Hệ thống nối đất trạm biến áp: Thiết kế lưới, Điện áp tiếp xúc và Kiểm tra

A hệ thống nối đất trạm biến áp là hệ thống lưới các dây dẫn ngầm, cọc nối đất hoặc điện cực, liên kết thiết bị, kết cấu, hàng rào, dây trung tính, lớp bọc cáp và xử lý bề mặt nhằm cung cấp một đường dẫn được kiểm soát cho dòng sự cố và dòng sét, đồng thời hạn chế điện áp bước và điện áp chạm nguy hiểm. Hệ thống nối đất tốt không đạt được bằng cách chỉ theo đuổi một giá trị điện trở thấp đơn lẻ. Thiết kế phải xem xét dòng điện lưới tối đa, thời gian sự cố, điện trở suất và cấu trúc phân lớp của đất, tải nhiệt của dây dẫn, hình học của lưới, tiềm năng truyền dẫn, khả năng con người tiếṕp xúc, sự ăn mòn và thời gian tác động của thiết bị bảo vệ. Cần phải có một nghiên cứu về nối đất đủ năng lực và tuân thủ tiêu chuẩn chi phối của dự án trước khi thi công.

Những gì hệ thống lưới tiếp địa phải đạt được

Trong sự cố chạm đất, dòng điện đi vào hệ thống nối đất và nâng lưới trạm biến áp lên cao hơn đất từ xa. Sự tăng điện thế lưới này là không thể tránh khỏi; nhiệm vụ an toàn là giữ cho các chênh lệch điện áp mà một người có thể bắc qua nằm trong tiêu chuẩn thiết kế và đảm bảo các dây dẫn sống sót qua sự cố. Việc nối đất các bộ phận dẫn điện để lộ giúp giữ chúng ở gần một điện thế chung, trong khi hình học chôn ngầm và vật liệu bề mặt định hình độ dốc điện áp.

Tiêu chuẩn IEEE 80 cung cấp hướng dẫn về an toàn trong việc nối đất trạm biến áp AC. Phiên bản hiện hành và các yêu cầu địa phương phải được xác nhận cho từng dự án. Các dự án dựa trên tiêu chuẩn IEC có thể sử dụng các phương pháp khác. Lưới có khoảng cách được sao chép hoặc một quy tắc như “một cọc ở mỗi góc” không phải là một thiết kế.

Các bộ phận chính của hệ thống nối đất trạm biến áp

Các đầu vào cần thiết cho một nghiên cứu hệ thống tiếp địa

Mô hình điện trở suất của đất

Đo điện trở suất của đất theo các khoảng cách đầu dò và vị trí địa điểm phù hợp. Một kết quả đo không thể mô tả được nền đất phân lớp, nhiều đá, đất san lấp, đất ướt hoặc thay đổi theo mùa. Nghiên cứu chuyển đổi dữ liệu hiện trường thành mô hình đất và ghi nhận mức độ không chắc chắn. Các phép đo được thực hiện sau khi đưa vật liệu san lấp dẫn điện vào hoặc trong điều kiện độ ẩm bất thường có thể không đại diện cho khu vực cuối cùng.

Dòng điện sự cố và thời gian cắt

Việc tính toán dòng điện lưới không đơn giản là định mức ngắn mạch của thiết bị đóng cắt. Nó xem xét phần dòng sự cố chạm đất đi vào lưới, các đường dẫn về qua dây chống sét trên không, dây trung tính, vỏ cáp, hệ thống nối đất lân cận, và vị trí sự cố. Thời gian cô lập sự cố của thiết bị bảo vệ ảnh hưởng đến cả sự gia tăng nhiệt độ của dây dẫn và giới hạn tiếp xúc cho phép. Sử dụng các nghiên cứu về ngắn mạch và bảo vệ đã được phê duyệt.

Hình học và mức độ phơi nhiễm của khu đất

Cung cấp hàng rào, cổng, đường giao thông, nhà điều khiển, móng thiết bị, mương cáp, đường ray, đường ống, tuyến viễn thông, đường dây đến, các công trình lân cận và các khu vực tiếp cận công cộng. Điện áp tiếp xúc và bước ở chu vi có thể quyết định thiết kế ngay cả khi các giá trị gần thiết bị chính nằm trong giới hạn cho phép.

