Phân tích chọn lựa giá trị điện trở trang bị nối đất áp dụng cho lưới điện thành phố Hồ Chí Minh và các vấn đề an toàn điện liên quan pot

PHÂN TÍCH CHỌN LỰA GIÁ TRỊ ĐIỆN TRỞ TRANG BỊ NỐI ĐẤT ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ CÁC VẤN ĐỀ AN TOÀN ĐIỆN LIÊN QUAN Bảo vệ nối đất được áp dụng với tất cả các thiết bị có điện áp >1000V lẫn thiết bị có điện áp <1000V, tuy nhiên trong mỗi trường hợp là khác nhau. I. Đối với các thiết bị có điện áp > 1000V: Bảo vệ nối đất phải được áp dụng trong mọi trường hợp, không phụ thuộc vào chế độ làm việc của trung tính và loại nhà cửa. (Điều 1.2, TCVN 4756-89 Phần 1. Yêu cầu chung). CÁC QUY ĐỊNH VỀ ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT TIÊU CHUẨN: Điện trở nối đất an toàn của hệ thống không được lớn hơn các trị số nối đất tiêu chuẩn đã được quy định trong các quy phạm cụ thể: 1. Đối với các thiết bị điện áp > 1000V có dòng chạm đất lớn (>500A) như các thiết bị điện ở mạng điện có điện áp từ 110kV trở lên thì điện trở nối đất tiêu chuẩn: R đ ≤ 0,5 Ω Với các mạng có dòng chạm đất lớn này, khi có sự chạm đất (chạm vỏ) thì điện áp trên vỏ thiết bị so với đất (đã thoả mãn điều kiện R đ ≤ 0,5 Ω ) vẫn có thể đạt trị số lớn (hàng trăm thậm chí hàng ngàn vôn) nhưng khi có cân bằng thì điện áp tiếp xúc không vượt quá 250-300V. Rõ ràng điện áp này vẫn nguy hiểm cho người nhưng với cấp điện áp này thì khi có sự chạm đất, chạm vỏ thì rơle bảo vệ sẽ tác động cắt nhanh phần sự cố. Mặt khác, với cấp điện áp này không cho phép con người tiếp xúc trực tiếp (khi không có thiết bị bảo vệ) với thiết bị khi chưa cắt điện nên xác suất người bị điện giật rất bé. Trong mạng điện có dòng chạm đất lớn, bắt buộc phải có nối đất nhân tạo trong mọi trường hợp không phụ thuộc vào điện trở nối đất tự nhiên. Ngay cả khi điện trở nối đất tự nhiên thoả mãn yêu cầu ( R đ ≤ 0,5 Ω ) vẫn phải thực hiện nối đất nhân tạo, trị số điện trở nhân tạo không được lớn hơn 1 Ω (Rnt ≤ 1 Ω ). 2. Đối với các thiết bị điện có điện áp >1000V có dòng chạm đất bé (<500 A): như các thiết bị ở mạng điện 3-35kV thì quy định điện trở nối đất tiêu chuẩn tại thời điểm bất kỳ trong năm như sau: * Khi hệ thống nối đất chỉ dùng cho các thiết bị có điện áp >1000V: đ I V đ R 250 = (nhưng phải thoả mãn R đ ≤ 10 Ω ) * Khi hệ thống nối đất dùng cho cả thiết bị có điện áp <1000V: ________________________________________________________________________________ Trang 1/8 đ I V đ R 125 = (nhưng phải thoả mãn R đ ≤ 10 Ω ) Trong mạng có dòng chạm đất bé ( hoặc mạng có trung tính cách điện) khi có 1 pha chạm đất, các thiết bị rơle bảo vệ thường không cắt phần sự cố. Vì vậy chạm đất 1 pha có thể bị kéo dài làm tăng xác suất người tiếp xúc với điện áp nguy hiểm. Do dó người ta mới qui định điện áp lớn nhất cho phép trên hệ thống nối đất là 250V (khi điện áp > 1000V) và 125V (khi điện áp <1000V) với dòng chạm đất là Iđ. Lưu ý: Ta cần phân biệt rõ dòng điện chạm đất khác với dòng điện ngắn mạch: - Chạm đất (đúng theo nghĩa đen) là dây pha chạm trực tiếp xuống đất (mặt đường bê tông, nhựa đường, đất thịt…):  Ở mạng trung tính cách điện: dòng điện chạm đất này rất bé, nên mạng điện vẫn hoạt động bình thường và người ta thường phải sử dụng thiết bị phát hiện điểm chạm đất.  