Tính toán, phân tích an toàn hồ quang điện, áp dụng cho nhà máy nhiệt điện mông dương 2

Từ kết quả của dự án giúp ban lãnh đạo đưa ra các chính sách, kế hoạch, quyết định, biện pháp để làm việc an toàn, chọn và sử dụng đúng trang thiết bị bảo hộ cá nhân, đưa ra các giải phá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

điện, áp dụng cho nhà máy nhiệt điện

Mông Dương 2 PHẠM VĂN HÙNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

H ọ và tên tác giả luận văn : Phạm Văn Hùng

Đề tài luận văn: Tính toán, phân tích an toàn hồ quang điện, áp dụng cho

nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2

Chuyên ngành: K ỹ thuật điện

Mã s ố SV: CA190073

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 30/10/2020 với các nội dung sau:

1 Bổ sung phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến công thức tính toán nhiệt lượng hồ quang (trang 29, trang 69);

2 Định dạng trình bày lại các công thức cho rõ ràng hơn (công thức CT 2.3 đến CT 2.6, trang 28, 29);

3 Bổ sung khuyến nghị trong phần kết luận để nêu bật các ứng dụng hiệu

TS Nguy ễn Quốc Minh Ph ạm Văn Hùng

CH Ủ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS Tr ần Văn Tớp

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Tính toán, phân tích an toàn hồ quang điện, áp dụng cho nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2

Lý do chọn đề tài

Hồ quang điện trong lĩnh vực an toàn điện là một lĩnh vực tương đối mới

và tại Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu Đề tài giải quyết vấn đề

cấp bách tại nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2 đó là tính toán và phân tích hồ quang điện để đáp ứng yêu cầu luật định, yêu cầu của tập đoàn và của bên thứ ba, đảm bảo an toàn cho người lao động, tăng độ tin cậy của hệ thống, giảm chi phí tài chính

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích của luận văn là nghiên cứu phần quan trọng nhất trong chương trình phân tích hồ quang điện đó là các phương pháp, mô hình tính toán, mô

phỏng hồ quang điện Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn là tính toán, phân tích an toàn hồ quang điện cho hệ thống điện tự dùng xoay chiều có điện áp từ 208V đến 15000V tại nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2 (tổng cộng

gần 1000 nút) theo tiêu chuẩn IEEE 1584-2018 và phần mềm ETAP-20 mới nhất

Từ kết quả của dự án giúp ban lãnh đạo đưa ra các chính sách, kế hoạch, quyết định, biện pháp để làm việc an toàn, chọn và sử dụng đúng trang thiết bị bảo hộ

cá nhân, đưa ra các giải pháp hợp lý nhằm loại bỏ, phòng tránh hay giảm thiểu nhiệt lượng hồ quang tại các nút có nhiệt lượng tính toán cao, góp phần đảm bảo

an toàn cho người lao động tại nơi làm việc, nâng cao độ tin cậy của thiết bị và

hệ thống điện tự dùng nhà máy, giảm chi phí tài chính, đảm bảo uy tín, đảm bảo

hoạt động sản xuất của đơn vị

Đề tài cũng góp phần nâng cao năng lực, trình độ của đội ngũ cán bộ nhân viên phụ trách mảng điện trong nhà máy, tạo nên một cơ sở dữ liệu chung, thống

nhất để quản lý toàn bộ hệ thống điện của nhà máy bằng phần mềm, khảo sát được các nội dung khác của hệ thống điện bao gồm bảo vệ rơ le, kiểm tra khả năng của thiết bị, kiểm tra tình trạng quá tải của thiết bị, nối đất, khắc phục các khiếm khuyết hay thiết kế sai, nâng cao độ tin cậy của hệ thống, quản lý sự thay đổi, mô phỏng để dự đoán trước kết quả của bất kỳ sự thay đổi nào trong hệ

thống, giảm chi phí (tìm kiếm, giấy tờ, điều tra khắc phục sự cố, chi phí giải quyết tai nạn, các chi phí vô hình khác.v v) Đề tài mạng lại hiệu quả trực tiếp về

an toàn, kinh tế, kỹ thuật có tính thực tiễn và ứng dụng cao, có khả năng nhân

rộng và lặp lại

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ h ọ tên

L ời cảm ơn

Luận văn này được thực hiện dưới sự trợ giúp và hướng dẫn tận tình của

TS Nguyễn Quốc Minh, viện Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nội dung

của luận văn liên quan đến nhiều kiến thức tổng hợp của chuyên nghành điện như

an toàn điện, tính toán trào lưu công suất, tính toán ngắn mạch, nối đất, cài đặt,

phối hợp bảo vệ và chỉnh định rơ le…v v Trong quá trình thực hiện luận văn

em không thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy, rất mong được hội đồng cùng các bạn trao đổi, đóng góp để nghiên cứu được hoàn thiện Em xin trân thành

cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, hội đồng cũng như các bạn

Tóm t ắt nội dung luận văn

Lịch sử phát triển ngành điện đã có từ lâu, và hiện tượng hồ quang điện

gắn liền với sự phát minh ra điện, tuy nhiên các nghiên cứu về hiện tượng hồ quang điện phá hủy, không kiểm soát và hồ quang điện trong lĩnh vực an toàn điện là một lĩnh vực vẫn còn mới Quá trình hội nhập, phát triển và toàn cầu hóa đặt ra yêu cầu tuân thủ các quy định về an toàn điện tại nơi làm việc trong đó có

vấn đề hồ quang điện Yêu cầu cấp thiết của đơn vị là phải có chương trình phân tích tính toán hồ quang điện cho hệ thống điện tự dùng của nhà máy để phù hợp

với quy định của Hoa Kỳ, quy định của tập đoàn và quy định của hãng bảo hiểm

Nội dung của luận văn là nghiên cứu tính toán, phân tích hồ quang điện từ đó áp

dụng vào thực tế tính toán hồ quang điện cho hệ thống điện tự dùng nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2 đảm bảo an toàn cho người lao động tại nơi làm việc, nâng cao độ tin cậy, giảm chi phí tài chính, đảm bảo uy tín, hoạt động sản xuất

của doanh nghiệp Luận văn sử dụng phương pháp tính toán hồ quang điện theo tiêu chuẩn IEEE 1584-2018, tính toán thủ công cho hai nút mẫu có cấp điện áp khác nhau bằng ứng dụng Microsoft Excel và đồng thời mô phỏng bằng phần

mềm ETAP-20 để kiểm chứng phương pháp tính So sánh kết quả tính thủ công

và kết quả từ phần mềm mô phỏng khớp nhau Sau đó dùng phần mềm Etap-20

để xây dựng mô hình và thực hiện mô phỏng và tính toán hồ quang điện cho toàn

bộ các nút khác trong hệ thống (tổng cộng gần 1000 nút) Kết quả luận văn đã hoàn thành tính toán, phân tích an toàn hồ quang điện cho hệ thống điện tự dùng nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2, đáp ứng yêu cầu cấp thiết của đơn vị Kết

quả của luận văn có tính ứng dụng thực tiễn cho các nhà máy hay hệ thống điện tương đương khác Thông qua thực hiện đề tài, trình độ và năng lực của người

trực tiếp thực hiện đề tài được nâng lên góp phần đảm bảo nhà máy hoạt động an toàn, tin cậy và hiệu quả Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài là tính toán, mô

phỏng và thực nghiệm hồ quang điện trong lưới điện có điện áp lớn hơn 15kV, lưới có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo, nghiên cứu sâu hơn về hồ quang điện bên trong đám mây plasma, nghiên cứu xây dựng mô hình đào tạo hồ quang điện, phát triển bộ tiêu chuẩn an toàn hồ quang điện và áp dụng phân tích an toàn hồ quang điện trong điều kiện Việt Nam

HỌC VIÊN

Ký và ghi rõ h ọ tên

M ỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỒ QUANG ĐIỆN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Bố cục luận văn 1

1.3 Một số định nghĩa và thuật ngữ 1

1.4 Đơn vị đo nhiệt lượng 3

1.5 Cơ chế hình thành và phát triển hồ quang điện 3

1.5.1 Bản chất của hồ quang điện 3

1.5.2 Tính chất sinh nhiệt của hồ quang điện 4

1.5.3 Sự phát triển kích cỡ hồ quang 5

1.5.4 Nguyên nhân xảy ra hồ quang điện trong các hoạt động điện 9

1.6 Tác hại của tai nạn hồ quang điện đối với con người, thiết bị, hệ thống và sản xuất 10

1.6.1 Một số thống kê tai nạn hồ quang điện và các quy định về an toàn hồ quang điện 10

1.6.2 Tác hại của hồ quang điện đối với con người và trang bị bảo hộ cần thiết 11

1.6.3 Ảnh hưởng đối với thiết bị và hệ thống 15

1.6.4 Ảnh hưởng đến vận hành và sản xuất 16

1.7 Lợi ích của chương trình tính toán, phân tích hồ quang điện 16

1.7.1 Lợi ích trực tiếp 16

1.7.2 Lợi ích gián tiếp 17

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG HỒ QUANG ĐIỆN 18

2.1 Các phương pháp, chương trình và yêu cầu phân tích hồ quang điện 18

2.1.1 Các phương pháp, tiêu chuẩn, và công tụ tính toán, phân tích hồ quang điện 18

2.1.2 Chương trình phân tích hồ quang điện 21

2.1.3 Yêu cầu khi phân tích hồ quang điện 22

2.2 Tính toán hồ quang điện theo phương pháp trong tiêu chuẩn IEEE-1584:2018 22

2.2.2 Quá trình tính toán và phân tích hồ quang điện 37

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG HỒ QUANG ĐIỆN B ẰNG PHẦN MỀM ETAP-20 CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƯƠNG 2 44

3.1 Giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2 44

3.2 Giới thiệu chung về phần mềm ETAP 44

3.3 Áp dụng IEEE 1584-2018 tính toán hồ quang điện tại thanh cái tự dùng 44

3.3.1 Trường hợp 1 44

3.3.2 Trường hợp 2 51

3.4 Mô phỏng bằng phần mềm ETAP-20 55

3.4.1 Dữ liệu đầu vào nhập vào phần mềm 55

3.4.2 Kết quả mô phỏng bằng phần mềm 60

3.4.3 Kết quả xây dựng mô hình, mô phỏng, tính toán hồ quang điện cho toàn bộ hệ thống điện tự dùng nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2 62

3.4.4 Đánh giá và ý nghĩa của kết quả phân tích 62

3.4.5 Lợi ích của việc dùng phần mềm tính toán 65

3.4.6 Các vấn đề phát hiện ra trong quá trình phân tích và phương án giải quyết 65

3.5 Các giải pháp cải thiện vấn đề nhiệt lượng hồ quang điện cao 68

3.5.1 Giới hạn 68

3.5.2 Các biện pháp cải thiện vấn đề nhiệt lượng hồ quang cao, ngăn ngừa và giảm ảnh hưởng của hồ quang điện 69

3.5.3 Ví dụ áp dụng biện pháp kỹ thuật thay đổi cài đặt, chỉnh định và phối hợp bảo vệ rơ le để giảm nhiệt lượng hồ quang cho hệ thống điện tự dùng tại nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2 71

