Dây Nối Đất Bảo Vệ (Pe) và dây trung tính

Dây Nối Đất Bảo Vệ (Pe)

Cách mắc và lựa chọn dây

• Dây PE cho phép liên kết các vật dẫn tự nhiên và các vỏ kim loại không có điện của các thiết bị điện để tạo lưới đẳng thế. Các dây này dẫn dòng sự cố do hư hỏng cách điện (giữa pha và vỏ thiết bị) tới điểm trung tính nối đất của nguồn. Dây PE sẽ được nối vào đầu nối đất chính của mạng.
• Đầu nối đất chính sẽ được nối với các điện cực nối đất (xem chương E) qua dây nối đất (điện cực nối đất ở Mỹ).
• Dây PE cần được: 
  • Bọc và sơn màu vàng hoặc xanh 
  • Bảo vệ để chống các hư hỏng về mặt cơ và hóa học
• Trong các sơ đồ nối đất dạng IT và TN thì dây PE nên đặt gần dây pha (trong cùng ống dây cáp hoặc khay cáp, cùng với các dây pha). Điều này đảm bảo đạt được giá trị cảm kháng nhỏ nhất trong mạch có sự cố chạm đất.

Kết nối

• Dây PE cần phải: 
  • Không chứa đựng bất kỳ hình thức hoặc thiết bị ngắt dòng nào
  • Nối các vỏ kim loại thiết bị cần nối tới dây PE chính, nghĩa là nối song song (không được thực hiện bằng việc nối tiếp) như ở hình
  • Có đầu kết nối riêng trên đầu nối đất chung của tủ phân phối.

Sơ đồ nối đất kiểu TT

• Dây PE không cần đặt gần các dây pha bởi vì không cần dòng sự cố chạm đất lớn (do thiết bị bảo vệ trong sơ đồ TT là RCD)

Sơ đồ nối đất kiểu IT và TN

• Dây PE và PN cần đặt gần dây pha và không được có vật liệu sắt từ nào được đặt giữa chúng. Dây PEN cần luôn được nối tới điểm nối đất của thiết bị, tạo nên Vòng nối từ đầu nối đất tới đầu trung tính của thiết bị ( xem hình)

• Sơ đồ TN-C: dây trung tính N và PE là một (còn được gọi là dây PEN). Chức năng bảo vệ của dây PEN được ưu tiên hơn, do đó mọi quy định cho một dây PE sẽ được áp dụng chặt chẽ cho dây PEN
• Sơ đồ TN-C chuyển qua TN-S Dây PE được nối vào đầu PEN hoặc thanh cái PEN (xem hình dưới) tại điểm đầu của mạng. Phần mạng phía sau điểm phân chia thì dây PE không được nối với dây trung tính.

• (1) Trong sơ đồ TN và IT, việc ngắt sự cố được thực hiện nhờ thiết bị bảo vệ quá dòng (cầu chì hoặc CB). Do đó tổng trở của mạch vòng sự cố cân đủ nhỏ để các thiết bị bảo vệ tác động. Biện pháp chắc chắn nhất là sử dụng lõi bổ sung trong cùng một cáp (hoặc cũng đường cao). Điều này giảm được cảm kháng và do đó giảm tổng trở mạch vòng sự cố.
• (2) Dây PEN là dây trung tính và cũng được sử dụng như dây nối đất bảo vệ. Do đó trong dây này có thể lúc nào cũng có dòng chạy qua (cả khi không có sự cố chạm đất). Do vậy dây dẫn cách điện nên được sử dụng cho dây PEN.
• (3) Nhà chế tạo sẽ cung cấp các giá trị R và X cần thiết (pha/PE hoặc pha/PEN) để tính tổng trở mạch vòng khi xảy ra sự cố ngắn mạch chạm đất.
• (4) Có thể, nhưng không giới thiệu nên dùng, vì tổng trở của mạch vòng sự cố chạm đất có thể không được biết trước ở giai đoạn thiết kế. Đo lường trên mạng đã hoàn tất là biện pháp thực tế duy nhất để đảm bảo an toàn cho người.
• (5) Cần cho phép kết nối với các dây PE khác. Những phần tử này cần được ký hiệu bằng các sọc xanh/vàng, có chiều dài từ 15 đến 100mm (hoặc các chữ cái ký hiệu PE được bắt đầu ở khoảng cách nhỏ hơn 15cm từ mỗi đầu).
• (6) Các phần tử này được sử dụng có kèm các biện pháp khác được đưa ra để đảm bảo tính liên tục của bảo vệ.
• (7) Với sự thỏa thuận của cơ quan cấp nước.
• (8) Trong đường dẫn điện lắp ghép trong ống, các vỏ kim loại được dùng như dây PEN, song song với thanh dẫn tương ứng hoặc với các dây PE khác có trong vỏ.
• (9) Trong vài quốc gia chỉ cho phép dùng như dây bổ sung san bằng thế (dây đẳng thế).

