Tính toán điện trở của cọc nối đất trong cấu trúc đất nhiều lớp có xét đến thành phần cải tạo đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
WX

LÝ TRƯỜNG SƠN

TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ CỦA CỌC NỐI ĐẤT
TRONG CẤU TRÚC ĐẤT NHIỀU LỚP CÓ XÉT
ĐẾN THÀNH PHẦN CẢI TẠO ĐẤT

CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ , MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH
: 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH , THÁNG 07 NĂM 2006


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học

: TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 1: ...............................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...............................................................

Luận văn thạc só được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Ngày tháng

năm 2006


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học cao học tại trường Đại học Bách Khoa
thành phố Hồ Chí Minh, nhờ sự dạy dỗ tận tình của các thầy cô ,
tôi đã hoàn thành chương trình và luận văn cao học . Kiến thức có
được đã giúp tôi ứng dụng được nhiều vào trong công việc.
Xin cho tôi được tri ân với TS. Hồ Văn Nhật Chương ,thầy đã tận
tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp đại học trước
đây và đến nay là luận văn thạc só .
Xin chân thành cám ơn đến gia đình và bạn bè đã giúp đỡ tôi
trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Cuối cùng tôi xin chúc sức khỏe đến tất cả q thầy cô ,gia đình và
bạn bè.


PHAN
PHẦÀN I
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN


PHAN

P
HẦN II
II
PHẦ
PHẦ
NGHIÊ
N TỔN
NG
CỨ
KẾ
UT
ĐI SÂU PHÁT TRIỂN


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
-----o0o-----

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
----W—X---TP.HCM, ngày

tháng

năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: LÝ TRƯỜNG SƠN
Phái:
Nam.
Ngày, tháng, năm Sinh : 02/01/1975
Nơi sinh: Quảng
Ngãi.
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Mã số
học viên: 01804507
I- TÊN ĐỀ TÀI:
TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ CỦA CỌC NỐI ĐẤT TRONG CẤU TRÚC
ĐẤT NHIỀU LỚP CÓ XÉT ĐẾN THÀNH PHẦN CẢI TẠO ĐẤT.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
PHẦN I : TỔNG QUAN
Chương 1: Các vấn đề về an toàn trong các xí nghiệp công
nghiệp , hệ thống điện.
Chương 2:Phân tích các thông số ảnh hưởng lên hệ thống nối
đất.
Chương 3:Các mô hình toán học của hệ thống nối đất có và
khi không có xét đến thành phần cải tạo đất.
Chương 4:Chương trình tính toán và kết quả so sánh với một số
chương trình khác..
Chương 5: Áp dụng tính toán cho một số bài toán cụ thể .Các
biện pháp .Kết luận.
PHẦN II : TỔNG KẾT
Chương 6: Kết luận và kiến nghị.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16/01/2006
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: / /2006
V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TIẾN SĨ .HỒ VĂN
NHẬT CHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN

NGÀNH

TS .HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng Chuyên
Ngành thông qua.
Ngày
tháng
năm
2006


TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
LÝ NGÀNH

TRƯỞNG KHOA QUẢN

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Vấn đề nối đất và thực hiện một hệ thống nối đất nói chung và nối đất cho
một công trình nào đó , một trạm biến áp cao áp nói riêng đã được áp dụng trong
hệ thống điện từ rất lâu.
Trong một số trường hợp ,khi khuôn viên của một công trình hoặc một trạm có
kích thước giới hạn hoặc ở các vùng đất có điện trở suất khá cao thì việc làm
giảm thấp giá trị điện trở nối đất cũng như làm giảm các giá trị điện áp bước và
điện áp tiếp xúc gặp nhiều khó khăn . Việc làm giảm điện áp bước và điện áp
tiếp xúc trong trạm biến áp cao áp bằng cách hiệu chỉnh lưới nối đất gắng liền

