Mục đích, ý nghĩa của bảo vệ nối đất

1. Mục đích, ý nghĩa của bảo vệ nối đất

Các phần tử bình thường không mang điện áp (bình thường là khung máy, vỏ máy điện, bệ máy,…) nhưng do cách điện pha – vỏ bị hỏng nên chúng sẽ mang điện. Khi người sử dụng chạm vào những phần tử này sẽ có những dòng điện chạy qua người. Mục đích của nối đất bảo vệ là nhằm giảm trị số dòng điện chạy qua người trong trường hợp này đến trị số an toàn.

Để làm rõ mục đích của nối đất bảo vệ, ta xét ví dụ:

• Động cơ được cấp điện bởi mạng điện đơn giản, vỏ của động cơ được nối với hệ thống nối đất.
• Người có điện dẫn gng chạm vào vỏ động cơ khi cách điện bị hỏng sẽ mắc song song với điện dẫn của dây dẫn 2 với đất g2 và điện dẫn của hệ thống nối đất gd; đồng thời mắc nối tiếp với điện dẫn của dây 1 với đất g1 và sơ đồ tương đương .

Hình 1. Phân tích mục đích, ý nghĩa của bảo vệ nối đất.

Điện dẫn tổng hợp của mạch điện:

Điện áp đặt vào người:

Dòng điện chạy qua người:

Vì các trị số g1, g2 và gng nhỏ hơn rất nhiều so với gd nên có thể bỏ qua chúng ở dưới mẫu số, nên:

Từ biểu thức trên, ta nhận thấy:

• Dòng điện chạy qua người phụ thuộc vào hoặc điện dẫn của người gng hoặc điện dẫn của dây dẫn 1 với đất g1 hoặc điện dẫn của hệ thống nối đất gd.
• Vì thế nuốn giảm trị số dòng điện qua người thì có thể hoặc giảm điện dẫn của người gng hoặc giảm điện dẫn của dây dẫn 1 với đất g1 hoặc tăng điện dẫn của hệ thống nối đất gd, việc tăng điện dẫn của dây dẫn của hệ thống nối đất gd là dễ dàng thực hiện.

Ngoài ra, nối đất còn làm cho dòng điện sự cố pha – vỏ tăng đáng kể tạo điều kiện thuận lợi cho các thiết bị bảo vệ quá dòng (cầu chì, Aptomat, relay, …) làm việc, nhanh chóng cắt phần tử bị sự cố chạm vỏ ra khỏi mạng điện, sẽ an toàn cho người và thiết bị.

Ý nghĩa của việc nối đất là tạo nên giữa vỏ thiết bị điện và đất một mạch điện có mật độ dẫn điện lớn cho dòng điện đi qua người khi chạm vỏ thiết bị có cách điện bị hỏng trở nên không nguy hiểm đối với người. Hay nói cách khác nối đất vỏ thiết bị là nhằm duy trì một điện áp nhỏ giữa vỏ thiết bị với đất khi cách điện pha – vỏ bị hỏng nhằm đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc với vỏ thiết bị điện này.

Muốn người chạm phải vỏ thiết bị điện có cách điện bị hỏng an toàn, không bị điện giật thì cần phải thực hiện điện trở của hệ thống sao cho thỏa mãn điều kiện sau:

• Trong đó: Utxcp – điện áp tiếp xúc cho phép (V)

Để đạt được điều kiện này thì hệ thống nối đất phải có điện trở đủ nhỏ để phân tán dòng điện chạm vỏ thật nhanh trong đất. Ngoài ra hệ thống nối đất cần phải thực hiện sao cho giảm điện áp tiếp xúc Utx và điện áp bước Ub (yêu cầu cân bằng thế của nối đất).

2. Sơ đồ nối đất: TT, IT

Một hệ thống điện được định nghĩa bằng 2 chữ cái, đó là hệ thống điện IT, TT.

Chữ cái thứ nhất thể hiện tính chất của trung tính nguồn, chỉ mối quan hệ nguồn điện và hệ thống nối đất:

• T (Terrestrial) – Nối đất trực tiếp (trung tính nguồn trực tiếp nối đất).
• I (Insulated) – Tất cả các thành phần mang điện cách ly với đất hoặc một điểm được nối đất thông qua một trở kháng (trung tính nguồn cách ly).

Chữ cái thứ hai thể hiện hình thức bảo vệ, xác định mối quan hệ của các phần dẫn điện lộ ra ngoài của hệ thống, mạng điện lắp đặt và hệ thống nối đất:

• T – Nối đất trực tiếp (bảo vệ nối đất – vỏ thiết bị điện bằng kim loại được nối đến hệ thống nối đất).

