CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG AN TOÀN ĐIỆN
Khái niệm cơ bản về an toàn lao động
An toàn lao động trong ngành điện là rất quan trọng để phòng tránh tai nạn điện Tai nạn điện có thể xảy ra dưới ba hình thức chính: điện giật, bỏng do hồ quang, và nổ hỏa hoạn Việc hiểu rõ các loại tai nạn này giúp nâng cao ý thức và biện pháp phòng ngừa cho người lao động.
Do chạm trực tiếp hoặc chạm gián tiếp vào các phần tử mang điện:
Chạm trực tiếp xảy ra khi người tiếp xúc với các vật mang điện trong trạng thái hoạt động bình thường hoặc với các vật đã ngắt nguồn nhưng vẫn còn tích điện, do điện dung trong mạng điện hoặc do điện áp cảm ứng từ các thiết bị điện lân cận Tiêu chuẩn IEC 61140 đã thay đổi thuật ngữ “bảo vệ chống chạm điện trực tiếp” thành “bảo vệ cơ bản”.
Chạm gián tiếp xảy ra khi người tiếp xúc với bề mặt bên ngoài của các vật mang điện, vốn không có điện trong điều kiện bình thường nhưng trở nên có điện do hư hỏng cách điện hoặc các nguyên nhân khác Dòng điện sự cố làm tăng điện áp bên ngoài của các vật mang điện đến mức nguy hiểm cho con người Tiêu chuẩn IEC 61140 đã thay đổi thuật ngữ “bảo vệ chống chạm điện gián tiếp” thành “bảo vệ sự cố” Điện áp mà người tiếp xúc phải chịu khi chạm vào các vật mang điện được gọi là điện áp tiếp xúc.
Hình 1.1 Các kiểu chạm điện: a) Chạm điện trực tiếp; b) Chạm điện gián tiếp
1.1.2 Đốt cháy điện Đốt cháy điện có thể sinh ra do:
− Ngắn mạch kéo theo phát sinh hồ quang điện
Khi tiếp cận các vật mang điện áp cao, ngay cả khi chưa chạm vào, nạn nhân có thể gặp nguy hiểm và bị thương hoặc tử vong do bị bỏng Tuy nhiên, loại tai nạn này hiếm khi xảy ra vì luôn có biển báo và hàng rào an toàn bảo vệ cho các khu vực có điện áp cao.
Quá tải là hiện tượng khi dòng điện vượt quá mức cho phép của dây dẫn, thiết bị đóng cắt và nguồn cấp Khi xảy ra trong thời gian dài, quá tải có thể gây hại cho thiết bị, làm hỏng chúng và thậm chí dẫn đến nguy cơ cháy nổ.
Khi lắp đặt hệ thống điện, việc chọn tiết diện dây dẫn phù hợp với dòng điện của phụ tải là rất quan trọng Ngoài ra, trong quá trình sử dụng, cần tránh việc sử dụng nhiều dụng cụ tiêu thụ điện có công suất lớn vượt quá khả năng chịu tải của dây dẫn để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Để đảm bảo an toàn cho thiết bị tiêu thụ điện, cần thường xuyên kiểm tra nhiệt độ, vỏ bọc và cách điện của dây dẫn Nếu phát hiện hiện tượng quá tải, cần khắc phục ngay lập tức Bên cạnh đó, việc sử dụng cầu dao điện, áptômat, cầu chì và relay là rất quan trọng để thực hiện chức năng đóng cắt và bảo vệ thiết bị.
1.1.3.2 Cháy do chập mạch (đoản mạch)
Hiện tượng chập dây dẫn pha hoặc dây trung tính xảy ra khi các dây dẫn chạm nhau, dẫn đến việc tổng trở của hệ thống giảm Kết quả là dòng điện trong hệ thống tăng lên đáng kể.
+ Khi lắp đặt, khoảng cách 2 dây trần ngoài nhà không đúng tiêu chuẩn nên khi cây đổ, gió rung gây chập
+ Khi 2 dây bị mất lớp vỏ bọc cách điện chập vào nhau
+ Khi đấu nối đầu dây dẫn với nhau hay đấu vào máy móc thiết bị không đúng quy định
+ Môi trường sản xuất có hoá chất ăn mòn dẫn tới lớp vỏ bọc cách điện bị phá huỷ
+ Các dây dẫn điện trần ngoài nhà phải được mắc cách xa nhau 0,25 m + Không sử dụng dây thép, đinh để buộc, giữ cố định dây dẫn điện
+ Các dây nối vào phích cắm, đui dèn, máy móc phải chắc, gọn, điện nối vào mạch ở 2 dầu dây pha và trung tính không được chồng lên nhau.
Tác dụng của dòng điện đối với cơ thể người
Dòng điện có thể gây ra co bóp cơ bắp hỗn loạn, dẫn đến tình trạng ngừng thở và ngừng tim Ngay cả với một dòng điện nhỏ, cơ ngực cũng có thể co lại, khiến hô hấp ngừng lại Nếu không được cứu chữa kịp thời do thiếu oxy, tim sẽ ngừng đập Khi tiếp xúc với dòng điện lớn hơn, các cơ tim co bóp một cách hỗn loạn, làm gián đoạn quá trình tuần hoàn và dẫn đến ngừng tim nhanh chóng.
Dòng điện tác động lên hệ thần kinh trung ương gây ra triệu chứng sốc điện, khiến nạn nhân phản ứng mạnh mẽ ban đầu Tuy nhiên, cảm giác sẽ dần bị tê liệt, dẫn đến trạng thái mê man và có thể dẫn đến tử vong Đây chính là tác dụng kích thích của dòng điện.
1.2.2 Tác dụng gây chấn thương
Cơ thể con người còn bị thương tích bên ngoài do sự đốt cháy bởi hồ quang điện
Hồ quang có thể gây hủy diệt lớp da, thậm chí sâu hơn, ảnh hưởng đến cơ bắp, lớp mỡ, gân và xương Nếu diện tích bị đốt cháy lớn, nguy cơ tử vong sẽ tăng cao Đây là một dạng chấn thương nghiêm trọng.
Đốt cháy do dòng điện thường nguy hiểm hơn so với các nguyên nhân khác, vì nó gây ra sự nóng lên toàn thân và có thể phá hủy các bộ phận cơ thể từ bên trong Mức độ nghiêm trọng của tai nạn tăng lên khi giá trị dòng điện lớn và thời gian duy trì dòng điện kéo dài.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tai nạn điện giật
Các yếu tố ảnh hưởng đến tai nạn điện giật bao gồm tình trạng cơ thể và phản ứng của nạn nhân, đường đi và thời gian tồn tại của dòng điện qua cơ thể, cường độ và tần số dòng điện, cùng với giá trị điện áp tiếp xúc.
1.3.1 Đặc tuyến dòng điện – thời gian (A-s)
Giá trị dòng điện qua người là yếu tố quyết định mức độ nguy hiểm, đặc biệt là dòng điện xoay chiều với tần số 50-60Hz, cần đảm bảo giá trị an toàn dưới 10mA Đối với dòng điện một chiều, giá trị an toàn phải nhỏ hơn 50mA để giảm thiểu rủi ro tai nạn điện.
Thời gian tiếp xúc với điện giật có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ nguy hiểm đối với nạn nhân, và mức độ nguy hiểm này còn phụ thuộc vào tình trạng sức khỏe của từng người.
Bảng 1.1 Quan hệ I max và t để tim không ngừng đập
Tiêu chuẩn IEC60479-1 xây dựng đặc tuyến thời gian – dòng điện ( đặc tuyến
Ampe – giây ) gây tác hại lên cơ thể người đối với dòng điện xoay chiều tần số từ 15Hz
Hình 1.2 Vùng tác động của thời gian và dòng điện lên cơ thể người
Bảng 1.2 Các hiệu ứng vật lý tương ứng với dòng điện và thời gian
Mã vùng Giới hạn vùng Các hiệu ứng vật lý
AC-1 Đến 0.5mA Đường A Không phản ứng
AC-2 Từ 0.5mA Đến đường B Không gây tác hại về sinh lý
Khi dòng điện tồn tại quá 2 giây, bắp thịt sẽ co lại và gây khó thở Sự gia tăng cường độ và thời gian của dòng điện có thể dẫn đến rối loạn nhịp tim hoặc thậm chí làm tim ngừng đập tạm thời.
