Mục đích của việc chọn lựa sơ đồ bảo vệ là chọn ra một loại sơ đồ nối đất phù hợp, thoả mãn tính an toàn và đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Các tiêu chuẩn chọn lựa sơ đồ bảo vệ gồm :
Chống điện giật
Chống hỏa hoạn do điện
Cung cấp điện liên tục
Bảo vệ chống quá áp
Bảo vệ chống nhiễu điện từ
Có ba loại sơ đồ nối đất cơ bản, mỗi loại đều có ưu khuyết điểm riêng. Tuỳ theo yêu cầu về an toàn, đặc điểm phân xưởng cần bảo vệ và khả năng kinh tế mà lựa chọn loại sơ đồ bảo vệ cho phù hợp.
1. Các loại sơ đồ:
a. Sơ đồ TT : là sơ đồ 3 pha 5dây (trung tính nguồn nối đất , vỏ thiết bị nối đất.
dây PE và dây trung tính đi riêng biệt )
b. Sơ đồ IT: là sơ đồ mạch ba pha 3 dây, trung tính nguồn cách ly với đất vỏ thiết bị được nối đất trực tiếp.
c. Sơ đồ TN : được chia làm 3 loại nhỏ
+ TN-C : là mạng 3 pha 4 dây trung tính nguồn nối đất và vỏ thiết bị nối trực tiếp vào trung tính. Sơ đồ TN-C chỉ dùng cho lưới có tiết diện dây pha phai lớn hơn hoặc bằng 10 mm2 (Cu)hoặc 16mm2(Al)
+ TN-S : là mạng 3 pha 5 dây trung tính nguồn nối đất và vỏ thiết bị nối vào trung tính nguồn thông qua dây PE. Dây PE nối vào trung tính nguồn tại điểm đầu nguồn. Sơ đồ TN-S chỉ dùng cho lưới có tiết diện dây pha nhỏ hơn 10 mm2 (Cu) hoặc 16mm2 (Al)
+ TN-C-S : là sơ đồ kết hợp giửa TN-C và TN-S với đoạn đầu luôn là TN-C và đoạn sau luôn là TN-S.
Ưu điểm :
Có thể cắt dòng chạm vỏ bằng CB nên tiết kiệm chi phí.
An toàn cho người và thiết bị khi có sự cố chạm vỏ.
Nhược điểm : Dễ gây cháy nổ.
Tương hợp điện từ cao.
Như vậy đối với phân xưởng xi mạ kim loại không yêu cầu cao về cháy nổ và tương hợp điện từ mà chỉ yêu cầu cao về an toàn cho người và thiết bị nên ta có thể chọn sơ đồ TN-C-S để bảo vệ cho phân xưởng. Với đoạn dây nào có tiết diện lớn hơn hoặc bằng 10mm2 ta sử dụng sơ đồ TN-C và đoạn dây nào có tiết diện nhỏ hơn 10mm2 ta sử dụng sơ đồ TN-S.
Những điều kiện tiên quyết:
Sơ đồ TN yêu cầu trung tính phía hạ áp của MBA nguồn,vỏ của tủ phân phối,vỏ của tất cả các phần tử khác trong mạng và các vật dẫn tự nhiên phải được nối đất chung.
Đối với một trạm có phần đo lường được thực hiện phía hạ áp ,cần có biện pháp cách ly có thể nhìn thấy được ở phía đầu nguồn hạ thế.
Dây PEN không bao giờ được cắt trong bất kì trường hợp nào.Việc điều khiển và bảo vệ ở các máy cắt mạch trong mạng TN được sắp xếp như sau:
-Loại 3 cực khi mạch có dây PEN;
-Loại 4 cực (3 pha +dây trung tính)khi mạch có dây trung tính riêng biệt với dây PE.
2. Các đặt điểm chính của sơ đồ TN và cách thiết kế : Sơ đồ TN
Trung tính Các phần vỏ kim loại
Đất Trung tính
Điểm nối sao của nguồn sẽ được nối với tiếp đất . Các bộ phận cần nối đất và vật dẫn tự nhiên của lưới nối với dây trung tính . Một vài phương án của sơ đồ TN là :
2.1 Sơ đồ TN-C (3 pha 4 dây) : Đặc tính :
- Dây trung tính là dây bảo vệ và được gọi là PEN . Sơ đồ này không được phép sử dụng đối với các dây nhỏ hơn 10mm (dây Cu)và 16mm (dây Al) và thiết bị điện cầm tay .Sơ đồ TN-C đòi hỏi một sự đẳng thế hiệu quả trong lưới với nhiều điểm nối đất lặp lại.Các vỏ thiết bị và vật dẫn tự nhiên sẽ nối với dây trung tính .
- Cách lắp dây PE : Dây trung tính và PE được sử dụng chung gọi là dây PEN - Bố trí bảo vệ chống chạm điện gián tiếp sơ đồ có dòng sự cố và điện áp tiếp xúc lớn. Do đó:
Có thể ngắt điện trong trường hợp hư hỏng cách điện.
Ngắt điện được thực hiện bằng các CB hoặc cầu chì. RCD (thiết bị chống dòng rò )sẽ không được sử dụng vì sự cố hư hỏng cách điện được coi như ngắn mạch pha –trung tính .
Hệ quả : -Quá áp :
Trong điều kiện bình thường ,điểm trung tính ,vỏ thiết bị và đất có cùng điện thế .
Do hiệu ứng cục bộ của điện cực nối đất mà điện thế có thể thay đổi theo khoảng cách đối với điện cực . Do vậy , khi hư hỏng cách điện trung áp , dòng sẽ qua điện cực nối đất của trung tính cuộn hạ và điện áp tần số công nghiệp sẽ xuất hiện giửa vỏ thiết bị hạ áp và đất ở xa.
