Trị số điện áp tiếp xúc cho phép đối với nhà xưởng khó giáo là

1. Chống tiếp xúc điện trực tiếp

1.1. Bảo vệ chính

Đảm bảo mức cách điện cần thiết: sử dụng RCD thích hợp, thực hiện các lớp bọc bằng giấy cách điện, nhựa PVC, XLPE,..

Bảo vệ bằng cách sử dụng rào chắn các phần mang điện, đặt chúng ở các vị trí trên cao không với tới được, hoặc đặt trong tủ kín.

Ví dụ: Dây dẫn trần trên cao có sứ cách điện, các tủ hợp bộ bên trong có các thanh cái đặt trên sứ được khóa kín, tủ chỉ mở sau khi đã cắt nguồn bằng cách sử dụng các chìa khóa đặc biệt.

Bảo vệ bằng cách sử dụng điện áp cực thấp [24V, 12V và 6V]. Trường hợp này công suất của mạng cực thấp nên chỉ áp dụng ở những nơi đặt biệt nguy hiểm ví dụ như hầm mỏ , phòng nha khoa, phòng mổ,..

1.2. Bảo vệ phụ

Các biện pháp ngăn ngừa chạm điện trực tiếp nêu trên đã đủ để có thể bảo vệ chống điện giật trực tiếp. Tuy vậy, vẫn có thể xảy ra tai nạn trực tiếp do sai xót, nhầm lẫn. [Ví dụ: hư hỏng lớp bọc cách điện do động cơ, nhiệt, do oxi hóa,..].

Trong trường hợp này người ta sẽ dùng các biện pháp bảo vệ phụ bằng cách đặt các thiết bị chống dòng rò RCD [residual current device]. RCD là thiết bị bảo vệ có độ nhạy cao tác động theo dòng rò I= 10 ~ 30mA.

Trong chế độ bình thường:

Ipha = -IN IRCD = 0

Khi có người chạm vào dây pha:

Ipha = [Ipha + Ing] IN

Do đó IRCD 0; IRCD = Ing.

Hình 1. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị chống rò RCD

2. Chống tiếp xúc gián tiếp vào điện

Xét mạng điện U 1 kV, tiếp xúc gián tiếp vào điện xảy ra khi người sờ vào vật mang điện áp do chọc thủng cách điện [chạm pha, vỏ] hoặc người đi trong vào vùng đất nhiễm điện. Trong các xí nghiệp sản xuất số lượng thiết bị điện thường rất lớn công nhân có nguy cơ tiếp xúc gián tiếp vào điện do sự cố chạm vỏ.

Biện pháp bảo vệ an toàn trong trường hợp này gồm 2 nội dung:

• Thực hiện nối đất vỏ thiết bị theo các sơ đồ thích hợp.
• Sử dụng thiết bị bảo vệ cắt nguồn thích hợp với thời gian giới hạn cho phép.

Thời gian thiết bị bảo vệ nguồn khi chạm vỏ phụ thộc trị số Utx và loại nguồn điện như trong bảng sau:

Bảng 1. Bảng trị số thời gian cắt nguồn max [thời gian cho phép tồn tại Utx tương ứng]; Ucpmax = 50V

Bảng 2. Bảng trị số thời gian cắt nguồn max [thời gian cho phép tồn tại Utx tương ứng]; Ucpmax = 25V

2.1. Các hệ thống nối đất trong mạng nối đất theo tiêu chuẩn IEC

Biện pháp bảo vệ an toàn chống chạm điện gián tiếp được thực hiên phụ thuộc phương pháp nối đất của hệ thống cung cấp điện.

2.1.1. Định nghĩa các sơ đồ nối đất chuẩn hóa

Các sơ đồ nối đất được mô tả theo đặc tính về phương pháp nối đất điểm trung tính của mạng hạ áp và phương pháp nối vỏ kim loại của các thiết bị điện trong mạng này.

2.1.1.1. Sơ đồ nối đất TT

Hình 2. Sơ đồ nối đất TT.

Đặc tính:

• Phương pháp nối đất: Điểm nối sao [hoặc nối sao cuộn hạ của biến áp phân phối] của nguồn sẽ được nối trực tiếp với đất. Các bộ phận nối đất và cuộn dẫn tự nhiên sẽ nối chung tới cực nối đất riêng biệt của mạng lưới. Điện cực này có thể độc lập hoặc phụ thuộc về điện với điện cực của nguồn, hai vùng ảnh hưởng có thể bao trùm lấy nhau mà không liên quan đến tác động của thiết bị bảo vệ.
• Bố trí dây PE [Protective Earth: dây nối đất bảo vệ]: Dây PE tách biệt với dây trung tính và có tiết diện được xác định theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra.
• Bố trí bảo vệ chống chạm điện trực tiếp: mạch sẽ tự động ngắt khi có hư hỏng cách điện. Trên thực tế, các RCD sẽ đảm nhận chức năng này, dòng tác động của chúng sẽ nhỏ hơn do có điện trở nối tiếp của hai cực nối đất.

Hệ quả:

• Quá áp: điện áp của vỏ và cực nối đất như nhau trong điều kiện làm việc bình thường. Tuy nhiên trong một số trường hợp, chúng sẽ rất khác nhau như trường hợp sét đánh ở nông thôn do dây trung tính nối tới một cực nối đất riêng với vỏ thiết bị. Đối với lưới đô thị, do các điện cực nối đất thường bố trí gần nhau nên có sự bao trùm vùng GPR của hai cực nối đất lên nhau, quá áp có thể chấp nhận được. Việc đặt các thiết bị chống sét bảo vệ cho cách điện của thiết bị là cần thiết.
• Tương tự điện từ: Khi hư hỏng cách điện, dòng sự cố xảy ra nhỏ. Ví dụ, các cực nối đất có r 2,3Ω, dòng sự cố khoảng 230/2,3 = 100A. Độ sụt áp, các nhiễm điện từ và sự khác biệt điện áp quá độ giữa hai thiết bị được nối với nhau bằng cáp bọc thường nhẹ hơn so với sơ đồ TN-C-S.