Sự gia tăng cường độ và thời gian có thể dẫn đến các hiệu ứng nguy hiểm về sinh lý, bao gồm tim ngừng đập, ngừng hô hấp và một số hiện tượng khác đã xuất hiện ở vùng AC-3.
AC-4-1 Giữ đường C1 và C2 Xác xuất nghẹt tâm thất đến 5%
C3 Xác xuất nghẹt tâm thất đến 50%
C3 Xác xuất nghẹt tâm thất > 50%
1.3.2 Đặc tuyến điện áp-thời gian
Tiêu chuẩn IEC 60479-1 thiết lập đường cong an toàn, mô tả mối quan hệ giữa điện áp tiếp xúc Ur (V) và thời gian dòng điện đi qua người t(s) Theo đó, với điện áp UT < 50V, thời gian cho phép dòng điện đi qua người là vô hạn Đối với điện áp UT = 50V, thời gian cho phép là 5 giây Tuy nhiên, do điện trở của con người thay đổi lớn, để đảm bảo an toàn, điện áp tiếp xúc nên giữ dưới 25V.
Hình 1.3 Đường cong an toàn
Khi con người tiếp xúc với hai cực của nguồn điện, cơ thể trở thành một phần của mạch điện Tổng trở của cơ thể được xác định bằng điện trở đo được giữa hai điện cực đặt trên da Tổng trở này có thể chia thành hai phần: điện trở của lớp da tại vị trí tiếp xúc và điện trở bên trong cơ thể.
Hình 1.4 Sơ đồ tương đương của điện trở người
Cơ thể con người có thể được coi như một điện trở với giá trị từ 10.000 đến 100.000 Điện trở này chủ yếu phân bố ở lớp sừng trên da, có điện trở cao nhất, tiếp theo là xương và da, trong khi thịt và máu có điện trở thấp nhất Khi lớp sừng bị mất do ẩm ướt hoặc tổn thương, điện trở giảm xuống chỉ còn 80 đến 1.000, và nếu mất hoàn toàn lớp da, điện trở chỉ còn 60 đến 800 Điện trở của cơ thể không cố định mà thay đổi theo nhiều yếu tố như tình trạng lớp sừng, diện tích và áp suất tiếp xúc, cường độ và loại dòng điện, thời gian tiếp xúc, tần số dòng điện và tình trạng sức khỏe của người.
Khi da bị ướt hay có mồ hôi, điện trở của người giảm Diện tích tiếp xúc càng lớn thì điện trở của người càng nhỏ
Khi áp suất tiếp xúc lớn hơn 1kg/cm 2 thì điện trở của người gần như tỉ lệ thuận với áp suất tiếp xúc
Thời gian tác dụng càng lâu, điện trở người càng giảm vì da bị nóng, ra mồ hôi và do những biến đổi điện phân trong cơ thể
Hình dưới đây thể hiện giá trị tổng trở cơ thể người Z H (Q) theo điện áp tiếp xúc của người sống, với dòng điện di chuyển từ tay đến tay hoặc từ tay đến chân Diện tích tiếp xúc được xem xét từ 50 đến 100 cm² trong điều kiện khô ráo, với các tỷ lệ phần trăm là 5%, 50% và 95%.
Hình 1.5 Giá trị điện trở người theo điện áp tiếp xúc
Giá trị danh định của điện trở trên các phần cơ thể con người phụ thuộc vào trạng thái tiếp xúc và tình trạng bề mặt, cụ thể là độ khô hoặc ẩm của cơ thể, như được thể hiện trong Bảng 1.3.
Bảng 1.3 Giá trị điện trở người theo tình trạng tiếp xúc
Tình trạng tiếp xúc Điện trở của người khi khô Điện trở của người khi ướt
Lòng bàn tay chạm dây 3kΩ - 8kΩ 1kΩ - 2kΩ
Trong tính toán, để đảm bảo an toàn thường lấy giá trị điện trở tính toán là R ng = 1000
1.3.4 Đường đi dòng điện qua người
Người ta đo phân lượng dòng điện đi qua tim để đánh giá mức độ nguy hiểm của dòng điện khi đi qua cơ thể người
− Từ tay trái đến một hay hai chân: thừa số 1,0
− Từ tay phải đến một hay hai chân: thừa số 0,8
− Từ lưng đến hai tay: thừa số 0,7
− Từ ngực đến hai tay: thừa số 1,5
− Từ mông đến tay: thừa số 0,7
Trường hợp nguy hiểm nhất xảy ra khi dòng điện đi từ ngực đến tay trái, mặc dù tình huống này hiếm gặp trong thực tế.
Trường hợp thường xảy ra là trường hợp dòng điện đi từ tay phải đến một trong hai chân vì phần lớn con người thuận tay phải
Hình 1.6 Phân lượng dòng điện qua tim
Dòng điện một chiều được xem là an toàn hơn so với dòng điện xoay chiều, đặc biệt là dòng điện xoay chiều có tần số công nghiệp từ 50Hz đến 60Hz Nguyên nhân là do dòng điện tần số công nghiệp gây ra sự rối loạn mà con người khó có thể tự thoát khỏi, ngay cả khi mức độ dòng điện khá nhỏ.
Dòng điện tần số cao, đặc biệt trên 500.000Hz, ít gây nguy hiểm hơn vì tác động nhanh hơn thời gian cảm ứng của cơ, dẫn đến hiện tượng hiệu ứng bì Tuy nhiên, nó vẫn có khả năng gây bỏng.
Tác dụng đối người ở các dải tần số khác nhau được trình bày ở Bảng 1.4
Bảng 1.4 Tác hại đối với người với các dải tần khác nhau
Dải tần số Tên gọi Ứng dụng Tác hại
DC-10 kHz Tần số thấp Mạng điện dân dụng và công nghiệp
Phát nhiệt, phá huỷ tế bào cơ thể
100 MHz Tần số radio Đốt điện, nhiệt điện Phát nhiệt, gia nhiệt điện môi tế bào sống
100 GHz Sóng Microware Lò viba Gia nhiệt nước
Hình 1.7 Tỉ lệ ngưỡng dòng điện đối với hậu quả sinh lí
Nhiệt độ và độ ẩm có ảnh hưởng lớn đến điện trở của con người và các vật cách điện xung quanh, dẫn đến sự thay đổi dòng điện đi qua cơ thể Khi độ ẩm môi trường tăng, độ dẫn điện của lớp da cũng tăng theo, làm giảm điện trở của con người Ngoài độ ẩm, mồ hôi và các chất hóa học khác cũng làm tăng độ dẫn điện của da, từ đó giảm điện trở và gia tăng nguy cơ bị điện giật.
Việc bảo vệ an toàn điện được xác định dựa trên điện áp, dễ hiểu hơn so với giá trị dòng điện mà con người có thể tiếp xúc Do đó, cần thiết phải quy định các mức điện áp an toàn mà con người có thể chịu đựng.
Hiện tượng dòng điện đi vào trong đất
Do hư hỏng cách điện và mạch điện chạm đất, dòng điện sự cố sẽ tản ra trong đất, tạo ra sự chênh lệch điện áp giữa các điểm khác nhau trong môi trường đất.
Hình 1.8 Dòng điện tản trong đất
Khi dòng điện sự cố tản vào đất qua một cực nối đất bằng kim loại hình bán cầu, được chôn trong đất có điện trở suất đồng nhất p, ta có thể hình dung dòng điện di chuyển theo đường bán kính từ tâm của hình cầu.