Vật liệu của dây PE

• Các dạng vật liệu để làm dây PE được cho trong bảng trên và phải thỏa các điều kiện cột cuối của bảng.

Kích cỡ của dây dẫn

• Bảng dưới đây dựa trên tiêu chuẩn IEC 60364-5-54. Bảng này đưa ra 2 phương pháp để tình tiết diện của dây PE và PEN,

(1) Giá trị của bảng trên được áp dụng khi dây PE cùng vật liệu với dây pha. Trong trường hợp khác, phải nhân với hệ số hiệu chỉnh.

(2) Khi dây PE nằm xa dây pha, các giá trị nhỏ nhất cần được tuân thủ nghiêm ngặt: 2.5 mm² nếu dây PE được bảo vệ về mặt cơ học hoặc 4 mm² nếu dây PE không được bảo vệ về mặt cơ học

(3) Để đảm bảo yêu cầu về cơ, dây PE có tiết diện nhỏ hơn 10 mm² (đối với dây đồng) hoặc 16 mm² (đối với dây nhôm).

• Hai phương pháp đó là:
  • Phương pháp đẳng nhiệt (tương ứng với phương pháp mô tả ở IEC 60742)) Phương pháp này, vừa đảm bảo tính kinh tế và bảo vệ dây khỏi quá nhiệt, đồng thời cho ra tiết diện dây PE nhỏ hơn so với dây pha. Kết quả này đôi khi không thích hợp với sơ đồ dạng IT hay TN (khi yêu cầu cần có tổng trở mạch vòng sự cố chạm đất bẻ nhất) để đảm bảo tác động mạch bảo vệ quá dòng tức thời. Phương pháp này trên thực tế được dùng cho sơ đồ TT và định cỡ dây nối đất (1).
  • Phương pháp đơn giản: Phương pháp này dựa vào sự liên quan giữa kích cỡ dây PE và kích cỡ dây pha, với giả thiết rằng các dây dẫn cùng sử dụng một loại vật liệu. Trong bảng trên, ta có: 

Sph ≤ 16 mm² ; SPE = Sph

16 < Sph ≤ 35 mm² ; SPE = 16 mm²

Sph > 35 mm² ; SPE = Sph/2

• Lưu ý: Trong sơ đồ TT, các điện cực nối đất nằm ngoài vùng ảnh hưởng của nối đất nguồn, tiết diện của PE được giới là 25 mm² (đối với đồng) hoặc 35 mm² (đối với nhôm).
• Dây trung tính không được sử dụng như dây PEN ngoại trừ khi tiết diện của nó bằng hoặc lớn hơn 10 mm² (đồng) hoặc 16 mm² (nhôm).
• Hơn thế nữa, dây PEN không được phép sử dụng cho cáp di động. Bởi vì dây PEN có chức năng của dây trung tính, tiết diện của nó trong bất kỳ trường hợp nào cũng không được nhỏ hơn giá trị cần thiết của dây trung tính.
• Tiết diện này không được nhỏ hơn tiết diện của một trong các dây pha, ngoại trừ khi:
  • Số kVA của tải một pha nhỏ hơn 10 % của tổng kVA, và 
  • Imax đi qua dây trung tính trong trường hợp bình thường phải nhỏ hơn dòng cho phép của dây đã chọn. 
• Hơn thế nữa, việc bảo vệ dây trung tính cần được đảm bảo bằng các thiết bị bảo vệ của dây pha. 

Các giá trị của k được sử dụng trong công thức

• Các giá trị này tương tự nhau trong một vài tiêu chuẩn quốc gia và ảnh hưởng của nhiệt độ, các giá trị của k và nhiệt độ giới hạn cho từng lớp cách điện được qui định trong tiêu chuẩn IEC 60724 (năm 1984).
• Các số liệu trong bảng sau thường được sử dụng cho lưới hạ áp.

