 220kV Hà Khẩu
Tuyên Quang và xuất khẩu sang nước bạn Lào. Với hệ thống lưới điện rộng lớn,

b. Đối với những vùng đất đá lởm chởm và có điện trở suất lơn hơn 500m
được xác định vào thời gian bất lợi nhất trong năm, việc nối đất các thiết bị điện
phải áp dụng các biện pháp quy định trong điều I.7.41 tài liệu [7]. Trong trường
hợp sử dụng các biện pháp do không hợp lý về phương diện kinh tế thì cho phép
tăng trị số điện trở nối đất quy định trong quy phạm lên 0,001[] lần nhưng
không được lớn hơn 5.
1.2.2. Các quy định về nối đất trạm biến áp.
a. Bảo vệ chống sét đánh thẳng vào trạm biến áp và các thiết bị ngoài trời
thường được sử dụng kim chống sét bố trí trên cao như các cột pooctick và cột đèn
pha chiếu sáng được coi như là cột chống sét.
b. Dây chống sét của đường dây tải điện trên không có điện áp 110kV trở lên
thường được nối vào kết cấu nối đất của hệ thống phân phối ngoài trời (trạm biến
áp). Dây chống sét của đường dây trên không được nối vào kết cấu nối đất của hệ
thống phân phối ngoài trời khi điện trở suất tương đương của đất đo mùa sét đến
750m - không phụ thuộc vào diện tích mạch vòng dây nối đất của trạm, lớn hơn
750÷ 1000m khi diện tích mạch vòng nối đất của trạm 10000m2 trở lên. Dây
chống sét của đường dây trên không nếu không cho phép kéo vào trạm thì dừng lại
ở cột cuối đường dây. Đoạn đường dây trên không cho vào trạm không có dây
chống sét thì được bảo vệ bằng kim thu sét bố trí trong trạm, trên cột đường dây
trên không hoặc gần đường dây trên không. Chỗ nối dây nối đất của các kết cấu có
kim thu sét hay dây thu sét vào hệ thống nối đất chung của trạm phải cách chỗ nối
của máy biến áp (cuộn kháng) ít nhất 15m tính theo vành đai nối đất chính.
c. Trang bị nối đất của thiết bị điện có điện áp lớn hơn 1000V trong mạng điện
có trung tính nối đất hiệu quả phải đảm bảo trị số điện trở nối đất và trị số điện áp

-5-


tiếp xúc cũng như điện áp trên trang bị nối đất. Những yêu cầu này không được áp
dụng cho các trang bị nối đất các cột điện đường dây tải điện trên không.

Đến 10

2

Trên 100 đến 500

15

3

Trên 500 đến 1000

20

4

Trến 1000 đến 5000

30

5

Trên 5000

6.10-3

-6-


1.3. Các phương pháp thường được sử dụng để giảm điện trở nối đất.

Nếu lớp đất trên bề mặt có điện trở suất cao hoặc có độ dẫn điện kém nhưng
có chiều dày không lớn (khoảng 20cm) thì việc giảm chỉ số tiếp địa có thể áp dụng
các giải pháp sau:
- Đào đất xung quang cực nối đất với bán kính từ 1,5÷2m, độ sâu bằng chiều dài
cọc nối đất cộng thêm với độ chôn sâu (khoảng 0,8m).
- Sau khi đặt cực tiếp đất, lấp đầy hố bằng đất tự nhiên có điện trở suất thấp hơn rồi
tưới nước, đầm chặt. Với hệ thống tiếp đất gồm nhiều cực nối đất thì tiến hành nối
các thanh liên kết cực khi hố chưa lấp đất.
Loại đất sử dụng để lấp hố là loại đất có điện trở suất nhỏ hơn điện trở suất
của đất gốc nơi đặt hệ thống tiếp đát từ 5÷10 lần, ví dụ hệ thống tiếp địa đặt trong
đất cát hoặc đá thì có thể sử dụng đất sét, than bùn, đất đen, đất pha sét .v.v… tưới
nước, đầm chặt lấp đầy hố.
1.3.3. Giảm điện trở suất đất bằng muối ăn
Dùng muối ăn để cải tạo độ dẫn điện của đất làm trị số điện trở suất của đất
giảm nhanh trong điều kiện đất ẩm. Thời gian đầu khi đổ muối trị số điện trở suất
đất giảm chậm bởi muối ăn chưa ngấm vào đất, khoảng 1 năm mới ổn định đối với
vùng đất cát, đất rời. Độ ổn định của lớp đất có muối có trong đất phục thuộc vào
thành phần cấu tạo của đất, độ ẩm, số lượng và mức độ các trận mưa…, ở những
vùng mưa nhiều thời gian định kỳ cải tạo bổ sung muối phải rút ngắn lại.
Khi sử dụng muối ăn làm cho các bộ phận của nối đất bị ăn mòn dẫn đến
giảm tuổi thọ của hệ thống tiếp đất, đồng thời muối dễ bị các mạch nước ngầm rửa
trôi làm cho giá trị điện trở nối đất không ổn định.
1.3.4. Bổ sung thêm hệ thống tiếp đất
Nếu trong trường hợp ta đã sử dụng nối đât tự nhiên hoặc không nhưng trị số
điện trở nối đất vẫn không đảm bảo theo quy phạm hiện hành thì chúng ta có thể bổ
sung thêm hệ thống nối đất cũ bằng hệ thống nói đất mới có thể là các tia kéo dài
đến vùng có điện trở suất thấp hơn hoặc tăng chiều dài thanh cọc nối đất đến lớp đất
phía dưới có điện trở suất nhỏ hơn.
1.3.5. Sử dụng hóa chất để làm giảm điện trở suất cục bộ


