kỹ thuật an toàn điện

Chương 3 KỸ THUẬT AN TOÀN ĐIỆN3.1 Một số khái niệm trong an toàn điện 3.1.1 Tác hại của dòng điện đối với cơ thể người Khi bị chạm điện sẽ có dòng điện đi qua cơ thể người điện giậ

Chương 3 KỸ THUẬT AN TOÀN ĐIỆN

3.1 Một số khái niệm trong an toàn điện

3.1.1 Tác hại của dòng điện đối với cơ thể người

Khi bị chạm điện sẽ có dòng điện đi qua cơ thể người (điện giật) Dòng điện qua cơ thể người gây ra tác động về nhiệt, điện phân, tác động sinh lý và những tác động nguy hiểm khác Các tác động này xảy ra rất nhanh và tuỳ theo mức độ tác động mà có thể gây những nguy hiểm như:

a) Tác động sinh lý

Kích thích tổ chức của tế bào kèm theo sự co giật của cơ bắp, đặc biệt là cơ phổi, cơ tim, có thể làm ngừng trệ cơ quan hô hấp, cơ quan tuần hoàn và gây chết người

b) Gây tổn thương cơ thể sống

Trường hợp bị điện giật chưa tới mức chết người nhưng có thể gây tổn thương cho nhiều cơ quan trong cơ thể đặc biệt là hệ thần kinh, hệ tuần hoàn như làm rối loạn chức năng của các hệ, giảm sút trí nhớ, tê liệt một phần hệ thần kinh, ảnh hưởng cơ quan tạo máu,…

Trường hợp chạm phải điện áp cao sẽ bị chết ngay tức khắc và có thể bị chết do cả tác động kích thích của dòng điện kết hợp với tác động cơ học gây chấn thương như bị ngã, rơi từ trên cao xuống

3.1.2 Các mức độ tác động của dòng điện đối với cơ thể người

Khi bị điện giật mức độ tác động chủ yếu được nghiên cứu theo tác động kích thích vì phần lớn các trường hợp chết người là do tác động kích thích Dòng điện gây chết bởi kích thích tương đối bé (25 – 100)mA và điện áp không lớn, thời gian tác động khoảng vài giây

Khi mới chạm vào điện, điện trở của người còn lớn, dòng điện qua người chỉ gây kích thích cơ bắp làm ngón tay và tay co quắp lại Nếu không kịp thời tách khỏi vật mang điện, điện trở của người giảm dần, dòng điện tăng lên, sự co quắp cũng tăng lên đên mức cơ thể không còn khả năng tách khỏi vật mang điện, hệ tuần hoàn hệ hô hấp bị tê liệt Khi bị chết bởi dòng kích thích sẽ không thấy rõ chỗ dòng điện đi vào người và không gây thương tích

Bảng 3-1: các mức độ tác động của dòng điện đối với cơ thể người:

Cường độ dòng

điện (mA)

cánh tay thấy đau

Nóng tăng lên rất nhanh

điện, đau tăng lên, khó thở, tim đập

mạnh

Nóng tăng lên và bắt đầu có hiện tượng co quắp

50 – 80 Hệ hô hấp bị tê liệt, kéo dài 3 giây

tim ngừng đập

Rất nóng, cơ bắp bị co quắp,

khó thở

3.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến mức độ nguy hiểm khi bị điện giật

a) Điện trở của người

Khi bị điện giật có thể coi người như một điện trở nhưng ở những bộ phận khác nhau

điện trở cũng khác nhau vậy có thể coi dòng điện đi qua người như qua các điện trở mắc

nối tiếp nhau

Trong đó lớp sừng trên da (dầy khoảng 0,05 đến 0,2 μm có điện trở lớn nhất sau đó đến

da và xương, phần cơ và máu có điện trở nhỏ

Người da khô, không có thương tích điện trở khoảng từ 10.000 dến 100.000 Ω, nếu mất

lớp sừng chỉ còn 800 đến 1.000 Ω, khi mất cả lớp da chỉ còn 600 đến 800 Ω

Điện trở của người còn bị giảm đi khi có dòng điện đi qua

Bảng 3 – 2: Điện trở của người phụ thuộc trạng thái của da:

Điện trở của người (Ω) Cường độ dòng điện (mA)

Điện trở của người (Ω) Cường độ dòng điện (mA)