Dây bảo vệ giữa biến thế phân phối và tủ phân phối chính (TPPC)

• Các pha và dây trung tính phía trước CB tổng của TPPC được bảo vệ bằng các thiết bị của phía sơ cấp của biến thế. Các dây dẫn (kể cả PE) đều phải có tiết diện thích hợp. 
• Kích cỡ của dây PE trần hoặc được bọc cách điện đi từ điểm trung tính của biến áp trên hình sau được cho trong bảng. Công suất định mức kVA là tổng của các biến áp được nổi đến TPPC.

• Trong bảng chỉ ra tiết diện của dây (mm2) tương ứng với :
  • Công suất định mức của biến áp (kVA)
  • Thời gian cắt dòng sự cố của các thiết bị bảo vệ sơ cấp (giây) 
  • Dạng của cách điện và vật liệu dây dẫn
• Nếu phía sơ cấp bảo vệ bằng cầu chì, sẽ sử dụng cột 0,2 giây.
• Trong sơ đồ IT, nếu có đặt thiết bị bảo vệ quá áp (giữa điểm trung tính của biến áp và đất) thì các dây dẫn tới thiết bị bảo vệ quá áp cũng được lựa chọn kích cỡ như cách lựa chọn dây PE.

Dây đẳng thể

Dây đẳng thể chính

• Dây này nói chung, cần có tiết diện ít nhất tương đương với nửa tiết diện lớn nhất của dây PE, song không được vượt quá 25mm² (Cu) hoặc 35mm² (AI) trong khi giá trị nhỏ nhất của tiết diện là 6mm² (Cu) hoặc 10mm² (AI).

Dây đẳng thể bổ sung

• Dây này cho phép phần vỏ thiết bị cách xa dây đẳng thế chính (dây PE) được nối với dây bảo vệ cục bộ. Tiết diện của nó ít nhất phải bằng nửa dây bảo vệ mà nó nối tới.
• Nếu nó nối tới 2 phần vỏ khác nhau (M1 và M2 trong hình dưới) thì tiết diện của nó ít nhất phải bằng tiết diện nhỏ nhất trong 2 dây PE (cho M1 và M2). Dây đẳng thế không đặt trong cáp cần được bảo vệ về mặt cơ bằng ống dây, máng v.v. hoặc bằng bất cứ cách nào có thể được.
• Một ưu điểm khi dùng dây đẳng thể bổ sung là nó giảm tổng trở của mạch vòng sự cố chạm đất, đặc biệt bảo vệ tiếp xúc gián tiếp cho sơ đồ TN và IT, và ở các nơi có nguy hiểm cao về điện (tham khảo tiêu chuẩn IEC 60364-4-41).

Dây Trung Tính

• Tiết diện và các bảo vệ cho dây trung tính ngoại trừ yêu cầu mang tải, còn phụ thuộc vào các yếu tố như:
  • Dạng của sơ đồ nối đất, TT, TN,…
  • Sóng hài dòng điện.
  • Phương pháp bảo vệ chống chạm điện gián tiếp theo các phương thức được mô tả dưới đây.

• Màu sắc của dây trung tính là màu xanh. Vì vậy khi lắp đặt dây PEN, sẽ được đánh dấu theo một trong số các phương pháp sau:
  • Xanh và vàng theo dọc chiều dài của dây PEN, và màu xanh sáng sẽ được đánh dấu vào điểm cuối của nó, hoặc 
  • Màu xanh sáng dọc theo chiều dài của dây PEN, xanh và vàng sẽ được đánh dấu vào điểm cuối của nó.

Kích cỡ dây trung tính

Ảnh hưởng của sơ đồ nối đất

Sơ đồ TT và TN-S

• Các mạch một pha có tiết diện nhỏ hơn 16mm² (Cu) hoặc 25mm² (AI): tiết diện của dây trung tính bằng với tiết diện dây pha.
• Hệ thống 3 pha với tiết diện dây >16mm² (Cu) hoặc 25mm² (AI): tiết diện dây trung tính có thể được chọn như sau:
  • Bằng với tiết diện dây pha hoặc
  • Nhỏ hơn tiết diện dây pha, với điều kiện:
    • Dòng chạy trong dây trung tính trong điều kiện làm việc bình thường nhỏ hơn giá trị cho phép Iz. Ảnh hưởng của hai bội của 3 cần đặc biệt chú ý
    • Dây trung tính được bảo vệ chống ngắn mạch,
    • Tiết diện của dây trung tính tối thiểu là 16 mm² (Cu) hoặc 25 mm² (AI)

Sơ đồ TN-C

• Các điều kiện như trên cũng được áp dụng (về mặt lý thuyết). Tuy nhiên trên thực tế, dây trung tính không được hở mạch trong bất kỳ tình trạng nào vì nó cũng là dây bảo vệ.

