L Ý DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay, nguồn công suất và sản lượng điện năng ở Việt Nam đã tăng nhanh chóng, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế, sinh hoạt, và sản xuất Bên cạnh việc sử dụng điện một cách tiết kiệm và hợp lý, an toàn trong quá trình sử dụng điện là vấn đề cấp bách cần được đảm bảo.
Mục đích của công tác huấn luyện an toàn lao động tại Việt Nam và trên thế giới là bảo vệ sức khỏe người lao động, giảm thiểu rủi ro và ngăn ngừa tai nạn lao động An toàn lao động, đặc biệt là an toàn điện, có ý nghĩa quan trọng trong các lĩnh vực hình sự, dân sự, kinh tế và xã hội Việc trang bị kiến thức về kỹ thuật an toàn điện giúp người lao động hiểu rõ các khái niệm an toàn, yếu tố nguy hiểm, mức độ rủi ro, cũng như nguyên nhân gây ra tai nạn lao động Người học cần nắm vững các mối nguy hiểm, phương pháp nhận dạng và đánh giá rủi ro, cùng với các biện pháp phòng ngừa để xử lý sự cố hiệu quả Điều này giúp họ nhận thức tình huống, loại bỏ nguy hiểm và thực hiện các nguyên tắc bảo vệ bản thân, bao gồm sơ cứu nạn nhân, gọi cấp cứu và báo cáo sự cố.
Để hỗ trợ sinh viên tìm hiểu và thực hành thí nghiệm an toàn điện một cách thực tế, tác giả đã lựa chọn đề tài “Mô hình thí nghiệm An toàn điện” Trong khuôn khổ đề tài này, tác giả thiết kế và thi công mô hình thí nghiệm nhằm mô phỏng các sự cố điện và các biện pháp bảo vệ thường gặp trong cuộc sống hàng ngày, phục vụ cho việc học tập trong môi trường giáo dục.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Thông qua đề tài này:
- Phân biệt được mức độ nguy hiểm khi xảy ra sự cố về điện và cách phòng tránh khi có sự cố về điện
- Áp dụng được những yêu cầu khi cứu người khỏi tai nạn điện giật.
Mô hình thực nghiệm được sử dụng để trực quan hóa quá trình mô phỏng khi con người bị điện giật, giúp người học hiểu rõ hơn về tình huống này Qua đó, việc áp dụng các biện pháp phòng ngừa sẽ nâng cao kiến thức an toàn điện cho người học, từ đó giảm thiểu rủi ro và bảo vệ sức khỏe.
M ỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài này giới thiệu và thí nghiệm về an toàn điện, đặc biệt là việc đo dòng điện qua cơ thể trong các tình huống khác nhau để minh họa mức độ nguy hiểm của điện giật Nó cũng nhấn mạnh vai trò quan trọng của nối đất trong hệ thống điện và truyền tải điện, nhằm đảm bảo an toàn cho người sử dụng Bài viết cung cấp kiến thức cơ bản, trang thiết bị cần thiết và phương pháp xử lý khi gặp sự cố điện, giúp người đọc có thể ứng phó hiệu quả và bảo vệ bản thân cũng như những người xung quanh Tài liệu này là nguồn tham khảo quý giá cho sinh viên trong quá trình thực tập môn an toàn điện và cho các nghiên cứu liên quan đến thiết bị dạy học cho học sinh – sinh viên.
Đ ỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm, đề tài chỉ tập trung vào thi công và thí nghiệm một số bài an toàn điện nhằm hiểu các mức độ nguy hiểm và hướng dẫn sử dụng thiết bị điện chống giật để đảm bảo an toàn Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng tập trung vào các mạng điện và việc sử dụng thiết bị điện chống giật trong các mạng này Các mô hình nghiên cứu được áp dụng trong thực tập thí nghiệm cho sinh viên để học tập và nghiên cứu về an toàn điện.
Đ IỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI
- Xây dựng mô hình thực nghiệm.
- Thực nghiệm trên mô hình nhằm mô phỏng an toàn điện.
N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Tổng quan về an toàn điện.
- Các biện pháp an toàn điện.