Trong điều kiện bình thường, trên dây PE không có sụt áp và sẽ không có các khuyết điểm như của sơ đồ TN-C. Khi có hư hỏng cách điện, xung điện áp xuất hiện theo dây PE thường thấp và các nhiễu có thể bỏ qua.

• Đối với lưới phân phối, tiết diện của PE có thể sẽ nhỏ hơn so với trường hợp ở sơ đồ TN-S.
• Tự động ngắt khi có sự cố hư hỏng điện. Trên thực tế, việc này được thực hiện bằng RCD. Dòng tác động IΔn của RCD phải nhỏ; RCD thường được lắp thêm dưới dạng rơle vào CB và dưới dạng RCCB vào cầu chì. Chúng có thể bảo vệ mạch đơn hoặc nhóm mạch và dòng thao tác thường được chọn theo giá trị lớn nhất của điện trở nối đất của các vỏ thiết bị.
• Sự có mặt cảu RCD làm đơn giản hóa thiết kế và các điều kiện rang buộc. Không cần thiết phải biết tổng trở nguồn và không có giới hạn về chiều dài mạch [ngoại trừ khí cần tránh độ sụt áp quá lớn]. Lưới có thể được cải tạo hoặc mở rộng mà không cần tính hoặc đo lại.
• Hỏa hoạn: sử dụng RCD 500mA với dòng sẽ tránh được hỏa hoạn do điện.

2.1.1.2. Sơ đồ TN [Bảo vệ nối trung tính, nối không]

Nguồn được nối đất như sơ đồ TT. Trong mạng, cả vỏ kim loại và các vật dẫn tự nhiên của lưới sẽ được nối với dây trung tính. Một vài phương án của sơ đồ TN là:

Hình 3. Sơ đồ TN-C .

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 10mm2[dây Cu] và 16mm2 [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 nối PE: dây trung tính và PE được sử chung được gọi là PEN.

+ Bố trí bảo vệ chống chạm điên gián tiếp: sơ đồ có dòng chạm vỏ và điện áp tiếp xúc lớn nên:

• Có thể ngắt điện trong trường hợp hư hỏng cách điện.
• Ngắt điện được thực hiện bằng CB [Circuit Breaker] hoặc cầu chì. RCD sẽ không được sử dụng vì sự cố hư hỏng cách điện sẽ 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 áp.
• Do hiệu ứng cục bộ của điện cực nối đất, điện áp có thể thay đổi theo khoảng cách với điện cực. Do vậy, khi hư hỏng cách điện trung áp, dòng điện sẽ qua điện cực nối đất của trung tính cuộn hạ và điện áp tần số công nghiệp sẽ xuất hiện giữa vỏ thiết bị hạ áp và đất có thể bằng 0.
• Độ tin cậy cung cấp điện, nhiễu điện từ và phòng cháy; khi hư hỏng cách điện dòng rất lớn [vài kA]. Khí có hư hỏng cách điện hạ áp, 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, thường tiếp nhận giá trị 1,45 Upha trong tính toán gần đúng.
• Dây PEN cần thỏa điều kiện của hai chức năng là dây trung tính và chức năng PE.
• Sơ đồ TN-C không dùng cho lưới có tiết diện nhỏ hơn 10mm2 [Cu] và 16mm2 [Al]. Nó cũng không được dùng cho dây mềm kéo di động.

+ Chống cháy:

• Sơ đồ TN-C không dùng ở nơi có khả năng cháy nổ cao. Nguyên nhân là khi nối các vật dẫn tự nhiên của tòa nhà với dây PEN sẽ tạo nên dòng chảy trong công trình tạo nên hiêm họa cháy và nhiễu điện từ.

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 thế. Do đó sẽ phát sinh dòng chạy trong mạch tạo bởi vỏ thiết bị, vật dẫn tự nhiên, cáp đồng trục và vỏ máy tính hoặc hệ thống thông tin.
• Các điện thế rơi sẽ được khếch đại trong các công trình hiện đại do sự tồn tại của các thiết bị tạo hài bậc 3. Biên độ của những sóng hài này sẽ tăng gấp 3 trong các dây trung tính.
• Trong lưới phân phối do không cân bằng pha nên trong dây trung tính sẽ có dòng và tạo nên trường điện gây nhiễu lên các ống cực cathode, màn hình, các thiết bị y khoa với ngưỡng chừng 0,7A/m [nghĩa là 5A trên 1m từ các thiết bị nhạy cảm]. Hiện tượng này sẽ được khuếch đại lên khi có hư hỏng cách điện.

Ăn mòn: sự ăn mòn bắt đầu từ thành phần dòng DC mà dây PEN có thể tải và thành phần dòng điện đất. Chúng ăn mòn điện cực nối đất và kết cấu kim loại trong trường hợp nối đất lặp lại nhiều lần.

Bố trí bảo vệ chống chạm điện gián tiếp trong sơ đồ có dòng sự cố và điện áp tiếp xúc lớn.

Tự động ngắt nguồn khi có hư hỏng cách điện.

• CB hoặc cầu chì sẽ đảm bảo việc ngắt này. RCD không sử dùng ở đây vì sự cố hư hỏng cách điện chạm đất coi như ngắn mạch pha trung tính.

