Lịch sử phát triển hệ thống điện

Lịch sử phát triển hệ thống điện của các nước trên thế giới thấy rằng, thời kỳ đầu, các lưới điện đều vận hành với trung tính cách ly. Sở dĩ giải pháp này này từ đầu được chấp nhận là do: - Cấp điện áp trước đây thấp do đó vấn đề chi phí cho cách điện trong lưới không được quan tâm nhiều. - Việc nối đất hay không nối đất, hay không nối đất trung tính, cũng không ảnh hưởng đến khả năng truyền tải của đường dây

GIỚI THIỆU

Lịch sử phát triển hệ thống điện của các nước trên thế giới thấy rằng, thời kỳ đầu, các lưới điện đều vận hành với trung tính cách ly Sở dĩ giải pháp này này từ đầu được chấp nhận là do:

- Cấp điện áp trước đây thấp do đó vấn đề chi phí cho cách điện trong lưới không được quan tâm nhiều

- Việc nối đất hay không nối đất, hay không nối đất trung tính, cũng không ảnh hưởng đến khả năng truyền tải của đường dây

- Dòng sự cố 1 pha, điện áp bước, điện áp tiếp xúc nhỏ Khi xảy ra sự cố chạm đất trên một phần tử thì vẫn có thể cho phép lưới điện tiếp tục được vận hành trong một thời gian và trong khoảng thời gian này người ta đủ để xác định được điểm sự cố

và tách điểm sự cố ra khỏi lưới, làm tăng khả năng cung cấp điện cho các hộ phụ tải Tuy nhiên, hạn chế của lưới trung tính cách điện bắt đầu xuất hiện với sự phát triển của hệ thống điện cả về quy mô lưới điện và cấp điện áp Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ nối đất trung tính lưới trung áp đã được nhiều nước quan tâm Phù hợp với tính chất lưới điện, đặc điểm riêng của từng nước mà nhiều nước đã có những nghiên cứu cải tiến chế độ nối đất của lưới trung áp sao cho phù hợp Hiện nay, lưới điện trung áp trên thế giới có những phương thức: Trung tính cách ly, trung tính nối đất trực tiếp, nối đất qua cuộn dập hồ quang, nối đất qua tổng trở nhỏ

Vì theo đề tài nên bài viết này sẽ phân tích về mạng điện ba pha có trung tính nguồn cách điện với đất

MỤC LỤC

 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI MẠNG ĐIỆN BA PHA

I Khái niệm………3

II Phân loại……… …3

III Các tính huống có thể dẫn đến tai nạn nguy hiểm của dòng điện trong mạng ba pha……….……… …4

 MẠNG ĐIỆN BA PHA CÓ TRUNG TÍNH NGUỒN CÁCH ĐIỆN VỚI ĐẤT I Các trường hợp nguy hiểm của mạng điện ba pha ba dây……… …5

1 Trường hợp chung……….……… …… 5

a) Khi người chạm vào một trong các pha………….……… …… 8

b) Khi người chạm vào 2 pha trong các pha……….……… ….… 8

c) Khi dây dẫn một pha bị chạm đất và người đứng chạm vào một pha khác

……….……… …… ……….……….……… ……… 9

2 Trường hợp mạng điện có điện áp dưới 1000V, chiều dài đường dây ngắn.……… …… ……….……….……… ………… … 11

3 Trường hợp mạng điện có điện áp trên 1000V, cách điện tốt và chiều dài dường dây dài… …… ……….……….……… ……… 11

4 Trường hợp mạng điện có cách điện không lớp lắm, chiều dài đường dây dài và điện áp cao… …… ……….……….………… ………… … 12

II Ưu và nhược điểm…… ……….……….………… ………… ……13

III Biện pháp an toàn…… ……….……….………… …… …… … 14

 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI MẠNG ĐIỆN BA PHA

I Khái niệm:

- Điểm trung tính là điểm chung của ba cuộn dây nối hình sao Trong mạng điện

ba pha điểm trung tính nguồn có vai trò hết sức quan trọng trong chế độ làm việc của mạng

- Dây trung tính là dây nối với điểm trung tính nguồn, làm nhiệm vụ dẫn dòng điện trở về nguồn khi mạng không đối xứng

- Điểm trung tính nguồn và dây trung tính gọi chung là trung tính

- Nếu trung tính không nối đất hoặc nối đất qua tổng trở lớn hoặc nối đất qua thiết bị bù dòng điện dung được gọi là trung tính cách điện đối với đất Nếu trung tính trực tiếp nối với hệ thống nối đất có điện trở nhỏ gọi là trung tính trực tiếp nối đất và nối đất qua cuộn hồ quang

- Mạng điện 3 pha: gồm nguồn, tải và đường dây đối xứng gọi là mạch điện 3

pha đối xứng Nếu không thỏa mãn 1 trong 3 điều kiện đã nêu gọi là mạch điện 3 pha

không đối xứng.

