loä ra ngoaøi cuûa heä thoáng, maïng ñieän laép ñaët vaø heä thoáng noái ñaát: T- Noái ñaát tröïc tieáp (baûo veä noái ñaát – voû thieát bò ñieän baèng kim loaïi ñöôïc noái ñeán heä th[r]
(1)Quyền Huy Ánh – Lê Công Thành 10
CHƯƠNG
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ AN TOAØN ĐIỆN 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Các khái niệm an tồn điện xuất phát từ phân tích tượng chạm đất gây Vì thế, để có biện pháp đề phòng tai nạn điện hiệu quả, bước cần phải phân tích tượng nói
2.2 DỊNG ĐIỆN TẢN TRONG ĐẤT
Do hư hỏng cách điện, mạch điện chạm đất làm cho dòng điện cố tản đất dẫn đến điểm khác đất có chênh lệch điện áp (Hình 2.1)
Giả sử dòng điện cố tản vào đất qua cực nối đất kim loại có dạng bán cầu chơn đất đồng có điện trở suất ρ Trường hợp xem dịng điện có đường theo bán kính từ tâm hình cầu
Mật độ dòng điện khoảng cách x kể từ tâm bán cầu:
2
2 x
I j
π
=
Vùng quanh cực nối đất mà dòng điện tản qua gọi “trường tản dòng điện” Đối với dòng điện chiều hay dòng điện xoay chiều tần số cơng nghiệp, nghiên cứu xem điện trường
Mật độ dòng điện xác định theo định luật Ohm dạng vi phân:
ρ
ν E E
j= =
Ở đây: ν điện dẫn suất đất; ρ điện trở suất đất
(2.1)
(2)Quyền Huy Ánh – Lê Công Thành 11 Từ đó, cường độ điện trường trường dịng điện tức điện áp rơi đơn vị dài dọc theo trường dòng điện xác định theo biểu thức:
E =−gradϕ = .jρ
Điện áp rơi lớp đất có chiều dày dx dọc theo đường dòng điện:
dx x I dx j dx E dU 2 π ρ ρ = = =
Thế điện A cách điểm chạm đất khoảng cách x hiệu số điện điểm A điểm ∞ mà điện lấy
∫ ∫ ∞ ∞ ∞ = = = − = x x A A x I x dx I dU U U π ρ π ρ ϕ
Tất điểm bề mặt điện cực điện cực đại Umax :
ñ x I U max π ρ =
Ở đây: xđ bán kính bán cầu nối đất
Chia (2.5) cho (2.6) :
x x U
UA 3
max
=
x x U
UA = max 3.1
Đặt tích số khơng đổi Umax.x3 =k phương trình hyperbol:
x k UA =
Bằng thí nghiệm đo đạt thực tế, cực nối đất có dạng thanh, cọc, phân bố điện áp có dạng hyperbol
Trong trường hợp dây dẫn mang điện bị đứt xuống đất, phân bố điện áp trình bày Hình 2.2
Dòng điện tản từ cực nối đất xem chạy dây dẫn (đất) mà tiết diện tăng theo bậc bán kính cầu q = 2πx2 (Hình 2.3)
Điện trở tản dòng điện lớn lớp đất phần cực nối đất dịng điện chạy qua tiết diện nhỏ (ở điểm điện áp rơi lớn nhất) xa cực nối đất tiết diện dây dẫn tăng nhanh, điện trở giảm xuống trị số điện áp rơi giảm
Từ đường cong Hình 2.2, nhận thấy có khoảng 68% điện áp cực nối đất tổn hao đoạn dài 1m, 24% đoạn dài từ 1÷10m 8% đoạn dài từ 10÷20m kể từ cực nối đất
Ngoài phạm vi 20m cách cực nối đất (hoặc điểm ngắn mạch chạm đất), tiết diện dây dẫn (đất) tăng lớn nên điện trở xem khơng đáng kể (mật độ dịng điện xem 0)
(2.3) (2.4) (2.5) (2.6) (2.7) (2.8) 1 2 Uñ 100% 32% 8%
0 8 12 16 20 x (m) 1 Điện cực nối đất cọc 2 Điện cực nối đất hệ thống cọc
