TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

3.1. Khái niệm chung

 Ngắn mạch: là một loại sự cố xảy ra trong hệ thống điện do hiện tượng chạm chập giữa các pha không thuộc chế độ làm việc bình thường.

 Trong hệ thống có trung tính nối đất (hay 4 dây) chạm chập một pha hay nhiều pha với đất (hay với dây trung tính) cũng được gọi là ngắn mạch.

3.1.1. Nguyên nhân:

- Cách điện của các thiết bị già cỗi, hư hỏng. - Quá điện áp.

- Các ngẫu nhiên khác, thao tác nhầm hoặc do được dự tính trước...

3.1.2. Hậu quả:

- Phát nóng: dòng ngắn mạch rất lớn so với dòng định mức làm cho các phần tử có dòng ngắn mạch đi qua nóng quá mức cho phép dù với một thời gian rất ngắn.

- Tăng lực điện động: ứng lực điện từ giữa các dây dẫn có giá trị lớn ở thời gian đầu của ngắn mạch có thể phá hỏng thiết bị.

- Điện áp giảm và mất đối xứng: làm ảnh hưởng đến phụ tải, điện áp giảm 30 đến 40% trong vòng một giây làm động cơ điện có thể ngừng quay, sản xuất đình trệ, có thể làm hỏng sản phẩm.

- Gây nhiễu đối với đường dây thông tin ở gần do dòng thứ tự không sinh ra khi ngắn mạch chạm đất.

- Gây mất ổn định: khi không cách ly kịp thời phần tử bị ngắn mạch, hệ thống có thể mất ổn định và tan rã, đây là hậu quả trầm trọng nhất.

29

3.1.3. Mục đích:

- Khi thiết kế và vận hành các hệ thống điện, nhằm giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật yêu cầu tiến hành hàng loạt các tính toán sơ bộ, trong đó có tính toán ngắn mạch.

- Tính toán ngắn mạch thường là những tính toán dòng, áp lúc xảy ra ngắn mạch tại một số điểm hay một số nhánh của sơ đồ đang xét. Tùy thuộc mục đích tính toán mà các đại lượng trên có thể được tính ở một thời điểm nào đó hay diễn biến của chúng trong suốt cả quá trình quá độ. Những tính toán như vậy cần thiết để giải quyết các vấn đề sau:

▪ So sánh, đánh giá, chọn lựa sơ đồ nối điện. ▪ Chọn các khí cụ, dây dẫn, thiết bị điện. ▪ Thiết kế và chỉnh định các loại bảo vệ.

▪ Nghiên cứu phụ tải, phân tích sự cố, xác định phân bố dòng... - Trong hệ thống điện phức tạp, việc tính toán ngắn mạch một cách chính xác rất khó khăn. Do vậy tùy thuộc yêu cầu tính toán mà trong thực tế thường dùng các phương pháp thực nghiệm, gần đúng với các điều kiện đầu khác nhau để tính toán ngắn mạch.

- Chẳng hạn để tính chọn máy cắt điện, theo điều kiện làm việc của nó khi ngắn mạch cần phải xác định dòng ngắn mạch lớn nhất có thể có. Muốn vậy, người ta giả thiết rằng ngắn mạch xảy ra lúc hệ thống điện có số lượng máy phát làm việc nhiều nhất, dạng ngắn mạch gây nên dòng lớn nhất, ngắn mạch là trực tiếp, ngắn mạch xảy ra ngay tại đầu cực máy cắt ...

- Để giải quyết các vấn đề liên quan đến việc chọn lựa và chỉnh định thiết bị bảo vệ thường phải tìm dòng ngắn mạch nhỏ nhất. Lúc ấy tất nhiên cần phải sử dụng những điều kiện tính toán hoàn toàn khác với những điều kiện nêu trên.

30

Chương 4. TÍNH TOÁN SỤT ÁP 4.1. Tính toán sụt áp

- Tổng trở của đường dây tuy nhỏ nhưng không thể bỏ qua. Khi mang tải sẽ luôn tồn tại sự sụt áp giữa đầu và cuối đường dây. Vận hành của các tải (như động cơ, chiếu sáng...) phụ thuộc nhiều vào điện áp trên đầu vào của chúng và đòi hỏi giá trị điện áp gần với giá trị định mức. Do vậy cần phải chọn kích cở dây sao cho khi mang tải lớn nhất, điện áp tại điểm cuối phải nằm trong phạm vi cho phép.

- Xác định độ sụt áp nhằm kiểm tra: Độ sụt áp là chấp nhận được và thoả mãn các yêu cầu về vận hành. Độ sụt áp lớn nhất cho phép sẽ thay đổi tuỳ theo quốc gia. Các giá trị điển hình đối với lưới hạ áp sẽ được cho trong bảng dưới đây.

