Hệ Thống Tiếp địa Và 6 Vấn đề Cần Biết

Bằng việc tổng hợp kiến thức chuyên môn và đối chiếu với kỹ thuật điện đang được áp dụng tại Hoa Kỳ, qua cách diễn đạt ngắn gọn, đầy đủ, súc tích, dễ hiểu, Galaxy M&E sẽ đem tới cho bạn đọc 6 điều cần biết về hệ thống tiếp địa (hay còn gọi là hệ thống nối đất).

1. Nối đất hay tiếp địa trong kỹ thuật điện là gì?

Hiểu đơn giản "nối đất" là cách để tạo ra đường dẫn có điện trở thấp nhằm hướng dòng điện tự do chạy vào đất. Hệ thống nối đất bao gồm kết nối giữa thiết bị điện và đất thông qua dây dẫn và cọc tiếp địa/tấm tiếp địa. Sau khi nối đất, toàn bộ dòng điện dư thừa phát sinh trong quá trình vận hành thiết bị điện sẽ được tiêu tán. Nhờ vậy ngăn chặn hiện tượng chập cháy, hao mòn thiết bị điện, tai nạn điện.

2. Ý nghĩa của việc nối đất

Nối đất hệ thống điện là một cách hợp lý và đơn giản nhất để toàn bộ hệ thống điện được an toàn, đồng thời gia tăng sự bảo vệ, chống lại sự quá áp của dòng điện. Một số người cho rằng việc nối đất sẽ gây phát sinh chi phí thi công công trình, gây tốn kém cả về thời gian và tiền bạc, hao mòn sức lao động do phải chăm sóc và bảo trì hệ thống tiếp địa. Đây là suy nghĩ sai lầm vì nếu không có hệ thống nối đất, chi phí hao tổn sẽ không dừng lại ở số tiền mất đi, nó là sự trả giá bằng tính mạng và sức khỏe của con người.

Theo GS. John Grzywacz tại Cục Quản lý sức khỏe và an toàn lao động Hoa Kỳ (OSHA): "Hầu hết các tai nạn điện liên quan đến sự tiếp xúc với dây dẫn thiếu/không có lớp vỏ cách điện thích hợp, thiếu dây cách điện hoặc thiếu hệ thống tiếp địa phù hợp".

GS. John Grzywacz - Cục Quản lý sức khỏe và an toàn lao động Hoa Kỳ (OSHA)

3. Tầm quan trọng của hệ thống tiếp địa

Bảo vệ quá tải

Dòng quá tải tạo ra điện áp cao trong hệ thống dẫn đến chập điện và cháy nổ. Trong trường hợp này, hệ thống nối đất sẽ giúp lượng điện dư thừa được tiêu tán. Đây là lý do giải thích tại sao khi sét đánh, điện thế của sét lên tới hàng nghìn Volt nhưng vẫn được loại trừ an toàn.

Ổn định điện áp

Hệ thống nối đất đảm bảo rằng các mạch điện không bị quá tải và được điều tiết bằng cách phân phối qua các nguồn điện áp.

Lợi ích mang lại

Hệ thống nối đất mang lại vô số lợi ích, giúp ngăn ngừa và loại bỏ nguy cơ điện giật, bảo vệ thiết bị khỏi quá áp, ngăn ngừa hỏa hoạn, giảm chi phí sửa chữa thiết bị, giảm mức độ nhiễu điện (dao động trong tín hiệu điện).

4. Các loại hệ thống nối đất

Có 3 kiểu nối đất phổ biến hiện thế giới đang áp dụng:

- Nối đất trực tiếp qua dây trung tính;

- Nối đất qua thiết bị trở kháng

- Nối đất lặp lại

4.1. Kiểu thứ nhất: Nối đất qua dây trung tính

Kiểu nối đất trung tính hay còn gọi là Ungrounded system.

Kiểu nối đất này chủ yếu áp dụng trong những năm 1940 -1950 của thế kỷ trước. Đây là cách nối đất đơn giản nhất, dễ dàng thi công và hạn chế chi phí.

Đặc điểm của cách thức này là dây trung tính của mạch điện sẽ được nối trực tiếp với dây trung tính của nguồn điện thay vì thông qua hệ thống cọc tiếp địa.

Ưu điểm của phương pháp này là hạn chế được điện áp rơi. Nếu xảy ra hiện tượng quá áp thì hệ thống vẫn tiếp tục làm việc thay vì dừng hoạt động. Ngoài ra đối với con người, vì hạn chế tối đa được điện áp rơi nên nó cũng phần nào phòng tránh được tai nạn điện.

