An toàn điện chương 3

Ths Ngô Quang Ước

1

CHƯƠNG 3. CÁC BIỆN PHÁP KỸ THUẬT ĐẢM BẢO
AN TOÀN
Bảo vệ chống điện giật

Chống tiếp xúc điện trực tiếp

Sử dụng
Cách
điện

2

Khoảng
Cách
an toàn

Cản trở,
Và ngăn
cách
bảo vệ

Sử dụng
Tín hiệu,
biển báo
và khóa
liên động

Chống tiếp xúc điện gián tiếp

Sử dụng
dụng cụ,
ph tiện
an toàn

Nguồn
điện áp
thấp

Nối đất
bảo vệ

Nối dây
TT
bảo vệ

Tự động
cắt mạch
bảo vệ

11/1/2015

1


3.1. NỐI ĐẤT BẢO VỆ
3.1.1 KHÁI QUÁT CHUNG
 Bảo vệ nối đất là nối tất cả các phần kim loại của thiết bị điện

hoặc của các kết cấu kim loại mà có thể xuất hiện điện áp khi cách điện bị hư
hỏng với hệ thống nối đất.
 Hệ thống nối đất: tập hợp các cực tiếp địa và dây nối đất có nhiệm vụ truyền
dẫn dòng điện xuống đất. Hệ thống nối đất bao gồm nối đất tự nhiên và nối
đất nhân tạo.

 Cực tiếp địa: cọc bằng kim loại dạng tròn, ống hoặc thép góc dài 2 - 3m
được đóng sâu trong đất. Các cọc này được nối với nhau bởi các thanh giằng
bằng phương pháp hàn

11/1/2015

3

3.1. NỐI ĐẤT BẢO VỆ
A

3.1.1 KHÁI QUÁT CHUNG
 Nối đất làm việc: là nối đất điểm trung tính
của máy phát, máy biến áp công suất, TI,
TU…Đảm bảo sự làm việc của trang thiết bị
điện lúc bình thường và sự cố.
 Nối đất an toàn: là nối đất vỏ trang thiết bị
điện hoặc kết cấu kim loại. Đảm bảo an toàn
cho người vận hành khi có sự cố rò cách điện.

N
B
C

Rđ

Muốn điện áp tại N = 0

Rđ
KTS

 Nối đất chống sét: là nối đất các bộ phận thu
sét ( KTS, DCS…) Nhằm tản dòng sét vào đất,
tránh phóng điện ngược từ phần tử đó đến các
bộ phận mang điện.
Rđ
4

2


3.1.1 KHÁI QUÁT CHUNG
BA

TBĐ

R0

Rđ

11/1/2015

5

3.1.1 KHÁI QUÁT CHUNG
 Một hệ thống nối đất có thể là:
- Nối đất tự nhiên: Tận dụng các bộ phận kim loại có sẵn trong lòng

đất làm hệ thống nối đất.
- Nối đất nhân tạo: Chủ định dùng các điện cực kim loại (bằng đồng
là tốt nhất) chôn sâu trong đất làm hệ thống nối đất.
- Nối đất hỗn hợp: Kết hợp 2 loại nối đất trên.
 Điện trở của một hệ thống nối đất gồm 2 thành phần: điện trở của
bản thân điện cực kim loại và điện trở của khối đất tham gia quá trình
tản dòng điện vào trong đất được gọi là điện trở tản. Điện trở này phụ
thuộc vào kích thước, độ chôn sâu và điện trở suất của vùng đất.
Điện trở suất của đất có ảnh hưởng lớn nhất tới trị số của điện trở
tản. Do điện trở suất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: loại đất, thời
tiết, độ chặt,…(trong đó đặc biệt lưu ý đến yếu tố thời tiết) nên khi tính
toán điện trở tản, điện trở suất cần được hiệu chỉnh theo hệ số mùa
k m.
11/1/2015
6

