PHỤ LỤC A TRÌNH TỰ THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TIẾP ĐẤT A.1 Xác định điện trở suất của đất

TRÌNH TỰ THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TIẾP ĐẤT

Điện trở suất của đất có thể được xác định bằng phương pháp điện cực tiếp đất mẫu hoặc phương pháp 4 điện cực.

Từ kết quả đo điện trở tiếp đất của 1 cọc tiếp đất (ống hoặc thép góc) có thể xác định điện trở suất của đất theo công thức:

Trong đó:

R₀ - điện trở đo được của một cọc tiếp đất thẳng đứng, Ω.2

1 - chiều dài cọc tiếp đất (được chôn trong đất tính từ bề mặt đất), m.

d - đường kính ống cọc tiếp đất, m.

Trong trường hợp dùng thép góc thì trong công thức (A1) thay d = 0,95b.

b - chiều rộng của thép góc, m.2.

A.1.2 Phương pháp 4 điện cực

Điện trở suất của đất được xác định bằng phương pháp 4 điện cực Wenner và Schlumberger như sơ đồ hình A.1:

Phương pháp Wenner được thực hiện theo hình A.1a, khi đó điện trở suất của đất được xác định bằng công thức:

Trong đó:

a - khoảng cách giữa các điện cực, m.

R - giá trị điện trở chỉ ở trên đồng hồ, Ω.

- Phương pháp Schlumberger được thực hiện theo hình A.1b, khi đó điện trở suất của đất được xác định bằng công thức:

(A3)

1 = AB/2

Điện trở suất của đất phụ thuộc vào loại đất, độ rắn, độ ẩm, nhiệt độ và các chất hóa học có trong đất. Do đó điện trở suất của đất ở những vùng khác nhau sẽ thay đổi trong phạm vi rất rộng.

Độ ẩm và nhiệt độ của đất là các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến trị số điện trở suất của đất. Khi thiết kế và thi công hệ thống tiếp đất ta cần biết giá trị điện trở suất của đất lớn nhất ở độ sâu đến 10 m, nơi dự kiến trang bị hệ thống tiếp đất.

Nguyên tắc phổ biến nhất để xác định điện trở suất của đất là đo đạc trực tiếp. Vì điện trở suất của đất thay đổi theo thời gian nên để có được giá trị tính toán phải bổ sung hệ số mùa vào giá trị điện trở suất đo được.

Như vậy điện trở suất dùng trong tính toán hệ thống tiếp đất được xác định bằng:

ρ_tt = ρ_đo – k (A4)

Trong đó:

k - hệ số mùa

Trong trường hợp không có các số liệu đo đạc điện trở suất của đất, khi thiết kế các hệ thống tiếp đất thì có thể dùng các giá trị điện trở suất trung bình của đất như trình bày trong bảng A.1.

Bảng A.1: Điện trở suất trung bình của một số loại đất

Trong đó:

k_tb - hệ số mùa trung bình bằng 1,6

k - hệ số mùa

A.3 Tính toán điện trở tiếp đất

A.3.1 Lựa chọn loại điện cực tiếp đất

a) Nếu điện trở tiếp đất yêu cầu lớn hơn và bằng 30 Ω chọn loại điện cực tiếp đất là dây (dải) kim loại nằm ngang trong đất (còn gọi là dây hoặc dải tiếp đất nằm ngang).

b) Nếu điện trở tiếp đất yêu cầu là 15 đến 30 Ω thì chọn điện cực tiếp đất là loại cọc (ống) đóng thẳng đứng xuống đất (gọi là điện cực tiếp đất thẳng đứng).

c) Nếu điện trở tiếp đất yêu cầu < 15 Ω thì chọn điện cực tiếp đất là loại cực tiếp đất thẳng đứng chôn sâu và có nhiều cực.