với việc làm tăng khối lượng kim loại màu làm hệ thống nối đất. Như vậy ,làm
thế nào để giảm nhỏ các giá trị điện áp bước và điện áp tiếp xúc đạt đến các giá
trị cho phép theo tiêu chuẩn an toàn quốc tế mà đảm bảo được chi phí trên kim
loại màu để thực hiện hệ thống nối đất là bé nhất .
Ở Công ty Điện lực Thành Phố Hồ Chí Minh , trong điều kiện qui mô lưới điện
phát triển liên tục , nhu cầu điện năng tăng rất nhanh , do đó một số trạm biến
áp cao thế phải đưa sâu vào trung tâm phụ tải nên mặt bằng chật hẹp , diện tích
trạm thường rất nhỏ bé nên vấn đề đảm bảo nối đất ,cân bằng thế ở một số trạm
cao thế còn gặp nhiều khó khăn. Đây là một vấn đề lớn của Công ty điện lực
TPHCM. Tương tự như thế, đa số công trình xây dựng nằm trong thành phố với
diện tích thực hiện hệ thống nối đất rất nhỏ bé, để đạt được giá trị điện trở cho
phép, cũng cần phải có một số biện pháp tương ứng . Với mong muốn góp một
phần nhỏ để giải quyết các vấn đề trên và cũng chính là mục tiêu của đề tài đề
ra.


Trong luận văn này, tôi đã xây dựng được công thức toán học mới để tính toán
điện trở của cọc nối đất trong cấu trúc đất nhiều lớp có xét đến thành phần cải
tạo đất. Đồng thời đề xuất phương pháp tính toán mới cho hệ thống nối đất đơn
giản .

ABSTRACT
Ground and making generally a ground system and grounding for some
Constructions, in particular a high voltage Substation ,have applied in electric
systems a long time.
In some case, when Contructions area or a Substation have limits or a field have
large resistivity then to decrease ground resistance value as same as to decrease
step voltage and reach voltage have very difficult .To make to decrease step
voltage and reach voltage in high voltage Substation same to regulation ground
systems to strive with make amount of metals for grounding system . Then, how

make to decrease step voltage and reach voltage have limits for standard safety
which to determine the level of spending on metals on performed smallest
ground systems.
At Ho Chi Minh City Power Company, in condition, development systems grid
electric , increasing to demand electric. Hence , several high voltage Substations
have pushed in load central become a narrow fields, Substation area trend to
wards smaller, to become good ground , balance the potential at a several high
voltage Substations have very difficults. That is the big problems of Ho Chi Minh
City Power Company. In addition, a lot of Constructions in the city with smaller
area the ground system, have resistances value limits, also needed the same
correclative. Wishes us small participate in to solse problems and main target of
this subjects.
In this essay, I have built the equation for calculating the earth resistance of a
deep_driven rod in a multi_layer earth structure with Ground Enhancing


Material. In addition, to promote a new method for calculation of earth resistance
for simples ground systems.

MỤC LỤC
&&&

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
LỜI CẢM ƠN
TÓM TẮT LUẬN VĂN
MỤC LỤC

PHẦN 1 : PHẦN TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1 : CÁC VẤN ĐỀ VỀ AN TOÀN TRONG CÁC XÍ NGHIỆP
CÔNG NGHIỆP, HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Giới thiệu

1

1.2 Các vấn đề cơ bản về an toàn điện

2

1.2.1 Hiện tượng dòng điện đi trong đất

2

1.2.2 Điện áp tiếp xúc

6

1.2.3 Điện áp bước

7

1.3 An toàn trong các mạng điện đơn giản

10

1.3.1 Mạng điện cách điện đối với đất

10

1.3.2 Mạng điện có một cực hay một pha nối đất

12

1.3.2.1 Mạng điện một dây

12

1.3.2.2 Mạng điện hai dây

13

1.3.3 Mạng điện cách điện đối với đất có điện dung lớn

14

CHƯƠNG 2 : PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ
THỐNG NỐI ĐẤT


2.1 Giới thiệu

18

2.2 Các thông số ảnh hưởng lên hệ thống nối đất

19

2.2.1 Điện trở nối đất

19

2.2.2 Điện trở suất của đất

20

2.2.3 Hình dáng của các vật nối đất

23

2.2.3.1 Cọc nối đất hình ống hay hình thanh chữ nhật

23

2.2.3.2 Vật nối đất hình thanh mỏng

24

CHƯƠNG 3 : CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CÓ
VÀ KHI KHÔNG CÓ XÉT ĐẾN THÀNH PHẦN CẢI TẠO ĐẤT
3.1 Tính toán điện trở của cọc nối đất trong cấu trúc đất nhiều lớp