10 10.000 1,0

20 9.100 2,2

30 2.200 13,5

40 1.950 20,5

b) Phụ thuộc tính chất tiếp xúc giữa người với vật mang điện

Thời gian tiếp xúc:

Thời gian tiếp xúc càng lâu càng nguy hiểm bới hai nguyên nhân – tăng thơi gian bị

nguy hiểm, dòng điện tăng lên do điện trở giảm xuống

Trong thời gian 3 giây người có thể chịu được cường độ dòng điện theo công thức:

t

Ing = 116

(3 – 1) Trong đó:

Ing – cường độ dòng điện an toàn (mA)

T – thời gian dòng điện qua người (s)

Diện tích tiếp xúc càng lớn thì cường độ dòng điện càng lớn

Áp lực tiếp xúc càng lớn thì dòng điện cũng càng lớn

c) Phụ thuộc vào điện áp tiếp xúc, tính chất dòng điện, tần số dòng điện và đường đi

của dòng điện qua cơ thể người

Điện áp tiếp xúc càng cao càng nguy hiểm, dòng xoay chiều nguy hiểm hơn dòng một chiều Dòng xoay chiều có tần số (50 – 60)hz là nguy hiểm nhất, tần số càng cao hơn càng

ít nguy hiểm, khi tần số 500.000hz sẽ không gây giật nhưng có thể bị bỏng

Bảng 3 – 3: Điện áp tiếp xúc lớn nhất cho phép theo thời gian:

Điện áp xoay chiều (V) Điện áp một chiều (V) Thời gian tiếp xúc (s)

50 120 5,00

75 140 1,00

90 160 0,50

110 175 0,20

150 200 0,10

220 250 0,05

280 310 0,03 Dòng điện trong cơ thể không đi theo một bộ phận nhất định của cơ thể mà phân nhánh theo nhiều bộ phận khác nhau tuỳ thuộc vào vị trí của người chạm với vật mang điện

Dòng điện đi qua tim sẽ gây nguy hiểm nhất nên phân lượng dòng điện qua tim được đo

để đánh giá mức độ nguy hiểm của đường đi dòng điện qua cơ thể người

Bảng 3 – 4: Đường đi dòng điện qua cơ thể người

Từ chân qua chân

Từ tay qua tay

Từ tay trái qua chân

Từ tay phải qua chân

0,4 3,3 3,7 6,7

3.2 Điện áp tiếp xúc và điện áp bước

3.2.1 Dòng điện đi vào trong đất

Khi cách điện của thiết bị hư hỏng, nếu vỏ thiết bị được nối đất sẽ có dòng điện đi vào trong đất và tạo nên xung quanh điện cực nối đất 1 vùng có dòng điện dò và điện áp phân bố trong đất

Xét dòng điện đi vào một điện cực hình bán cầu đặt trong đất có tính chất thuần nhất

và điện trở suất là ρ, dòng điện sẽ phân bố đều trong đất theo mọi hướng tức là mật độ dòng điện tại những điểm cách đều điểm chạm đất là như nhau Hay nói cách khác, vùng đất xung quanh điểm dây chạm đất sẽ xuất hiện các mặt đẳng thế, trên mặt đất có các vòng đẳng thế

Mật độ dòng điện tại điểm cách tâm bán cầu 1 khoảng x là:

2

d x 2

I J π

=

Trong đó: - Id là dòng điện đi vào trong đất

- 2π x 2 là diện tích của bán cầu có bán kính là x

Xét 1 lớp đất có độ dầy là dx, theo hình mặt cầu bán kính x thì trên đó có 1 điện áp là:

dx x 2

I dx J

π

= ρ

=

Điện thế tại điểm A cách điện cực 1 khoảng x chính là hiệu điện thế tại A với điểm ở

xa vô cùng (ϕ∞ = 0) là:

x

1 k x 2

I

x 2

I dx

x 2

I du

x d

d x

A

π

ρ

= ρ π

−

= ρ π

=

= ϕ

− ϕ

ρ

= 2

I

Từ biểu thức trên, có thể biểu diễn điện áp tại mỗi điểm quanh điện cực nối đất (hình 1- 2), càng xa điểm nối đất điện áp càng giảm

Hình 3-1: Phân bố điện áp tiếp xúc và điện áp bước khi dòng điện sự cố chạy vào trong đất.

