luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế bộ ngắt dòng dò

Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
VIỆN ðẠI HỌC MỞ HÀ NỘI


ðộc lập - Tự do - Hạnh phúc


NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Chu Thị Hương Ngày sinh:10/08/1981 Nơi Sinh: Hà Nội
Khoá: 02 Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: Kỹ thuật điện tử
1. ðầu ñề luận văn:
Nghiên cứu, thiết kế Bộ ngắt dòng dò

2. Các số liệu và dữ liệu ban ñầu:
Khi sử dụng trang thiết bị điện luôn tiềm ẩn nguy cơ giật điện, gây tổn thương, thậm chí
dẫn đến tử vong cho nạn nhận. Cường độ dòng điện cực đại chưa gây nguy hiểm khi chạy qua
cơ thể người là 5mA. Việc thiết kế chế tạo các thiết bị đảm bảo an toàn điện và thiết bị phục
vụ thí nghiệm an toàn điện là rất cần thiết.
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Nghiên cứu tìm hiểu về ảnh hưởng của dòng điện lên cơ thể người, các biện pháp phòng
tránh giật điện. Áp dụng lý thuyết cảm ứng điện từ, lý thuyết về điện tử để tính toán, thiết kế
các sản phẩm.

4. Các bản vẽ, ñồ thị:
Bản vẽ sơ đồ nguyên lý các mạch điện, bản vẽ thiết kế khung vỏ, thiết kế mặt của các sản
phẩm trong luận văn

5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: PGS.TS.Nguyễn Văn Khang
6. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 17 tháng 02 năm 2011
7. Ngày hoàn thành luận văn: 30 tháng 10 năm 2011
Ngày tháng năm 2011
Giảng viên hướng dẫn




PGS.TS. Nguyễn Văn Khang

Học viên thực hiện




Chu Thị Hương


Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
2

Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
3
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI


BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Chu Thị Hương Số hiệu sinh viên:

Ngành: Điện tử Khoá: 02

Giảng viên hướng dẫn:

Cán bộ phản biện
:
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:






2. Nhận xét của cán bộ phản biện:










Ngày tháng năm 2011
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )

Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
4
LỜI NÓI ðẦU
Điện giật là nguy cơ gây thương tổn chết người xếp ở mức cao. Ở Việt Nam hàng
năm có 450 -500 vụ tai nạn do điện giật làm chết 350 – 400 người, bị thương hàng trăm
người, đó là một con số đáng lo ngại. Những thương tổn và tử vong này luôn có thể
phòng tránh được. Tuy nhiên hầu hết các lĩnh vực người sử dụng thiết bị điện không
lắp đặt các thiết bị an toàn điện, bảo vệ chống rò điện, không nối đất các thiết bị điện
theo yêu cầu của các nhà chế tạo. Gần đây nhất là sự việc hàng loạt các máy ATM gây
giật điện, thậm chí dẫn đến tử vong làm xôn xao dư luận, và hoang mang cho người sử
dụng về mức độ an toàn của các thiết bị điện công cộng.
Trong lĩnh vực y tế, môi trường ẩm ướt do nước, dịch, máu…luôn tiềm ẩn nguy
cơ giật điện cho những người sử dụng thiết bị điện. Điều này càng nguy hiểm hơn với
các bệnh nhân trước những nguy cơ giật vĩ mô và giật vi mô.
Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và ứng dụng các thiết bị đảm bảo an toàn điện
là rất cần thiết. Chế tạo thành công bộ ngắt dòng dò thông minh với những ưu điểm
như phát hiện dòng dò cỡ nhỏ từ 0.5mA, tính năng cảnh báo thông minh, tự động ngắt
mạch khi dòng dò vượt ngưỡng 5mA là một sản phẩn an toàn điện hiệu quả và dễ sử
dụng trong thực tế.
Trong quá trình thực hiện, luận văn đã nhận được nhiều sự giúp đỡ cũng như sự
động viên khích lệ của gia đình, bạn bè và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của PGS
TS. Nguyễn Văn Khang . Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn cùng
những người đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Tôi hy vọng thầy, cô và bạn bè sẽ tiếp
tục giúp đỡ tôi hoàn thiện tốt hơn luận văn này trong tương lai.
Hà nội, ngày tháng năm 2011
Học viên thực hiện


Chu Thị Hương
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò

5
MỤC LỤC
LỜI NÓI ðẦU 3
MỤC LỤC 5
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 7
DANH SÁCH CÁC BẢNG 9
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
CHƯƠNG 1
MỞ ðẦU 11
1.1.Giới thiệu 11
1.2 Tinh hình an tòan ñiện trong thực tế 12

1.3 Nội dung luận văn
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT AN TOÀN ðIỆN 14
2.1 Tác ñộng dòng ñiện lên cơ thể người và các yếu tố liên quan 14
2.1.1 Nguy cơ giật ñiện khi tiếp xúc với vật mang ñiện 14
2.1.2 Tác hại của dòng ñiện ñối với cơ thể con người 19
2.1.2.1 Ngưỡng cảm nhận 19
2.1.2.2 Dòng thả lỏng 20
2.1.2.3 Chứng tê liệt hệ hô hấp, ñau và mệt mỏi 20
2.1.2.4 Hiện tượng rung tâm thất 20
2.1.2.5 Cơn co tim duy trì 21
2.1.2.6 Bỏng và tổn thương thực thể 21
2.1.2.7 Tác hại của dòng ñiện với một số cơ quan, tổ chức trên cơ thể người 21
2.1.3 Những yếu tố liên quan ñến mức ñộ tác ñộng của dòng ñiện lên cơ thể. 23
2.2 Các phương pháp hạn chế nguy cơ giật ñiện 25
2.2.1 An toàn trong hệ thống cung cấp ñiện 26
2.2.1.1 Hệ thống khuếch ñại ñiện tim ñạo trình chân phải 26
2.2.1.2 Hệ thống tiếp ñất ñẳng thế 26
2.2.1.3 Hệ thống phân phối ñiện cách ly 28