N – Nối trực tiếp các phần dẫn điện lộ ra ngoài dây dẫn bảo vệ với một điểm đã được nối đất của nguồn điện, thường chính là điểm trung tính (bảo vệ nối dây trung tính – vỏ thiết bị điện bằng kim loại được nối đến dây trung tính).

2.1. Hệ thống TT

Hình 2. Sơ đồ TT.

Trong hệ thống TT, tất cả các thành phần dẫn điện lộ ra ngoài (vỏ kim loại của thiết bị điện) trong hệ thống điện lắp đặt được nối với một hệ thống nối đất. Hệ thống này không kết nối về điện với đất tại nguồn cấp điện.

Đặc điểm của hệ thống TT là:

• Sơ đồ rất đơn giản.
• Do sử dụng hai hệ thống nối đất riêng biệt nên cần lưu ý bảo vệ quá áp.
• Tiết diện dây PE có thể nhỏ hơn tiết diện dây trung tính và thường được xác định theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra.
• Trong điều kiện làm việc bình thường, trên dây PE không có sụt áp.
• Trong trường hợp hư hỏng cách điện, xung điện áp xuất hiện trên dây PE thấp và các nhiễu điện từ có thể bỏ qua.

Hệ thống TT thường được sử dụng cho mạng điện bị hạn chế về sự kiểm tra hay mạng điện có thể mở rộng, cải tạo (mạng điện công cộng, mạng điện khách hàng,…).

2.2. Hệ thống IT

Hình 3. Sơ đồ IT.

  Đôi khi rất khó nối đất hiệu quả, bởi vì tổng trở mạch vòng có thể không đủ nhỏ theo yêu cầu. Giới hạn dòng điện sự cố trong hệ thống IT đạt được bằng cách nối đất từ nguồn (trung tính cách ly), hay bằng cách nối điện trờ 1 ÷ 2 kΩ vào giữa dây trung tính và hệ thống nối đất.

Đặc điểm của hệ thống IT:

• Vỏ các thiết bị điện và vật dẫn tự nhiên của tòa nhà được nối với điện cực nối đất riêng.
• Tiết diện dây PE có thể nhỏ hơn tiết diện dây trung tính và thường được xác định theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra.
• Trong điều kiện làm việc bình thường, trên dây PE không có sụt áp.
• Giảm ngưỡng quá áp khi xuất hiện sự cố chạm từ cuộn cao áp sang cuộn hạ áp của máy biến áp nguồn.
• Khi hư hỏng cách điện, dòng sự cố thứ nhất thường thấp và không gây nguy hiểm. Vì vậy, cần sử dụng thiết bị bảo vệ có thể vận hành khi sự cố hai điểm hay lắp đặt thiết bị kiểm soát cách điện. Thiết bị này sẽ theo dõi và chỉ thị điểm sự cố thứ nhất nhằm giúp định vị và loại trừ nó.

Hệ thống IT thường được sử dụng khi yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện cao mà mạng cấp điện cho các thiết bị xử lý thông tin là một ví dụ.

3. Nối đất tập trung – nối đất mạch vòng

Tùy theo cách bố trí các điện cực nối đất mà phân biệt nối đất tập trung hay nối đất mạch vòng.

Hình 4. Các kiểu nối đất.

• Nối đất tập trung: thường dùng nhiều cọc đóng xuống đất và nối với nhau bằng các thanh ngang hay cáp đồng trần. Khoảng cách giữa các cọc thường bằng hai lần chiều dài cọc để loại trừ hiệu ứng màn che (hiệu ứng làm giảm khả năng tản dòng chạm đất của một cọc vào vùng đất lân cận cọc). Trong trường hợp khó khăn về mặt bằng thi công thì khoảng cách này không nên nhỏ hơn chiều dài cọc. Nối đất tập trung thường chọn nơi đất ẩm, điện trở suất thấp, ở xa công trình.
• Nối đất mạch vòng: các điện cực nối đất được đặt theo chu vi công trình cần bảo vệ (cách mép ngoài từ 1 – 1,5m) khi phạm vi công trình rộng. Nối đất mạch vòng còn đặt ngay trong khu vực công trình. Nối đất mạch vòng nên dùng ở các trang thiết bị có điện áp trên 1000V, dòng điện chạm đất lớn.

