CHƯƠNG IV

PHÂN TÍCH AN TOÀN TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN

Mạng điện đơn giản là mạng điện một pha xoay chiều hay một chiều. Trường hợp nguy hiểm nhất là người chạm phải hai cực của nguồn điện.

Ing =                                   

          Trong nhiều trường hợp không phải cố tình chạm phải hai cực mà do vô tình, một tay chạm phải một cực còn cực kia chạm vào củi tay, lưng, … mặc dù đã có bảo hộ lao động nhưng vẫn gặp nguy hiểm.

4.1 Phân tích an toàn trong mạng điện cách điện đối với đất

     (2)

    (1)

                                         r1             r2

                Rng

Khi người chạm phải pha (1)

         r2                                                                    r2

 U                                                                                                                      U

       r’1             Ung                                        r1            Ung         Rng                                         

Các bước tính toán:

                                           Rng.r1

1. Tính r’1:         r’1    =                                                               (1)

                                           Rng + r1                                          

                                              U

2. Tính I0:            I0   =                                                                       (2)

                                          r’1 +  r2                       

3. Tính Ung :        Ung =  I0.r’1                                                         (3)

                                            Ung

4. Tính Ing :          Ing  =                                                                     (4)

                                             Rng 

                                                  U.r’1

                            Ing   =                                                          (4’)

                                                Rng.(r’1 + r2)

                                                  U.r’1

                            Ing    =                                                          (5)

                                              Rng(r1 + r2) + r1r2          

                                                                   U

Từ (5) , nếu r1 = r2 = rcđ   =>  Ing   =                                            (6)

                                                              2Rng + rcđ              

         Dựa vào (6), ta thấy để giảm Ing đến trị số an toàn ta cần:

- Tăng cường rcđ của mạng điện lên.        

                          220 V    :   rcđ ≥ 20 Ω

                          440 V    :   rcđ ≥ 42 Ω

                   => cần đầu tư vốn ban đầu lớn.

- Mắc nối tiếp Rng là Rnền, đi ủng, găng, thảm cao su,…

                           U

=> Ing  =                                                      (7)

                   2(Rng + rn) + rcđ

       Trong trường hợp chung (r1 ≠ r2), từ (5) ta có :

                         U.r1

Ing  =                                                           (8)

              (Rng + rn)(r1+r2) + r1r2

4.2 Phân tích an toàn trong mạng điện một cực ( hay 1 pha) nối đất

          a) Mạng điện một dây

                                                           (1)

                                   U                                          r1

                          Rng              rn                            

                      r0

          VD : Tàu điện ngầm, …                                              

            Rng

                                                                                   U

             rn                           r1

                                          r0            

                             U.r1

      Ing   =                                                 (9)

                     (Rng + rn)( r1 + r0) + r1.r0

      R0  ≈  0     =>  Ing  =  U/(Rng  + rn)                 (10)

         Qua (10) ta thấy điện trở cách điện của mạng điện không có tác dụng làm giảm Ing . Nếu đứng trên đường ray hoặc vùng đất ẩm (rn = 0)    =>  Ing lớn nhất  =>   rất nguy hiểm , Ing  =  U/Rng

          b) Mạng điện 2 dây

                                                                                                           (2)

                     U                                        Rtải

(1)                

             U/2

                 r0

Khi tải làm việc bình thường => toàn bộ điện áp sẽ đạt lên tải => an toàn.

Nhưng khi tải bị ngắn mạch thì điện áp bằng U/2 => chạm vào sẽ nguy hiểm đến tính mạng tuỳ thuộc vào vị trí người đứng => cần kiểm tra thiết bị có Rtải một cách liên tục.

4.3 Phân tích an toàn trong mạng điện cách điện đối với đất có điện dung lớn

          Mạng điện điện áp bé có điện dung lớn thường xuất hiện trong mạng dùng cáp điện.

a) Sự nguy hiểm của điện tích dư

          Khi mạng điện cắt khỏi nguồn thì điện áp vẫn còn dư, nếu đúng thời điểm quá trình quá độ thì điện áp có thể tăng gấp 2 lần.

          Khi chạm 2 cực:                          U0

                                            ing  =                   e-τ/Rng.C12

                                                                                                           Rng   

         I

  U0

   Rng                                                                                2C12

                                                                     C12      

                   τ1   τ     τ2                                         τ                                                          

          Nếu C = C12 

                  =>    ing   =   (U/Rng). e-τ/2Rng.C12

                  =>  điện dung càng lớn càng nguy hiểm.