2.2.1.4 Bộ GFCI (Ground –Fault Circuit Interrupter ) 28
2.2.2 An toàn trong thiết kế thiết bị 29
2.3 Cơ sở bộ ngắt dòng dò khi nối ñất gặp sự cố 33
2.3.1 Cơ sở cảm ứng ñiện từ, áp dụng ño cường ñộ dòng ñiện 33
2.3.1.1 Các ñịnh luật, hiện tượng cảm ứng ñiện từ 33
2.3.1.2 Áp dụng chế tạo cảm biến dòng ñiện dò 35
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC KHỐI CHỨC NĂNG
3.1. Giới thiệu một số linh kiện dùng trong thiết kế 38
3.1.1 Cảm biến dòng điện dò ……………………………………… ………………………37
3.1.2. Vi điều khiển AVR ATmega 16…………………………………… …………………38
3.1.3. IC khuếch đại thuật toán TL084……………………… ………………………………50

3.2 Yêu cầu của sản phẩm cần ñạt ñược 53
3.3 Sơ ñồ khối chức năng và sự phối hợp hoạt ñộng giữa các khối 54

3.3.1 Sơ ñồ khối chức năng 54
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
6
3.3.2. Nguyên lý hoạt ñộng…………………………………… ……………………55
3.4. Thiết kế sơ đồ nguyên lý của bộ ngắt dòng dò……………………… …………………55
3.4.1. Thiết kế phần cứng……………………………………………… ……………………55
3.4.2. Mạch nguyên lý cảm biến dòng và khuếch đại vi sai……………….…………………56
3.4.3. Sơ đồ nguyên lý khối chỉnh lưu và lọc thông thấp……………….…………………….58
3.4.4. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm và khối chấp hành.………………………….58
3.4.5. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn……………………………………………………………59
3.4.6. Sơ đồ nguyên lý của bộ ngắt dòng dò………….……… ………………………………60
3.5. Thiết kế phần mềm nhúng điều khiển……………………….……………………………60
3.7. Thiết kế kiểu dáng sản phẩm…………………………………………………………… 67
Kết quả đạt được………………………………………………………………………………69
Kết luận……………………………………………………………………………………… 71

Tài liệu tham khảo………………………………………………………………………… 72





















Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
7
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Chú chim đậu chân trần trên dây điện cao thế nhưng vẫn không bị giật 15
Hình 2.2 Người đứng trên mặt đất, chạm tay vào dây lửa của lưới điện 15
Hình 2.3 Người đứng trên mặt đất, chạm tay vào dây nối đất nên không bị giật điện 16
Hình 2.4 Dòng dò từ dây lửa ra vỏ, do lỗi lớp cách điện, hay chập dây với vỏ. 17
Hình 2.5 Dòng dò tụ kí sinh, hoặc tụ lọc nhiễu nguồn. 17

Hình 2.6 Nguy cơ giật điện khi tiếp xúc với vỏ thiết bị điện 18
Hình 2.7 Dòng điện giật vi mô chạy thẳng qua tim, nếu dây nối đất bị đứt thì nguy cơ
giật điện sẽ cao hơn 19
Hình 2.8 Mô hình trở kháng bên trong cơ thể người. 25
Hình 2.9 Bộ khuếch đại điện tim tham chiếu đất [1] 26
Hình 2.10 Hệ thống tiếp đất đẳng thế [1] 27
Hình 2.11 Hệ thống phân phối điện cách ly [1] 28
Hình 2.12 GFCI – Bộ ngắt điện khi nối đất gặp sự cố [1] 29
Hình 2.13 Bốn cách bố trí nguồn và dây nối đất hiệu quả. 32
Hình 2.14 Thí nghiệm của Michael Faraday về tác dụng từ trường biến thiên 33
Hình 2.15 Từ thông biến thiên sinh ra suất điện động cảm ứng khi dịch chuyển vòng dây dẫn
trong từ trường 34
Hình 2.16 Tác động hỗ cảm của dòng điện trên hai vòng dây dẫn đặt cạnh nhau 34
Hình 2.17 Nguyên lý cảm biến dòng dò
Hình 3.1 Cảm biến dòng điện dò 38
Hình 3.2 Đồ thị kết quả test. 38
Hình 3.3 Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega16 loại 40 chân và 44 chân [8] 41
Hình 3.4 Cấu trúc bên trong vi điều khiển Atmega16 [8] 41
Hình 3.5 Cấu trúc bộ ADC của ATmega16 [8] 42
Hinh 3.6 Thanh ghi ADMUX [8] 43
Hình 3.7 Thanh ghi ADCSRA [8] 44
Hình 3.8 Thanh ghi dữ liệu ADC [8] 46
Hình 3.9 Bộ đếm gộp trước của ADC [8] 47
Hình 3.10 Sai số bù của bộ biến đổi ADC 49
Hình 3.11 Sai số khuếch đại của bộ biến đổi ADC 49
Hình 3.12 Độ không tuyến tính của bộ biến đổi ADC 50
Hình 3.13 Độ không tuyến tính vi sai của bộ biến đổi ADC 50
Hình 3.14 Sơ đồ chân, nguyên lý bên trong IC khuếch đại thuật toán TL084 [9] 51
Hình 3.15 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo áp dụng IC TL084. 52
Hình 3.16 Đồ thị quan hệ điện áp đỉnh tối đa của tín hiệu ra và tần số tín hiệu 52