25

3.1.1 Tóm tắt

25

3.1.2 Các công thức cơ bản

26

3.1.2.1 Mô hình đất 2 lớp xếp thành tầng theo phương ngang

26

3.1.2.2 Mô hình đất 3-5 lớp xếp dạng tầng

29

3.1.2.3 Mô hình đất N lớp

31

3.1.2.4 Thành phần dòng điện

33

3.1.3 Tính toán điện trở đất

33

3.1.3.1 Các công thức tính toán điện trở đất

33

3.1.3.2 Minh hoạ bằng một số ví dụ cụ thể

34

3.1.4 Kết luận của tác giả về bài báo này

40

3.1.5 Quan hệ giữa điện trở đất và độ chôn sâu của cọc nối đất

40

3.2 Tính toán điện trở của cọc nối đất trong cấu trúc đất nhiều lớp (khi có xét
đến thành phần cải tạo đất

44

CHƯƠNG 4 : CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN VÀ KẾT QUẢ SO SÁNH VỚI
MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH KHÁC
4.1 Giới thiệu

54

4.2 Lập dữ liệu để tính toán

54


4.3 Phương pháp tính toán mới cho hệ thống nối đất đơn giản

62

CHƯƠNG 5 : ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO MỘT SỐ BÀI TOÁN CỤ THỂ.
CÁC BIỆN PHÁP. KẾT LUẬN
5.1 Áp dụng tính toán cho một số bài toán cụ thể

70

5.2 Các biện pháp

71

5.3 Kết luận

72

PHẦN II : PHẦN TỔNG KẾT
CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1 Kết luận

73

6.2 Kiến nghị

73

PHỤ LỤC
Phụ lục A
Các chương trình tính toán sử dụng phần mềm Matlab được save
dưới dạng file .m

75

Phụ lục B
Hướng dẫn sử dụng phần mềm “Numerical_Method” phần xử lý
số liệu thực nghiệm

110

Các kết quả nhận được sau khi nhập dữ liệu trong 14 bảng kết quả
từ bảng 4.1 đến bảng 4.14
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TÓM TẮT LÝ LỊCH HỌC VIÊN

116


TÓM TẮT LÝ LỊCH HỌC VIÊN
Họ và tên : LÝ TRƯỜNG SƠN

Phái : nam

Ngày sinh : 02 – 01 - 1975

Nơi sinh : Quảng Ngãi

Địa chỉ liên lạc : 1/8/47/32 Khu phố 4,đường Phan Văn Hớn ,Phường Tân
Thới Nhất, Quận 12
Điện thoại

: 2505143- 0903733481

Quá trình đào tạo :
-

Từ nhỏ ÷ 1993 : Học sinh phổ thông

-

Từ 1993 ÷ 1998 : Sinh viên khoa Điện-Điện tử – Trường đại học Bách
Khoa thành phố Hồ Chí Minh.