          Nếu cùng trị số dòng điện thì τ2  >  τ1.

=> Điện dung lớn hơn nguy hiểm lớn hơn.

Để tránh được điện tích tàn dư đôi khi người ta dùng biện pháp ngắn mạch 2 cực sau khi ngắt nguồn điện.

                                                                              +(2) 

                             C12

                                                                               -(1)

     Rng                              C11                                        C22

Chuyển đổi sơ đồ:

                                                                        +(2)

                                C22            2C12              U/2

U

         Rng                                C11                 2C12     U/2

                                                                                 -(1)

                  C11 + C22

                                                        Rng

               U               -τ

Ing  =                 . e  Rng (C11 + 2C22)                              (11)

              2Rng

            Khi người chạm vào 1 pha → có dòng điện dung phóng điện qua người, dòng điện này phụ thuộc vào:

            + Điện áp U.

            + Rng

            + Điện dung của mạng điện.

            + Thời gian.

            Khi chạm phải tụ điện thì nhiệt lượng được sinh ra làm đốt nóng cơ thể con người => Rng giảm =>  Ing tăng  =>  gây nguy hiểm.

b) Điện dung trong mạng điện một chiều

                                                                          +(2)

                   U                      C12

                                                                                 -(1)

              Rng               C11             r1  r2        C22    

                                                                                 +(2)

+                                      C22                         R2 

-                     C12    

                                         C11          Rng        R1

                                -                                                    - (1)

          Trước khi người chạm phải dây (1) thì C11 và C22 mắc nối tiếp với nhau

( C11 = C22 )   =>  Q11 = Q22

U1/U2  =  C22/C11    =>  U1 = U2 = U/2

          Khi người chạm vào pha (1) thì điện tích của C11 sẽ phóng điện qua người => điện áp của tụ 1 giảm từ U/2 đến 0. Còn điện áp của tụ 2 tăng từ U/2 đến U

          (1)

U/2                    C11        C22               Rng

                 U                -τ

ing  =                 . e  Rng (C11 + 2C22)                                                                                    

              2Rng                                                                               (12)               

          Đối với điện áp thấp thì điện trở cách điện nối đất mỗi pha đều có. Khi người chạm pha (1)  => Rng // R1

               Rng.R1

R’1   = 

               Rng + R1

U’1 =  Irò.R’1

U’2 =  U – U’1                  =>  ΔU =  U – U’1 = U’2 – U2

                        U                 -τ

=>  ing  =                . e   Rng (C11 + 2C22)                              

                      Rng

                                  U.R1

    Ing  =  

                     Rng.R1 + Rng.R2 + R1R2

  ∑Ing

                                                      ∑Ing

      ing                                                       

     Rng                                                            T

c) Điện dung trong mạng điện xoay chiều

U          

         Rng                     C11       C22

Muốn tính ing => tính Z

          (2)

                            X2

                         rđt      đẳng trị

                         Xđt    

  (1)

          (2)

                         Z2 = X2

   Rng                            Z1 = X1

 (1)

Do nguồn là xoay chiều → dòng điện dung đi qua người lý thuyết phụ thuộc vào sức điện động của nguồn điện, phụ thuộc vào điện dung của các dây dẫn nối đất C11, C22

CHƯƠNG 5

PHÂN TÍCH AN TOÀN TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN BA PHA

Khái niệm

          Theo quy trình mạng điện, các thiết bị điện phân theo điện áp : thấp Ulv < 1000V

                                                                                                          cao Ulv > 1000V

  - Điện áp thấp : 380/220V, 220/127V, … đều có 3 dây lửa và 1 dây trung tính. Dây trung tính nối đất qua điện trở nối đất. Dây trung tính luôn có dòng điện và điện áp đi qua.

- Điện áp cao. Cấp điện áp :

          + Trung áp 6, 10, 12, 22, 35kV → thường là trung tính cách điện hoặc nối đất qua một điện trở tác dụng.

          + Cao áp 110, 220, 330kV. Mạng điện này thường có trung tính trực tiếp nối đất → khi có ngắn mạch ( 1 pha nối đất ) → dòng ngắn mạch lớn.

          + Siêu cao áp 500, 750, …kV. Theo dòng ngắn mạch : bé In < 500A

                                                                                              lớn In > 500A

          Khi dòng ngắn mạch lớn thì tại chỗ bị ngắn mạch sẽ có dòng điện đi qua đất → tạo 1 vùng rò điện → nguy hiểm (điện áp bước ).