Ở cấp điện áp trung thế (15, 22kV) mặc dù có trung tính nối đất trực tiếp nhưng dòng điện chạm đất này cũng khá bé vì tổng trở chạm đất lớn (cụ thể trên lưới điện Tp.HCM đã có nhiều lần relay bảo vệ quá dòng chạm đất không tác dụng cắt điện khi sự cố chạm đất) - Ngắn mạch: là chạm điện giữa dây pha và dây nguội (chúng ta cũng có thói quen gọi là chạm đất!) hoặc giữa các pha với nhau. Trường hợp này dòng ngắn mạch rất lớn, gây tác động đến bảo vệ của thiết bị, đường dây…. 3. Chọn lựa giá trị điện trở nối đất của thiết bị điện ở cấp điện áp 15kV - Các thiết bị điện (Recloser, LBS, DS, tụ bù trung thế, tủ điện…) và trạm biến áp cấp 15(22)kV ở Tp.HCM đang áp dụng đồng thời vừa bảo vệ nối dây trung tính vừa nối đất, cho nên biện pháp bảo vệ nối đất là nhằm mục đích bảo vệ chống sét cho thiết bị điện, bảo vệ quá điện áp nội bộ là chính. Từ đó, đặt ra yêu cầu về việc chọn giá trị điện trở nối đất cho thích hợp, chứ nếu như càng nhỏ càng tốt (như là giá trị điện trở nối đất 0,5 Ω) sẽ vừa không có lợi về kinh tế vừa không thật cần thiết. Ở đây, viện dẫn theo quy phạm trang bị điện :  Chương I.7. Nối đất, phần Nối đất thiết bị điện điện áp trên 1kV trung tính nối đất hiệu quả.  Chương II. 5. Đường dây tải điện trên không điện áp trên 1kV đến 500kV, phần Bảo vệ quá điện áp, nối đất I.7.34. Điện trở của trang bị nối đất ở vùng có điện trở suất của đất không quá 500Ωm không được lớn hơn 0,5Ω (trong bất cứ thời gian nào trong năm, có tính đến điện trở nối đất tự nhiên (Ở vùng điện trở suất của đất lớn hơn 500Ωm xem Điều I.7.41 đến I.7.45). Yêu cầu này không áp dụng cho trang bị nối đất của cột ĐDK và trạm 35kV trở xuống. ________________________________________________________________________________ Trang 2/8 Đối với trạm 35kV trở xuống, áp dụng theo Điều I.7.46 (kể cả nối đất hiệu quả). I.7.46. Đối với thiết bị điện trên 1kV trung tính cách ly, trị số điện trở nối đất trong năm được xác định theo các công thức sau đây, nhưng không được lớn hơn 10Ω: a. Nếu trang bị nối đất đồng thời sử dụng cho cả thiết bị điện có điện áp cao hơn 1kV và dưới 1kV. cđ I V nđ R 125 = (Ω ) Trong trường hợp này vẫn phải thực hiện những yêu cầu về nối đất cho thiết bị điện có điện áp đến 1kV. b. Nếu trang bị nối đất chỉ sử dụng riêng cho những thiết bị điện có điện áp cao hơn 1kV. cđ I V nđ R 250 = (Ω ) Trong đó: Rnđ: Trị số điện trở nối đất lớn nhất khi có tính đến sự thay đổi điện trở suất của đất (ρđ) theo thời tiết trong năm, [Ω] Icđ: Dòng điện chạm đất tính toán, [A] (chạm đất chứ không phải ngắn mạch pha-N chú thích người viết) II.5.72. Điện trở nối đất của cột ĐDK: a. Có dây chống sét hoặc thiết bị bảo vệ chống sét, và các thiết bị khác không được lớn hơn trị số trong bảng II.5.5. b. Điện trở nối đất của ĐDK điện áp 6 - 22kV ở vùng đông dân cư và ĐDK 35kV cũng theo bảng bảng II.5.5. c. Điện trở nối đất của ĐDK điện áp 6 - 22kV ở vùng ít dân cư:  Khi điện trở suất của đất đến 100Ωm, không quá 30 [Ω].  