-

Từ 2004 đến nay học viên cao học khóa 15 - ngành Thiết bị mạng và nhà
máy điện – trường Đại Học Bách Khoa T.P. Hồ Chí Minh

Quá trình công tác :
-

Từ tháng 05/1998 đến nay : Công tác tại Công ty TNHH SX & TM Thiết
bị điện Tuấn Ân TP.HCM


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

CHƯƠNG 1
CÁC VẤN ĐỀ VỀ AN TOÀN TRONG CÁC XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP,
HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1 GIỚI THIỆU
Khoa học hiện nay đã phân tích tương đối đầy đủ về tác hại của dòng điện vào
cơ thể con người. Dựa trên số liệu lấy ở các trường hợp tai nạn đối với con
người, người ta đã có khái niệm đầy đủ về tác hại sinh lí do dòng điện gây nên
mà qua đó tổ chức việc vận hành hệ thống điện được an toàn. Các trường hợp

chấn thương trong sản xuất nói chung thì chấn thương nặng hoặc chết người phần
lớn là do bị điện giật.
Theo tài liệu khảo sát của các nước trên thế giới cho thấy rằng trong tổng số
trường hợp tai nạn vì điện giật có 76,4% trường hợp chết người hoặc thương vong
nặng xảy ra ở các mạng điện áp dưới 1000V và 23,6% xảy ra ở mạng điện có
điện áp trên 1000V.
Khi phân loại nạn nhân do điện giật cho thấy rằng :
-

Những nạn nhân làm việc trong ngành điện bị điện giật :42,2%

-

Những nạn nhân không có chuyên môn về điện bị tai nạn điện giật :57,8%

Phân loại theo nguyên nhân bị điện giật:
1.1.1 Chạm trực tiếp vào dây dẫn điện hay các phần có điện chạy qua 55,9%
trong đó :
-

Chạm vào dây dẫn điện không phải do công việc yêu cầu phải tiếp xúc

với dây dẫn điện : 30,6%
-

Chạm vào dây dẫn điện do yêu cầu công việc phải tiếp xúc với dây dẫn

điện : 1,7%
-

Đóng nhầm điện lúc đang tiến hành sửa chữa kiểm tra : 23,6%

1.1.2 Chạm vào bộ phận kim loại của thiết bị có mang điện áp : 22,8%
Trang 1


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

trong đó:
-

Lúc không có nối đất : 22,2%

-

Lúc có nối đất : 0,6%

1.1.3 Chạm phải vật không phải bằng kim loại có mang điện áp (tường ,các vật
cách điện ,nền nhà ...) : 20,1%
1.1.4 Bị chấn thương do hồ quang lúc thao tác thiết bị : 1,12%
1.1.5 Bị chấn thương do cường độ điện trường cao ở trong môi trường hay trạm
biến áp siêu cao áp :0,08%
Phần lớn các trường hợp chấn thương về điện là do chạm phải vật dẫn điện hoặc
vật có điện áp xuất hiện bất ngờ và thường xảy ra với người không có chuyên
môn.
Nguyên nhân chính của tai nạn về điện là do trình độ quản lý chuyên môn chưa
tốt, do vi phạm qui trình kỉ thuật an toàn , như đóng điện lúc có người đang sửa
chữa , thao tác vận hành thiết bị điện không đúng qui định.

Chấn thương do dòng điện gây nên thường xảy ra ở các mạng điện 380/220V,
220/127V. Ở các mạng điện này những cán bộ kỉ thuật ,quản đốc phân xưởng
thường không đánh giá đúng mức độ nguy hiểm của chúng .Do đó chưa tổ chức
tốt cho những người không có chuyên môn về điện học tập nội qui an toàn điện
một cách chu đáo để đề ra các biện pháp ngăn ngừa tai nạn tích cực trong đó có
bảo vệ nối đất...
1.2 CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ AN TOÀN ĐIỆN:
1.2.1 Hiện tượng dòng điện đi trong đất :
Khi cách điện của thiết bị điện bị chọc thủng sẽ có dòng điện chạm đất ,dòng
điện này đi vào đất trực tiếp hay qua một cấu trúc nào đấy. Về phương diện an
toàn mà nói, dòng điện chạm đất làm thay đổi cơ bản trạng thái của mạng ñieän