Điện áp chạm, điện áp bước, điện áp lưới, và điện áp truyền dẫn

Điện áp tiếp xúc là hiệu điện thế mà một người có thể tạo ra giữa một vật thể được nối đất và bề mặt dưới bàn chân. Điện áp bước là hiệu điện thế bề mặt giữa hai bước chân. Điện áp lưới là điện áp tiếp xúc được tính toán trong một lưới nối đất. Thế năng chuyển dời xảy ra khi một dây dẫn, lớp giáp, ống dẫn, đường ray hoặc dây trung tính mang điện thế của trạm biến áp đến một vị trí khác—hoặc truyền một điện thế từ xa vào trạm.

Điện thế truyền dẫn đòi hỏi phải đánh giá mặt phân cách, không chỉ là tính toán lưới cục bộ. Ống nước kim loại, lớp bọc cáp viễn thông, dây trung tính hạ thế, hàng rào kéo dài và tủ điện từ xa có thể tạo ra các đường truyền bất ngờ. Các biện pháp cách ly, liên kết, bảo vệ chống sét lan truyền hoặc kiểm soát độ chênh điện thế phải được thiết kế kỹ thuật cho hệ thống thực tế.

Quy trình thiết kế

1. Xác định vị trí, các tiêu chuẩn quản lý, tiêu chuẩn an toàn, các kịch bản sự cố và các khu vực có thể tiếp cận.
2. Đo điện trở suất đất và xây dựng mô hình đất hợp lý.
3. Xác định dòng điện lưới và thời gian cắt từ các nghiên cứu hệ thống.
4. Chọn vật liệu và kích thước dây dẫn cho các yêu cầu về nhiệt, cơ học, chống ăn mòn và tuổi thọ.
5. Tạo hình học lưới ban đầu xung quanh thiết bị, công trình, hàng rào và các vị trí vận hành.
6. Mô hình hóa độ tăng điện thế lưới tiếp địa và điện áp tiếp xúc, điện áp bước, điện áp lưới.
7. Sửa đổi khoảng cách dây dẫn, thanh dẫn, kiểm soát chu vi, vật liệu bề mặt và các mối nối ở những nơi không đáp ứng tiêu chí.
8. Xem xét các điện thế truyền dẫn, chống sét, dây trung tính, vỏ cáp và các tiện ích công cộng lân cận.
9. Phát hành bản vẽ thi công phối hợp, chi tiết liên kết, thông số kỹ thuật vật liệu và các điểm kiểm tra.
10. Kiểm tra hệ thống đã lắp đặt trước khi lấp đất và tiến hành các thử nghiệm vận hành đã định.

Chi tiết nối đất thiết bị

Các máy biến áp, bộ tản nhiệt khi cần thiết, tủ đấu dây, khung thiết bị đóng cắt, tay quay thao tác, hộp cáp, thiết bị chống sét van, kết cấu thép, thép nhà điều khiển, máng cáp kim loại, hàng rào, cổng và các hệ thống phụ trợ cần có các mối nối đẳng thế được xác định rõ ràng. Một chuỗi nối tiếp đơn lẻ có thể làm cho các thiết bị hạ nguồn phụ thuộc vào một mối nối duy nhất; các hạng mục quan trọng có thể yêu cầu hai kết nối độc lập tới các điểm khác nhau của lưới tiếp địa.

Các kết nối nối đất trung tính mang dòng điện của hệ thống trong các sự cố cụ thể và không được coi là các liên kết thiết bị thông thường. Tuy tuyến đường, vị trí biến dòng (CT), các đường song song và kết nối với lưới điện của chúng đều ảnh hưởng đến hệ thống bảo vệ. Cần phối hợp bố trí trung tính của máy biến áp, điện trở hoặc cuộn kháng nối đất, điện tự dùng trạm và trung tính hạ áp (LV) với nghiên cứu bảo vệ.

