1. Hiện tượng dòng điện đi trong đất
Do hư hỏng cách điện, mạch điện chạm đất làm cho dòng điện sự cố tản ra trong đất dẫn đến giữa các điểm khác nhau trong đất sẽ có sự chênh lệch điện áp.
Giả sử dòng điện sự cố tản vào trong đất qua một cực nối đất bằng kim loại có dạng bán cầu, được chôn trong đất đồng nhất có điện trở suất bằng p. Trường hợp này có thể xem dòng điện có đường đi theo bán kính từ tâm hình cầu.
Mật độ dòng điện ở khoảng cách x kể từ tâm bán cầu:
- Ở đây: px2 là diện tích mặt bán cầu có bán kính x, I là dòng điện chạm đất.
Vùng quanh cực nối đất mà dòng điện tản đi qua gọi là “trường tản dòng điện”. Đối với dòng điện một chiều hay dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp, khi nghiên cứu có thể xem là một điện trường đều.
Mật độ dòng điện xác định theo định luật Ohm dưới dạng vi phân:
- Ở đây: p là điện trở suất của đất.
Từ đó, cường độ điện trường trong trường dòng điện tức là điện áp rơi trên đơn vị dài dọc theo trường dòng điện được xác định theo biểu thức:
E = j.p
Điện áp rơi trên lớp đất có chiều dày dx dọc theo đường điện:
dU = E.dx = j.p.dx
Điện thế của A cách điểm chạm đất khoảng cách x là hiệu số điện thế giữa điểm A và điểm ∞ mà ở đó điện thế có thể lấy bằng 0.
Bằng thí nghiệm đo đạt thực tế, đối với các cực nối đất có dạng thanh, cọc, tấm phân bố điện áp cũng có dạng hyperbol.
Trong trường hợp dây dẫn mang điện bị đứt và rơi xuống đất, phân bố điện áp được trình bày như hình sau.
Dòng điện tản ra từ cực nối đất ra có thể xem như đang chạy trong một dây dẫn (đất) mà tiết diện tăng theo bậc 2 của bán kính cầu q = 2πx2.
Điện trở tản dòng điện sẽ lớn nhất ở lớp đất phần cực nối đất vì khi đó dòng điện chạy qua một tiết diện nhỏ (ở các điểm đó điện áp rơi lớn nhất) càng xa cực nối đất tiết diện dây dẫn càng tăng nhanh, điện trở của nó giảm xuống và trị số điện áp rơi cũng giảm.
Nhận thấy có khoảng 68% điện áp trên cực nối đất tổn hao trên đoạn dài 1m, 24% trên đoạn dài từ (1 – 10)m và 8% trên đoạn dài từ (10 – 20)m kể từ cực nối đất.
Ngoài phạm vi 20m cách cực nối đất (hoặc điểm ngắn mạch chạm đất), tiết diện dây dẫn (đất) sẽ tăng rất lớn nên điện trở xem như không đáng kể (mật độ dòng điện xem như bằng 0).
Như vậy, điện thế của các điểm nằm cách điểm nối đất lớn hơn 20m có thể xem như bằng 0.
Thông thường bộ phận nối đất không phải chỉ có một cọc mà nhiều cọc nối với nhau bằng các thanh kim loại dẹp hoặc tròn. Trường hợp này, sự phân bố điện áp có dạng thoải hơn (đường cong 2). Vì vậy, độ chênh lệch điện áp của cùng một điểm so với đất sẽ lớn hơn lúc chỉ có một cọc nối đất.
Các thành phần điện trở của bộ phận nối đất bao gồm:
- Điện trở tản của cực nối đất (kể cả điện trở tiếp xúc).
- Điện trở thuần của bản thân cực nối đất và dây nối đất. Các điện trở này có giá trị nhỏ nên có thể bỏ qua trong một số các trường hợp.
2. Điện áp bước
Điện áp bước là điện áp mà con người phải chịu khi chân tiếp xúc tại hai điểm trên mặt đất hay trên sàn, nằm trong phạm vi dòng điện chạy trong đất, do đó có sự chênh lệch điện thế giữa hai chân người.
Sự phân bố điện áp bước xảy ra khi xuất hiện dòng điện ngắn mạch chạm đất của một pha trong mạng điện.
Khi dòng điện chạy qua hệ thống nối đất để đi vào trong đất hay dây dẫn có điện áp bị đứt rơi trên mặt đất, thì đất sẽ là điện trở tản với dòng điện này.
Ở ngay tại điểm chạm đất, điện áp so với đất sẽ là:
Uđ = Iđ.Rđ
Các điểm ở cách đều điểm chạm đất có điện thế bằng nhau (các vòng tròn đẳng thế).
Người đứng hai chân trên hai điểm có điện thế khác nhau thì sẽ chịu tác động của một điện áp. Hiệu điện thế đặt vào hai chân người đứng ở hai điểm có chênh lệch điện thế do dòng điện ngắn mạch trong đất gọi là điện áp bước.
