phân tích an toàn các mạng điệnphân tích an toàn các mạng điện

Nếu trung tính máy biến áp, máy phát không nối với các thiết bị nối đất hoặc nối qua thiết bị để bù dòng điện dung trong mạng, qua máy biến điện áp ...hay qua khí cụ có điện trở lớn, đ[r]

CHƯƠNG 3

PHÂN TÍCH AN TỒN CÁC MẠNG ĐIỆN

PHÂN TÍCH AN TỒN CÁC MẠNG ĐIỆN 3.1 KHÁI NIỆM:

Phân tích an tồn mạng điện tính tốn, xác định giá trị dịng điện qua người điều kiện khác mà người tiếp xúc với mạng điện trình vận hành lưới điện thiết bị điện Quá trình phân tích an tồn mạng điện cần phải đánh giá yếu tố khác, thông số mạng điện ảnh hưởng đến tai nạn điện giật

Tai nạn điện giật xảy ta tiếp xúc hai pha pha ta xét pha Tiếp xúc pha xem chạm đất khơng an tồn lúc dịng điện qua người phụ thuộc vào chế độ trung tính mạng điện

Dòng điện qua người người tiếp xúc với vật nối đất có dịng chạm đất qua phụ thuộc vào dòng điện chạm đất

Dòng điện chạm đất dòng điện qua chỗ chạm đất vào đất phụ thuộc vào thông số mạng điện trung tính lưới

Trung tính máy biến áp máy phát nối đất trực tiếp cách điện đất

Nếu trung tính máy biến áp, máy phát không nối với thiết bị nối đất nối qua thiết bị để bù dòng điện dung mạng, qua máy biến điện áp hay qua khí cụ có điện trở lớn, gọi trung tính cách điện đất Ngược lại, trung tính nối trực tiếp với thiết bị nối đất qua điện trở bé (máy biến dòng) gọi trung tính trực tiếp nối đất

Theo “Quy trình thiết bị điện” người ta chia ra:

1 Thiết bị có điện áp 1000V (hạ áp) 2 Thiết bị có điện áp 1000V (cao áp)

a Thiết bị có dịng chạm đất lớn (Iđ>500A, Iđ dịng chạm đất pha), thường nằm mạng có trung tính trực tiếp nối đất

b Thiết bị có dịng chạm đất bé (Iđ<500A, Iđ dịng chạm đất pha) thường nằm mạng có trung tính cách điện

3.2 MẠNG ĐIỆN MỘT PHA

+ Mạng điện pha cách điện với đất

+ Mạng điện pha có trung tính trực tiếp nối đất

Xét mạng điện pha cách điện đất hình vẽ (hình 3.1) mạng điện pha ngồi điện trở cách điện (tác dụng) r1, r2 cịn có điện dung đất C1, C2

Điện dẫn toàn phần pha đất 1 g jb Y = +

2 2 g jb Y = + Điện dẫn người

ng

ng R1

Y =

Điện dẫn tương đương:

ng

td Y Y

Y =  + 

Ta có : U10, U20: điện áp pha pha so với đất

1

I

 ,I2,I3 : dòng điện qua Y1,Y2 qua người

Theo sơ đồ thay tương đương ta có :

td

td 2

Y Y

Y Y U

I   



+ =

Dòng điện qua người Ing ta tính sau:

ng

2 ng

td ng

ng Y U.Y Y YY Y

Y I I

+ + =

=    

  

Trong mạng điện ta có : Y1=Y2= Y = Z

 ; Yng=1/Rng

Suy :

ng ng

ng U.Y 2Y YY

I

+

=   



Hay I 2YU Z

ng

ng 

 

+

= (3-1)

Hinh 3.1: Chạm vào dây mạng điện pha

1

Y

Yng

I

ng I1

Y U20

U10

I2 U

R1 C1R

C2 Ing

1

Ytđ

Y

2

Từ công thức 3-1 ta xét trường hợp sau:

a) Mạng điện có điện dung bé:

Đây đường dây khơng có điện áp <1000V chiều dài ngắn

cd

R g jb g

1 Y

1

Z ≈ =

+ = = 



do lúc dịng qua người :

cd ng ng

R Y

U I

+

= 



b) Mạng điện có điện dung lớn:

 Mạng điện đường dây khơng có điện áp >1000V có cách điện tốt

c jX

jb g

1 Y

1

Z C

ω − = −

= + = =

Từ xác định trị hiệu dụng dòng điên qua người:

( ) C ng ng

X R

2 U I

+ =



 Với mạng điện dây cáp dài có điện áp bé 1000V phải tính đến điện dẫn cách điện điện dung