Chất lượng xây dựng trước khi lấp đất

Lưới tiếp địa ngầm trở nên khó kiểm tra khi các công tác xây dựng tiến triển. Thiết lập các điểm dừng kỹ thuật (hold points) đối với độ sâu và hướng đi của cáp dẫn, phương pháp kết nối, lắp đặt cọc tiếp địa, các điểm giao diện với móng, vị trí ống chờ (riser), tính tương thích vật liệu, và hồ sơ hình ảnh. Bảo vệ cáp dẫn khỏi hư hại do công tác bê tông và đào đất. Giữ cho các mối nối sạch sẽ và thực hiện bằng quy trình đạt chuẩn.

Cập nhật tọa độ hoàn công khi tuyến thay đổi xung quanh móng hoặc công trình ngầm. Bản vẽ thể hiện thiết kế nhưng không thể hiện sai lệch thực tế hiện trường sẽ làm giảm hiệu quả kiểm tra trong tương lai và an toàn khi đào bới. Ghi lại mọi điểm kiểm tra có thể tiếp cận và nhãn liên kết thiết bị.

Đưa vào vận hành và đánh giá tình trạng

Quá trình chạy thử có thể bao gồm kiểm tra trực quan, kiểm tra tính liên tục của lưới và các mối nối thiết bị, xác minh đường đi của dây dẫn trước khi lấp đất, đo đạc đất hoặc hệ thống, và kiểm tra độ toàn vẹn chuyên1 môn. Phép đo bằng kẹp đơn giản tại một mối nối không chứng minh được độ an toàn của toàn bộ lưới. Các phương pháp kiểm tra, giới hạn, phun dòng điện, đầu đo từ xa và cách giải thích phụ thuộc vào hệ thống và tiêu chuẩn.

EPRI đã nghiên cứu đánh giá tình trạng hệ thống lưới nối đất trạm biến áp, phản ánh khó khăn trong việc đánh giá các hệ thống bị chôn ngầm. Trong quá trình vận hành, cần kiểm tra tình trạng ăn mòn, các mối nối cổng mềm bị đứt, hư hỏng do thi công, thiết bị được lắp thêm nhưng chưa nối đất, các mối nối lỏng có thể tiếp cận được, sự thay đổi của hàng rào và các cải tạo công trình dân dụng. Cần xem xét lại nghiên cứu khi mức sự cố, thời gian dập tắt sự cố, diện tích chiếm đất, đất, hoặc các hệ thống kim loại được kết nối thay đổi đáng kể.

Giải thích các số đo một cách có trách nhiệm

Kết quả kiểm tra phụ thuộc vào các đường dẫn hiện tại, vị trí đầu dò, dây trung tính và vỏ bọc được kết nối, tình trạng đất, nhiễu và phương pháp đo. Hãy so sánh các kết quả đọc với mô hình nghiên cứu và các thử nghiệm trước đó được thực hiện trong các điều kiện tương tự. Một giá trị bất ngờ nên kích hoạt việc đánh giá lại cài đặt và cấu hình lưới trước khi tiến hành đào đất. Ngược lại, một phép đo điện trở tổng thể đạt yêu cầu không thể khép lại một lỗi liên quan đến việc đứt mối nối thiết bị hoặc độ dốc vành đai không an toàn.

Nối đất và an toàn cho người lao động

Lưới nối đất cố định không loại bỏ sự cần thiết phải cách ly, xác nhận không có điện và nối đất bảo vệ tạm thời trong quá trình làm việc. Nó cũng không đảm bảo điện áp bằng không trong các sự cố. Theo OSHA, tài liệu về an toàn điện cung cấp bối cảnh quy định tại Hoa Kỳ. Các thao tác chuyển mạch, vùng làm việc đẳng thế, điện áp cảm ứng và nối đất tạm thời đòi hỏi các quy trình dành riêng cho từng công trường.

Những lỗi tiếp đất phổ biến

• Sử dụng điện trở nối đất làm tiêu chí nghiệm thu duy nhất.
• Giả sử đất đồng nhất mà không có các đo đạc hiện trường đầy đủ.
• Sử dụng định mức sự cố thiết bị làm dòng điện lưới mà không cần phân tích phân chia dòng điện.
• Bỏ qua hàng rào, cổng, các bảng điều khiển từ xa, đường ống, vỏ cáp và dây trung tính hạ thế (LV neutrals).
• Thay đổi tuyến cáp dẫn trong quá trình thi công xây dựng mà không có đánh giá kỹ thuật.
• Chôn các mối nối trước khi kiểm tra và có bằng chứng chụp ảnh.
• Thêm thiết bị vào sau mà không cập nhật các mối nối (bonds) và nghiên cứu nối đất.
• Giả sử lớp đá bề mặt giữ lại vĩnh viễn các tính chất điện ban đầu của nó.