Mật độ dòng điện ở khoảng cách x kể từ tâm bán cầu:
= I j x (1.1) Ở đây: x 2 là diện tích mặt bán cầu có bán kính x, I là dòng điện chạm đất
Khu vực xung quanh cực nối đất, nơi dòng điện phân tán, được gọi là “trường tản dòng điện” Đối với dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều với tần số công nghiệp, có thể coi đây là một điện trường đều trong quá trình nghiên cứu.
Mật độ dòng điện xác định theo định luật Ohm dưới dạng vi phân:
= E j P (1.2) Ở đây: p là điện trở suất của đất
Cường độ điện trường trong dòng điện được xác định qua điện áp rơi trên đơn vị dài dọc theo trường dòng điện, được biểu diễn bằng công thức: dU = E.dx = j.p.dx (1.4) Điện thế tại điểm A cách điểm chạm đất một khoảng x là hiệu số điện thế giữa hai điểm này.
A và điểm ∞ mà ở đó điện thế có thể lấy bằng 0
Bằng thí nghiệm đo đạt thực tế, đối với các cực nối đất có dạng thanh, cọc, tấm phân bố điện áp cũng có dạng hyperbol
Trong trường hợp dây dẫn mang điện bị đứt và rơi xuống đất, phân bố điện áp được trình bày ở Hình 1.9
Hình 1.9 Quan hệ giữa U đ và khoảng cách x từ cực nối đất
Dòng điện tản ra từ cực nối đất có thể được hình dung như đang di chuyển trong một dây dẫn (đất) với tiết diện tăng theo bậc 2 của bán kính cầu q = 2x² Điện trở tản dòng điện đạt giá trị lớn nhất tại lớp đất gần cực nối đất, nơi dòng điện đi qua tiết diện nhỏ nhất, dẫn đến điện áp rơi lớn nhất Khi càng xa cực nối đất, tiết diện dây dẫn tăng nhanh, làm giảm điện trở và trị số điện áp rơi.
Theo Hình 1.9, khoảng 68% điện áp trên cực nối đất bị tổn hao trong đoạn dài 1m, 24% trong đoạn từ 1m đến 10m, và 8% trong đoạn từ 10m đến 20m tính từ cực nối đất.
Ngoài phạm vi 20m từ cực nối đất, tiết diện dây dẫn tăng đáng kể, dẫn đến điện trở gần như không đáng kể và mật độ dòng điện gần như bằng 0.
Như vậy, điện thế của các điểm nằm cách điểm nối đất lớn hơn 20m có thể xem như bằng 0
Bộ phận nối đất thường bao gồm nhiều cọc được kết nối với nhau bằng các thanh kim loại, tạo ra sự phân bố điện áp thoải hơn Điều này dẫn đến độ chênh lệch điện áp giữa một điểm và mặt đất lớn hơn so với khi chỉ sử dụng một cọc nối đất.
Các thành phần điện trở của bộ phận nối đất bao gồm:
− Điện trở tản của cực nối đất (kể cả điện trở tiếp xúc)
Điện trở thuần của bản thân cực nối đất và dây nối đất thường có giá trị nhỏ, do đó có thể bỏ qua trong một số trường hợp.
Điện áp bước
Điện áp bước là mức điện áp mà con người trải nghiệm khi tiếp xúc với mặt đất tại hai điểm khác nhau, dẫn đến sự chênh lệch điện thế giữa hai chân do dòng điện chạy trong đất.
Sự phân bố điện áp bước xảy ra khi xuất hiện dòng điện ngắn mạch chạm đất của một pha trong mạng điện (Hình 1.10)
Khi dòng điện đi qua hệ thống nối đất hoặc dây dẫn có điện áp rơi xuống mặt đất, đất sẽ hoạt động như một điện trở tản cho dòng điện Tại điểm tiếp xúc với đất, điện áp so với mặt đất sẽ được xác định.
Các điểm ở cách đều điểm chạm đất có điện thế bằng nhau (các vòng tròn đẳng thế)
Khi một người đứng trên hai điểm có điện thế khác nhau, họ sẽ chịu tác động của điện áp Hiệu điện thế giữa hai chân người đứng ở hai điểm này, do dòng điện ngắn mạch trong đất gây ra, được gọi là điện áp bước Điện áp bước có thể được xác định bằng một biểu thức cụ thể.
+ a: là độ lớn bước chân người, khi tính toán lấy bằng 0,8m
+ x: là khoảng cách từ điểm chạm đất đến chân người
Khi khoảng cách từ điểm ngắn mạch chạm đất (hoặc cực nối đất) tăng lên, mẫu số sẽ tăng và trị số điện áp bước Ub sẽ giảm Đặc biệt, ở khoảng cách trên 20m, điện áp gần như bằng 0 Tại vị trí sát ngắn mạch chạm đất, điện áp bước Ub cũng có thể bằng 0 nếu hai chân người đứng trên cùng một vòng tròn đẳng áp.
Trị số điện áp bước không có giới hạn cụ thể trong các tiêu chuẩn hiện hành, vì trị số Ub cao thường xuất phát từ các dòng điện ngắn mạch lớn khi chạm đất, và sẽ được ngắt ngay lập tức bởi các thiết bị bảo vệ.
Các trị số Ub nhỏ (không gây nguy hiểm cho người do đặc điểm các tác dụng sinh lý của mạch điện từ chân qua chân)
Mặc dù dòng điện chạy qua mạch chân-chân có ít nguy cơ, nhưng khi điện áp từ 100 đến 250V, có thể gây co rút chân và khiến người bị ngã Khi đó, điện áp tác động vào cơ thể sẽ tăng lên và dòng điện sẽ đi qua mạch tay-chân.
Nếu thiết bị bảo vệ không cắt được dòng điện ngắn mạch thì được dòng điện đi qua theo mạch tay-chân sẽ gây ra tai nạn điện
Khi xảy ra chạm đất phải cấm người đến gần chỗ bị chạm với khoảng cách sau:
− Từ 4 5m đối với thiết bị điện trong nhà
− Từ 8 10m với thiết bị điện ngoài trời.
Điện áp tiếp xúc
Khi hai thiết bị điện có vỏ bọc kim loại được kết nối với bộ phận nối đất với điện trở nối đất Rđ, sự phân bố điện áp trong đất khi chạm vào vỏ thiết bị sẽ tạo thành đường cong 1 Cực nối đất và các vỏ kim loại liên kết với nó sẽ có điện áp so với mặt đất.
Khi người chạm vào vỏ kim loại của thiết bị, họ sẽ chịu một điện áp bằng Uđ Điện áp ở chân người, ký hiệu ux, phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí đó đến cực nối đất Do đó, điện áp tiếp xúc UT sẽ tăng lên khi khoảng cách đến cực nối đất xa hơn Ở khoảng cách 20m, điện áp tiếp xúc UT sẽ bằng Uđ.
Hình 1.11 Điện áp tiếp xúc trong vùng dòng điện ngắn mạch chạm vỏ
Người đứng ở ngay trên cực nối đất (điểm 0) sẽ chịu một điện áp tiếp xúc bằng 0 (UT = Uđ – Uđ = 0)
Ngược lại, nếu chạm vào thiết bị 2 (TB2), người sẽ chịu điện áp tiếp xúc cực đại
Từ những giả thiết trên rút ra nhận xét sau:
Khi người tiếp xúc với vỏ thiết bị kim loại có nối đất, nếu trong mạch nối đất có một thiết bị bị chạm vỏ, thì người đó sẽ chịu một điện áp tiếp xúc Điện áp này sẽ có trị số bằng một phần điện áp so với mặt đất.