(3)Quyền Huy Ánh – Lê Công Thành 12 Như vậy, điện điểm nằm cách điểm nối đất lớn 20m xem Thơng thường phận nối đất khơng phải có cọc mà nhiều cọc nối với kim loại dẹp tròn Trường hợp này, phân bố điện áp có dạng thoải (đường cong Hình 2.2) Vì vậy, độ chênh lệch điện áp điểm so với đất lớn lúc có cọc nối đất
Các thành phần điện trở phận nối đất bao gồm: • Điện trở tản cực nối đất (kể điện trở tiếp xúc) • Điện trở thân cực nối đất dây nối đất
2.3 ĐIỆN ÁP BƯỚC
Điện áp bước điện áp mà người phải chịu chân tiếp xúc hai điểm mặt đất hay sàn, nằm phạm vi dịng điện chạy đất có chênh lệch điện
Sự phân bố điện áp bước xảy xuất dòng điện ngắn mạch chạm đất pha mạng điện (Hình 2.4)
Khi dòng điện chạy qua hệ thống nối đất để vào đất hay dây dẫn có điện áp bị đứt rơi mặt đất, đất điện trở tản với dòng điện
Điện trở đất mà dòng điện chạy qua giảm theo khoảng cách xa điểm dòng điện chạy vào đất Đến khoảng cách định điện trở thực tế trở nên Vùng mà dòng điện thực tế bị triệt tiêu gọi vùng điện
Ở điểm chạm đất, điện áp so với đất là: Uđ =Iđ.Rđ
Các điểm cách điểm chạm đất có điện (các vòng tròn đẳng thế)
Người đứng hai chân hai điểm có điện khác chịu tác động điện áp Hiệu điện đặt vào hai chân người đứng hai điểm có chênh lệch điện dòng điện ngắn mạch đất gọi điện áp bước
Điện áp bước xác định biểu thức sau :
+ ∫+ ( )
+ =
= −
= x a
x a x x b a x x a I x dx I U U U π ρ π ρ
Ở đây: a độ lớn bước chân người, tính tốn lấy 0,8m; x khoảng cách từ điểm chạm đất đến chân người
2
2 x
q= π
2
2 x
q= π
3
2 x
q= π
1 x x x
Hình 2.3 Mơ hình đơn giản dây dẫn đất
(4)Quyền Huy Ánh – Lê Công Thành 13 Từ biểu thức (2.10), nhận thấy xa điểm ngắn mạch chạm đất (hoặc cực nối đất) mẫu số tăng trị số Ub giảm xuống Ngoài khoảng cách 20m điện áp xem
Ở sát nơi có ngắn mạch chạm đất, điện áp bước Ub hai chân người đứng vòng đẳng áp (điểm c d Hình 2.4)
Giới hạn cho phép trị số điện áp bước không quy định tiêu chuẩn hành trị số
Ub lớn thường dòng điện ngắn mạch chạm đất lớn gây bị cắt tức
thời thiết bị bảo vệ
Các trị số Ub nhỏ (không gây nguy hiểm cho người đặc điểm tác dụng sinh lý
mạch điện từ chân qua chân)
Mặc dù dòng điện mạch chân-chân tương đối nguy hiểm với điện áp
Ub=100÷250V chân bị co rút người bị ngã xuống đất Lúc điện áp đặt vào người
tăng lên đường dòng điện qua theo mạch tay-chân
Nếu thiết bị bảo vệ khơng cắt dịng điện ngắn mạch dịng điện qua theo mạch tay-chân gây tai nạn điện
Khi xảy chạm đất phải cấm người đến gần chỗ bị chạm với khoảng cách sau: - Từ ÷ 5m thiết bị điện nhà
- Từ ÷10m với thiết bị điện ngồi trời
Ví dụ: Tính điện áp bước Ub lúc người đứng cách chỗ chạm đất x = 22m dòng điện chạm đất
Iđ = 1000A, điện trở suất đất ρ = 104 Ω.cm khoảng cách hai bước chân người
a = 0,8m
42 , 25 ) 80 2200 ( 2200
80 10 1000 )
(
= + =
+ =
π π
ρ
a x x
a I
U d
b V
2.4 ĐIỆN ÁP TIẾP XÚC