- Mô hình hóa và thực nghiệm trên mô hình:
Nội dung gồm có các chương như sau:
Chương 2 Các biện pháp bảo vệ an toàn điện khi tiếp xúc với mạng điện
Chương 3 Mô hình thí nghiệm
Chương 4 Kết luận và hướng phát triển
TỔNG QUAN
N HỮNG NGUY HIỂM DẪN ĐẾN TAI NẠN ĐIỆN
1.1.1 Điện giật Điện giật là do tiếp xúc với các phần tử dẫn điện có điện áp: có thể do sự tiếp xúc trực tiếp của người với phần tử mang điện áp hay qua trung gian của một vật dẫn điện.Không tôn trọng khoảng cách cho phép, khoảng cách quá hẹp nên tiếp xúc với các vật có điện áp hoặc các vật bị hỏng cách điện
1.1.2 Đốt cháy điện Đốt cháy điện có thể phát sinh khi xảy ra ngắn mạch nguy hiểm, kèm theo nó là nhiệt lượng sinh ra rất lớn và là kết quả của phát sinh hồ quang điện.
- Tai nạn đốt cháy điện là do chạm đất kéo theo phát sinh hồ quang điện mạnh.
- Sự đốt cháy điện là do dòng điện rất lớn chạy qua cơ thể người.
Hoả hoạn có thể xảy ra do dòng điện, đặc biệt tại các buồng điện hoặc khi vật liệu dễ cháy được đặt gần dây dẫn có dòng điện Khi dòng điện vượt quá giới hạn cho phép, dây dẫn sẽ bị đốt nóng hoặc có thể xảy ra hiện tượng hồ quang điện, dẫn đến nguy cơ cháy nổ.
Sự nổ có thể xảy ra do dòng điện tại các buồng điện hoặc gần các hợp chất nổ Khi hợp chất nổ được đặt gần các đường dây điện có dòng điện quá lớn, nếu nhiệt độ của dây dẫn vượt quá giới hạn cho phép, sẽ dẫn đến hiện tượng nổ.
T ÁC ĐỘNG CỦA DÒNG ĐIỆN
1.2.1 Tác động của dòng điện đối với cơ thể người
Khi con người tiếp xúc với các phần tử mang điện, dòng điện có thể chạy qua cơ thể, gây ra tổn thương nghiêm trọng, đặc biệt là khi dòng điện đi qua tim và hệ thống thần kinh.
- C 1 , R 1 là điện dung và điện trở của lớp da ở vị trí dòng điện Ing đi vào người.
- R 2 là điện trở trong của người.
- C 3 , R 3 là điện dung và điện trở của lớp da ở
1.2.2 Những yếu tố xác định tình trạng nguy hiểm khi bị điện giật
1.2.2.1 Giá trị dòng điện qua cơ thể người
Giá trị dòng điện đi qua người là yếu tố quan trọng nhất và phụ thuộc vào:
- Điện áp mà người phải chịu.
- Điện trở của cơ thể người khi tiếp xúc với phần có điện áp.
Qua các thí nghiệm người ta đã rút ra mức độ phản ứng của cơ thể người đối với dòng điện xoay chiều và một chiều ở Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Tác dụng của dòng điện đối với cơ thể người
Tác dụng của dòng điện đối với cơ thể người Dòng điện xoay chiều
(50-60 Hz) Dòng điện một chiều
0,61,5 Bắt đầu có cảm giác, ngón tay run nhẹ Không có cảm giác
23 Ngón tay bị tê rất mạnh Không có cảm giác
57 Bắp thịt tay co lại và rung Đau như kim đâm, thấy nóng 810
Tay khó rời vật mang điện nhưng có thể rời được, ngón tay, khớp tay, bàn tay cảm thấy đau.
Nóng tăng lên rất mạnh
2025 Tay không thể rời vật mang điện, đau tăng lên, rất khó thở.
Nóng tăng lên và bắt đầu có hiện tượng co quắp
5080 Hô hấp bị tê liệt, tim đập mạnh Rất nóng, các bắp thịt co quắp, khó thở
90100 Hô hấp bị tê liệt, kéo dài 3 giây thì tim bị tê liệt và ngừng đập Hô hấp bị tê liệt
Giá trị dòng điện an toàn cho con người là Ing ≤ 10mA đối với dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp và Ing ≤ 50mA đối với dòng điện một chiều.
- Với dòng điện xoay chiều khoảng (1050)mA, người bị điện giật khó có thể tự mình rời khỏi vật mang điện vì sự co giật của các cơ bắp.
Khi dòng điện vượt quá 50 mA, nguy cơ tử vong do điện giật gia tăng do sự mất ổn định của hệ thần kinh và co giãn các sợi cơ tim, dẫn đến tim ngừng đập.
Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng điện qua cơ thể người
- C 1 , R 1 là điện dung và điện trở của lớp da ở vị trí dòng điện Ing đi vào người.
- R 2 là điện trở trong của người.
- C 3 , R 3 là điện dung và điện trở của lớp da ở vị trí dòng điện Ing đi ra.
Hình 1.1 Sơ đồ điện trở của cơ thể người.
Điện trở của cơ thể người ảnh hưởng đến giá trị dòng điện khi tiếp xúc với nguồn điện Giá trị này không đồng nhất giữa các cá nhân và có thể thay đổi theo điều kiện và thời điểm Để dễ hiểu, điện trở cơ thể người có thể được chia thành hai phần như mô tả trong Hình 1.1.
Điện trở của lớp da là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến điện trở toàn cơ thể con người Điện trở này chủ yếu phụ thuộc vào lớp sừng của da, có độ dày khoảng 0,05 đến 0,2 mm, do lớp sừng rất khô và hoạt động như một chất cách điện.
+ Điện trở của các bộ phận bên trong cơ thể: có giá trị không đáng kể có giá trị khoảng (5701000).
Khi tiếp xúc với vật mang điện, nếu da người còn nguyên vẹn và khô, điện trở có thể dao động từ 40 kΩ đến 100 kΩ, thậm chí lên tới 500 kΩ Tuy nhiên, nếu lớp ngoài của da bị tổn thương hoặc điều kiện môi trường làm tăng tính dẫn điện của da, điện trở cơ thể có thể giảm xuống dưới 1000 Ω Điện trở của cơ thể khi bị điện giật phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
+ Điện áp đặt lên người
+ Vị trí mà cơ thể tiếp xúc với phần tử mang điện áp
+ Thời gian dòng điện tác dụng
Điện áp cho phép được xác định là tiêu chuẩn an toàn trong các quy trình an toàn điện, với điện áp < 40V được xem là an toàn Tuy nhiên, trong các trường hợp đặc biệt như dụng cụ cầm tay hoạt động trong hầm ngầm với điện áp < 24V, nếu không có phương tiện bảo hộ, thì vẫn rất nguy hiểm Người sử dụng trở thành vật tiếp xúc tốt với thiết bị điện, dẫn đến thời gian dòng điện qua người kéo dài khi xảy ra sự cố.
1.2.2.2 Đường đi của dòng điện qua người
Dòng điện đi qua các vị trí nhạy cảm như tim, hệ thần kinh hoặc các khớp nối ở tay có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng Những khu vực nguy hiểm bao gồm vùng đầu (đặc biệt là óc, gáy, cổ, thái dương), vùng ngực, cuống phổi và bụng, cũng như các vùng tập trung dây thần kinh như đầu ngón tay và chân.
Bảng 1.2 Tác động dòng điện qua người Đường đi dòng điện qua người Phân lượng dòng điện qua tim
Từ tay trái qua chân 3,7
Từ tay phải qua chân 6,7
Người ta thường đo lường dòng điện qua tim để đánh giá mức độ nguy hiểm của nó đối với cơ thể con người Các thực nghiệm đã chỉ ra rằng phân lượng dòng điện qua tim có thể được xác định qua các con đường dòng điện khác nhau trong cơ thể, như được thể hiện trong Bảng 1.2.
- Dòng điện đi từ chân qua chân là ít nguy hiểm nhất
Dòng điện đi từ tay phải xuống chân có nguy cơ cao nhất, với 6,7% lượng điện đi qua tim Nguyên nhân là do phần lớn dòng điện di chuyển theo trục dọc, mà trục này nằm trên đường đi từ tay phải đến chân.
Dòng điện xoay chiều (AC) nguy hiểm hơn dòng điện một chiều (DC), với mức độ nguy hiểm phụ thuộc vào tần số của dòng điện Thực nghiệm cho thấy tần số 50-60 Hz là mức nguy hiểm nhất, trong khi tần số cao làm giảm nguy cơ điện giật Tuy nhiên, tần số cao lại gia tăng nguy cơ cháy nổ, do đó nguy hiểm về nhiệt độ trở nên nghiêm trọng hơn.
Đ IỆN ÁP TIẾP XÚC VÀ ĐIỆN ÁP BƯỚC
1.3.1 Dòng điện đi vào trong đất
Khi cách điện của thiết bị bị hỏng, nếu vỏ thiết bị được nối đất, dòng điện sẽ đi vào đất, tạo ra một vùng có dòng điện dò và điện áp phân bố xung quanh điện cực nối đất Đối với một điện cực hình bán cầu trong đất đồng nhất với điện trở suất , dòng điện sẽ phân bố đều theo mọi hướng, dẫn đến mật độ dòng điện tại các điểm cách đều điểm chạm đất là giống nhau.