Hình 3.17 Đồ thị quan hệ hệ số khuếch đại vi sai tối đa của mạch……….…………… ……52
Hình 4.15 với tần số tín hiệu 53
Hình 3.18 Giao điện phần mềm Orcad 9.2 thiết kế mạch nguyên lý và mạch in 57
Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến dòng và khuếch đại vi sai 58
Hình 3.20 sơ đồ nguyên lý khối chỉnh lưu và lọc thông thấp bậc 2 59
Hình 3.21 Đáp ứng tần số và pha của mạch lọc 59
Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm và khối chấp hành 60
Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 60
Hình 3.24 Mạch nạp STK500, nạp phần mềm nhúng cho vi điều khiển 62
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
8
Hình 3.25 Giao diện chương trình biên dịch CodevesionAVR 2.04.4a 63
Hình 3.26 Lưu đồ thuật toán điền khiển bộ ngắt dòng dò 64
Hình 3.27 Thiết kế hộp sản phẩm bộ ngắt dòng dò 69
Hình 3.28 Mặt trên của bộ ngắt dòng dò 69
Sản phẩm bộ ngắt dòng dò Error! Bookmark not defined.
Ghép nối bộ ngắt dòng dò vào hệ thống điện. 71

Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
9
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Tác động của dòng điện 60 Hz lên cơ thể người tuổi trung niên [1] 24
Bàng 3.1 Chọn kênh đầu vào bộ ADC của Atmega16 [8] 43
Bảng 3.2 Chọn giá trị điện áp tham chiếu cho bộ ADC [8] 44
Bảng 3.3 Chọn số chia cho bộ chia tần [8] 45
Bảng 3.4 Mô tả thời gian một chu kỳ chuyển đổi ADC [8] 48

Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
10
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ gốc Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt
ADC
Analog to Digital Converter Bộ chuyển ñổi tương tự sang số
ATM Automatic Teller Machine Máy rút tiền tự ñộng
CPU Central Processing Unit Khối xử lý trung tâm
ECG Electrocardiogram ðiện tâm ñồ
GFCI

Ground –Fault Circuit
Interrupter

Bộ ngắt mạch khi nối ñất gặp sự cố

LED Light Emitting Diode ði ốt phát quang
LSB Least significant bit Bit có trọng số thấp nhất
MIPS Millions of instructions per second Triệu phép tính trên giây
Op-amp Operational amplifier Bộ khuếch ñại thuật toán
PWM Pulse Width Modulation ðiều chế ñộ rộng xung
RISC Reduced Instructions Set
Computer
Máy tính với tập lệnh ñơn giản hóa
SPI Serial peripheral interface Chuẩn truyền thông ngoại vi nối tiếp
UART Universal Asynchronous serial
Reveiver and Transmitter
Bộ truyền nhận nối tiếp không ñồng
bộ
V
REF
Voltage Reference ðiện áp tham chiếu

Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
11
CHƯƠNG 1
MỞ ðẦU
1.1 Giới thiệu
Theo lý thuyết an toàn điện, cường độ dòng điện xoay chiều (50-60Hz) cực đại
chưa gây nguy hiểm lên cơ thể người là 5mA, khi cường độ dòng đạt mức 10-20mA đã
gây co cơ, khó thở. Qua khảo sát, các thiết bị như cầu dao, atomat chống sự cố dò đất
hiện có trên thị trường chủ yếu ngắt mạch điện với dòng dò ở ngưỡng lớn 30mA, và
không cảnh báo người sử dụng về nguy cơ dò điện của thiết bị điện đang sử dụng.
Với nhu cầu cấp thiết đó, luận văn đã thực hiện nghiên cứu, chế tạo bộ ngắt dòng
dò. Thiết bị có thể cảnh báo người sử dụng về nguy cơ dò điện khi dòng dò >500µA,
và ngắt mạch khi dòng dò vượt ngưỡng 5mA.
Quá trình thực hiện luận văn cần phải trải qua các bước từ nghiên cứu, tìm hiểu lý
thuyết, thiết kế sản phẩm, chế tạo, thử nghiệm kiểm tra sản phẩm. Đó là một quá trình
liên tục từ lý thuyết đến thực tế, thiết kế phần cứng, phần mềm nhúng, thiết kế cơ khí,
đến đo đạc kiểm nghiệm kết quả.
Luận văn đã nghiên cứu các nội dung về an toàn điện trong y tế, các nguy cơ giật
điện, tác dụng của dòng điện đối với cơ thể và cách phòng tránh. Cùng với đó là các lý
thuyết về cảm ứng điện từ, lý thuyết về điện tử, phương pháp hạn chế giật điện,
phương pháp đo dòng điện dò. Từ đó thiết kế chế tạo mạch đo dòng điện dò bằng cảm
biến dòng, áp dụng hiện tượng cảm ứng điện từ, không tiếp xúc trực tiếp với dòng điện.
Hiện nay có nhiều phương pháp đo dòng điện, có thể phân chia thành hai phương
pháp lớn là can thiệp và không can thiệp. Trong phương pháp đo cường độ dòng điện
can thiệp các thiết bị đo cường độ dòng (ampe kế) phải mắc nối tiếp với dây điện có
dòng điện chạy qua. Việc áp dụng phương pháp này để đo dòng điện dò trong thiết bị