Giả sử có hai thiết bị điện vỏ bọc kim loại (Hình 2.5) nối với phận nối đất (điện trở nối đất Rđ) thiết bị chạm vỏ phân bố điện áp đất có dạng
đường cong Cực nối đất vỏ kim loại nối với có điện áp so với đất bằng: Hình 2.4 Điện áp bước
Ub=Uñ- Ua
Uñ=Iñ.Rñ
a x > 20m
Rñ
U’b=Ux-Ux+a
U”b=0
(5)Quyền Huy Ánh – Lê Công Thành 14 Uñ = Iñ Rñ
Người chạm vào vỏ kim loại thiết bị (nguyên vẹn chạm vỏ) chịu một điện áp Uđ Mặt khác, điện áp chân người Ux phụ thuộc vào khoảng cách từ đến
cực nối đất Như vậy, người chịu tác dụng điện áp tiếp xúc Utx Điện áp tiếp xúc hiệu
điện Uđ Ux
Điện áp tiếp xúc Utx tăng cách xa cực nối đất Ở khoảng cách 20m Utx = Uđ
Người đứng cực nối đất (điểm Hình 2.5) chịu điện áp tiếp xúc (Utx = Uđ - Uđ = 0)
Ngược lại, chạm vào thiết bị 2, người chịu điện áp tiếp xúc cực đại Utx = Uđ
Từ giả thiết rút nhận xét sau:
• Khi người chạm vỏ thiết bị kim loại có nối đất thiết bị (trong mạch nối đất có thiết bị bị chạm vỏ ) người chịu điện áp tiếp xúc có trị số phần điện áp so với đất, nghĩa là:
Utx = α.Uñ
Ở đây: α hệ số tiếp xúc
Đường cong Hình 2.5 biểu thị biến thiên điện áp tiếp xúc theo khoảng cách tới cực nối đất
Giới hạn cho phép điện áp tiếp xúc không qui định qui phạm hành Tuy nhiên, nhà sản xuất thiết bị điện, điện áp tiếp xúc không nên 40V, thiết bị phân phối, mà có biện pháp bảo vệ phụ cho phép đến 250V
• Đường cong phân bố điện áp Uđ (Hình 2.6) phụ thuộc vào cấu tạo phận nối đất (một
cọc nối đất tổ hợp cọc nối đất) dốc (đường1) thoải (đường 2) Điện áp tiếp xúc Utx có trị số nhỏ đường cong phân bố điện áp thoai thoải Độ chênh lệch
giữa điểm điểm cách 0,8m khác tùy thuộc vào đường cong1 (Utx1>Utx2) Như
vậy, phận nối đất trải rộng diện tích lớn điện áp tiếp xúc nhỏ
• Muốn xác định điện áp tiếp xúc Utx, phải xem xét đoạn mạch từ chỗ ngắn mạch tới đất
Giả thiết việc tiếp xúc xảy theo đường tay-chân hình thành hai mạch song song (Hình 2.7)
(2.11)
X1
X2 Ux1
Uñ = Iñ.Rñ
Utx1 = Uñ –Ux1
Utx2 = Uñ
Rñ
(6)Quyền Huy Ánh – Lê Công Thành 15
- Mạch nối thiết có chạm vỏ với thiết bị nối đất có trị số Rđ
- Mạch có điện trở thể người Rng nối tiếp với điện trở mặt nơi người đứng Rn
Khi có ngắn mạch pha chạm vỏ, dòng điện phân bố mạch mạch theo tỉ lệ nghịch với điện trở chúng, cịn điện áp hai mạch phân bố tỉ lệ thuận với Rng Rn
Khi có ngắn mạch chạm vỏ vùng tản dịng điện (điểm x1, Hình 2.5), điện áp đặt lên thể người bằng:
Ung1 = Uñ - Ux1 - Un
Khi vùng tản (điểm x2, Hình 2.5), điện áp đặt lên thể người bằng:
Ung2 = Uñ - Un
Ở đây: Un điện áp rơi lớp mặt
Khi điện trở lớp mặt lớn (nền nhựa đường khô, điện trở từ vài trăm kΩ ) Un lớn Cịn thể người (điện trở khoảng 1kΩ), điện áp nhỏ hàng chục hàng trăm lần Trị số dòng điện mạch khơng nguy hiểm cho người
Như vậy, trường hợp nguy hiểm lúc người chạm vào vỏ thiết bị bị chạm vỏ mà đứng trực tiếp đất ẩm ướt chân giầy ẩm, đế đóng đinh chân không