Về vấn đề thi công hệ thống nối đất cần chú ý đến các điểm sau:

• Các cọc nối đất (thanh nối đất) bằng sắt hay thép trước khi đặt xuống đất đều phải đánh sạch gỉ, không sơn. Ở những nơi có khả năng ăn mòn kim loại, phải dùng sắt tráng kẽm hay cọc thép bọc đồng.
• Đường dây nối đất chính đặt ở ngoài nhà phải chôn sâu 0.5m-0.7m, ở trong nhà đặt trong rãnh hoặc đặt nối theo tường, sao cho việc kiểm tra thiết bị được thuận tiện.
• Dây nối đất chính được nối vào bảng đồng nối đất, các trang thiết bị điện được nối với bảng đồng nối đất bằng một đường dây nhánh. Cấm mắc nối tiếp các trang thiết bị điện vào dây nối đất chính.

Bảng 1. Đặc điểm của trang thiết bị nối đất kiểu cũ và kiểu mới

4. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở đất

Điện trở nối đất phụ thuộc vào điện trở suất của đất, hình dạng kích thước điện cực, độ ẩm của đất và độ chôn sâu trong đất.

4. Nối đất tự nhiên, nối đất nhân tạo

4.1. Nối đất tự nhiên

Nối đất tự nhiên là trang thiết bị nối đất sử dụng các ống dẫn nước chôn ngầm trong đất hay các ống bằng kim loại khác đặt trong đất (trừ các ống nhiên liệu lỏng và khí dễ cháy, nổ), các kết cấu kim loại của công trình nhà cửa có nối đất, các vỏ bọc kim loại của cáp đặt trong đất.

Khi xây dựng trang bị nối đất cần phải tận dụng các vật nối đất tự nhiên có sẩn. Tuy nhiên, hiện nay nhằm tăng mức độ dự trữ an toàn và do các trang thiết bị nối đất tự nhiên không được kiểm tra chặt chẽ về chất lượng nên nối đất tự nhiên chỉ được coi là nôi đất bổ sung chứ không phải là nối đất chính. Điện trở nối đất tự nhiên này được xác định bằng cách đo thực tế tại chỗ hay dựa theo các tài liệu để tính toán gần đúng.

4.2. Nối đất nhân tạo

Nối đất nhân tạo được sử dụng để đảm bảo giá trị điện trở nối đất nằm trong giới hạn cho phép và ổn định trong thời gian dài.

Nối đất nhân tạo thường được thực hiện bằng cọc thép, thanh thép dẹp hình chữ nhật hay hình thép góc dài 2-3m đóng sâu xuống đất, sao cho đầu trên của chúng cách mặt đất khoảng 0,5+0,8m.

Các thanh thép dẹp chiều dài không nhỏ hơn 4m và tiết diện không nhỏ hơn 48mm2 cho các trang thiết bị có điện áp đến 1000V và không nhỏ hơn 100mm2 cho trang thiết bị có điện áp lớn hơn 1000V.

6. Tính toán bảo vệ nối đất

Bảng 2. Trị số điện trở suất r của đất

Bảng 3. Hệ số thay đổi điện trở suất của đất theo mùa Km.

6.1. Hệ thống nối đất đơn giản

Trường hợp ở những vùng có điện trở suất của đất cao và diện tích lắp đặt hệ thông nôi đất bị hạn chế thì có thể sử dụng hệ thống nối đất chôn sâu với chiều dài cọc nối đất có thể đạt đến 20m hay hơn nữa.

Điện trở của cọc nối đất chôn sâu đặt thẳng đứng, với giả thiết đất có câu tạo gồm hai lớp đất có điện trở suất khác nhau, được xác định theo biểu thức:

Ở đây:

• Pi, P2 lần lượt là điện trở suất của lớp đất trên và lớp đất dưới (Qm);
• h là chiều dầy của lớp đất trên (Q);
• L là chiều dài cọc nối đất (m);
• d là đường kính cọc nối đất (m).

6.2. Hệ thống nối đất hỗn hợp

– Hệ thống nối đất gồm n cọc chôn thẳng đứng Rc:

Ở đây:

• rc là điện trở nối đất của một cọc nối đất;
• n là số cọc nối đất;
• Tc là hệ số sử dụng cọc chôn thẳng đứng.

– Hệ thống nối đất gồm thanh (dây) đặt nằm ngang nối các cọc chôn thẳng đứng R.

Ở đây:

• rt là điện trở của thanh (dây) nối đất đặt nằm ngang;
• rth là hệ số sử dụng thanh (dây) nối đất đặt nằm ngang nôi các cọc chôn thẳng đứng.

Lưu ý: Nếu bố trí các thanh (dây) theo các hình dạng có sẵn trình bày trong Bảng 3.7 thì trong công thức xác định điện trở nối đất của các thanh (dây) đã kể đến sự tương tác giữa các thanh (dây).

Để xác định chính xác điện trở nối đất Rht, sau khi thi công xong cần tiến hành đo lường Rht cho cả hệ thống.