Khi điện trở suất của đất trên 100Ωm, không quá 0,3ρ [Ω] (>30). d. Điện trở nối đất của cột ĐDK có đặt các thiết bị như MBA lực, MBA đo lường, dao cách ly, cầu chảy hoặc thiết bị khác thì thực hiện như sau:  ĐDK 6 - 35 kV có dòng điện chạm đất lớn và ĐDK 110kV trở lên phải tuân theo bảng bảng II.5.5.  ĐDK 6 - 35kV có dòng điện chạm đất nhỏ, thực hiện theo Điều I.7.35 và 36 - Phần I. e. Tại cột ĐDK cao trên 40m có dây chống sét thì điện trở nối đất phải nhỏ hơn 2 lần trị số nêu trong bảng II.5.5. Đối với ĐDK được bảo vệ bằng dây chống sét, điện trở nối đất trong bảng II.5.5 được đo khi tháo dây chống sét ra. ________________________________________________________________________________ Trang 3/8 Bảng II.5.5: Điện trở nối đất của ĐDK Điện trở suất của đất ρ (Ωm) Điện trở nối đất (Ω) Đến 100 Trên 100 đến 500 Trên 500 đến 1000 Trên 1000 đến 5000 Trên 5000 Đến 10 15 20 30 6.10 -3 ρ Như vậy, đối với lưới điện Tp.HCM hiện nay:  Ở cột ĐDK có đặt các thiết bị như: MBA đo lường, Recloser, LBS, DS, tụ bù trung thế… áp dụng trị số điện trở đất Rnđ ≤ 10 Ω (hoặc áp dụng theo Bảng II.5.5) là đạt tiêu chuẩn.  Riêng đối với trạm MBA lực ngoài trời: thực hiện theo giá trị điện trở nối đất Rnđ ≤ 4 Ω là đạt tiêu chuẩn (chung 2 cấp điện áp). II. Đối với các thiết bị có điện áp < 1000V: việc có áp dụng bảo vệ nối đất hay không là phụ thuộc vào chế độ làm việc của trung tính:  Khi trung tính cách điện đối với đất thì phải áp dụng bảo vệ nối đất  còn nếu trung tính nối đất thì thay bảo vệ nối đất bằng biện pháp bảo vệ nối dây trung tính. Điều 1.2 TCVN 4756-89. Phần 1. Yêu cầu chung. Qui định: 1. 2. Các thiết bị điện được cung cấp từ mạng có điện áp đến 1000V có điểm trung tính nối đất trực tiếp hoặc từ các nguồn điện một pha có đầu ra nối đất trực tiếp cũng như từ các mạng một chiều 3 dây có điểm giữa nối đất trực tiếp cần phải được nối “không”. Thực tế, áp dụng trên lưới điện 220/380V ở Tp.HCM, các thiết bị điện lắp đặt trên trụ chỉ cần áp dụng bảo vệ nối dây “không” hay còn gọi là bảo vệ nối dây trung tính và không cần áp dụng thêm bảo vệ nối đất:  vừa giảm nguy cơ dẫn dòng điện xuống đất (do đấu nhầm, chạm chập…) tạo ra điện áp tiếp xúc, điện áp bước, đảm bảo an toàn điện cho người. (Điển hình là các vụ rò điện xuống dây nối đất làm chết người vừa qua ở Tp)  vừa giảm chi phí đầu tư.  giảm chi phí kiểm tra, bảo trì, sửa chữa… Mặt khác, ở cấp điện áp đến 1kV, còn các quy định về nối đất khác: - Theo quy định QPĐ (I.7.53, I.7.54) và TCVN 4756-89 (2.3.2; 3.5; 3.6) dây trung tính phải có nối đất lặp lại. Giá trị điện trở nối đất của tất cả các nối ________________________________________________________________________________ Trang 4/8 đất lặp lại không lớn hơn 10Ω. Trong đó, giá trị điện trở của mỗi nối đất lặp lại (hoặc mỗi cụm) không lớn hơn 30Ω. - Để bảo vệ quá áp, nếu áp dụng theo QPĐ (II.4.24; II.4.25):  II.4.24 Điện trở nối đất (lập lại) không được lớn hơn 50Ω.  