          Ở tại điểm trung tính → có dòng đi vào đất có trị số lớn, nếu phân bố không tốt → gây điện áp bước → nguy hiểm tính mạng.

          => Cẩn thận với mạng điện ba pha có thể xảy ra thương vong trong các trường hợp : + Chạm phải 2 hoặc 3 cực

          + Chạm phải 1 cực và đất

          + Chạm phải vật bình thường không mang điện áp nhưng xuất hiện điện áp bất ngờ do cách điện bị hỏng.

          + Tác dụng của điện áp bước.

5.1 Phân tích an toàn trong mạng điện có trung tính cách điện

1. Trường hợp chung : g1 ≠  g2  ≠  g3  ≠  g1 ; C1  ≠ C2  ≠  C3   ≠  C1

                                                g1           g2          g3            C1          C2      C3

            Rng

Theo định lý Kirhoff I : trước khi người chạm phải pha 1 ta có

          g1.u1 +  g2.u2 + g3.u3 + C1.du1/dt + C2.du2/dt  +  C3.du3/dt = 0  (1)

          ( u1, u2, u3 : trị số tức thời của điện áp pha )

          u1 – u2 = uf1 – uf2 = u21

          u2 – u3 = uf2 –uf3 = u32

          u3 – u1 = uf3 – uf1 = u13

          ( u21, u32, u13 : trị số tức thời của điện áp dây )

=>     u2 = u1 – u12

           u3 = u1 – u13

thay vào (1)

=> (g1 + g2 + g3).u1 + (C1 + C2 + C3).du1/dt – g2.u21 – C2.du21/dt + g3.u13 + C3du13/dt = 0

đặt     g­1   +  g2   +  g3      =  g           

                C1  +  C2  +  C3     =  C              ­­­­­­­­­­­­­­                                           (3)

          U →  u.e­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­jωt  ;  du/dt → jωu.ejωt

          Ũ1(g + jωC)  =  Ũ21(g2 + jωC2) –Ũ13(g3 + jωC3)                  (4)

          Ũ21 = Ũ1 –Ũ2 =  Ũ1(1- a2)

          Ũ13 = Ũ3 – Ũ1 = Ũ1(a-1)                                                                               

với     Ũ là giá trị phức của điện áp.

          a = ej2π/3 = - 1/2 + j/2         

đặt     A = [3(g3 + g2) + ω(C3 – C2)]2 + [(g2 – g3) + 3ω(C2 + C3)]2

B = (g1 + g2 + g3)2 + ω2(C1 + C2 + C3)2

=>     U1 = U/2 .                                                                                  

=>     Ing = U1.gng                                                                               (5)

Công thức (5) là chìa khóa mở ra mọi trường hợp của mạng điện.

Mạng điện áp thấp thì thuần trở trung tính cách điện : C1 = C2 = C3 = 0

    r1 = r2 = r3 = rcđ

                                                                                               (1)

                                                                                               (2)

                                                                                               (3)

                                                r1            r2           r3           

            Rng

          Ing = 3U/(3Rng + r)                                                                   (6)

Qua (6) ta thấy để giảm d òng điện :

          + tăng cường cách điện cho mạng

          + mắc nối tiếp với nhiều Rnền (ủng, bệ thao tác, thảm cách điện)

Trong trường hợp ba pha cách điện khác nhau : R1 ≠ R2 ≠ R3

                               √3 .U.r1.√r22 + r1r2 + r32

           Ing  =                                                                                                 (7)

                          Rng.(r1r2 + r2r3 + r1r3) + r1r2r3

2. Mạng điện trung tính cách điện điện áp > 1000V

        r1 = r2 = r3 = ∞        =>      g  = 0

        C1 = C2 = C3 = C

                                                                                          C1          C2      C3

            Rng

                                 3U

           Ing =

                       √ 9Rng2 + 1/(ωC)2

          Với mạng điện điện áp càng cao, đường dây dài, trị số C càng cao → Ing càng lớn → càng nguy hiểm.