tuổi thọ của hệ thống đất do GEM tạo thành dạng rắn bao quanh lấy điện cực làm
giảm sự ăn mòn điện hoá từ môi trường đất. GEM không bị biến đổi và phân huỷ

-9-


theo thời gian do đó không cần bảo trì hoặc thay thế. Không cần sự hiện diện
thường xuyên của nước để duy trì tính dẫn điện. Dễ dàng sử dụng, có thể sử dụng ở
dạng khô hay ướt. Có thể trộn lẫn với xi măng, đất đá, bùn than đẻ tạo bề mặt tiếp
xúc lớn và giảm kích thước hệ thống nối đất khi các phương pháp tiếp đất truyền
thống không thực hiện được. Đặc điểm của hoá chất giảm điện trở đất:
-Cấu tạo dạng bột, màu xám đen.
-Bền vững không cần bảo trì (không bị ăn mòn do phản ứng với muối hay hoá chất).
-Điện trở suất của GEM: 12 Ω cm, dẫn điên tốt hơn cả nước biển và không cần sự
hiện diện của nước để duy trì tính dẫn điện.
- Không độc hại, không gây ô nhiễm môi trường. Đáp ứng tiêu chuẩn EPA (tổ chức
bảo vệ môi trường của Mỹ).
1.4. Nhận xét
Qua tổng quan về hệ thống nối đất các trạm biến áp và đường dây thuộc khu
vực Truyền tải điện Quảng Ninh quản lý đề tài đã đi nghiên cứu các phương pháp
và biện pháp giảm điện trở nối đất cho trạm biến áp và cột đường dây như sau:
1. Lựa chọn phương pháp tính trị số điện trở nối đất của trạm biến áp và đánh giá
chỉ tiêu an toàn của hệ thống lưới nối đất theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE80.
2. Biện pháp giảm điện trở cột điện đường dây ở vùng có điện trở suất cao và đánh
giá chỉ tiêu chống sét cho đường dây trước và sau khi bổ sung tiếp địa cột điện.

- 10 -


CHƯƠNG 2

(2-2)

Trong đó:
-điện trở suất của đất (m);
S-diện tích mạch vòng nối đất (m 2);
d 1-đường kính lưới nối đất (m);
a. Khi hệ thống nối đất là một mạch vòng hình chữ nhật cạnh ha và hb thì điện trở
nối đất của hệ thống được tính theo công thức:

- 11 -


RHT =


KL2
ln
2L hd

(2-3)

Trong đó:
RHT-giá trị điện trở nối đất của hệ thống mạch vòng ();
-điện trở suất của đất (m);
L-chiều dài toàn bộ thanh nối, nếu là mạch vòng sẽ lấy chu vi (m);
d-đường kính thanh nối (m), nếu thanh nối dẹt thì đường kính thanh
nối được lấy bằng

b
, với b là bề rộng của thanh dẹt;

Để thuận tiện trong việc tính toán trên máy tính ta sử dụng chương trình
Microsofl Excel xác định hàm số gần tính gần đúng với các giá trị K cho ở bảng 2-1
a. Kết quả ta có:
a
b

2

a
b

K = 0,3393   - 0,0467   +5,1851

(2-4)

b. Khi hệ số nối đất là một mạng lưới
Để nghiên cứu ảnh hưởng của lưới nối đất tiến hành xác định RC của lưới với
số lượng ô lưới m (tính dọc theo cạnh chu vi) và tính với trường hợp giới hạn (toàn
bộ diện tích là một tấm kim loại). Trên cơ sở đó xác định được hệ số suy giảm AC.
Hệ số suy giảm AC phụ thuộc vào

d
S

và m.

RC = ACRmax

(2-5)



a
thay đổi vài lần thì chỉ làm cho trị số
S

điện trở nối đất thay đổi khoảng (2÷3)% và ảnh hưởng của đường kính cọc là không
đáng kể nên không xét đến yếu tố đó.

