Giáo trình kỹ thuật an toàn điện

Giáo trình kỹ thuật an toàn điện

KĨ THUẬT AN TOÀN ĐIỆNKhái niệm chung

Khoa học hiện nay phân tích tương đối đầy đủ về sự tác hại của dòng điện với conngười Dựa vào số liệu lấy từ thực tế xảy ra hay thí nghiệm trên các động vật Trong số các tai nạn do điện giật trầm trọng nhất là chết người

100% tai nạn thì 76,4% tai nạn ở U<1000V

23,6% tai nạn ở U>1000V

Phân tích theo nghề nghiệp có: - Nạn nhân có nghề điện: 42,2%

- Nạn nhân không có nghề điện: 57,8%

Nguyên nhân

- Do chạm trực tiếp vào các bộ phận có dòng điện chạy qua: 55,9% trong đó:

+ Không phải do công việc yêu cầu 30,6%

+ Do công việc yêu cầu 1,7%

+ Đóng nhầm điện lúc sửa chữa, thao tác 23,6%

- Chạm phải bộ phận bằng kim loại của thiết bị có điện áp 22,8% trong đó:

+ Lúc không có nối đất 22,2%

+ Lúc có nối đất 0,6%

- Chạm phải vật không bằng kim loại có điện áp: nền nhà, tường nhà 20,1%

- Do hồ quang lúc thao tác 1,12%

- Bị chấn thương do từ trường, điện trường cao áp, siêu cao áp, cực cao áp 0,08%

Nguyên nhân chính gây tai nạn là do chủ quan, sai quy trình quy phạm, quản lí chưa tốt, học tập đào tạo chưa chu đáo

CHƯƠNG I TÁC DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN ĐỐI VỚI CƠ THỂ CON NGƯỜI

Thực tế người có bị điện giật hay không là do có dòng điện đi qua người gây sinh

lí phức tạp, nó có thể huỷ hoại thần kinh, huỷ hoại cơ quan tuần hoàn máu và hô hấp Dòng càng cao, thời gian càng lớn càng nguy hiểm Tuy nhiên nếu dòng điện đi qua người đúng vị trí và cường độ có thể chữa bệnh.Dòng điện tác hại càng mạnh với người nghiện rượu

Sự tổn thương do dòng điện gây nên có thể chia thành 4 loại:

- Chạm phải vật có mang điện áp

- Chạm phải bộ phận kim loại, vỏ thiết bị mang điện áp do hệ thống cách điện hỏng

- Tác hại của điện áp bước

- Bị chấn thương do điện từ trường mạnh, điện áp cao

Tác hại dòng điện lớn khi trị số dòng điện tăng, thường I ng > 100mA gây tử vong,

có trường hợp 5 → 10mA gây tử vong tuỳ trạng thái cơ thể người

I ngAT(~) < 10mA

I ngAT(-) < 80mANguyên nhân chủ yếu làm người chết người là kích thích thần kinh, tim, phổi.1.1 Điện trở của cơ thể người

Điện trở của cơ thể người rất phức tạp, thay đổi trong phạvi rộng, từ vài chục kΩ đến 600 Ω Người bình thường có điện trở 1000Ω, điện trở cơ thể do lớp sừng của da quyết định

Điện trở người không ổn định mà tuỳ thuộc vào:

- Điện áp (điện áp tăng thì Rng giảm)

- Áp lực lên người

1.2 Ảnh hưởng của trị số dòng điện giật

Nguyên nhân gây nên tổn thương là do dòng điện đi qua người Về nguyên tắc dòng càng lớn càng nguy hiểm, thời gian tồn tại dòng qua người càng lâu càng nguy hiểm nhưng nếu nguồn vào đúng các huyệt và có giá trị nhỏ có tác dụng chữa bệnh

f=50÷60Hz

Tác dụng của dòng 1 chiều

đau và nhức khớp tay

Nóng tăng lên

quắp nhưng chưa mạnh

khó thở

=> Dòng xoay chiều có tác hại mạnh hơn dòng một chiều Vì vậy dòng an toàn:

Ing an toàn ≤ 10mA (xoay chiều) Ing an toàn≤80mA (một chiều)

Đôi khi chỉ với dòng điện rất nhỏ vẫn có thể gây nên chết người tuỳ thuộc vào trạng thái cơ thể con người con người hoặc trạng thái bị tai nạn

1.3 Ảnh hưởng của thời gian dòng điện giật

- Thời gian càng dài thì tác hại càng lớn

- Do tuỳ thuộc nhịp tim: trong quá trình đập của tim có 0,1 giây tim ngừng làm việc, thời gian này rất nhạy cảm với tác dụng của dòng điện, dễ làm tim ngừng đập Đối với người cao huyết áp hoặc nghiện rượu thì càng nguy hiểm.