Thiết kế và vận hành :

• Khi sử dụng CB hoặc cầu chì, tổng trở nguồn của mạch phía trước và sau thiết bị bảo vệ cần được biết khi thiết kế. Tổng trở này cần được đo sau khi lắp đặt điện và theo định kỳ. Đặc tính các thiết bị bảo vệ sẽ được xác định theo điện trở này.
• Bất kỳ sự cải tạo nào của lưới cùng đòi hỏi sự kiểm tra lại các điều kiện bảo vệ.

2.1.1.3. Sơ đồ TN-S [3 pha 5 dây] [S- separate]

Hình 4. Sơ đồ TN-S [3 pha 5 dây].

Đặc tính:

• Dây bảo vệ và 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 với mạch có tiết diện nhỏ hơn 10mm2 [Cu] và 16mm2 [Al] hoặc các thiết bị di động.
• Cách nối đất: Điểm trung tính của biến áp được nối đất một lần tại đầu vào của lưới. Các vỏ kim loại và vật dẫn tự nhiên sẽ được nối với dây bảo vệ PE. Dây này sẽ được nối với trunh tính của 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 ngắt điện khi hư hỏng điện. Các CB, cầu chì sẽ đảm nhận vai trò này, hoặc các RCD, vì bảo vệ chống chạm điện sẽ tách biệt với bảo vệ ngắn mạch pha pha hoặc pha trung tính.

Hệ quả:

• Quá điện áp: Trong điều kiện bình thường, trung tính biến áp, vỏ các thiết bị sẽ có cùng điện thế, thậm chí ngay cả khi xảy ra hiện tượng quá độ.
• Khả năng liên tục cung cấp điện và nhiễu điện từ, phòng cháy; ảnh hưởng của sự cố trung/hạ, hư hỏng cách điện cuộn sơ và thứ sẽ tương tự sơ đồ TN-C. Dòng sự cố khi hư hỏng cách điện sẽ lớn.
• Dây PE không được nối đất lặp lại. Điều này để 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, trên dây PE không có sụt áp và các nhược điểm của sơ đồ TN-C được khắc phục. Sơ đồ TN- S sẽ tương tự sơ đồ TT về mặt này.

Khi có hư hỏng cách điện, điện áp xung lớn sẽ xuất hiện dọc theo PE, tạo nên hiện tượng quá độ như sơ đồ TN-C.

Nếu bảo vệ chống tiếp xúc giản tiếp được trang bị thiết bị bảo vệ quá dòng thì các đặc trưng tương tự sơ đồ TN-C sẽ được sử dụng.

Thiết kế vận hành:

• Tính toán tổng trở của nguồn và của mạch có kiểm tra bằng đo lường sau khi lắp đặt và định kỳ sau đó.
• Xác định điều kiện cắt khi công trình được cung cấp từ hai nguồn [máy phát rein]
• Kiểm tra điều kiện bảo vệ khi có sự cải tạo lưới.
• Nếu bảo vệ có chạm điện gián tiếp có trang bị RCD, để tránh nhiễm hài bậc 3, thường dùng dòng rò lớn [lớn hơn 1A]

Sử dụng RCD với dòng tác động 500mA sẽ tránh được hư hỏng về điện. Những hư hỏng này xảy ra do hư hỏng cách điện hoặc ngắn mạch qua tổng trở.

2.1.1.4. Sơ đồ TN-C-S

Hình 5. Sơ đồ TN-C-S.

Sơ đồ TN-C và TN-S có thể được cùng sử dụng trong cùng một lưới. Trong sơ đồ TN-C-S sơ đồ TN-C [4 dây] không bao giờ được sử dụng sau sơ đồ TN-S. Điểm phân dây PE tách khỏi dây PE thường là điểm đầu của lưới.

2.1.1.5. Sơ đồ IT trung tính cách ly bảo vệ nối đất

Hình 6. Sơ đồ IT trung tính cách ly bảo vệ nối đất.

Vỏ kim loại và vật dẫn tự nhiên sẽ được nối tới một điện cực nối đất chung.

Trên thực tế, mọi dây dẫn đều có một điện kháng đối với đất vì không có cách điện nào là hoàn hảo. Song song với đường rò điện trở sẽ có đường rò dòng chung với đất.

Ví dụ: Trong sơ đồ ba pha, 3 dây hạ áp, 1km cáp sẽ cho tổng trở C1, C2, C3, và R1, R2, R3 và tương đương với một Zct bằng 3000 đến 4000.

2.1.1.6. Sơ đồ IT [nối đất qua điện trở]

Một điện trở [từ 1 2k] được nối giữa điểm trung tính cuộn hạ biến áp phân phối và đất. Các vỏ kim loại và vật dẫn tự nhiện sẽ nối tới cực nối đất. Nguyên nhân dùng Zs là để tạo thế cố định so với đất [Zs nhỏ hơn Zct] của các lưới nhỏ và do đó giảm ngưỡng quá áp do sự cố chạm từ cuộn cao thế của máy biến áp nguồn sang hạ. Tuy nhiên việc lắp theo Zs sẽ làm tăng dòng sự cố khi xảy ra chạm vỏ điểm thứ nhất.

Hình 7. Sơ đồ IT [nối đất qua tổng trở].

Đặc tính:

+ Cách nối đất: điểm trung tính của máy biến áp được cách ly với đất hoặc nối đất qua điện trở và bộ hạn chế quá áp. Trong điều kiện bình thường, áp của nó gần bằng áp của vỏ thiết bị qua điện dung rò so với đất của mạch và thiết bị.

+ Vỏ các thiết bị và vật dẫn tự nhiên của tòa nhà sẽ nối tới điện cực nối đất riêng:

• Bố trí dây PE: dây PE sẽ tách biệt với dây trung tính và được định cỡ theo dòng sự cố lớn nhất có thể.
• Bố trí bảo vệ chống chạm điện gián tiếp: Dòng sự cố khi chỉ có hư hỏng cách điện thường thấp và không nguy hiểm.