UT = .Uđ (1.9) Ở đây: α là hệ số tiếp xúc Đường cong 2 biểu thị sự biến thiên của điện áp tiếp xúc theo khoảng cách tới cực nối đất
Điện áp tiếp xúc không có quy định cụ thể trong các tiêu chuẩn hiện hành, nhưng đối với thiết bị điện, giới hạn không quá 50V, trong khi thiết bị phân phối có thể cho phép lên đến 250V nếu có biện pháp bảo vệ Đường cong phân bố điện áp Uđ phụ thuộc vào cấu trúc của bộ phận nối đất, có thể dốc hoặc thoải Điện áp tiếp xúc Uy sẽ thấp hơn khi đường cong phân bố điện áp thoải Độ chênh lệch điện áp giữa điểm 0 và điểm cách 0,8m sẽ khác nhau tùy thuộc vào loại đường cong, với UT1 lớn hơn UT2 Do đó, khi bộ phận nối đất trải rộng, điện áp tiếp xúc sẽ giảm.
Phân loại công trình và trang thiết bị điện
1.7.1 Phân loại công trình Ảnh hưởng của môi trường xung quanh như bụi, độ ẩm, nhiệt độ tác động rất lớn đến sự nguy hiểm về điện gây cho người, vì vậy theo quan điểm an toàn điện các công trình được phân thành:
Công trình ít nguy hiểm được xác định bởi các yếu tố như môi trường làm việc khô ráo với độ ẩm dưới 75%, nhiệt độ không vượt quá 25°C, không có bụi dẫn điện và không có phần kim loại nối đất Sàn nhà của công trình nên được làm bằng vật liệu không dẫn điện, như gỗ khô ráo hoặc trải nhựa, nhằm đảm bảo an toàn cho người lao động.
Công trình nguy hiểm được xác định bởi môi trường làm việc có độ ẩm từ 75% đến 97%, nhiệt độ dưới 30°C, và sự hiện diện của bụi dẫn điện như bụi than và bụi kim loại Ngoài ra, phần kim loại nối đất chiếm đến 60% bề mặt vùng làm việc, trong khi sàn nhà thường được làm bằng vật liệu dẫn điện như đất hoặc bê tông.
Công trình đặc biệt nguy hiểm được xác định bởi ít nhất một trong các yếu tố sau: môi trường làm việc với độ ẩm trên 97%, nhiệt độ xung quanh vượt quá 30°C, sự hiện diện của bụi dẫn điện như bụi than hoặc bụi kim loại, bề mặt vùng làm việc có phần kim loại nối đất chiếm đến 60%, sàn nhà được làm bằng vật liệu dẫn điện như đất hoặc bê tông, và môi trường có hóa chất ăn mòn.
1.7.2 Phân loại trang thiết bị điện
Tùy theo điện áp làm việc mà các trang thiết bị điện được phân thành:
− Trang thiết bị có điện áp cao U > 1000V
− Trang thiết bị có điện áp thấp U < 1000V
− Tùy theo việc bố trí vị trí mà các trang thiết bị điện được phân thành:
− Trang thiết bị điện cố định là các trang thiết bị được bố trí vị trí cố định
Trang thiết bị điện di động là những thiết bị không được cố định ở một vị trí nhất định và có khả năng di chuyển từ nơi này sang nơi khác sau khi đã ngắt kết nối với nguồn điện.
Trang thiết bị điện cầm tay được thiết kế đặc biệt để dễ dàng di chuyển trong quá trình làm việc Tuy nhiên, loại thiết bị này có mức nguy hiểm cao do người sử dụng tiếp xúc lâu dài, và cách điện có thể bị hư hỏng do va đập hoặc làm việc trong các điều kiện bất lợi.
Phương pháp cứu người khi bị điện giật
Khi chứng kiến một người bị điện giật, mọi người đều có trách nhiệm hành động để cứu nạn nhân Việc cứu chữa cần phải diễn ra nhanh chóng và đúng phương pháp, vì điều này quyết định đến sự sống còn của người bị nạn.
Thống kê về tai nạn điện giật cho thấy rằng việc xử lý cấp cứu kịp thời có ảnh hưởng lớn đến tỉ lệ sống sót của nạn nhân Nếu nạn nhân được tách ra khỏi nguồn điện và được sơ cứu trong vòng một phút, tỉ lệ sống sót đạt khoảng 98% Tuy nhiên, nếu thời gian kéo dài đến 6 phút, tỉ lệ sống sót chỉ còn 2%.
Các bước thực hiện gồm 2 bước cơ bản sau:
1.8.1 Tách nạn nhân khỏi nguồn điện
1.8.1.1 Trường hợp cắt được nguồn
Cần nhanh chóng cắt nguồn điện bằng công tắc, cầu dao, máy cắt điện, và khi cắt cần lưu ý những điểm sau:
− Nếu nạn nhân ở trên cao thì cần có vật hoặc người hứng đỡ
− Cắt điện cũng có thể dùng búa, rìu, kéo, dao, có cán cách điện để chặt đứt nguồn điện
1.8.1.2 Trường hợp không cắt được nguồn điện:
Cần phân biệt nạn nhân bị nạn bởi điện cao áp hay hạ áp
Khi xử lý điện hạ áp (U < 1000V), cần sử dụng vật cách điện như sào, gậy tre hoặc gỗ khô để gạt dây điện ra khỏi nạn nhân Nếu nạn nhân đang nắm vào dây điện, người cứu hộ nên đứng trên vật cách điện khô như bàn, ghế, thảm hoặc sử dụng ủng và găng tay cách điện để giải cứu Ngoài ra, có thể dùng dao, búa, rìu có cán cách điện để cắt đứt dây điện.
Khi cứu hộ trong môi trường điện cao áp (U > 1000V), người cứu hộ cần trang bị ủng, găng tay và sào cách điện để đảm bảo an toàn Nếu không có các dụng cụ bảo hộ này, có thể thực hiện phương pháp làm ngắn mạch bằng cách ném dây kim loại lên đường dây để ngắn mạch các pha.
1.8.2 Cấp cứu ngay sau khi tách nạn nhân khỏi nguồn điện
Cần căn cứ tình trạng sức khỏe nạn nhân để cứu thích hợp
1.8.2.1 Nạn nhân chưa mất tri giác Đưa nạn nhân đến nơi thoáng khí, cấp tốc mời bác sĩ ngay, còn không đưa đến cơ quan y tế gần nhất
1.8.2.2 Nạn nhân mất tri giác
Khi nạn nhân đã mất tri giác nhưng vẫn còn tim đập và thở nhẹ, cần phải đặt họ ở nơi thoáng khí và bằng phẳng, nới lỏng quần áo và thắt lưng Tiếp theo, hãy cho nạn nhân ngửi amoniac hoặc nước giải, đồng thời xoa bóp nhẹ nhàng và lập tức gọi bác sĩ đến.
1.8.2.3 Nạn nhân đã tắt thở
Nếu người bị nạn đã ngừng thở và có dấu hiệu co giật, cần nhanh chóng đặt nạn nhân ở nơi thoáng khí và nới lỏng quần áo Lau sạch máu và nước bọt, sau đó tiến hành hô hấp nhân tạo cho đến khi có sự can thiệp của bác sĩ hoặc cho đến khi có chỉ dẫn khác.
1.8.2.4 Phương pháp hô hấp nhân tạo
Đặt nạn nhân nằm ngửa và kê đầu bằng vật mềm để giữ cho đầu ngã ra phía sau Kiểm tra xem khí quản có thông suốt hay không Nếu hàm bị co cứng, hãy mở miệng bằng cách đặt tay dưới góc hàm dưới và dùng ngón cái đẩy hàm dưới ra.
Kéo ngửa nạn nhân ra sau để đảm bảo cằm và cổ thẳng hàng, giúp khí vào dễ dàng Đồng thời, đẩy hàm dưới về phía trước để tránh lưỡi rơi xuống và chặn thanh quản.
Để cấp cứu nạn nhân, trước tiên cần mở miệng và bịt mũi Người cấp cứu hít một hơi sâu và thổi mạnh vào miệng nạn nhân Nếu không thể thổi vào miệng, có thể bịt kín miệng và thổi vào mũi Việc thổi khí cần thực hiện nhẹ nhàng và liên tục với tần suất 10-12 lần mỗi phút cho người lớn và 20 lần cho trẻ em Lặp lại quy trình này nhiều lần cho đến khi có sự trợ giúp.