3


3.1.1 KHÁI QUÁT CHUNG
 Hệ số mùa (Km)

11/1/2015

7

3.1.1 KHÁI QUÁT CHUNG
 Điện trở suất gần đúng của đất trong điều kiện tự nhiên cho trong bảng sau

4


3.1.2. MỤC ĐÍCH-Ý NGHĨA CỦA BẢO VỆ NỐI ĐẤT
 Mục đích:
 Nhằm giảm dòng điện qua người đến trị số an toàn;
 Tăng dòng điện sự cố pha-vỏ để các thiết bị bảo vệ quá dòng

truyền thống (CC, ATM, BVRL) cắt phần tử này ra khỏi mạng
điện, an toàn cho người và thiết bị.
 Ý nghĩa: Khi cách điện giữa pha và phần tử bình thường
không mang điện bị hỏng, nối đất sẽ duy trì 1 điện áp giữa các
phần tử này với đất nhỏ sẽ an toàn cho người chạm phải.
(Xét ví dụ chứng minh)

11/1/2015

9

Ví dụ 1: pha 1 chạm vỏ

Điện áp tác dụng lên người là:

U ng  I o Rtd

Với Rtd = R1//Rng//Rd

10

11/1/2015

5


11/1/2015

11

Ví dụ 2: pha 3 chạm vỏ

Rd

Rng

Rtd

Id
Id

Rng

Rdn
Rdn

Rd

Rdn

Id

12

I ng

R ph

R ph

11/1/2015

6


Id 

Uph

Rtd 

Rtd Rdn Rph

Rng .Rd
Rng  Rd

Giá trị điện áp đặt lên cơ thể người là:
Utx = Id.Rtđ
Dòng điện chạy qua cơ thể người

I ng 

U tx I d .Rtd
I .R

 d d
Rng
Rng
Rng  Rd

Ta thấy dòng điện qua cơ thể người phụ thuộc vào điện trở của hệ thống nối
đất bảo vệ Rd

11/1/2015

13

3.1.3. Phân tích đặc điểm của quá trình phân tán dòng điện trong đất

 Khi có sự cố chạm đất, dòng điện truyền vào đất qua các

đầu cực tiếp xúc rồi toả ra mọi hướng




I . dx I .
 x   dx  d . 2  d
2 x x
2 x

x
chính là phương trình hypebol

- Giá trị điện thế cực đại ở trên cực tiếp địa :

 max 

I d .
2 x0

- Vùng đất cách cực tiếp địa 20m trở lên
14

được coi là vùng điện thế không, có ᵠ = 0

Quá trình phân tán dòng điện
trong đất và sự phân
bố điện thế
11/1/2015

7


a. Điện áp tiếp xúc Utx

U tx  U tay - U chan  U d - U x 

ρ.I d ρ.I d

2r0 2x

u (V)

u (V)
Ud

Ud
Utx
U’tx
Utx = Ud

TBĐ
Id

l (m)

a)

l (m)
x,



l (m)
0

20
b)

J

11/1/2015

15

a. Điện áp bước Ub

U b  U x - U x a 

ρ.I d
ρ.I d
ρ.I d .a


2x 2 ( x  a) 2πx(x  a)

Từ CT ta thấy rằng càng đứng
xa chỗ dòng điện chạm đất (điện
cực nối đất) điện áp bước càng
có trị số nhỏ. Khi người đứng
cách chỗ chạm đất trên 20 m có
thể coi điện áp bước bằng 0.

u (V)
Ud

Ub
TB§
Id

l (m)

Ví dụ: Iđ = 1000A; ρ = 102 m
và a = 0,8m
thì Ub = 30,6 V



l (m)

x
a

J

Như vậy điện áp bước và điện áp tiếp xúc thay đổi hoàn toàn trái
ngược nhau khi khoảng cách đến chỗ chạm đất thay đổi.
16

11/1/2015

8


Điện áp bước

11/1/2015

17

Đặc tính điện thế do dòng điện chạy trong đất gây ra

U txM   max   M
U txN   max   N
U b  ch1  ch 2

18

U txM  U txN
Khi người ở vị trí càng gần với nơi đặt tiếp địa
thì giá trị điện áp bước sẽ càng cao.
Người ở vị trí càng gần điểm tiếp địa mà chạm
vào vỏ thiết bị thì điện áp tiếp xúc sẽ nhỏ hơn so
với trường hợp đứng ở vị trí xa tiếp địa

11/1/2015

9


Điện áp bước và điện áp tiếp xúc

11/1/2015

19

3.1.4 CÁC HÌNH THỨC NỐI ĐẤT
a. Nối đất tập trung
Là hình thức dùng một số cọc nối
đất tập trung trong đất tại một chổ,

một vùng nhất định phía ngoài vùng bảo vệ.

