Giáo trình An toàn điện - Chương 3: Phân tích an toàn các mạng điện
Giáo trình An Toàn Điện
Trang
24
CHƯƠNG 3
PHÂN TÍCH AN TOÀN CÁC MẠNG ĐIỆN
3.1. KHÁI NIỆM:
Phân tích an toàn trong mạng điện là tính toán, xác định giá trị dòng điện qua
người trong các điều kiện khác nhau mà người có thể tiếp xúc với mạng điện trong
quá trình vận hành lưới điện và thiết bị điện. Quá trình phân tích an toàn mạng điện
cũng cần phải đánh giá được các yếu tố khác, cũng như các thông số của mạng điện
ảnh hưởng đến tai nạn điện giật.
Tai nạn điện giật có thể xảy ra khi ta tiếp xúc hai pha hoặc một pha nhưng ở
đây ta chỉ xét một pha. Tiếp xúc một pha có thể được xem là chạm đất không an toàn
và lúc này dòng điện qua người phụ thuộc vào chế độ trung tính của mạng điện.
Dòng điện qua người khi người tiếp xúc với vật nối đất có dòng chạm đất đi
qua phụ thuộc vào dòng điện chạm đất.
Dòng điện chạm đất là dòng điện đi qua chỗ chạm đất vào đất phụ thuộc vào
các thông số mạng điện và trung tính của lưới.
Trung tính máy biến áp và máy phát có thể được nối đất trực tiếp hoặc cách
điện đối với đất.
Nếu trung tính máy biến áp, máy phát không nối với các thiết bị nối đất hoặc
nối qua thiết bị để bù dòng điện dung trong mạng, qua máy biến điện áp ...hay qua
khí cụ có điện trở lớn, được gọi là trung tính cách điện đối với đất. Ngược lại, nếu
trung tính nối trực tiếp với thiết bị nối đất hoặc qua một điện trở bé (máy biến dòng)
được gọi là trung tính trực tiếp nối đất.
Theo “Quy trình thiết bị điện” người ta có thể chia ra:
1. Thiết bị có điện áp dưới 1000V (hạ áp)
2. Thiết bị có điện áp trên 1000V (cao áp)
a. Thiết bị có dòng chạm đất lớn (Iđ>500A, trong đó Iđ là dòng
chạm đất 1 pha), thường là nằm trong mạng có trung tính trực tiếp nối đất.
b. Thiết bị có dòng chạm đất bé (Iđ<500A, trong đó Iđ là dòng
chạm đất 1 pha) thường là nằm trong mạng có trung tính cách điện.
3.2. MẠNG ĐIỆN MỘT PHA
+ Mạng điện một pha cách điện với đất
+ Mạng điện một pha có trung tính trực tiếp nối đất.
3.2.1. MẠNG ĐIỆN MỘT PHA CÁCH ĐIỆN ĐỐI VỚI ĐẤT
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Giáo trình An Toàn Điện
Trang
25
Xét mạng điện một pha cách điện đối với đất như hình vẽ (hình 3.1) trong
mạng điện này mỗi pha ngoài điện trở cách điện (tác dụng) r1, r2 còn có điện dung
đối với đất C1, C2
2
2
I
2
1
U
U
Y
Y
I1
I
I
C
C
U10
R
R
Y
Yng
1
1
Hinh 3.1: Chạm vào một dây của mạng điện một pha
Điện dẫn toàn phần của mỗi pha đối với đất
Y
=
g1
g2
+
jb1
jb2
1
Y2
Điện dẫn của người
1
Yng
=
Rng
Điện dẫn tương đương:
= Y + Yng
1
Ytd
20 : điện áp của pha 1 và pha 2 so với đất
U10
U
,
Ta có :
Y
, và qua người
1 2
I
I
I
Y
1, , : dòng điện qua
2
3
Theo sơ đồ thay thế tương đương ta có :
Y2.Ytd
= U.