Độ sụt áp lớn nhất cho phép từ điểm nối vào lưới tới nơi dùng điện

Chiếu sáng Các loại tải khác

Từ trạm hạ áp công cộng 3% 5% Trạm khách hàng được nối từ

lưới trung áp công cộng

6% 8%

- Các sụt áp giới hạn này được cho trong các chế độ vận hành bình thường (ổn định tĩnh) và không được sử dụng khi khởi động động cơ, hoặc khi đóng cắt đồng thời một cách tình cờ nhiều tải. Khi sụt áp vượt quá giới hạn như ở bảng trên thì phải dùng dây có tiết diện lớn hơn.Nếu sụt áp 8% được cho phép thì sẽ gây ra hàng loạt vấn đề sau cho động cơ:

 5% xung quanh giá trị định mức của nó ở trạng thái ổn định tĩnh; Nói chung sự vận hành động cơ đòi hỏi điện áp dao động.

 Dòng khởi động của động cơ có thể gấp 5-7 lần dòng làm việc lớn nhất. Nếu sụt áp là 8% tại thời điểm đầy tải, thì sẽ dẫn đến sụt áp 40% hoặc hơn ở thời điểm khởi động. Điều này làm cho động cơ

31

 Đứng yên (do mô men điện từ không vượt quá mô men tải) và làm cho động cơ quá nóng.

 Tăng tốc độ chậm do vậy dòng tải rất lớn (gây giảm áp trên các thiết bị khác) sẽ tiếp tục tồn tại trong thời gian khởi động.

 Sụt áp 8% sẽ gây tổn thất công suất đáng kể nhất là cho các tải làm việc liên tục. Chia hệ thống ra làm 2 cấp lần lượt là: ∆U1; ∆U2.

32

Chương 5. TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT 5.1. Khái niệm 5.1. Khái niệm

- Sét hay tia sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất hay giữa các đám mây mang các điện tích khác dấu đôi khi còn xuất hiện trong các trận phun trào núi lửa hay bão bụi (cát).

- Khi phóng điện trong khí quyển tia sét có thể di chuyển với tốc độ 36.000 km/h (22.000 mph) vì sét là sự di chuyển của các ion nhưng hình ảnh của sét là do dòng plasma phát sáng tạo ra nên có thể thấy nó trước khi nghe tiếng động vì tiếng động chỉ di chuyển với tốc độ 1.230 km/h (767 mph) trong điều kiện bình thường của không khí còn ánh sáng đi được 299.792.458 m/s.

- Sét đạt tới nhiệt độ 30.000 °C (54.000 °F) gấp 20 lần nhiệt độ cần thiết để biến cát silica thành thủy tinh (chỉ cần 1330 °C để làm nóng chảy SiO2), những viên đá được tạo ra bởi sét đánh vào cát gọi là fulgurite (thường nó có dạng hình ống do sét di chuyển vào lòng đất). Có khoảng 16 triệu cơn dông mỗi năm.Sét cũng được tạo ra bởi những cột tro trong những vụ phun trào núi lửa hoặc trong những trận cháy rừng dữ dội tạo ra một làn khói đặc đủ để dẫn điện.

- Nếu có đám mây dông tích điện đi gần mặt đất tới những khu vực trống trải, gặp một vật có độ cao như cây cối, người cầm cuốc xẻng... thì sẽ có hiện tượng phóng tia lửa điện giữa đám mây và mặt đất. Đó là hiện tượng sét đánh.

5.2. Một số tác hại của sét

▪ Gây cháy nổ hư hại công trình.

▪ Phá hủy thiết bị, các phương tiện thông tin liên lạc. ▪ Gây nhiễu loạn hay ngưng vận hành hệ thống. ▪ Mất dữ liệu hay hư dữ liệu.

▪ Ngừng các dịch vụ gây tổn thất kinh tế và các tổn thất khác. ▪ Gây chết người.

33

5.3. Các hình thức sét đánh

- Sét đánh thẳng vào vị trí nạn nhân từ trên đám mây xuống. Khi nạn nhân đứng cạnh vật bị sét đánh.

- Sét có thể phóng qua khoảng cách không khí giữa người và vật. Trong trường hợp này gọi là sét đánh tạt ngang. Sét đánh khi nạn nhân tiếp xúc với vật bị sét đánh. Điện thế bước.

- Khi người tiếp xúc với mặt đất ở một vài điểm. Sét lan truyền trên mặt đất. Sét lan truyền qua đường dây cáp tới các vật như điện thoại, tivi (vô tuyến), ổ cắm.

