Trong các hệ thống điện công nghiệp và truyền tải điện, an toàn là một yếu tố không thể xem nhẹ, đặc biệt khi đối mặt với các tác động của thiên tai như sét đánh. Khi một tia sét trực tiếp hoặc gián tiếp đánh vào hệ thống, dòng sét khổng lồ được truyền qua mạng nối đất, tạo ra một sự gia tăng đột ngột của điện thế tại điểm tiếp đất.
Hiện tượng này, được gọi là Ground Potential Rise (GPR), là một trong những yếu tố quan trọng mà các kỹ sư phải xem xét trong quá trình thiết kế hệ thống tiếp địa nhằm đảm bảo an toàn cho con người và các thiết bị.
Xem thêm:
Cơ Chế Hình Thành GPR
Khi một tia sét đánh vào hệ thống, dòng sét (thường có giá trị cực đại Iₚ) được đưa vào qua điện cực nối đất. Do đó, tại điểm nối đất – nơi mà dòng sét “tiêm” vào – điện thế tăng đột biến so với điện thế của đất xung quanh (được coi là điện thế tham chiếu = 0).
Sự gia tăng điện thế này không chỉ là một hiện tượng điện học thuần túy mà còn có thể gây ra các hiệu ứng hư hỏng cho hệ thống điện cũng như nguy cơ cho con người nếu không được kiểm soát đúng cách.
Để hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành GPR, ta cần phân tích sự phân bố dòng sét khi nó được truyền qua hệ thống nối đất. Hệ thống nối đất bao gồm các điện cực được cắm sâu vào đất, với điện trở và các thành phần cảm kháng, dung kháng đặc trưng của đất.
Khi dòng sét chạy qua, điện áp tại điểm kết nối sẽ phụ thuộc vào trở kháng xung (impulsive impedance – Zₚ) của hệ thống và giá trị đỉnh của dòng sét Iₚ. Quan hệ cơ bản được thể hiện qua công thức:
GPR=Zp×Ip
Ở đây, Zₚ có thể hiểu là “trở kháng xung” của hệ thống nối đất, phản ánh khả năng của hệ thống trong việc cản trở dòng sét với thành phần tần số cao. Công thức này cho thấy rằng mức GPR tỉ lệ thuận với cả giá trị dòng sét đỉnh và trở kháng của hệ thống. Chính do vậy, việc thiết kế hệ thống tiếp địa với Zₚ thấp là cực kỳ quan trọng để hạn chế GPR khi xảy ra sự cố sét đánh.
Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Trở Kháng Xung Zₚ
Trở kháng xung Zₚ của hệ thống nối đất không chỉ phụ thuộc vào điện trở nối đất (được đo ở dải tần số thấp) mà còn chịu ảnh hưởng của các thành phần cảm kháng và dung kháng xuất hiện khi dòng sét mang tính chất xung đi qua. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến Zₚ bao gồm:
Đặc tính của đất: Độ dẫn điện của đất phụ thuộc vào hàm lượng ẩm, cấu trúc và thành phần khoáng chất. Đất có độ dẫn kém (điện trở cao) thường cho giá trị Zₚ thấp hơn so với đất có độ dẫn tốt.
Thiết kế và hình dạng của điện cực: Chiều dài, đường kính và cách bố trí của các điện cực nối đất ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phân tán dòng xung. Các điện cực dài và có diện tích bề mặt lớn giúp giảm Zₚ hiệu quả.
Cấu trúc hệ thống nối đất: Cách bố trí mạng lưới các điện cực, cách nối kết và cách “tán” dòng sét ra xung quanh hệ thống cũng đóng vai trò quan trọng. Sự phân bố đồng đều và tối ưu của các điện cực sẽ giúp giảm thiểu sự tập trung của điện thế tại một điểm.
Những yếu tố này được phân tích chi tiết trong (Chapter 9 Low-frequency grounding resistance and lightning protection-Silverio Visacro), trong đó các thí nghiệm thực nghiệm cho thấy tỉ lệ giữa trở kháng xung Zₚ và điện trở nối đất đo ở dải tần số thấp có thể dao động từ 0.4 đến 0.9 tùy thuộc vào điều kiện đất và cấu trúc của hệ thống.
Việc giảm thiểu GPR không chỉ giúp bảo vệ các thiết bị điện nhạy cảm mà còn hạn chế nguy cơ gián đoạn hệ thống và bảo vệ tính mạng con người trong trường hợp có sự cố sét đánh.