 Điện áp pha của tải UP = UA = UB = UC là điện áp đo được giữa 2 đầu pha tải hoặc giữa 1 dây pha và 1 dây trung tính

 Điện áp dây của tải Ud = UAB = UBC = UCA là điện áp đo được giữa 2 dây pha

 Dòng điện pha của tải IP = IPA = IPB = IPC là dòng điện đi qua một cuộn dây của một pha máy phát hoặc một pha tải

 Dòng điện dây Id = IdA = IdB = IdC là dòng điện chạy trên dây từ nguồn đến tải

 Mạng điện này thường được dùng rộng rãi trong công nghiệp

II Phân loại: mạng điện ba pha được phân loại theo:

- Cấp điện áp:

Mạng cao áp

 Mạng có điện áp (110kV, 220kV, 500kV,…) thường là mạng trung tính nối đất trực tiếp

 Khi điện áp của mạng (35kV, 20kV, 10kV,…) thường là mạng trung tính cách điện với đất

Mạng hạ áp

 Thường là mạng 220/127V hoặc 380/220V có thể là trung tính nối đất hoặc không nối đất Nước ta hiện nay đang dung phổ biến mạng ba pha bốn dây 380/220V trung tính nối đất trực tiếp

- Theo chế độ làm việc của trung tính nguồn:

Trung tính nguồn cách điện với đất

Trung tính nguồn trực tiếp nối đất

III Các tính huống có thể dẫn đến tai nạn nguy hiểm của dòng điện trong mạng ba pha:

- Chạm trực tiếp vào một pha, hai pha hoặc ba pha

- Chạm gián tiếp (chạm khi thiết bị điện có sự cố hỏng cách điện hoặc phải chịu điện áp bước) Chạm vào vỏ thiết bị hỏng cách điện thường là do một pha chạm vỏ, có thể coi là trường hợp chạm vào một pha của mạng điện ba pha

Trong các tình huống trên, tình huống chạm vào một pha là phổ biến nhất Song mức độ nguy hiểm còn tùy thuộc vào từng loại mạng điện ba pha là cao áp hay hạ áp, trung tính có nối đất hay không nối đất Khi đó mức độ nguy hiểm phụ thuộc rất nhiều vào tình trạng làm việc của điểm trung tính của mạng điện

 MẠNG ĐIỆN BA PHA CÓ TRUNG TÍNH NGUỒN CÁCH ĐIỆN

VỚI ĐẤT

- Mạng điện ba pha trung trình nguồn cách điện đối với đất chỉ được sử dụng ở nơi có yêu cầu an toàn như trong khai thác than bùn, khai thác mỏ, hầm lò, trong tàu thủy,… Để ngăn ngừa điện chạm đất, người ta phải đặt khí cụ điện bảo vệ (rơ le, cầu chì, máy cắt,…) kiểm tra ở từng pha

I CÁC TRƯỜNG HỢP NGUY HIỂM CỦA MẠNG BA PHA

1 Trường hợp chung

- Xét một mạng điện ba pha có trung tính nguồn cách điện đối với đất:

-K

điện dung và điện dẫn của mạng có trị số bất kỳ, nghĩa là:

- Trước khi người chạm vào một trong các pha, theo định luật Kirchoff 1ta có:

Với:

Trong đó:

 : Điện áp tương ứng của các pha đối với đất

 : Điện dẫn của các pha đối với đất, với :

 : Điện dung của các pha đối với đất

- Ta có:

Trong đó:

 là trị số tức thời của điện áp các pha với đất

 là trị số tức thời điện áp dây

- Thay các trị số trong biểu thức (6.1), ta được:

- Để đơn giản ta đặt và rồi biểu diễn biểu thức trên dưới dạng phức:

- Mặt khác:

 Với U là điện áp pha của mạng điện

- Thay các giá trị và vào trong biểu thức (6.2), ta được:

a) Khi người chạm vào một trong các pha:

điện với đất, sẽ có dòng điện đi qua cơ thể người dòng điện này sẽ đóng kín qua các điện trở cách điện và các điện dung

Ta có trị hiệu dụng của dòng điện qua người:

b) Khi người chạm vào hai pha trong các pha

 Thì

điện áp dây:

Mà ta có:

-Đối với bất kỳ mạng điện ba pha nào, nguy hiễm nhất vẫn là đồng thời chạm vào hai pha khác nhau lúc đó điện thế đặt vào người sẽ lớn nhất Dòng điện qua người xác định theo công thức:

Trong trường hợp này dù người có đứng trên ghế cách điện, thảm cách điện… vẫn không có tác dụng giảm dòng qua người

c) Khi dây dẫn một pha bị chạm đất và người đứng chạm vào một pha khác

Khi đó điện áp giữa các pha điện áp pha của các pha còn lại sẽ tăng lên bằng điện áp dây