3.5.4 Đánh giá kết quả đề tài và hướng phát triển của đề tài trong tương lai 74

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 77

PH Ụ LỤC 78

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Truyền nhận nhiệt giữa nguồn phát và nhận 5

Hình 1.2 Đồ thị véc tơ điện áp và dòng điện, và phân chia điện áp nguồn và sụt áp trên hồ quang với chiều dài hồ quang khác nhau 5

Hình 1.3 Dòng ngắn mạch với tổng trở điểm ngắn mạch bằng không 7

Hình 1.4 Xác định đường kính cầu hồ quang theo phương pháp Lee 8

Hình 1.5 Quan hệ thời gian-nhiệt độ, ngưỡng chịu đựng của tế bào người 12

Hình 1.6 Độ tăng nhiệt trên da trong 0.1s tại các khoảng cách khác nhau 13

Hình 3.1 Thời gian cắt dòng hồ quang (Iarc_2 = 24.625kA) 52

Hình 3.2 Thời gian cắt dòng hồ quang (Iarc_2= 18.76 kA) 54

Hình 3.3 Kết quả mô phỏng thanh cái Bus_5 bằng phần mềm ETAP-20 60

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng thanh cái Bus_6 bằng phần mềm ETAP-20 61

Hình 3.5 Ví dụ nhãn cảnh báo cho thanh cái Bus_6 63

Hình 3.6 Ví dụ nhãn cảnh báo cho thanh cái Bus_5 63

Hình 3.7 Thời gian cắt sự cố của rơ le trước khi thay đổi 66

Hình 3.8 Thời gian cắt sự cố của rơ le sau khi thay đổi 67

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng thanh cái Bus_6 bằng phần mềm ETAP-20 sau khi cài đặt lại 68

Hình 3.10 Đặc tính thời gian – dòng điện (trước khi thay đổi) 72

Hình 3.11 Nhiệt lượng hồ quang trước khi thay đổi 72

Hình 3.12 Nhiệt lượng hồ quang sau khi thay đổi 73

Hình 3.13 Nhiệt lượng hồ quang sau khi thay đổi 73

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Công suất hồ quang 3 pha lớn nhất, MW 7

Bảng 1.2 Đường kinh bán cầu hồ quang theo công suất hồ quang 8

Bảng 1.3 Độ tăng nhiệt trên da trong khoảng thời gian 0.1s 12

Bảng 1.4 Quan hệ giữa khoảng cách và công suất hồ quang 14

Bảng 1.5 Ảnh hưởng của hồ quang điện lên cơ thể người 15

Bảng 2.1 Kích thước tủ tiêu chuẩn dùng trong mô hình thử nghiệm 23

Bảng 2.2 Hệ số k trong phương trình 2.1 26

Bảng 2.3 Hệ số k trong phương trình 27

Bảng 2.4 Hệ số k trong công thức (CT 2.3), (CT 2.6), (CT 2.7), (CT 2.10), 29

Bảng 2.5 Hệ số k trong công thức (CT 2.4), (CT 2.8) 29

Bảng 2.6 Hệ số k trong công thức (CT 2.5), (CT 2.9) 30

Bảng 2.7 Hướng dẫn áp dụng tính chiều cao và chiều rộng tủ tương đương 33

Bảng 2.8 Hệ số b dùng trong công thức (CT 2.14), (CT 2.15) 34

Bảng 2.9 Khoảng cách pha và kích thước tủ thường gặp 39

Bảng 2.10 Cách xác định cấu hình điện cực trong một số trường hợp tiêu biểu 40 Bảng 2.11 Khoảng cách làm việc tiêu chuẩn của một số thiết bị điển hình 41

Bảng 3.1 Bảng so sánh kết quả tính toán hồ quang điện tại Bus_5 61

Bảng 3.2 Bảng so sánh kết quả tính toán hồ quang điện tại Bus_6 62

Bảng 3.3 Chọn trang bị bảo hộ theo nhiệt lượng tính toán 64

Bảng 3.4 Kết quả nhiệt lượng hồ quang sau khi thay đổi chỉnh định rơ le 67

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỒ QUANG ĐIỆN 1.1 Gi ới thiệu chung

Mục đích của luận văn là thực hiện tính toán, phân tích an toàn hồ quang điện và áp dụng các phương pháp, mô hình tính toán, mô phỏng về hồ quang điện vào việc tính toán và phân tích hồ quang điện cho hệ thống điện tự dùng tại nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2 theo tiêu chuẩn IEEE 1584-2018 bằng phần mềm

mô phỏng ETAP-20 mới nhất Kết quả hoàn thành có ý nghĩa quan trọng giúp đơn vị tuân thủ các quy định bắt buộc về an toàn, giúp ban lãnh đạo đưa ra các chính sách, kế hoạch, quyết định, biện pháp để làm việc an toàn, chọn và sử dụng đúng trang thiết bị bảo hộ cá nhân, đưa ra các giải pháp hợp lý nhằm loại bỏ, phòng tránh hay giảm thiểu nhiệt lượng hồ quang tại các nút có nhiệt lượng tính toán cao, góp phần đảm bảo an toàn cho người lao động tại nơi làm việc Ngoài

ra, đề tài cũng phân tích tổng quát về hồ quang điện, lịch sử hình thành, ảnh hưởng, các phương pháp tiếp cận, tiêu chuẩn tính toán, phương pháp và trình tự các bước thực hiện phân tích, nội dung, ý nghĩa, yêu cầu, kết quả và các giải pháp kiểm soát về vấn đề hồ quang điện Luận văn này đồng thời cũng có thể là

một trong các nguồn tư liệu tham khảo và công cụ cho các nhà hoạch định chính sách, người thiết kế hệ thống, những người đang công tác trong nghành điện, các

bạn sinh viên hay những người cùng quan tâm đến lĩnh vực này

Phạm vi đề tài nghiên cứu về hồ quang điện trong hệ thống điện xoay chiều

có điện áp từ 208V đến 15000V theo tiêu chuẩn IEEE 1584-2018 sử dụng phần

mềm mô phỏng ETAP-20 và ứng dụng thực tế và giải quyết các vấn đề, thách

thức tại hệ thống điện tự dùng nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2 Lý do phạm vi nghiên cứu của đề tài là theo [1] phần lớn tai nạn hồ quang điện xảy ra ở mạng điện có dải điện áp dưới 15000V

1.2 B ố cục luận văn

Luận văn chia làm 3 chương

- Chương 1: Tổng quan về hồ quang điện

- Chương 2: Phân tích và tính toán năng lượng hồ quang điện

- Chương 3: Ứng dụng tính toán, mô phỏng hồ quang điện bằng phần mềm ETAP-20 cho nhà máy nhiệt điện BOT Mông Dương 2

1.3 M ột số định nghĩa và thuật ngữ

- H ồ quang: là đám mây plasma hình thành trên khe hở giữa hai điện cực

có hiệu điện thế đủ lớn Nhiệt lượng tỏa ra dưới dạng bức xạ, đối lưu và truyền dẫn [2]

- Dòng điện hồ quang: dòng sự cố qua một plasma hồ quang điện [2]

- Th ời gian duy trì hồ quang: tổng thời gian từ thời điểm bắt đầu một sự

cố quá dòng đến lúc ngắt mạch hoàn toàn tại điện áp danh định [2]

- Ph ạm vi bảo vệ hồ quang điện (AFB, viết tắt của arc flash boundary

tàng mà tại đó nhiệt lượng tính toán được bằng 5.0 J/cm2

(1.2 cal/cm2) Ngưỡng này tương đương với bỏng độ hai [2]

- M ối nguy hồ quang điện: Tình trạng nguy hiểm gắn liền với hồ quang

điện có khả năng gây chấn thương vong [2]

- Tính toán an toàn h ồ quang điện: Sử sụng các công thức để tính toán

nhiệt lượng hồ quang sinh ra tại một khoảng cách làm việc cụ thể và

phạm vi bảo vệ hồ quang điện [2]

- Dòng ng ắn mạch lớn nhất: Dòng ngắn mạch lớn nhất mà hệ thống

điện có thể tạo ra qua một mạch điện tại một điểm cụ thể đến điểm ngắn

mạch tổng trở thấp xảy ra tại điểm đó, hoặc bất kỳ điểm nào khác gây ra dòng điện cao nhất chạy qua điểm đã cho Dòng ngắn mạch lớn nhất và dòng ngắn mạch có tổng trở tại điểm ngắn mạch gần bằng không (Ibf)

bằng nhau nếu tổng trở điểm ngắn mạch bằng không [2]

- Dòng ngắn mạch có tổng trở tại điểm ngắn mạch gần bằng không

(Ibf): tình trạng ngắn mạch với giả thiết tổng trở ngắn mạch tại điểm sự

cố bằng không [2]

- C ấu hình điện cực: hướng và bố trí điện cực sử dụng trong thử nghiệm

để phát triển mô hình tính toán hồ quang điện [2]

+ C ấu hình VCB (viết tắt chữ cái đầu của các từ Vertical Conductors inside a Box): Dây dẫn hay điện cực thẳng đứng bên trong một hộp, vỏ kim loại

+ C ấu hình VCBB (viết tắt chữ cái đầu của các từ Vertical Conductors in an insulated Barrier inside a Box): Dây dẫn hay điện cực thẳng đứng đấu nối trong một tấm chắn cách điện bên trong

một hộp, vỏ kim loại

+ C ấu hình HCB (viết tắt chữ cái đầu của các từ Horizontal Conductors inside a Box): Dây dẫn hay điện cực nằm ngang bên trong một hộp, vỏ kim loại

+ VOA (vi ết tắt chữ cái đầu của các từ Vertical conductors in Open Air): dây dẫn hay điện cực thẳng đứng hở ra ngoài không khí

+ HOA (vi ết tắt chữ cái đầu của các từ Horizontal conductors in Open Air): dây dẫn hay điện cực nằm ngang hở ra ngoài không khí

- Nhi ệt lượng sự cố: Lượng nhiệt lượng áp lên một bề mặt, từ một

khoảng cách nhất định so với điểm sinh hồ quang, được tạo ra trong sự

cố hồ quang điện [2]

- Kho ảng cách làm việc: Khoảng cách giữa nguồn gây hồ quang tiềm

năng đến mặt và ngực của người đang thực hiện công việc [2]

- Đặc tính Stoll: Đặc tính giới hạn ngưỡng bắt đầu xảy ra bỏng độ 2 đối

với da người được đặt tên theo Alice Stoll khi bà nghiên cứu về mối quan hệ giữa mật độ bức xạ nhiệt và thời gian phơi nhiễm hay nói cách khác là quan hệ giữa nhiệt lượng an toàn lớn nhất và thời gian phơi nhiễm