I2
Y2
+ Ytd
Dòng điện qua người Ing ta có thể tính được như sau:
I2.Yng
Y2
Ing
=
=
U.Yng
Ytd
Y
+
Y2
+ Yng
1
1
Y
Y
Trong mạng điện ta có :
Suy ra :
=
= =
;
Yng=1/Rng
Y
1
2
Z
Y
U.Yng
Ing
=
=
2Y + Yng
U
Ing
Hay
(3-1)
+ Z
2Yng
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Giáo trình An Toàn Điện
Trang
26
Từ công thức 3-1 ta xét các trường hợp sau:
a) Mạng điện có điện dung bé:
Đây là các đường dây trên không có điện áp <1000V chiều dài ngắn
1
1
1
Z
=
=
≈
= Rcd
Y g
+ jb g
do đó lúc này dòng qua người :
U
Ing
=
2Yng
+
Rcd
b) Mạng điện có điện dung lớn:
Mạng điện đường dây trên không có điện áp >1000V có cách điện tốt
1
1
1
Z
=
=
= − jXC = −
Y g
jb
c
Từ đó xác định được trị hiệu dụng của dòng điên qua người:
U
Ing
=
2
2
2Rng
+ XC
Với mạng điện dây cáp dài có điện áp bé hơn 1000V phải tính đến điện dẫn
của cách điện và cả điện dung
Khi người chạm vào dây 1 thì điện trở của dây dẫn 1 lúc này sẽ là: R = r1 // Rng
Do vậy điện áp của dây dẫn 1 sẽ thay đổi từ U1 đến U’1, và điện áp của dây
dẫn 2 cũng sẽ thay đổi từ U2 thành U’2. Đây chính là nguyên nhân sự phóng và nạp
điện tích của C1 và C2.
t
−
∆
U
R ng .(C1 + C2 )
Dòng điện qua người:
Ing
=
.e
Rng
Ngoài ra, còn có dòng điện chạy qua điện trở cách điện qua người:
U.r
1
Ing
=
(r1 + r2 ).Rng + r1.r2
Vậy dòng điện qua là tổng hợp hai thành phần dòng điện trên.
3.2.2. MẠNG ĐIỆN MỘT PHA CÓ TRUNG TÍNH TRỰC TIẾP NỐI ĐẤT
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Giáo trình An Toàn Điện
Trang
27
Xét mạng điện 1 pha có trung tính nối đất như hình vẽ
Ở trạng thái làm việc bình thường với tải Zt
- Nếu người chạm vào pha cách điện đối với đất một cách gần đúng có thể xác
định dòng qua người :
U
Ing
=
R0
+ Rng
- Nếu người chạm vào pha nối đất thì dòng qua người :
IbvZd
Rng
∆
U
Ing
=
=
Rng
Trong đó :
Zd : Tổng trở đoạn dây từ người đến chỗ chạm.
∆U : Điện áp rơi trên đoạn từ nguồn đến chỗ người chạm vào dây
Ilv : Dòng điện làm việc.
* Cho dù người chạm vào điểm b xa nhất thì điện áp trên người cũng không
lớn hơn 5% U mạng điện.
Ilv
IN
Zt
a
b
c
a
b
c
(0,01÷0,015)U
U/2
a)
b)
r
r
Hình 3.2 a) Chạm vào một dây trong mạng một pha trung tính nối đất
b) Chạm vào một dây đồng thời xảy ra ngắn mạch trong mạng một pha
trung tính nối đất
Trường hợp mạng điện bị ngắn mạch như hình b. Giả sử tiết diện của 2 dây
là như nhau thì người chạm tại điểm C thì điện áp đặt vào người là:Ung=U/2. Người
chạm càng gần nguồn thì điện áp càng giảm
Nếu người chạm tại điểm E thì điên áp đặt vào người sẽ là :
lZ
Ung
= UN
lD
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Giáo trình An Toàn Điện
Trang
28
Trong đó :
UN : Điện áp tại điểm ngắn mạch một cách gần đúng có thể xem UN=U/2
lZ
ld
: Khoảng cách từ nguồn đến vị trí người chạm vào dây
: Khoảng cách từ nguồn đến điểm ngắn mạch.
3.3. PHÂN TÍCH AN TOÀN TRONG MẠNG ĐIỆN BA PHA
3.3.1 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI MẠNG ĐIỆN BA PHA :
1− Mạng điện ba pha bốn dây
−Trung tính cách điện đối với đất
−Trung tính nối đất trực tiếp
−Trung tính nối đất qua cuộn kháng nhỏ
2−Mạng điện ba pha ba dây
−Trung tính cách điện đối với đất
−Trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang
−Trung tính nối đất trực tiếp
3.3.2. PHÂN TÍCH AN TOÀN TRONG MẠNG BA PHA
Ta xét mạng điện tổng quát là mạng điện 3 pha 4 dây (như hình vẽ) có trung
tính nối đất qua điện trở R0 và điện kháng Xl
3
2
1
4
C4
C1
C2
R3
C3
R4
R1
R2
R0
Xl
a.
Hình 3.3a: Mạng điện tổng quát 3 pha 4 dây
1
1
U1
Y4
Y0
Y1
O’
Yng
Y3
O
U3
Y2
U2
2
3
b.