Trong trường hợp có hai người cấp cứu, một người thực hiện hô hấp nhân tạo trong khi người kia tiến hành xoa bóp tim Người xoa bóp tim cần đặt hai tay chồng lên nhau tại vị trí 1/3 xương ức của nạn nhân và ấn mạnh khoảng 4-6 lần Sau đó, dừng lại trong 4 giây để người còn lại thổi khí vào miệng nạn nhân Khi ấn, cần ép mạnh lòng ngực xuống khoảng 4-6 cm, giữ tay lại trong khoảng 1/3 giây trước khi trở về vị trí ban đầu.
Các thao tác cần thực hiện liên tục đến khi có bác sĩ và có quyết định ngừng thì mới ngừng.
PHÂN TÍCH AN TOÀN TRONG MẠNG ĐIỆN
Mạng điện một pha
2.1.1 Mạng điện 1 pha trung tính cách điện đối với đất
Trên hình 3.3 vẽ mạng điện đơn giản hai dây cách điện đối với dất điện áp U dưới 1000V
Hình 2.2 minh họa tình huống người chạm vào một dây trong mạng điện gồm hai dây cách điện với đất Cụ thể, phần a) thể hiện người chạm vào một cực của mạng điện đơn giản, trong khi b) và c) là các sơ đồ thay thế cho tình huống này.
Rcđ1, RCĐ 2 là điện trở cách điện của dây 1 và dây 2 với đất
Khi người có điện trở Rng chạm vào một cực của mạng điện sẽ tạo thành một mạch kín
Lúc đó, người sẽ phải chịu một dòng điện có trị số chạy qua:
= + cd + ng ng cd cd cd cd
+ U – điện áp của mạng điện (V)
Có thể chứng minh như sau:
− Theo sơ đồ đẳng trị (hình 2.2b và c), ta có:
− Dòng điện tổng của mạch:
− Điện áp đặt vào người:
− Dòng điện chạy qua người:
= + cd + ng ng cd cd cd cd
− Từ đây có thể cho ta rút ra các nhận xét sau:
+ Có thể coi điện trở cách điện: Rcđ1 = Rcđ2 = Rcđ (vì khoảng cách giữa dây 1 và dây 2 đối với đất thực tế là gần như nhau):
Cách điện đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn, đặc biệt khi trị số an toàn của dòng điện chạy qua cơ thể là Icp = 10 mA (hay 0,01 A) Do đó, điện trở cách điện cần phải lớn hơn hoặc bằng một trị số nhất định để bảo vệ con người khỏi nguy cơ điện giật.
Ví dụ: Nếu lấy U = 220 V, Rng = 1000Ω thì cần có điện trở cách điện là:
Khi người tiếp xúc với điện, việc mang giày, dép hoặc đứng trên các bề mặt như bàn ghế, thảm sẽ làm tăng điện trở, từ đó giảm dòng điện đi qua cơ thể Điều này giúp giảm nguy cơ bị điện giật so với việc chân tiếp xúc trực tiếp với mặt đất.
Vì khi đó dòng diện chạy qua người sẽ là:
+ Với Rn – điện trở nền (điện trở các vật người đứng lên trong khi chạm điện)
Hình 2.3 Người chạm vào 1 dây trong khi dây kia đang chạm đất
Nguy hiểm lớn nhất xảy ra khi một người chạm vào một dây điện trong khi dây kia chạm đất, vì lúc này người đó sẽ phải chịu gần như toàn bộ điện áp của mạng Tình huống này tương tự như khi người chạm vào cả hai cực của nguồn điện.
Với U – điện áp của mạng điện, V
2.1.2 Mạng có một cực hay một pha nối đất nối đất
Mạng điện này bao gồm hai dây: một dây treo trên không và một dây nằm trên mặt đất hoặc đường ray Nó được sử dụng để cung cấp điện cho tàu điện và xe điện.
Bằng cách giải tương tự như mục 3.2.1, ta tìm được:
= + cd + ng ng cd cd
R R R R R (2.10) Ở đây: R0- điện trở nối đất làm việc
+ Nếu coi: R0 = 0, biểu thức (3-9) trở thành: ng ng
+ Nếu người đứng trên nền có điện trở Rn, biểu thức trở thành:
Việc chân người tiếp xúc trực tiếp với đất có thể gây nguy hiểm do người sẽ phải chịu toàn bộ điện áp của mạng điện Để đảm bảo an toàn khi sử dụng và làm việc với mạng điện, cần chú ý treo dây dẫn cao cách mặt đất một khoảng cách an toàn để tránh tiếp xúc.
Hình 2.4 Người chạm vào mạng điện 1 dây; a) Người chạm vào 1 cực của mạng có 1 dây; b) Sơ đồ thay thế khi người chạm vào 1 cực của mạng có 1 dây
Hình 3.6 minh họa sơ đồ mạng điện hai dây, trong đó dây 1 được nối đất (theo hình 2.5.a) Trong trường hợp này, chân người sẽ phải chịu toàn bộ điện áp của mạng điện, Ung = U, điều này rất nguy hiểm.
− Khi người chạm vào dây 1 dây nối đất, giả sử tại điểm B (hình 2.5b)
+ Ở chế độ làm việc bình thường: có thể xem chân người như đang ở điểm
A, nên điện áp đặt vào người Ung bằng điện áp UBA:
Ung = UBA = RBA I1v (2.13) + Ở đây, RBA – điện trở của đoạn dây BA, Ω
I1v – dòng điện làm việc của mạng, A
Khi một người chạm vào một cực của mạng 2 dây có 1 dây nối đất, điện áp lên người sẽ lớn nhất khi họ chạm vào dây không nối đất Cụ thể, người chạm vào dây nối đất sẽ có điện áp thấp hơn so với khi chạm vào dây không nối đất.
Ung Max = RCA.I1v = 5%U (2.14) Ở đây: RCA – điện trở của đường dây CA, Ω
5%U – tổn thất điện áp cho phép trên đoạn dây CA
(Theo quy định hiện hành tổn thất điện áp trên đường dây hạ áp cho phép
Ví dụ: Nếu điện áp của mạng U = 220V thì điện áp lớn nhất người phải chịu khi chạm vào dây nối đất là:
Trong trường hợp xảy ra ngắn mạch giữa dây 1 và dây 2 với tiết diện bằng nhau, điện áp tại điểm C so với đất gần bằng 0,5U và giảm dần khi tiến gần đến điểm A Điều này cho thấy, nếu người chạm vào dây 1 nối đất trong tình huống ngắn mạch, họ sẽ phải chịu điện áp nguy hiểm gần bằng 0,5U.
Hình 2.6 minh họa các trường hợp người chạm vào dây nối đất, bao gồm: a) trường hợp người chạm vào dây nối đất khi xảy ra ngắn mạch; b) trường hợp người chạm vào dây nối đất của mạng 2 dây.
Khi dây nối đất bị đứt tại một điểm nào đó trên đoạn từ A đến B, người chạm vào dây này sẽ phải chịu điện áp gần bằng điện áp U của mạng, tương tự như trường hợp chạm vào dây không nối đất đã được đề cập trước đó.
2.1.3 Mạng điện 1 pha cách điện đối với đất có điện dung lớn
Các mạng điện với đường dây cáp và đường dây trên không có điện áp lớn hơn 1000V, cũng như các mạng có điện áp nhỏ hơn 1000V với nhiều nhánh, thường có điện dung lớn đối với đất Hiện tượng này dẫn đến việc mặc dù đường dây đã được cắt ra khỏi mạch điện, nhưng điện tích tàn dư vẫn có thể gây nguy hiểm cho con người.
Trong mạch điện xoay chiều, điện áp của điện tích tàn dư không chỉ phụ thuộc vào các thông số của mạch mà còn bị ảnh hưởng bởi thời điểm cắt mạch điện.
