Trình bày mạng điện có trung tính cách điện

Mạng điện đơn giản là mạng điện xoay chiều một pha hạ áp hoặc mạng điện một chiều kể cả cao áp và hạ áp; mạng có thể có một dãy hoặc hai dãy; có thể đi trên không hoặc dưới dạng cáp ngầm.

Các trường hợp mất an toàn trong mạng điện này có thể là do chạm vào hai cực [hai dây] hoặc một cực.

• Trường hợp người chạm cả hai dây thì rất nguy hiếm vì người phải chịu điện áp của mạng đặt lên người, khi đó dòng điện qua người sẽ bằng:

Trong đó:

• U – điện áp của mạng điện.
• Rng – điện trở của người.

Ví dụ: U = 110V; Rng = 1000Ω thì:

• Giá trị dòng điện Ing lớn hơn rất nhiều giá trị an toàn cho phép [Icp] nên rất nguy hiểm.
• Trường hợp người tiếp xúc một dây thì mức độ nguy hiếm phụ thuộc vào từng loại mạng điện

Trong thực tế vận hành rất ít khi xảy ra trường hợp chạm vào cả hai cực mà thường xảy ra trường hợp chạm vào một cực. Vì vậy ở đây chủ yếu phân tích an toàn trong trường hợp chạm vào một cực của mạng điện đơn giản.

1. Mạng điện 1 pha trung tính cách điện đối với đất

Trên hình vẽ mạng điện đơn giản hai dây cách điện đối với dất điện áp U dưới 1000V.

Rcđ1, Rcđ2 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:

• Trong đó:
• U – điện áp của mạng điện [V].
• Rng – điện trở người [Ω].

Có thể chứng minh như sau:

• Theo sơ đồ đẳng trị, ta có:

  Ung = I.R

• Dòng điện chạy qua người:

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]:

• Thấy rõ vai trò cúa cách điện đối với điều kiện an toàn. Nếu trị số an toàn của dòng điện chạy qua cơ thể là Icp = 10 mA [hay 0,01 A] thì điện trở cách điện không được nhỏ hơn trị số sau:               

Ví dụ: Nếu lấy U = 220V, Rng = 1000Ω  thì cần có điện trở cách điện là: Rcđ > 20000 = 20 kΩ.

Trong trường hợp nếu người chạm điện đi giầy, dép hoặc đứng trên bàn ghế, thảm,… có điện trở càng lớn thì dòng điện qua người càng giảm, tức là sẽ an toàn hơn so với chân tiếp xúc trực tiếp với 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].

Nguy hiểm nhất là trường hợp chạm vào một dây trong khi dây kia chạm đất. Vì lúc đó người phải chịu gần như toàn bộ điện áp của mạng như trường hợp người chạm vào cả hai cực đã đề cập ở trên, tức là:

• Với U – điện áp của mạng điện, V.

2. Mạng có một cực hay một pha nối đất nối đất

2.1. Mạng có một dây

Thực chất mạng này vẫn có 2 dây, một dây đi  trên không còn một dây là đất hoặc đường ray. Mạng điện này được dùng để chạy tàu điện hoặc xe điện.

Ta tìm được:

Ở đây: R0 – điện trở nối đất làm việc.

• Nếu coi: R0 = 0, ta được:

• Nếu người đứng trên nền có điện trở Rn, biểu thức trở thành:

Qua đây ta thấy rằng, nếu chân người tiếp xúc trực tiếp với đất chạm vào mạng điện này người sẽ phải chịu gần như toàn bộ điện áp của mạng điện, rất nguy hiểm vì khi sử dụng và làm việc với màn điện này cần phải chú ý treo dây dẫn cao cách mặt đất một khoảng cách an toàn [người không chạm tới].

b] Sơ đồ thay thế khi người chạm vào 1 cực của mạng có 1 dây.

2.2. Mạng có 2 dây

Sơ đồ mạng có hai dây, trong đó dây 1 nối đất, lúc đó xem chân người phải chịu toàn bộ điện áp của mạng điện: Ung = U, rất nguy hiểm.

• Khi người chạm vào dây 1 dây nối đất, giả sử tại điểm B.
• 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

Ở đây:

• RBA – điện trở của đoạn dây BA, Ω
• I1v – dòng điện làm việc của mạng, A.

b] Người chạm vào dây nối đất của mạng 2 dây.

Điện áp đặt lên người lớn nhất khi người chạm vào điểm C, tức là:

Ung Max = RCA.I1v = 5%U

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 5%U].

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 giả thiết tiết diện của 2 dây dẫn của 2 dây bằng nhau tại mọi thời điểm thì điện áp tại điểm C so với đất có trị số gần bằng 0,5U và càng gần điểm A điện áp càng giảm dần. Do đó, trong trường hợp xảy ra ngắn mạch giữa dây 1 và dây 2 mà người chạm vào dây 1 nối đất thì người phải chịu điện áp gần bằng 0,5U rất nguy hiểm.

• Trong trường hợp dây nối đất bị đứt tại điểm X nào đó trên đoạn từ điểm A đến điểm B mà người chạm vào dây này thì người phải chịu điện áp gần như bằng điện áp U của mạng giống trường hợp chạm vào dây không nối đất mà ta đã xét ở trên.

2.3. Mạng điện 1 pha cách điện đối với đất có điện dung lớn

Với các mạng điện đường dây cáp và đường dây trên không điện áp lớn hơn 1000V và mạng có điện áp nhỏ hơn 1000V có nhiều nhánh sẽ có điện dung đối với đất lớn. Nó gây lên hiện tượng là: đường dây tuy đã cắt ra khỏi mạch điện nhưng điện tích tàn dư vẫn có thể gây nguy hiểm cho người.

Trong mạng điện xoay chiều, điện áp của điện tích tàn dư không những phụ thuộc thông số của mạch điện mà còn phụ thuộc vào thời điểm cắt mạch điện.

Theo tính toán: nếu người cách điện với đất mà chạm vào 2 cực thì dòng điện qua người:

Trong đó:

• 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]]:

Từ đó ta có nhận xét:

• Nếu điện dung càng lớn [C2 > C1] trị số điện tích tàn dư [Q = C.U] càng cao làm cho dòng điện duy trì càng lâu và tất nhiên trị số trung bình của dòng điện tác dụng vào người càng lớn.
• Nếu chạm vào 1 dây của đường dây bị cắt điện [giả sử dây dẫn 1] thì:

Trong đó:

• 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:

Câu hỏi

1. Phân tích an toàn trong trường hợp người chạm vào 1 dây của mạng 1 pha nối đất.
2. Phân tích an toàn trong trường hợp người chạm vào 1 dây của mạng 1 pha không nối đất [mạng cách ly].
3. Ở mạng điện đơn giản cách điện đối với đất, muốn cho người được an toàn khi chạm vào vật mang điện [lõi dây dẫn điện] thì yêu cầu điện trở cách điện phải có trị số như thế nào đối với dây dẫn điện? Đối với trường hợp này, nguy hiểm nhất xảy ra lúc nào? Muốn khắc phục phải làm những gì?
4. Ở lưới điện 220/380V, khi sửa chữa thiết bị sử dụng điện, em cần chú ý gì về phương diện an toàn? Nếu trường hợp không cắt được thiết bị dùng điện ra khỏi nguồn điện, thì người sửa chữa sẽ phải như thế nào khi thao tác? Hãy vẽ và tính dòng điện đi qua người khi người tiếp xúc với dây nóng 220V, chân đi đất; biết điện trở của người là 2000Ω. Trường hợp này có nguy hiểm không? Vì sao?