+ Khó có khả năng đồng thời xảy ra sự cố tại hai điểm nếu mạng được lắp đặt một thiết bị giám sát cách điện trở bảo vệ vào báo tín hiệu xảy ra ở điểm thứ nhất. Từ đó có thể định vị chính xác và loại bỏ nó.

+ Bộ hạn chế quá áp [OL] cần được đặt để ngăn chặn khả năng tăng điện thế giữa phần mang điện và vỏ thiết bị. Hiệu điện thế này có thể vượt quá điện áp chịu đựng của thiết bị hạ thế khi có sự cố hư hỏng cách điện trung áp. Bảo vệ quá áp cần được thực hiện theo tiêu chuẩn chung của sơ đồ nối đất.

+ Tính liên tục cung cấp điện và tương hợp điện từ: Dòng sự cố điểm thứ nhất khi hư hỏng cách điện thường thấp.

+ Sự cố điểm thứ nhất do hư hỏng cách điện hạ áp sẽ không tạo ra sự sụt áp nào hoặc nhiễm điện từ trên dải tần rộng tương ứng với dòng sự cố cách điện truyền thống.

+ Quá áp: Sau sự cố điểm thứ nhất, các thiết bị tiếp tục làm việc và điện áp dây sẽ xuất hiện giữa pha bình thường và vỏ thiết bị. Thiết bị cần chon theo điều kiên này.

Lưu ý:

• Tiêu chuẩn IEC 950 [hoặc EN 60950] xác định cần sử dụng sơ đồ IT cấp nguồn cho các loại thiết bị xử lý thông tin.
• Nếu chống set van được sử dụng, thì điện áp định mức của chúng phải được chọn gần với điện áp dây.
• Tính liên tục cung cấp điện và tương hợp điện từ: Sự cố điểm thứ hai có thể xảy ra trên các pha khác, nó sẽ tạo dòng ngắn mạch và gây nguy hiểm. Khi sử dụng sơ đồ IT cần lưu ý sao cho tình trạng này không xảy ra.
• Bố trí dây PE: PE cần mắc riêng biệt với dây trung tính và được định cỡ theo dòng sự cố lớn nhất.
• Tường hợp điện từ: trong điều kiện bình thường, thậm chí khi có sự cố xảy ra chạm vỏ điểm thứ nhất, không có sụt áp trên PE; tồn tại sự đẳng thế giữa PE, dây nối đất làm việc, vỏ các thiết bị và vật dẫn tự nhiên của toàn nhà.
• Bố trí chống chạm điện gián tiếp: dòng sự cố khi xảy ra chạm điểm thứ nhất thường rất bé và không gây nguy hiểm. Sự cố chạm vỏ hai điểm đồng thời là khó có thể xảy ra nếu có lắp thiết bị kiểm soát cách điện. Thiết bị này sẽ theo dõi và chỉ thị sự cố điểm thứ nhất để giúp định vị và loại bỏ nó. Các thiết bị bảo vệ được thiết kế để vận hành khi có sự cố hai điểm. Nếu CB hoặc cầu chì được sừ dụng thì các quy tắc cũng sẽ tương tự như sơ đồ TN.

+ Thiết bị chống dòng rò cũng có thể được dùng. Nếu sự cố xảy ra phía sau của cùng một RCD, thiết bị có thể coi dòng sự cố như dòng tải và có thể không tác động. Một RCD tách biệt cần lắm riêng cho mỗi mạch. Nếu hai nơi trên cùng lưới sử dụng một sơ đồ IT có các điện cực nối đất của chúng tách biệt nhau thì RCD cần phải được đặt trên đầu vào của chúng. Điều này cho phép tránh hư hỏng cách điện trên pha thứ nhất của nơi thứ nhất và hư hỏng cách điên trên pha thứ hai trên nơi thứ hai.

Hỏa hoạn: Sử dụng bộ kiểm soát hư hỏng điện và có thể dùng RCD với dòng 500mA để tránh hỏa hoạn do sự cố về điện.

Thiết kế và vận hành:

+ Các nhân viên bảo trì được huấn luyện để có khả năng định vị đúng và loại trừ sự cố điểm thứ nhất.

+ Công trình điện cần được thiết kế cẩn thận: sử dụng sơ đồ IT khi có yêu cầu cao về liên tục cung cấp điện, khảo sát ảnh hưởng của dòng rò và chú ý tới RCD, cô lập và phân chia lưới v.v..

+ Nếu RCD 30mA được dùng để bảo vệ mạch ổ cắm thì:

• Dòng rò điện dung đất phía sau RCD không được vượt quá 10mA. Tính toán dòng này theo điện áp dây cho pha và điện áp pha cho trung tính.
• Nếu các tải của các mạch như vậy không quan trọng lắm, thiết bị RCD sẽ tác động khi có sự cố hư hỏng cách điện điểm thứ nhất và loại trừ nó. Nếu không, nên tránh sử dụng ổ cắm hoặc cần phải thực hiện các biện pháp khác.

Lưu ý: Dây nối đất được thiết bị bảo vệ 4 cực [bao gồm cả bảo vệ trung tính] hoặc thiết bị bảo vệ hai cực. Trong tủ phân phối cuối cùng, thiết bị bảo vệ một cực + bảo vệ trung tính có thể được dùng nếu tiết diện dây pha và trung tính như nhau và khi RCD được lắp ở phía trước đó.

Các tiêu chuẩn chọn lựa chọn:

• Không có một sơ đồ nối đất nào là đa dụng cả. Khi lựa chọn sơ đồ nối đất cần phân tích các trường hợp riêng biệt và sự lựa chọn cuối cùng dựa theo sự ràng buộc đặc biệt của lưới điện.
• Sự lựa chọn tốt nhất thường bao gồm nhiều sơ đồ nối đất khác nhau cho các phần khác nhau của lưới.

