Trong thực tế có người chạm vào 1 dây điện chân chạm đất nhưng vẫn không bị điện giật trong khi có ngưòi mang dép khi chạm vào một dây dẫn đã bị điện giật, có người thao tác với lưới điện đã cắt điện vẫn bị điện giật. Tại sao có những lý do trên. Chúng ta hãy phân tích các loại mạng điện sẽ biết được điều đó.
a. Mạng một pha đơn giản
Là mạng một chiều hoặc mạng 1 pha. Được chia làm 2 dạng là: Trung tích cách ly và trung tính trực tiếp nối đất.
Mạng trung tính nối đất
Người ta lấy một đầu của máy phát hoặc một đầu cuộn sơ cấp máy biến áp nối đất ta có mạng trung tính trực tiếp nối đất.
Ta có các trường hợp tiếp xúc điện như sau: Chạm vào dây trung tính (dây nối đất)
Người đứng trên đất chạm vào dây trung tính sẽ không gây nguy hiểm cho người.
Chạm vào dây pha (dây không nối đất)
Người đứng trên đất chạm vào dây pha, dòng điện qua người sẽ là I=
ng R
U
[2.6] Dòng điện này là rất nguy hiểm, trong thực tế đây là tai nạn điện thường gặp. Do đó, người ta yêu cầu khi thao tác với lưới điện cần mang giầy cách điện.
Chạm vào cả dây pha và dây trung tính.
Đây là trường hợp nguy hiểm nhất vì toàn bộ điện áp lưới đặt lên người bị nạn.
Mạng trung tính cách ly
Ta có các trường hợp tiếp xúc điện như sau: Chạm vào một trong 2 dây.
Chạm vào 1 trong 2 dây pha điều ít nguy hiểm. Chạm vào cả dây pha và dây trung tính.
Đây là trường hợp nguy hiểm nhất giống như mạng trung tính nối đất
Hình 2.41. Mạng trung tính cách ly b. Mạng điện 3 pha 3 dây
Mạng trung tính cách ly
Ing= 2 2 2 2 2 ) 3 + 2 + 1 ( + ) + 3 + 2 + 1 ( )] 3 + 2 ( 3 + ) 3 2 ( 3 [ + )] 2 3 ( 3 + ) 2 + 3 ( 3 [ . 2 1 C C C ω g g g g C C G G C C ω g g g U ng ng ω [2.7] Trong đó: g là điện dẫn.
C là điện dung của các pha với đất.
f
π
ω=2 , f là tần số
Hình 2.42. Mạng trung tính cách ly 3 dây 3 pha
Trường hợp mạng điện có đường dây ngắn, điện áp thấp dưới 1KV. Khi đó C1 = C2 = C3 = 0 g1 = g2 = g3 = 1/Rcd Suy ra cd ng ng R R U I + 3 3 = [2.8]
Như vậy, dòng điện đi qua người phụ thuộc vào điện trở cách điện. Thông thường thì điện trở cách điện khá tốt nên Ingcó thể giảm đến mức an toàn.
Trường hợp mạng điện có đường dây dài cách điện tốt, điện áp cao trên 1KV. Mạng điện lớn hơn 1KV thường đi trên không nên cách điện rất tốt g1 = g2 = g3= 0, điện dung rất cao C1 = C2 = C3= C. Khi đó Ingđược tính như sau:
2 2 +( 1 ) 9 3 = ω C R U I ng ng [2.9]
Ingbây giờ phụ thuộc vào điện dung C nếu điện dung C lớn thì rất nguy hiểm cho người.
Mạng trung tính trực tiếp nối đất
Như đã trình bày ở 2 phần trước, mạng điện 3 pha có trung tính nối đất rất nguy hiểm khi chạm vào dây pha.
Hình 2.43. Mạng trung tính trực tiếp nối đất 3 dây 3 pha
2.5.5. Bảo vệ nối dây trung tính.
a. Ý nghĩa của bảo vệ nối dây trung tính.
- Ý nghĩa của việc thay thế này là xuất phát từ chỗ bảo vệ nối đất dùng cho mạng điện dưới 1000V khi trung tính có nối đất không đảm bảo điều kiện an toàn khi có hiện tượng chạm vỏ thiết bị.