Trang 2


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

(điện áp giữa dây dẫn và đất thay đổi , xuất hiện các thế hiệu khác nhau giữa
các điểm trên mặt đất gần chổ chạm đất). Dòng điện đi vào đất sẽ tạo nên ở
điểm chạm đất một vùng dòng điện rò trong đất và điện áp trong vùng này phân
bố theo một định luật nhất định . Để đơn giản việc nghiên cứu hiện tượng này
giả thiết dòng điện chạm đất đi vào đất qua một cực kim loại hình bán cầu. Đất
có tính chất thuần nhất và có điện trở suất ρ tính bằng Ω.cm. Như thế có thể xem
như dòng điện tản đi từ tâm hình bán cầu tỏa ra theo đường bán kính .
Trên cơ sở lí thuyết tương tự, chúng ta có thể xem trường của dòng điện đi trong
đất giống dạng trường trong tónh điện, nghóa là tập hợp những đường sức và
đường đẳng thế của chúng giống nhau.
Đại lượng cơ bản trong điện trường của môi trường dẫn điện là mật độ dòng điện

j. Vectơ này có hướng theo hướng của vectơ cường độ điện trường E.
Phương trình để khảo sát điện trường trong đất là phương trình theo định luật ôm
dưới dạng vi phân :
j=γE
hay

(1.1)

E=ρj

Ở đây : γ - điện dẫn suất của đất;
ρ - điện trở suất của đất;
E – điện áp trên một đơn vị chiều dài dọc theo đường đi của dòng điện(cường độ
điện trường trong đất)
Mật độ của dòng điện tại điểm cách tâm bán cầu là x bằng :
j=

Id
2πx 2

(1.2)

Ở đây : Id – dòng điện chạm đất.
Điện áp trên một đoạn vô cùng bé dx dọc trên đường đi của dòng điện :

Trang 3


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

du = Edx = jρdx =

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

Id
ρdx
2πx 2

(1.3)

Điện áp một điểm A nào đấy cũng là hiệu số điện áp giữa điểm A và điểm vô
cùng (điện áp của điểm vô cùng có thể xem như bằng không ) bằng :
ϕA = U A =

Id ρ
2πx A

(1.4)

Nếu dịch chuyển điểm A đến gần mặt của vật nối đất chúng ta có điện áp cao
nhất đối với đất:
Ud =

Id ρ
2πx d

(1.5)

Ở đây : xd – bán kính của vật nối đất hình bán cầu
Đem chia (1.4) cho (1.5), ta có:

x
U A xd
hayU A = U d d
=
xA
Ud
xA

Thay tích số của các hằng số Ud xd bằng K chúng ta có phương trình hypecbol
sau:
UA = K

1
xA

Như thế sự phân bố điện áp trong vùng dòng điện rò trong đất đối với điểm xa
vô cùng ngoài vùng dòng điện rò có dạng đường hypecbol.

Trang 4


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

Hình 1.1: Đường cong chỉ sự phân bổ điện áp của các điểm trên mặt đất lúc có
chạm đất.
Đường phân bố điện áp trên gọi là đường thế hiệu.
Tại điểm chạm đất trên mặt của vật nối đất chúng ta có điện áp đối với đất là
cực đại , có nghóa là điện áp giữa vật nối đất với những điểm của đất ở ngoài

vùng dòng điện rò.
Thí nghiệm cho thấy sự phân bố điện áp trên mặt đất gần vật nối đất có dạng
gần giống đường hypecbol (Hình 1.1).
Không riêng gì vật nối đất có dạng hình bán cầu mà ngay đối với các dạng khác
của vật nối đất như hình ống ; hình thanh chữ nhật , cũng như dây điện rơi xuống
đất cũng có sự phân bố điện áp gần giống hình hypecbol. Sở dó tình trạng phân
bố điện áp trong các trường hợp đều tương tự như nhau là do đặt điểm vật dẫn
điện là Trái đất. Đất ở gần vật nối đất có điện trở cực đại đối với dòng điện vì ở
đấy dòng điện phải đi qua một tiết diện bé cho nên tại những điểm đó điện áp
giáng lớn nhất.
Chúng ta dùng cách đo trực tiếp điện áp từng điểm và vẽ thành đường cong
phân bố điện áp đối với đất trong vùng dòng điện tản trong đất (Hình 1.2).