2.5 CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHUẨN
Sự lựa chọn khí cụ điện bảo vệ vềø thơng số dịng điện, điện áp định mức, việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật an toàn điện phụ thuộc phần vào bố trí nối đất hệ thống điện Hệ thống điện phân phối phân loại theo tiêu chuẩn IEC 364/3 dựa vào cách bố trí hệ thống nối đất Theo tiêu chuẩn này, hệ thống điện định nghĩa hai chữ cái, hệ thống điện IT, TT, TN Bên cạnh hai chữ cái, dùng thêm hai chữ để cách bố trí dây trung tính dây bảo vệ, chẳng hạn hệ thống điện TN-C, TN-S, TN-CS
• Chữ thứ thể tính chất trung tính nguồn, mối quan hệ nguồn điện hệ thống nối đất:T - Nối đất trực tiếp (trung tính nguồn trực tiếp nối đất -“Terre” direct bond to earth), I - Tất phần mang điện cách ly với đất điểm nối đất thơng qua trở kháng (trung tính nguồn cách ly-“Insulation” Insulated)
Hình 2.6 Đường cong phân bố điện áp vùng tản dòng điện ngắn mạch pha
2 Tổ hợp cọc nối đất
Utx1
Utx2
0 0.8 2.0 m
1 Một cọc nối đất
TB
Rñ
Rng Rn
Uñ
Ung
Un
Iñ
(7)Quyền Huy Ánh – Lê Cơng Thành 16 • Chữ thứ hai thể hình thức bảo vệ, xác định mối quan hệ phần dẫn điện
lộ hệ thống, mạng điện lắp đặt hệ thống nối đất: T- Nối đất trực tiếp (bảo vệ nối đất – vỏ thiết bị điện kim loại nối đến hệ thống nối đất), N- Nối trực tiếp phần dẫn điện lộ dây dẫn bảo vệ với điểm nối đất nguồn điện, thường điểm trung tính (bảo vệ nối dây trung tính-vỏ thiết bị điện kim loại nối đến dây trung tính)
Trong hệ thống, mạng điện TN dùng thêm hai chữ để định nghĩa cách bố trí dây trung tính dây bảo vệ: C (“Combined” PE and N (=PEN) combined in the system) -Dây trung tính N dây bảo vệ PE (Protective Earth Conductor) chung thành dây dây PEN (PE and N Combined), S (“Separated” - PE and N separated in the system) - Dây trung tính N dây bảo vệ PE tách biệt với hai chức riêng dây N dây PE, CS - Dây trung tính dây bảo vệ kết hợp vài phần hệ thống
1.Hệ thống TT
Trong hệ thống TT, tất phần dẫn điện lộ (vỏ kim loại thiết bị điện) hệ thống điện lắp đặt nối với hệ thống nối đất Hệ thống không nối kết điện với đất nguồn cấp điện (Hình 2.8)
Hình 2.8 Hệ thống TT
2 Hệ thống IT
Đơi khó nối đất có hiệu quả, tổng trở mạch vịng khơng đủ nhỏ theo yêu cầu Giới hạn dòng điện cố hệ thống IT đạt cách bỏ nối đất từ nguồn (trung tính cách ly), hay cách nối điện trở vào đường dây trung tính hệ thống nối đất (Hình 2.9)
(8)Quyền Huy Ánh – Lê Công Thành 17
Hệ thống TN
Trong hệ thống TN, mạch vòng cố bao gồm tồn phần dẫn điện, tránh trị số cao điện trở nối đất Điểm trung tính nguồn điện nối đất trực tiếp, phần dẫn điện lộ hệ thống nối với dây bảo vệ riêng (hệ thống TN-S) hay kết nối dây bảo vệ với dây trung tính (hệ thống TN-C hay TN-CS) (hình 2.10, 2.11, 2.12)
Hình 2.10 Hệ thống TN-S
Hình 2.11 Hệ thống TN-C