điện gặp một số hạn chế lớn do không biết lấy tín hiệu dòng điện dò từ đâu, vì dòng
điện dò từ vỏ máy xuống đất có thể qua dây nối đất, nhưng cũng có thể qua các điểm
tiếp xúc với đất khác, thậm chí chạy qua cơ thể người bị điện giật xuống đất. Một hạn
chế nữa do bắt buộc thiết bị đo phải được lắp đặt như một thành phần trong mạch điện
nên khó có thể áp dụng vào các thiết bị điện đã chế tạo khó thay đổi.
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
12
Phương pháp đo không can thiệp dựa vào từ trường do dòng điện sinh ra để xây
dựng phương pháp đo. Với dòng điện xoay chiều, từ trường biến thiên do dòng điện
sinh ra gây ra suất điện động cảm ứng trên cuộn dây đặt gần dòng điện, đo suất điện
động cảm ứng này có thể xác định được giá trị dòng điện sinh ra nó. Phương pháp đo
này an toàn và không ảnh hưởng đến mạch điện của thiết bị. Phương pháp này được áp
dụng rộng rãi trong thực tế.
1.2 . Tình hình an toàn ñiện trong thực tế
Trên thực tế nhu cầu sử dụng thiết bị an toàn trên hệ thống điện là rất lớn. Trong
đời sống dân dụng luôn tiềm ẩn nguy cơ giật điện. Hệ thống lưới điện ở Việt Nam vào
tới các hộ gia đình hầu như không có dây tiếp đất bảo vệ. Các trang thiết bị điện dân
dụng không có dây nối đất và không áp dụng các biện pháp an toàn như khuyến cáo
của nhà sản xuất.
Sự việc gần đây các máy ATM rút tiền tự động có dòng dò lớn, gây giật điện, thậm
chí gây tử vong cho nạn nhân, đã cảnh báo sự thiếu an toàn tại các thiết bị điện công
cộng. Nhiều trường hợp dòng điện dò tại các cột đèn, cột điện gây nguy hiểm cho
người dân đã được ghi nhận trên nhiều thông tin truyền thông. Những trường hợp
không may đó ít nhiều gây dư luận hoang mang.
Trong lĩnh vực y tế, an toàn điện được đưa vào chương trình bắt buộc cho các tổ
chức, cơ sở y tế. Giật điện có thể xảy ra với bệnh nhân, những người vận hành thiết bị,
khách tham quan bệnh viện hay tham quan các thiết bị chăm sóc sức khỏe. Điện giật đề
cập tới cả giật vĩ mô (dòng lớn truyền từ tay nọ sang tay kia có qua tim) và giật vi mô
(dòng nhỏ tới thẳng tim). An toàn điện trong y tế phải hạn chế tối đa các tình huống
gây nguy hiểm, các tình huống đó đều là các tình huống động nên cần được thường

xuyên quan tâm.
Mục tiêu của an toàn điện trong các tổ chức y tế liên quan tới bất kỳ một thiết bị
vận hành bằng điện nào được sử dụng tại các khu vực công cộng, các khu vực chăm
sóc sức khỏe nói chung và các khu vực chăm sóc đặc biệt trong bệnh viện.
Qua phân tích ở trên, với sự đa dạng của các trang thiết bị điện dân dụng tới lĩnh
vực y tế, có thể khẳng định nhu cầu sử dụng thiết bị đảm bảo an toàn điện là rất lớn.
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
13
1.3 Nội dung luận văn
Chương 1. Mở ñầu. Chương 1 giới thiệu chung về luận văn, cũng như nhu cầu thực
tế đối với các sản phẩm mà luận văn thực hiện. Chương 1 cũng giới thiệu về cấu trúc
trình bày của luận văn.
Chương 2. Nghiên cứu lý thuyết an toàn ñiện. Trong chương này giới thiệu những
nghiên cứu, tìm hiểu về các ảnh hưởng của dòng điện lên cơ thể con người và các yếu
tố liên quan tới mức độ của các tác động đó. Sau đó sẽ trình bày về các biện pháp
phòng tránh nguy cơ giật điện, tập trung vào trong lĩnh vực y tế. Tiếp theo là áp dụng
lý thuyết cảm ứng điện từ vào việc thiết kế thiết bị cảm biến dòng điện dò.
Chương 3. Thiết kế các khối chức năng. Chương 3 trình bày cụ thể về mục tiêu, yêu
cầu của sản phẩm mà luận văn thực hiện. Qua phân tích các yêu cầu kỹ thuật đó thiết
kế các khối chức năng đảm bảo các tính năng và yêu cầu đặt ra. Cùng với đó là trình
bày sự phối hợp hoạt động của các khối trong hệ thống. Sau khi thiết kế các khối chức
năng sẽ đi thiết kế các sơ đồ nguyên lý cho từng khối, sơ đồ nguyên lý của cả mạch
ngắt dòng dò. Trong chương này cũng có đề cập đến một số linh kiện quan trọng được
sử dụng cho thiết kế mạch và các phần mềm dung cho thiết kế.
Kết quả ñạt ñược. Trình bày cụ thể về các thông số kỹ thuật của các sản phẩm, cũng
như hướng dẫn lắp đặt, hướng dẫn sử dụng.
Kết luận. Phần kết luận sẽ tổng kết về những điều đạt được, những điều chưa đạt
được khi thực hiện luận văn và hướng phát triển trong luận văn trong tương lai.

Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
14
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT AN TOÀN ðIỆN
2.1 Tác ñộng dòng ñiện lên cơ thể người và các yếu tố liên quan
Khi dòng điện chạy qua cơ thể con người sẽ gây ra các tác động vật lý như: co
cơ, khó thở, rung tâm thất, cháy, điện giải… loại tác động và mức độ thương tổn trên
cơ thể người tùy thuộc vào các yếu tố đặc trưng của dòng điện và vị trí tiếp xúc.
Giật điện liên quan tới việc kích thích các mô cơ thể bằng điện và hậu quả của
nó có thể chỉ là cảm giác nhói nhẹ cho tới giật bó cơ rất mạnh thậm chí còn rung tâm
thất. Mức độ nguy hiểm của giật điện được phản ánh chủ yếu qua cường độ dòng điện
chạy qua cơ thể người bị giật tại các tần số cụ thể.
Giật vĩ mô được định nghĩa là một dòng điện mức cao cỡ mA, dòng điện này
chạy trên da, qua cơ thể người khi tiếp xúc với một nguồn điện áp. Sẽ có hai điểm tiếp
xúc trên cơ thể người, dòng điện này có thể sẽ qua tim và gây nên sự rung tim, thậm
chí có thể gây tử vong.
Giật vi mô được định nghĩa là dòng điện nhỏ cỡ µA chạy trực tiếp thẳng tới tim
qua một ống dẫn dịch nhỏ trong động mạch hoặc tĩnh mạch.
Giật điện xảy ra khi có từ hai điểm tiếp xúc của nạn nhân với hai điểm có điện
thế khác nhau trên hệ thống điện.
Sau đây chúng ta sẽ xét các nguy cơ giật điện, các yếu tố liên quan và các ảnh
hưởng sinh lý trong cơ thể con người khi có dòng điện chạy qua.
2.1.1 Nguy cơ giật ñiện khi tiếp xúc với vật mang ñiện

Nếu không có hai điểm tiếp xúc trở lên trên cơ thể người, nơi dòng điện đi vào
và đi ra, thì không có nguy cơ giật điện. Nếu hai điểm tiếp xúc có cùng điện thế thì
cũng không bị giật điện. Đó là lý do tại sao chim đậu trên dây điện cao thế nhưng
không bị giật vì không có dòng điện nào chạy qua cơ thể nó. Để dòng điện chạy qua
một vật dẫn thì cần có điện áp chênh lệch trên nó. Nếu không có điện áp chênh lệch thì
không có dòng chạy qua vật dẫn. Vì thế dù con chim có đậu cả hai chân trên dây điện,
nhưng cả hai chân của nó đều tiếp xúc trên cùng một dây dẫn, hai chân tiếp xúc ở hai
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
15
điểm có cùng điện thế, do đó không có điện áp chênh lệch giữa chúng nên không có
dòng điện nào chạy qua cơ thể của nó.

Hình 2.1 Chú chim ñậu chân trần trên dây ñiện cao thế nhưng vẫn không bị giật.
Nhiều người tin rằng không thể bị giật khi chỉ tiếp xúc với một dây dẫn điện.
Giống như những chú chim, nếu chúng ta chắc chắn chỉ tiếp xúc với một dây dẫn tại
một thời điểm thì vẫn đảm bảo an toàn. Tất nhiên điều đó là không đúng. Không giống
như những chú chim, con người thường đứng trên mặt đất khi chúng ta tiếp xúc với
dây dẫn điện. Trong hệ thống điện lưới luôn nối đất tại nguồn. Khi một người đứng
trên mặt đất và chạm tay vào dây dẫn điện đã nối hai điểm trên một mạch điện, tạo
thành một mạch kín (dây dẫn, người và đất). Khi đó sẽ có dòng điện chạy qua cơ thể
người gây giật điện.

Hình 2.2 Người ñứng trên mặt ñất, chạm tay vào dây lửa của lưới ñiện.
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
16
Đất của nguồn điện lưới cấu tạo bởi các cọc kim loại dẫn điện tốt được chôn sâu
xuống đất để tạo tiếp xúc tốt nhất với đất. Đất của nạn nhân bị giật điệt thường thông
qua chân của họ, phần cơ thể chạm đất.
Có những điểm trên hệ thống điện đảm bảo an toàn khi tiếp xúc, đó là những
điểm có cùng điện thế với đất, những điểm nối đất. Ví dụ với người trong hình trên,

nếu anh ta chạm tay vào điểm dưới của điện trở thì sẽ không bị giật điện, thậm chí nếu
chân anh ta vẫn tiếp xúc với mặt đất.

Hình 2.3 Người ñứng trên mặt ñất, chạm tay vào dây nối ñất nên không bị giật ñiện
Bởi vì tại điểm tiếp xúc đó được nối với đất của mạch điện, cân bằng điện thế
với mặt đất, không có điện áp nào đặt lên người này và anh ta sẽ không bị giật điện.
Đối với các thiết bị điện luôn có nguy cơ dò điện ra vỏ máy. Nguy hiểm nhất là
trường hợp dò điện từ dây lửa ra vỏ máy. Có thể do dây lửa chạm vào vỏ máy, hoặc do
cách điện kém dẫn đến dòng điện từ dây lửa dò trực tiếp ra vỏ máy. Nguy cơ thứ hai là
dòng dò tụ và dòng dò trở.
Dòng dò tụ có thể do các tụ lọc nguồn điện nối giữa dây lửa và vỏ máy để lọc
nhiễu nguồn, trường hợp khác là dây lửa tạo thành một phiến của tụ, lớp vỏ cách điện
của dây tạo thành lớp điện môi, đế kim loại (đất) tạo thành phiến kia của tụ. Dòng dò
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
17
điện trở tăng lên từ trở kháng của lớp vỏ bọc cách điện quanh dây nguồn. Các chất điện
môi nhựa dẻo nóng hiện nay hay các dây nguồn có trở kháng cao đến mức mà dòng dò
tổng nhỏ không đáng kể so với dòng dò tụ điện.