- Vấn đề đặt ra là phải cắt nhanh chỗ bị sự cố để khắc phục tình trạng trên. Bằng cách đơn giản nhất là dùng dây nối vỏ thiết bị với dây trung tính để biến sự chạm vỏ thiết bị thành ngắn mạch một pha để bảo vệ làm việc cắt nhanh chỗ bị sự cố.
b. Bảo vệ nối dây trung tính trong các mạng điện.
Mạng điện áp 3 pha 4 dây 380/220V hay 220/127V, trung tính trực tiếp nối đất:
- Lúc cách điện của thiết bị trong mạng điện áp dưới 1000V bị chọc thủng (hiện tượng chạm vỏ) sẽ có dòng điện đi vào đất, theo biểu thức:
Iđ = U/ Rđ + R0 [2.10]
Với: Rđ–điện trở nối đất của thiết bị R0–điện trở nối đất làm việc
Hình 2.44. Mạng điệp áp 3 pha 4 dây
- Trong trường hợp trị số dòng điện ngắn mạch có thể không đủ làm chảy cầu chì hay làm các thiết bị bảo vệ hoạt động, nên vẫn tồn tại trên thiết bị hiện tượng “ chạm vỏ” làm các phần này không mang điện nay lại có điện (tuy lúc này điện áp người khi tiếp xúc Utx< U ), đồng thời gây trên các pha còn lại các điện áp rất cao có thể nguy hiểm cho người khi chạm phải.
- Vì vậy muốn bảo vệ nối dây trung tính đạt được mục đích khi có sự cố các cầu chì và các thiết bị bảo vệ khác cắt được mạch điện nhanh chóng phải tăng dòng điện ngắn mạch: INM > 3Iđm và trị số R0 càng nhỏ. Như vậy, trong mạng này dây trung tính cũng là dây bảo vệ.
Mạng điện áp 3 pha 5 dây.
- Khi mạng điện 3 pha 4 dây có tải không cân bằng sẽ có điện trên dây trung tính, do đó khi thao tác rất nguy hiểm. Để khắc phục trường hợp này có hiện nay một số nước áp dụng mạng điện 3 pha 5 dây.
- Ngoài dây trung tính N làm nhiệm vụ dẫn điện, ta có thêm dây PE gọi là dây bảo vệ dây này chỉ dẫn điện khi có sự cố chạm vỏ thiết bị.
c. Nối đất lặp lại dây trung tính. Mục đích nối đất lặp lại:
Hình 2.46. Mạng nối đất lặp lại
- Khi tiến hành bảo vệ nối dây trung tính, nhất thiết không được để cho dây trung tính vì một nguyên nhân nào đó mà cách điện đối với đất. Khi đó điện áp dây trung tính có thể tăng tới trị số điện áp pha. Vì thế bảo vệ nối dây trung tính chỉ có thể áp dụng đối với những lưới điện có điểm trung tính của nguồn cung cấp được nối trực tiếp đến hệ thống tiếp đất.
- Dây trung tính không chỉ được nối đất ở nguồn cung cấp (nối đất làm việc) mà còn được nối đất tại các nơi khác trong mạng điện gọi là nối đất lặp lại.
- Nối đất lặp lại nhằm mục đích giảm thấp trị số điện áp trên dây trung tính và đề phòng trường hợp đứt dây trung tính.
Trường hợp đứt dây trung tính không có nối đất lặp lại: Khi xảy ra hiện tượng chạm vỏ thiết bị, điện áp tiếp xúc (Utx):
- Phía trước chỗ đứt dây trung tính: Utx = 0 - Phía sau chỗ đứt dây trung tính: Utx = Upha
Trường hợp đứt dây trung tính có nối đất lặp lại:
- Ta có dòng điện chạm đất: Iđ = U/ Rđ + R0 [2.11] -Điện áp tiếp xúc của nguời lúc này: Utx = U. Rđ / Rđ + R0 [2.12] -Ta thấy điện áp tiếp xúc trong trường hợp này đã giảm sau chỗ đứt và khi Rđ =R0 thì Utx = U/2 đồng đều hơn tại nơi trước và sau chỗ đứt dây trung tính. Vì thế trị số điện trở nối đất lặp lại thường vào khoảng <10.
Hình thức nối đất lặp lại của dây trung tính: Người ta chia ra 3 dạng nối dây trung tính sau:
+ Không có nối đất lặp lại:
Qui trình hiện nay cho phép không dùng nối đất lặp lại cho mạng điện dùng cáp có lõi riêng hay vỏ bằng kim loại của cáp dùng làm dây trung tính.