1.4 Đơn vị đo nhiệt lượng

Nhiệt lượng được đo bằng Joules trên cm2

(J/cm2) trong hệ đo lường quốc

tế Một Joule bằng một Watt-giây Muốn chuyển từ calo trên cm2

sang (J/cm2) ta nhân với 4.184 Một nhiệt lượng hồ quang bằng 5 J/cm2 (tương đương với 1.2 cal/cm2) là ngưỡng bắt đầu bỏng độ 2 Nếu một chiếc đầu khò khí butan được đặt cách ngón tay của người 1 cm trong 1 giây và ngón tay người nằm trong ngọn lửa xanh của đầu khò, thì 1 cm2 tiết diện của ngón tay sẽ chịu một nhiệt lương tương đương 5.0 J/cm2

(1.2 cal/cm2) Để hình dung tốt hơn về đơn vị nhiệt lượng thì khi tay chúng ta đặt cách một ngọn nến đang cháy một khoảng cách là 25.4mm thì

chỗ da tay ngay trên ngọn nến chịu một nhiệt lượng là 1 cal/ cm2

1.5 Cơ chế hình thành và phát triển hồ quang điện

Theo Ralph H Lee, hồ quang điện là đường dẫn dòng điện có trị số đủ lớn qua khoảng không gian hay khe hở mà trước khi xảy ra hồ quang điện là không khí Tuy nhiên, không khí không phải là dây dẫn; đường đi của dòng điện thông qua sự bay hơi của các vật liệu thiết bị điện nơi xảy ra sự cố (hay còn gọi là đầu

cực hồ quang), thường là kim loại của vật dẫn hoặc các-bon Trái với dòng điện

chạy qua các chất khí áp suất thấp khác như khí nêon, hồ quang điện liên quan đến nhiệt độ khoảng 20 000o

C (35 000oF) (nóng gấp 4 lần nhiệt độ bề mặt mặt

trời, khoảng 5 000o

C) tại các đầu cực hồ quang Nhiệt độ này làm cho vật liệu không chỉ nóng chảy mà còn bay hơi [3]

1.5.1 Bản chất của hồ quang điện

Tên gọi hồ quang điện (arc flash) xuất phát từ hiểu biết trước đây của con người về hồ quang là giống như bị bỏng do hàn hồ quang Nghĩa là nhiệt truyền

tới da người bằng nhiệt bức xạ và ánh sáng (hồng ngoại – cực tím) từ nguồn hàn

hồ quang Sau này các nghiên cứu giúp chúng ta hiểu sâu hơi về hồ quang điện Nhiệt lượng tác dụng lên da không chỉ là năng lượng bức xạ nhiệt từ nguồn sinh

hồ quang mà còn từ thể plasma phóng ra từ nguồn hồ quang Plasma hồ quang là

thể thứ tư của vật chất (ba thể trước đó là rắn, lỏng và khí) và có thể mô tả ngắn

gọn nó là khí được ion hóa với nhiệt độ cực cao giữa hai điện cực Một khi hình thành thì hồ quang plasma được coi là có khả năng dẫn dòng không giới hạn Plasma hồ quang có thể lên đến 5000oC và khi tiếp xúc với luồng plasma này sẽ gây bỏng nặng và quần áo có thể bắt cháy làm cho tai nạn càng tồi tệ hơn ngay cả khi plasma đã được dập tắt

Bản chất của hồ quang điện là sau khi khởi phát, do phóng điện hoặc do có

vật liệu dẫn điện gây ngắn mạch, hồ quang điện là một dòng điện qua một đường

dẫn hình thành bởi hơi của các vật liệu tại điện cực hồ quang Dòng hơi này có điện trở lớn hơn khá nhiều so với kim loại rắn, đến ngưỡng điện áp rơi trên hồ quang nằm trong dải từ 75-100V/inch hay 28-39V/cm), gấp vài nghìn lần điện áp rơi vật dẫn kim loại rắn (0.5-1V/ft hay 0.016-0.033V/cm) Do điện cảm của đường dẫn hồ quang không khác nhiều so với điện cảm của vật dẫn kim loại có

có chiều dài đường hồ quang từ 28-39V/cm chiếm phần lớn điện áp, chỉ còn điện

áp nhỏ bằng điện áp nguồn trừ đi điện áp rơi trên đường hồ quang để đẩy dòng sự

cố qua toàn bộ tổng trở của hệ thống, bao gồm cả tổng trở của đường hồ quang Đây là lý do ổn định dòng hồ quang ở mạch có điện áp 277/480V khi chiều dài đường hồ quang khoảng 4 inch (10.2 cm) (khoảng cách giữa thanh cái pha hay đầu cực giữa các pha v v) Khi điện áp lớn hơn, chiều dài đường hồ quang lớn hơn nhiều (khoảng 25.4cm/100V điện áp nguồn, trước khi tổng trở hệ thống bắt đầu điều chỉnh hoặc giới hạn dòng sự cố Lưu ý là điện áp rơi trên đường hồ quang và sụt áp nguồn cộng và lệch pha nhau 90 độ, điện áp rơi chủ yếu là thành

phần trở, sụt áp nguồn chủ yếu là thành phần kháng Do đó chiều dài, hoặc cỡ,

hoặc hồ quang trong hệ thống có điện áp cao hơn có thể lớn hơn, vì vậy chúng có

thể sẵn sàng bắc qua khe hở giữa bộ phận mang điện và đất hoặc với bộ phận mang điện có cực tính khác với dòng sự cố giảm một chút [3]

1.5.2 Tính chất sinh nhiệt của hồ quang điện

Hồ quang điện được công nhận rộng rãi là nguồn sinh nhiệt lớn Các ứng

dụng phổ biến của hồ quang điện (gọi là hồ quang điện có kiểm soát) bao gồm hàn điện trở và lò hồ quang Nhiệt độ đầu cực kim loại rất lớn và theo một báo cáo tin cậy lên đến khoảng 20 000o

C (chỉ có tia laze (≈ 100 000oC) được biết đến

là có nhiệt độ cao hơn hồ quang điện) Phần trung gian (plasma) của hồ quang điện, phần cách xa điện cực theo báo cáo có nhiệt độ khoảng 13,000oC [3] Ralph.H Lee đưa ra công thức và mô hình xác định nhiệt lượng bức xạ trên

một đơn vị diện tích vật thể bằng nhiệt bức xạ trên một đơn vị diện tích của nguồn nhân với diện tích bề mặt nguồn chia cho 4𝜋 nhân với bình phương bán kính từ nguồn đến vật

Trong đó,

Qs: nhiệt lượng phát ra từ nguồn trên một đơn vị diện tích nguồn

As: Tổng diện tích nguồn phát nhiệt

r: khoảng cách từ tâm nguồn đến vật

A0: diện tích bề mặt nhô ra của một vật thể dọc theo mặt phẳng vuông góc

với hướng từ nguồn đến vật

Q0: nhiệt lượng hấp thụ bởi bề mặt vật thể nhô ra

Đối với các phần của vật thể không vuông góc với bán kính r, cần phải nhân với cosin của góc giữa bề mặt và phương của nguồn để tính ra mật độ phân bố nhiệt trên bề mặt Hình ảnh sau minh họa truyền nhận nhiệt giữa nguồn phát và vật

nhận

Hình 1.1 Truy ền nhận nhiệt giữa nguồn phát và nhận [3]

1.5.3 Sự phát triển kích cỡ hồ quang

Khi sự cố ngắn mạch có tổng trở bằng 0, sẽ không xảy ra hồ quang, khi đó

chỉ có ít nhiệt lượng tỏa ra Nếu tại điểm sự cố có điện trở đủ lớn, nhiệt độ tại đó nhiệt độ tăng đến nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của kim loại và hồ quang điện bắt đầu Hồ quang điện càng dài thì sụt áp nguồn trên nó càng lớn và dòng điện tổng giảm Quá trình này được trình bày trong hình 1.2 dưới đây trong báo cáo của Ralph H.Lee

trên h ồ quang với chiều dài hồ quang khác nhau [3].

Điện áp danh định của hệ thống là 𝐸∞và tổng trở hệ thống đến điểm sự cố

dài hồ quang ngắn (được kí hiệu bởi chữ số 1 trong I1, Ea1, Es1), thứ ba là chiều dài hồ quang trung bình (ký hiệu bởi chữ số 2), và cuối cùng là chiều dài hồ quang dài (kí hiệu bởi chữ số 3) Do tổng trở hồ quang gần như thuần trở và tổng

trở nguồn gần như thuần cảm, điện áp rơi trên hồ quang và điện áp nguồn lệch nhau 90 độ điện trong tất cả các trường hợp chiều dài hồ quang khác nhau Quỹ tích của các véc tơ sụt áp nguồn (Es) và sụt áp hồ quang (Ea) là một nửa đường tròn với đường kính bằng Es0 (Es0 là sụt áp trên hệ thống ứng với trường hợp sự

cố có tổng trở điểm sự cố bằng 0, và Es0 = 𝐸∞) I0, I1, I2, I3 là véc tơ dòng điện

tổng ứng với các chiều dài hồ quang khác nhau và đều vuông góc với véc tơ điện

áp Es do chúng có quan hệ với nhau qua Zs

Năng lượng hồ quang tổng là tích của điện áp rơi trên hồ quang Ea và dòng điện I Năng lượng hồ quang bằng 0 trong trường hợp sự cố có tổng trở điểm sự

cố bằng 0, đáng kể đối với trường hợp 1, tăng cao với trường hợp 2 và sau đó

giảm với trường hợp 3 (điện áp hồ quang tăng trung bình trong khi dòng giảm nhanh) Tại thời điểm giao giữa trường hợp 2 và trường hợp 3, chiều dài hồ quang đủ lớn và hồ quang tự dập tắt, hoặc tự ổn định ở dòng điện nhỏ Trong trường hợp 2 khi sụt áp trên hồ quang bằng với sụt áp nguồn sẽ cho công suất hồ quang lớn nhất Tại đây, sụt áp trên hồ quang bằng 70.7% điện áp nguồn (Ea2=Es2=cos45o.𝐸∞) và dòng điện bằng 70.7% dòng ngắn mạch lớn nhất Điện

áp rơi trên hồ quang và dòng điện trùng pha vì vậy tích của chúng là công suất

lớn nhất, mặc dù hệ số công suất của toàn hệ thống bằng cos45o do tổng trở của nguồn là thuần cảm và có hệ số công suất của nguồn bằng 0 Trường hợp này, công suất hồ quang lớn nhất bằng 0.7072

hoặc 0.5 lần công suất ngắn mạch kVA

lớn nhất (ứng với dòng ngắn mạch lớn nhất khi tổng trở điểm ngắn mạch bằng 0)

tại điểm đó Công suất hồ quang thực tế có thể thấp hơn mức này nhưng chúng ta không đoán trước được cũng như chúng ta không biết trước được khi nào thì sụt

áp trên hồ quang bằng sụt áp nguồn vì vậy chúng ta phải lấy trường hợp xấu nhất ứng với công suất hồ quang lớn nhất Vì vậy đánh giá công suất hồ quang phải

lấy điện áp nguồn nhân với 0.5 lần dòng ngắn mạch lớn nhất (ứng với tổng trở điểm ngắn mạch bằng 0) Lúc này ta có thể đánh giá hồ quang điện trên toàn bộ

dải điện áp của hệ thống và dòng ngắn mạch lớn nhất, công suất hồ quang và

mức độ tăng nhiệt độ trên một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích bề mặt trên toàn bộ dải khoảng cách từ nguồn phát hồ quang đến vật thể Bảng 1.1 dưới đây tóm tắt kết quả tính