Utx

Uđ=Iđ.Rđ

Ub

TBĐ

Nối đất tập trung và phạm vi bảo vệ

U tx1  U tx 2

U b1  U b 2

10


a. Nối đất tập trung
Đặc điểm:
 Điện cực nối đất là các ống sắt tròn (hoặc sắt góc) có
đường kính từ (46)cm, dài (23)m chôn thẳng đứng trong
đất sâu trong đất (0,51)m hoặc các thanh sắt chôn nằm
ngang cách mặt đất (0,51)m.
 Nối đất riêng lẻ cho từng thiết bị điện là không hợp lý và
rất nguy hiểm vì khi có chạm đất ở hai điểm tạo nên thế
hiệu nguy hiểm trên phần nối đất của thiết bị. Vì vậy cần
thiết phải nối chung lại thành một hệ thống nối đất  Nối
đất mạch vòng

b. Nối đất mạch vòng
 Để khắc phục nhược điểm của nối đất tập trung người ta sử

dụng hình thức nối đất mạch vòng. Đó là hình thức dùng
nhiều cọc đóng theo chu vi và có thể ở giữa khu vực đặt
thiết bị điện.
 Từ các đường cong phân bố điện áp có thể nhận thấy trị số
điện áp bước giảm đi nhiều so với các hình thức nối đất tập
trung, đồng thời trị số điện áp tiếp xúc cũng được giảm
thấp.

11


H 4.2. Nối đất mạch vòng

Utx
Uđ=Iđ.Rđ

Ub

TBĐ

Giảm đồng thời cả Utx và
Ub

12

3.1.5. LĨNH VỰC ÁP DỤNG BẢO VỆ NỐI ĐẤT
 Bảo vệ nối đất được áp dụng với tất cả các thiết bị có điện áp >1000V lẫn
thiết bị có điện áp <1000V tuy nhiên trong mỗi trường hợp là khác nhau.
 Đối với các thiết bị có điện áp > 1000V thì bảo vệ nối đất phải
được ápdụng trong mọi trường hợp, không phụ thuộc vào chế độ làm
việc của trung tính và loại nhà cửa.
 Đối với các thiết bị có điện áp < 1000V thì việc có áp dụng bảo vệ
nối đất hay không là phụ thuộc vào chế độ làm việc của trung tính. Khi trung
tính cách điện đối với đất thì phải áp dụng bảo vệ nối đất còn nếu trung tính nối
đất thì thay bảo vệ nối đất bằng biện pháp bảo vệ nối dây trung tính

11/1/2015

25

3.1.5. LĨNH VỰC ÁP DỤNG BẢO VỆ NỐI ĐẤT
 Trong mạng có trung tính cách điện đối với đất điện áp < 1000V
thì tùy theo điện áp áp mà chia ra các trường hợp sau:
* Với mạng có trung tính cách điện và điện áp > 150V (như
các mạng điện 220, 380, 500...) đều phải được thực hiện nối đất trong tất
cả các nhà sản xuất và các thiết bị điện đặt ngoài trời không phụ thuộc vào
điều kiện môi trường.
* Khi mạng điện có trung tính cách điện đối với đất từ 150V đến 65V
(như mạng 110V) thì cho phép chỉ cần thực hiện nối đất:
- Cho các nhà nguy hiểm đặc biệt, nhà có khả năng dể cháy nổ.
- Cho các thiết bị điện ngoài trời.
- Cho các bộ phận kim loại mà con người có thể tiếp xúc đến như: tay
cầm, cần điều khiển, thiết bị điện.
* Khi điện áp < 65V cho phép không cần thực hiện nối đất bảo
vệ trừ các trường hợp đặt biệt.