3. Mạng điện trung tính cách điện, điện áp < 1000V, với C lớn

                                                                                              1

                                                                                              2                

                                                                                               3                     rđt

               Rng                         g1           g2          g3            C1          C2      C3                                                            Cđt

r1 = r2 = r3 = r ; C1 = C2 = C3 = C ; Z = rđt + jXđt =

                        3 Ũ                                               3Ũ(r – jX)

Ĩng =                                                 =   

             3Rng + (-jX)/(r – jX)                          3Rng.r – j(3Rng + rX)

Ở điện áp tương đối cao thường trung tính cách điện. Khi chạm đất một pha thì dòng điện này là dòng điện dung có trị số tương đối lớn có thể làm hỏng cách điện các cuộn dây, thời gian tồn tại Ing lớn, hệ thống bảo vệ không tác động, chỉ báo chạm đất. Để hạn chế Ing thường mắc vào trung tính một cuộn cảm, cuộn cảm được nối đất ( trị số cuộn cảm phụ thuộc vào từng mạng ).

          Chú ý : - Đừng coi mạng điện hồ quang là không nguy hiểm và an toàn vì trong thực tế có thể tính toán I ≈ 0 nhưng trongn thực hành có điện áp bù thiếu hoặc thừa sẽ tác dụng lên người gây mất an toàn cho người. Về mặt kinh tế có lợi do dòng hồ quang nhỏ.

          Khi chạm đất một pha, người chạm vào pha khác thì Ung là điện áp dây nên Ing cũng tăng  lần. Đó chính là nhược điểm của mạng điện trung tính.

          Trong trường hợp ngắn mạch một pha của thiết bị và ngắn mạch trung tính dòng này bé nên khó phát hiện và thời gian tồn tại lớn.

5.2 Mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất

1. Ý nghĩa của việc nối đất trung tính

                                                                                                                UA

                                                                                                                 Ung

                                                                                              UB                        UC

                                                       Uhd

             r0                      U0

- Khi có trung tính trực tiếp nối đất thì về mặt cách điện dễ thực thi, đem hiệu quả kinh tế cao, kích thước thiết bị giảm.

- Khi đường dây có sự cố ngắn mạch : Ing có trị số lớn, hệ thống bảo vệ tác động,sự cố tồn tại trong thời gian ngắn.Khi chưa có chạm đất :

ÜA = ЇAZA = ÜphA; ÜB = ЇBZB = ÜphaB; ÜC = ЇCZC = ÜphaC.

          - Khi người chạm pha B ( pha A ngắn mạch ) : Üph < Üng < Üdây.

Nếu hệ thống nối đất trung tính tốt : r0 = 0 ; U0 = 0 → Ung ≈ Upha → bớt nguy hiểm hơn trường hợp trung tính cách điện. Nếu r0 ≠ 0 ; U0 ≠ 0 : Uphđ = Iđ.rphđ

          Ung = (U02 + UfB2 + U0. UfB)1/2

Kết quả tính toán cho thấy khi mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất, khi 1 pha bị chạm đất thì điện áp các pha còn lại sẽ vượt quá điện áp pha và điện áp đặt lên người phụ thuộc đại lượng r0, rfđ.

          Ing = Uf/(Rng + rnền + r0)

Cách điện giưac các pha không hạn chế dòng điện qua người. Đây là một trong những nhược điểm của mạng trung tính trực tiếp nối đất.

2. Mạng điện có Ulv > 1000V

          Khi ngắn mạch dòng có trị số lớn, rơle bảo vệ sẽ tác động trong thời gian ngắn cắt nguồn điện khỏi sự cố. Tại nơi ngắn mạch gây điện áp bước.

          Với mạng 6, 10kV trung tính của máy phát thường nối đất qua điện trở, có tác dụng giảm bớt dòng ngắn mạch đi qua cuộn dât máy phát, tránh trường hợp cháy dây quấn MBA. Còn với MBA 6, 10kV thì trung tính cách điện.

3. Mạng điện có Ulv < 1000V

          Thường có sự cố chạm đất gây nguy hiểm cho người và thiết bị. Dòng chạm đất nhỏ :  Iđ = 380/[(12 + 4) ] = 13,7A

Dòng điện này chỉ làm chảy cầu chì 4-6A, đôi khi trong thực tế gặp cầu chì 15-20A nên dòng chạm đất tồn tại lâu. Khi người chạm phải pha khác thì điện áp đặt lên người gần bằng điện áp dây gây nguy hiểm tính mạng con người => phải tránh chạm đất bằng cách tăng cách điện của dây, kiểm tra cách điện đường dây, thiết bị điện và dùng các hệ thống bảo vệ tác động nhanh hoặc báo động chạm đất.

Tóm lại : Với mạng điện ba pha điện áp trên dưới 1000V đều có thể gây sự cố rất nguy hiểm. Phải có những phương pháp phòng ngừa đúng đắn, quy trình vận hành an toàn.