1. Mục đích, ý nghĩa của bảo vệ nối dây trung tính
Bảo vệ nối dây trung tính tức là nối các bộ phận không mang điện áp với dây trung tính, dây trung tính này được nối đất ở nhiều chỗ. Bảo vệ nối dây trung tính dùng thay cho bảo vệ nối đất trong các mạng điện 4 dây điện áp thấp 380/220V và 220/110V nếu trung tính của các mạng này trực tiếp nối đất.
Ý nghĩa của việc thay thế này là xuất phát từ chỗ bảo vệ nối đất cho mạng điện dưới 1kV khi trung tính có nối đất không đảm bảo điều kiện an toàn. Điều này có thể giải thích bằng ví dụ sau đây:
Lúc cách điện của thiết bị bị chọc thủng ra vỏ sẽ có dòng điện đi vào đất có biểu thức gần đúng:
Trị số dòng điện này không phải lúc nào cũng đủ để cho dây chảy của cầu chì bị chảy hay làm cho bảo vệ tác động cắt chỗ bị hư hỏng.
Ví dụ chúng ta có mạng điện 380/220V, r0 = rđ = 4 Ω.
Như vậy dòng điện đi qua đất: Iđ = 27,5 A
Với trị số dòng điện như vậy chỉ làm chảy dây chảy của loại cầu chì bé với dòng điện định mức: Iđm = 11 A
Nếu dòng điện nói trên tồn tại lâu thì trên vỏ thiết bị sẽ có điện áp bằng:
Nếu r0 = rđ, điện áp có trị số bằng nửa điện áp pha và ở điều kiện khác còn có trị số lớn hơn.
Giảm điện áp này đến mức độ an toàn bằng cách chọn đúng sự tương quan giữa r0 và rđ:
Trị số 40V là điện áp giáng trên vỏ thiết bị nếu xảy ra va chạm vỏ. Theo quy trình điện trở r0 lấy bằng 4 Ω cho mạng điện áp bé hơn 1kV. Dòng điện đi qua vỏ thiết bị vào đất lấy trường hợp có trị số lơn nhất là 10A. Vì thế Uđ = 10.4 = 40V. Điện áp này có thể xem là an toàn cho người lao động, không phải là người có nghề điện.
Tuy nhiên cần chú ý rằng, khi một pha xảy ra chạm vỏ thiết bị, điện áp của hai pha còn lại đối với đất có thể tăng lên đến trị số không cho phép. Như ở chương bảo vệ nối đất đã xét, điện áp sẽ bằng:
Với mạng điện 380/220V điện áp này bằng 347V.
Ta tăng dòng điện Iđ đến trị số nào đấy để bảo vệ có thể cắt nhanh chỗ bị sự cố thì mới đảm bảo được an toàn. Biện pháp đơn giản nhất là dùng dây dẫn nối vỏ thiết bị với dây trung tính.
Như vậy mục đích của nối dây trung tính là biến sự chạm vỏ của thiết bị thành ngắn mạch một pha để bảo vệ làm việc cắt nhanh chỗ bị hư hỏng.
2. Sơ đồ nối đất: TN-S, TN-C, TN-CS
Trong hệ thống TN, mạch vòng sự cố bao gồm toàn bộ các phần dẫn điện, do đó có thể tránh trị số cao của điện trở đất. Điểm trung tính của nguồn điện được nối đất trực tiếp, các phần dẫn điện lộ ra ngoài của hệ thống có thể được nối với một dây bảo vệ riêng (Hệ thống TN-S) hay kết nối dây bảo vệ tới dây trung tính (Hệ thống TN-C).
2.1. Hệ thống TN-S
Dây trung tính và dây bảo vệ là riêng biệt.
Đặc điểm của hệ thống TN-S:
- Dòng điện sự cố và điện áp tiếp xúc lớn nên cần trang bị thiết bị bảo vệ tự động ngắt nguồn khi có sự cố hỏng cách điện.
- Dây PE tách biệt với dây trung tính, không được nối đất lặp lại và tiết diện dây PE thường được xác định theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra.
- Trong điều kiện làm việc bình thường, không có sụt áp và dòng điện trên dây PE nên tránh được hiểm họa chạy và nhiễu điện từ.
2.2. Hệ thống TN-C
Dây trung tính và dây bảo vệ là một và gọi chung là dây PE.
Đặc điểm của hệ thống TN-C:
- Sử dụng nhiều điểm nối đất lặp lại để đảm bảo dây PEN được tiếp đất trong mọi trường hợp.
- Dòng sự cố và điện áp tiếp xúc lớn nên cần trang thiết bị bảo vệ tự động ngắt nguồn khi có sự cố hỏng cách điện.
- Trong điều kiện làm việc bình thường, vỏ thiết bị, đất và trung tính có cùng điện thế.
- Khi hư hỏng cách điện, dòng sự cố gây độ sụt áp nguồn, nhiễu điện từ lớn và khả năng gây cháy cao.