Trong đó:

ρ - điện trở suất của đất, Ω.m.

l - chiều dài của cọc tiếp đất, m

h - khoảng cách từ mặt đất đến đầu phía trên của ống, m

d - đường kính của ống, m

Nếu dùng thép góc thì d được thay bằng 0,95b, m.

b - độ rộng thép góc, m

Căn cứ công thức A6: Để giảm nhỏ điện trở tiếp đất có thể tăng đường kính của ống hoặc là tăng chiều dài của ống. Nhưng qua tính toán và thực nghiệm người ta thấy rằng: d chỉ tăng được đến 6 cm, đường kính ống lớn hơn 6 cm điện trở tiếp đất giảm rất ít (hầu như không giảm).

Vì vậy đường kính của ống được chọn sao cho đảm bảo đủ độ bền cơ học và thường chọn:

d = (2,5 - 4) cm cho đất có độ rắn trung bình;

d = (4 - 6) cm trong đất cứng.

Chiều dài của ống cũng vậy, không được tăng quá 3 m, vì lúc đó điện trở tiếp đất giảm rất chậm.

Bảng A.2: Giá trị điện trở của cọc tiếp đất thép góc 40 mm x 40 mm x 4 mm đầu phía trên của nó được chôn sâu 0,7m.

Trong đó:

l - chiều dài của dải kim loại tiếp đất, m

b - bề rộng của dải tiếp đất, m

h - độ sâu của dải tiếp đất, m

ρ - điện trở suất của đất, Ω.m

- Nếu dải kim loại là dây dẫn có đường kính d thì trong công thức (A7), b thay bằng 2d (b = 2d).

- Dây tiếp đất nằm ngang thường được dùng là dây thép mạ kẽm đường kính 4 hoặc 5 mm, đặt ở độ sâu h ≥ 0,7 m.

- Chiều dài của thanh (dải) tiếp đất không được lớn hơn 12 m, vì lớn hơn 12 m giá trị điện trở tiếp đất giảm rất ít (theo kinh nghiệm).

- Điện trở của cực tiếp đất nằm ngang làm bằng đây thép 4 mm, chôn sâu 0,1 m tương ứng với giá trị ghi trong bảng A.3.

Bảng A.3: Điện trở tiếp đất của dây nằm ngang

Chiều dài tiếp đất	Điện trở tiếp đất, khi điện trở suất của đất, Ω.m
	10	25	50	80	300	500	1000
4	3,6	7,8	18	29	110	170	370
8	2,0	5,0	10	16	60	100	200
12	1,4	3,0	7	11	45	70	130

A.3.4 Điện trở tiếp đất của cực tiếp đất dạng vòng xuyến

A.3.4.1 Điện trở tiếp đất của cực tiếp đất dạng vòng xuyến bằng dải sắt được xác định bằng công thức (A8).

Vòng xuyến tiếp đất bằng dải sắt có bề rộng là b. Điện trở tiếp đất được xác định bằng công thức (A8):

Trong đó:

r - điện trở suất của đất, Ω.m

D - đường kính vòng xuyến, m

b - bề rộng của dải (vật liệu), m

h - độ sâu đặt tiếp đất, m.

Trong đó:

d - đường kính của dây, m

Hoặc bằng công thức (A10):

Trong đó:

l = π.D

l - Chu vi hình xuyến

Trong đó:

D - Đường kính của tấm tròn, m

A.3.5.2 Nếu cực tiếp đất dạng tấm tròn đặt ở độ sâu h (m) trong đất với điều kiện h > l/2D, thì điện trở tiếp đất được xác định bằng công thức (A12)

(A12)

Tiếp đất dạng tấm rất ít dùng vì phải đào nhiều đất.

Tùy theo địa hình, nơi đặt hệ thống tiếp đất và tùy theo giá trị tiếp đất yêu cầu mà kết cấu thiết bị tiếp đất bằng những cọc tiếp đất được đóng vào đất theo vòng tròn khép kín, hình chữ nhật, hình vuông, hoặc bố trí thành dãy.

