Tương hợp điện từ (EMC)

Phân phối điện 

• Việc bố trí hệ thống nối đất phải được lựa chọn chính xác nhằm đảm bảo an toàn về người và tài sản. Cần xem xét đến mối liên quan về tương hợp điện từ (EMC) đến các tính năng của các hệ thống khác nhau. Hình dưới đây giới thiệu tóm tắt các đặc tính chính của các sơ đồ nối đất.
• Tiêu chuẩn Châu Âu khuyến cáo rằng (xem EN 50174-2 8 6.4 và EN 50310 8 6.3), với mọi công trình bao gồm các thiết bị công nghệ thông tin (kể cả thiết bị viễn thông), thì hệ thống TN-S sẽ ít bị các vấn đề về EMC nhất.

• Khi một công trình bao gồm nhiều thiết bị có công suất lớn (động cơ, máy điều hòa nhiệt độ, thang máy, các thiết bị điện tử,…), nên lắp đặt 1 hay nhiều máy biến áp đặc biệt dùng riêng cho các hệ thống này. Hệ thống phân phối điện phải dùng dạng hình tia và tất cả các lộ ra phải xuất phát từ các tủ đóng cắt hạ thế chính.
• Các hệ thống thiết bị điện tử (giám sát/điều khiển, điều chỉnh, thiết bị đo lường,…) phải được cấp điện từ các máy biến áp chuyên dụng trong sơ đồ TN-S.

Các nguyên tắc nối đất và cấu trúc

• Phần này liên quan đến nối đất và nối đẳng thế các thiết bị công nghệ thông tin và những thiết bị cần kết nối với nhau với mục đích truyền tín hiệu.
• Hệ thống nối đất được thiết kế để đáp ứng nhiều chức năng. Chúng có thể độc lập hay hoạt động cùng với nhau để thực hiện một hay nhiều những mục tiêu sau: 
  • An toàn cho người tránh các mối nguy hiểm về điện 
  • Bảo vệ các thiết bị khỏi các mối nguy cơ về điện
  • Cho các tín hiệu có chất lượng cao, đáng tin cậy để tham khảo 
  • Đặc tính tương hợp điện từ (EMC) thỏa đáng.
• Thường một hệ thống nối đất được thiết kế và lắp đặt sao cho đạt được một tổng trở thấp có khả năng làm lệch hướng dòng sự cố và dòng tần số cao khỏi các thiết bị và hệ thống điện từ. Có nhiều cách lắp đặt các kiểu sơ đồ nối đất khác nhau và các sơ đồ đó cần phải tuân thủ một số điều kiện kỹ thuật đặc biệt (không phải lúc nào cũng tuân thủ trong các công trình thông thường). Các khuyến cáo trong phần này sẽ tập trung nhấn mạnh vào các công trình đặc biệt như thế.
• Với các mạng điện chuyên dụng và mạng điện công nghiệp, một lưới liên kết chung (CBN) có thể hữu ích để đảm bảo tốt hơn đặc tính EMC, cần chú ý các điểm sau đây: 
  • Hệ thống thiết bị kỹ thuật số và công nghệ mới 
  • Tuân thủ các yêu cầu về EMC của EEC 89/336 (bức xạ và miễn nhiễm) 
  • Số lượng lớn các thiết bị điện
  • An toàn và bảo vệ hệ thống ở mức độ cao, cũng như là độ tin cậy và/hoặc độ khả dụng.
• Tuy nhiên, với các công trình dân dụng, nơi cố một số lượng hạn chế thiết bị điện được sử dụng, giải pháp là áp dụng một mạng đẳng thế cách ly (IBN-isolated bonding network), hoặc tốt hơn nên dùng một lưới nối IBN.
• Ngày nay người ta nhận ra rằng các điện cực nối đất chuyên dụng độc lập – mỗi điện cực dùng cho một mạng lưới nối đất riêng biệt – là một giải pháp không những không thể chấp nhận theo quan điểm của EMC, mà còn đại diện cho một mối nguy hiểm nghiêm trọng. Tuỳ theo quốc gia, các quy chuẩn xây dựng sẽ cấm các hệ thống như vậy. 
• Theo quan điểm muốn đạt được an toàn về EMC, việc dùng một hệ thống tiếp đất riêng biệt “sạch sẽ” cho các thiết bị điện tử và một mạng lưới nối đất “bẩn” khác cho hệ thống điện bình thường là không nên, ngay cả khi chỉ sử dụng một điện cực nối đất duy nhất (xem 2 hình dưới). Trường hợp bị sét đánh, dòng sự cố hay nhiều tần số cao HF, cũng như các dòng điện quá độ sẽ chạy qua mạng điện. Bởi thế, điện áp quá độ sẽ được tạo ra và dẫn đến hư hỏng hay phá hủy mạng điện. Nếu việc lắp đặt và bảo trì được thực hiện đúng cách, phương pháp này có thể đáng tin cậy (ở tần số điện), nhưng nói chung là không thích hợp cho mục đích EMC và nói chung không khuyến cáo sử dụng