Khi người chạm vào dây điện trở dây dẫn lúc là: R = r1 // Rng Do điện áp dây dẫn thay đổi từ U1 đến U’1, điện áp dây dẫn thay đổi từ U2 thành U’2 Đây ngun nhân phóng nạp điện tích C1 C2

Dịng điện qua người: R (C C )

t ng

ng RU e ng

I +

− ∆

=

Ngồi ra, cịn có dịng điện chạy qua điện trở cách điện qua người:

2 ng

1 ng (r r ).UR.r r.r

I

+ +

=

Vậy dòng điện qua tổng hợp hai thành phần dòng điện

Xét mạng điện pha có trung tính nối đất hình vẽ  Ở trạng thái làm việc bình thường với tải Zt

- Nếu người chạm vào pha cách điện đất cách gần xác định dòng qua người :

ng

ng R UR

I

+ =



- Nếu người chạm vào pha nối đất dịng qua người :

ng d bv ng

ng RU IRZ

I = ∆ =



Trong :

Zd : Tổng trở đoạn dây từ người đến chỗ chạm

∆U : Điện áp rơi đoạn từ nguồn đến chỗ người chạm vào dây Ilv : Dòng điện làm việc

* Cho dù người chạm vào điểm b xa điện áp người khơng lớn 5% U mạng điện

 Trường hợp mạng điện bị ngắn mạch hình b Giả sử tiết diện dây người chạm điểm C điện áp đặt vào người là:Ung=U/2 Người chạm gần nguồn điện áp giảm

Nếu người chạm điểm E điên áp đặt vào người :

D Z N ng

l l U

U =

Z

t

a) r0

(0,01÷0,015)U

a b c

Ilv

b) r0

U/2

a b c

IN

Hình 3.2 a) Chạm vào dây mạng pha trung tính nối đất

Trong :

UN : Điện áp điểm ngắn mạch cách gần xem UN=U/2 lZ : Khoảng cách từ nguồn đến vị trí người chạm vào dây

ld : Khoảng cách từ nguồn đến điểm ngắn mạch

3.3 PHÂN TÍCH AN TỒN TRONG MẠNG ĐIỆN BA PHA 3.3.1 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI MẠNG ĐIỆN BA PHA :

1− Mạng điện ba pha bốn dây

−Trung tính cách điện đất −Trung tính nối đất trực tiếp

−Trung tính nối đất qua cuộn kháng nhỏ 2−Mạng điện ba pha ba dây

−Trung tính cách điện đất

−Trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang −Trung tính nối đất trực tiếp

3.3.2 PHÂN TÍCH AN TOÀN TRONG MẠNG BA PHA

Ta xét mạng điện tổng quát mạng điện pha dây (như hình vẽ) có trung tính nối đất qua điện trở R0 điện kháng Xl

Ta có :

R0

3 Xl

a.

R4 C4 R1 C1 R2 C2 R3 C3

3

U

Y4 Y0

2

1

1

U

2

U

Yng Y1

Y2 Y3

3

O O’

b.

Hình 3.3a: Mạng điện tổng quát pha dây

- r1, r2, r3, r4 điện trở cách điện dây

- C1,C2,C3,C4 điện dung đường dây đất

- Yi điện dẫn dây pha, dây trung tính trung tính máy biến áp so với đất

1

1

1 g jb r1 j C

Y = + = + ω 2

2 2

2 g jb r1 j C

Y = + = + ω

3

3

3 g jb r1 j C

Y = + = + ω 4

4 4

4 g jb r1 j C

Y = + = + ω

L / j r jb g Y 0

0 = − = − ω

 điện dẫn người :

ng

ng R1

Y =

khi người tiếp xúc với pha (ví dụ pha hình vẽ) điện áp tiếp xúc đặt vào người :

0

ng U U

U =  −  dòng qua người :Ing = U ng.Yng = (U1− U 0).Yng

trong : U1: Điện áp pha

U0: Điện áp trung tính đất Ta có: ng 3 2 ng

0 Y Y Y Y Y Y

Y U Y U ) Y Y ( U Y Y U

U             + + + + + + + + = Σ =

Với mạng ba pha đối xứng ta có :

f

1 U

U = U1 = a2Uf U1 = aUf

trong :

2 j e

a= j120 = − +

Uf giá trị tuyệt đối điện áp pha

Suy :

ng ng 2 f

0 Y Y Y Y Y Y

Y Y a Y a Y U

U         

+ + + + + + + + =

Từ xác định điện áp tiếp xúc người sau :

ng 4 2 f

ng U (1Ya Y).Y Y(1 Ya).Y Y Y Y Y

U         

+ + + + + + + − + −

Dòng qua người :

ng

4

2 ng

f ng ng

ng U Y U Y (1Ya Y).Y Y(1 Ya).Y Y Y Y Y

I            



+ + + + +

+ + −

+ −

=

= (3-3)

