Nối đất là biện pháp kỹ thuật rất quan trọng nhằm bảo vệ an toàn cho con người, tạo mốc điện thế, bảo vệ chống quá áp và quá dòng, nối đất tín hiệu… Điện trở nối đất của các điện cực nối đất được yêu cầu bởi các quy định của quốc gia hoặc các yêu cầu về chuẩn kỹ thuật. Có vài phương pháp đo điện trở nối đất, ví dụ các phương pháp điện áp và các phương pháp tổng trở mạch vòng. Các phương pháp này được áp dụng rộng rãi và đều phải sử dụng các điện cực phụ để đo.

Tuy nhiên, vấn đề khó khăn khi đo điện trở nối đất mà bề mặt của đất được phủ bởi bê tông, nhựa đường hay đá. Vì thế cần phải xây dựng kỹ thuật đo mà không cần các điện cực phụ. Bài viết này giới thiệu lý thuyết và qui trình đo điện trở nối đất của một hệ thống nối đất cần được thử nghiệm và khảo luận về giá trị đo.

1. Phương pháp đo điện trở nối đất cũ

Một phương pháp đo điện trở nối đất cũ đó là phương pháp điện áp (xem hình 1) hình 1a là hệ thống đo, hình 1b thể hiện sự phân bố điện áp khi có điện áp được cung cấp giữa các điện cực E và C.

Trong hình 1a, E là điện cực nối đất cần được thử nghiệm, P là điện cực phụ để lấy điện áp, C là điện cực phụ để bơm dòng, S.G là máy phát tín hiệu với tần số 500Hz hoặc 1kHz và biên độ 30Vrms. A là amperemet, V là Voltmet với tổng trở cao. Trong hình 1b, V là điện áp giữa E và P. Điện trở nối đất là tỉ số giữa V và A tại vị trí bằng phẳng trên đồ thị.

Các phương pháp đo cũ được sử dụng rộng rãi và cho ra giá trị chính xác của điện trở nối đất. Để đánh giá điện trở nối đất của điện cực nối đất của đối tượng đo, ta phải đóng hai điện cực phụ vào trong đất để bơm dòng và đo áp. Tuy nhiên ta thường gặp khó khăn khi đo điện trở nối đất mà bề mặt của đất được phủ bởi bê tông, nhựa đường hay đá như ở hình 2. Vì vậy cần phải xây dựng kỹ thuật đo mà không cần các điện cực phụ.

2. Kỹ thuật đo điện trở nối đất mới

2.1. Đặc điểm

Phương pháp đo mà không cần các điện cực phụ P và C, hoặc dây nối đến P. Hình 3 mô tả phương pháp này. Ở đây, dây ra được nối đến điện cực nối đất cần được thử nghiệm và dây trở về chỉ được nối đến máy phát tín hiệu Vs. Phía kia của dây trở về để hở. Dây ra và dây trở về có vỏ cách điện với mặt đất. Điện cực được thử nghiệm, dây ra, dây trở về tạo thành mạch vòng nối đất. Ở hình 3, h và a là bán kính của dây và đường kính hữu ích của kim loại. ε1, m0, σ1 lần lượt là hằng số điện môi, độ từ thẩm và suất dẫn của dây ra và dây trở về, tương tự ε2, m0, σ2 là của đất. Điện trở suất của đất ρ = l/σ xem bảng 1.

2.2. Thiết lập công thức

Để tính toán điện trở nối đất của điện cực nối đất, chúng ta dùng hình 4. Ở đây, chúng ta giả sử mặt phẳng nằm ở xa vô cùng và các đường truyền dẫn của đất. V(x) là điện áp ở vị trí x tính từ trục Z = ∞. Ở hình 4, 2 đường truyền dẫn cho dây ra và dây về được quan tâm đến: Dây ra được giới hạn bởi điện cực nối đất được thử nghiệm và dây trở về để hở. Dx là vi phân của x.

Các đường truyền dẫn của Dx được thể hiện trong hình 4 và có thể được hình dung bởi tổng trở tương đương như ở hình 5, với ZW là tổng trở trong của dây, L là điện cảm của dây so với đất, Zg là tổng trở của đất, C là điện dung của dây, và Yg là tổng dẫn song song. Chúng được thể hiện cụ thể như hình bên dưới:

Nếu tính dẫn điện của đất lớn hơn nhiều so với cách điện của dây thì có thể bỏ qua Zg và Yg. Vì vậy tổng trở tại máy phát tín hiệu Vs có thể được đưa ra như sau với điều kiện:

và rR là hệ số phản xạ của dây trở về, L2 là chiều dài của dây trở về, γ1 là độ dài sóng của dây trở về với độ từ thẩm ε1. Từ công thức (3) ta xác định được điện trở nối đất của đối tượng được thử nghiệm.