26

11/1/2015

13


3.1.6. TÍNH ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT
 Nối đất tự nhiên là sử dụng các ống dẫn nước, các cọc sắt,
các sàn sắt có sẵn trong đất. Hay sử dụng các kết cấu nhà
cửa, các công trình có nối đất, các vỏ cáp trong đất ...làm điện
cực nối đất.
Khi xây dựng vật nối đất cần phải sử dụng, tận dụng
các vật nối đất tự nhiên có sẵn. Điện trở nối đất của các vật
nối đất tự nhiên được xác định bằng cách đo tại chổ hay có thể lấy
theo các sách tham khảo.
 Nối đất nhân tạo thường được thực hiện bằng các cọc thép tròn, thép
góc, thép ống, thép dẹt ... dài 2 - 5m chôn sâu xuống đất sao cho đầu trên
cùng của chúng cách mặt đất 0,5 - 0,8m.

11/1/2015

27

3.1.6. TÍNH ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT
 Điện trở nối đất nhân tạo được thực hiện khi nối đất tự nhiên đo

được không thoả mãn điện trở nối đất cho phép lớn nhất [Rcpmax]
của trang bị nối đất.
 Điện trở nối đất nhân tạo được tính theo biểu thức:

1
1
1


R nt
R cp . max R tn

 R nt 

R cp max . R tn
R tn  R cp max

14


3.1.6. TÍNH ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT
 Điện trở nối đất nhân tạo gồm hệ thống điện cực thẳng

đứng và điện cực ngang được xác định:

R c .R th
R c  R th

R nt 

Trong đó: Rc, Rth là điện trở khuếch tán dòng điện của hệ thống 1
điện cực thẳng đứng và 1 điện cực ngang vào trong đất (các công
thức sau)

3.1.6. TÍNH ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT
 Đối với điện cực nối đất đơn giản: công thức xác định điện trở tản ở
tần số công nghiệp của một số dạng điện cực thường dùng

 tt  k m  do

Điện trở suất tính toán của đất:

Cọc chôn nổi:

Cọc chôn chìm:

Rc 

Rc 

 tt
4l
ln
2 l
d
 tt
2l 1 4t  l
(ln  ln
)
2 l
d 2 4t  l

t  t0  l

30

2
11/1/2015

15


3.1.6. TÍNH ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT
d
2

Thanh chôn chìm:

Rt 

 tt
l
ln
2 l dt 0

dang tròn

b
b

Thanh hình xuyến chôn chìm:

 tt

8D
D
RV 
(ln
 ln
)
2 . D
d
4t0

Rt 

Thanh có hình dáng đặc biệt:

dang góc
d=0,95b

 tt
kL2
ln
2 L dt 0

dang dẹp
d=0,5b

31

Hệ số thanh đặc biệt k
Sô ñoà boá trí thanh

K

Sô ñoà boá trí thanh

1

l1/l2

K

1

5,53

1,27

1,5

5,85

1,46

2

6,42

3

8,17

4

10,4

l1

2,36

8,45

l2

19,2

16


3.1.6. TÍNH ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT
 Quá trình tản dòng điện trong đất ở điện cực nào đó sẽ bị hạn chế
bởi quá trình tản dòng điện cực từ các điện cực lân cận, do đó làm tăng
chỉ số điện trở nối đất ảnh hưởng này được tính bằng việc đưa vào công thức
xác định điện trở nối đất một hệ số gọi là hệ số sử dụng η
 Hệ số sử dụng phụ thuộc vào vào loại điện cực, số lượng và cách bố trí
chúng. Nó có thể tra cứu trong các bảng số hoặc các đường cong cho trong các
tài liệu hướng dẫn.