Sơ đồ IT

• Nói chung không nên có dây trung tính, nghĩa là sử dụng sơ đồ 3 pha 3 dây. Tuy nhiên khi dùng sơ đồ 3 pha 4 dây, thì phải áp dụng các điều kiện được nêu ở trên cho sơ đồ TT và TN-S.

Ảnh hưởng của sóng hài dòng điện

Ảnh hưởng của hài bội 3

• Sóng hài được sinh ra do các tài không tuyến tính trong mạng điện (như máy vi tính, đèn huỳnh quang, bộ chỉnh lưu, các bộ biến đổi công suất…) và làm cho giá trị của dòng điện trên dây trung tính tăng lên cao. Đặc biệt là các hài bội ba của mạng 3 pha thương tích lũy trên dây trung tính vì:
  • Thành phần cơ bản của dòng điện có độ dịch pha là 2T/3 vì vậy tổng của chúng là 0 C) 
  • Hơn nữa bài bội ba của mạng 3 pha luôn được xác định tương tự như thành phần: cơ bản, và giống nhau trên các pha (xem hình)

• Hình dưới cho thấy hệ số tải của dây trung tính phụ thuộc vào % của hài bậc 3. Trên thực tế, giá trị lớn nhất của hệ số này không vượt quá 3.

Hệ số suy giảm cho sóng hài dòng điện trong cặp bốn lỗi và năm lõi với khả năng mang tải của cáp bốn lõi

• Các tính toán cơ bản chỉ liên quan dành cho cấp mang tải 3 pha, nghĩa là không có dòng điện trên dây trung tính. Nhưng do xuất hiện hài bậc 3 nên sẽ có dòng điện trên dây trung tính. Do vậy dòng trên dây trung tính sẽ ảnh hưởng đến dây dẫn 3 pha, nên cần thiết phải sử dụng hệ số suy giảm trên các dây pha (xem hình).

• Hệ số suy giảm, áp dụng cho trường hợp xác định khả năng mang tải 3 pha gồm 3 dây dẫn, từ đó có thể biết được khả năng mang tải 3 pha gồm 4 dây dẫn, trong đó dòng điện trên dây thử 4 được sinh ra do sóng hài. Ta cũng phải tính đến ảnh hưởng về nhiệt do sóng hài trên các dây pha đến hệ số suy giảm.
  • Khi dòng điện trên dây trung tính lớn hơn dòng điện trên các pha, khi đó việc lựa chọn kích cỡ của cáp dựa vào dòng trên dây trung tính.
  • Khi lựa chọn kích cỡ của cáp dựa vào dòng trên dây trung tính không có nghĩa là dòng trên dây trung tính lớn hơn dòng điện trên các pha, do đó cần thiết phải giảm khả năng mang dòng điện đối với tải 3 pha
  • Nếu dòng trên dây trung tính lớn hơn 135% dòng trên các pha và kích cỡ của cáp được lựa chọn dựa vào dòng trên dây trung tính thì các dây pha sẽ không được mang đầy tải. Sự giảm về nhiệt sinh ra bởi các dây pha sẽ sai lệch so với nhiệt sinh ra trên dây trung tính trong phạm vi mà không cần thiết phải áp dụng bất kỳ hệ số suy giảm nào cho khả năng mang dòng của tải 3 pha. .
  • Để bảo vệ cho cáp, việc chọn CB và cầu chì phải được tính toán dựa vào giá trị lớn nhất của dòng điện trên các dây (pha hoặc trung tính). Tuy nhiên có một số thiết bị đặc biệt (ví dụ như CB Compact NSX đi cùng với cơ cấu chỉnh định OSN) cho phép sử dụng tiết diện của dây pha nhỏ hơn so với tiết diện dây trung tính. Vì vậy ta có thể thu được hiệu quả kinh tế lớn.

Ví dụ: Xét mạch 3 pha được thiết kế để mang tải 37 A sử dụng cáp 4 lõi, cách điện PVC và được đi trên tường, phương thức lắp đặt C, đối với cáp có tiết diện 6 mm2 dây dẫn đồng, có khả năng mang tải 40 A và do đó thích hợp nếu không có sóng hài trong mạch.