- Đối với điện áp cao khi phóng điện qua người thì thường có dòng lớn nhưng khi phóng điện thì người luôn ở trạng thái thế thủ hoặc ngã ra làm đứt đoạn dòng, dòng tồn tại trong thời gian ngắn nên không vào tim nên không bị nguy hiểm Nếu thời gian lớn thì đốt cháy cơ thể người

- Khi trực tiếp tiếp xúc nguồn phải có biện pháp phòng ngừa để giảm dòng qua người

1.4 Đường đi của dòng điên giật

Dòng qua tim phổi quyết định tác hại của nó với cơ thể con người

- Dòng điện qua tay – tay thì có 3,3%Ing qua tim

- Tay phải – chân có 6,7%Ing qua tim

- Chân – chân có 0,4Ing qua tim

Đường đi của dòng điện có ý nghĩa cực kì quan trọng, vì vậy dòng điện qua tim hoặc cơ quan hô hấp phụ thuộc cách tiếp xúc của người với mạch điện Khi dòng điện qua người thì phân bố đèu trên cơ quan lồng ngực Phân lượng dòng qua tim trong trường hợp “tay – chân” có trị số lớn nhất nên cần có biện pháp phòng ngừa

1.5 Ảnh hưởng của tần số dòng điện giật

Giải thích ảnh hưởng của tần số của dòng điện giật có thể dựa vào tế bào máu Khi tần số thấp thì mức độ co và giãn của tế bào máu lớn dễ bị phá hoại, nếu tần số tăng lên thì mức độ kích thích của tế bào máu ít hơn Nếu tần số quá cao (ti vi, đài) và tác dụng lâu dài thì nguy hiểm Nếu tần số cao, công suất lớn càng nguy hiểm (lò vi sóng).

1.6 Điện áp cho phép

- Càng bé càng tốt Một số nước quy định điện áp cho phép khác nhau

VD: Hà Lan, Thụy Điển, Pháp : U = 24 V

Ba Lan, Thụy Sỹ, Tiệp Khắc : U = 50 V

Liên Xô, Việt Nam : U = 65, 36, 12 V

CHƯƠNG II CẤP CỨU NGƯỜI BỊ ĐIỆN GIẬT

Bất kì người nào làm việc trong ngành điện đều phải biết cấp cứu Trước khi cấp cứu phải tách nạn nhân ra khỏi dòng điện càng nhanh càng tốt và ngay sau đó phải làm mọi cách để nạn nhân có tim phổi hoạt động trở lại

+ Sau 1 phút nạn nhân được cấp cứu thì 90% được cứu sống

+ Sau 6 phút nạn nhân được cấp cứu thì 10% dược cứu sống

+ Sau > 10 phút nạn nhân được cấp cứu thì 0% được cứu sống

Nếu nạn nhân bị ngất, choáng thì cho ngửi mùi NH3 và cho thoáng

Nếu nạn nhân bị tắt thở thì hà hơi thổi ngạt, kéo lưỡi ra Khi tim đã đập và thở được không được đưa đi cấp cứu ngay mà phải để nằm im tại chỗ, ủ ấm ngay, cho uống nước nóng…

CHƯƠNG III NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ AN TOÀN ĐIỆN

3.1 Hiện tượng dòng điện đi vào đất

Khái niệm cơ bản về an toàn điện xuất phát từ phân tích các hiện tượng do dòng điện chạm đất gây nên Khi cách điện của thiết bị điện bị hỏng sẽ có dòng điện chạm đất, dòng điện này trực tiếp đi vào đất hay qua bộ phận nối đất của máy