B ảng 1.1 Công su ất hồ quang 3 pha lớn nhất, MW [3]

Hình 1.4 Xác định đường kính cầu hồ quang theo phương pháp Lee [3]

hoặc tối mầu là lý do không xét đến hệ số phản xạ

Tuy nhiên, hệ số phản xạ có ích trong việc chọn lựa trang thiết bị bảo hộ;

nếu thiết bị bảo hộ có mầu rất sáng, nó sẽ phản xạ khoảng 90% nhiệt bức xạ mà

nó nhận được do đó nó sẽ nhận ít nhiệt hơn khi truyền nhiệt vào người mặc và

bảo vệ đươc tốt hơn

Trên thực tế và trong các phần mềm tính toán ví dụ ETAP.20 được sử dụng trong luận văn này có tính đến hệ số phản xạ nhiệt từ bề mặt thiết bị được tính toán theo kích thước vỏ tủ thiết bị thông qua hệ số 𝛼 và k

1.5.4 Nguyên nhân xảy ra hồ quang điện trong các hoạt động điện

Trong thực tế khi lắp đặt, chạy thử, thí nghiệm, thử nghiệm, vận hành, sửa

chữa, bảo dưỡng, thay thế v v hệ thống và thiết bị điện là các hoạt động diễn ra thường xuyên, một số hoạt động diễn ra hàng ngày Tất cả các hoạt động này đều

có thể có nguy cơ xảy ra tai nạn hồ quang điện nếu không được kiểm soát và ngăn ngừa hợp lý Dưới đây là một số công việc hoặc tình huống có thể xảy ra

hồ quang điện:

a) Nguyên nhân liên quan đến con người:

- Biện pháp làm việc không an toàn;

- Làm việc trên hoặc gần thiết bị có điện mà không cắt điện hoặc không

cắt được điện;

- Sử dụng dụng cụ sai, dụng cụ không cách điện, vô tình chạm hay làm rơi dụng cụ vào thiết bị mang điện hở;

- Thao tác vận hành sai;

- Bỏ qua bảo vệ, liên động;

- Không lắp đặt, vận hành và bảo trì thiết bị đúng cách và phù hợp;

- Mở nhầm ngăn tủ điện hay thiết bị, vào nhầm trạm biến áp v v

b) Nguyên nhân do môi trường

- Hư hỏng cách điện;

- Quá điện áp;

- Khu vực dễ cháy nổi, có bụi kim loại, bụi than, dung môi, hóa

chất v…v

- Môi trường ăn mòn;

- Các tác nhân bên ngoài đến thiết bị điện ví dụ như: nước, hơi nước, nước mưa, nước từ hệ thống điều hòa, phòng cháy chữa cháy nhỏ hay

chảy vào thiết bị điện, hơi ẩm, hơi muối, bụi bẩn quát mức, hóa chất, động vật (chuột, rắn, mèo, thạch sùng v v), vật thể lạ, gió bão v v c) Nguyên nhân do thiết bị:

- Hư hỏng cách điện;

- Bộ phận mang điện hở không được che chắn, không có vỏ bao, không đưa lên độ cao phù hợp;

- Sự cố chạm đất trong thiết bị;

- Bộ phận hay phần tử của thiết bị điện bị hư hỏng, hoặc hoạt động sai, hư

hỏng cơ cấu truyền động hoặc bộ phận cơ khí, cơ cấu liên động bị lỗi, không hoạt động;

- Đấu nối lỏng;

Một số hoạt động dễ phát sinh hồ quang điện:

a) Đưa máy cắt, ngăn tủ điện vào vị trí công tác hoăc rút ra từ vị trí công tác; b) Kiểm tra, vệ sinh, chụp ảnh nhiệt hay làm việc với đường dây, thiết bị đang mang điện;

c) Bảo trì, sửa chữa thiết bị điện và tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp với bộ

phận đang mang điện hoặc rơi dụng cụ, quên dụng cụ v v

d) Thí nghiệm thiết bị điện

e) Thay thế thiết bị khi đang mang điện

1.6 Tác h ại của tai nạn hồ quang điện đối với con người, thiết bị, hệ thống

do hồ quang điện [4]

Một công ty truyền tải điện lớn tại Hoa Kỳ thống kê trong vòng 54 năm cứ mỗi

18 tháng lại xảy ra một vụ tai nạn chấn thương liên quan đến hồ quang điện (nguồn IEEE 1584-2002, mục 10.3)

b) Tại các quốc gia Châu Âu

Vì nhiều lý do hiện chưa có thống kê cụ thể về số vụ tai nạn liên quan đến hồ quang điện tại châu Âu Một trong những lý do là họ gộp thành tai nạn liên quan đến điện mà chưa thống kê riêng Điều đó không có nghĩa là hồ quang điện không tồn tại ở Châu Âu hoặc họ xem nhẹ mà là bởi vì các quốc gia châu Âu có cách tiếp cận khác với Hoa Kỳ về vấn đề này Thực tế theo tác giả của tài liệu [5], hầu hết các doanh nghiệp ở Châu Âu trang bị quần áo chống cháy cho nhân viên công ty phát, truyền tải, phân phối điện, nghành dầu khí và công nghiệp Theo bài báo trên tạp chí Electropages của tác giả By Nnamdi Anyadike ngày 26-05-2020, trung bình mỗi tuần có khoảng 8 đến 10 vụ tai nạn hồ quang điện [6]

Châu Âu có các Chỉ thị chung (ví dụ 89/391/EEC, 89/656/EEC, 2009/104/EC, 92/58/EEC) liên quan đến quản lý sức khỏe và an toàn trong đó đưa ra hướng dẫn chung về đánh giá rủi ro, các biện pháp kiểm soát, phòng tránh

rủi ro, sử dụng trang thiết bị bảo hộ, nhãn cảnh báo nguy hiểm, và trách nhiệm đảm bảo an toàn và sức khỏe cho người lao động khỏi các rủi ro tai nạn trong đó

có tai nạn liên quan đến điện cho các nước thành viên Dựa vào đó, các nước thành viên xây dựng tiêu chuẩn riêng Tại các quốc gia Châu Âu quy định về làm

việc với thiết bị đang mang điện rất nghiêm ngặt và luôn ưu tiên cắt điện để làm

việc Ngoài ra, thiết kế che chắn bộ phận mang điện hở cũng như liên động để

bảo vệ cũng rất chặt chẽ

Các quốc gia châu Âu đã và đang phát triển các phương pháp và tiêu chuẩn tính toán riêng ví dụ như DGUV 203-078 Các quốc gia này ngày càng quan tâm

và có nhiều nghiên cứu về hồ quang điện và phương pháp phân tích, tính toán,

thử nghiệm hồ quang điện và đã hoặc đang đưa vào quy định, tiêu chuẩn và các

sản phẩm của họ (ví dụ: 89/391/EEC, IEC 60298, IEC 61482, DGUV 203-078, CSA: Z462-12) Vì vậy, có thể khẳng định hồ quang điện là vấn đề có tính chất toàn cầu và xu hướng toàn cầu hóa cho thấy quy định về phân tích hồ quang điện

sẽ sớm trở thành quy định bắt buộc trên phạm vi quốc tế

c) Tại Việt Nam

Chúng ta thấy thống kê rất lớn về tai nạn liên quan đến hồ quang điện tại Hoa

Kỳ, một quốc gia phát triển, rất chú trọng về an toàn và báo cáo đầy đủ theo quy định Đối với các quốc gia kém và đang phát triển khác trong đó có Việt Nam, số

và mức độ tai nạn thường không được thống kê đầy đủ nhưng theo tìm hiểu của tác giả có khá nhiều bài báo từ các trang báo điện tử viết về các trường hợp cụ

thể về bỏng điện nặng do hồ quang điện tại Việt Nam

1.6.2 Tác hại của hồ quang điện đối với con người và trang bị bảo hộ cần thiết

Đối với đặc thù công việc trong nghành điện thì việc vận hành, thí nghiệm,

thử nghiệm, hiệu chuẩn, kiểm tra, chụp ảnh nhiệt, vệ sinh, bảo dưỡng, sửa chữa thay thế thiết bị trên hoặc gần đường dây, trạm biến áp, tủ bảng điện, cáp điện và thiết bị điện đang mang điện là công việc diễn ra thường xuyên Các công việc này tiềm ẩn nguy cơ tai nạn do hồ quang điện lớn Hồ quang điện có thể gây ra các tác hại không thể phục hồi đối với sức khỏe của con người như bỏng hồ quang, hít phải khí nóng chứa hóa chất độc hại, chấn thương bởi các vật liệu sắc

nhọn hay các giọt kim loại nóng chảy bắn ra, ánh sáng mạnh ảnh hưởng đến thị

lực, tiếng ồn cao từ vụ nổ hồ quang ảnh hưởng đến thị giác, sóng áp lực cao ép vào người ảnh hưởng đến các cơ quan trong cơ thể người, và có thể đẩy người ra

xa, ngã hoặc bắn vào kết cấu hay vật thể khác v…v

Hồ quang điện tác động trực tiếp đối với con người Con người chỉ có thể

tồn tại lâu dài ở ngưỡng nhiệt độ máu trong cơ thể quanh 36.5o

C Nếu nhiệt độ cao hơn ngưỡng này một chút, cơ thể con người sẽ ra mồ hôi để bù lại Nếu nhiệt

độ trên da người đạt 44oC, cơ chế cân bằng nhiệt độ trong cơ thể người sẽ bị phá

vỡ trong vòng 6 giờ, và tế bào có thể bị phá hủy nếu nhiệt độ đó duy trì quá 6

giờ Từ 44oC đến 51oC, cứ mỗi 1oC tăng lên thì tốc độ phá hủy tế bào lại tăng gấp đôi Trên 51oC, tốc độ phá hủy tế bào tăng rất nhanh Ở nhiệt độ 70oC, chỉ cần 1 giây là đủ phá hủy tế bào hoàn toàn Hình 1.5 cho biết quan hệ giữa thời gian (mà nếu vượt quá khoảng thời gian đó thì tế bào sẽ chết) và nhiệt độ [3]

Hình 1.5 Quan hệ thời gian-nhiệt độ, ngưỡng chịu đựng của tế bào người [3]

Kho ảng cách từ tâm nguồn sinh hồ quang

cm 50.8 cm

20”

61 cm 24”

76.2 cm 30”

91.4 cm 36”

152 cm 60”

305 cm 120”

Trong thời gian 0.1s, nhiệt độ da lớn hơn 96o

C biểu diễn ngưỡng phá hủy

mô hoàn toàn và không thể phục hồi, nhiệt độ da dưới 80oC thì mô có thể phục

hồi Nhiệt độ da thông thường thấp hơn nhiệt độ máu khoảng 2.5o

C nên ta có thể

lấy nhiệt độ da thông thường bằng 34o

C Vậy ngưỡng tăng nhiệt độ giới hạn mà

tại đó mô da có thể phục hồi là 80oC – 34oC = 46oC Ngưỡng tăng nhiệt độ giới

hạn tại đó mô da bị phá hủy và không thể phục hồi là 96o

C – 34oC = 62oC [3]