• Cấu hình đề nghị cho hệ thống nổi đất và các cực nối là hai hoặc ba điện cực  (xem hình dưới).

• Cách tiếp cận này được khuyên dùng cho mục đích sử dụng tông quát, theo quan điểm cả về an toàn và EMC. Khuyến cáo này không loại trừ các cấu hình khác đặc biệt là cũng phù hợp nếu nó được bảo trì một cách thích hợp.
• Trong một công trình điển hình cho một tòa nhà nhiều tầng, mỗi tầng cần phải có mạng nối đất riêng (thường là một mạng lưới) và tất cả các mạng phải này nhỏ: được kết nối liên thông với nhau và nối với điện cực nối đất, ít nhất phải có hai các nối (được xây dựng dự phòng) để đảm bảo rằng, nếu một dây bị đứt, thì sẽ không có phần nào của mạng lưới nối đất bị cô lập.
• Thực tế có nhiều hơn hai kết nối được thực hiện để đạt được dòng điện đối xứng tốt hơn, nhờ đó sẽ giảm sự khác biệt về điện áp và tông trở tổng thể giữa các khác nhau trong tòa nhà. 
• Các đường dẫn song song có các tân số cộng hưởng khác nhau. Nếu có một nicó tông trở cao, nó thường sẽ là nhánh mắc song song với một nhánh khác và . tần số cộng hưởng khác. Tóm lại, trên một phố tần số rộng (vài chục Hz và MHz), số lượng lớn các nhánh sẽ đem lại một hệ thống có tổng trở thấp (xem hình)

• Mỗi phòng trong tòa nhà phải có dây dẫn nối đất nhằm tạo ra liên kết đẳng thế gian các thiết bị và các hệ thống, các đường cáp, hệ thống ống dẫn (trunking) và cấu toà nhà. Hệ thống này có thể được gia cố thêm bằng việc kết nối các ống kín máng nước, đế đỡ, khung sườn,… Trong một số trường hợp đặc biệt hạn như với phòng điều khiển hoặc các máy tính lắp đặt trên sàn bị nhiễu, mặt phẳng nối đất chuẩn hoặc các thanh nối đất trong khu vực có hệ thống địa thể được sử dụng để cải thiện việc nối đất cho các thiết bị nhạy cảm và bảo vệ cho cáp liên kết.

Cơ cấu móc vòng và biện pháp đề phòng

Tổng quan

• Một hiện tượng nhiễu điện từ có thể được tóm tắt trong hình dưới đây.