Khi dòng điện chạm đất sẽ làm

thay đổi trạng thái mạng điện

tạo nên một vùng rò điện phụ thuộc

vào điện trở đất (Rdât) Chúng ta có thể

xem trường dòng điện đi vào đất như

trường tĩnh điện như là tập hợp đường

sức, đường đẳng thế

Gọi: J : là mật độ dòng điện trong đất

γ : là điện dẫn suất của đất

ρ : điện trở suất của đất

E : cường độ điện trường đi trong đất

=> J = γE = E/ωC = 1/2πfCρ =>E = Jρ (1)

Biết Iđất => J = Iđất/ωC = 1/2πfC(2πfCx2) (2)

68%, còn ngoài 20m trở ra có thể coi điẹn áp này bằng 0 Vì vậy càng đứng xa chỗ vật

=> Điện trở tản là tỉ số giữa điện áp trên vật nối đất với dòng điện đi qua vật nối đất vào trong đất.

3.2 Điện áp tiếp xúc

Uđ = αTTđ.r0 = Uđ – UαT = Utx

r0

Trong quá trình tiếp xúc với TBĐ, nếu có mạch điện khép kín qua người thì điện

áp giáng trên người lớn hay nhỏ tuỳ thuộc điện trở mắc nối tiếp với thân người (dép, giầy, ủng,…), phần điện áp đặt vào người là điện áp tiếp xúc

Điện áp tiếp xúc phụ thuộc vào khoảng cách từ vỏ thiết bị được nối đất đến vật nối đất ( ro) và mức độ cân bằng thế αT (αT ≤ 1) Trong thực tế vận hành thiết bị điện, điện

áp tiếp xúc không được tiêu chuẩn hoá

- thiết bị ngoài trời cách xa 8m đến 10m

Để tránh điện áp bước một số nước có quy định phải đeo giầy, ủng khi làm việc ngoài trời

CHƯƠNG IV PHÂN TÍCH AN TOÀN TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN

Mạng điện đơn giản là mạng điện một pha xoay chiều hay một chiều Trường hợp nguy hiểm nhất là người chạm phải hai cực của nguồn điện

Ing = RngUTrong nhiều trường hợp không phải cố tình chạm phải hai cực mà do vô tình, một tay chạm phải một cực còn cực kia chạm vào củi tay, lưng, … mặc dù đã có bảo hộ lao động nhưng vẫn gặp nguy hiểm

4.1 Phân tích an toàn trong mạng điện cách điện đối với đất

(2)

(1)

r1 r2 Rng

Khi người chạm phải pha (1)

U

r’1 + r2

3 Tính Ung : Ung = I0.r’1 (3)

Ung

Rng U.r’1 Ing = (4’) Rng.(r’1 + r2)

Dựa vào (6), ta thấy để giảm Ing đến trị số an toàn ta cần:

- Tăng cường rcđ của mạng điện lên

220 V : rcđ ≥ 20 Ω

440 V : rcđ ≥ 42 Ω

=> cần đầu tư vốn ban đầu lớn

- Mắc nối tiếp Rng là Rnền, đi ủng, găng, thảm cao su,…

U

2(Rng + rn) + rcđ Trong trường hợp chung (r1 ≠ r2), từ (5) ta có :

Qua (10) ta thấy điện trở cách điện của mạng điện không có tác dụng làm giảm Ing Nếu đứng trên đường ray hoặc vùng đất ẩm (rn = 0) => Ing lớn nhất => rất nguy hiểm, Ing = U/ωC = 1/2πfCRng

b) Mạng điện 2 dây

(2)

(1) U/ωC = 1/2πfC2

r0

Khi tải làm việc bình thường => toàn bộ điện áp sẽ đạt lên tải => an toàn

Nhưng khi tải bị ngắn mạch thì điện áp bằng U/ωC = 1/2πfC2 => chạm vào sẽ nguy hiểm đến tính mạng tuỳ thuộc vào vị trí người đứng => cần kiểm tra thiết bị có Rtải một cách liên tục

4.3 Phân tích an toàn trong mạng điện cách điện đối với đất có điện dung lớn

Mạng điện điện áp bé có điện dung lớn thường xuất hiện trong mạng dùng cáp điện

a) Sự nguy hiểm của điện tích dư

Khi mạng điện cắt khỏi nguồn thì điện áp vẫn còn dư, nếu đúng thời điểm quá trình quá độ thì điện áp có thể tăng gấp 2 lần

ing = e-τ/ωC = 1/2πfCRng.C

12 Rng

I

U0

C12 τ1 τ τ2 τ

Nếu C = C12

=> ing = (U/ωC = 1/2πfCRng) e-τ/ωC = 1/2πfC2Rng.C12

=> điện dung càng lớn càng nguy hiểm

Nếu cùng trị số dòng điện thì τ2 > τ1

=> Điện dung lớn hơn nguy hiểm lớn hơn

Để tránh được điện tích tàn dư đôi khi người ta dùng biện pháp ngắn mạch 2 cực sau khi ngắt nguồn điện