 Mạng điện ba pha bốn dây trung tính nối đất trực tiếp

a.Người tiếp xúc với pha chế độ làm việc bình thường:

Trên hình vẽ ta có điện dẫn trung tính: Y0=

0

r = g0 (r0: điện trở nối đất trung tính)

- Trong trường hợp điện dẫn dây trung tính nhỏ nhiều so với điện dẫn Y0 điểm trung tính xem : Y1=Y2=Y3=Y4 ≈0 điện áp tiếp xúc người theo (2-2) đơn giản nhiều :

ng

0 f

ng U Y YY

U   

+ =

hay

ng

ng f

ng R R

R U U

+ =

 (3-4)

và dòng qua người :

ng f ng

ng

R R

U I

I

+ = =

0

 (3-5)

Nhận xét: Trong trường hợp dòng điện qua người gần không thay đổi điện trở hệ thống thay đổi Hay dịng điện qua người khơng phụ thuộc vào điện trở cách điện

b.Tiếp xúc với pha trong trường hợp mạng cố :

Y0

3

Y4 Y1 Y2 Y3

Hình 3.4: Người chạm vào pha chế độ làm việc bình thường

Hình 3.5: Chạm vào pha pha khác chạm đất

Y0

3

Y4 Y1 Y2 Y3

Giả thiết người chạm vào pha pha chạm đất qua điện trở nhỏ

Rch Y1,Y2,Y3,Y4 nhỏ nhiều so vớiY0

ch

ch R1

Y = tức : Y1=Y2=Y3=Y4 ≈0

Vậy từ (3-2) ta có :

ng ch 0 ch f

ng U Y(1 aY)Y YY

U   

+ + + − = thay ch

ch R1

Y = ;

0

0 R1

Y = ;

ng

ng R1

Y = vào biểu thức biến đổi ta rút

được trị hiệu dụng:

ch ng ng ch ch ch 0 ng f

ng R R R R R R

R R R R R U U + + + + =

Để đơn giản ta giả thiết : 3RchR0=2 3RchR0 ta có :

( )

0 0 0 ch ng ch ch ng f ch ng ng ch ch ng f ng R R R R R R R R U R R R R R R R R R U U + + + = + + +

= (3-6)

và : ) ( 0 ch ng ch ch f ng R R R R R R R U I + + +

= (3-7)

Ta xét hai trường hợp đặt trưng :

* Khi điện trở chạm đất : Rch = ta có Ung=

3Uf tức trường hợp điện áp đặt vào

người điện áp dây

* Khi R0 = ta tính được:Ung =Uf thực tế R0, Rch luôn lớn không nên :Ung = U13 - Uch

suy 3Uf〉Ung〉Uf

Điều minh họa giản đồ véc tơ

Như tiếp xúc với dây pha trong mạng có trung tính trực tiếp nối đất khi có cố nguy hiểm trường hợp làm việc bình thường

Ví dụ 1: Một người chạm vào pha lưới điện ba pha bốn dây 380/220V có trung tính trực tiếp nối đất xác định dòng điện qua người

Cho biết : r0=4Ω ; Rng=1000Ω ; r1=r2=r3=r4=rc1=104Ω

Hinh 3.6:Giản đồ vectơ

U3 U2

U

1

Uch

c1=c2=c3=c4=c=0,1µf, hay

c XC

ω

= =32.103Ω

Giải: Ta có :

4 Y 10 32

1 j 10

1

Y 4 3〈 〈 0 =

⋅ + =

Do coi : Y1=Y2=Y3=Y4=Y≈0

Nên: I R U R 1000220 4 220mA

0 ng

f

ng = + = + ≈

hay bỏ qua R0 thì: I RU 1000220 220mA

ng f

ng = = ≈

Ví dụ : Một người chạm vào pha lưới điện ba pha dây có trung tính trực tiếp nối đất, điện áp 380/220V pha chạm đất hình (2-3)

Biết : R0=4Ω ; Rng=1000Ω ; r1=r2=r3=r4=rc1=104Ω ; c1=c2=c3=c4=c=0,1µf Hãy xác định giá trị ứng với giá trị điện trở chạm đất