Tại các đoạn dây ngắn từ 100m trở xuống hay công trình ở đó không dây trung tính.
+ Nối đất lặp lại bố trí tập trung:
Dùng trong các mạng điện đường dây trên không, các chỗ rẽ nhánh, và trên các đoạn từ 1 - 2 km của các mạch không rẽ nhánh.
+ Nối đất lặp lại bố trí mạch vòng:
Dùng đối với các thiết bị cố định bằng cách đóng các thanh sắt theo chu vi của phòng và nếu phòng rộng đóng thêm 1 dây giữa, hàn tất cả các thanh sắt lại bằng 1 thanh dẫn chung. Nên tận dụng triệt để các vật nối đất tự nhiên.
Phạm vi ứng dụng:
- Bảo vệ nối dây trung tính tức là thực hiện nối các bộ phận không mang điện áp với dây trung tính, dây trung tính được nối đất ở nhiều chỗ. Bảo vệ nối dây trung tính dùng thay cho bảo vệ nối đất trong các mạng điện 4 dây điện áp thấp 380/220V và 220/127V nếu trung tính của các mạng này trực tiếp nối đất. - Trong mạng 380/220V: bảo vệ nối dây trung tính được dùng trong mọi cơ sở sản xuất không phụ thuộc vào môi trường xung quanh.
- Trong mạng 220/127V chỉ cần ở các trường hợp sau: + Xưởng đặc biệt nguy hiểm về mặt an toàn.
+ Thiết bị đặt ngoài trời.
+ Cho các chi tiết bằng kim loại mà người hay chạm đến (tay cầm, tay quay, vỏ động cơ điện của các máy công cụ …)
- Đối với các nơi làm việc, nhà ở có nền nhà cao ráo thì thiết bị dùng điện áp 380/220V hay 220/127V không cần thiết phải dùng bảo vệ nối dây trung tính.
- Trong mạng điện thắp sáng lúc cần nối dây trung tính người ta nối trực tiếp công tắc và chuôi đèn vào dây trung tính.
- Các dụng cụ di động cần dùng một dây dẫn riêng để nối dây trung tính. - Trong mạch điện của dây trung tính không được dùng cầu chì hay các loại cầu dao khác mà thường dùng máy cắt điện và máy cắt này khi hoạt động sẽ cắt đồng thời dây trung tính và dây pha cùng một lúc.
- Tiết diện dây trung tính thường bằng 50% tiết diện dây pha lớn nhất, còn tiết diện dây nối từ thiết bị đến dây trung tính lấy bằn 1/3 tiết diện của dây pha cung cấp cho thiết bị.
2.5.6. Bảo vệ điện áp cao xâm nhập điện áp thấp.
a. Sự nguy hiểm của điện áp cao xâm nhập điện áp thấp
- Điện áp cao xâm nhập sang điện áp thấp là sự nối điện các cuộn dây có điện áp khác nhau vì hỏng cách điện nên có sự rò điện ra vỏ thiết bị điện hay có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các cuộn dây với nhau.
- Hiện tượng này thường xảy ra ở các máy biến áp di động cung cấp điện cho các thiết bị cầm tay, dụng cụ điện, máy hàn điện…
- Đối với các máy biến áp cố định trong mạng điện động lực hay thắp sáng có cách điện rất tốt, nên sự xâm nhập điện áp cao xảy ra chủ yếu ở đầu các cuộn dây. Ngoài ra, còn gặp ở các máy biến áp, biến dòng đo lường mà người thường hay tiếp xúc.
Trường hợp trung tính của mạng hạ áp và cao áp điều cách điện với đất - Để bảo vệ điện áp cao sang mạng điện áp thấp hơn 1000V có trung tính cách điện người ta dùng cầu chì nổ (cầu chì có lớp lót mica cách điện và bình thường nó ngăn cách cuộn dây thứ cấp máy biến áp với đất). Khi có sự cố điện áp xâm nhập thì khoảng cách không khí giữa các lớp mica và mica bị đánh thủng, dòng điện đi qua R0thành dòng điện chạm đất tương tự trừơng hợp trung tính nối trực tiếp với đất.
- Dùng cầu chì nổ ở phía cao áp có U < 3KV không được tốt vì cầu chì nổ có thể không tác động.