Hình 2.4 Dòng dò từ dây lửa ra vỏ, do lỗi lớp cách ñiện, hay chập dây với vỏ.

Hình 2.5 Dòng dò tụ kí sinh, hoặc tụ lọc nhiễu nguồn.
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
18
Luôn tiềm ẩn nguy cơ giật điện khi tiếp xúc với vỏ thiết bị điện.

Hình 2.6 Nguy cơ giật ñiện khi tiếp xúc với vỏ thiết bị ñiện
Hình trên là nguy cơ giật điện vĩ mô khi tiếp xúc với vỏ thiết bị điện không có dây
nối đất hoặc dây nối đất bị đứt.

Có nhiều nguy cơ gây giật vi mô. Chủ yếu là dòng điện vi mô chạy trực tiếp qua
tim qua ống dẫn dịch. Bệnh nhân rất mẫn cảm với nguy cơ giật vi mô khi họ phải dùng
các dụng cụ như:
- Các điện cực của bộ tạo nhịp tim ngoài.
- Các điện cực cho các thiết bị điện tim (ECG) bên trong.
- Các ống dẫn dịch được đặt trong tim để đo huyết áp, lấy mẫu máu, hoặc để bơm
chất nhuộm thuốc vào tim.
Do ngưỡng giới hạn của dòng dò qua tim rất nhỏ, nên nguy cơ gây tử vong do
giật điện là rất cao.
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
19

Hình 2.7 Dòng ñiện giật vi mô chạy thẳng qua tim, nếu dây nối ñất bị ñứt thì
nguy cơ giật ñiện sẽ cao hơn.
2.1.2 Tác hại của dòng ñiện ñối với cơ thể con người
Dòng điện đi qua cơ thể người gây nên ba ảnh hưởng cơ bản: làm tổn thương
các mô, làm teo cơ hay mất cảm giác không điều khiển được và sự rung tim. Đánh giá
đúng mức các hậu quả này phụ thuộc vào khả năng hoạt động của các tế bào. Các tế
bào cơ và tế bào thần kinh trong cơ thể làm việc như các pin hay các đơn vị phân cực.
Các hiệu thế của tế bào phân cực, khử cực, duy trì phân cực tăng lên từ sự tập trung
khác nhau của các ion natri, kali và clo qua các màng tế bào nửa thấm. Các tế bào phân
cực ở hiệu điện thế -70MV có thể được kích thích bởi bất cứ cách nào sau đây: cơ học,
hóa học, nhiệt, quang, và điện.
Cụ thể hơn, sau đây chúng ta sẽ xem xét các ảnh hưởng sinh lý trong cơ thể con
khi có dòng điện chạy qua.
2.1.2.1 Ngưỡng cảm nhận
Khi mật độ dòng điện đủ lớn để kích thích các đầu dây thần kinh trong da,
người ta sẽ cảm thấy ran ran như kiến bò. Ngưỡng cảm nhận là dòng điện nhỏ nhất khi
người ta có thể phát hiện được cảm giác trên. Ngưỡng này thay đổi đáng kể tùy theo
từng người và phù hợp với từng điều kiện cụ thể. Một người nào đó nắm một sợi dây

Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
20
đồng nhỏ bằng tay ướt thì ngưỡng cảm nhận thường bằng 0.5 mA ở tần số 60 Hz. Với
dòng một chiều thì ngưỡng này là 2mA-10mA [1].
2.1.2.2 Dòng thả lỏng
Khi dòng điện tăng, thần kinh và cơ được kích thích mạnh hơn (thậm chí đến
mức đau và mệt mỏi) sẽ xuất hiện những cơn co cơ bị động hoặc sự rút lui do phản xạ
phản ứng với dòng điện. Nếu dòng điện tiếp tục tăng, các cơn co cơ bị động có thể sẽ
ngăn cản các cơn co cơ chủ động. Dòng điện tối đa mà con người có thể rút lui một
cách chủ động gọi là dòng thả lỏng. Dòng thả lỏng trung bình đối với một nam giới
thường là 10mA [1].
2.1.2.3 Chứng tê liệt hệ hô hấp, ñau và mệt mỏi
Nếu dòng điện tiếp tục tăng, sự co cơ hô hấp bị động có thể sẽ gây ngạt thở trầm
trọng nếu vẫn không ngừng cung cấp điện. Trong quá trình nghiên cứu các dòng thả
lỏng, tác giả Dalziel đã quan sát thấy bệnh nhân ngừng thở ở dòng 18-22 mA [1]. Các
cơn co cơ bị động và kích thích thần kinh mạnh có thể làm người ta thấy đau đớn và
dòng điện nếu tồn tại một thời gian dài sẽ gây nguy hiểm cho tính mạng.
2.1.2.4 Hiện tượng rung tâm thất
Tim rất nhạy cảm với dòng điện. Đó là điều hết sức nguy hiểm. Nếu dòng điện
đủ để kích thích một phần cơ tim thì sự lan truyền các hoạt động trong cơ tim sẽ bị rối
loạn. Một khi hoạt động trong tâm thất bị rối loạn không thể kiểm soát nổi thì chức
năng bơm của tim sẽ dừng và tử vong sẽ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn.
Hiện tượng rối loạn không kiểm soát được của cơ tim này gọi là hiện tượng rung
tâm thất. Đặc biệt nguy hiểm khi dòng điện gây ra nguyên nhân này đã đi qua mà rung
tâm thất vẫn tồn tại. Hiện tượng rung tâm thất chính là lý do gây ra tử vong khi bị điện
giật. Ngưỡng gây rung tâm thất đối với một người đàn ông có chiều cao trung bình là
75mA đến 400mA [1]. Nhịp tim sẽ được khôi phục bình thường trở lại chỉ khi một
xung điện có biên độ lớn, thời gian ngắn được đưa vào cơ thể bệnh nhận để khử cực
cùng một lúc cho toàn bộ các tế bào cơ tim. Sau khi toàn bộ các tế bào cùng được thả
lỏng, nhịp tim sẽ được phục hồi trở lại bình thường.

Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
21
Trên thực tế, nguy hiểm nhất của giật điện là gây nên sự rung tim. Đó là hiện
tượng cơ tim bị rung thay vì nhịp bơm máu đều đặn. Kết quả là tim bơm máu không
hiệu quả. Mô tim là một trong các mô nhạy cảm nhất trong cơ thể người, sự kích thích
tim bằng điện bên trong thông thường bắt đầu bằng nút xoang nhĩ ở phía tâm nhĩ phải,
khởi đầu hoạt động đồng bộ tim.
Sự rung tâm thất có thể là kết quả của quá trình kích thích tim từ bên ngoài. Một
vài tế bào tim bị trục trặc và có thể gây nên một phản ứng dây chuyền của hoạt động
hỗn loạn. Sự sai lệch tiêu điểm của các xung điện truyền đi và gây sự mất đồng bộ
chức năng tim. Người ta có thể chết sau vài phút nếu không được chữa trị kịp thời
bằng phương pháp hồi sức tim phổi hoặc khử rung tim bằng máy khử rung tim. Khử
rung tim đòi hỏi một dòng điện lớn cỡ 6A trở lên chạy qua ngực nhằm thiết lập lại nhịp
tim.
2.1.2.5 Cơn co tim duy trì
Khi dòng điện đủ lớn thì toàn bộ cơ tim bị co. Mặc dù tim ngừng trong quá
trình dòng điện được duy trì nhưng nhịp bình thường sẽ phát sinh trở lại khi dòng điện
được ngắt (gần giống như quá trình chống rung tim). Các kết quả từ các thí nghiệm
chống rung tim trên động vật cho thấy rằng: dòng tối thiểu để co cơ tim hoàn toàn nằm
trong vùng từ 1A tới 6A. Không có bất kỳ một tổn thương nào đối với tim qua những
dòng điện này [1].
2.1.2.6 Bỏng và tổn thương thực thể
Những hiểu biết về ảnh hưởng của dòng điện 10A còn rất ít, đặc biệt là các dòng
điện tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn. Thường thì tại các điểm đầu vào của dòng
điện trên da nóng lên và gây ra bỏng. Các mô não và mô thần kinh khác mất tất cả khả
năng kích thích khi có dòng điện lớn chạy qua. Ngoài ra, những dòng điện quá lớn có
thể gây ra các cơn co cơ có khả năng bóc cơ ra khỏi xương.
2. 1.2.7 Tác hại của dòng ñiện với một số cơ quan, tổ chức trên cơ thể người
Dưới đây sẽ liệt kê tác hại của dòng điện đối với một số cơ quan tổ chức trên cơ
thể người có dòng điện chạy qua.

Da:
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
22
- Bỏng do nhiệt.
- Tổn thương tại các vùng dòng điện đi vào hoặc đi ra.
Tim:
- Ngừng tim do suy tâm thất (dòng điện một chiều) hay do rung tâm thất
(điện xoay chiều).
- Các tác hại loạn nhịp tim đe dọa tính mạng như tim nhịp nhanh tâm thất
và lạc vị tâm thất.
- Thương tổn cơ tim, hoặc rối loạn dẫn truyền.
- Có thể gây nhồi máu cơ tim.
Mạch máu:
- Xuất huyết.
- Dòng điện có thể gây co thắt động mạch vành gây thiếu máu cục bộ.
Thần kinh:
- Gây bất tỉnh, chứng quên, lú lẫn, mất tập trung, mất định hướng, co giật,
bại liệt, loạn cảm.
- Các tổ chức mô của hệ thần kinh trung ương đặc biệt rất dễ bị thương tổn
và các di chứng cấp tính hoặc mãn tính được tìm thấy trên 25% trong số các nạn nhân
bị giật điện.
- Các thương tổn thần kinh dễ nhận thấy nhất gồm tủy sống cổ, các dây
thần kinh ngoại biên của chi trên bởi vì dòng điện thường chạy qua một hoặc hai cánh
tay.
- Khi dòng điện chạy qua não thì bệnh nhân có thể bị bất tỉnh tạm thời, co
giật, lú lẫn, phù não và xuất huyết não.