Rch=100Ω ; 50; 4; 0,5Ω

Giải : Với Rch=100Ω

Tương tự ta xem Y1=Y2=Y3=Y4≈0

Dịng điện qua người xác định theo cơng thức (3-7)

mA 226 1000 1000 100 100

100

220 R

R R

R R R

R R U

I

ng ng ch ch

ch f

ng = + + + = + + + =

Tương tự với : Rch = 50Ω → Ing = 232mA Rch = 4Ω → Ing = 300mA Rch = 0,5Ω → Ing = 360mA

 Mạng điện ba pha ba dây có trung tính cách điện

a Tiếp xúc pha chế độ làm việc bình thường

Xét trường hợp người tiếp xúc trực tiếp với pha mạng pha

3

R1 C1 R2 C2 R3 C3

dây hình (3-7)

Áp dụng công thức:

ng 4 2 f

ng U YY(1 Ya ) YY (1Y a)YY YY

U        

+ + + + + + + − + − =

Ở không nối đất nên: Y4=Y0=0

ng 3 2 f

ng U YY(1 Ya ) YY (1Y a)

U    

+ + + − + −

= (3-8)

Suy ra: ng 3 2 ng f

ng U Y YY(1 Ya ) YY (1Y a)

I     

 + + + − + −

= (3.9)

Sử dụng công thức (3-8) (3.9) để đánh giá mức độ nguy hiểm tiếp xúc với pha ba trường hợp sau :

* Khi điện dung pha nhau: C1= C2 = C3 = C điện trở pha nhau: R1 = R2 = R3 = Rcđ Đây mạng điện cáp có điện áp nhỏ 1000V

Từ (3-8 ) ta có :

ng f ng f

ng U Y(13Ya Y1 a) U 3Y3YY

U     

+ = + − + −

= (vì 1-a2+1-a=3)

Suy ra: Z R U Y Y Y Y U I ng f ng ng f

ng   

   + = + = (3-10)

Trong : j c

R 1 jb g Y Z cd ω + = + = =  

Khi chuyển qua giá tri hiệu dụng ta có :

2 ng 2 cd ng cd cd ng f ng R ) c R ( ) R R ( R 1 R U I ω + + + = (3-11)

* Khi : C1 = C2 = C3 = R1= R2 = R3 = Rcđ

Đây trường hợp mạng điện áp nhỏ 1000V có chiều dài bé nên bỏ qua trị số điện dung Ở Y1=Y2 =Y3 =Y = g =1/Rcd

Theo (3-11) ta có

* Khi : C1 = C2 = C3 = C R1 = R2 = R3 = ∞

Đây trường hợp mạng điện áp lớn 1000V Lúc ta có Y1=Y2=Y3=Y=jb=jωc=1/Z

thay vào (3-11) ta được:

3 X j R

U

c j

1 R

U I

c ng

f ng

f ng

− =

ω + =



(3-13)

Hay giá trị hiệu dụng :

2 c

ng

c ng

f ng

) X ( R

) X j R ( U I

+ +

= ⇒

2

3      + =

c ng

f ng

X R

U I

(3-14)

Ví dụ 3: Một người tiếp xúc với pha mạng điện pha dây có trung tính cách điện điện áp 380V Biết Rng=1000Ω Hãy xác định dòng điện qua người hai trường hợp

a−Khi C1=C2=C3= R1=R2=R3=3.103Ω

b−Khi C1=C2=C3= C=0,03µfhay Xc=100.103 R1=R2=R3=∞ Giải:

a) Ta áp dụng công thức (3-12):

mA 110

3000 1000

220

Ing =

+ =

b) Ta áp dụng cơng thức :(3-14) ta có

mA Ing 6,6

3 10 100 1000

220

2

=   

 + =

b Tiếp xúc pha chế độ cố:

Hình 3.8: Chạm vào pha pha khác chạm đất

3

Y1 Y2 Y3

Uch Rch

Hinh 3.9:Giản đồ vectơ

U3 U2

U1

Uch Ung

Giả thiết pha chạm đất mà người tiếp xúc với pha 1, điện trở chạm đất Rch Ở coi Y4 = Y0= Ych =1/Rch

Thay giá trị vào (3-9) ta :

ng ch ch ng f

ng U Y YY (1Ya)

I

+ − =

 (3-15)

Thay: Ych= 1/Ych Yng=1/Rng biến đổi ta tính giá trị hiệu dụng dòng điện qua người

ch ng

d ch

ng f ng

R R

U R

R U I

+ = +

= (3-16)

và điện áp:

ch ng

ng f

ng ng ng

R R

R U

3 R

I U

+ =

= (3-17)

Nếu cho Rch ≈ coi Rch<<Rng ta có :

d f ng U U

U = =