• Các nguồn gây nhiễu khác nhau là:
  • Phát xạ sóng vô tuyến (radio):
    • Các hệ thống truyền thông không dây (radio, TV, CB, điện thoại vô tuyến, điều khiển từ xa).
    • Ra-da 
  • Thiết bị điện:
    • Thiết bị công nghiệp công suất lớn (lò cảm ứng, máy hàn, hệ thống điều khiển stator) 
    • Thiết bị văn phòng (máy tính và các mạch điện tử, máy photocopy, màn hình lớn) 
    • Đèn phóng điện (neon huỳnh quang, đèn flash,…)
    • Các bộ phận điện cơ (rơle, khởi động từ, van điện từ, các thiết bị ngắt dòng) 
  • Hệ thống điện 
    • Hệ thống truyền tải và phân phối điện 
    • Hệ thống điện giao thông vận tải
  • Hiện tượng sét 
  • Phóng tĩnh điện (ESD) 
  • Xung điện-từ do phản ứng hạt nhân (EMNP) 
• Các nạn nhân tiềm năng là:
  • Đầu thu radio và đầu thu TV, ra-đa, hệ thống truyền thông không dây 
  • Hệ thống tín hiệu tương tự (các bộ cảm biến, thu nhận tín hiệu đo lường, các bộ khuếch đại, các màn hình giám sát)
  • Hệ thống kỹ thuật số (máy tính, máy truyền thông, thiết bị ngoại vi)
• Các kiểu móc nối khác nhau là: 
  • Móc vòng do tổng trở theo kiểu đồng pha 
  • Móc vòng do điện dung 
  • Móc vòng do điện cảm 
  • Móc vòng do bức xạ (cáp với cáp, trường với dây cáp, ăng-ten với ăng ten).

Móc vòng tổng trở dạng đồng pha

Định nghĩa

• Hai hoặc nhiều thiết bị được kết nối với nhau bằng nguồn cung cấp điện và cáp thông tin (xem hình dưới). Khi dòng từ bên ngoài (sét đánh, dòng sự cố, nhiễu…) chạy qua các tổng trở dạng đồng pha này, một điện áp không mong muốn sẽ xuất hiện giữa điểm A và B mà chúng được cho là đẳng thế. Điện áp rò này có thể gây nhiều mức thấp hay nhiễu nhanh các mạch điện tử. Tất cả cáp, bao gồm dây bảo vệ, đều có tổng trở, đặc biệt là ở tần số cao.

• Ví dụ: Các thiết bị được nối với nhau bởi một dây dẫn chúng (ví dụ như PEN, PE) sẽ bị ảnh hưởng bởi tốc độ của biến thiên (di/dt) nhanh hoặc rất lớn của các dòng điện (dòng sự cơ, sét đánh, ngắn mạch, thay đổi tải, mạch băn xung, dòng họa tần, nhánh tụ điều chỉnh hệ số công suất,…). Một đường khép mạch trở về chung cho một số nguồn điện.

Biện pháp đề phòng

• Nếu không thể loại trừ được, tổng trở dạng đồng pha phải thấp nhất tới mức có thể. Để giảm thiểu những ảnh hưởng của trở kháng dạng đồng pha, cần thiết phải:
  • Giảm giá trị tổng trở: 
    • Kết nối ô lưới các mạch chuẩn chung,
    • Sử dụng các đoạn cáp ngắn hoặc các dây bện loại dẹt có kích thước bằng nhau, và có tổng trở thấp hơn so với các loại cáp tròn, 
    • Lắp đặt các dây nối đẳng thế giữa các thiết bị. 
  • Giảm mức độ của các dòng nhiều bằng cách thêm bộ lọc ở dạng đồng pha và cuộn cảm ở dạng so lệch

• Nếu tổng trở của dây nối đất song song PEC (ZPEC) rất thấp so với z tín. hiệu, hầu như toàn bộ dòng điện nhiều sẽ chạy qua PEC, tức là không thông qua đường dây tín hiệu như trường hợp trước đó.
• Độ chênh lệch điện thế giữa các thiết bị 1 và 2 trở nên rất thấp và nhiễu này chấp nhận được.