II.4.25. Để tránh quá điện áp do sét ở khu dân cư: điện trở nối đất không được lớn hơn 30Ω.  Từ đó, ta có thể chọn điện trở mỗi nối đất lặp lại của dây trung tính ở cấp điện áp < 1000V là không lớn hơn 30Ω và đảm bảo giá trị điện trở nối đất của tất cả các nối đất lặp lại không lớn hơn 10Ω. Lưu ý: - Mặc dù việc nối đất vỏ thiết bị làm giảm điện áp tiếp xúc khi thiết bị rò điện, nhưng áp dụng việc tăng cường biện pháp bảo vệ nối đất này chỉ cần khi người công nhân phải thường xuyên tiếp xúc với thiết bị điện trong quá trình làm việc (công nhân vận hành máy dệt, máy tiện, động cơ…) - Mục đích của các biện pháp bảo vệ ở I.7.20 là để bảo vệ người khi có khả năng tiếp xúc được với thiết bị điện nên nếu áp dụng không đúng sẽ không đảm bảo an toàn cho người vận hành thiết bị. III. PHÂN TÍCH VỀ ĐIỆN ÁP TIẾP XÚC, ĐIỆN ÁP BƯỚC, ĐIỆN ÁP CHO PHÉP 1. Điện áp tiếp xúc Trong quá trình tiếp xúc với thiết bị điện, nếu có mạch điện khép kín qua người thì điện áp giáng lên người lớn hay nhỏ là tuỳ thuộc vào điện trở khác mắc nối tiếp với người. Điện áp đặt vào người (tay-chân) khi người chạm phải vật có mang điện áp gọi là điện áp tiếp xúc. Hay nói cách khác điện áp giữa tay người khi chạm vào vật có mang điện áp và đất nơi người đứng gọi là điện áp tiếp xúc. Vì chúng ta nghiên cứu an toàn trong điều kiện chạm vào một pha là chủ yếu cho nên có thể xem điện áp tiếp xúc là thế giữa hai điểm trên đường dòng điện đi mà người có thể chạm phải. ________________________________________________________________________________ Trang 5/8 U đ = I đ . R đ U tx 1 U tx 2 1 2 R đ Ở hình trên, hai thiết bị điện (1 và 2) có vỏ máy được nối với vật nối đất có điện trở đất là R đ . Giả sử cách điện của một pha của thiết bị 1 bị chọc thủng và có dòng điên chạm đất đi từ vỏ thiết bị vào đất qua vật nối đất. Lúc này, vật nối đất cũng như vỏ các thiết bị có nối đất đều mang điện áp đối với đất là : U đ = I đ .R đ Trong đó , I đ là dòng điện chạm đất. Tay người chạm vào thiết bị nào cũng đều có điện áp là U đ trong lúc đó điện áp của chân người U ch lại phụ thuộc chỗ người đứng tức là phụ thuộc vào khoảng cách từ chỗ đứng đến vật nối đất. Kết quả là người bị tác động của hiệu số điện áp đặt vào tay và chân, đó là điện áp tiếp xúc : U tx = U đ –U ch Như vậy, điện áp tiếp xúc phụ thuộc vào khoảng cách từ vỏ thiết bị được nối đất. Trường hợp chung có thể biểu diễn điện áp tiếp xúc theo biểu thức : U tx = α. U đ , trong đó α là hệ số tiếp xúc (α ≤1). Trong thực tế điện áp tiếp xúc thường bé hơn điện áp giáng trên vật nối đất. 2. Điện áp bước Trên hình, vẽ sự phân bố thế của các điểm trên mặt đất lúc có pha chạm đất (do dây dẫn 