Hình 1.6 Độ tăng nhiệt trên da trong 0.1s tại các khoảng cách khác nhau [3]

Nhìn vào Hình 1.6 và với độ tăng nhiệt độ da ở ngưỡng phục hồi được là

46oC trong khoảng thời gian 0.1s và ở khoảng cách 94.4 cm, thì đường kính hồ quang là 5.3cm Đường kính hồ quang này tương ứng với công suất hồ quang

bằng 17MW (Hình 1.4), và ứng với công suất tại điểm sự cố có tổng trở bằng 0 là

34 MVA Tương tự như vậy tại khoảng cách 94.4 cm, ngưỡng bỏng có thể gây tử vong đến từ hồ quang có đường kính là 6.35 cm, ứng với công suất hồ quang là 23MW

Lập bảng quan hệ giữa khoảng cách và công suất đối với độ tăng nhiệt độ ngưỡng bỏng phục hồi được 46oC và độ tăng nhiệt độ ngưỡng bỏng không phục

hồi được là 62oC, ta được bảng 1.4 sau đây [3]:

B ảng 1.4 Quan hệ giữa khoảng cách và công suất hồ quang [3]

Giả sử tổng trở máy biến áp là tiêu chuẩn, công suất MVA của MBA sẽ

bằng 10% công suất hồ quang MW với MBA công suất trên 0,75MVA và bằng 8% cho các MBA nhỏ hơn bỏ qua dòng góp từ động cơ vì thời gian ngắn Ta có công thức tính khoảng cách như sau [3]:

Dc = �2.65 × MVAbf× t = √53 × MVA × t CT 1.2

Df= �1.96 × MVAbf× t = √39 × MVA × t CT 1.3

Trong đó:

Dc: khoảng cách tại đó xảy ra ngưỡng bỏng có thể phục hồi

Df: Khoảng cách tại đó xảy ra ngưỡng bỏng không thể phục hồi

MVAbf: Công suất tại điểm ngắn mạch có tổng trở bằng 0

MVA: Công suất MBA tính bằng MVA với MBA có công suất lớn hơn

hoặc bằng 0.75MVA Với các MBA công suất nhỏ hơn 0.75MVA, nhân thêm

với hệ số 1.25

t: thời gian tiếp xúc

Lưu ý nguy cơ bỏng có liên quan đến công suất nguồn, chứ không liên quan đến điện áp mạch cấp nguồn cho điểm xảy ra hồ quang Công suất kW của

hồ quang, chứ không phải điện áp nguồn, mới là yếu tố quyết định năng lượng

bỏng

Hình 1.6 và Bảng 1.4 dựa trên thời gian tiếp xúc là 0.1s (6 chu kỳ dòng điện 60Hz) là thời gian cắt điển hình của át tô mát kiểu cũ Với các thời gian tiếp xúc khác, nhiệt độ cần nhân với tỷ số giữa thời gian mới và 0.1s Có nhiều yếu tố khác có thể thay đổi tình trạng (làm giảm năng lượng hồ quang) ví dụ như hồ quang di chuyển sang một vị trí khác, cháy đứt dây dẫn đầu nguồn; tuy nhiên chúng ta không thể dựa vào các tình huống đó mà phải tính trường hợp xấu nhất

Hình 1.6 Và Bảng 1.4 cung cấp thêm thông tin về tác hại của hồ quang điện lên cơ thể người và so sánh ngưỡng chịu đựng của các bộ phận cơ thể người

với ngưỡng hồ quang điện có thể tạo ra, từ đó đánh giá mức độ nguy hiểm của hồ quang điện đến an toàn và sức khỏe con người Bảng 1.5 tóm tắt ảnh hưởng của

hồ quang điện lên cơ thể người

B ảng 1.5 Ảnh hưởng của hồ quang điện lên cơ thể người

H ồ quang điện Ngưỡng chịu đựng của người

20 000oC tại điểm sinh hồ quang;

sáng cường độ lớn Đồng giãn nở 67 000 lần khi hóa

hơi

Áp suất lớn Các phụ kiện điện sắc nhọn hoặc

giọt kim loại bay ra với tốc độ lớn

và nhiệt độ đến 1000oC

Chấn thương, Ngã và va đập vào kết cấu xung

quanh

Một vấn đề nữa cần quan tâm là quần áo bị bắt cháy dưới nguồn nhiệt của

hồ quang điện Dựa và vật liệu và độ dày, quần áo sẽ bắt lửa ở nhiệt độ từ 400oC đến 800o

C [3] Phải mất vài giây để tháo bỏ quần áo hay dập tắt quần áo cháy, trong khoảng thời gian đó nạn nhân đã phải tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ của

ngọn lửa cháy trên quần áo khoảng 800o

C vào thời điểm này Điều này dẫn đến

bị bỏng nặng và dễ dẫn đến tử vong

Ngoài ra hồ quang điện đẩy đi các giọt kim loại nóng chảy và bắn tóe vào vùng lân cận tương tự nhưng mức độ nghiêm trọng và mạnh hơn hàn hồ quang Các giọt kim loại nóng chảy này có thể đạt nhiệt độ 1000oC hoặc hơn Nhiệt độ này sẽ làm quần áo bắt cháy ngay lập tức, và gây bỏng cục bộ Đặc biệt nhạy cảm

với các giọt kim loại nóng chảy này là mắt người, và có thể làm hỏng mắt hay

chấn thương nặng nếu không có kính hay mặt nạ bảo vệ

Điều này đặt ra yêu cầu về trang thiết bị bảo hộ lao động chống hồ quang điện mà chúng ta sẽ đề cập ở phần sau

1.6.3 Ảnh hưởng đối với thiết bị và hệ thống

Hồ quang điện khi xẩy ra sẽ phá hủy thiết bị nặng nề do nhiệt độ lớn làm nóng chảy kim loại, phát hủy máy móc, thiết bị, gây sự cố kéo dài cho hệ thống điện Ngoài ra, nhiệt độ cao còn có nguy cơ gây cháy nổ làm thiệt hại tài sản, máy móc Áp suất lớn từ vụ nổ hồ quang điện cũng phá hủy cơ sở vật chất, máy móc

1.6.4 Ảnh hưởng đến vận hành và sản xuất

Ảnh hưởng của hồ quang điện đến hoạt động vận hành, sản xuất và kinh doanh bao gồm làm mất điện, ngừng sản xuất kéo dài do thiệt hại về tài sản hay cháy nổ, ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động và trực tiếp ảnh hưởng đến nguồn lực để phục vụ sản xuất, kinh doanh Ngoài ra, các thiệt hại khác về hình ảnh, uy tín của công ty hay tổ chức, ảnh hưởng đến quyết định đầu tư của cổ đông, hay các rắc rối về pháp lý từ quá trình điều tra của tập đoàn, công ty mẹ,

của các cơ quan chức năng, thiệt hại về tài chính để mua mới hoặc sửa chữa thiết

bị, chăm sóc, chữa trị, bồi thường hay phúc lợi cho người lao động bị ảnh hưởng,

hoặc các khoản tiền phạt do vi phạm các yêu cầu an toàn v v

1.7 L ợi ích của chương trình tính toán, phân tích hồ quang điện

Khi quyết định thực hiện đề tài này học viên cũng đã trao đổi với giảng viên hướng dẫn là TS Nguyễn Quốc Minh về mục đích và lợi ích của việc thực hiện

đề tài Qua tìm hiểu và nghiên cứu các nguồn tư liệu, qua thực tế công tác và

thực hiện dự án phân tích, tính toán hồ quang điện tại nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2, học viên rút ra một số lợi ích trực tiếp và gián tiếp của chương trình phân tích, tính toán hồ quang điện như sau:

1.7.1 Lợi ích trực tiếp

- Tuân thủ các quy định về an toàn Như đã đề cập trong phần giới thiệu,

hồ quang điện là một lĩnh vực mới chỉ được chính thức đưa vào tiêu

chẩn từ năm 1995 Hoa Kỳ là quốc gia tiên phong về nghiên cứu hồ quang điện Tất cả các doanh nghiệp hoạt động trên lãnh thổ Hoa Kỳ

hoặc các doanh nghiệp Hoa Kỳ hoạt động ở nước ngoài đều phải đáp ứng và tuân thủ quy định về phân tích hồ quang điện tại nơi làm việc

Tiếp theo đó các quốc gia và vùng lãnh thổ khác như Canada, Úc, các nước Châu Âu, châu Á…v v ngày càng quan tâm và có nhiều nghiên

cứu về hồ quang điện và phương pháp phân tích, tính toán hồ quang điện và đã hoặc đang đưa vào quy định, tiêu chuẩn của họ (ví dụ: 89/391/EEC, IEC 60298, CSA: Z462-12), Vì vậy, xu hướng toàn cầu hóa cho thấy quy định tuân thủ về phân tích hồ quang điện có thể sẽ sớm

trở thành quy định bắt buộc trên phạm vi quốc tế

- Nâng cao an toàn, sức khỏe nghề nghiệp: khi thực hiện phân tích hồ quang điện và áp dụng các biện pháp kiểm soát thì xác suất xảy ra hồ quang điện lẫn mức độ ảnh hưởng cũng sẽ giảm

- Bảo vệ tài sản và đảm bảo hoạt động sản xuất kinh doanh liên tục: tần

suất và mức độ thiệt hại do hồ quang điện gây ra giảm đồng nghĩa với

việc giảm thời gian sự cố, đảm bảo hoạt động sản xuất, kinh doanh; đảm

bảo hoặc giảm thiệt hại về tài sản, tài chính, bảo hiểm do tai nạn lao động, hư hỏng tài sản, cháy nổ; nâng cao uy tín của doanh nghiệp

- Đảm bảo độ tin cậy hệ thống điện: khi thực hiện phân tích hồ quang điện cũng là hoạt động nhìn nhận, đánh giá, khảo sát, lập hồ sơ lại toàn

bộ hệ thống điện từ đó phát hiện các khiếm khuyết, sai sót về thiết kế,

chế độ làm việc, bảo vệ v.v từ đó đưa ra phương án cải tiến và khắc

phục Các hồ sơ, bản vẽ, dữ liệu, thông tin được cập nhật mới nhất giảm

thời gian xử lý sự cố và thời gian sửa chữa Cài đặt và chỉnh định rơ le được tối ưu và phối hợp tốt giúp hệ thống vận hành tinh cậy khi có một

phần tử bị sự cố Thực hiện và phân tích lại tính toán ngắn mạch giúp tìm ra các thiết bị có định mức không phù hợp để tiến thành thay thế để các phần tử trong hệ thống hoạt động đúng và tin cậy