Thông tin nối đất cho trạm biến áp hợp bộ đóng gói sẵn

Đối với trạm biến áp lắp sẵn hoặc trạm biến áp gọn, nhà cung cấp phải xác định các điểm liên kết vỏ, liên kết thùng máy biến áp, liên kết thiết bị đóng cắt trung/hạ thế, kết nối trung tính, kết nối khiên cáp, kích thước dẫn điện bên trong và giao diện với lưới điện bên ngoài. Kỹ sư dự án vẫn chịu trách nhiệm tích hợp gói thiết bị vào nghiên cứu hệ thống nối đất của công trường.

Xem xét của Thần Hằng Trạm biến áp ngoài trời nhỏ gọn 11/33 kV. Các trang lập kế hoạch bổ sung bao gồm hướng dẫn thiết kế móng trạm biến áp gọn (hoặc hướng dẫn móng trạm biến áp hợp bộ), thử nghiệm đóng điện trạm biến áp, và Danh mục kiểm tra bảo trì trạm biến áp.

Video giáo dục: điện áp bước và điện áp tiếp xúc

Video giáo dục độc lập này minh họa hiện tượng nối đất, điện áp bước và điện áp tiếp xúc. Đây mang tính chất khái niệm và không thay thế cho một nghiên cứu về hệ thống nối đất.

Ranh giới chấp nhận: Hệ thống nối đất sau khi hoàn thành phải được nghiệm thu đối với nghiên cứu kỹ thuật, các bản vẽ đã được phê duyệt, yêu cầu về vật liệu và kết nối, công tác kiểm tra thi công, hồ sơ hoàn công và các thử nghiệm được chỉ định. Một mục tiêu chung chung được sao chép từ một trạm biến áp khác không thể tính đến điều kiện đất đai, sự phân chia dòng sự cố, thời gian cắt, các khu vực có thể tiếp cận hoặc điện áp truyền của trạm này. Các sai lệch chưa được giải quyết đòi hỏi phải có sự xử lý kỹ thuật trước khi đóng điện.

Câu hỏi thường gặp về hệ thống nối đất trạm biến áp

Điện trở nối đất trạm biến áp bao nhiêu là tốt?

Không một giá trị điện trở đơn lẻ nào chứng minh được sự an toàn. Thiết kế phải đáp ứng các yêu cầu về điện áp chạm, điện áp bước, nhiệt độ và yêu cầu của dự án đối với điều kiện sự cố và đất thực tế.

Tại sao đá dăm lại được sử dụng trong các trạm biến áp?

Một lớp bề mặt có điện trở suất cao phù hợp có thể làm tăng điện trở tiếp xúc bàn chân và giảm dòng điện chạy qua cơ thể, nhưng các tính chất vật liệu, độ dày, độ ẩm, sự ô nhiễm và việc bảo trì đóng vai trò quan trọng.

Mọi thiết bị đều cần hai kết nối tiếp địa phải không?

Các yêu cầu phụ thuộc vào hạng mục, tiêu chuẩn, thực tiễn của chủ sở hữu và mục tiêu độ tin cậy. Các thiết bị chính thường sử dụng nhiều đường dẫn có chủ đích; bản vẽ phải xác định chúng.

Khi nào nên cập nhật nghiên cứu nối đất?

Cập nhật khi dòng sự cố, thời gian cắt, hình học trạm, thiết bị, hàng rào, điều kiện đất đai hoặc các hệ thống kim loại được kết nối thay đổi đáng kể.

Kiểm tra tính liên tục có thể chứng minh lưới điện an toàn không?

Không. Nó xác nhận các đường dẫn điện đã chọn nhưng tự nó không chứng minh được hiệu suất của đất, sự phân bố dòng điện hoặc điện áp bước và điện áp chạm có thể chấp nhận được.