Hô hấp:
- Ngừng hô hấp, có thể do dòng điện đi qua não gây cản chức năng trung

tâm ở hành não, hoặc do sự co cứng cơ hoành và thành ngực, do bại liệt cơ hô hấp kéo
dài, ngừng tưới máu não sau khi ngừng tim.
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
23
2.1.3 Những yếu tố liên quan ñến mức ñộ tác ñộng của dòng ñiện lên cơ thể
Nhắc lại định luật Ôm:
V
I
R
=
(2.1)
Cường độ dòng điện chạy qua một vật dẫn bằng điệp áp trên hai đầu vật dẫn
chia cho điện trở của vật dẫn đó.
Cường độ dòng điện chạy qua cơ thể người bằng giá trị điện áp giữa hai điểm
tiếp xúc của cơ thể chia cho điện trở của cơ thể người giữa hai điểm đó. Nếu điện áp
chênh lệch càng lớn thì dòng điện chạy qua cơ thể người càng lớn. Do đó nguy hiểm
của điện áp cao là dẫn tới có dòng điện lớn chạy qua cơ thể người bị điện giật. Với
dòng điện lớn đó sẽ gây tổn thương nặng, thậm chí dẫn đến tử vong. Mức độ nguy
hiểm, hay độ lớn của dòng điện chạy qua cơ thể người còn phụ thuộc vào điện trở giữa
hai điểm tiếp xúc của người đó với dòng điện.
Dưới đây sẽ liệt kê một số yếu tố ảnh hưởng tới mức độ tác động của dòng điện lên
cơ thể con người khi có dòng điện chạy qua:
- Loại dòng điện, tần số dòng điện: Cùng một mức điện thế, dòng điện xoay chiều
nguy hiểm hơn dòng điện một chiều. Ngưỡng điện áp an toàn của dòng điện xoay chiều
trong điều kiện khô ráo là 50V, của dòng điện một chiều là 80V. Dòng điện một chiều
có khuynh hướng chỉ gây lên co thắt cơ 1 lần duy nhất, thường ném nạn nhân ra khỏi
nguồn điện, do đó thời gian tiếp xúc với dòng điện ngắn. Dòng điện xoay chiều gây co
cơ liên tục hoặc làm co cứng cơ khi các sợi cơ được kích thích từ 40 đến 110 lần mỗi
giây.Tác dụng “ co cứng cơ ” làm duy trì sự tiếp xúc của người bị điện giật với dòng
điện. Dòng điện xoay chiều có khả năng tạo nên rung tâm thất (khi cường độ dòng điện

từ 50 đến 100mA) bởi vì dòng điện xoay chiều gây một kích thích rung lặp đi lặp lại.
Nếu tần số dòng điện tăng lên trên 1kHz sẽ không tạo ra các ngưỡng cảm nhận hay các
hiện tượng đe dọa sự sống nữa.
- Điện thế: Dòng điện cao thế (>1000 volts) thường gây nên những thương tổn
nghiêm trọng nhất. Dòng điện hạ thế 220V trong dân dụng cũng có nguy cơ gây
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
24
thương tổn, tử vong cao, nguy cơ giật điện lớn. Trên nguyên tắc, mọi điện thế trên 40V
đều nguy hiểm với con người.
- Cường độ dòng điện: Là yếu tố chủ yếu quyết định tác dụng của dòng điện lên
cơ thể con người. Dưới đây là bảng tác động của dòng điện tần số 50-60Hz lên cơ thể
người:
Bảng 2.1 Tác ñộng của dòng ñiện 60Hz lên cơ thể người tuổi trung niên [1]
Cường ñộ Tác ñộng
1mA Mức ngưỡng còn chịu đựng được
5mA Cường độ dòng điện cực đại chưa gây nguy hiểm
10 – 20mA Cường độ dòng điện bắt đầu gây co cơ
50mA
Đau. Có thể bị choáng ngất, mệt mỏi, bị thương cơ học, vẫn
duy trì được chức năng tim và hô hấp
100 – 300mA
Bắt đầu gây rung tâm thất nhưng trung tâm hô hấp vẫn duy trì
được
6A
Cơ co tim liên tục xảy ra sau nhịp tim thông thường. Tê liệt
tạm thời hệ hô hấp. Nếu cường độ cao có thể gây cháy.

Khi dòng điện đi qua cơ thể đạt ngưỡng 8-10mA nạn nhân khó có thể rời khỏi vật
mang điện. Ngưỡng 40-50mA có thể có nguy cơ nguy hiểm tới tính mạng do ngất
không thể rời khỏi vật mang điện.

- Điện trở của điểm tiếp xúc, các tổ chức mô: Xương và da có sức cản lớn nhất
đối với dòng điện chạy qua. Điện trở của da (hay trở kháng da) là yếu tố quan trọng
nhất ngăn cản luồng điện bởi vì chính bề mặt da là nơi dòng điện phải đi qua để đi vào
cơ thể. Trở kháng da thường nằm trong khoảng 10K – 1MΩ. Điện trở của da rất thay
đổi, tùy thuộc vào độ dày, tính chất khô ráo và mức độ sạch sẽ. Điện trở của da có thể
bị giảm rất nhiều do sự ẩm ướt. Khi da bị ướt hoặc bị tổn thương, trở kháng da có thể
giảm còn 1% khi da khô. Sự ẩm ướt có thể biến đổi một tổn thương đáng lý là nhỏ
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
25
thành một tổn thương nguy hiểm đến tính mạng. Môi trường y tế có các yếu tố như
nước, dịch, hóa chất, máu… tiềm ẩn nguy cơ giật điện rất cao. Các tổ chức bên trong
như: cơ, mạch máu và dây thần kinh có điện trở thấp nhất.

Hình 2.8 Mô hình trở kháng bên trong cơ thể người.
- Thời gian: Ngưỡng của dòng điện gây rung tim đối với động vật tăng rất nhanh
đối với khoảng thời gian điện giật có giá trị nhỏ hơn 1 giây (qua các nghiên cứu thực
tế). Như ta đã biết, rung tim rất nguy hiểm trong khoảng 100 ms của chu kỳ tim, nó gần
tương ứng với sóng T của điện tâm đồ. Vì vậy, những cơn giật trong khoảng thời gian
ngắn được cung cấp trong khoảnh khắc của chu kỳ tim sẽ có ngưỡng rung tim cao hơn
rất nhiều lần.
2.2 Các phương pháp hạn chế nguy cơ giật ñiện.
Có hai phương pháp cơ bản để phòng chống điện giật:
- Người sử dụng, bệnh nhân phải được cách ly, cách điện hoàn toàn khỏi tất cả
các vật nối đất và các nguồn điện.
- Duy trì mức đẳng thế ở các bề mặt tiếp xúc.