Một hệ thống nối đất được thiết kế tối ưu cần đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn quốc tế và được xây dựng dựa trên những nghiên cứu khoa học thực nghiệm, trong đó các công thức và mô hình như GPR = Zₚ × Iₚ đóng vai trò then chốt trong việc đánh giá hiệu quả của hệ thống.
Các tiêu chuẩn quốc tế (như IEC 62305) và các nghiên cứu của các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực điện năng đã chỉ ra rằng, để đạt được hiệu quả bảo vệ cao, hệ thống tiếp địa cần có:
• Độ sâu và phạm vi điện cực đủ lớn: Giúp tán xạ dòng sét vào một khu vực rộng, giảm sự tập trung của điện thế.
• Bố trí điện cực đồng đều: Đảm bảo rằng không có điểm nào bị “tích tụ” điện thế quá cao.
• Vật liệu và kỹ thuật thi công hiện đại: Sử dụng các vật liệu dẫn điện tốt và kỹ thuật thi công đảm bảo kết nối chặt chẽ giữa các điện cực và đất.
Thời gian duy trì điện áp GPR
Thực tế, điện áp GPR là một hiện tượng xung – nghĩa là nó đạt giá trị cực đại trong một khoảng thời gian rất ngắn. Khi một tia sét đánh vào hệ thống, dòng sét đỉnh (Iₚ) được truyền qua hệ thống nối đất tạo ra một xung điện áp với thời gian tồn tại cao chỉ trong vài micro giây đến vài mili giây. Ví dụ, theo các chuẩn kiểm tra thiết bị như IEC 60060, xung điện áp được mô tả bằng dạng sóng 1.2/50 μs, tức là thời gian tăng đạt đỉnh khoảng 1.2 micro giây và sau đó tàn dần trong khoảng 50 micro giây.
Trong ngữ cảnh của hệ thống nối đất bảo vệ, mặc dù điện áp GPR có giá trị rất lớn (ví dụ, có thể lên đến hàng trăm kilovolt ), nhưng phần “đỉnh” của điện áp này chỉ tồn tại quá trình ngắn ngủi – đủ để tạo ra các hiệu ứng xung (như hiện tượng hàn, phá vỡ cách điện, hoặc kích thích các hiện tượng phóng điện trên bề mặt) mà không kéo dài lâu.
Các yếu tố khác ảnh hướng đến GPR
Các yếu tố như tính không đồng nhất của đất, ảnh hưởng của các cấu trúc xây dựng lân cận, cũng như các hiệu ứng tương tác giữa các điện cực trong một mạng lưới nối đất phức tạp đều cần được khảo sát và đưa vào tính toán. Chính vì vậy, nhiều nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào việc phát triển các mô hình số học phức tạp hơn, kết hợp dữ liệu thực nghiệm để mô phỏng chính xác hơn các hiện tượng xung và phân bố điện thế.
Một hướng nghiên cứu mới là sử dụng các mô hình điện tử số kết hợp với các cảm biến đo đạc hiện đại, từ đó liên tục cập nhật và hiệu chỉnh giá trị Zₚ theo thời gian thực. Những giải pháp này hứa hẹn sẽ giúp các kỹ sư có được dữ liệu chính xác hơn và đưa ra các giải pháp thiết kế tiếp địa tối ưu hơn, giảm thiểu tối đa rủi ro từ hiện tượng GPR.
Hiện tượng Ground Potential Rise (GPR) là một yếu tố then chốt trong việc bảo vệ hệ thống điện khỏi tác động của sét đánh. Qua việc hiểu rõ cơ chế hình thành và các yếu tố ảnh hưởng đến GPR, các kỹ sư có thể áp dụng công thức cơ bản GPR = Zₚ × Iₚ để đánh giá mức tăng điện thế tại điểm nối đất, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế hệ thống tiếp địa hiệu quả.
Việc thiết kế hệ thống nối đất không chỉ đơn giản là hạ điện trở xuống mức thấp mà còn cần đảm bảo sự phân tán đồng đều của dòng sét, giảm thiểu các hiện tượng “tích tụ” điện thế có thể gây nguy hại cho con người và thiết bị. Nhờ vào các nghiên cứu khoa học và các tiêu chuẩn quốc tế, hiện nay đã có nhiều giải pháp thiết kế tiên tiến được áp dụng thực tế nhằm bảo vệ an toàn hệ thống điện.