5.4. Những nguyên tắc trong thiết lập hệ thống chống sét

- Hệ thống bảo vệ một tòa nhà chống lại những ảnh hưởng của sét phải bao gồm:

▪ Bảo vệ các cấu trúc khỏi bị sét đánh trực tiếp

▪ Bảo vệ các hệ thống điện khỏi bị sét trực tiếp và gián tiếp.

- Nguyên tắc cơ bản bảo vệ của một thiết lập chống lại nguy cơ sét đánh là để ngăn chặn năng lượng của sét ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử nhạy cảm. Để đạt được điều này, hệ thống chống sét cần phải:

▪ Xác định được dòng sét và những kênh (vị trí) mà tia sét có khả năng thông qua đó để phóng xuống đất là lớn nhất (tránh vùng lân cận của thiết bị điện tử nhạy cảm)

▪ Thực hiện liên kết đẳng thế của tiến trình thiết lập hệ thống chống sét ▪ Liên kết đẳng thế này là thực hiện liên kết hệ thống dây tiếp đất (kết nối giữa các hệ thống tiếp đất), và thiết bị van đẳng thế này có thể là thiết bị chống xung (SPDs) hoặc ống phóng khí gas (Spark gaps).

▪ Giảm thiểu tác động gây ra bởi các ảnh hưởng gián tiếp bằng việc cài đặt SPDs hoặc các bộ lọc. Hai hệ thống bảo vệ được sử dụng để loại bỏ hoặc giới hạn quá áp: chúng được gọi là hệ thống bảo vệ tòa nhà – hệ thống chống sét trực tiếp

34

(đối với bên ngoài của tòa nhà) và hệ thống bảo vệ các thiết bị điện (đối với bên trong tòa nhà).

- Xây dựng hệ thống bảo vệ tòa nhà

Vai trò của hệ thống bảo vệ tòa nhà là để chống sét trực tiếp hệ thống này bao gồm:

▪ Thiết bị bắt sét (VD: kim thu sét): hệ thống chống sét ▪ Dây dẫn được thiết kế để truyền sét xuống đất

▪ Hệ thống tiếp địa "chim chân" kết nối với nhau

▪ Liên kết giữa tất cả các khung kim loại (bằng liên kết van đẳng thế) với điểm tiếp đất.

▪ Khi có dòng sét trong một dây dẫn (dây thoát sét), và nếu có sự khác biệt xuất hiện giữa nó và các hệ thống dẫn kết nối với điểm tiếp đất nằm trong vùng lân cận, có thể gây ra hiện tượng phóng điện bề mặt.

⇨ Vì đây là nhà ở nên ta chọn phương án kĩ thuật thu sét tại một điểm, có nghĩa là ta tạo ra một điểm chuẩn để sét đánh vào chính nó mà không đánh vào các điểm khác trong khu vực cần bảo vệ và như vậy là ta có thể điều khiển được đường dẫn của sét.

5.5. Tính toán chống sét cho nhà biệt thự 5.5.1. Khái niệm chung 5.5.1. Khái niệm chung

- Theo tiêu chuẩn IEC kĩ thuật thu sét tại điểm đặt trước thì vùng bảo vệ được xác định bằng phương pháp hình nón, phương pháp quả cầu lăn và phương pháp lưới bảo vệ.

- Phương pháp hình nón: Ưu điểm là đơn giản nhưng không quan tâm đến các thông số quan trọng là biên độ dòng sét

- Phương pháp quả cầu lăn: Khắc phục được những nhược điểm này nhưng lại cho rằng khả năng khởi tạo tiên đạo của tất cả các điểm mà quả cầu tiếp xúc cấu trúc là bằng nhau. Phương pháp này đòi hỏi có một số lượng lớn các đầu

35

thu trên các cấu trúc cao gồm mặt đứng và ngang vốn không có sự gia tăng điện trường. Các hệ thống thiết kế theo phương án này có thể rất đắt tiền và có thể dẫn đến thiết kế thừa vì có quá nhiều chứng cứ cho thấy mặt hông rất hiếm khi bị sét đánh

⇨ Vì là nhà ở nên ta chọn phương pháp hình nón

- Theo phương pháp hình nón, vùng bảo vệ của kim Franklin được xác định như sau:

- Trường hợp có một kim

▪ Bán kính bảo vệ rx của kim Franklin được xác định theo biểu thức

ℎ𝑥 ≤2 3ℎ ∶ 𝑟𝑥 = 1,5ℎ (1 − ℎ𝑥 0,8ℎ) . 𝑝 ℎ𝑥 >2 3ℎ ∶ 𝑟𝑥 = 0,75ℎ (1 − ℎ𝑥 ℎ) . 𝑝 trong đó:

h là chiều cao kim thu sét (m) hx là chiều cao công trình (m)

p là hệ số hiệu chỉnh theo chiều cao kim thu sét p = 1 khi h ≤ 30m

p = 5,5/√h khi 30m ≤ h ≤ 100m

- Trường hợp hai kim có độ cao như nhau thì phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét được xác định như sau :