1.7.2 Lợi ích gián tiếp

- Phân tích hồ quang điện cần khảo sát gần như toàn bộ phần tử trong hệ

thống điện mà thông thường rất khó và hiếm khi được quan tâm thực

hiện đầy đủ trong quá trình vận hành thông thường Việc này giúp phát

hiện tình trạng thiết bị bất thường, lắp đặt lỗi, hư hỏng hoặc có nguy cơ

hư hỏng, nhiễm bẩn, ăn mòn, cấp bảo vệ chống nước, bụi, cấp phòng nổ chưa phù hợp v v, các thiết bị trước đây chưa từng khảo sát đến, chưa

từng được kiểm tra, bảo dưỡng, các thiết bị không còn dùng nữa hoặc không cần thiết nữa, thiếu không gian làm việc, không gian bảo trì, nguy

cơ va chạm với phương tiện, nối đất, chống sét thiếu hoặc không đầy đủ v v

- An toàn, sức khỏe: phân tích hồ quang điện giúp khảo sát và đánh giá tình trạng trang bị bảo hộ có phù hợp, đầy đủ, có được kiểm tra, vệ sinh,

bảo dưỡng, kiểm định định kỳ theo quy định v v

- Phát hiện các vấn đề về quản lý: phân tích hồ quang điện khi phân tích sâu từng phần tử trong hệ thống sẽ giúp nhận ra các vấn đề về quản lý,

từ đó đưa ra các biện pháp kiểm soát Các vấn đề về quản lý bao gồm: quy trình vận hành, quy trình bảo trì tiêu chuẩn, lưu hồ sơ, chứng nhận

kỹ năng, đào tạo, điều tra nguyên nhân sự cố

- Mở rộng phân tích dữ liệu: phân tích hồ quang điện đã bao gồm thu thập nhiều dữ liệu lớn và quan trọng Dữ liệu này còn được dùng để phân tích các bài toán khác trong hệ thống điện bao gồm: tính toán trào lưu công

suất, tính toán ngắn mạch, phân tích chế độ quá độ, khởi động động cơ,

biểu đồ phụ tải, các nút thắt trong hệ thống Dữ liệu của một đơn vị này

có thể được lấy để so sánh và làm cơ sở cho đơn vị khác có cùng quy

mô và đặc điểm Dữ liệu cũng giúp các nhà quản lý nhận ra vấn đề đang

nằm ở đâu, lập kế hoạch dừng máy, kế hoạch bảo trì, ưu tiên chi tiêu, đầu tư tài chính, tài sản, đưa ra đánh giá, kết luận về hoạt động của hệ

thống quản lý

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG HỒ QUANG

ĐIỆN 2.1 Các phương pháp, chương trình và yêu cầu phân tích hồ quang điện 2.1.1 Các phương pháp, tiêu chuẩn, và công tụ tính toán, phân tích

hồ quang điện

a) Phương pháp và tiêu chuẩn tính toán hồ quang điện

Trước năm 1980s, các phương trình tính toán hồ quang và dòng điện hồ quang chưa có Người ta chỉ quan tâm đến dòng sự cố với tổng trở ngắn mạch

bằng không

Trong bài báo năm 1981, Ralph H Lee có đưa ra các công thức tính toán cơ

bản để xác định khoảng cách tại đó xảy ra ngưỡng bỏng phục hồi được và không

phục hồi được dựa trên các nghiên cứu và đánh giá của A.M Stoll và Artz về ảnh hưởng của nhiệt lên tế bào cơ thể người Khoảng cách này phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc và công suất MBA Trong đó công suất MBA có liên quan đến công suất hồ quang và đường kính bán cầu hồ quang (xem thêm Mục 1.5)

Các công thức tính toán của Ralph H Lee đưa ra mới chỉ ở mức cơ bản, mang tính chất ước lượng, áp dụng ở ngoài không gian mở, cho kết quả quá cao theo độ tăng của điện áp, chưa thể bao gồm nhiều yếu tố khác có ảnh hưởng đến năng lượng hồ quang ví dụ như khoảng cách giữa các điện cực, cấu hình điện

cực, kích thước vỏ thiết bị, mức độ phản xạ nhiệt từ bề mặt gần nguồn hồ quang làm tăng mức độ nhiệt hướng ra ngoài khoảng mở của tủ hay thiết bị điện (như nghiên cứu bởi Doughty, Neal, and Floyd trong tài liệu “Predicting Incident Energy to Better Manage the Electric Arc Hazard on 600-V Power Distribution Systems,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol 36, no 1, pp 257–

269, January/February 2000, hay nghiên cứu của R Wilkins, M Allison and M Lang, “Improved Method for Arc Flash Hazard Analysis”, 2004 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference, May 2004 v v

Năm 2001 hiệp hội An sinh xã hội quốc tế (viết tắt là ISSA) xuất bản ấn

phẩm đầu tiên hướng dẫn chọn trang bị bảo hộ lao động bảo vệ nguy cơ bỏng do

hồ quang điện Do tính chất quan trọng của nó trong nghành điện, nghiên cứu và phát triển, phiên bản ứng dụng phương pháp tính nói trên được đưa vào sử dụng vào năm 2011

Cũng trong năm 2011, hiệp hội Bảo hiểm tai nạn xã hội Đức (gọi tắt là DGUV) xuất bản lần đầu tiêu chuẩn DGUV 203-078 (trước đây ký hiệu là BGI/GUV-I 5188E)- “Hướng dẫn lựa chọn trang bị bảo hộ khi phơi nhiễm với ảnh hưởng nhiệt do hồ quang điện sinh ra” trong đó đưa ra tính toán năng lượng

hồ quang điện bằng phương pháp đơn giản dựa trên giả thiết tình huống xấu nhất Phương pháp này thử nghiệm dựa trên tiêu chuẩn IEC 61482-1-2: 2014, cho phóng hồ quang từ một hộp nhỏ (nên đôi khi còn gọi là phương pháp thử nghiệm

hộp) về phía vật liệu hay trang bị bảo hộ cần thử nghiệm ở khoảng cách 300mm

Có hai cấp thử và đánh giá kết quả phép thử bằng tiêu chí Đạt/Không đạt Cấp

thử nghiệm thứ nhất, gọi là Class 1, tạo hồ quang với dòng ngắn mạch 4,000 A ở điện áp 400V phóng từ hộp thử vào vật liệu hay trang bị cần thử nghiệm duy trì trong thời gian 500ms Cấp thử nghiệm thứ hai, gọi là Class 2, tạo hồ quang với dòng ngắn mạch 7,000 A ở điện áp 400V phóng từ hộp thử vào vật liệu hay trang

bị cần thử nghiệm và duy trì trong thời gian 500ms Nếu vật liệu hay trang bị bảo

hộ vượt qua cấp thử nghiệm 1 thì được chứng nhận đạt Class 1, và nếu vượt quá

cấp thử nghiệm 2 thì được chứng nhận đạt Class 2

Gần đây một nhóm các nhà khoa học và nhà nhiên cứu Châu Âu đã xuất

bản cuốn sách: “Schau H., Halinka A., Winkler W.: “Elektrische

schutz-einrichtungen in Industrie-netzen und -anlangen” Hüthing & Pflaum Verlag

GmbH & Co Fachliteratur KG, München/Heidelberg 2008 trong đó đề xuất phương pháp tính toán chính xác hơn xét đến đặc tính điện khi tính toán năng lượng hồ quang điện

Các tiêu chuẩn khác: IEC 61482-1-2: 2014: Làm việc với thiết bị đang mang điện – Trang bị bảo hộ chống nguy cơ bỏng nhiệu do hồ quang điện

Ưu điểm của phương pháp tính này là dễ tính toán, đơn giản và dựa trên giả thiết là tình huống xấu nhất nên an toàn Tính toán hồ quang điện có xét đến hệ

số kp đặc trưng cho tính chất hệ thống điện Hệ số này ảnh hưởng đến năng lượng hồ quang và phụ thuộc vào điện áp, khoảng cách d giữa các điện cực hay dây dẫn và tỷ số điện trở tác dụng và điện kháng (R/X) của tổng trở mạch sự cố (nói cách khác nó xét đến tính chất phi đối xứng của dòng điện hồ quang) Ngoài

ra, phương pháp này còn xét đến hệ số truyền kt đặc trưng cho hình dáng và loại

tủ điện, và các đặc tính của hồ quang như điện áp và điện trở hồ quang

Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chỉ được thử nghiệm trên

hệ thống điện hạ áp và dòng ngắn mạch nhỏ, chưa xét đến ảnh hưởng của cấu hình điện cực đến trị số năng lượng hồ quang, hệ số phản xạ nhiệt không thay đổi theo thiết kế của thiết bị Phương pháp này chỉ khẳng định được khi thử nghiệm trang bị bảo hộ ở điều kiện đó không xảy ra tổn thương liên quan đến cháy trang

bị bảo hộ Phương pháp này chủ yếu được áp dụng ở Châu Âu và chưa trở thành phương pháp được công nhận trên toàn thế giới

Phương pháp tính toán hồ quang điện theo IEEE 1584 Tiêu chuẩn IEEE

1584 được xuất bản lần đầu năm 2002 bởi nhóm chuyên đề P1584 sau khi tiến hành các thử nghiệm và phát triển mô hình từ thực nghiệm Sau đó thông qua các nghiên cứu, người ta phát hiện ra các biến khác có ảnh hưởng đến kết quả tính năng lượng hồ quang, sau một số lần cập nhật và sửa đổi, bổ sung trong năm

2004, 2011, 2013, đến năm 2018 tiêu chuẩn IEEE 1584 được cập nhật dựa trên các thử nghiệm bổ sung được trong dự án nghiên cứu tổng hợp về hồ quang điện

do IEEE/NFPA tổ chức

Phương pháp tính hồ quang điện và khoảng cách an toàn hồ quang điện trong IEEE 1584 kết hợp các mô hình thực nghiệm dựa trên phân tích thống kê, các đường đặc tính đặc trưng cho toàn bộ dữ liệu thử nghiệm và kiến thức về các

án nghiên cứu tổng hợp về hồ quang điện do IEEE/NFPA kết hợp tổ chức Kết

quả dựa trên thực nghiệm tại nhiều phòng thí nghiệm khác nhau, sử dụng công cụ phân tích, xác xuất thống kê, dùng phương pháp nội suy ngoại suy, hồi quy, có

sự trợ giúp của máy tính để tính ra kết quả và các đường đặc tính từ một số mẫu

thử nghiệm chuẩn và khi các dữ liệu đầu vào nằm trong phạm vi dữ liệu chuẩn

của mô hình tính toán Mô hình được xây dựng với sự tham gia của các chuyên gia đầu nghành có kiến thức hiểu biết sâu rộng về các hiện tượng vật lý về hồ quang điện Do đó, phương pháp IEEE 1584 cho kết quả chính xác hơn các phương pháp khác và được công nhận cũng như áp dụng trên phạm vi quốc tế b) Công cụ tính toán và phân tích hồ quang điện