Xét tổ hợp thanh và cọc
…
cọc

n

R c Rt

n c  t
Rc  Rt
Rth 

Rc
Rt
Rc t  Rt  n   c

n c  t

Rc, Rt: điện trở của từng cọc riêng lẻ và thanh.
ηc,ηt hệ số sử dụng của cọc và thanh trong tổ hợp

33

3.1.7. CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
 Mục đích tính toán nối đất là xác định hình thức nối đất thích hợp
(nối đất tập trung hay mạch vòng), xác định các thông số chủ
yếu của hệ thống nối đất (như số lượng, hình dáng cọc, các
thanh) xuất phát từ trị số điện trở nối đất tiêu chuẩn và các điều kiện cụ
thể nơi cần lắp đặt.
 Trong các điều kiện cho phép cần thực hiện nối đất theo
nối đất mạch vòng. Tuy vậy trong các mạng có dòng chạm đất bé
nếu điều kiện lắp đặt mặt bằng bị hạn chế thì có thể cho phép nối
đất tập trung. Với các mạng có dòng chạm đất lớn bắt buộc
phải thực hiện nối đất mạch vòng.

Ngoài ra phải thực hiện cân bằng thế (để
giảm điện áp tiếp xúc và điện áp
bước) trong các mạng điện có dòng
chạm đất lớn này người ta thường
đặt thêm các thanh nối ngang ở
ngay phía dưới các thiết bị có độ sâu
từ 0,5-0,7m dưới dạng mặt lưới.
34

11/1/2015

17


3.1.7. CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
B1. Thu thập số liệu
 Loại mạng điện cung cấp
 Xác định vị trí và điện trở suất của vùng đất sẽ thực hiện nối đất bảo
vệ….
B2. Xác định điện trở nối đất yêu cầu Rcp Dựa vào quy phạm:
* Khi U < 1000V thì Rcp ≤ 4Ω trong mọi trường hợp,
Rcp ≤ 10Ω chỉ cho mạng điện nông thôn công cộng nếu
S ≤ 100kVA, Cầu chì đặt ở đầu vào ≤ 25A .
Nối đất lặp lại dây trung tính 380/220V thì Rcp ≤ 10Ω.
•Khi U > 1000V: nếu Iđ < 500A thì Rcp ≤ 10Ω
nếu Iđ > 500A thì Rcp ≤ 0,5Ω và yêu cầu phải có35Rnt ≤ 1Ω

Rcp của nối đất cột điện
 Trong các mạng điện, điện áp < 1000V có trung tính cách điện,
các cột thép và bê tông cốt thép phải có điện trở nối đất không

quá 50 Ω..

36

11/1/2015

18


B3. Xác định điện trở nối đất nhân tạo. Nếu có điện trở nối
đất tự nhiên thì tiến hành xác định Rtn rồi áp dụng công thức
tính Rnt

B4. Xác định điện trở suất tính toán của đất

B5. Dự kiến các loại điện cực dùng trong hệ thống nối đất sau
đó áp dụng công thức tính toán điện trở nối đất .
11/1/2015

37

3.1.7. CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
B6. Tính số lượng cọc dự kiến n = R/ Rcp nếu Rtt< Rcp
B7. Tra hệ số sử dụng của cọc  n = R/ ηRcp (chú ý a/l ≥1)
B8. Chọn thanh nối và tính điện trở thanh nối
B9. Tính điện trở tổ hợp cọc và thanh nối
B10. Kiểm tra:

RHT ≤ Rcp → Chuyển sang B11.
RHT > Rcp → Tăng số cọc lên và chuyển đến B7

38

11/1/2015

19


3.1.7. CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
B11. Vẽ mặt bằng, mặt cắt của hệ thống nối đất và hình vẽ hướng dẫn thi công,
lắp đặt
B12. Lắp đặt

B13. Kiểm tra, Sử dụng dụng cụ đo điển trở nối đất để đo
11/1/2015

39

Hệ số sử dụng của cọc ηc và thanh ngang ηt

20


Hệ số sử dụng của cọc ηc và thanh ngang ηt

11/1/2015

41

3.1.7 Thiết bị đo điện trở nối đất

21


3.1.7 Thiết bị đo điện trở nối đất

Ví dụ tính toán hệ thống an toàn nối đất cho tòa nhà
Tòa nhà được xây dụng trên nền đất thịt nên ta chọn điện trở suất của đất ρd =
0,6*104 (Ωcm), tra hệ số thời tiết Km =1,2, ta có điện trở suất tính toán của
đất: ρtt = km *ρd= 1,2*0,6*104 = 0,72*104 (Ω.cm).
 Sử dụng cọc nối đất là cọc thép mạ đồng Ø18 dài lc = 2,5m, chôn sâu 0,8m.