Theo tính toán: nếu người cách điện với đất mà chạm vào 2 cực thì dòng điện qua người:
+ U0 là điện áp tàn dư của đường dây ứng với thời điểm khi người chạm vào mạch điện
+ C12 là điện dung giữa các dây dẫn của đường dây bị cắt
Nếu biết U0; Rng; C12, ta xây dựng được quan hệ giữa dòng điện qua người và thời gian như sau (Ing (t)):
Hình 2.7 Quan hệ giữa dòng điện qua người và thời gian như sau (I ng (t))
Từ đó ta có nhận xét:
Khi điện dung tăng lên (C2 > C1), trị số điện tích tàn dư (Q = C.U) cũng sẽ cao hơn, dẫn đến việc dòng điện duy trì lâu hơn Điều này đồng nghĩa với việc trị số trung bình của dòng điện tác động vào cơ thể người sẽ lớn hơn.
− Nếu chạm vào 1 dây của đường dây bị cắt điện (giả sử dây dẫn 1) thì:
+ C11: Điện dung dây dẫn 1 với đất
+ C12: Điện dung giữa dây dẫn 1 với 2
Nguy hiểm của điện tích tàn dư không những chỉ do trị số của dòng điện phóng, thời gian phóng mà còn ở nhiệt lượng gây bỏng:
Mạng điện ba pha
Mạng điện 3 pha trung tính đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của hệ thống điện Dây trung tính kết nối với điểm trung tính, có nhiệm vụ dẫn dòng điện trở về nguồn trong trường hợp mạng không đối xứng Điểm trung tính và dây trung tính được gọi chung là trung tính của mạng điện.
Mạng trung tính không nối đất hoặc nối đất qua tổng trở lớn, hoặc qua cuộn Pêtécxen để bù dòng điện dung được gọi là mạng trung tính cách điện đối với đất Ngược lại, trung tính nối với hệ thống nối đất có điện trở nhỏ được gọi là trung tính nối đất trực tiếp.
Mạng truyền tải điện với điện áp từ 110kV trở lên (như 110, 220, 500kV) thường sử dụng hệ thống trung tính nối đất trực tiếp Trong khi đó, mạng phân phối có điện áp dưới 35kV (bao gồm 35, 10, 6kV) thường áp dụng hệ thống trung tính cách điện với đất.
Mạng hạ áp với điện áp U ≤ 1kV, thường là 220/127V hoặc 380/220V, có thể được thiết kế với trung tính nối đất hoặc cách điện Hiện nay, tại Việt Nam, mạng 3 pha 4 dây 380/220V với trung tính nối đất trực tiếp đang được sử dụng phổ biến.
Các tình huống chạm điện có thể dẫn đến tai nạn nguy hiểm trong mạng điện 3 pha:
− Chạm trực tiếp vào 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha
Chạm vào vỏ thiết bị có cách điện pha bị hỏng dẫn đến hiện tượng chạm điện gián tiếp, thường chỉ xảy ra ở một pha Tình huống này có thể được xem như là việc chạm trực tiếp vào một pha của mạng điện ba pha.
Tình huống chạm vào một pha trong mạng điện 3 pha là phổ biến nhất và mức độ nguy hiểm phụ thuộc vào loại mạng điện, bao gồm cao áp hay hạ áp, cũng như sự kết nối của trung tính, có thể là nối đất hoặc cách điện.
2.2.1 Mạng điện 3 pha trung tính cách điện với đất
Hình 2.8 Người chạm vào 1 pha của mạng 3 pha trung tính cách điện với đất
Trường hợp chung là khi điện dẫn và điện dung của mạng có trị số bất kỳ, nghĩa là: gA ≠ gB ≠ gC và CA ≠ CB ≠ CC ≠ 0
Khi người chạm vào 1 pha, giả sử pha A người sẽ phải chịu dòng điện chạy qua người có trị số như biểu thức:
2.2.1.2 Trường hợp người chạm vào 1 pha của mạng hạ áp (U < 1000 V)
Khi dây dẫn điện đi trên không, điện áp nhỏ dẫn đến điện dung thấp Mặc dù mạng cáp có điện dung lớn hơn, nhưng chiều dài dây ngắn khiến điện dung tổng thể vẫn rất nhỏ Do đó, để tính gần đúng dòng điện qua người trong trường hợp này, có thể xem xét các yếu tố này.
2.2.1.3 Trường hợp người chạm vào 1 pha của mạng hạ áp (U > 1000 V)
Do điện áp cao dẫn đến điện dung lớn, trong mạng điện cao áp, cách điện thường rất tốt, khiến điện trở cách điện lớn và điện dẫn rất nhỏ có thể bỏ qua Do đó, để tính gần đúng dòng điện qua người trong trường hợp này, có thể xem xét các yếu tố này.
2.2.2 Mạng điện 3 pha có trung tính nối đất
Hình 2.9 Người tiếp xúc với một pha ở lưới điện 3 pha 3 dây cótrung tính nối đất 2.2.2.1 Mạng điện điện áp thấp U = 1000 V
Mạng điện ba pha với điểm trung tính nối đất có nguy cơ cao khi một dây dẫn chạm đất hoặc chạm vào vỏ máy, đặc biệt nếu người đứng trên đất tiếp xúc với dây còn lại Để giảm thiểu nguy hiểm, cần thực hiện nối đất điểm trung tính của nguồn cung cấp (mạng 380/220V), đảm bảo rằng các thiết bị bảo vệ điện như rơle, máy cắt và cầu chì sẽ nhanh chóng ngắt điện khi xảy ra sự cố chạm đất.
Nhược điểm lớn nhất của mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất là khi hoạt động bình thường, nếu người chạm phải dây dẫn, dòng điện qua cơ thể sẽ tương đối lớn.
+ Rđ là điện trở nối đất của điểm trung tính;
+ Rn là điện trở cuả nền dưới chân người;
+ Ufa là điện áp pha
Nếu nối đất tốt (Rđ 0) và sàn nền đất ướt (Rn 0) thì dòng điện đi qua người sẽ là: fa ng ng
Đối với mạng điện trung tính nối đất, ngay cả khi điện trở cách điện và vỏ bọc cách điện của các pha đối với đất rất lớn (R1 = R2 = R3 = Rcđ), dòng điện đi qua người vẫn không giảm và điện áp mà người phải chịu vẫn là điện áp pha, điều này rất nguy hiểm.
2.2.2.2 Mạng điện có điện áp cao U > 1000V
Đối với lưới điện 110 kV, việc nối đất trung tính trực tiếp mang lại lợi ích an toàn, vì khi một pha chạm đất, mạch bảo vệ sẽ ngay lập tức cắt sự cố, giảm thời gian điện áp giáng tại điểm chạm đất Điều này làm giảm xác suất nguy hiểm cho người làm việc gần đó Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là dòng ngắn mạch khi chạm đất sẽ lớn.
− Đối với mạng điện có điện áp U = 35 kV, điểm trung tính ít khi nối đất trực tiếp, thường cách điện và nối đất qua cuộn dập hồ quang
Nối đất qua cuộn dập hồ quang giúp giảm dòng điện tại điểm chạm đất, từ đó làm giảm điện áp xung quanh khu vực này, góp phần nâng cao an toàn điện.
BẢO VỆ NỐI ĐẤT VÀ BẢO VỆ NỐI DÂY TRUNG TÍNH
Bảo vệ nối đất
3.1.1 Mục đích, ý nghĩa của bảo vệ nối đất
Các phần tử bình thường như khung máy, vỏ máy điện và bệ máy không mang điện, nhưng khi cách điện pha-vỏ bị hỏng, chúng có thể trở thành nguồn điện Khi người dùng chạm vào những phần tử này, dòng điện có thể chạy qua cơ thể họ Mục đích của nối đất bảo vệ là giảm dòng điện chạy qua người xuống mức an toàn Để hiểu rõ hơn về mục đích của nối đất bảo vệ, ta có thể xem xét một ví dụ cụ thể.