Phương án lựa chọn cần thỏa mãn các tiêu chuẩn cơ bản sau:

• Chống điện giật.
• Chống hỏa hoạn do điện.
• Cung cấp điện liên tục.
• Bảo vệ chống quá áp.
• Bảo vệ chống nhiễu điện từ.

2.1.2. So sánh các sơ đồ nối đất khác nhau

Sơ đồ dạng TT nên dùng cho lưới bị hạn chế sự kiểm tra hoặc lưới có thể mở rộng ra hoặc cải tạo [đối với lưới công cộng hay khách hàng], nguyên nhân là vì sơ đồ này rất đơn giản. Mặt khác, do sử dụng hai hệ thống nối đất riêng biệt, cần phải lưu ý bảo vệ quá áp.

Trạm khách hàng với sơ đồ TN:

• Điện áp cách điện [pha vỏ] của thiết bị nhỏ [U2].
• Cách điện giữa vỏ và đất thiết bị phải chịu được khi có sự cố hư hỏng cách điện trung thế.

Hộ tiêu thụ hạ áp với sơ đồ TT:

• Cách điện trong thiết bị phải chịu khi ở gần nơi bị sét đánh [Rb-If] [xem phần chống sét].
• Khi sử dụng đúng, ảnh hưởng của hư hỏng cách điện phía trung thế sẽ bị loại trừ.

Sơ đồ IT: thường sử dụng khi cần độ tin cậy cung cấp điện cao. Tuy nhiên nó đòi hỏi:

• Một sự nghiên cứu kỹ lưỡng và tổ chức thử nghiệm quá áp, xác định dòng dung rò.
• Các nhân viên bảo dưỡng thiết bị được huấn bị để đảm bảo khả năng xác định sự cố đầu và kiểm tra mở rộng của lưới.

Sơ đồ TN-S: Nên dùng cho lưới được theo dõi kiểm tra thường xuyên hoặc lưới không mở rộng, cải tạo. Sơ đồ này thường chỉ cần các RCD có độ nhạy trung bình.

Không nên dùng các sơ đồ TN-C và TN-C-S để tránh hỏa hoạn và nhiễm điện từ do:

• Sụt áp dọc theo dây PEN.
• Dòng sự cố hư hỏng cách điện lớn.
• Dòng chạy ở bộ phận nối đất tự nhiên,vỏ cáp, vỏ thiết bị.
• Không thể loại bỏ được sự cố qua tổng trở.

Người ta có thể phối hợp các sơ đồ nối đất lại với nhau trong một mạng điện nếu cần thiết.

2.2. Các biện pháp bảo vệ bằng cách tự động cắt nguồn cung cấp

Nguyên tắc: biện pháp bảo vệ này phụ thuộc vào hai yêu cầu căn bản:

• Nối đất tất cả các vỏ kim loại của các thiết bị trên mạng và kết cấu của lưới đẳng thế.
• Tự động cắt phần điện có liên quan, sao cho các yêu cầu về an toàn: điện áp tiếp xúc/thời gian an toàn tương ứng với mức điện áp cho phép Ucp được tuân thủ.

Giá trị Utx càng lớn càng phải nhanh chóng cắt nguồn cung cấp. Giá trị cao nhất của Utx có thể được xem là không nguy hiểm người được gọi là giới hạn về mức đạn áp tiếp xúc Ucp.

Hình 8. Minh hoạ điện áp tiếp xúc nguy hiểm Utx của hai tay người.

2.2.1. Tự động cắt điện đối với mạng được nối đất kiểu TN

Nguyên lý:

• Mạng nối đất kiểu TN có tất cả các vỏ kim loại của thiết bị và các bộ phận nối đất tự nhiên [vật dẫn tự nhiên] được nối trực tiếp với điểm nối đất của nguồn cung cấp bằng dây bảo vệ.
• Phương pháp nối kiểu TN-C, trong đó dây trung tính có chức năng vừa là dây nối đất bảo vệ [Protective Earth] và vừa là dây trung tính của mạng [Neutral]. Trong tất cả các mạng kiểu TN, những sự cố do chọc thủng cách điện sẽ dẫn đến ngắn mạch pha đất [trung tính].
• Các dòng sự cố lớn làm đơn giản hóa các yêu cầu về bảo vệ nhưng có thể làm tăng điện áp tiếp xúc quá 50% điện áp pha trung tính tại chỗ xảy ra sự cố kéo dài suốt khoảng thời gian trước khi cắt sự cố.
• Vì vậy, trong thực tế, các điện cực nối đất thường được đặt cách khoảng dọc dây trung tính của mạng cung cấp, trong khi đó, tại các hộ tiêu thụ cần phải lắp đặt các cực nối đất tại chỗ đặt tủ điện. Đối với các mạng cung cấp lớn, các điện cực nối đất bổ sung thường đặt lắp đặt để giảm Utx tới mức có thể. Ở nhà cao tầng, các bộ phận nối đất tự nhiên sẽ được nối đất với dây bảo vệ ở mỗi tầng.

Hình 9. Tự động ngắt nguồn trong mạng nối đất kiểu TN.

[= 22.In đối với MCCB có dòng định mức 160A]

Trị số đặt của mạch ngắt tức thời kiểu từ của MCCB nhỏ hơn nhiều lần so với 3,576A, vì vậy đảm bảo MCCB sẽ cắt nguồn trong khoảng thời gian ngắt nhất.

Bảng 3. Bảng thời gian cắt tối đa quy định đối với mạng nối đất kiểu TN [IEC 363-4-41].

