Những vấn đề cơ bản phòng cháy thiết bị điện

Hiện nay điện đã trở thành nguồn năng lượng không thể thiếu đối với con người. Nhưng đi kèm với tiềm năng cũng ẩn chứa những nguy cơ cực kỳ nguy hiểm như cháy, nổ, điện giật,…Chính vì thế, chúng ta phải học cách phòng cháy chữa cháy để không bị động khi gặp sự cố.

Khái niệm chung về cung cấp điện và các thiết bị điện

Khái niệm chung về mạng điện và hệ thống điện

– Hệ thống điện gồm các nhà máy điện, các mạng điện và các hộ tiêu thụ điện, được liên kết với nhau tạo thành một hệ thống để thực hiện quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng.

Hình 1.1. Sơ đồ của hệ thống điện

– Căn cứ nguồn năng lượng sơ cấp dùng để sản xuất điện năng, các nhà máy điện được phân thành: các nhà máy nhiệt điện, thủy điện và điện nguyên tử. Nguồn năng lượng sơ cấp dùng trong các nhà máy nhiệt điện là nhiên liệu hữu cơ (than, dầu, khí), trong các nhà máy thủy điện là sức nước, trong các nhà máy điện nguyên tử là năng lượng hạt nhân.

– Ngoài các nhà máy nhiệt điện, thủy điện và điện nguyên tử còn có các nhà máy điện khác (năng lượng sơ cấp là mặt trời, gió, địa nhiệt, thủy triều…). Công suất của các nhà máy điện này không lớn.

– Phần điện của các nhà máy điện có các thiết bị chính và phụ. Các thiết bị chính là: các máy phát điện đồng bộ, các hệ thống thanh góp, các thiết bị đóng cắt, các dao cách ly và các thiết bị tự dùng. Các thiết bị điện chính được dùng để sản xuất và phân phối điện năng, đóng và cắt các mạch điện v.v… Các thiết bị phụ được sử dụng để thực hiện các chức năng đo lường, phát tín hiệu, bảo vệ, tự động v.v…

– Mạng điện là một tập hợp gồm các trạm biến áp, trạm đóng cắt, các đường dây trên không và các đường dây cáp.

– Các trạm được sử dụng để biến đổi điện áp và phân phối điện năng. Trong các chạm có các máy biến áp, các thanh góp, các thiết bị đóng cắt và các thiết bị phụ để bảo vệ, tự động hóa và đo lường.

– Hộ tiêu thụ điện bao gồm các thiết bị sử dụng điện riêng biệt hay là tập hợp tất cả các thiết bị điện đó. Thiết bị sử dụng điện là các động cơ điện đồng bộ, động cơ không đồng bộ, các lò điện cảm, máy hàn điện, các thiết bị chiếu sáng và v.v…

– Dựa vào yêu cầu liên tục cung cấp điện, các hộ tiêu thụ được phân thành ba loại.

Hộ loại 1 là những hộ tiêu thụ điện quan trọng, nếu như ngừng cung cấp điện có thể gây ra nguy hiểm đến tính mạng và sức khỏe của người, gây thiệt hại nhiều về kinh tế, hư hỏng thiết bị, làm hỏng hàng loạt sản phẩm, rối loạn quá trình công nghệ phức tạp (ví dụ, các lò luyện kim loại, thông gió trong hầm lò và các nhà máy sản xuất hóa chất độc hại và v.v…).

Hộ loại 2 là các hộ tiêu thụ điện nếu như ngừng cung cấp điện chỉ gây thiệt hại kinh tế do quá trình sản xuất bị gián đoạn (ví dụ, các nhà máy công cụ, nhà máy dệt và v.v…).

Hộ loại 3 là tất cả những hộ tiêu thụ không thuộc hai loại trên (ví dụ, sinh hoạt dân dụng, các phân xưởng sản xuất không theo dây chuyền và v.v…).