Nếu là dây (dải) tiếp đất thì bố trí theo hình sao, hoặc nhiều tia (từ trung tâm tỏa đi nhiều tia).

Để giảm sự ảnh hưởng che chắn giữa các điện cực tiếp đất, yêu cầu khoảng cách giữa chúng không được nhỏ hơn 2 lần chiều dài của điện cực. Khoảng cách giữa các dãy điện cực không được nhỏ hơn một nửa chiều dài của dãy.

Điện trở của hệ thống tiếp đất có nhiều điện cực không hoàn toàn tuân theo quy luật nối song song các điện trở. Khi nối song song các tiếp đất giống nhau ta cần xét thêm các ảnh hưởng lẫn nhau của các tiếp đất, làm cho điện trở tiếp đất chung giảm không tỷ lệ thuận với số các tiếp đất giống nhau nối song song.

Điện trở tổng của hệ thống tiếp đất gồm nhiều ống như nhau, có điện trở giống nhau được nối song song bằng dây (dài) cách ly với đất, được xác định theo công thức thực nghiệm gần đúng (A13):

R_đ = R_o / n.η₁ Ω

Trong đó:

R_đ - điện trở của thiết bị tiếp đất.

R_o - điện trở tiếp đất của 1 cọc (ống).

n - số ống tiếp đất.

η₁ - hệ số sử dụng của các ống tiếp đất.

Việc sử dụng giá trị ở bảng A.4 hoặc A.5 tùy theo kết cấu của cọc hoặc ống.

Điện trở tổng của hệ thống tiếp đất gồm nhiều ống như nhau, có điện trở giống nhau được nối song song bằng dây trần hoặc dải không cách ly với đất được xác định theo công thức (A14) sau:

(A14)

Trong đó:

R_o1 - điện trở tiếp đất của một ống, Ω

^R_o2 - điện trở tiếp đất của một dây hoặc một dài nồi, Ω

η₂ - hệ số sử dụng của dây hoặc dải nối

n - số cọc (ống)

Hệ số sử dụng η₂ được lựa chọn theo các giá trị ghi trong bảng A.6 hoặc bảng A.7 tùy theo kết cấu của hệ thống tiếp đất.

Bảng A.4: Hệ số sử dụng η của hệ thống tiếp đất bằng ống hay thép góc, đặt thành hàng không xét ảnh hưởng của dây (dải) nối

Tỷ số khoảng cách giữa các ống (thép góc) với chiều dài của ống d/l	Số ống thép góc	η
1	2 3 5 10 15 20	0,84 ÷ 0,87 0,76 ÷ 0,8 0,67 ÷ 0,72 0,56 ÷ 0,62 0,51 ÷ 0,56 0,47 ÷ 0,5
2	2 3 5 10 15 20	0,9 ÷ 0,92 0,85 ÷ 0,88 0,79 ÷ 0,83 0,72 ÷ 0,77 0,66 ÷ 0,72 0,65 ÷ 0,70
3	2 3 5 10 15 20	0,93 ÷ 0,95 0,90 ÷ 0,92 0,85 ÷ 0,88 0,79 ÷ 0,83 0,76 ÷ 0,80 0,74 ÷ 0,79

Bảng A.5: Hệ số sử dụng η của hệ thống tiếp đất bằng ống hoặc thép góc, đặt theo khung khép kín không tính ảnh hưởng của dây (dải) nối

Tỷ số khoảng cách giữa các ống (thép góc) với chiều dài của chúng d/l	Số ống thép góc, n	Hệ số η
2	4 6 10 20 40 60 100	0,76 ÷ 0,80 0,71 ÷ 0,75 0,66 ÷ 0,71 0,61 ÷ 0,66 0,55 ÷ 0,61 0,52 ÷ 0,58 0,49 ÷ 0,55
3	4 6 10 20 40 60 100	0,84 ÷ 0,86 0,78 ÷ 0,82 0,74 ÷ 0,78 0,68 ÷ 0,73 0,64 ÷ 0,69 0,62 ÷ 0,67 0,59 ÷ 0,65