Câu hỏi đặt ra là tại sao nó chỉ phổ biến trong những thập niên 40 của thế kỷ trước? Đó chính là nhược điểm của cách thức này đã lấn át những gì gọi là ưu điểm. Với kiểu nối đất thông qua dây trung tính, khi sự cố quá áp xảy ra, thay vì được tiêu tán thì toàn bộ nhiệt lượng sinh ra do quá áp sẽ khiến hư hỏng thiết bị. Lúc này sự cố cháy nổ sẽ xảy ra. Việc khắc phục/sửa chữa thiết bị cũng là khó khăn với kiểu nối đất này. Để xác định được điểm hư hỏng sẽ cần nhiều thời gian hơn, gây lãng phí công sức và tiền bạc cho doanh nghiệp. Nhược điểm lớn nhất của nối đất qua dây trung tính đó là mất kiểm soát việc tăng giảm áp đột ngột, luôn tiềm ẩn nguy cơ giật điện do dây dẫn hoặc/và thiết bị hỏng. Cháy nổ cũng là điều khó tránh khỏi với kiểu nối đất qua dây trung tính.

4.2. Kiểu thứ 2: Nối đất qua thiết bị trở kháng

Kiểu nối đất qua thiết bị trở kháng hay còn gọi là Resistance grounded system.

Thay vì nối đất qua dây trung tính như kiểu 1, người ta đấu nối dây trung tính của mạng điện với một đầu của thiết bị có mức trở kháng nhất định, đầu kia của trở kháng được nối đất thông qua hệ thống dây và cọc tiếp địa.

Ưu điểm của kiểu thứ 2 là giúp tiêu tán điện áp quá tải hoặc dư thừa. Nhờ vậy nó khắc phục được hầu hết các nhược điểm của phương pháp nối đất qua dây trung tính.

Phương pháp nối đất thông qua trở kháng dựa theo nguyên lý của Định luật Ohm: I = U/R.

Theo công thức này, với điện áp không đổi, trở kháng không đổi, dòng điện dưa thừa phát sinh trong quá trình vận hành mạng điện sẽ được triệt tiêu, từ đó làm triệt tiêu điện áp.

Có hai cách tiếp đất qua thiết bị trở kháng:

Tiếp đất trở kháng cao: Phương pháp này thường được sử dụng để giới hạn dòng sự cố có độ lớn nhỏ hơn 10 Ampe.

Tiếp đất trở kháng thấp: Phương pháp này thường sử dụng để giới hạn dòng sự cố có độ lớn từ 100 Ampe đến dưới 1.000 Ampe. Tác dụng của phương pháp này là thông qua aptomat chống rò, khi xảy ra sự cố quá áp, mạng điện ngay lập tức được ngắt nhằm đảm bảo an toàn cho con người và toàn hệ thống. Phương pháp này cũng giúp khoanh vuùng phạm vi sự cố thông qua vị trí đặt aptomat chống rò điện. Phương pháp tiếp đất điện trở thấp được áp dụng phổ biến cho mạng điện dưới 15 kV.

4.3. Kiểu thứ 3: Tiếp đất lặp lại

Tiếp đất lặp lại hay còn gọi là Solidly grounded system.

Cách thức này được tiến hành bằng cách nối đất thông qua hai điểm. Điểm nối đất thứ nhất bắt đầu từ nguồn vào. Dây trung tính của nguồn vào sẽ được đấu tiếp địa với hệ thống tiếp địa chung của mạng điện. Điểm nối đất thứ hai là sau nguồn điện, là điểm kết nối chung các dây trung tính khác của mạng điện. Toàn bộ dây trung tính được kết nối với nhau và đấu nối với tấm tiếp địa/cọc tiếp địa.

Như vậy, ta có thể thấy, kiểu nối đất thứ 3 khác so với kiểu 1 là mạng điện sử dụng hệ thống tiếp địa, khác với kiểu 2 là thay vì tiếp địa sau nguồn điện, mạng điện được tiếp địa tại 2 điểm, một từ đầu nguồn, 1 sau nguồn cấp.

Ưu điểm của kiểu nối đất địa lặp lại là giúp kiểm soát tối đa sự cố quá áp, truyền tải và triệt tiêu dòng dư thừa phát sinh từ trên lưới cũng như ngay trong mạng điện nội bộ. Đây cũng là cách tiếp địa được áp dụng phổ biến tại các cơ sở sản xuất công nghiệp.

Nhược điểm của phương pháp này là đỏi hỏi người có chuyên môn để thiết kế hệ thống tiếp địa, tính toán tiết diện cọc/tấm tiếp địa, tính toán khoảng cách các cọc và độ sâu âm đất của các cọc tiếp địa ứng với điện trở nơi lắp đặt.