Sử dụng bảng trong tiêu chuẩn NFPA 70E dựa theo công trình nghiên cứu

của Ralph Lee Ưu điểm là đơn giản, nhanh, không cần thông số chi tiết của các

phần tử trong hệ thống Nhược điểm là chỉ cho kết quả mang tính chất ước lượng

và thường có xu hướng cho kết quả cao hơn thực tế dẫn đến chọn trang bị bảo hộ

có định mức lớn hơn cần thiết, đôi khi cồng kềnh, bất tiện, giảm tầm nhì và độ linh hoạt khi thực hiện công việc, giảm hiệu suất làm việc Bảng tra cứu trong tiêu chuẩn NFPA 70E cho trước loại thiết bị, dòng ngắn mạch tối đa, thời gian

cắt tối đa và khoảng cách làm việc tối thiểu cụ thể mà trên thực tế thông số thực

có thể vượt quá phạm vi cho trong bảng tra cứu Ngoài ra bảng trong tiêu chuẩn NFPA 70 yêu cầu biết dòng ngắn mạch và thời gian cắt của thiết bị cần khảo sát

mà thông tin này không phải lúc nào cũng sẵn có hoặc có nhưng không dễ xác định Phần chú ý ở đáy bảng cũng là các thông tin quan trọng nhưng người tra

cứu có thể dễ bỏ qua do chỉ tập trung vào nội dung trong bảng tra cứu, dễ dẫn đến xác định nhầm hay bỏ sót thông tin

Tính toán bằng tay sử dụng các công thức trong các tiêu chuẩn NFPA-70E, phương pháp Ralph Lee, IEEE-1584 Ưu điểm không mất chi phí thuê đơn vị độc

lập phân tích, tính toán hay phí mua, thuê phần mềm Nhược điểm là chỉ có thể tính cho hệ thống điện đơn giản, tốn thời gian, công sức, dễ dẫn đến sai sót đặc

biệt khi khối lượng tính toán lớn hoặc tính cho hệ thống phức tạp

Sử dụng ứng dụng ứng dụng Excel của hãng Microsoft có tích hợp sẵn công

thức tính Ưu điểm là không mất phí mua, thuê phần mềm tính toán hồ quang điện chuyên dụng, nhỏ gọn Nhược điểm vẫn phải nhập các thông số như thông

số lưới, thông số thiết bị, dòng ngắn mạch, thời gian cắt Các thông số này xác định, tính toán bằng thủ công cần người có chuyên môn và cũng dễ sai sót đặc

biệt với hệ phức tạp, nhiều thông số mang tính ước lượng, không chính xác hoàn toàn, vẫn tốn thời gian và chỉ dễ làm với một phần của hệ thống hoặc một hệ

thống đơn giản, hệ thống hình tia, độ chính xác không cao

Tính toán bằng phần mềm: hiện đang được sử dụng phổ biến và có rất nhiều

phần mềm khác nhau của các hãng khác nhau ví dụ như ETAP, EasyPower, SKM, v v Ưu điểm là tính nhanh khi đã nhập đúng và đủ thông số việc chạy tính toán rất nhanh, có thể tính các hệ thống phức tạp, nhanh chóng khảo sát và

so sánh các chế độ kết dây hay chế độ vận hành khác nhau, hiển thị bằng đồ họa,

cho phép xuất, nhập, chuyển hay lưu và so sánh kết quả dễ dàng, có thể tự động xác định thời gian cắt của thiết bị bảo vệ, cho phép thay đổi chỉnh định rơ le và

phối hợp bảo vệ để giảm thời gian cắt và do đó giảm nhiệt lượng hồ quang, kết

hợp với các mô-đun tính toán khác như trào lưu công suất, ngắn mạch, phối hợp

bảo vệ, chỉnh định rơ le.v v Việc kết hợp các mô-đun này trong một chương trình phần mềm có ý nghĩa quan trọng ví dụ như trước khi chạy tính toán hồ quang điện thì cần chạy trào lưu công suất để biết phân bố các thiết bị như động

cơ lớn có khả năng góp dòng ngắn mạch vào điểm sự cố hay cần chạy tính ngắn

mạch để biết thiết bị bảo vệ nào không đủ khả năng cắt ngắn mạch bởi thiết bị không có khả năng cắt ngắn mạch thì có thể thiết bị đó sẽ không cắt được hoặc kéo dài thời gian cắt hồ quang Hay kết hợp mô-đun phối hợp chỉnh định rơ le để đảm bảo các sai sót về phối hợp rơ le được giải quyết, đảm bảo độ tin cậy của hệ

thống khi xảy ra hồ quang điện hay ngược lại dùng mô-đun phối hợp bảo vệ rơ le

để cải thiện các vấn đề về hồ quang điện như hỗ trợ việc ra quyết định giảm thời gian cắt của thiết bị bảo vệ để giảm nhiệt lượng hồ quang

2.1.2 Chương trình phân tích hồ quang điện

Để tính toán, phân tích hồ quang điện cần một chương trình cụ thể Trong

đó yếu tố con người là tiên quyết

Thứ nhất, người thực hiện cần có chuyên môn, kiến thức và hiểu biết về hồ quang điện, tác hại của hồ quang điện và cần thừa nhận sự tồn tại của hồ quang điện

Bước tiếp theo là phải biết và thực hiện đánh giá đúng mức độ nguy hiểm

của hồ quang điện hiện có tại đơn vị

Cuối cùng là phát triển chương trình an toàn hồ quang điện, thực hiện phân tích bằng cách sử dụng một hay nhiều phương pháp và/hoặc công cụ kể trên, thực thi chương trình đó và đưa nó trở thành một phần của chương trình an toàn và

sức khỏe Phần này là phần quan trọng nhất bao gồm:

- Thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích, đánh giá và đưa ra kết

quả;

- Dán nhãn và lưu hồ sơ, báo cáo;

- Kế hoạch về trang bị bảo hộ: lựa chọn, mua sắm, trang bị, bảo quản,

kiểm tra, sử dụng, và tiêu hủy trang bị bảo hộ hồ quang điện;

- Phát triển quy trình để giảm thiểu các tác hại của hồ quang điện;

- Cung cấp hướng dẫn, đào tạo, huấn luyện người lao động;

- Cải tiến liên tục, cập nhật công nghệ mới, phương pháp mới, các ý tưởng, sáng kiến từ người lao động trong việc phòng tránh và giảm thiểu tác hại của hồ quang điện và tiến hành định kỳ đánh giá, phân tích lại hồ quang điện (thường sau mỗi 05 năm [7] vì dòng ngắn mạch từ lưới có

thể thay đổi hoặc khi có thay đổi lớn ảnh hưởng đến hồ quang điện trong

hệ thống);

2.1.3 Yêu cầu khi phân tích hồ quang điện

Yêu cầu phân tích, tính toán hồ quang điện gồm:

a) Tính chính xác

Kết quả phân tích, tính toán hồ quang điện phải có tính chính xác tương đối cao Tính mạng con người phụ thuộc vào kết quả tính toán Điều này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố ví dụ như con người, sự hiểu biết về chế độ vận hành của hệ

thống, độ sẵn có, cập nhật và chính xác của dữ liệu nhập vào, phương pháp, tiêu chuẩn và công cụ được lựa chọn để tính toán v v Bằng việc sử dụng các phần

mềm chuyên dụng đã được công nhận, nếu dữ liệu nhập vào đúng, cấu hình và

chế độ vận hành đúng thì kết quả cho ra sẽ tương đối chính xác

b) Đầy đủ và hợp lý

Kết quả phân tích hồ quang điện phải cho ra đầy đủ các thông tin như nhiệt lượng hồ quang tại khoảng cách làm việc, phạm vi bảo vệ hồ quang điện, các yêu

cầu tối thiểu về trang bị bảo hộ, báo cáo chi tiết có kèm sơ đồ một sợi có hiển thị

kết quả phân tích tại các điểm trên sơ đồ v v Kết quả phân tích cũng tập trung vào các thiết bị cần phân tích theo yêu cầu thực tế Cụ thể đó thường là các thiết

bị mà người lao động có khả năng thao tác, kiểm tra, vệ sinh, đo đạc, thí nghiệm,

hiệu chuẩn, sửa chữa, bảo dưỡng, thay thế phần tử, thiết bị khi thiết bị đang mang điện Các thiết bị được bao kín trong vỏ che, và xác định là không bao giờ làm

việc khi đang mang điện thì không cần phải phân tích

c) Tính huống xấu nhất

Kết quả phân tích phải cho tình huống xấu nhất có thể xảy ra trong vận hành

thực tế Tình huống xấu nhất phụ thuộc vào sơ đồ kết dây, chế độ vận hành, điện

áp hệ thống v v

d) Thời gian

Thời gian thực hiện và hoàn thành cần hợp lý và đáp ứng yêu cầu vận hành e) Tính kịp thời

Phân tích hồ quang điện phải cập nhật các thay đổi lớn liên quan đến hệ thống

mà có thể ảnh hưởng đến nhiệt lượng hồ quang

f) Báo cáo

Kết quả cuối cùng cần được tổng hợp thành báo cáo đầy đủ thông tin, dễ tra

cứu và dễ sử dụng bao gồm cả các khuyến nghị và sửa đổi cẩn thiết Chi tiết yêu

cầu của một dự án phân tích, tính toán hồ quang điện cụ thể có thể tham khảo thêm tiêu chuẩn [8]

2.2 Tính toán h ồ quang điện theo phương pháp trong tiêu chuẩn 1584:2018

IEEE-2.2.1 Mô hình tín h toán năng lượng hồ quang

Tính toán hồ quang điện theo tiêu chuẩn IEEE 1584 là một quá trình bao

gồm thu thập dữ liệu tính toán, các tình huống hay trạng thái vận hành của hệ

thống, và các thông số cần thiết khác Tiêu chuẩn áp dụng cho điện áp từ 208V

đến 15 000V Mục đích là để tính ra nhiệt lượng hồ quang tại các vị trí và khoảng cách làm việc mà người lao động có thể phơi nhiễm từ đó giúp đưa ra các quyết định về lựa chọn phương pháp làm việc, trang thiết bị bảo hộ, thiết bị chuyên

dụng, quy trình kiểm soát, biện pháp làm việc an toàn và biện pháp kỹ thuật để

giảm nhiệt lượng hồ quang…v…v để cuối cùng có một môi trường làm việc an toàn đảm bảo hoạt động sản xuất, kinh doanh

Phương pháp và công thức tính toán năng lượng hồ quang được trình bày sau đây dựa theo hướng dẫn trong tài liệu [2]:

a) Phạm vi, giới hạn áp dụng của mô hình tính toán

- Điện áp dây: 208V-15 000 V, 3 pha Với hệ thống điện 3 pha vận hành

ở điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 240V và dòng ngắn mạch nhỏ hơn hoặc

bằng 2000A thì ít có khả năng duy trì hồ quang điện [2]

- Thời gian cắt: không giới hạn

- Tủ điện dùng trong thử nghiệm

Điện áp hở mạch (V) Kích thước tủ (Cao x Rộng x Sâu)

hoặc điện cực

- Cấu hình điện cực:

+ VCB: Điện cực bố trí thẳng đứng bên trong tủ kim loại: ví dụ tủ không

có át tổng, dây dẫn nối trực tiếp vào thanh cái Hồ quang đi xuống đáy tủ

và sau đó thoát ra mặt trước tủ

+ VCBB: Điện cực đứng nối vào một khối hay vách chắn cách điện bên

trước tủ Cấu hình điện cực VCBB cho nhiệt lượng hồ quang cao hơn so

với VCB do có tấm chắn làm hồ quang thoát phần lớn ra ngoài mặt trước + HCB: điện cực bố trí nằm ngang bên trong tủ kim loại hướng trực tiếp vào người: ví dụ thấy ở các đoạn thanh cái trong tủ hợp bộ

+ VOA: Điện cực bố trí thẳng đứng, ngoài trời: áp dụng chung cho các thiết bị ngoài trạm, ngoài trời

+ HOA: Điện cực bố trí nằm ngang, ngoài trời: trường hợp người làm việc

ở vị trí thẳng hàng với điện cực Cấu hình này có nhiệt lượng hồ quang

lớn hơn cấu hình VOA

- Phạm vi của đề tài không áp dụng cho hệ thống điện 1 pha và 1 chiều

- Giới hạn của mô hình tính toán theo IEEE-1584: 2018

+ Các công thức được xây dựng để tính toán dựa vào nhiều thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và vận dụng xác xuất thống kê

+ Phạm vi các thông số tính toán như điện áp, dòng điện, tần số, khoảng cách, bố trí điện cực, tủ điện và kích thước tủ v v như đề cập ở trên Trong tính toán thực tế phải đảm bảo các thông số hay dữ liệu để tính toán

nằm trong phạm vi của mô hình tính toán

+ Bản chất của hồ quang điện là một hiện tượng khó mô hình hóa một cách chính xác, vì vậy mô hình tính toán trong tiêu chuẩn được xây dựng trên giá trị trung bình, tại một số mẫu thử nghiệm chuẩn, sử dụng công cụ phân tích, xác xuất thống kê, dùng phương pháp nội suy ngoại suy, hồi quy, có sự trợ giúp của máy tính để tính ra kết quả và các đường đặc tính

từ các mẫu thử nghiệm chuẩn đó và khi các dữ liệu đầu vào nằm trong

phạm vi dữ liệu chuẩn của mô hình tính toán

b) Áp dụng mô hình tính toán

Mô hình thực nghiệm và tính toán theo IEEE 1584-2018 sử dụng quy trình hai bước trong đó các giá trị dòng hồ quang trung bình, nhiệt lượng hồ quang, và

phạm vi bảo vệ hồ quang nằm giữa hai bước sẽ được xác định bằng phương pháp

nội suy Tóm tắt quá trình thực hiện:

i) Xác định dòng điện hồ quang:

+ Xác định cấu hình điện cực ở phần 2.2.1.a

+ Nếu điện áp hệ thống nằm trong khoảng 600 V < Voc ≤ 15 000 V, sử dụng công thức (CT 2.1) để tìm các giá trị trung gian nằm giữa 600V, 2700V và 14300V Dùng công thức (CT 2.16), (CT 2.17), (CT 2.18) và hướng dẫn trong

mục 2.2.1.h để tính dòng hồ quang cuối cùng

+ Nếu điện áp hệ thống nằm trong khoảng 208 V ≤ Voc ≤ 600 V, sử dụng công

thức (CT 2.1) để tìm các giá trị trung gian (dùng điện áp 600V) Dùng công

thức (CT 25) và hướng dẫn trong mục 2.2.1.i để tính dòng hồ quang cuối cùng

ii) Xác định thời gian duy trì hồ quang hoặc thời gian cắt sự cố với

dòng sự cố là dòng hồ quang xác định ở bước trên (xem hướng dẫn trong mục 2.2.2.i)

iii) Xác định giá trị nhiệt lượng hồ quang:

+ Xác định hệ số bù kích thước tủ (cho trong mục 2.2.1.g)

+ Nếu điện áp hệ thống nằm trong khoảng 600 V < Voc ≤ 15 000 V, sử dụng công thức (CT 2.3), (CT 2.4), và (CT 2.5) để tìm các giá trị trung gian Dùng công thức (CT 19), (CT 20), (CT 21) và hướng dẫn trong mục 2.2.1.h để tính dòng hồ quang cuối cùng

+ Nếu điện áp hệ thống nằm trong khoảng 208 V ≤ V oc ≤ 600 V, sử dụng công

thức (CT 2.6) để tìm các giá trị trung gian Xem hướng dẫn trong mục 2.2.1.i + Xem xét thêm các yêu cầu khác trong mục 2.2.2.j

iv) Xác định phạm vi bảo vệ hồ quang:

+ Xác định hệ số bù kích thước tủ (cho trong mục 2.2.1.g)

+ Nếu điện áp hệ thống nằm trong khoảng 600 V < Voc ≤ 15 000 V, sử dụng công thức (CT 2.7), ( CT 2.8), và ( CT 2.9) để tìm các giá trị trung gian Dùng công thức ( CT 2.22), ( CT 2.23), ( CT 2.24) và hướng dẫn trong mục 2.2.1.h để tính dòng hồ quang cuối cùng

+ Nếu điện áp hệ thống nằm trong khoảng 208 V ≤ Voc ≤ 600 V, sử dụng công

thức ( CT 2.10) để tìm các giá trị trung gian (mục 2.2.1.i)

v) Xem hướng dẫn mục 2.2.1.d để xét đến sai lệch dòng điện hồ

quang Lặp lại bước ii), iii) và iv) với dòng hồ quang nhỏ hơn Khi tính với dòng hồ quang nhỏ hơn kết quả nhiệt lượng và phạm vi

bảo vệ hồ quang có thể khác (có thể cao hơn và cũng có thể thấp hơn vì còn phụ thuộc vào đặc tính của thiết bị bảo vệ, thời gian

cắt) Kết quả cuối cùng sẽ lấy kết quả cao hơn của hai giá trị tính được

c) Tính dòng điện hồ quang trung bình trung gian

𝐼𝑏𝑓 : dòng ngắn mạch 3 pha tổng trở bằng 0 (trị hiệu dụng đối xứng), (kA)

d) Hệ số bù sai lệch dòng điện hồ quang

Tính thời gian duy trì hồ quang bằng cách dùng dòng điện hồ quang thấp hơn (do sai số) để xác định dòng điện hồ quang có ảnh hưởng đến thời gian cắt do đó ảnh hưởng đến nhiệt lượng Bù sai lệch dòng điện hồ quang áp dụng cho tất cả các mức điện áp của mô hình tính toán, tuy nhiên nó có ảnh hưởng lớn ở dải điện

9.5606E-07

−5.1543E-05

𝑘3𝐼

E ≤600 = 12.55250 T × 10�k1+k2lg(G)+

k3I arc600 k4Ibf7 + k5Ibf6+ k6Ibf5+ k7Ibf4+ k8Ibf3+ k9Ibf2+ k10I bf +k11.lg(I bf )+k12.lg (D)+k13.lg (I arc )+lg ( 1CF)� CT 2.6

T : Thời gian duy trì hồ quang (ms)

G : Khoảng cách giữa các điện cực (mm)

2700V, và 14300V (kA)

𝐼𝑏𝑓 : Dòng ngắn mạch với tổng trở bằng 0 (hiệu dụng, đối xứng) (kA)

𝐼𝑎𝑟𝑐 : Dòng điện hồ quang ở điện áp ≤ 600V (kA) [công thức (CT 2.5)]

D : Khoảng cách giữa điện cực và thiết bị đo nhiệt lượng (chính là khoảng cách làm việc), (mm)

CF : Hệ số bù kích thước tủ Với cấu hình điện cực ngoài trời VOA, HOA thì CF = 1

CF : Hệ số bù kích thước tủ Với cấu hình điện cực ngoài trời VOA, HOA k1 đến k13 : Hệ số cho trong Bảng (2.4), (2.5), (2.6) Công thức (CT 2.3) sử

dụng Bảng (2.4), công thức (CT 2.4) sử dụng Bảng (2.5), công thức (CT 2.5) sử

dụng Bảng (2.6), công thức (CT 2.6) sử dụng Bảng (2.4)

Phân tích công thức tác giả nhận thấy nhiệt lượng hồ quang tại một khoảng cách làm việc cụ thể phụ thuộc dòng chủ yếu vào điện hồ quang (𝐼𝑎𝑟𝑐) và

thời gian duy trì hồ quang (T) Điều này đã được chứng minh và trình bầy qua ví

dụ ở mục 3.4.6 Các thông số khác có ảnh hưởng đến kết quả nhiệt lượng hồ quang nhưng không ảnh hưởng nhiều Điều này cũng đã được tác giả kiểm chứng thông qua nghiên cứu lý thuyết hồ quang điện, tính toán và mô phỏng thử cũng như đề cập trong mục 2.2.2.h

4.556 E-10

−0.000

7

0.988

1 0.027 −1.723 1.055

4.556 E-10

4.556 E-10

−0.000

7

0.988

1 0.027 −1.723 1.055

4.556 E-10

f) Phạm vi bảo vệ hồ quang trung gian (AFBVoc)

Phạm vi bảo vệ hồ quang trung gian được tính bằng các công thức sau:

𝐴𝐹𝐵≤600 : Khoảng cách bảo vệ hồ quang với điện áp nhỏ hơn 600V (mm)

T : Thời gian duy trì hồ quang (ms)

G : Khoảng cách giữa các điện cực (mm)

2700V, và 14300V (kA)

𝐼𝑏𝑓 : Dòng ngắn mạch với tổng trở bằng 0 (hiệu dụng, đối xứng) (kA)

𝐼𝑎𝑟𝑐 : Dòng điện hồ quang ở điện áp ≤ 600V (kA) [tính bằng công

g) Hệ số bù kích cỡ tủ điện

điện xảy ra ở không gian mở Nhìn chung, tủ càng rộng thì nhiệt lượng càng thấp

Với tủ được xác định thuộc loại tủ nông như chi tiết dưới đây thì ngược lại Kích

cỡ tủ điện chỉ ảnh hưởng đến nhiệt lượng mà không ảnh hưởng đến dòng điện hồ quang (giống như cấu hình điện cực)

Các công thức trên được thực nghiệm và mô hình hóa bằng tủ có kích thước 508 mm × 508 mm × 508 mm Trên thực tế tủ có kích cỡ khác mô hình nên cần quy đổi tương đương thông qua hệ số bù kích cỡ tủ điện

i) Loại tủ: phân thành hai loại tủ:

- Tủ nông: Điện áp hệ thống nhỏ hơn 600Vac, tủ có chiều cao và chiều rộng ≤ 508mm, và chiều sâu ≤ 203.2mm

- Tủ thường: là tủ không có một trong ba tính chất trên

ii) Xác định chiều cao và chiều rộng tương đương

Width1 : chiều rộng tủ tương đương

Height1 : chiều cao tủ tương đương

Width : chiều rộng tủ thực tế

Height : chiều cao tủ thực tế

A : hằng số: bằng 4 với cấu hình điện cực VCB và 10 với VCBB và HCB

B : hằng số: bằng 20 với VCB, 24 với VCBB, và 22 với HCB