Bảng A.6: Hệ số sử dụng η₂ của dây hoặc dải nối các ống hay thép gócđặt thành hàng

Tỷ số khoảng cách giữa các ống (thép góc) với chiều dài ống d/l	Số ống (thép góc) trong 1 hàng n
	4	5	8	10	20	30	50	65
2	0,89	0,86	0,79	0,75	0,56	0,46	0,36	0,34
3	0,92	0,90	0,85	0,82	0,68	0,58	0,49	0,47

Bảng A.7: Hệ số sử dụng η₂ của dây (dải) nối các ống hay thép góc đặt thành khung kín

Tỷ số khoảng cách giữa các ống (thép góc) với chiều dài ống d/l	Số ống (thép góc) trong một khung kín
	4	6	8	10	20	30	50	70	100
2	0,55	0,48	0,43	0,40	0,32	0,30	0,28	0,26	0,24
3	0,7	0,64	0,6	0,56	0,45	0,41	0,37	0,35	0,33
	± 0,15	± 0,16	± 0,17	± 0,16	± 0,13	± 0,11	± 0,09	± 0,09	± 0,09

Bảng A.8: Hệ số sử dụng η của hệ thống tiếp đất nhiều tia

Chiều dài của tia, m	Số tia n
	3		4 (+)		6 (*)
	Đường kính của tia, cm
	1	2	1	2	1	2
2,5	0,65	0,74	0,63	0,61	0,50	0,48
5,0	0,78	0,76	0,67	0,65	0,53	0,51
10,0	0,81	0,79	0,70	0,69	0,57	0,55
15,0	0,82	0,80	0,72	0,70	0,59	0,57

A.3.9 Số điện cực tiếp đất được tính toán theo công thức A15

(A15)

Trong đó:

n - số điện cực (số ống) tiếp đất

R_o - điện trở tiếp đất của một điện cực (1 ống)

R - điện trở tiếp đất yêu cầu

η- hệ số sử dụng, được lấy bằng 0,8

A.3.10 Điện trở tiếp đất của hệ thống tiếp đất ở dạng nhiều tia hình sao được xác định bằng công thức (A16)

(A16)

Trong đó:

l - chiều dài của tia, m

d - đường kính dây, m

n - số tia

Hàm số N(n) được xác định bằng biểu thức:

Với n > 6 thì: N(n) = 3,414 n.l (n-1) - ln(n)

Giá trị N(n) phụ thuộc số tia n, được xác định trong bảng A.9.

Bảng A.9: Sự phụ thuộc của N(n) vào n

n	2	3	4	6	8	12	100
N(n)	0,7	1,53	2,45	4,42	6,5	11,0	11,6

A.3.11 Tính điện trở tiếp đất của điện cực tiếp đất trong đất không đồng nhất

Trong thực tế đất thường có cấu tạo nhiều lớp, các lớp có điện trở suất khác nhau. Vì vậy để tính toán ta có thể dựa trên cơ sở của đất có kết cấu 2 lớp.

Giả sử đất có kết cấu 2 lớp, với:

- Lớp đất trên có điện trở suất là ρ₁;

- Lớp đất dưới có điện trở suất là ρ₂.