Hình 1.2: đường cong phân bố điện áp đối với đất trong vùng dòng điện tản trong
đất
Trang 5


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

Trong vùng gần 1 mét cách vật nối đất có độ 68% điện áp rơi . Những điểm trên
mặt đất nằm ngoài 20 mét cách chổ chạm đất thực tế có thể xem như ngoài vùng
dòng điện nguy hiểm hay còn gọi là những điểm có điện thế bằng không – đất.
Trong khoảng cách nói trên điện áp rơi trên 1 mét không vượt quá 1V.
Trong khi đi vào đất dòng điện tản bị điện trở của đất cản trở . Điện trở này gọi
là điện trở tản hay gọi là điện trở của vật nối đất.
Điện trở của vật nối đất chúng ta sẽ hiểu là tỉ số giữa điện áp xuất hiện trên vật
nối đất với dòng điện chạy qua vật nối đất vào đất :

Rd = Ud /Id
1.2.2 Điện áp tiếp xúc :
Trong quá trình tiếp xúc với thiết bị điện nếu có mạch điện khép kín qua người
thì điện áp giáng trên người lớn hay nhỏ tùy thuộc vào các điện trở khác mắc nối
tiếp với thân người(điện trở của giăng, ủng, thảm cách điện, nền nhà...)
Phần điện áp đặt vào thân người gọi là điện áp tiếp xúc (Utx)
Vì chúng ta nghiên cứu an toàn trong điều kiện chạm vào một cực(một pha) là
chủ yếu nên có thể xem điện áp tiếp xúc là thế giữa hai điểm trên đường đi của
dòng điện mà người có thể chạm phải. Ví dụ giữa vỏ thiết bị và chân của người.
Trên hình 1.3 vẽ hai động cơ, vỏ các động cơ này nối với vật nối đất có điện Rd .
Trên vỏ thiết bị 1 bị chọc thủng cách điện của một pha.
Trong trường hợp này vật nối đất và vỏ các thiết bị điều mang điện áp đối với
đất là:
Ud = IdRd
đây :Id –dòng điện qua vật nối đất.
Người chạm vào bất kỳ động cơ nào cũng đều có thể là Ud . Mặt khác thế ở chân
người Uch phụ thuộc khoảng cách từ chỗ đứng đến vật nối đất.

Trang 6


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

Hình 1.3 . Điện áp tiếp xúc
Kết qủa là người bị tác dụng của hiệu số điện Ud và Uch .
Utx= Ud – Uch
Như vậy điện áp tiếp xúc phụ thuộc vào khoảng cách từ vỏ thiết bị được nối đất
đến vật nối đất và mức độ cân bằng thế.

Vì thế của mặt đất càng giảm khi càng xa vật nối đất cho nên ở khoảng cách từ
20m trở lên điện áp tiếp xúc có thể xem như bằng Ud .
Utx =Ud
Trường hợp chung có thể biểu diễn điện áp tiếp xúc như sau:
Utx =αUd

(1.6)

đây :α hệ số tiếp xúc (α<1).
Trong thực tế điện áp tiếp xúc luôn luôn bé hơn điện áp giáng trên vật nối đất
(dây chạm đất).
Điện áp tiếp xúc cho phép không tiêu chuấn hoá.
1.2.3 Điện áp bước
Trên hình 1.4 vẽ sự phân bố thế của các điểm trên mặt đất lúc có một pha chạm
đất hoặc một thiết bị (động cơ) nào đó bị chọc thủng cách điện.
Trang 7


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

Hình 1.4 .Điện áp bứơc
Điện áp đối với đất ở chỗ trực tiếp chạm đất:
Ud =Idrd
rd - điện trở tản ở chỗ chạm đất.
Điện áp của các điểm trên mặt đất đối với đất ở cách xa chỗ chạm đất từ 20m
trở lên có thể xem bằng không.
Những vòng tròn đồng tâm(hay mặt phẳng) mà tâm điểm là chỗ chạm đất chính
là các vòng tròn đẳng thế (hay mặt phẳng đẳng thế). Khi người đứng trên mặt

đất thì hai chân thường ở hai vị trí khác nhau cho nên người sẽ bị một điện áp
nào đấy tác dụng.
Điện áp đặt giữa hai chân người do dòng điện chạm đất tạo nên gọi là điện áp
bước Ub .