Hình 3.3b: Sơ đồ thay thế mạng điện 3 pha 4 dây
Ta có :
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Giáo trình An Toàn Điện
Trang
29
- r1, r2, r3, r4 là điện trở cách điện của các dây
- C1,C2,C3,C4 là điện dung của đường dây đối với đất
- Yi là điện dẫn của các dây pha, dây trung tính và trung tính máy biến áp so
với đất .
1
1
Y
=
g1
+
jb1
=
+
j
ω
C1
Y2
=
g2
+
jb2
=
+
j
ω
C2
1
r
r2
1
1
1
Y4
Y3
=
g3
+
jb3
=
+
j
ω
C3
=
g4
+
jb4
=
+
jω
C4
r3
r4
1
1
Yng
=
Y0
=
g0
−
jb0
=
− j/ω L
điện dẫn người :
Rng
r0
khi người tiếp xúc với một pha (ví dụ pha 1 như hình vẽ) điện áp tiếp xúc đặt vào
người là :
−
Ung
= U1 U0
= (U1 − U0 ).Yng
I
=
Ung.Yng
và dòng qua người :
ng
U
trong đó : 1 : Điện áp pha
U
0 : Điện áp trung tính đối với đất .
Ta có:
+ Y ) + U2.Y2 + U3.Y3
1
U.Y
U1(Yng
Σ
U0
=
=
+
Y
Y
+
Y2
+
Y3
+
Y4
+
Y0
Yng
1
Với mạng ba pha đối xứng ta có :
=
a2Uf
U1
U1 = aUf
=
Uf
U1
1 +
2
3
ej120
=
−
j
trong đó :
a
=
2
Uf là giá trị tuyệt đối của điện áp pha
2
+
Y
+
a .Y2
+
a.Y3
Yng
1
U0 = Uf
Suy ra :
+
Y
+
Y2
+
Y3
+
Y4
+
Y0
Yng
1
Từ đó có thể xác định được điện áp tiếp xúc của người như sau :
2
+
(1
−
a ).Y2
+
(1
−
+
a).Y3
+
Y0
Y4
Ung
= Uf
(3-2)
Y
+
Y2
+
Y3
Y4
+
Y0
+
Yng
1
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Giáo trình An Toàn Điện
Trang
30
Dòng qua người :
2
+
(1
−
a ).Y2
+
(1
−
+
a).Y3
+
Y0
Y4
Ing = Ung .Yng = Uf .Yng
(3-3)
Y
+
Y2
+
Y3
Y4
+
Y0
+
Yng
1
Mạng điện ba pha bốn dây trung tính nối đất trực tiếp
a.Người tiếp xúc với một pha trong chế độ làm việc bình thường:
3
2
1
4
Y0
Y4
Y1
Y2
Y3
Hình 3.4: Người chạm vào một pha trong chế độ làm việc bình thường
Trên
1
hình vẽ ta có điện dẫn trung tính: Y0= = g0
(r0: là điện trở nối đất trung tính)
r0
- Trong trường hợp này điện dẫn của dây trung tính nhỏ hơn nhiều so với điện
dẫn Y0 của điểm trung tính cho nên có thể xem : Y1=Y2=Y3=Y4 ≈0 cho nên điện áp
tiếp xúc của người theo (2-2) đơn giản hơn nhiều :
Y0
Ung
=
Uf
Y0
+
Yng
Rng
Ung
=
Uf
hay
(3-4)
(3-5)
R0
+
Rng
U f
Ing
= Ing =
và dòng qua người là :
R0
+
Rng
Nhận xét: Trong trường hợp này dòng điện qua người gần như không thay đổi
khi điện trở của hệ thống thay đổi. Hay dòng điện qua người không phụ thuộc vào
điện trở cách điện.