3. Tính toán và phương pháp đo

3.1. Tính toán

Tổng trở tại Vs có thể được xác định bằng cách tính toán thông qua đường truyền dẫn và phụ thuộc vào tần số bởi vì có nhiều giới hạn về chế độ truyền dẫn kể cả thông số tần số. Để đánh giá điện trở nối đất, chúng ta hãy tính toán theo các điều kiện sau:

L1 = 1m (chiều dài của dây ra).

L2 = 20m (chiều dài của dây trở về).

h/a = 2

Thang tần số: 100kHz – 2MHz.

Rg: 30, 50, 100, 200, 300, 500 ohm (tập hợp điện trở nối đất của đối tượng được thử nghiệm).

Các kết quả tính toán được thể hiện ở hình 6. Ở hình 6, trục ngang thể hiện tần số và trục đứng thể hiện tổng trở được tính toán. Trong cách tính này điện cảm được cộng thêm vào là 47μH với điện trở 10ohm được áp dụng cho dây ra bởi vì tần số cộng hưởng không vượt quá 2 MHz và sự bức xạ từ dây sẽ được giới.

Tổng trở được tính toán thể hiện đặc trưng của tần số như ở hình 6. Ở tần số cộng hưởng, nó thể hiện sự tương quan giữa các giá trị tính toán và các giá trị điện trở đã cho. Dựa vào chúng, ta có thể đánh giá được điện trở nối đất thông qua kỹ thuật đo mà không cần các điện cực phụ.

3.2. Phương pháp đo

Để khảo sát kỹ thuật đo mới, chúng ta đo điện trở nối đất của điện cực được thử nghiệm. Nguyên lý mạch đo của kỹ thuật đo mới được thể hiện ở hình 7. Ở hình 7 S.G là máy phát tín hiệu với hệ thống 50ohm, Ra và Rb là các điện trở tắt dần cho sự phản xạ. Rc là điện trở tải, Lc là điện cảm cộng thêm vào ứng với từng giá trị điện trở và điện dung tản khác nhau. Mix là thiết bị hòa để phát hiện sự đồng bộ, LPF là bộ lọc tín hiệu thấp và V là voltmet DC.

Điện trở nối đất có thể xác định bằng cách thay đổi tần số của máy phát tín hiệu và khi tổng trở đo được là nhỏ nhất theo công thức (3). Các điện cực được thử nghiệm được đóng vào đất có độ dài khoảng 1m, và điện trở nối đất được đo theo cả hai phương pháp (kỹ thuật đo mới và phương pháp cũ).

Các kết quả đo khi chưa có hiệu chỉnh được thể hiện ở hình 8, với trục ngang là điện trở nối đất được đo bằng phương pháp cũ và trục đứng thể hiện điện trở nối đất đo được bằng kỹ thuật đo mới. Ở hình 8, đặc tuyến liền thể hiện các giá trị tính toán theo lý thuyết còn các chấm vuông thể hiện các giá trị đo được. Sai lệch giữa các giá trị tính toán và giá trị đo nhỏ hơn 10%. Quan hệ giữa các kết quả đo không được tuyến tính, Tuy nhiên, bằng cách hiệu chỉnh giữa phương pháp cũ và kỹ thuật đo mới, chúng ta có thể xác định được điện trở nối đất bằng kỹ thuật đo mới này.

Hợp bộ thử nghiệm điện trở nối đất được thể hiện ở hình 9, hợp bộ thử nghiệm điện trở nối đất có kèm theo bảng hiệu chỉnh về sai lệch giữa phương pháp đo cũ và kỹ thuật đo mới theo như hình 8. Ở hình 9, đĩa thay đổi tần số được dùng để thay đổi tín hiệu tần số. Hợp bộ thử nghiệm điện trở nối đất hiển thị tổng trở ở tần số điều chỉnh tương ứng, chúng ta có thể xác định được điện trở nối đất của đối tượng thử nghiệm khi hợp bộ hiển thị giá trị tổng trở là nhỏ nhất.

4. Kết luận

Các kết quả đo thể hiện sự tương quan mật thiết giữa phương pháp đo cũ và kỹ thuật đo mới. Thông qua bước hiệu chỉnh chúng ta có thể xác định được điện trở nối đất của đối tượng đo. Sai số giữa kỹ thuật đo mới và phương pháp đo cũ nhỏ hơn 10%. Nó được xem là kỹ thuật đo hữu ích để đánh giá hoặc kiểm tra điện trở nối đất khi bề mặt của đất được phủ bởi bê tông đường nhựa hay đá.

(Nguồn: hiendaihoa.com)