Giả sử pha chạm đất trực tiếp, khi đó điện áp đối với đất của pha (, nên có thể coi như chổ chạm đất được đặt thêm một điện áp mới bằng () Như vậy, điên áp mới của các pha đối với đất ()

Ta được:

Từ đó ta có thể suy ra rằng, người đó chịu một điện áp là:

Dòng điện qua người xác định theo công thức:

Nếu hệ thống nối đất tốt (Rđ 0) và người đứng nơi ẩm ướt (Rn 0) thì:

Theo các phân tích trên, trong mạng điện này dù điện trở cách điện của vỏ bọc dây dẫn các pha đối với đất rất lớn (R1 = R2 = R3 = ) nhưng khi người chạm vào một pha vẫn có khả năng bị nguy hiểm chết người

Ngoài ra dòng điện dung của các pha không chạm đất sẽ tăng lên lần và dòng điện dung tại chổ chạm đất tăng lên 3 lần so với dòng điện dung trước khi chạm đất

Mạng điện vẫn làm việc bình thường khi chạm đất một pha nhưng không cho phép làm việc lâu dài vì:

 Có thể pha thứ hai sẽ chạm đất  ngắn mạch hai pha qua đất

 Những chổ cách điện yếu có thể bị đánh thủng, gây phóng điện và ngắn mạch giữa các pha  cách điện pha của mạng điện và các thiết bị điện phải thiết

kế theo điện áp dây

 Tại chổ chạm đất có thể xuất hiện hồ quang chập chờn Trị số quá điện

áp có thể đạt đến Upha

 Phải có thiết bị kiểm tra cách điện

2 Trường hợp mạng điện có điện áp dưới 1000V, chiều dài đường dây

ngắn

- Trường hợp này điện dung C của các pha đối với đất nhỏ không đáng kể, đặt:

- Dòng điện đi qua người Ing được xác định theo biểu thức:

Như vậy, dòng điện đi qua người (Ing) phụ thuộc rất nhiều vào điện trở cách điện

và điện trở người () của mạng điện đối với đất Nếu Rcđ đủ lớn thì dòng điện đi qua người (Ing) có thể giảm đến mức an toàn

3 Trường hợp mạng điện có điện áp trên 1000V, cách điện tốt và chiều

dài đường dây dài

- Trường hợp này Điện dung C của các pha đối với đất lớn, đặt:

- Dòng điện đi qua người Ing được xác định theo biểu thức:

Như vậy, dòng điện đi qua người Ing phụ thuộc vào điện trở cách điện Rng và điện dung C Nếu giá trị điện dung C càng lớn thì dòng điện đi qua người Ing càng lớn và đây là trường hợp nguy hiểm

4 Trường hợp mạng điện có cách điện không lớn lắm, chiều dài đường

dây dài và điện áp cao

- Đây là trường hợp trung gian giữa hai trường hợp trên khi đó

C1 = C2 = C3 = C

- Dòng điện đi qua người Ing khá lớn và được xác định theo biểu thức:

Như vậy hai trường hợp cuối đều rất nguy hiểm vì cường độ dòng điện qua người

có giá trị lớn và thường gây chết người

Ưu điểm: Dòng sự cố 1 pha, điện áp bước, điện áp tiếp xúc nhỏ, cho phép vận hành trong một thời gian nhất định khi sự cố chạm đất 1 pha

Nhược điểm: Mức cách điện của thiết bị phải chịu ở điện áp dây, có khả năng gây quá áp nội bộ do hồ quang chập chờn, khó tìm điểm sự cố, việc thực hiện bảo vệ có chọn lọc khi một pha chạm đất khá phức tạp và đặc biệt đối với lưới 35kV chỉ cho phép làm việc khi IC ≤ 10A

Hiện nay mạng trung tính cách ly được sử dụng ở các nước như: Italia, Nhật, Irceland Tại Việt Nam, lưới 6, 10 và 35kV đang sử dụng mạng trung tính cách đất

 Ở mạng trung áp 35kV trung tính cách ly với đất của Việt Nam

Ưu điểm: Cấu hình trạm biến áp, đường dây đơn giản do cuộn trung áp 35kV MBA nguồn có thể có tổ đấu dây sao hoặc tam giác, điểm trung tính không cần đưa ra ngoài MBA Đường dây trung áp 35kV chỉ cần kéo 3 dây pha, không cần kéo dây trung tính Thiết bị rơ le bảo vệ đơn giản Khi sự cố chạm đất không phải cắt điện trên diện rộng (theo quy phạm có thể vận hành trong 2 giờ khi bị sự cố chạm đất) rất phù hợp cho lưới 35kV cấp riêng cho các trạm trung gian