Hệ thống tiếp địa lặp lại có thể nói là phương pháp chống dòng rò hữu hiệu nhất hiện nay. Nó áp dụng cho cả quy mô gia đình lẫn quy mô sản xuất công nghiệp.

5. Cách thức nối đất

Nối đất có 2 cách, hoặc thông qua tấm tiếp địa, hoặc qua cọc tiếp địa:

Tấm tiếp địa

Các tấm tiếp đất được làm bằng đồng hoặc sắt mạ kẽm và được đặt thẳng đứng xuống đất trong hố chứa đầy than và muối với sâu trên 3 m. Đối với hệ thống nối đất điện cao thế, độ ẩm của đất phải được duy trì thường xuyên xung quanh hệ thống tấm tiếp địa.

Theo quy chuẩn của điện lực Hoa Kỳ, tấm tiếp địa có diện tích bề mặt tiếp xúc ít nhất là 0.2 m2. Vật liệu sắt phải dày ít nhất 5 mm, trong khi vật liệu màu (đồng) chỉ cần dày 1.5 mm.

Thanh/cọc tiếp địa

Một ống/thanh/cọc thép mạ kẽm được đặt thẳng đứng vào đất để kết nối các dây tiếp đất. Chiều dài và đường kính ống phụ thuộc vào loại đất và cường độ dòng điện nhưng không ngắn hơn 2.4 m. Độ ẩm của đất sẽ quyết định chiều dài ống/cọc tiếp địa.

Loại đất	Trở suất của đất	Điện trở của đất
		Độ sâu điện cực (m)			Dải tiếp đất (m)
	Ohm	3	6	10	5	10	20
Đất có độ ẩm cao giống đầm lầy	30	10	5	3	12	6	3
Đất mùn và đất sét	100	33	17	10	40	20	10
Đất sét pha cát	150	50	25	15	60	30	15
Đất cát ẩm	300	66	33	20	80	40	20
Bê tông	400	-	-	-	160	80	40
Sỏi ẩm	500	160	80	48	200	100	50
Đất cát khô	1.000	330	165	100	400	200	100
Sỏi khô	1.000	330	165	100	400	200	100
Đất lẫn đá sỏi	30.000	1.000	500	300	1.200	600	300
Đá	107	-	-	-	-	-	-

Yếu tố ảnh hưởng đến việc lắp đặt hệ thống nối đất

- Điện cực nối đất (chiều dài hoặc chiều sâu, đường kính, số lượng điện cực nối đất);

- Tính chất của đất (loại đất, độ ẩm, nhiệt độ, trở suất, lượng muối);

- Thiết kế hệ thống;

- Vị trí của hố đất.

6. Những điều cần chú ý liên quan đến hệ thống nối đất

- Hệ thống nối đất phải được thi công trước tiên và tháo ra cuối cùng trước khi di dời thiết đến một nơi khác;

- Đảm bảo rằng tại nhà máy, xí nghiệp luôn có các thiệt bị đo dòng rò;

- Khi xảy ra sự cố rò điện, nhân viên kỹ thuật điện phải sử dụng bộ bảo hộ lao động cách điện để ngắt nguồn điện khu vực làm việc;

- Chọn thiết bị phù hợp khi nối đất hệ thống điện;

- Đảm bảo rằng người lao động được học và huấn luyện đầy đủ về an toàn điện, biết cách sử dụng đúng từng dụng cụ, đặc biệt đối với dòng điện một chiều;

- Sử dụng cầu dao hoặc cầu chì phù hợp với công suất thiết bị hoặc/và hệ thống điện;

- Thường xuyên vệ sinh bộ tiếp đất;

- Không bao giờ sử dụng thiết bị cũ, lớp cách điện bị bong tróc, phích cắm bị hỏng;

- Thường xuyên kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa (nếu cần) các dây dẫn.

Hệ thống nối đất đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị khi vận hành mạng điện. Hãy nhớ rằng, trong nháy mắt, hệ thống điện sẽ trở nên nguy hiểm đối với tính mạng con người nếu hệ thống tiếp địa không đảm bảo hoặc xảy ra sự cố. Hệ thống tiếp địa trong mạng điện và hệ thống tiếp địa chống sét là hai hệ thống độc lập khác nhau. Nội dung trên đây Cơ - Điện Galaxy chỉ đề cập tới vấn đề tiếp đất cho mạng điện nói chung và không bao gồm tiếp địa cho hệ thống chống sét.

BBT Galaxy M&E