- 13 -


Dựa theo kết quả nghiên cứu người ta xác định được hệ số AMV phụ thuộc
vào

1
a
và .
l
S

RMV = AMVRmax

(2-6)

Hình 2-2. Hệ số suy giảm AMV
Qua hình 2-2 ta thấy rằng tỉ số

a
có ảnh hưởng rất lớn. Tỷ số này càng nhỏ
l


0,0625÷0,125 có thể xác định điện trở của lưới nối đất có cọc chôn dọc theo chu vi:
RMV-C = AMV-CRmax

(2-7)

- 14 -




1  AC 

C min 

AMV-C =  AMV   AMV  AMV min 
1 A


(2-8)

ACmin, AMVmin - hệ số của các giá trị số cực tiểu của điện trở nối đất (trường hợp khi
mà toàn bộ vùng đất giới hạn bởi diện tích A và các cọc là một lưới dây kín).
ACmin =

RC min
Rmax

AMVmin =


2l
A

(2-12)

Trong đó hệ số phụ Amin thuộc vào

l
A

Hình 2-3. Hệ số Amin
Theo hình 2-3 ta nhận thấy:
- Cọc dài có tác dụng làm giảm trị số điện trở nối đất của điện trở (Rmin) nhiều hơn
so với cọc ngắn.

- 15 -


- Lưới có tác dụng làm giảm trị số điện trở nối đất ứng với khi diện tích lớn. Do đó
với trạm có diện tích nhỏ để giảm điện trở nối đất nên dùng hình thức nối đất gồm
cả thanh nối và cọc. Đối với trạm có diện tích lớn thì ngược lại, nếu sử dụng hình
thức nối đất không cọc thì trị số giới hạn Rmin rất ít thay đổi nên khi đóng thêm cọc
cũng không làm cho điện trở nối đất giảm nhiều.
2.1.2. Phương pháp tính toán của Schwarz
Điện trở nối đất tương hỗ (Mutual resistance) giữa các điện cực nối đất: Khái
niệm này tương tự như khái niệm tổng trở sóng tương hỗ trong lý thuyết truyền
sóng. Xét trường hợp có 2 điện cực nối đất hình bán cầu có bán cầu có bán kính r1
và r2 chôn sát mặt đất.
a



(2-14)

Trong đó:
-điện trở suất của đất (m);
r1, r2-bán kính của điện cực 1 và điện cực 2 (m);
b. Khi các điệc cực cách nhau khoảng cách là a và có dòng điện I tản vào đất qua
điện cực 1 (hình 2-4) sẽ có:

- 16 -


- Thế trên điện cực 1 là: 2 =

I
2r1

(2-15)

- Thế trên điện cực 2 là: 2 =

I
2a

(2-16)

- Hệ số ngẫu hợp giữa các điện cực nối đất:
k=

 2 r1

R2r = R2 – R12 =

  1 1
  
2  r2 a 

(2-21)

Ở điện cực 2 chỉ xuất hiện điện thế mà không có dòng tản vào trong đất do
mạch hở.
c. Khi các điện cực 1, 2 ghép song song nhau thì điện trở nối đất của hệ hai điện cực
sẽ có trị số bằng:
R = R12 + (R1r // R2r)
R = R12 +

R1r R2r
R1r  R2 r

R = R12 +

( R1  R12 )( R2  R12 )
R1  R2  2 R12

R =

( R1 R12  R2 R12  2 R122  R1 R2  R1 R12  R2 R12  R122 )
R1  R2  2 R12

R =


dạng lưới nối đất. Điện trở nối đất của hệ thống gồm có tổ hợp của lưới nối đất (đặt
nằm ngang) có điện trở R1 và các điện cực (chôn thẳng đứng) có điện trở R2 và sẽ
nhỏ hơn điện trở riêng rẽ của từng thành phần nhưng vẫn lớn hơn gái trị điện trở tổ
hợp song song giữa chúng.
Điện trở nối đất ở công thức sau của hệ thống này được xác định bởi công
thức [Schwarz]:
R=

R1 R2  R122
R1  R2  2R12

Trong đó:
R- điện trở nối đất của hệ thống ();
R1-điện trở nối đất của lưới các điện cực chôn nằm ngang ();
R1 =


1   2l1 
 l1 
  K2 
ln    K1 
l1   h' 
 S


(2-26)

R2-điện trở nối đất của các điện cực chôn thẳng đứng ();
R2 =



`

(2-28a)


Tuy nhiên trong thực tế, khi tính toán một hệ thống nối đất chúng ta vẫn
mong muốn các cọc nối đất được đóng xuống sâu xuống lớp đất bên dưới, nơi có
điện trở suất nhỏ và ổn định hơn so với điện trở suất của lớp đất bên trên (2
l1-tổng chiều dài lưới nối đất (m);
l2-chiều dài trung bình của cọc nối đất (m);
h-độ chôn sâu của lưới nối đất (m);
h’-một kích thước phụ thuộc vào độ chôn sâu của lưới, h’= d 1h khi
lưới có độ chôn sâu h≠0 hoặc h’=0,5d 1 khi h = 0;
S-diện tích lưới nối đất (m 2);
n-số lượng cọc nối đất trong diện tích S;
K1, K2-các hệ số liên hệ đến cấu trúc hình học của lưới nối đất;
d 1-đường kính của lưới nối đất (m);
d 2-đường kính của cọc nối đất (m);

- 19 -


h a-chiều dài lưới nối đất (m);
h b-chiều rộng lưới nối đất (m);

Tỷ số chiều dài/chiều rộng

Hình 2-5. Hệ số K1
Đường A-độ chôn sâu 0≤h≤
Đường B-độ chôn sâu

1
S thì yA = -0,04x+1,41;
10

1
1
S ≤h≤