− Động cơ được cấp điện bởi mạng điện đơn giản, vỏ của động cơ được nối với hệ thống nối đất
Khi người có điện dẫn chạm vào vỏ động cơ do cách điện bị hỏng, họ sẽ tạo thành mạch song song với điện dẫn của dây dẫn 2 với đất g2 và điện dẫn của hệ thống nối đất gd Đồng thời, họ cũng sẽ mắc nối tiếp với điện dẫn của dây 1 với đất g1, tạo ra một sơ đồ tương đương.
Hình 3.1 Phân tích mục đích, ý nghĩa của bảo vệ nối đất g’ = g2 + gng + gd Điện dẫn tổng hợp của mạch điện:
= + + + + (3.1) Điện áp đặt vào người:
Dòng điện chạy qua người:
Trong biểu thức (3.3), các trị số g1, g2 và gng có giá trị nhỏ hơn nhiều so với gd, do đó có thể bỏ qua chúng trong mẫu số Do đó, biểu thức (3.3) có thể được gần đúng thành (3.4).
Dòng điện chạy qua người phụ thuộc vào điện dẫn của người, điện dẫn của dây dẫn với đất, và điện dẫn của hệ thống nối đất Để giảm dòng điện qua người, có thể giảm điện dẫn của người, giảm điện dẫn của dây dẫn với đất, hoặc tăng điện dẫn của hệ thống nối đất Việc tăng điện dẫn của hệ thống nối đất là dễ dàng thực hiện.
Nối đất giúp tăng cường an toàn cho người và thiết bị bằng cách tạo ra một mạch điện có mật độ dẫn điện lớn giữa vỏ thiết bị điện và đất Khi có sự cố, dòng điện sự cố pha – vỏ sẽ tăng lên, giúp các thiết bị bảo vệ như cầu chì, Aptomat và relay hoạt động hiệu quả, nhanh chóng ngắt kết nối phần tử bị sự cố khỏi mạng điện Mục đích chính của việc nối đất là duy trì một điện áp nhỏ giữa vỏ thiết bị và đất, đảm bảo rằng khi cách điện pha - vỏ bị hỏng, dòng điện đi qua người sẽ không gây nguy hiểm.
Để đảm bảo an toàn cho người tiếp xúc với vỏ thiết bị điện có cách điện bị hỏng và tránh nguy cơ điện giật, cần thực hiện điện trở của hệ thống sao cho đáp ứng các điều kiện cụ thể.
Điện áp tiếp xúc cho phép (Utxcp) yêu cầu hệ thống nối đất phải có điện trở thấp để nhanh chóng phân tán dòng điện chạm vỏ vào đất Đồng thời, hệ thống nối đất cần được thiết kế để giảm điện áp tiếp xúc (Utx) và điện áp bước (Ub), nhằm đảm bảo sự cân bằng thế của hệ thống nối đất.
3.1.2 Sơ đồ nối đất: TT, IT
Một hệ thống điện được định nghĩa bằng 2 chữ cái, đó là hệ thống điện IT, TT
Chữ cái thứ nhất thể hiện tính chất của trung tính nguồn, chỉ mối quan hệ nguồn điện và hệ thống nối đất:
− T (Terrestrial) – Nối đất trực tiếp (trung tính nguồn trực tiếp nối đất)
− I (Insulated) – Tất cả các thành phần mang điện cách ly với đất hoặc một điểm được nối đất thông qua một trở kháng (trung tính nguồn cách ly)
Chữ cái thứ hai chỉ rõ hình thức bảo vệ và xác định mối quan hệ giữa các phần dẫn điện lộ ra ngoài của hệ thống, mạng điện lắp đặt và hệ thống nối đất.
− T – Nối đất trực tiếp (bảo vệ nối đất – vỏ thiết bị điện bằng kim loại được nối đến hệ thống nối đất)
Nối trực tiếp các phần dẫn điện lộ ra ngoài dây dẫn bảo vệ với điểm đã được nối đất của nguồn điện là rất quan trọng, thường là điểm trung tính Việc này đảm bảo rằng vỏ thiết bị điện bằng kim loại được nối an toàn đến dây trung tính, giúp bảo vệ hiệu quả trong hệ thống điện.
Trong hệ thống TT, tất cả các thành phần dẫn điện lộ ra ngoài, như vỏ kim loại của thiết bị điện, được kết nối với một hệ thống nối đất Hệ thống này không có kết nối điện với đất tại nguồn cấp điện Đặc điểm nổi bật của hệ thống TT là sự an toàn cho người sử dụng khi có sự cố điện.
− Sơ đồ rất đơn giản
− Do sử dụng hai hệ thống nối đất riêng biệt nên cần lưu ý bảo vệ quá áp
− Tiết diện dây PE có thể nhỏ hơn tiết diện dây trung tính và thường được xác định theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra
− Trong điều kiện làm việc bình thường, trên dây PE không có sụt áp
− Trong trường hợp hư hỏng cách điện, xung điện áp xuất hiện trên dây PE thấp và các nhiễu điện từ có thể bỏ qua
Hệ thống TT thường được sử dụng cho mạng điện bị hạn chế về sự kiểm tra hay
Hệ thống IT có thể gặp khó khăn trong việc nối đất hiệu quả do tổng trở mạch vòng không đủ nhỏ Để giới hạn dòng điện sự cố, cần thực hiện nối đất từ nguồn (trung tính cách ly) hoặc sử dụng điện trở từ 1 ÷ 2 kΩ giữa dây trung tính và hệ thống nối đất.
− Vỏ các thiết bị điện và vật dẫn tự nhiên của tòa nhà được nối với điện cực nối đất riêng
− Tiết diện dây PE có thể nhỏ hơn tiết diện dây trung tính và thường được xác định theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra
− Trong điều kiện làm việc bình thường, trên dây PE không có sụt áp
− Giảm ngưỡng quá áp khi xuất hiện sự cố chạm từ cuộn cao áp sang cuộn hạ áp của máy biến áp nguồn
Khi hư hỏng cách điện, dòng sự cố ban đầu thường thấp và không gây nguy hiểm, do đó cần sử dụng thiết bị bảo vệ hoạt động khi xảy ra sự cố hai điểm Việc lắp đặt thiết bị kiểm soát cách điện sẽ giúp theo dõi và chỉ thị điểm sự cố đầu tiên, từ đó hỗ trợ định vị và loại trừ sự cố hiệu quả.
Hệ thống IT đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy cao cho nguồn cung cấp điện, đặc biệt là trong các mạng điện cung cấp năng lượng cho thiết bị xử lý thông tin.
3.1.3 Nối đất tập trung – nối đất mạch vòng
Tùy theo cách bố trí các điện cực nối đất mà phân biệt nốĩ đất tập trung hay nối đất mạch vòng
Hình 3.4 Các kiểu nối đất
Nối đất tập trung sử dụng nhiều cọc đóng xuống đất và kết nối bằng thanh ngang hoặc cáp đồng trần Khoảng cách giữa các cọc thường gấp đôi chiều dài cọc để tránh hiệu ứng màn che, nhưng trong trường hợp thi công khó khăn, khoảng cách không nên nhỏ hơn chiều dài cọc Địa điểm nối đất tập trung thường được chọn ở nơi đất ẩm, có điện trở suất thấp và cách xa công trình.
Nối đất mạch vòng là phương pháp quan trọng trong việc bảo vệ các công trình điện, với các điện cực được bố trí quanh chu vi công trình (cách mép ngoài từ 1 – 1,5m) hoặc ngay trong khu vực công trình Phương pháp này đặc biệt cần thiết cho các thiết bị có điện áp trên 1000V và dòng điện chạm đất lớn, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc quản lý điện năng.