Dây nối đất sử dụng cáp đồng trần 120 mm2 và đặt theo mạch kín.
 Ta có điện trở của 1 cọc:

Rc 

tt
2l 1 4t  lc
(ln c  ln
)
2 lc
d 2 4t  lc

t  t0  l  0,8  2,5 / 2  2, 05m  205cm
2
0, 72*104
2  250 1 4  205  250
Rc 
(ln

 ln
)  27, 25
2  250
1,8
2 4  205  250

22


Ví dụ tính toán hệ thống an toàn nối đất cho tòa nhà

Theo quy phạm nối đất, nối không cho các thiết bị điện đối với các
thiết bị điện hạ áp (U=380V) thì điện trở nối đất Rcp ≤ 4(Ω).
Như vậy số cọc lý thuyết là : nlt = Rc/4 = 27,25/4= 6,81 cọc
Chọn khoảng cách giữa các cọc a = 3m  a/l = 3/2,5 = 1,2
Tra bảng để có hệ số sử dụng cọc tra ô: a/l = 1 và n = 7 thì ta có ηc
= (0,62 + 0,58)/2 = 0,6,
Như vậy số cọc nối đất sơ bộ :
n = Rc/ ηc Rcp = 27,25/(0,6*4) = 10,48 cọc
Chon n =10 cọc tra hệ số sử dụng thì ta có ηc = 0,55
- Chọn dây nối đất sử dụng cáp đồng trần 120 mm2
Bố trí lưới nối đất dạng chữ nhật thành 2 hàng mỗi hàng 5 cọc
Tra bảng hệ số hình dáng ta có k = 5,53

Ví dụ tính toán hệ thống an toàn nối đất cho tòa nhà
Điện trở của thanh là:

Rt 

tt

kL2
ln
2 L dt0

d  2* 120 /   12, 4mm  1, 24cm
L = 13*3 = 39m = 3900cm

0, 72.104 5,53*39002
Rt 
ln
 4, 01
2 *3900
1, 24*80
Tra bảng ta có hệ số sử dụng thanh nối là ηt = 0,34

RHT

RC Rt
27, 25 4, 01
*
*
nC t
10*0,55 0,34


 3, 48  4
RC Rt
27, 25
4, 01



nC t 10*0,55 0,34

23


Ví dụ tính toán hệ thống an toàn nối đất cho tòa nhà
Sơ đồ bố trí hệ thống nối đất
3m

3m

2,5m

Hệ thống nối đất của một trạm biến áp cấp điện cho thiết bị điện hạ áp nên là một hệ
thống nối đất chung cho các thiết bị điện cao áp và hạ áp và phải nối vào đó các đối tượng
sau đây:(TCVN9358-2012) điều kiện Rđ < 1Ω)

48

11/1/2015

24


11/1/2015

49

3.1.8. PHẠM VI ÁP DỤNG VÀ 1 SỐ ĐIỀU CẦN LƯU Ý

KHI THỰC HIỆN BẢO VỆ NỐI ĐẤT
1. Phạm vi ứng dụng
Phạm vi áp dụng
Mạng cao áp
(U>1000V)
Mọi loại mạng điện
đều phải áp dụng

Mạng hạ áp
(U≤1000V)
Mạng TT nối đất

Mạng TT cách điện

Dùng BVNDTT

Khi điện áp ≥ 150V
Tất cả TB pải NĐ
Khi điện áp < 150V
+ N.Xưởng nguy hiểm về ATĐ
+ N.Xưởng nguy cơ cháy nổ cao

50

11/1/2015

+ Các thiết bị đặt ngoài trời

25