Độ tin cậy cung cấp điện, nhiễu điện từ và phòng cháy: dòng khi hư hỏng cách điện không được hạn chế bằng điện trở điện cực nối đất và rất lớn (vài KA ) . Khi có hư hỏng cách điện hạ áp thì độ sụt áp nguồn, nhiễu điện từ và khả năng hư hỏng (cháy ) thường cao.
Khi hư hỏng cách điện hạ áp, điểm trung tính của tam giác điện áp sẽ dịch chuyển và điện áp giữa pha và vỏ thiết bị sẽ vượt quá điện áp pha –trung tính. Trên thực tế giá trị 1,45Un thường được tiếp nhạn trong tính toán gần đúng (Un- điện áp pha )
Dây PEN cần thoả mãn điều kiện của 2 chức năng (N và PE) và chức năng PE phải được ưu tiên .
Sơ đồ TN-C không dùng cho lưới có tiết diện < 10 mm (Cu) và <
16mm(Al). Nó cũng không được dùng cho dây mềm kéo di động .
-Chống cháy : sơ đồ TN-C không dùng cho những nơi có khả năng cháy nổ cao . -Tương hợp điện từ :
+Khi có dây PEN , dòng do tải không đối xứng chạy qua sẽ tạo nên điện áp rơi và tạo nên các độ lệch điện thế . Do đó sẽ phát sinh dòng điện chạy trong mạch tạo bởi vỏ thiết bị , vật dẫn tự nhiên , cáp đồng trục và các thiết bị thông tin gây nhiễu . -Ăn mòn :
+Sự ăn mòn bắt đầu từ thành phần dòng DC mà dây PEN tải chúng ăn mòn điện cực nối đất .
+Bố trí bảo vệ chống chạm điện gián tiếp trong sơ đồ có dòng sự cố và điện áp tiếp xúc lớn :
Tự động cắt nguồn khi có hư hỏng cách điện
CB và cầu chí sẽ đảm bảo việc cắt này . Thiết kế vận hành :
Khi dùng CB hoặc cầu chì. tổng trở nguồn của mạch trước và sau thiết bị cần được xác định khi thiết kế.Tổng trở này cần đươc đo sau khi lắp đặt và theo định kỳ. Đặt tính thiết bị bảo vệ sẽ được xác định theo điện trở này.
Khi công trình được cung cấp từ 2 nguồn , các đặt tính cắt của CB cần được xác định theo nguồn sử dụng
Bất kỳ sự cải tạo nào của lưới cũng phải kiểm tra điều kiện bảo vệ 2.2 Sơ đồ TN-S (3 pha 5 dây):
Đặc tính:
- Dây bảo vệ và dây trung tính là riêng biệt .Đối với cáp có vỏ bọc chì, dây bảo vệ thường là vỏ chì . Hệ TN-S là bắt buộc đối với mạch có tiết diện < 10mm (Cu) và 16mm((Al) hoặc các thiết bị di động.
- Cách nối đất :
Điểm trung tính của biến áp được nối đất 1 lần tại đầu vào lưới . Các vỏ kim loại và vật dẫn tự nhiên sẽ được nối vào dây bảo vệ PE , dây này sẽ được nối trung tính biến áp.
- Bố trí dây PE :
Dây PE tách biệt với dây trung tính và được định kích cỡ theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra.
Bố trí bảo vệ chống chạm điện . Do dòng sự cố và điện áp tiếp xúc lớn nên:
-Tự động cắt nguồn khi có hư hỏng cách điện .
-CB và cầu chì sẽ đảm nhận vai trò này hoặc các RCD
Hệ quả :
- Quá điện áp : Trong điều kiện bình thường trung tính biến áp và vỏ thiết bị cùng điện thế.
- Khả năng liên tục cung cấp điện , nhiễu điện từ , phòng cháy thấp.
- Dây PE không được nối đất lặp lại tránh điện áp rơi và dòng trong dây bảo vệ trong điều kiện vận hành bình thường.
- Tương hợp điện từ : trong điều kiện bình thường dây PE không có sụt áp do đó nhược điểm của sơ đồ TNC được khắc phục.Sơ đồ TNC sẽ tương tự như sơ dồ TNS về vấn đề này .Khi có hư hỏng cách điện,điện áp xung lớn sẽ xuất hiện trên dây PE, tạo nên hiện tượng quá độ như sơ đồ TN-C.
Thiết kế vận hành :
- Tính toán tổng trở của nguồn và của mạch có kiểm tra bằng đo lường sau lắp đặt và định kỳ sau đó .
- Xác định điều kiện cắt khi công trình được cấp từ 2 nguồn.
- Kiểm tra điều kiện bảo vệ khi có sự cải tạo lưới.
- Sử dụng RCD với dòng tác động 500 mA sẽ tránh được hư hỏng về điện cũng như những hư hỏng này xảy ra do hư hỏng cách điện hoặc ngắn mạch qua tổng trở.
2.3 Sơ đồ TN-C-S :
SƠ ĐỒ TN-C-S
A BC
N PEN PE
RnủHT
TN-C TN-S
-Sơ đồ TN-C-S là sự kết hợp giữa hai sơ đồ TN-C và TN-S,vì vậy mà ta tận dụng được những ưu khuyết điểm của chúng để bảo vệ an toàn cho phân xưởng.
-Khi dùng chung một lưới , sơ đồ TN-S luôn sử dụng sau sơ đồ TN-C và điểm phân giữa dây PE khỏi dây PEN thường là điểm đầu của lưới.