Về vấn đề thi công hệ thống nối đất cần chú ý đến các điểm sau:
Bảo vệ nối dây trung tính
3.2.1 Mục đích, ý nghĩa của bảo vệ nối dây trung tính
Bảo vệ nối dây trung tính là việc kết nối các bộ phận không mang điện áp với dây trung tính, dây này được nối đất ở nhiều điểm Hệ thống này được sử dụng thay cho bảo vệ nối đất trong các mạng điện 4 dây với điện áp thấp 380/220V và 220/110V khi trung tính được nối đất trực tiếp Việc thay thế này nhằm đảm bảo an toàn cho mạng điện dưới 1kV, đặc biệt khi nối đất của trung tính không đạt yêu cầu an toàn.
Hệ thống bảo vệ nối đất cho mạng điện dưới 1kV rất quan trọng, đặc biệt khi cách điện của thiết bị bị chọc thủng ra vỏ Khi đó, dòng điện sẽ đi vào đất với một biểu thức gần đúng, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và thiết bị.
+ U – Điện áp pha của mạng điện
+ rđ – Điện trở của thanh nối đất
+ r0 – Điện trở nối đất làm việc
Trị số dòng điện này không phải lúc nào cũng đủ mạnh để làm cho dây chảy của cầu chì bị chảy, hoặc để kích hoạt bảo vệ cắt đứt chỗ hư hỏng.
Ví dụ chúng ta có mạng điện 380/220V, r0 = rđ = 4 Ω
Như vậy dòng điện đi qua đất: Iđ = 27,5 A
Với trị số dòng điện như vậy chỉ làm chảy dây chảy của loại cầu chì bé với dòng điện định mức: Iđm = 11 A
Nếu dòng điện nói trên tồn tại lâu thì trên vỏ thiết bị sẽ có điện áp bằng:
Nếu r0 = rđ, điện áp có trị số bằng nửa điện áp pha và ở điều kiện khác còn có trị số lớn hơn
Giảm điện áp này đến mức độ an toàn bằng cách chọn đúng sự tương quan giữa r0 và rđ:
Trị số 40V là điện áp an toàn trên vỏ thiết bị khi xảy ra va chạm, với điện trở r0 là 4 Ω cho mạng điện áp dưới 1kV Dòng điện tối đa có thể đi qua vỏ thiết bị vào đất là 10A, do đó điện áp Uđ.4@V được xem là an toàn cho người lao động không chuyên về điện.
Khi xảy ra hiện tượng chạm vỏ thiết bị, cần lưu ý rằng điện áp của hai pha còn lại so với đất có thể tăng lên mức không an toàn Như đã đề cập trong chương về bảo vệ nối đất, điện áp sẽ đạt giá trị cụ thể.
Với mạng điện 380/220V điện áp này bằng 347V
Để đảm bảo an toàn trong hệ thống điện, cần tăng dòng điện Iđ đến một mức nhất định nhằm cho phép bảo vệ cắt nhanh các chỗ bị sự cố Một biện pháp đơn giản và hiệu quả là sử dụng dây dẫn để nối vỏ thiết bị với dây trung tính.
Hình 3.6 Bảo vệ nối dây trung tính
Mục đích của việc nối dây trung tính là biến sự chạm vỏ của thiết bị thành ngắn mạch một pha, nhằm bảo vệ và cắt nhanh khu vực bị hư hỏng.
3.2.2 Sơ đồ nối đất: TN-S, TN-C, TN-CS
Trong hệ thống TN, mạch vòng sự cố bao gồm tất cả các phần dẫn điện, giúp giảm thiểu trị số cao của điện trở đất Điểm trung tính của nguồn điện được nối đất trực tiếp, và các phần dẫn điện lộ ra ngoài có thể được kết nối với một dây bảo vệ riêng (Hệ thống TN-S) hoặc kết nối dây bảo vệ tới dây trung tính (Hệ thống TN-C).
Dây trung tính và dây bảo vệ là riêng biệt
Hình 3.7 Sơ đồ TN-S Đặc điểm của hệ thống TN-S:
− Dòng điện sự cố và điện áp tiếp xúc lớn nên cần trang bị thiết bị bảo vệ tự động ngắt nguồn khi có sự cố hỏng cách điện
− Dây PE tách biệt với dây trung tính, không được nối đất lặp lại và tiết diện dây
PE thường được xác định theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra
− Trong điều kiện làm việc bình thường, không có sụt áp và dòng điện trên dây
PE nên tránh được hiểm họa chạy và nhiễu điện từ
Dây trung tính và dây bảo vệ là một và gọi chung là dây PE
Hình 3.8 Sơ đồ TN-C Đặc điểm của hệ thống TN-C:
− Sử dụng nhiều điểm nối đất lặp lại để đảm bảo dây PEN được tiếp đất trong mọi trường hợp
− Dòng sự cố và điện áp tiếp xúc lớn nên cần trang thiết bị bảo vệ tự động ngắt nguồn khi có sự cố hỏng cách điện
− Trong điều kiện làm việc bình thường, vỏ thiết bị, đất và trung tính có cùng điện thế
− Khi hư hỏng cách điện, dòng sự cố gây độ sụt áp nguồn, nhiễu điện từ lớn và khả năng gây cháy cao
Trong trường hợp tải không đối xứng, dòng điện sẽ xuất hiện trong dây PEN, gây ra hiện tượng nhiễu cho các máy tính và hệ thống thông tin.
Hệ thống TN-C thường được áp dụng cho các mạng điện không cần cải tạo hoặc mở rộng, với kích thước dây lớn hơn 10mm² cho đồng và lớn hơn 16mm² cho nhôm.
Hệ thống điện TN-C kết hợp với hệ thống TN-S, trong đó điểm phân dây PE tách từ dây PEN thường là điểm đầu của lưới Cần lưu ý rằng, sơ đồ TN-C không được phép sử dụng sau sơ đồ TN-S.
Không sử dụng hệ thống TN-C và TN-C-S cho các công trình mà khả năng cháy và khả năng lay nhiễm nhiễu điện từ cao
3.2.3 Nối đất làm việc và nối đất lặp lại
Khi sử dụng bảo vệ cho dây trung tính, dây này sẽ được nối đất tại đầu nguồn (nối đất làm việc) và thực hiện nối đất lặp lại ở từng đoạn của toàn bộ mạng (nối đất lặp lại).
Bảo vệ nối dây trung tính sẽ không hiệu quả nếu dây trung tính không được nối đất Trong trường hợp xảy ra chạm đất, vỏ thiết bị nối với dây trung tính sẽ có điện áp gần bằng điện áp pha, gây nguy hiểm cho người sử dụng.
Phải nối đất lặp lại trong mạng điện vì các lí do sau:
− Giảm điện áp của dây trung tính đối với đất nếu xảy ra chạm vỏ thiết bị
− Giảm nhẹ được chế độ sự cố ở trường hợp dây trung tính bị đứt
Nếu không sử dụng nối đất lặp lại, hiện tượng chạm vỏ thiết bị tại vị trí sau chỗ đứt có thể xảy ra, dẫn đến việc tất cả thiết bị sau chỗ đứt đều mang điện áp pha.
Hình 3.11 Sơ đồ nối điện lúc dây trung tính bị đứt mà không có nối đất lặp lại
Khi có nối đất lặp lại điện áp tiếp xúc sẽ giảm:
Hình 3.12 Sơ đồ nối điện lúc dây trung tính bị đứt mà không có nối đất lặp lại
Kết quả của việc nối đất lặp lại giúp phân bố thế của thiết bị trở nên đồng đều hơn trước và sau vị trí bị đứt Nếu r0 = r1, điện áp tiếp xúc sẽ được đảm bảo.
U cả ở hai phía chỗ đứt
Tùy thuộc vào phương pháp nối đất lặp lại của dây trung tính người ta chia ra làm 3 dạng nối dây trung tính sau đây:
− Không có nối đất lặp lại;
− Nối đất lặp lại bố trí tập trung;
− Nối đất lặp lại bố trí thành mạng lưới