R d

U b =U x -U x+a

U x

U x+a

I d

U tx =U d -U x

U tx =U d

x

dx 20m

Bằng thực nghiệm 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 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:

d

d d

I

U

R = →

d

d d

R

U

I =

3.2.2 Điện áp tiếp xúc

Khi thiết bị có nối đất bị hư hỏng cách điện, khi đó vỏ thiết bị mang điện áp là:

Ud = Id Rd

Nếu người tiếp xúc với một thiết bị được nối đến điện cực và đứng hai chân chụm nhau trên đất, thì dòng điện chạy qua cực tiếp đất này sẽ tạo nên điện áp tiếp xúc (hình 1-2) là:

x 2

I U U U

d x d

ρ

−

=

−

=

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

Từ biểu thức: điện áp tiếp xúc càng lớn khi người đứng càng xa cực tiếp đất Nếu người đứng cách xa vật 20m thì Ux = 0, do đó điện áp tiếp xúc bằng với điện áp của cực tiếp đất

Ud

3.2.3 Điện áp bước

Khi người đứng trên mặt đất thường 2 chân ở 2 vị trí khác nhau, nên người sẽ phải chịu sự chênh lệch giữa hai điện thế khác nhau Ux và Ux+a (hình 1-2) và sẽ có dòng điện qua người Điện áp đặt lên người phụ thuộc vào khoảng cách bước chân nên được gọi là điện áp bước

a x

a x 2

I a x

1 x

1 2

I U

U

a x x

⎞

⎜

⎝

⎛

+

−

=

−

π

ρ π

ρ

Trong đó:

- a là độ dài của bước chân (0,4÷0,8)m

- x là khoảng cách đến chỗ chạm đất

Điện áp bước bằng 0 khi đứng ở khoảng cách xa hơn 20m hoặc 2 chân đứng trên vòng tròn đẳng thế

3.3 Những tai nạn điện có thể xảy ra

Tai nạn điện thường xảy ra trong những trường hợp sau:

+ Chạm trực tiếp vào vật mang điện

+ Chạm vào các vật mang điện khi có sự cố về điện (chạm điện gián tiếp)

+ Bị điện áp bước

Trường hợp tổng quát khi bị chạm điện, dòng điện sinh ra trong cơ thể người được xác định theo công thức:

cd ng

ng

R R

U I

+

= (3 – 2) Trong đó: Ing – Dòng điện đi qua người

U - Điện áp chạm phải

Rng - Điện trở của người

Rcd - Điện trở của thiết bị cách điện hoặc biện pháp cách ly

3.3.1 Chạm trực tiếp vào vật mang điện

3.3.1.1 Mạng điện 1 pha

I Mạng điện một pha có dây trung tính cách đất

1 Khi người tiếp xúc với hai cực của mạng điện (hình 3-2)

*) Dòng điện qua người

Trong mạng điện này, không kể là có nối đất hay không, trường hợp nguy hiểm nhất

là khi tiếp xúc phải cả hai cực của mạng điện có điện áp U

Dòng điện qua người sẽ có trị số lớn nhất và bằng:

ng

ng

R

U

Trong đó: Rng là điện trở của người

2 Khi người tiếp xúc với một cực của mạng điện

Giả thiết người tiếp xúc với 1 cực mạng điện, sơ đồ thay thế như (hình 3-3a) với các

ký hiệu như sau:

- U là điện áp giữa hai cực của mạng điện

- Rcd1, Rcd2 là điện trở cách điện của dây dẫn đối với đất

- Xc1, Xc2 là điện dung của dây dẫn đối với đất

1

2 U

R ng I ng

Hình 3-2: Người tiếp xúc với hai cực của mạng điện

- Ing là dòng điện đi qua cơ thể người

- Rng là điện trở của cơ thể người

- Rs là điện trở phụ nối nối tiếp với điện trở người (điện trở của thảm, nền cách điện mà người đứng trên đó, hay của giày cách điện )

a) Khi điện dung của mạng điện đối với đất nhỏ

*) Dòng điện qua người

Khi mạng điện có điện áp thấp thì điện dung đối với đất nhỏ, vì vậy Xc rất lớn và có thể bỏ qua trong các mạch song song (hình 2-2b) Khi đó dòng điện qua người là:

) ).(

(

1 ).