1 pha rớt chạm đất hay cách điện một pha của thiết bị điện bị chọc thủng ) Ta biết điện áp đối với đất ở chỗ trực tiếp chạm đất là : U đ = I đ . R đ + Điện áp của các điểm trên mặt đất đối với đất ở cách xa chỗ chạm đất từ 20m trở lên có thể xem bằng 0. Cho nên muốn dùng V kế để đo điện áp chạm đất, phải dùng dây dẫn để nối một đầu V kế với một cọc thép đóng vị trí có điện áp bằng 0 (tức là cách xa điểm chạm cỡ 15, 20m), đầu còn lại của V kế nối vào điểm dẫn dòng điện vào đất. + Những vòng tròn đồng tâm (hay chính xác hơn là các mặt phẳng mà tâm điểm là chỗ chạm đất chính là tâm các vòng tròn) đẳng thế. + Khi 1 người đứng trên mặt đất gần chỗ chạm đất thì hai chân người thường ở hai vị trí khác nhau, nên người sẽ bị một điện áp tác dụng lên, đó là điện áp bước. Điện áp bước là điện áp giữa hai chân người đứng trong vùng có dòng chạm đất. Gọi U b là điện áp bước ta có : U b = U ch 1 - U ch 2 ________________________________________________________________________________ Trang 6/8 U b U đ = I đ .R đ U đ = 0 Trong đó : U ch1 , U ch2 là điện áp đặt vào hai chân người. Hay nếu chân thứ nhất đứng ở vị trí cách điểm chạm đất là x còn chân thứ hai ở vị trí (x + a) thì : U b = U ch 1 - U ch 2 = U x – U x +a = )(2 . axx a đ I + π ρ Trong đó: a là độ dài khoảng bước chân người, thường lấy a = 0,8m. Ví Dụ : Nếu có sự chạm đất với dòng chạm đất I đ =100A ở nơi có điện trở suất của đất là ρ=10 4 Ohm.cm thì điện áp bước đặt vào người khi người đứng cách chỗ chạm đất 2,2m (220cm) là : U b = V axx a đ I 193 300.220 2 4 10.80.100 )(2 . == + π π ρ + Điện áp bước có thể bằng 0 mặc dầu người đứng gần chỗ chạm đất, đó là trường hợp khi hai chân người đều đặt trên cùng một vòng tròn đẳng thế. + Điện áp bước có thể đạt đến trị số lớn vì vậy mặc dù không tiêu chuẩn hoá điện áp bước nhưng để bảo đảm an toàn tuyệt đối cho người, quy định là khi có xảy ra chạm đất phải cấm người đến gần chổ bị chạm khoảng cách sau : - Từ 4 ÷ 5 m đối với thiết bị trong nhà. - Từ 8 ÷ 10 m đối với thiết bị ngoài trời. Không nên cho rằng điện áp bước không nguy hiểm đến tính mạng con người. Dòng điện qua hai chân người thường ít nguy hiểm nhưng với trị số lớn (trên 100V) thì các bắp cơ của chân người có thể bị co rút làm người ngã xuống và lúc đó sơ đồ nối điện sẽ thay đổi nguy hiểm hơn. 3. ĐIỆN ÁP CHO PHÉP Trị số dòng điện qua người là yếu tố quan trọng nhất gây ra tai nạn chết người nhưng dự đoán trị số dòng điện qua người trong nhiều trường hợp không thể làm được bởi vì ta biết rằng trị số đó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khó xác định được. Cần lưu ý là dòng điện chỉ nguy hiểm khi truyền qua người, nên việc đo được các dòng rò trên thiết bị (dây nối đất, dây dẫn…)không thể kết luận đó là giá trị nguy hiểm mà phải xác định được điện áp xuất hiện trên thiết bị đó. Vì vậy, để xác định giới hạn an toàn, người ta không đưa ra khái niệm “dòng điện an toàn”, mà theo khái niệm “điện áp cho