Rng C11 2C12 U/ωC = 1/2πfC2

-(1)

- C12

C11 Rng R1

- - (1)Trước khi người chạm phải dây (1) thì C11 và C22 mắc nối tiếp với nhau

( C11 = C22 ) => Q11 = Q22

U1/ωC = 1/2πfCU2 = C22/ωC = 1/2πfCC11 => U1 = U2 = U/ωC = 1/2πfC2

Khi người chạm vào pha (1) thì điện tích của C11 sẽ phóng điện qua người => điện

áp của tụ 1 giảm từ U/ωC = 1/2πfC2 đến 0 Còn điện áp của tụ 2 tăng từ U/ωC = 1/2πfC2 đến U

- Điện áp cao Cấp điện áp :

+ Trung áp 6, 10, 12, 22, 35kV → thường là trung tính cách điện hoặc nối đất qua một điện trở tác dụng

+ Cao áp 110, 220, 330kV Mạng điện này thường có trung tính trực tiếp nối đất

→ khi có ngắn mạch ( 1 pha nối đất ) → dòng ngắn mạch lớn

+ Siêu cao áp 500, 750, …kV Theo dòng ngắn mạch : bé In < 500A

lớn In > 500A

tạo 1 vùng rò điện → nguy hiểm (điện áp bước )

gây điện áp bước → nguy hiểm tính mạng

=> Cẩn thận với mạng điện ba pha có thể xảy ra thương vong trong các trường hợp : + Chạm phải 2 hoặc 3 cực

+ Chạm phải 1 cực và đất

+ Chạm phải vật bình thường không mang điện áp nhưng xuất hiện điện áp bất ngờ do cách điện bị hỏng

+ Tác dụng của điện áp bước

5.1 Phân tích an toàn trong mạng điện có trung tính cách điện

1 Trường hợp chung : g1 ≠ g2 ≠ g3 ≠ g1 ; C1 ≠ C2 ≠ C3 ≠ C1

Rng

Theo định lý Kirhoff I : trước khi người chạm phải pha 1 ta có

g1.u1 + g2.u2 + g3.u3 + C1.du1/ωC = 1/2πfCdt + C2.du2/ωC = 1/2πfCdt + C3.du3/ωC = 1/2πfCdt = 0 (1)

( u1, u2, u3 : trị số tức thời của điện áp pha )

u1 – u2 = u1 – u2 = u21

u2 – u3 = uf2 –uf3 = u32

u3 – u1 = uf3 – uf1 = u13

( u21, u32, u13 : trị số tức thời của điện áp dây )

Công thức (5) là chìa khóa mở ra mọi trường hợp của mạng điện.

Mạng điện áp thấp thì thuần trở trung tính cách điện : C1 = C2 = C3 = 0

r1 = r2 = r3 = rcđ(1)

(2)(3)

Rng

Qua (6) ta thấy để giảm dòng điện :

+ mắc nối tiếp với nhiều Rnền (ủng, bệ thao tác, thảm cách điện)

Trong trường hợp ba pha cách điện khác nhau : R1 ≠ R2 ≠ R3

3U Ing =

thực tế có thể tính toán I ≈ 0 nhưng trongn thực hành có điện áp bù thiếu hoặc thừa sẽ tác dụng lên người gây mất an toàn cho người Về mặt kinh tế có lợi do dòng hồ quang nhỏ

Trong trường hợp ngắn mạch một pha của thiết bị và ngắn mạch trung tính dòng này bé nên khó phát hiện và thời gian tồn tại lớn

5.2 Mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất

1 Ý nghĩa của việc nối đất trung tính

- Khi đường dây có sự cố ngắn mạch : Ing có trị số lớn, hệ thống bảo vệ tác

động,sự cố tồn tại trong thời gian ngắn.Khi chưa có chạm đất :