Móc vòng do điện dung

Định nghĩa

• Mức độ nhiễu phụ thuộc vào tốc độ biến thiên điện áp (dv/dt) và giá trị của tự kỷ sinh giữa tác nhân gây nhiễu và nạn nhân.
• Điện dụng kỷ sinh tăng theo:
  • Tần số 
  • Độ gần giữa các nhân gây nhiễu tới nạn nhân và chiều dài của các dây cáp song song 
  • Chiều cao của các dây cáp so với mặt phẳng đất chuẩn
  • Trở kháng vào của mạch bị nhiễu (mạch điện có trở kháng vào cao thì nguy hiểm hơn). 
  • Cách điện của dây cáp mạch bị nhiễu (ε_r của cách điện trong cáp), đặc biệt đối với cáp xoắn đôi.
• Hình sau cho thấy các kết quả của móc vòng do điện dung (giao âm) giữa hai ở cáp.

• Ví dụ:
  • Cáp ở gần bị tăng điện áp rất nhanh (dv/dt)
  • Khởi động các đèn huỳnh quang 
  • Trạng thái đóng cắt nguồn điện áp cao (máy photocopy,…)
  • Điện dung ký sinh giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp máy biến áp 
  • Hiện tượng giao âm giữa các sợi cáp

Biện pháp đề phòng

• Giới hạn chiều dài đi song song của mạch gây nhiễu và mạch bị nhiễu đến mức thấp cho phép 
• Tăng khoảng cách giữa nguồn gây nhiễu và mạch bị nhiễu 
• Với các mạch nối bằng 2 dây, đi dây sao cho 2 dây gần nhau nhất tới mức có thể 
• Định vị một PEC nối đẳng thế với cả hai đầu dây và giữa nguồn gây nhiễu và mạch bị nhiễu 
• Dùng cáp hai hay bốn lãi hơn là các đơn
• Sử dụng hệ thống truyền dẫn đối xứng lắp đặt hợp lý, hệ thống đi dây đối xứng
• Tạo màn chắn cho cáp gây nhiễu, cáp bị nhiễu, hoặc cả hai (các màn chắn phải được nối đẳng thế)
• Giảm dv/dt của nguồn nhiều bằng cách tăng thời gian phát tín hiệu nếu có thể.

Móc vòng kiểu điện cảm

Định nghĩa

• Nguồn gây nhiễu và mạch bị nhiễu bị móc vồng với nhau bởi một từ trường. Mức độ nhiễu phụ thuộc vào tốc độ biến thiên dòng điện (di/dt) và hỗ cảm móc vòng.
• Móc vòng kiểu điện cảm tăng theo: 
  • Tần số 
  • Độ gần từ nguồn gây nhiễu đến mạch bị nhiễu và chiều dài của các dây cáp song song
  • Chiều cao của các dây cáp đối với mặt phẳng đất chuẩn
  • Tổng trở tải của mạch bị nhiễu.
• Ví dụ
  • Cáp lân cận xuất hiện biến thiên dòng điện (di/dt) 
  • Ngắn mạch 
  • Dòng sự cố 
  • Sét đánh 
  • Hệ thống điều khiển stator 
  • Máy hàn 
  • Cuộn cảm

Biện pháp đề phòng 

• Giới hạn chiều dài đi song song của mạch gây nhiễu và mạch bị nhiều đến mứS thấp cho phép 
• Tăng khoảng cách giữa nguồn gây nhiễu và mạch bị nhiễu 
• Với các mạch nối bằng 2 dây, đi dây sao cho 2 dây gần nhau nhất tới mức có thể 
• Dùng cáp nhiều lỗi hoặc cáp 1 lõi đặt tiếp xúc nhau, nên bố trí dạng tam giác 
• Định vị một PEC nối đẳng thế với cả hai đầu dây và giữa nguồn gây nhiễu và mạch bị nhiễu 
• Sử dụng hệ thống truyền dẫn đối xứng lắp đặt hợp lý, hệ thống đi dây đối xứng 
• Tạo màn chắn cho cáp gây nhiễu, cáp bị nhiễu, hoặc cả hai (các màn chắn phải được nối đẳng thế). 
• Giảm dv/dt của nguồn nhiều bằng cách tăng thời gian phát tín hiệu nếu có thể (mắc điện trở nối tiếp hoặc điện trở PTC trên cáp gây nhiễu, đặt vòng sắt từ trên cáp gây nhiễu/cáp bị nhiễu).