) (

.(

) ) (

(

2 1 2 1

1

1 1

1

1 2

S ng cd cd cd

cd

cd

S ng S ng cd

S ng cd

S ng cd

S ng cd cd

ng

R R R R R

R

R U

R R R R R

R R R R R R

R R R R

U I

+ +

+

=

+ +

+ + +

+

+ +

=

.+ Khi Rcd1 = Rcd2 = Rcd , dòng điện chạy qua người sẽ là:

cd s ng

ng 2 ( R R ) R

U I

+ +

=

+ Trường hợp bất lợi: Rcd = 0, lúc đó dòng điện qua người sẽ là:

s ng ng

R R

U I

+

=

b) Khi điện dung của mạng điện đối với đất lớn (hình 3-4)

Khi điện áp của mạng cao, bỏ qua điện trở cách điện đối với đất do điện trở lớn hơn rất nhiều so với điện dung

*) Dòng điện qua người

Từ sơ đồ ta có:

Hình 3-3: Người tiếp xúc với 1 cực của mạng điện

a Sơ đồ lưới điện

b Sơ đồ thay thế của mạng khi người chạm phải dây dẫn 1

1

2 U

0

I ng

a)

C

R cđ

1

2

I ng

U ng

R s

b)

R cd1 X c1

R cd2 X c2

U

R ng

2 1 c

2 ng

1 c

2 ng 2

1 c

2 ng ng

2 1 c

1 c ng

1 c ng

1 c ng

1 c ng 1

c ng

1 c ng dt

dt dt

X R

X R j X R

R X

) jX R

).(

jX R

(

) jX R

.(

jX R jX

R

jX R jX

R Z

+

+ +

=

− +

−

= +

= +

=

1

2 ng ng

2 1 dt

X R

R X R

+

1

2 ng 1

2 ng dt

X R

X R X

+

Giá trị modul của tổng trở xác định bằng:

2 1

2 ng

1 ng 2

2 1

2 ng 1

2 ng 2

2 1

2 ng ng

2 1 2

dt

2 dt dt

X R

X R X

R

X R X

R

R X X

R Z

+

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛ +

+

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛ +

= +

= Dòng điện tổng trong mạch:

1

ng c

I

R X

+

Điện áp đặt lên người:

1

.

ng c

ng dt

U R X

U I Z

Dòng điện qua người là:

2 2

2 1

2 2 1

2 ng

1 ng

ng ng

X X ) X X ( R

X U R

U I

+ +

=

Nếu Xc1 = Xc2 =

C ω

1 thì dòng điện qua người như biểu thức sau:

Hình 3-4: Sơ đồ thay thế của mạng khi người chạm phải dây dẫn

với lưới có điện dung lớn

1

2

I ng

U ng X c1

X c2

U

R dt

X c2

R ng

R s

1 C R 4

C U

) C (ω

1 )

C ω

2 ( R

C

1

U I

2 2 2 ng 4

2 2

ng

ng

+ ω

ω

= +

ω

=

Khi người cách điện với đất bởi điện trở sàn Rs thì dòng qua người là:

1 C ω ) R R

4 (

C ω U I

2 2 2 s ng

ng

+ +

II Mạng điện một pha có dây trung tính nối đất

- Khi người tiếp xúc với một cực của mạng điện có một dây dẫn

Mạng điện một dây dẫn (hình 3-4) là mạng điện chỉ dùng một dây dẫn để dẫn điện đến nơi tiêu thụ, còn dây dẫn về lợi dụng các đường ray, đất thường có điện áp thấp, do

đó có thể bỏ qua điện dung của đường dây với đất

Khi người đứng ở dưới đất và chạm phải dây dẫn 1, sơ đồ thay thế để tính toán như (hình 3-4)

Dòng điện qua cơ thể người là:

0 cd 0

cd ng

cd ng

cd ng

cd ng

0 cd ng

cd ng ng

R R ) R R ( R

R U R

1 R R

R R R R R

R R

U I

+ +

= +

+ +

=

Trong đó:

- R0 là điện trở nối đất của mạng điện

- Rcd là điện trở cách điện của dây dẫn 1 đối với đất

- Rs là điện trở cách điện của người đối với đất

- U là điện áp của dây dẫn 1 đối với đất

Nếu giữa người và đất có điện trở là Rs thì dòng qua người là:

0 cd 0

cd s ng

cd ng

R R ) R R

)(

R R

(

R U I

+ +

+

=

Trường hợp mạng thực hiện nối đất tốt thì R0 ≈ 0, có:

s

R cd

R 0

R ng

I ng

1 1

U

Hình 3-4: Sơ đồ mạng điện và thay thế khi người chạm vào dây dẫn 1

R cd

I ng

R ng

I 0

R s

R 0

s ng ng

R R

U I

+

=

Như vậy, dòng điện qua người tăng lên

Nguy hiểm nhất là khi nối đất tốt (R0≈ 0), sàn nhà lại ẩm ướt, không có thảm, giầy cách điện (Rd ≈ 0)

Khi đó, dòng qua người:

ng max

ng

R

U

3.3.1.2 Mạng điện 3 pha

I Mạng điện ba pha có trung tính cách đất

1 Khi người tiếp xúc với 1 pha của mạng điện

a) Dòng qua người khi lưới điện có cả điện dung và điện trở cách điện

Khi tiếp xúc với 1pha của lưới điện 3 pha trung tính cách điện đối với đất, sẽ có dòng điện đi qua cơ thể người Dòng điện này sẽ đóng kín qua điện trở cách điện và điện dung (hình 2-6)

Khi tiếp xúc với 1 dây dẫn (dây 1), theo định luật Kiechoff I có:

0 dt

dU C dt

dU C dt

dU C U g U g U )

g g

3

2 2

1 1 3 3 2 2 1 ng

Trong đó: - U1, U2, U3 là trị số tức thời của điện áp pha với đất

- C1, C2, C3 là điện dung của các pha với đất

- g1, g2, g3 là điện dẫn của các pha với đất tương ứng với Rcd1, Rcd2, Rcd3

Giải phương tình trên, xác định được dòng điện qua người là:

2 3 2 1 2 2 ng 3 2 1

2 3 2 3

2

2 2 3 2

3 ng

ng

) C C C ( )

g g g g (

)] C C (

3 ) g g (

3 [ )]

C C ( 3 ) g g ( 3 [ 2

g U I

+ + ω + +

+ +

+ ω +

− +

− ω + +

=

Nếu Rcd1 = Rcd2 = Rcd3 = Rcd và C1 = C2 = C3 = C, thế vào phương trình trên, dòng điện qua người là:

Hình 2-6: Sơ đồ lưới điện thay thế của mạng khi người chạm phải pha 1

U

I ng

R cđ

1 2 3

C R cđ C R cđ C

3 U

R ng R cđ1 1

Cω Rcđ2

1 Cω

I ng

R cđ3 1

Cω

2 2

6

1

cd ng

ng

cd ng

C R

I

R

ω ω

+

+

+

b) Khi mạng điện có điện dung nhỏ

- Nếu điện trở cách điện cả ba pha của lưới điện ba pha trung tính cách điện không bằng nhau Thay Rcd1 ≠ Rcd2 ≠ Rcd3 và C1 = C2 = C3 = 0 vào biểu thức trên Dòng điện chạy qua người khi người tiếp xúc với dây dẫn là:

3

ng

U

I

- Nếu điện trở cách điện cả ba pha của lưới điện ba pha trung tính cách điện bằng nhau Thay Rcd1 = Rcd2 = Rcd3 = Rcd và C1 = C2 = C3 = 0 vào biểu thức trên Dòng điện chạy qua người khi người tiếp xúc với một đoạn bị hỏng cách điện là:

cd ng cd

ng

ng cd cd ng 2 ng cd

2 cd ng

U 3 R

R 3

R R R R

U 3 )

R

1 R

3 (

) R

1 6 ( R 2

U I

+

= +

= +

=

- Nếu người cách điện với đất bởi điện trở sàn là Rs

cd s ng ng

R ) R R (

3

U 3 I

+ +

=

c) Khi mạng điện có điện dung lớn

Thay các trị số Rcd1 = Rcd2 = Rcd3 = 0 và C1 = C2 = C3 = C vào biểu thức (*) có:

2 ng 2 2 2

2 2 ng

2

ng

ng

R C 9 1 (

C U 3 C

9 ) R

1 (

) C 6 (

R 2

U I

ω

ω ω

ω

+

= +

=

2 Dòng điện qua người khi tiếp xúc với 2 hoặc 3 pha

* Dòng điện qua người

Hình 3-7: Sơ đồ lưới điện khi người tiếp xúc 2 pha

U

I ng

1 2 3