ÜA = ЇAZA = ÜphA; ÜB = ЇBZB = ÜphaB; ÜC = ЇCZC = ÜphaC

- Khi người chạm pha B ( pha A ngắn mạch ) : Üph < Üng < Üdây

Nếu hệ thống nối đất trung tính tốt : r0 = 0 ; U0 = 0 → Ung ≈ Upha → bớt nguy hiểm hơn trường hợp trung tính cách điện Nếu r0 ≠ 0 ; U0 ≠ 0 : Uphđ = Iđ.rphđ

Ung = (U02 + UfB2 + U0 UfB)1/ωC = 1/2πfC2

Kết quả tính toán cho thấy khi mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất, khi 1 pha bị chạm đất thì điện áp các pha còn lại sẽ vượt quá điện áp pha và điện áp đặt lên người phụ thuộc đại lượng r0, rfđ

Với mạng 6, 10kV trung tính của máy phát thường nối đất qua điện trở, có tác dụng giảm bớt dòng ngắn mạch đi qua cuộn dât máy phát, tránh trường hợp cháy dây quấn MBA Còn với MBA 6, 10kV thì trung tính cách điện.

Tóm lại : Với mạng điện ba pha điện áp trên dưới 1000V đều có thể gây sự cố rất nguy

hiểm Phải có những phương pháp phòng ngừa đúng đắn, quy trình vận hành an toàn

CHƯƠNG 6 BẢO VỆ NỐI ĐẤT 6.1 Mục đích và ý nghĩa của nối đất

Căn cứ vào thực tế chúng ta có 3 loại nối đất :

- Nối đất làm việc VD : MBA có trung tính nối đất, nối đất của kháng điện, tụ điện …

- Nối đất an toàn : là nối đất của vỏ thiết bị hoặc những phần dẫn bình thường không có điện áp nhưng xuất hiện điện áp bất ngờ

- Nối đất chống sét : khi bị sét đánh thì tản dòng điện sét xuống đất ( vài trăm kA )

Khi cách điện tốt Ulv ≥ 110kV, có thể dùng chung cho cả ba loại nối đất

Để thực hiện nối đất (tạo điện trở nối đất)

+ nối đất nhân tạo Rnt

RHT = Rtn /ωC = 1/2πfC/ωC = 1/2πfC Rnt

Nối đất tự nhiên là ta tận dụng công trình khác nối với nhau tạo thành một hệ thống VD : ống cấp nước, vỏ cáp, móng nhà … nối với nhau thành một hệ thống.Các cột điện, đường dây đều có nối đất, các cột từ 110kV trở lên đều treo dây chống sét nối với hệ thống nối đất, những đường dây trung áp (≤ 35kV) chỉ có nối đất ở đầu phía gần trạm nhưng không được nối với hệ thống nối đất của trạm vì cách điện trung áp kém không chịu được điện áp của sét

Mục đích nối đất để đảm bảo an toàn cho người lúc chạm vào các bộ phận có mang điện áp Nối đất là sự chủ động nối các bộ phận của thiết bị điện bình thường không mang điện áp với hệ thống nối đất

Hệ thống nối đất gồm : thanh kim loại chôn xuống đất, cọc đóng sâu, thanh cọc phối hợp hoặc nối đất hình ô lưới Có thể dùng nối đất tập trung hoặc nối đất phân tán xung quanh trạm

6.2 Nối đất tập trung

1

2g1 g2

Cho g1, g2, gng bé => Ing = Ug2gng/ωC = 1/2πfCgđ → để Ing giảm => tăng gđ

Muốn giảm trị số dòng Ing để đảm bảo an toàn ta dùng các biện pháp :

+ giảm Rđ (dễ làm)

Uđ = Iđ.Rđ ≤ Utxcp

6.3 Nối đất hình ô lưới

Khi dòng ngắn mạch lớn (điện áp 500kV), hệ thống nối đất cần thiết kế theo hình

ô lưới làm từ thanh chôn xuống đất, điểm nút hàn với nhau

Uđ = Iđ.Rđ

Trong vùng ô lưới thì điện áp bước rất bé an toàn cho người Bên ngoài hình ô lưới đặt các tấm kim loại (không được nối với hệ thống nối đất) để san điện áp ngoài vùng ô lưới

Iđ

6.4 Các hình thức nối đất khác

1 Đóng cọc chôn nổi

ρđ : điện trở suất của đất

(đo trên thực địa khi khô ráo)