Móc vòng do bức xạ

Định nghĩa

• Các nguồn gây nhiễu và mạch bị nhiễu bị móc vòng qua vật trung gian (ví dụ như không khí). Mức độ nhiễu phụ thuộc vào công suất của nguồn bức xạ và tính hiệu quả của các ăng-ten thu và phát. Một trường điện từ bao gồm cả hai một điện trường và một từ trường. Hai trường này có tương quan lẫn nhau. Có thể phân tích riêng các thành phần của điện trường và từ trường.
• Trường điện (E trường) và trường từ (trường H) móc vòng trong các hệ thống dây dẫn qua các dây và vòng kín (xem hình)

• Khi 1 sợi cáp chịu ảnh hưởng của một điện trường biến thiên, trong cáp xuất hiện dòng điện chạy qua. Hiện tượng này được gọi là móc vòng trường – với – cáp.
• Tương tự, khi một từ trường biến thiên đi qua một mạch vòng, nó sẽ tạo ra một lực điện động ngược trong vòng và do đó hình thành điện áp giữa hai đầu hở của mạch vòng. Hiện tượng này được gọi là móc vòng trường – với – mạch vòng.
• Ví dụ:
  • Thiết bị phát sóng vô tuyến (máy bộ đàm, đầu phát radio và TV, dịch vụ điện thoại di động)
  • Ra-đa 
  • Hệ thống đánh lửa ô tô 
  • Hệ thống máy hàn hồ quang 
  • Lò cảm ứng 
  • Hệ thống đóng cắt công suất lớn 
  • Phòng tĩnh điện (ESD) 
  • Chiếu sáng.

Các khuyến cáo về đi dây

Các nhóm tín hiệu

• Nhóm 1:
  • Đường dây nguồn chính, mạch điện có di/dt cao, bộ biến đổi công suất loại đóng ngắt, thiết bị điều khiển điều chỉnh nguồn.
  • Nhóm này không là dạng rất nhạy cảm, nhưng có thể gây nhiễu đến các nhóm khác (đặc biệt là ở dạng đồng pha).
• Nhóm 2:
  • Các tiếp điểm rơle.
  • Nhóm này không là loại rất nhạy cảm, nhưng có thể gây nhiễu đến các nhóm khác (đóng cắt chuyển mạch, gây hồ quang khi mở tiếp điểm). 
• Nhóm 3:
  • Mạch kỹ thuật số (đóng cắt tần số cao HF).
  • Nhóm này không những nhạy cảm với các xung, mà còn gây nhiễu lên các nhóm sau.
• Nhóm 4:
  • Mạch tín hiệu tương tự vào/ra (mạch đo lường công suất thấp, mạch cấp nguồn cho cảm biến).
  • Nhóm này là loại nhạy cảm. Rất tốt khi dùng dây dẫn với màu sắc riêng cho từng nhóm để dễ nhận biết và tách rời các nhóm. Điều này rất hữu dụng trong quá trình thiết kế và xử lý sự cố.

Khuyến cáo về đi dây

Cáp truyền dẫn các loại tín hiệu khác nhau phải được cách ly về mặt vật lý.