• Nếu thành phần hài bậc ba là 20%, ta sẽ áp dụng hệ số suy giảm 0,86 và lúc đó dòng tải cần thiết kế là :37/0.86 = 43 A. Đối với tải này, ta phải chọn cáp có tiết diện 10 mm². Trong trường hợp này, nếu sử dụng thiết bị bảo vệ đặc biệt (CB Compact NSX với cơ cấu chỉnh định OSN) sẽ chỉ dùng cáp có tiết diện 6 mm² đối với dây pha và tiết diện 10 mm² đối với dây trung tính.
• Nếu thành phần hài bậc ba là 40%, lựa chọn cáp dựa vào dòng trên dây trung tính là: 37 x 0,4 x 3 = 44,4 A và sẽ áp dụng hệ số suy giảm là 0,86, do đó sẽ thiết kế cho tải mang dòng : 44.4/0.86 = 51.6 A. Đối với tải này, ta chọn cáp có tiết diện 10 mm². 
• Nếu thành phần hài bậc ba là 50%, lựa chọn cáp dựa vào dòng trên dây trung tính là: 37 x 0,5 x 3 = 55,5 A. Trong trường hợp này áp dụng hệ số định mức là 1, do đó ta sẽ dùng cáp có tiết diện là 16 mm². Trong trường hợp này, nếu sử dụng thiết bị bảo vệ đặc biệt (CB Compact NSX Với cơ cấu chỉnh định OSN) sẽ chỉ dùng cáp có tiết diện 6 mm² đối với dây pha và tiết diện 10 mm² đối với dây trung tính.

Bảo vệ dây trung tính 

Bảo vệ chống quá tải

• Nếu dây trung tính có kích cỡ đúng (bao gồm cả sóng hài), chúng ta không cần bảo vệ cho dây trung tính vì nó được bảo vệ bởi thiết bị bảo vệ của dây pha.
• Trong nhiên, trên thực tế tiết diện của dây trung tính nhỏ hơn tiết diện của dây pha, vì vậy cần lắp đặt thiết bị bảo vệ quá tải cho dây trung tính.

Bảo vệ chống ngắn mạch

• Nếu tiết diện của dây trung tính nhỏ hơn tiết diện của dây pha, dây trung tính phải được bảo vệ chống ngắn mạch.
• Nếu dây trung tính có tiết diện lớn hơn hoặc bằng tiết diện của dây pha, không cần bảo vệ cho dây trung tính vì nó được bảo vệ bởi thiết bị bảo vệ của dây pha.

Đứt dây trung tính

• Sự cần thiết của việc ngắt hay không ngắt dây trung tính liên quan đến bảo vệ chống chạm điện gián tiếp.
• Trong sơ đồ TN-C: Dây trung tính không được hở mạch trong bất cứ tình trạng nào vì nó cũng có vài trò là dây nối đất bảo vệ (PE).
• Trong sơ đồ TT, TN-S và IT: Khi xảy ra sự cố, tất cả các cực CB sẽ hở ra, bao gồm cả cực trung tính, nghĩa là CB đa cực.
  • Thao tác này chỉ được thực hiện với các cầu chì theo cách gián tiếp, khi mà tác động của cầu chì sẽ tạo ra tác động cơ của các cực trong các cầu dao phụ tải mắc nối tiếp có liên quan.
  • Thao tác sinh ra nhờ bộ phận truyền động do nổ cầu chì. Sự đóng lại của cầu dao xảy ra khi ống chỉ được thay mới

Cách ly dây trung tính 

• Đây được xem là cách thực tế nhất nhưng các mạch cần có phương tiện để cách ly

Trích: Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC – Bản chính sửa 2019

________________

VNK EDU gửi tặng bạn “Bộ thuyết minh bản vẽ hệ thống điện căn hộ du lịch và khách sạn Penninsula“
Nhận tài liệu

________________
Trải nghiệm buổi học thử miễn phí khóa học “Kỹ sư M&E – Thiết kế hệ thống điện” giúp bạn nắm bắt tổng quan kiến thức về hệ thống điện.

________________

=>Thông báo chương trình ưu đãi ngày 20/11 cho anh em kỹ sư nhận mưa các tài liệu, quà tặng giá trị click vào link sau để biết thêm chi tiết: Giới thiệu chương trình ưu đãi