Nhược điểm: Nguy hiểm cho người và súc vật khi đến gần chỗ chạm đất khi sự

cố chạm đất chưa được loại trừ Khi chạm đất, điện áp pha không bị sự cố tăng lên 1,73 lần, dẫn tới việc lựa chọn mức cách điện của thiết bị ở điện áp dây Một số trường hợp phát triển thành sự cố 2 pha chạm đất Nếu lưới trung áp có nhu cầu dùng trạm phân phối 1 pha thì đường dây trung áp vẫn phải kéo 2 pha, điện áp sơ cấp MBA là điện áp dây Với những lưới trung áp 35kV có chiều dài lớn, dòng điện dung khi chạm đất lớn (quá 10A) dễ sinh ra quá điện áp nội bộ, dễ làm sự cố lan rộng

III BIỆN PHÁP AN TOÀN

Qua các phân tích trên, nhận thấy khi tiếp xúc với mạng điện, giá trị dòng qua người phụ thuộc vào cách tiếp xúc và đặc tính lưới điện

- Đặc tính lưới điện thể hiện ở: loại mạng điện, tình trạng trung tính mạng, điện

áp mạng (cao áp hay hạ áp), trị số điện trở cách điện của các pha, điện dung của pha

- Cách tiếp xúc thể hiện ở: tiếp xúc với một cực hay hai cực cảu mạng điện, tiếp xúc trong trạng thái có hay không có trang bị dụng cụ bào hộ an toàn (găng tay cách điện, ủng cách điện, thảm cách điện, )

Nhằm loại trừ dòng điện qua người cần tiến hành các giải pháp nhằm chống chạm điện trực tiếp như kiểm tra:

- Cách điện giữa các pha với nhau, giữa pha và vỏ

- Trị số điện trở cách điện cho phép: phụ thuộc vào điện áp của mạng điện:

Đối với mạng điện dưới 1000(V) điện trở cách điện phải lớn hơn gấp 1000(Ω/V), tức là 1(KΩ/V)

VD: với mạng điện áp 220(V) điện trở cách điện ít nhất phải là:

Đối với các thiết bị điện có điện áp tới 500(V): Quy phạm an toàn điện quy định điện trở cách điện là 0,5 (MΩ/V) để đảm bảo an toàn

- Ở những nơi có điện nguy hiểm, để đề phòng người vô tình tiếp xúc, cần sử dụng tín hiệu, khoá liên động và phải có hàng rào bằng lưới, có biển báo nguy hiểm

- Sử dụng điện áp thấp, máy biến áp cách ly

- Sử dụng máy cắt điện an toàn

- Hành lang bảo vệ đường dây điện cao áp trên không: giới hạn bởi hai mặt đứng song song với đường dây, có khoảng cách đến dây ngoài cùng, khi không có gió:

Bảng: Hành lang bảo vệ đường dây điện cao áp trên không.

Điện áp (KV)

Đến 20(KV) 35 - 66

(KV) 110 (KV)

220/230 (KV)

500 (KV) Dây bọc Dây trần

Bảng: Khoảng cách thẳng đứng tối thiểu tại mọi vị trí tới dây cuối cùng.

Điện áp (KV) 1 - 20 35 - 66 và 110 220/230 500

Khoảng cách tối thiểu (m) 3 4 5 8

- Trong tất cả các thiết bị đóng mở điện như cầu dao, công tắc, biến trở của các máy công cụ phải che kín những bộ phận dẫn điện Các bảng phân phối điện và cầu dao điện phải đặt trong các hộp tủ kín, bằng kim loại, có dây tiếp đất và phải có khoá hoặc then cài chắc chắn Phải ghi rõ điện áp sử dụng ở các cửa tủ chứa phân phối điện

- Khi đóng mở cầu dao ở bảng phân phối điện phải đi ủng cách điện Các cần gạt cầu dao phải làm bằng vật liệu cách điện và khô ráo Tay ướt hoặc có nhiễu mồ hôi cấm không được đóng mở cầu dao bảng phân phối điện Chỗ đứng của công nhân thao tác công cụ phải có bục gỗ thoáng và chắc chắn

- Khi tiếp xúc với mạng điện, cần trèo cao, trong phòng kín ít nhất phải có 2 người, một người thực hiện công việc còn một người theo dõi và kiểm tra và là người lãnh đạo chỉ huy toàn bộ công việc

- Phải che chắn các thiết bị và bộ phận của mạng điện để tránh nguy hiểm khi tiếp xúc bất ngờ vào vật dẫn điện

- Đề phòng điện rò ra các bộ phận khác và để tản dòng điện vào trong đất và giữ mức điện thế thấp trên các vật ta nối không bảo vệ, nối đất an toàn và cân bằng thế Nối đất nhằm bảo vệ cho người khi chạm phải vỏ các thiết bị điện trong trường hợp cách điện của thiết bị bị hư