+ Chú thích 1:

• Thời gian cắt trể hơn các giá trị được trình bày trên [nhưng phải < 5s] được cho phép đối với một vài trường hợp của mạng phân phối cũng như đối với mạch cuối nuôi nhiều thiết bị cố địn, với điều kiện điện áp tiếp xúc nguye hiểm sẽ không xuất hiện trên các thiết bị khác.
• IEC khuyến cáo và một số quốc gia bắt buộc nối lưới đẳng thế an toàn mọi phần kim loại của các thiết bị và các vật dẫn tự nhiên ở những nơi có ổ cắm ngoài các ổ cắm này được sử dụng để cung cấp nguồn cho các thiết bị di động hoặc xách tay.
• Thanh cái của lưới đẳng thế chung được lắp ở tủ phân phối đối với phạm vi cần quan tâm.

+ Chú thích 2: Khi giới hạn điện áp cho phép là 25V, thời gian cắt cho phép là:

• 0,35s đối với 127V;
• 0,2s đối với 230V;
• 0,05s đối với 400V;
• Nếu phần tử được xét là phần tử cuối, những thời gian cắt nêu trên dễ dàng đạt bằng cách sử dụng các RCD.

+ Chú thích 3: Việc sử dụng RCD có thể là cần thiết đối với mạng nối đất kiểu TN, như đã giải thích ở chú thích. Sử dụng mạng nối đất kiểu TNC-S có nghĩa là dây bảo vệ và dây trung tính phải được cách ly phía trước RCD. Sự cách ly này được thực hiện ở tại tủ điện.

Bộ tác động kiểu tức thời của CB sẽ loại bỏ dòng ngắn mạch pha đất trong vòng ít hơn 0,1s.

Ngoài ra, khi Ia = Im, các bộ tác động có thời gian trễ tác động bằng từ hay điện tử, sẽ đảm bảo tự động cắt nguồn với khoảng thời gian cho phép tối đa.

Tuy nhiên, cần xem xét đến những sai khác nhất định khi áp dụng đối với các tiêu chuẩn khác nhau.

Để đảm bảo cắt sự cố trong khoảng thời gian cho phép, cần đẩm bảo điều kiện dòng sự cố tính toán Uo/Zs hay 0,8.Uo/ZCphải lớn hơn dòng đặt cắt tức thời hoặc lớn hơn mức ngưỡng của đặt tuyến t = f[I].

Bảo vệ cầu chì:

• Ia có thể được xác định từ đặc tuyến của cầu chì. Trong bất kỳ trường hợp nào việc bảo vệ không thể thực hiện được nếu tổng trở vòng sự cố Zs hay Zc vượt quá một giá trị nào đó.
• Giá trị dòng nhằm đảm bảo cầu chỉ tác động đúng có thể được xác định từ đặc tuyến dòng điện / thời gian của cầu chì được sử dụng.
• Dòng sự cố Uo/Zshay 0,8.Uo/ZCnhư đã tính ở trên phải lớn hơn giá trị dòng cần thiết nhằm đảm bảo cầu chì tác động chắc chắn.

2.2.2. Tự động cắt nguồn trong mạng TT

2.2.2.1. Trường hợp chung

Bảng 4. Dòng chỉnh định đối với từng trường hợp là một hàm theo điện trở Ra của mạng hạ áp.

Bảng giá trị giới hạn trên của điện trở nối đất của lưới với độ nhạy khác nhau của RCD tương ứng với điện áp cho phép UL là 50 V và 25V.

2.2.2.2. Trường hợp mạch phân phân phối

Tiêu chuẩn IEC 364-4-41 và một số tiêu chuẩn quốc gia khác công nhận thời gian cắt sự cố tối đa là 1s đối với mạch phân phối [ngược lại với các mạch cuối]. Điều này cho phép đảm bảo tính chọn lọc theo từng cấp.

Ví dụ:

• Ở tại A: RCD tác động có thời gian trễ ví dụ loại S.
• Ở tại B: RCD tác động tức thời.

2.2.2.3. Trường hợp vỏ các thiết bị, hoặc một nhóm thiết bị đang nối đất riêng

Trong trường hợp này bảo vệ chống chạm điện gián tiếp được thực hiện bằng các RCD riêng đặt trong từng thiết bị hoặc nhóm thiết bị có nối đất chung. Độ nhạy của chống phải tương ứng với điện trở của cực nối đất.

RCD có độ nhạy rất cao:Tiêu chuẩn IEC 364-4-471 khuyến cáo sử dụng RCD có độ nhạy cao [ 30 mA] trong các trường hợp sau:

• Các ổ cắm ngoài có dòng định mức 32 A ở các vị trí đặc biệt nguy hiểm ;
• Các ổ cắm ở nơi ẩm ướt với dòng định mức bất kì ;
• Các ổ cắm trong mạng lắp tạm thời;
• Mạch điện cung cấp cho phòng giặt và bể bơi ;
• Mạch cung cấp cho các công trường ,xe cắm trại ,du thuyền,hội chợ du lịch .Bảo vệ này có thể áp dụng cho mạng độc lập hoặc từng nhóm ;
• Ổ cắm ngoài 20 A [là bắt buộc nếu mạng này cung cấp cho thiết bị cầm tay dùng ngoài trời.

Hình 10. Mạch cấp điện cho ổ cắm.

Ở nơi có nguy cơ cháy cao

• Bảo vệ RCD tại các máy cắt cấp nguồn, ở nơi có nguy cơ cháy cao là cần thiết, đặt ở vài vị trí đặt biệt ở vài vị trí đối với vài quốc gia. Độ nhạy của RCD không vượt quá 500mA.
• Bảo vệ khi vỏ thiết bị không được nối đất [trong trường hợp mạng điện ở nơi đất khó, không thể thi công hệ thống nối đất hoặc trong trường hợp dây nối đất bị đứt].