2𝑏𝑥 = 4𝑟𝑥 7ℎ𝑎 − 𝑎 14ℎ𝑎 − 𝑎

Trong đó:

rx được xác định theo biểu thức trên trường hợp 1 kim bx là bề ngang hẹp nhất của phạm vi bảo vệ ở độ cao hx

36 a là khoảng cách giữa 2 cột thu sét (m)

ha là chiều cao hiệu dụng của cột thu sét (m), a ≤ 7ha Trường hợp có nhiều kim được xác định theo biểu thức: D ≤ 8(h- hx).p

Với D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác

5.5.2. Áp dụng tính toán chọn vùng bảo vệ cho biệt thự

- Biệt thự có chiều dài 18.25m, chiều rộng 15m, chiều cao 8.9m

- Áp dụng phương pháp chống sét bằng 2 kim đặt cách nhau 8m, cột thu sét cao 5m ta có: 𝑟𝑥 = 0,75ℎ (1 −ℎ𝑥 ℎ) . 𝑝 𝑣ớ𝑖 ℎ𝑥 >2 3ℎ 2𝑏𝑥 = 4𝑟𝑥 7ℎ𝑎 − 𝑎 14ℎ𝑎 − 𝑎 5.5.3. Chọn dây dẫn sét xuống đất

Để dẫn sét xuấng đất có thể dùng dây đồng trần, thanh đồng hay cáp thoát sét chống nhiễu Ericore. Vì đây là nhà ở nên ta dùng dây đồng trần

o Theo tiêu chuẩn IEC thì tiết diện dây dẫn sét tối thiểu không được nhỏ hơn 50 𝑚𝑚2, là nhà ở có độ cao nhỏ hơn 28m nên ta chọn luôn tiết diện dây dẫn sét bằng 50𝑚𝑚2

37

Chương 6. TÍNH TOÁN BẢO VỆ NỐI ĐẤT 6.1. Cơ sở lý thuyết 6.1. Cơ sở lý thuyết

6.1.1. 1. Khái niệm chung

- Bảo vệ nối đất là một trong những biện pháp bảo vệ an toàn cơ bản đã được áp dụng từ lâu. Bảo vệ nối đất là nối tất cả các phần kim loại của thiết bị điện hoặc của các kết cấu kim loại mà có thể xuất hiện điện áp khi cách điện bị hư hỏng với hệ thống nối đất.

6.1.2. Mục đích:

- Bảo vệ nối đất nhằm bảo vệ an toàn cho người khi người tiếp xúc với thiết bị đã bị chạm vỏ bằng cách giảm điện áp trên vỏ thiết bị xuống một trị số an toàn.

=> Chú ý: Ở đây ta hiểu chạm vỏ là hiện tượng một pha nào đó bị hỏng cách điện và có sự tiếp xúc điện với vỏ thiết bị.

6.1.3. Các hình thức nối đất

a. Nối đất tập trung

- Là hình thức dùng một số cọc nối đất tập trung trong đất tại một chổ, một vùng nhất định phía ngoài vùng bảo vệ.

- Nhược điểm của nối đất tập trung là trong nhiều trường hợp nối đất tập trung không thể giảm được điện áp tiếp xúc và điện áp đến giá trị an toàn cho người.

b. Nối đất mạch vòng

- Để khắc phục nhược điểm của nối đất tập trung người ta sử dụng hình thức nối đất mạch vòng. Đó là hình thức dùng nhiều cọc đóng theo chu vi và có thể ở giữa khu vực đặt thiết bị điện

c. Lĩnh vực áp dụng của bảo vệ nối đất:

- Bảo vệ nối đất được áp dụng với tất cả các thiết bịcó điện áp U>1000V lẫn thiết bị có điện áp <1000V tuy nhiên trong mỗi trường hợp là khác nhau.

38

▪ Đối với các thiết bị có điện áp U >1000V thì 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.

▪ Đối với các thiết bị có điện áp U<1000V thì 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.

6.1.4. 4. Điện trở nối đất, điện trở suất của đất

a. Điện trở nối đất

- Điện trở nối đất hay điện trở của hệ thống nối đất bao gồm:

▪ Điện trở tản của vật nối đất hay nói chính xác hơn là điện trở tản của môi trường đất xung quanh điện cực. Đó chính là điện trở của đất đối với dòng điện đi từ