Cáp gây nhiễu (nhóm 1 và nhóm 2) phải được đặt cách xa các loại cáp nhay cảm (nhóm 3 và nhóm 4) (xem hình hình dưới, tham khảo thêm hình phần trên)

• Thông thường, khoảng cách ly 10 cm giữa các cán phẳng trên mặt tấm kim loại là đủ (cho cả hai chế độ đồng pha và so lệch). Nếu có đủ không gian, khoảng cách 30 cm thì thích hợp hơn. Nếu cáp bị buộc phải giao chéo, nên thực hiện ở một góc cắt hợp lý để tránh hiện tượng giao âm (ngay cả khi chúng tiếp xúc nhau). Không yêu cầu phải có khoảng cách giữa các dây cáp đã được cách ly bởi bộ phân vùng bằng kim loại và đã được nối đẳng thế vào ECPs. Tuy nhiên, chiều cao của bộ phân vùng phải lớn hơn đường kính của các cáp.

Một cáp chỉ nên dẫn tín hiệu của một nhóm duy nhất

• Nếu cần phải dùng cáp để tải các tín hiệu của các nhóm khác nhau, màn chắn bên trong cáp là rất cần thiết để hạn chế hiện tượng giao âm (chế độ so lệch). Lớp màn chắn, thường là lưới bên, phải được nối đẳng thế tại mỗi đầu dây với các nhóm 1, 2 và 3.

Nên dùng cáp có bọc chắn cho các mạch gây nhiễu và nhạy cảm

• Màn bọc chắn hoạt động như bộ bảo vệ HF (dạng đồng pha và dạng so lệch) nếu nó được nối đẳng thế tại mỗi đầu cuối bằng cách sử dụng đầu nối bọc quanh chu vi, dùng vòng đệm hoặc dùng kẹp. Tuy nhiên, nếu chỉ dùng một dây nối vỏ đơn giản thì không đủ.

Tránh sử dụng một dây nối duy nhất cho các nhóm khác nhau

• Trừ trường hợp rất cần thiết cho nhóm 1 và 2 ( dạng so lệch), nếu một dây nối duy nhất được sử dụng cho cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số, hai nhóm phải được cách ly bằng ít nhất là một tập các tiếp xúc nối đến điểm 0V được sử dụng như một rào chắn.

Tất cả các dây dẫn không mang điện (dự trữ) phải luôn được nổi vỏ tại mối đầu cuối

• Đối với nhóm 4, không nên dùng những kết nối này cho đường dây có điện áp rất thấp và ở các mức tần số (nguy cơ tạo ra nhiều tín hiệu, bởi cảm ứng từ, ở các tần số truyền).

Hai dây dẫn “đi” và “về” của mất kỳ mạch nào phải được lắp đặt càng gân nhau càng tốt

• Điều này đặc biệt quan trọng đối với các cảm biến công suất thấp. Ngay cả đối với các tín hiệu rơle thông thường, cáp nối tín hiệu nên được đi kèm với ít nhất 1 dây dẫn chung trong mỗi bỏ dây. Đối với tín hiệu tương tự và tín hiệu kỹ thuật số, yêu cầu tối thiểu là dùng các đội vặn xoắn. Một cáp đôi vặn xoắn (kiểu so lệch) đảm bảo rằng hai dây sẽ luôn sát cạnh nhau dọc theo toàn bộ chiều dài của nó.
• Cáp nhóm 1 không cần thiết phải được bọc chắn nếu chúng đã được lọc. Nhưng chúng nên là cáp đôi cặp xoắn để đảm bảo phù hợp với các phần trước Toàn bộ chiều dài cáp phải luôn được đặt dọc theo các vỏ kim loại đẳng thế của thiết bị (xem hình).

• Ví dụ: các vỏ bọc, thanh dẫn (trunking) kim loại, khung kết cấu,… nhằm tận dụng lợi thế của việc an toàn, rẻ tiền và giảm ảnh hưởng đáng kể (dạng đồng pha) và hiệu ứng chống giao âm (dạng so lệch).

Việc sử dụng đúng kênh dẫn kim loại được nối đẳng thế sẽ cải thiện đáng kể đặc tính tương hợp điện từ bên trong 

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.

________________