Hình 11. Vị trí có nguy cơ cháy cao.

Hình 12. Các phần vỏ thiết bị không đc nối đất.

Các RCD có độ nhạy cao [I 30mA] sẽ làm việc hiệu quả trong hai trường hợp để tránh nguy hiểm do chứa điện gián tiếp và bảo vệ phụ chống nguy hiểm do chạm điện trực tiếp .

Các loại RCD:

• Loại CB công nghiệp có bảo vệ dòng so lệch theo tiêu chuẩn IEC 974-2.
• Loại CB dân dụng có bảo vệ dòng rò [RCCB] theo tiêu chuẩn IEC 755, 1008 và 1009.
• Các công tắc có bảo vệ so lệch theo tiêu chuẩn riêng của từng quốc gia.
• Các role với biến dòng dạng xuyến, theo theo tiêu chuẩn IEC -755.

Các RCD phải đặt đầu nguồn trong mạng TT, chúng phải có khả năng cắt chọn lọc so với RCD khác trong mạch nhằm đảm bảo tính liên tục cung cấp điện .

• RCCB, RCBO và CBR.
• RCCB [CB chống dòng rò].

Các thiết bị này theo tiêu chuẩn IEC 1008 là bộ cắt mạch giống LBS [Load Break Switches: cầu dao phụ tải]. Chúng được thiết kế theo khả năng cắt và chịu dòng ngắn mạch song chúng không cắt được dòng ngắn mạch. Vì vậy phải nhất thiết có một SCPD [Short Circuit Protwective Device: thiết bị bảo vệ chống ngắn mạch] được mắc nối tiếp với RCCB.

• RCBO: chữ O ký hiệu cho Overcurrent có nghĩa là thiết bị này ngoài chức năng chống dòng rò còn có thể bảo vệ dòng. RCBO có dòng cắt ngắn mạch định mức. Nó được xem là một CB và được chế tạo theo tiêu chuẩn IEC 1009.

Lưu ý: Cả RCCB và RCBO theo IEC 1008 và 1009 cho phép cách ly hoàn toàn mạch khi mở. Các thiết bị này thường dùng cho lưới dân dụng.

• CBR: là thiết bị có chứa bảo vệ chống dòng rò mắc vào CB hạ áp xí nghiệp theo tiêu chuẩn IEC 947-2. Theo IEC 1008 và 1009, các CB được trang bị như vậy được gọi là CBR.

Việc phối hợp nhằm cắt sự cố có chọn lọc được thực hiện bằng cách tạo thời gian trễ hoặc bằng cách chia nhỏ các mạch, theo đó, mỗi phần tử hoặc mỗi nhóm được bảo vệ riêng.

Tính chọn lọc được đảm bảo khi chỉ có CB phía trước vị trí sự cố là tác động.

Trong trường hợp các thiết bị được sắp xếp tuần tự, mức chọn lọc được thực hiện theo ba hoặc bốn mức như sau:

• Tại tủ phân phối chính;
• Tại tủ phân phối khu vực;
• Tại tủ phân phối phụ;
• Tại ổ cắm hoặc các thiết bị độc lập.

Thông thường, ở các tủ phân phối và các bảo vệ thiết bị riêng rẽ, các thiết bị tự động cắt nguồn khi có nguy cơ chạm điện gián tiếp khi mắc chung với bảo vệ sung chống chạm điện trực tiếp .

Tính chọn lọc giữa các RCD: Sự chọn lọc được thực hiện bằng việc sử dụng nhiều mức dộ nhạy khác nhau: 30mA, 100mA và các thời gian cắt tương ứng.

Sự chọn lọc theo hai mức bảo vệ:

• Mức A: RCD có mức chỉnh thời gian trễ I [ đối với thiết bị công nghiệp], loại S [cho dân dụng] để bảo vệ chống chạm điện gián tiếp.
• Mức B: RCD tác động tức thời độ nhạy cao được đặt đối với ổ cắm hoặc thiết bị điện làm việc trong chế độ nguy hiểm [ví dụ như máy giặt]. Sự chọn lọc theo ba hoặc bốn mức.

Bảo vệ:

• Mức A: RCD có thời gian trễ [trị đặc theo mức III].
• Mức B: RCD có thời gian trễ [trị đặc theo mức II].
• Mức C: RCD có thời gian trễ [trị đặc theo mức I] hoặc loại S.
• Mức D: RCD tác động tức thời.

2.2.3. Tự động cắt nguồn khi bị chạm đất tại hai điểm trong mạch nối đất kiểu IT

2.2.3.1. Chạm đất điểm thứ nhất

Trong sơ đồ mạng kiểu IT cần chú ý rằng chạm đất điểm thứ nhất sẽ không gây tác động cắt nguồn.

Khi xảy ra chạm đất một điểm, dòng sự cố rất nhỏ, vì vậy Id × RA < 50V và không gây nên điện áp tiếp xúc nguy hiểm. Thực tế dòng Id là rất nhỏ, nó không đe dọa người sử dụng cũng không ảnh hưởng tới thiết bị. Tuy nhiên trong sơ đồ này: Cần thường xuyên theo dõi điều kiện cách điện so với đất, phải báo tín hiệu [bằng âm thanh hoặc đèn chớp] khi xảy ra chạm đất điểm thứ nhất; Cần nhanh chóng xác định điểm bị chạm đất và tiến hành sửa chữa nếu muốn hệ thống nối đất kiểu IT làm việc trong chế độ hoàn toàn tin cậy; Ngoài ra hệ thống IT còn cho phép tiếp tục cung cấp điện khi bị chạm đất điểm thứ nhất, đây là một ưa điểm so với các hệ thống khác.