Điện áp bước xác định bằng biểu thức sau:
Ở đây:
- a: là độ lớn bước chân người, khi tính toán lấy bằng 0,8m.
- x: là khoảng cách từ điểm chạm đất đến chân người.
Từ biểu thức, nhận thấy khi càng xa điểm ngắn mạch chạm đất (hoặc cực nối đất) thì mẫu số càng tăng và trị số Ub sẽ giảm xuống. Ngoài khoảng cách 20m điện áp xem như bằng 0.
Ở sát nơi có ngắn mạch chạm đất, điện áp bước Ub cũng có thể bằng 0 nếu hai chân người đứng trên cùng một vòng tròn đẳng áp (điểm c và d).
Giới hạn cho phép của trị số điện áp bước không quy định ở các tiêu chuẩn hiện hành vì trị số Ub lớn thường do các dòng điện ngắn mạch chạm đất lớn gây ra và như vậy nó sẽ bị cắt ngay tức thời bởi các thiết bị bảo vệ.
Các trị số Ub nhỏ (không gây nguy hiểm cho người do đặc điểm các tác dụng sinh lý của mạch điện từ chân qua chân).
Mặc dù dòng điện đi trong mạch chân-chân tương đối ít nguy hiểm nhưng với điện áp Ub = 100 – 250V chân có thể bị co rút và người bị ngã xuống đất. Lúc này điện áp đặt vào người tăng lên và đường dòng điện đi qua theo mạch chính tay – chân.
Nếu thiết bị bảo vệ không cắt được dòng điện ngắn mạch thì được dòng điện đi qua theo mạch tay-chân sẽ gây ra tai nạn điện.
Khi xảy ra chạm đất phải cấm người đến gần chỗ bị chạm với khoảng cách sau:
- Từ 4 – 5m đối với thiết bị điện trong nhà.
- Từ 8 – 10m với thiết bị điện ngoài trời.
3. Điện áp tiếp xúc
Giả sử có hai thiết bị điện vỏ bọc kim loại được nối với bộ phận nối đất (điện trở nối đất Rđ) thì đối với bất kỳ thiết bị nào chạm vỏ sự phân bố điện áp trong đất cũng có dạng đường cong 1. Cực nối đất và các vỏ kim loại nối với nó có điện áp so với đất bằng:
Uđ = Iđ.Rđ
Người chạm vào vỏ kim loại của bất kỳ thiết bị nào (nguyên vẹn hoặc chạm vỏ) cũng sẽ chịu một điện áp bằng Uđ. Mặt khác, điện áp ở chân người ux phụ thuộc vào khoảng cách từ đó đến cực nối đất. Như vậy, người sẽ chịu tác dụng của điện áp tiếp xúc UT. Điện áp tiếp xúc là hiệu điện thế giữa Uđ và ux.
Điện áp tiếp xúc UT càng tăng khi càng cách xa cực nối đất. Ở khoảng cách 20m thì UT = Uđ.
Người đứng ở ngay trên cực nối đất (điểm 0) sẽ chịu một điện áp tiếp xúc bằng 0 (UT = Uđ – Uđ = 0).
Ngược lại, nếu chạm vào thiết bị 2 (TB2), người sẽ chịu điện áp tiếp xúc cực đại UT = Uđ.
Từ những giả thiết trên rút ra nhận xét sau:
- Khi người chạm vỏ thiết bị kim loại có nối đất của một thiết bị nào đó (trong mạch nối đất có một thiết bị bị chạm vỏ) thì người chịu một điện áp tiếp xúc có trị số bằng một phần điện áp so với đất, nghĩa là:
Ut = α.Uđ (Với α là hệ số tiếp xúc)
- Đường cong 2 biểu thị sự biến thiên của điện áp tiếp xúc theo khoảng cách tới cực nối đất.
- Giới hạn cho phép của điện áp tiếp xúc không quy định trong các quy phạm hiện hành. Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thiết bị điện, điện áp tiếp xúc không quá 50V, còn đối với các thiết bị phân phối, mà ở đó có các biện pháp bảo vệ phụ thì giá trị điện áp tiếp xúc có thể cho phép đến 250V.
- Đường cong phân bố điện áp Uđ phụ thuộc vào cấu tạo của bộ phận nối đất (một cọc nối đất hoặc một tổ hợp các cọc nối đất) có thể dốc (đường 1) hoặc thoải (đường 2). Điện áp tiếp xúc Uy sẽ có trị số nhỏ hơn nếu đường cong phân bố điện áp thoai thoải. Độ chênh lệch điện áp giữa điểm 0 và điểm cách nó 0,8m (lấy bằng khoảng cách của một bước chân người) sẽ khác nhaụ tùy thuộc vào đường cong 1 và 2 (UT1 > UT2). Như vậy, khi bộ phận nối đất trải rộng trên một diện tích lớn thì điện áp tiếp xúc sẽ nhỏ.