- Cầu chì nổ phải được kiểm tra 3 tháng 1 lần, cần xem xét cẩn thận không cho bụi bám vào khe hở của cầu chì gây nên tác động nhầm lẫn. Ngoài ra, người ta còn sử dụng các loại bảo vệ khác như bảo vệ hơi, bảo vệ so lệch máy biến áp…
Trong trường hợp này, dây trung tính phía áp thấp có trị số điện áp gần bằng điện áp pha phía cao áp, gây nên hiện tượng qúa áp, phá huỷ, gây hư hỏng thiết bị điện.
Hình 2.47. Mạng cách điện với đất
Trường hợp trung tính hạ áp nối đất, cao áp không nối đất
Trong trường hợp này, dây trung tính phía áp thấp có trị số điện áp: 1 9 3 2 2 2 + = . = C ω R CR ω U R I U o o d o [2.13] Trong đó:
Rođiện trở nối đất, C điện dung, Iddòng điện sự cố hay dòng điện vào đất Uo có trị số lớn đủ gây nguy hiểm cho người khi chạm vào vỏ thiết bị điện, nếu vỏ thiết bị nối trung tính bảo vệ.
b. Các biện pháp bảo vệ khi điện áp cao xâm nhập điện áp thấp
Biện pháp bảo vệ trong mạng điện có trung tính nối đất
- Đối với trường hợp phía hạ áp trung tính nối đất, biện pháp bảo vệ là phía cao áp cũng cần nối đất. Khi có điện áp cao xâm nhập điện áp thấp thì sự xâm nhập này được xem như chạm đất một pha, các thiết bị bảo vệ phía cao áp tác động, cắt điện phía cao áp.
- Nếu trung tính phía cao áp không thực hiện nối đất được. Để đảm bảo an toàn cần chọn điện trở nối đất phía hạ áp Ro ≤ 4. Khi đó điện áp trên dây trung tính là: nth o nth o d o R R R R I U + = [2.14]
(Rnth+ là điện trở đẳng trị của nối đất lập lại)
Hình 2.49. Mạng điện có trung tính với đất
Biện pháp bảo vệ trong mạng điện có trung tính cách ly với đất
- Để khắc phục người ta dùng khe hở phòng điện. Khe hở phóng điện bình thường cánh điện cuộn sơ cấp với đất. Khi xảy ra sự cố các điện cực của khe hở bị chọc thủng, khi đó mạng hạ áp được xem như nối đất.
- Nếu phía cao áp điện áp nhỏ hơn 3000V thì khe hở không phóng điện. Ngày nay người ta dùng điện trở phi tuyến thay cho khe phóng điện. Điện trở phi tuyến hoạt động theo nguyên lý sau: khi điện áp vượt quá điện áp cho phép thì điện trở trên nó bằng không, nếu chưa vượt giá trị cho phép thì điện trở vô cùng lớn
Biện pháp bảo vệ cho máy biến áp có điện áp thứ cấp nhỏ hơn 1000V - Với loại máy biến áp có điện áp cao nhỏ hơn 1000V, điện áp thấp nhỏ hơn 100V sử dụng 2 phương pháp trên không còn phụ hợp nữa.
- Mạng điện này tương ứng với điện 380/220, mà mạng điện này đã được nối trung tính làm việc. Do đó, ta chỉ cần nối trung tính một đầu của cuộn thứ cấp máy biến áp.
- Khi có sự xâm nhập điện áp các thiết bị bảo vệ sẽ tác động cắt thiết bị ra khỏi lưới điện.
Hình 2.51. Máy biến áp có điện áp thứ cấp nhỏ hơn 1000V
- Tuy nhiên, trong một số trường hợp dòng ngắn mạch không đủ lớn để cắt điện. Để khắc phục người ta dùng nối trung tính cuộn dây chắn. Nếu xảy ra nối điện bất ngờ thì chỉ xảy ra giữa cuộn chắn và cao áp.
Hình 2.52. Máy biến áp có điện áp thứ cấp nhỏ hơn 1000Vcó cuộn dây chắn
Sự khác nhau giữa trung tính, tiếp địa và nối đất.
Để phân biệt được dây trung tính, nối đất và tiếp địa thì trước hết ta phải biết được sự cần thiết của từng loại dây này.
Hình 2.53. Phân bố dây trung tính và tiếp địa
- Dây trung tính (Neutral) hay một số người vẫn gọi là dây nguội, dây mát. Nó là điểm nối chung của 3 đầu dây pha (dây lửa) xuống đất của biến áp