- Trường hợp tải không đối xứng, trong dây PEN sẽ xuất hiện dòng điện. Dòng điện này có thể gây nhiễu cho các máy tính hay các hệ thống thông tin.
Hệ thống TN-C thường được sử dụng cho mạng điện không cần cải tạo hay mở rộng và có tiết diện dây lớn hơn 10mm2 đối với đồng và lơn hơn 16mm2 đối với nhôm.
2.3. Hệ thống TN-C-S
Là hệ thống kết hợp giữa hệ thống TN-C (trước) và TN-S (sau). Trường hợp này, điểm phân dây PE tách từ dây PEN thường là điểm đầu của lưới. Lưu ý rằng, sơ đồ TN-C không bao giờ được sử dụng sau sơ đồ TN-S.
Không sử dụng hệ thống TN-C và TN-C-S cho các công trình mà khả năng cháy và khả năng lay nhiễm nhiễu điện từ cao.
3. Nối đất làm việc và nối đất lặp lại
Khi dùng bảo vệ nối dây trung tính, dây trung tính này sẽ được nối đất ở đầu nguồn (nối đất làm việc) và nối đất lặp lại trong từng đoạn của toàn mạng (nối đất lặp lại).
Bảo vệ nối dây trung tính không thể dùng được nếu dây trung tính không nối đất vì nếu xảy ra chạm đất ở chỗ nào đấy sẽ làm cho vỏ thiết bị nối với dây trung tính có diện áp gần bằng điện áp pha.
Phải nối đất lặp lại trong mạng điện vì các lí do sau:
- Giảm điện áp của dây trung tính đối với đất nếu xảy ra chạm vỏ thiết bị
- Giảm nhẹ được chế độ sự cố ở trường hợp dây trung tính bị đứt
Nếu không dùng nối đất lặp lại và xảy ra hiện tượng chạm vỏ thiết bị ở sau chỗ đứt, điện áp của tất cả thiết bị sau chỗ đứt đều mang điện áp pha.
Utx1 = 0
Utx2 = Utx3 = U
Khi có nối đất lặp lại điện áp tiếp xúc sẽ giảm:
Kết quả của nối đất lặp lại là làm cho sự phân bố thế của thiết bị trước chỗ bị đứt và sau chỗ bị đứt được đều hơn. Nếu r0 = r1 điện áp tiếp xúc bằng cả ở hai phía chỗ đứt.
Tùy thuộc vào phương pháp nối đất lặp lại của dây trung tính người ta chia ra làm 3 dạng nối dây trung tính sau đây:
- Không có nối đất lặp lại;
- Nối đất lặp lại bố trí tập trung;
- Nối đất lặp lại bố trí thành mạng lưới.
Quy trình hiện nay cho phép không dùng nối đất lặp lại cho mạng điện dùng cáp. Với mạng cáp sẽ có lõi riêng dùng làm dây trung tính hoặc dùng ngay vỏ kim loại của cáp làm dây trung tính.
Nối đất lặp lại bố trí tập trung quy định dùng cho các mạg điện đường dây trên không đề phòng trường hợp dây trung tính có thể bị đứt. Quy trình quy định phải nối đất lặp lại ở hai đầu đường dây trên không và các chỗ mạch rẽ của đường dây trên một đoạn dài (1 – 2) km.
Để sự phân bố điện áp được đều cần tận dụng triệt để những vật nối đất tự nhiên như ống nước, các kết cấu bằng kim loại, những vật nối đất tự nhiên này đều nối chung vào mạch vòng. Trong mạng điện thắp sáng lúc cần nối dây trung tính người ta nối trực tiếp công tắc và chuôi đèn vào dây trung tính như hình:
Các công cụ di động, mang xách cần một dây riêng để nối vào dây trung tính. Dây này không được đồng thời làm dây dẫn điện. Nếu dùng dây trung tính dẫn điện mà dây trung tính bị đứt sẽ làm vỏ thiết bị có điện áp đối với đất gần bằng điện áp pha.
Điện áp tiếp xúc của các thiết bị ở trước quãng đứt:
Ta thấy khi có nối đất lặp lại dây trung tính thì sự phân bố điện áp trước và sau chổ bị đứt được đều hơn (nếu r0 = r1 thì điện áp sẽ bằng )
Qua phân tích so sánh trên, rõ ràng ta thấy nối đất lặp lại dây trung tính sẽ giảm rất nhiều mức độ nguy hiểm cho người nhất là khi dây trung tính bị đứt.
Quy phạm quy định điện trở nối đất lặp lại dây trung tính trong mạng 380/220V không được vượt quá 10Ω.
Cũng cần lưu ý rằng nối đất lặp lại dây trung tính chỉ có tác dụng làm giảm mức độ nguy hiểm cho người nhất là khi dây trung tính bị đứt mà có sự chạm vỏ phía sau chổ bị đứt (vì lúc đó sự cố đó có thể tồn tại lâu dài) nó không thể đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người được vì vậy trong mọi trường hợp cần tránh xa dây đứt trung tính vì bất cứ lý do nào.