b.Tiếp xúc với một pha trong trong trường hợp mạng sự cố :
3
2
1
4
Y0
Y4
Y1
Y2
Y3
Rch
Uch
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Hình 3.5: Chạm vào một pha trong khi pha khác chạm đất
Giáo trình An Toàn Điện
Trang
31
Giả thiết khi người chạm vào pha 1 và pha 3 chạm đất qua một điện trở nhỏ
1
Ych
=
Rch và Y1,Y2,Y3,Y4 nhỏ hơn nhiều so vớiY0 và
tức : Y1=Y2=Y3=Y4 ≈0
Rch
(1− a)Ych + Y0
Ung
= Uf
Vậy từ (3-2) ta có :
1
Y0
+
Ych
+
Yng
1
1
Yng
=
Ych
=
Y0 =
;
thay
;
vào biểu thức trên rồi biến đổi ta rút ra
Rng
Rch
R0
3R0
R0Rch
+
3R0Rch
+
Rc2h
RngRch
được trị hiệu dụng:
Ung
= Uf .Rng
+
R0Rng
+
Để đơn giản ta giả thiết : 3RchR0=2 R R ta có :
3
ch
0
3R0
+
Rch
3R0
+
Rch
Ung
=
U f .Rng
=
U f .Rng
(3-6)
(3-7)
R0 Rch
+
R0 Rng
+
Rng Rch
R0 Rch
+
Rng (R0
+
Rch )
3R0
+ Rch
Ing
= U f
và :
R0 Rch
+ Rng (R0 + Rch )
U1
Ta xét hai trường hợp đặt trưng :
* Khi điện trở chạm đất : Rch = 0 ta có Ung=
U tức trong trường hợp này điện áp đặt vào
f
3
U
người bằng điện áp dây
* Khi R0 = 0 ta tính được:Ung =Uf trong thực tế
R0, Rch luôn luôn lớn hơn không nên :Ung = U13 - Uch
3Uf Ung Uf
Điều này cũng được minh họa trên giản đồ véc tơ.
0’
U2
U
U
3 Hinh 3.6: Giản đồ vectơ
suy ra
Như vậy tiếp xúc với dây pha trong trong mạng có trung tính trực tiếp nối đất
khi có sự cố sẽ nguy hiểm hơn trong trường hợp làm việc bình thường .
Ví dụ 1: Một người chạm vào một pha của lưới điện ba pha bốn dây 380/220V
có trung tính trực tiếp nối đất hãy xác định dòng điện qua người.
4
Cho biết : r0=4 ; Rng=1000 ; r1=r2=r3=r4=rc1=10
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Giáo trình An Toàn Điện
Trang
32
1
=32.103
µ
f
X
=
c1=c2=c3=c4=c=0,1 , hay
C
c
1
104
1
1
4
Y
Ta có :
=
+
j
Y0 =
Giải:
32 103
Do đó có thể coi : Y1=Y2=Y3=Y4=Y≈0
Uf
Rng
Uf
220
Ing
=
=
220mA
4 ≈
Nên:
+
R0 1000
+
220
I
=
=
220mA
Rng 1000 ≈
hay nếu bỏ qua R0 thì: ng
Ví dụ 2 : Một người chạm vào một pha của lưới điện ba pha 4 dây có trung
tính trực tiếp nối đất, điện áp 380/220V khi pha 3 chạm đất như hình (2-3).
µ
f
Biết : R0=4
Hãy xác định các giá trị ứng với các giá trị của điện trở chạm đất
Rch=100 ; 50; 4; và 0,5
Giải : Với Rch=100
; Rng=1000 ; c1=c2=c3=c4=c=0,1
; r1=r2=r3=r4=rc1=104
Tương tự ta cũng xem Y1=Y2=Y3=Y4≈0
Dòng điện qua người được xác định theo công thức (3-7)
3R0
RchRng
Tương tự với :
+ Rch
3.4
+ 100
Ing
=
Uf
=
220.
226mA
R0Rch
+
+
R0Rng
4.100
+
100.1000 +
4.1000 =
Rch = 50
Ing = 232mA
Ing = 300mA
Ing = 360mA
Rch = 4
Rch = 0,5
Mạng điện ba pha ba dây có trung tính cách điện
a. Tiếp xúc một pha trong chế độ làm việc bình thường
3
2
1
C2
C3
R1
R2
R3
C1
Hình 3.7: Chạm vào một pha trong chế độ làm việc bình thường
Xét trường hợp người tiếp xúc trực tiếp với một pha trong mạng 3 pha 3
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Giáo trình An Toàn Điện
dây hình (3-7).