Hình 13. Đường đi của dòng sự cố khi có chạm đất điểm thứ nhất trong mạng nối đất kiểu IT.

Khi xảy ra sự cố một pha chạm đất, như đã chỉ ra trên hình dòng điện chạy qua điện trở nối đất Rna và có giá trị bằng tổng vector của các điện dung trên các pha không bị sự cố. Điện áp của các pha không bị sự cố [do khi xảy ra một pha chạm đất] bị tăng lên lần so với Upha đất lúc bình thường, do đó dòng điện dung cũng tăng lên lần tương ứng. Nhưng vector dòng điện dung này lệch pha nhau 60° vì vậy khi cộng các vector, giá trị đi qua dòng nối đất RaA = 3×66 mA =198 mA và Id trên hình vẽ.

2.2.3.2. Chạm đất điểm thứ hai

Việc xuất hiện đồng thời hai điểm chạm đất một lúc [trên hai pha khác nhau] là nguy hiểm. Việc cắt nhanh sự cố bằng cầu chì hay CB phụ thuộc vào kiểu nối đất cụ thể và có hay không các điện cực nối đất riêng.

Khi xuất hiện thêm điểm chạm đất thứ hai trên pha khác, hoặc trên dây trung tính bắt buộc phải nhanh chóng cắt nguồn. Việc cắt sự cố thực hiện khác nhau trong từng trường hợp sau đây:

Khi mạng có tất cả các vỏ thiết bị được nối trực tiếp tới dây PE chung, trong trường hợp này các điện cực nối đất không nằm trong đường đi của dòng chạm đất, vì vậy dòng sự cố sẽ đạt giá trị lớn và các thiết bị bảo vệ quá dòng thông thường sẽ được sử dụng, ví dụ như CB và cầu chì.

Điểm sự cố đầu có thể xảy ra ở cuối của mạng, trong khi đó điểm chạm đất thứ hai có thể xảy ra ở phía đầu nguồn của mạng. Do đó khi tính toán dòng sự cố thích hợp để điều chỉnh các thiết bị bảo vệ quá dòng thường qui ước nhân đôi tổng trở của mạch vòng sự cố.

Khi hệ thống bao gồm dây trung tính thêm vào dây pha, dòng ngắn mạch nhỏ nhất xảy ra khi một trong hai điểm chạm đất là từ dây trung tính xuống đất [cả bốn dây này đều cách điện so với đất trong tình trạng nối đất kiểu IT].

Vì vậy trong mạng nối đất kiểu IT có 4 dây, khi tính dòng ngắn mạch để xác định các mức bảo vệ, phải tính với điện áp pha-trung tính nghĩa là:

Thời gian chảy cầu chì thời gian cắt sự cố:

• Thời gian cắt sự cố đối với mạng ba pha dây sơ đồ IT khác so với sơ đồ ba pha bốn dây theo sơ đồ IT và được cho trong bản sau:

Bảng 5. Bảng thời gian cắt sự cố lớn nhất đối với mạng nối đất kiểu IT [IEC 364-4-41].

Khi điện áp qui ước là 25V, thời gian cắt sự cố như sau:

Theo phương pháp quy ước:

Ví dụ:

Hình 13. Tự động cắt nguồn khi chạm thêm điểm thứ hai trong hệ thống IT

Trong trường hợp ở hình 13, trị số dòng tác động của bộ tác động tức thời hoặc có trễ can được xác định. Có thể áp dụng các mức thời gian cắt sự cố như đã trình bày trong bảng.

Ví dụ: Trong ví dụ hình 13, bảo vệ chống ngắn mạch được thực hiện bằng việc sử dụng MCCB 160A là thích hợp để cắt sự cố ngắn mạch pha-pha ở các phía cuối mạch.

Lưu ý, trong một mạng điện kiểu IT, các phần mạch của hai nhánh cùng chạm vỏ được giả sử là có cùng chiều dài và dây dẫn cùng tiết diện. Dây PE cùng tiết diện như dây pha. Trong trường hợp này tổng trở mạch vòng ngắn mạch khi sử dụng phương pháp qui ước sẽ gấp đôi so với khi tính một mạch trong mạng TN.

Nếu tất cả các vỏ máy không được nối tới cực nối đất chung của cả hệ thống có thể xảy ra trường hợp chạm đất thêm điểm thử hai ở một nhóm độc lập khác hay ở một thiết bị có nối đất độc lập khác.

Vì vậy việc thêm vào một bảo vệ khác so với bảo vệ được mô tả trường hợp một là cần thiết. Đó là các RCD được đặt ở các máy cắt tổng của cả nhóm và tại từng nhánh thiết bị có nối đất riêng. Lý do của việc đặt thêm các RCD là khi các điện cực nối đất độc lập kết nối qua đất, dòng ngắn mạch pha pha thường bị giới hạn khi đi qua các điện trở nối đất, điều này làm cho các bảo vệ quá dòng lớn làm việc không tin cậy. Các RCD có độ nhạy cao hơn nên sẽ tác động chắc chắn hơn, tuy nhiên, trường hợp này các RCD phải có dòng đặt lớn hơn dòng chạm đất điểm thứ nhất.

Khi xảy ra chạm đất điểm thứ hai bên trong một nhóm có điện cực nối đất chung, các bảo vệ quá dòng sẽ tác động như đã mô tả ở phần trên trong trường hợp một trong mạng ba pha bốn dây, bảo vệ chống quá dòng trong dây trung tính đôi khi được thực hiện bằng cách dùng biến dòng kiểu xuyến đặt trên dây trung tính.

Hình 14. Biện pháp cắt sự cố chạm thêm điểm thứ 2 trong các hệ thống nối đất.