Hình 1.2 Phân bố điện áp tiếp xúc và điện áp bước khi dòng điện sự cố chạy vào trong đất
Mật độ dòng điện tại điểm cách tâm bán cầu 1 khoảng x là:
Trong đó: Id là dòng điện đi vào trong đất.
Xét 1 lớp đất có độ dầy là dx, theo hình mặt cầu bán kính x thì trên đó có 1 điện áp: du=J ρ dx= I d
(1.2) Điện thế tại điểm A cách điện cực 1 khoảng x chính là hiệu điện thế tại A với điểm ở xa vô cùng ( = 0) là:
Từ biểu thức trên, có thể biểu diễn điện áp tại mỗi điểm quanh điện cực nối đất như Hình 1.2, càng xa điểm nối đất điện áp càng giảm.
Bằng thực nghiệm, ta có:
- 68% điện áp rơi trong phạm vi 1 m.
- 24% điện áp rơi trong khoảng (1-10) m.
- Cách xa hơn 20m, điện áp coi như bằng 0.
Do đó ta có, điện trở nối đất chính là điện trở của khối đất nửa bán cầu có bán kính là 20m.
Nếu có điện áp đặt lên thiết bị nối đất Rd là Ud thì dòng điện đi vào trong đất Id được xác định:
Khi thiết bị có nối đất bị hư hỏng cách điện, khi đó vỏ thiết bị mang điện áp là:
Khi một người tiếp xúc với thiết bị có kết nối đến điện cực và đứng với hai chân chụm lại trên mặt đất, dòng điện đi qua cực tiếp đất sẽ tạo ra điện áp tiếp xúc, như minh họa trong Hình 1.2.
Trong đó: Id là dòng điện đi vào trong đất, Rd là điện trở nối đất; Ux là điện áp tại điểm cách cực nối đất 1 khoảng là x.
Khi người đứng cách xa cực tiếp đất, điện áp tiếp xúc sẽ tăng lên Cụ thể, nếu khoảng cách là 20m, điện áp tiếp xúc Ux sẽ bằng 0, dẫn đến điện áp tiếp xúc tương đương với điện áp của cực tiếp đất Ud Theo tiêu chuẩn IEC, điện áp tiếp xúc cho phép được quy định là Utxcp.
- Môi trường ẩm ướt Utxcp = 25 V
- Môi trường ẩm ướt Utxcp = 50 V
Khi dây mang điện rơi xuống đất, mỗi điểm trên mặt đất sẽ có một điện thế khác nhau, với điện thế cao hơn gần điểm tiếp xúc Nếu một người di chuyển trong khu vực này, sẽ xuất hiện một điện áp giữa hai chân do dòng điện chạy từ chân này sang chân kia, dẫn đến sự chênh lệch giữa hai điện thế Ux và Ux+a Sự chênh lệch điện thế này được gọi là điện áp bước.
Độ dài bước chân (a) dao động từ 0,4 đến 0,8 mét, trong khi x là khoảng cách đến điểm chạm đất Điện áp bước sẽ bằng 0 khi đứng cách xa hơn 20 mét hoặc khi cả hai chân đứng trên vòng tròn đẳng thế.
CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ AN TOÀN ĐIỆN KHI TIẾP XÚC VỚI MẠNG ĐIỆN
M ẠNG ĐIỆN 1 PHA
2.1.1 Mạng điện 1 pha có trung tính cách điện đối với đất
2.1.1.1 Khi người tiếp xúc với hai cực của mạng điện
Hình 2.1 Người tiếp xúc với hai cực của mạng điện
Trong mạng điện, tình huống nguy hiểm nhất xảy ra khi người tiếp xúc với cả hai cực của mạng điện có điện áp U, bất kể có nối đất hay không Khi đó, dòng điện đi qua cơ thể người sẽ đạt trị số lớn nhất.
Trong đó: Rng là điện trở của người.
Các biện pháp an toàn
- Trang bị cho công nhân đầy đủ kiến thức về an toàn điện.
- Tổ chức công việc và thực hiện từng bước công việc để sao cho không xảy ra tai nạn.
- Dùng điện áp cung cấp với giá trị thấp (