Trang 8


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

Có thể tính điện áp bước theo biểu thức sau :
U b = U x − U x+a =

Iρ a
2πx x + a

(1.7)

đây : a- độ dài của bước chân (0,4I0,8m);
x- khoảng cách đến chỗ chạm đất.
Ví dụ
Tính điện áp bước Ub lúc người đứng cách chỗ chạm đất (vật nối đất) x=2200cm
và dòng điện chạm đất Id =1000A( dòng điện qua vật nối đất). Điện trở suất của
đất ρ=104Ω.cm.
1000.80.10 4
Ub =
= 25,4V
2π .2200.2280

Từ phương trình (1.7) chúng ta thấy rằng càng đứng cách xa chỗ chạm đất (vật
nối đất) trị số điện áp bước càng bé.
Ở khoảng cách xa chỗ chạm đất từ 20m trở lên có thể xem điện áp bước bằng
không.
Điện áp bước có thể bằng không mặc dầu người đứng gần chỗ chạm đất nếu hai
chân người đều đặt trên vòng tròn đẳng thế(ví dụ hai điểm A và B)
Như vậy sự phụ thuộc đối với khoảng cách đến chỗ chạm đất của điện áp bước
hoàn toàn trái hẳn với điện áp tiếp xúc.
Ví dụ trên chỉ rõ điện áp bước có trị số khá lớn, mặc dù không tiêu chuẩn hoá
điện áp bước nhưng để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người, quy phạm quy định
là khi có xảy ra chạm đất phải cấm người đến gần chỗ bị chạm với khoảng cách
sau:
Từ 4I5m đối với thiết bị trong nhà

Trang 9


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

8I10m đối với thiết bị ngoài trời
Như trên đã nói điện áp tiếp xúc người ta không tiêu chuẩn hoá mà chỉ tiêu
chuẩn hoá điện áp đối với đất. Đây là điện áp ứng với dòng điện chạm đất tính
toán đi qua đất trong bất cứ thời gian nào của năm đều không được vượt quá trị
số 250V đối với điện áp trên 1000V và 40V đối với điện áp dưới 1000V.
Về điện áp bước cho phép cũng không tiêu chuẩn hoá nhưng không nên cho
rằng điện áp bước không nguy hiểm đến tính mạng con người. Dòng điện qua
hai chân người ít nguy hiểm hơn vì nó không đi qua cơ quan hô hấp, tuần hoàn.

Nhưng với trị số điện áp bước khoảng 100 - 250V các cơ bắp con người có thể bị
co giật làm người ngã xuống và lúc đó sơ đồ nối điện đã thay đổi(dòng điện đi từ
chân qua tay).
1.3 AN TOÀN TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN
Mạng điện đơn giản là mạng điện một chiều và mạng điện xoay chiều 1 pha.
1.3.1 Mạng điện cách điện đối với đất
Trên hình vẽ 1.5 vẽ mạng điện cách điện đối với đất điện áp dưới 1000V. Khi
người chạm vào một cực của mạng điện sẽ tạo nên một mạch kín vì cách điện
của mạng điện không bao giờ đạt lí tưởng cho nên r1 và r2 không phải bao giờ
cũng có trị số vô cùng lớn cho nên giữa mạng điện và đất có trị số điện dẫn nào
đó.
Theo sơ đồ đẳng trị ta có (hình 1.5b)
r1' =

Rng r1

(1.8)

Rng + r1

Dòng điện tổng của mạch điện I0:
I0 =

U
r + r2

(1.9)

'
1

Trang 10


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

Hình 1.5 .Chạm vào một cực của mạng điện hai dây
Điện áp đặt vào người:
Ung=I0.r1’