Trang
33
+
Y2 (1
−
a2 )
+
Y3(1
−
a)
+
Y0
Y4
Ung
= Uf
Áp dụng công thức:
1 +
Y0
+
Y
Y2
+
Y3
+
Y4
+
Yng
Ở đây do không nối đất nên: Y4=Y0=0 .
a2 )
Y2 (1− + Y3(1− a)
Ung
= Uf
(3-8)
(3.9)
Y
+
Y2
+
Y3
+
Yng
1
+ Y3(1− a)
Y2 (1
−
a2 )
= Uf .Yng
Ing
Suy ra:
Y
+
Y2
+
Y3
+
Yng
1
Sử dụng công thức (3-8) và (3.9) để đánh giá mức độ nguy hiểm khi tiếp xúc
với một pha trong ba trường hợp sau :
* Khi điện dung của các pha bằng nhau: C1= C2 = C3 = C và điện trở các cũng
pha bằng nhau: R1 = R2 = R3 = Rcđ. Đây là mạng điện cáp có điện áp nhỏ hơn 1000V
Từ (3-8 ) ta có :
3Y
Y(1
−
a2
+
1
−
a)
(vì 1-a2+1-a=3)
Ung
=
Uf
= Uf
3Y
+
Yng
3Y
+
Yng
1
3Y
1
Ing
=
Uf .Yng
= Uf .
Suy ra:
(3-10)
3Y
+
Yng
Z
3
Rng
+
1
1
1
Z
=
=
=
1
Y g
+ jb
Trong đó :
+
jω c
Rcd
Khi chuyển qua giá tri hiệu dụng ta có :
Uf
1
Ing
=
Rng
Rcd (Rcd
+
6.Rng )
(3-11)
1
+
9(1
+
Rc2dω 2c2 )R2ng
* Khi : C1 = C2 = C3 = 0 và R1= R2 = R3 = Rcđ
Đây là trường hợp trong mạng điện áp nhỏ hơn 1000V có chiều dài bé nên bỏ
qua trị số điện dung. Ở đây Y1=Y2 =Y3 =Y = g =1/Rcd
Uf
Ing
=
Rcd
3
Theo (3-11) ta có
(3-12)
Rng
+
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Giáo trình An Toàn Điện
Trang
34
* Khi : C1 = C2 = C3 = C và R1 = R2 = R3 = ∞
Đây là trường hợp của mạng điện áp lớn hơn 1000V.
Lúc này ta có Y1=Y2=Y3=Y=jb=jωc=1/Z
Uf
Uf
Ing
=
=
1
Xc
3
thay vào (3-11) ta được:
Hay giá trị hiệu dụng :
(3-13)
Rng
+
Rng
−
j
j3ω
c
Xc
U f
Uf (Rng
+
j
)
Ing
=
3
2
Ing
=
(3-14)
Xc
Rn2g
+
Xc
3
2
R2ng
+
(
)
3
Ví dụ 3: Một người tiếp xúc với một pha của mạng điện 3 pha 3 dây có trung
tính cách điện điện áp 380V. Biết Rng=1000
trong hai trường hợp
. Hãy xác định dòng điện qua người
a−Khi C1=C2=C3= 0 và R1=R2=R3=3.103
3
f
b−Khi C1=C2=C3= C=0,03 hay Xc=100.10 và R1=R2=R3=∞
Giải:
a) Ta áp dụng công thức (3-12):
220
Ing
=
= 110mA
3000
3
1000
+
b) Ta áp dụng công thức :(3-14) ta có
220
Ing
=
=
6,6mA
2
100.103
3
10002
+
b. Tiếp xúc một pha trong chế độ sự cố:
3
2
1
U1
U
Y1
Y2
Y3
Rch
0’
Uch
U
U
U2
3 Hinh 3.9: Giản đồ vectơ
Hình 3.8: Chạm vào một pha trong khi pha khác chạm đất
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Giáo trình An Toàn Điện
Trang
35
Giả thiết pha 3 chạm đất mà người tiếp xúc với pha 1, điện trở chạm đất là Rch.
Ở đây có thể coi Y4 = Y0= 0 và Ych =1/Rch
Ych (1
−
a)
Yng
Thay: Ych= 1/Ych và Yng=1/Rng và biến đổi ta tính được giá trị hiệu dụng của
dòng điện qua người.
Ing
= Uf Yng
Thay các giá trị này vào (3-9) ta được :
(3-15)
Ych
+
3U f
Rch Rng
Ud
Ing
=
=
(3-16)
Rng
+
+
Rch
và điện áp:
Rng
Rng Rch
Ung
=
IngRng
=
3Uf
(3-17)
+
Nếu cho Rch ≈ 0 hoặc coi Rch<<Rng thì ta có :
Ung 3U f Ud
=
=
Tức là điện áp đặt vào người bằng điện áp dây. Như vậy chạm vào một pha
trong tình trạng sự cố ở mạng trung tính cách điện nguy hiểm hơn trong mạng trung
tính trực tiếp nối đất.
Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
12 trang
26480
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình An toàn điện - Chương 3: Phân tích an toàn các mạng điện", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_an_toan_dien_chuong_3_phan_tich_an_toan_cac_mang.pdf