phép”. Dùng “điện áp cho phép” rất thuận lợi vì với mỗi mạng điện thường có một điện áp tương đối ổn định đã biết. Cũng cần nhấn mạnh rằng “điện áp cho phép” ở đây cũng có tính chất tương đối, đừng nghĩ rằng “điện áp cho phép” là an toàn tuyệt đối với người vì thực tế đã xảy ra nhiều tai nạn điện nghiêm trọng ở các cấp điện áp rất thấp. Tuỳ theo mỗi nước mà điện áp cho phép qui định khác nhau : - Ba Lan, Thụy Sĩ, Tiệp Khắc điện áp cho phép là 50V - Hà Lan, Thụy Điển điện áp cho phép là 24V ________________________________________________________________________________ Trang 7/8 - Ở Pháp qui định là 24 V - Ở Liên Xô tuỳ theo môi trường làm việc mà trị số điện áp cho phép có thể là 12V, 36V, 65 V. - Ở VN : theo Quy trình Kỹ thuật an toàn điện : trong điều kiện bình thường (thời tiết, môi trường làm việc khô ráo ) điện áp cho phép là 50V. IV. Đề xuất một số biện pháp kỹ thuật kết hợp áp dụng cho các trụ đèn chiếu sáng, máy ATM, máy trò chơi …, để bảo vệ an toàn cho người: 1. Điều kiện có thể dùng nối đất thay cho nối “không”, áp dụng theo phụ lục 7 của TCVN 4756-89- phải đảm bảo điều kiện cắt. Cụ thể : I nm = 0 U pha R R d + ≥ K. I dđbv Trong đó: - I nm là dòng điện ngắn mạch khi có chạm vỏ. - R 0 và R đ là điện trở nối đất của nguồn điện và của thiết bị điện. - I dđbv là dòng điện danh định của thiết bị bảo vệ (cầu chảy hoặc ap-to- mat) - K là bội số của dòng điện ngắn mạch . Trị số của K phải theo quy định ở điều 3.2 của Tiêu chuẩn. Biện pháp này có thể áp dụng khi công suất thiết bị nhỏ, nối đất dễ thực hiện hay đã có sẵn nối đất tự nhiên (khung sắt của đê, đập, trạm bơm, đường ống, của móng cột…). 2. Dùng dây dẫn loại tăng cường cách điện (cách điện 2 lớp). 3. Dùng thiết bị cắt điện hạ thế loại chống rò điện. 4. Nâng cao chỗ đấu nối điện, chỗ lắp đặt thiết bị đóng cắt, ổ cắm…trên 2m. Tài liệu viện dẫn: 1. Căn cứ Quy phạm trang bị điện (QPĐ) năm 2006 do Bộ Công nghiệp ban hành theo quyết định số 16/2006/QĐ-BCN ngày 11/7/2006; 2. Căn cứ Quy phạm nối đất và nối không các thiết bị điện – TCVN 4756-89 (có hiệu lực từ 01/01/1991). 3. Giáo trình an toàn điện – Bộ môn Hệ thống điện – Khoa điện – Trường Đại học Đà Nẵng. Mọi góp ý, xin vui lòng liên lạc với: Lê Ngọc Huynh – email: ngatphutho.pc@gmail.com; tel : 0962392764 ________________________________________________________________________________ Trang 8/8 . PHÂN TÍCH CHỌN LỰA GIÁ TRỊ ĐIỆN TRỞ TRANG BỊ NỐI ĐẤT ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ CÁC VẤN ĐỀ AN TOÀN ĐIỆN LIÊN QUAN Bảo vệ nối đất được áp dụng với tất cả các thiết bị. thiết bị điện có điện áp đến 1kV. b. Nếu trang bị nối đất chỉ sử dụng riêng cho những thiết bị điện có điện áp cao hơn 1kV. cđ I V nđ R 250 = (Ω ) Trong đó: Rnđ: Trị số điện trở nối đất lớn. thiết bị điện (1 và 2) có vỏ máy được nối với vật nối đất có điện trở đất là R đ . Giả sử cách điện của một pha của thiết bị 1 bị chọc thủng và có dòng điên chạm đất đi từ vỏ thiết bị vào đất