(1.10)

Dòng điện qua người:
I ng =

U ng

=

Rng

Ur1'
Rng (r1' + r2 )

(1.11)

Thay trị số r1’ vào phương trình (1-11), ta có :
I ng =

U ng
Rng

=

Ur1
Rng (r1 + r2 ) + r1 r2

(1.12)

Giả thiết r1=r2=rcd ,ta có:
I ng =

U

(1.13)

2 Rng + rcd

đây :rcd điện trở cách điện
Từ phương trình này chúng ta thấy của vai trò cách điện đối với điều kiện an
toàn. Nếu lấy dòng điện an toàn đối với người là 0,01A thì điện trở cách điện
không được bé hơn trị số sau:
rcd ≥100U -2Rng
Ví dụ nếu ta lấy Rng=1000Ω,U=220V thì rcd ≥ 20kΩ;
Rng=1000Ω,U=440V thì rcd ≥ 42kΩ.
Trường hợp nguy hiểm nhất là khi chạm vào pha 1 mà pha đó bị chạm đất .
Trang 11

GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

Lúc đó dòng điện qua người:
I ng =

U

(1.14)

Rng

Có nghóa là giống lúc chạm vào hai cực của mạng điện như đã nói ở trên.
Trong các biểu thức (1.13), (1.14) chúng ta không xét đến điện trở của nền nhà
vì điện trở này rất bé,hoặc không tham gia trong sơ đồ. Tuy nhiên lúc chạm vào
một cực của mạng điện ý nghóa cách điện của nền nhà rất quan trọng và phải
tính đến.
I ng =

Ur1
(Rng + rn )(r1 + r2 ) + rcd

(1.15)

U
2(Rng + rn ) + rcd

(1.16)

Và nếu r1=r2 thì:
I ng =

đây :rn-điện trở của nền nhà.
1.3.2 Mạng điện có một cực hay một pha nối đất
1.3.2.1 Mạng điện một dây
Mạng điện này chỉ có một dây, còn một dây khác là đất hay là đường ray. Tàu
điện hay tàu hoả chạy bằng điện làm việc theo sơ đồ hình 1.6.

Hình1.6. Chạm vào một cực của mạng điện một daây

Trang 12


GVHD : TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

SVTH : LÝ TRƯỜNG SƠN

r0 – điện trở của nối đất làm việc;
r1 – điện trở cách điện của dây điện;
rn – điện trở của nền.
Ta có :
I ng =

Ur1
(Rng + rn )(r1 + r0 ) + r1r0

(1.17)

Nếu chúng ta xem điện trở r0 có trị số gần bằng không thì biểu thức trên có thể
viết:
I ng =

U
(Rng + rn )

(1.18)

Nếu người đứng trên đất ướt hay trên đường sắt sẽ chịu một điện áp bằng điện
áp toàn bộ của mạng điện.Vận hành mạng nói trên rất nguy hiểm vì thế phải
mắc dây dẫn trên cao cách mặt đất một khoảng cách an toàn hoặc có biện pháp
cách li dây dẫn không nối đất.
1.3.2.2 Mạng điện hai dây
Mạng điện này dùng để đo lường một pha, để cung cấp cho máy biến áp hàn hay
cung cấp cho máy biến thế điện áp dùng cho loại cầm tay (hình 1.7).
Lúc bình thường nếu chạm vào dây dẫn có nối đất thì không nguy hiểm gì vì
điện áp đặt vào người không lớn(hình 1.7a). Điện áp này được tính bằng:
Ung=Uab=Ilv.rab
đây: Ilv-dòng điện làm việc của mạng điện
rab-điện trở của đường dây ab.
Dù chạm vào điểm b ở cách xa điểm nối đất bao nhiêu,điện áp không bao giờ
lớn hơn 5% điện áp toàn mạng điện. Điều này chỉ phù hợp với tình trạng làm
việc bình thường của mạng điện ứng với dòng làm việc Ilv.
Trang 13