Điện trở tiếp đất của các điện cực trong trường hợp này có thể được xác định như sau:

A.3.11.1 Điện trở tiếp đất của ống (cọc) tiếp đất thẳng đứng trong đất không đồng nhất, (hai lớp) được xác định bằng công thức (A17)

(A17)

Trong đó:

R_đ - điện trở tiếp đất của 1 ống (l cọc) trong đất không đồng nhất

h - chiều dầy (sâu) của lớp đất trên

r_o - bán kính của ống cọc tiếp đất

l - chiều dài của ống

A.3.11.2 Xác định điện trở tiếp đất của dây (dải) tiếp đất nằm ngang ở môi trường đồng nhất

Dây (dải) tiếp đất nằm ngang đặt trong đất kết cấu 2 lớp được chia ra 2 trường hợp:

a) Khi đặt dây (dải) tiếp đất nằm ngang ở lớp đất trên với độ sâu t (t < h) thì điện trở tiếp đất được xác định bằng công thức (A18):

(A18)

b) Khi đặt tiếp dây (dải) đất nằm ngang ở lớp đất dưới tức là t > h thì điện trở tiếp đất được xác định bằng công thức (A19):

A19

Trong đó:

ρ₁ - điện trở suất của lớp đất trên.

ρ₂ - điện trở suất của lớp đất dưới.

r_o - bán kính của dây.

Nếu là dải thay ro = b/4.

b - chiều rộng của dải.

t - chiều sâu từ bề mặt đất tới bề mặt đặt tiếp đất nằm ngang.

k - hệ số không đồng nhất của đất k = (ρ₂ - ρ₁) / (ρ₂ + ρ₁)

A.3.11.3 Điện trở tiếp đất cửa cực tiếp đất dạng vòng xuyến đặt trong đất có cấu tạo hai lớp được xác định bằng công thức (A20):

(A20)

Trong đó:

D - đường kính của vòng xuyến

d - đường kính của dây

h - chiều dầy (sâu) của lớp đất trên

A3.11.4 Điện trở tiếp đất của cực tiếp đất dạng tấm đặt trong đất có cấu tạo hai lớp, được xác định bằng công thức (A21)

(A21)

Trong đó: ro - bán kính của tấm

A.3.12 Điện trở tiếp đất tự nhiên của cột bê tông cốt thép

Bản thân cột bê tông được coi là một điện cực tiếp đất và điện trở tiếp đất của móng cột bê tông được xác định bằng công thức (A22)

(A22)

Trong đó:

h - độ sâu của móng cột

b - độ rộng của móng cột

A.3.13 Kiểm tra điện trở tiếp đất của hệ thống tiếp đất

Sau khi trang bị tiếp đất, phải tiến hành đo thử kiềm tra điện trở tiếp đất của hệ thống tiếp đất.

Điện trở tiếp đất đo được phải đảm bảo:

R_đo ≤ R tiếp đất yêu cầu (A23)

- Kiểm tra điện trở của hệ thống tiếp đất bằng máy đo MC-08 hoặc tương đương

- Sơ đồ kiểm tra điện trở tiếp đất được trình bày trong hình A.2.

- Khoảng cách giữa các tiếp đất đo thử và tiếp đất công tác được quy định trên các hình A.3, A.4 và A.5.



Hình A.2: Sơ đồ kiểm tra tiếp đất công tác



Hình A.3: Bố trí tiếp đất đo thử P và C để đo tiếp đất công tác E là một cọc chôn trong đất có độ dài l

a) l < 5 m, P và C nằm trên một đường thẳng

b) l < 5 m, P và C tạo với E một góc (x = 29⁰)

c) l > 5m, P và C tạo với E một góc (x = 60⁰).

Hình A.4: Bố trí tiếp đất đo thử P và C để đo tiếp đất công tác E là dây nằm ngang trong đất có chiều dài:

a) l < 5 m

b) l > 5 m

Trong đó: D là đường chéo lớn nhất của khung, m

Hình A.5: Bố trí tiếp đất đo thử P và C để đo tiếp đất công tác E gồm các cọc được nối với nhau và bố trí thành khung kín

Sau khi đo thử nếu điện trở tiếp đất không đạt yêu cầu phải thực hiện các biện pháp để giảm nhỏ điện trở tiếp đất.

Phải tăng thêm số điện cực tiếp đất hoặc cải tạo môi trường đất nơi đặt các điện cực tiếp đất.