Thiết kế hệ thống tiếp địa, tính toán điện trở nối đất

 Trong tất cả các hệ thống cơ điện, hệ thống tiếp đất có chi phí không quá cao nhưng lại đóng vai trò cực kỳ quan trọng về mặt an toàn cho cả công trình cũng như người sử dụng. Do đó việc thiết kế nối đất cần được xem xét một cách cẩn trọng. Chúng ta cùng chia sẻ và thảo luận về vấn đề này nhé.

1-Tại sao phải nối đất? Tầm quan trọng của nối đất an toàn?

Như mọi người đã biết, trong mạng điện hạ áp có trung tính nối đất, tất cả các phần tử kim loại của các thiết bị bình thường không mang điện đều được nối với hệ thống nối đất bảo vệ. Tác dụng bảo vệ của hệ thống nối đất này được giải thích như sau:
Khi có sự ngắn mạch chạm masse, nếu vỏ thiết bị không được tiếp đất thì trên vỏ sẽ xuất hiện điện áp bằng điện áp pha. Nếu các dòng sự cố không có đường nào để truyền xuống đất thông qua một hệ thống nối đất được thiết kế và bảo trì đúng cách thì chúng sẽ tìm các con đường khó lường trước được, có thể bao gồm con người khi người tiếp xúc với nó.

 Nguyên lý bảo vệ nối đất

Trường hợp vỏ thiết bị được nối đất, thì giá trị điện áp tiếp xúc chỉ bằng độ rơi điện áp trên điện trở của hệ thống nối đất bảo vệ, nếu hệ thống nối đất bảo vệ có giá trị đủ nhỏ thì có thể đảm bảo được sự an toàn cho người khi tiếp xúc với vỏ thiết bị. Ngoài ra, một hệ thống nối đất tốt sẽ nâng cao độ tin cậy của thiết bị và giảm thiểu nguy cơ hư hại do sét đánh hoặc dòng sự cố.

 Tác dụng của nối đất an toàn

2-Thiết kế hệ thống nối đất:
2.1-Các kiểu nối đất:
Ở đây đang bàn về vấn đề thiết kế nối đất nên mình chỉ nói về nối đất nhân tạo thôi. Nối đất nhân tạo sử dụng để đảm bảo giá trị của điện trở nối đất nằm trong giới hạn cho phép và ổn định trong thời gian dài. Có 2 kiểu nối đất chính là nối đất tập trung và nối đất mạch vòng.

Đa phần các dự án Việt Nam được thiết kế nối đất tập trung. Một số các dự án của Singapore hoặc của tư vấn có liên quan đến Singapore thì em có thấy họ vẫn sử dụng nối đất mạch vòng. Không biết chỗ mấy bác như thế nào?

Nối đất tập trung: dùng nhiều cọc đóng xuống đất sau đó nối các cọc với nhau bằng thanh ngang hay cáp đồng. Khoảng cách giữa các cọc tối thiều phải bằng chiều dài cọc để tránh hiệu ứng màn che. Hiệu ứng màn che làm méo dạng vùng đẳng thế giữa hai điện cực, làm giảm khả năng tản của hệ thống nối đất.

 Hiệu ứng màn che 

Nối đất mạch vòng: các điện cực đặt theo chu vi công trình cần bảo vệ, cách mép móng từ 1-1.5m. Nối đất mạch vòng cũng có thể đặt ngay bên trong phạm vi công trình.

 Nối đất tập trung và nối đất mạch vòng

2.2-Xác định điện trở suất của đất:
Điện trở suất của đất là yếu tố chủ yếu quyết định điện trở tản của cực nối đất. Điện trở suất của đất phụ thuộc vào cấu tạo chất đất, độ ẩm của đất, nhiệt độ, các thành phần kim loại, muối, acid… có trong đất.

Để thiết kế hệ thống tiếp địa đáp ứng có điện trở theo yêu cầu, khâu xác định điện trở suất của đất là quan trọng nhất. Các dự án thiết kế M&E mà em làm thì chưa có dự án nào mà đơn vị khảo sát địa chất cung cấp cho bên em các thông số về điện trở suất của đất cả. Không biết có anh em thiết kế cơ điện nào đo thực tế khi thiết kế không nữa?

Để xác định điện trở suất của đất khi không có giá trị đo thực tế thông thường em làm như sau, các bác có cách nào hay thì comment chia sẻ bên dưới nhé.

Đầu tiên mình file báo cáo khảo sát địa chất của đơn vị khảo sát địa chất. Tùy theo mỗi công trình mà đơn vị khảo sát họ sẽ khoan khoảng 2-4 hố khoan. Vâng đây chính là cái mình cần đấy ạ. Đọc qua tài liệu khảo sát mình sẽ biết được sơ bộ các lớp đất ở khu vực công trình như: khu vực công trình có các loại đất gì? Độ dày, phân bố mỗi lớp như thế nào? Các thành phần khác có trong đất?

 Hố khoan khảo sát địa chất

Tuyệt đối không căn cứ mực nước ngầm để xác định điện trở suất của đất. Do trong thực tế mực nước ngầm dao động khá lớn, không thể lấy tiêu chí này để xác định điện trở suất của đất được.

Sau khi biết được thành phần đất và các thông số liên quan tạo công trình việc tiếp theo là lựa chọn giá trị điện trở đất theo ứng với từng trường hợp cụ thể.

 Bảng giá trị điện trở suất của đất

Đất là môi trường dẫn điện phức tạp, không đồng nhất về thành phần và cấu tạo, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, vì vậy khi tính toán nối đất thì người ta lấy: r tt = rđất x kmùa.

 Bảng hệ số thay đổi của điện trở đất theo mùa

Các tiêu chuẩn thiết kế tiếp đất:
Tiêu chuẩn về thiết kế hệ thống tiếp đất chủ yếu vẫn dùng 2 tiêu chuẩn bên dưới.:

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9358:2012 về Lắp đặt hệ thống nối đất thiết bị cho các công trình công nghiệp – Yêu cầu chung.
Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7447-5-54:2015 (IEC 60364-5-54:2011) về Hệ thống lắp đặt điện hạ áp – Phần 5-54: Lựa chọn và lắp đặt thiết bị điện – Bố trí nối đất và dây bảo vệ

2.3-Tính toán điện trở nối đất
Việc tính toán nối đất là để xác định số lượng cọc và thanh ngang cần thiết đảm bảo điện trở của hệ thống nối đất nằm trong giới hạn yêu cầu. Điện trở của hệ thống nối đất phụ thuộc vào loại và số lượng cọc tiếp địa, cấu trúc của hệ thống nối đất và tính chất của đất nơi đặt tiếp địa.

Thông thường người ta kết hợp hệ thống lưới nối đất ngang và các cọc tiếp địa thẳng đứng để đảm bảo độ ổn định của điện trở nối đất. Công thức này áp dụng cho trường hợp điện trở suất của đất là đồng nhất. (Trong thực tế cọc tiếp đất xuyên qua các lớp đất khác nhau, mỗi lớp lại có điện trở suất khác nhau).

Tính toán điện trở tản của hệ n cọc chôn thẳng đứng:
Điện trở tản của 1 cọc chôn cách 1 mặt đất 1 khoảng h được xác định bằng công thức sau:

 Trong đó:

ρ: điện trở tản của hệ thống gồm n cọc (Ωm)
L: chiều dài cọc (m)
d: đường kính cọc (m)
h: độ sâu chôn cọc (m)

Hệ thống gồm n cọc chôn thẳng đứng xác định bằng công thức sau:

 Trong đó:

Rc: điện trở tản của hệ thống gồm n cọc.
rc: điện trở tản của 1 cọc.
ηc: hệ số sử dụng ứng với n cọc chôn thẳng đứng.

Tính toán điện trở tản của hệ thanh (dây cáp) nằm ngang kết nối n cọc chôn thẳng đứng:
Điện trở tản của 1 than

 Trong đó:

ρ: điện trở tản của hệ thống gồm n cọc (Ωm)
L: chiều dài cọc (m)
d: đường kính cọc (m)
h: độ sâu chôn cọc (m)

Điện trở tản của hệ thống thanh (dây) nối đất đặt nằm ngang kết nối n cọc chôn thẳng đứng được xác định bằng công thức sau:

 Trong đó:

Rth: điện trở tản của hệ thống thanh (dây) nối đất đặt nằm ngang kết nối n cọc chôn thẳng đứng.
rt: điện trở tản của thanh (dây) nối đất đặt nằm ngang chưa xét đến hệ số sử dụng.
ηth: hệ số sử dụng của thanh (dây) nối đất đặt nằm ngang kết nối n cọc chôn thẳng đứng.

Tính toán điện trở tản của hệ thống thanh ngang (dây) và cọc:
Điện trở nối đất của hệ thống gồm n cọc chôn thẳng đứng và thanh (dây) kết nối đặt nằm ngang là:

 Trong đó:

RHT: điện trở tản của hệ thống thanh (dây) và cọc
Rc: điện trở tản của hệ cọc.
Rt: điện trở tản hệ thanh.

Phía dưới là bảng công thức tính điện trở nối đất tương ứng với các kiểu nối đất. Phần em khoanh màu đỏ là trường hợp hay thông dụng nhất cọc chôn thẳng đứng cách mặt đất 1 khoảng, dây cáp hoặc thanh liên kết các thanh các cọc lại.

 Ảnh hưởng của hiệu ứng màn che làm giảm khả năng tản dòng của các cọc đặt chôn gần nhau nên người ta đưa thêm hệ số sử dụng cọc, thanh vào khi tính toán. Bên dưới là bảng tra hệ số sử dụng của chôn thẳng đứng và thanh (dây) nối các cọc trong từng trường hợp cụ thể.

 2.4-Các lưu ý khi thiết kế hệ thống nối đất:

Vì mối quan hệ giữa điện trở nối đất với chiều dài cọc, đường kính cọc không tuyến tính nên khi thiết kế hệ thống nối đất cũng có vài điểm để anh em thiết kế cơ điện mình lưu ý.

Điện trở nối đất không giảm tuyến tính theo số lượng hay đường kính cọc, việc tăng số lượng cọc hay đường kính cọc cũng không làm giảm đáng kể điện trở của hệ thống nối đất, nhiều khi còn làm phát sinh chi phí không cần thiết.

Đường kính cọc tăng gần gấp đôi thì điện trở nối đất chỉ giảm được 12.5%. Đường kính cọc nối đất chủ yếu được lựa chọn theo độ bền cơ học để đảm bảo đóng xuống đất mà không bị cong hay gãy.

Điện trở nối đất thay đổi nhiểu khi chiều trong trường hợp cọc nối đất có chiều dài nhỏ hơn 6m. Khi chiều dài cọc lớn hơn 6m thì điện trở nối đất giảm không đáng kể.

Mối quan hệ giữa điện trở nối đất với đường kính và chiều dài cọc

2.5-Tính toán điện trở nối đất online:

Bên dưới là bảng tính điện trở nối đất của hệ thống online. Mọi người chỉ cần nhập các thông số như đã phân tích ở trên sẽ ra điện trở nối đất tổng của hệ thanh và cọc cho cả 2 trường hợp cọc đóng thành dãy hay đóng dạng mạch vòng.

Nếu kết quả không tự cập nhật mọi người nhấn vào Reset nhé!

Các bạn xem phần tính toán online tại link