Khái niệm chung về phòng cháy các thiết bị điện

Thiết bị điện là những thiết bị có liên quan đến dòng điện bao gồm:

– Thiết bị sản xuất điện năng biến các dạng năng lượng sơ cấp khác nhau như: nhiệt năng, thủy năng, quang năng,.. thành điện năng (máy phát điện);

– Thiết bị tiêu thụ điện năng (phụ tải) biến điện năng thành các dạng năng lượng khác phục vụ đời sống con người như cơ năng, nhiệt năng, quang năng,..

– Thiết bị truyền tải và phân phối điện năng (dây dẫn điện, trạm biến áp);

– Thiết bị bảo vệ (cao áp, hạ áp);

– Thiết bị ổn định hệ thống (thiết bị bù).

Phòng cháy các thiết bị điện là hệ thống các giải pháp kỹ thuật nhằm phòng ngừa cháy, nổ trong thiết kế, xây dựng, vận hành mạng điện, thiết bị tiêu thụ điện, trạm biến áp và các biện pháp bảo vệ chống sét cho nhà và công trình.

Những nguyên nhân sinh ra cháy các thiết bị điện

Ngắn mạch

Khái niệm

Ngắn mạch là trạng thái sự cố trong hệ thống điện khi các pha chập nhau (đối với mạng có trung tính cách ly) hoặc các pha chập nhau và chạm đất (đối với mạng có trung tính nối đất). Nói cách khác ngắn mạch là hiện tượng mạch điện bị nối tắt qua một tổng trở rất nhỏ có thể coi như bằng không.

Ví dụ: Khi chạm vào dây dẫn điện trần, hoặc vỏ thiết bị điện (tủ lạnh, siêu điện…) có dòng điện rò rỉ, chúng ta cảm thấy bị giật. Đó chính là ngắn mạch.

Những nguyên nhân phát sinh ngắn mạch

– Có nhiều nguyên nhân nhưng nguyên nhân chủ yếu dẫn tới ngắn mạch là do cách điện của các phần dẫn điện bị phá hủy.

Nguyên nhân dẫn đến cách điện bị phá hủy là:

+ Cách điện bị phá hủy do tác động của nhiệt độ cao hay ngọn lửa trần khi xảy ra cháy.

+ Cách điện bị lão hóa: Thời gian dây dẫn, dây cáp làm việc vượt quá thời gian cho phép.

+ Dây dẫn và dây cáp điện bị hỏng lớp cách điện là do hậu quả của việc kéo căng, uốn cong quá mức.

– Ngắn mạch có thể xảy ra do bị cây cối đổ đè lên dây pha khi có giông, bão, chủ yếu xảy ra trong hệ thống truyền tải điện. Ngắn mạch có thể xảy ra do các dây truyền tải trên không bị chập dưới tác dụng của gió hay do vật kim loại văng lên đường dây; hay do sai lầm của công nhân khi sửa chữa và bảo dưỡng thiết bị điện.Các dạng ngắn mạch

– Trong hệ thống điện ba pha hiện nay có 4 dạng ngắn mạch cơ bản sau (hình 1.2).

Hình 1.2. Các dạng ngắn mạch

+ Ngắn mạch ba pha, tức 3 pha chập nhau, ký hiệu N⁽³⁾;

+ Ngắn mạch hai pha, tức 2 pha chập nhau, ký hiệu N⁽²⁾;

+Ngắn mạch hai pha chạm đất, tức 2 pha chập nhau đồng thời chạm đất, ký hiệu N^(1,1);

+ Ngắn mạch một pha chạm đất, ký hiệu N⁽¹⁾.

– Lưu ý:

+ Xác suất xảy ra ngắn mạch theo các dạng kể trên trong mạng điện thực tế không giống nhau, xác suất xảy ra lớn nhất đối với ngắn mạch 1 pha chạm đất (65%), ít nhất đối với ngắn mạch 3 pha (5%), còn lại ngắn mạch 2 pha chạm đất là 20%, ngắn mạch 2 pha chập nhau là 10%.

+ Ngắn mạch 1 pha và 2 pha chạm đất chỉ xảy ra trong mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất.

Dòng điện ngắn mạch (I_N):

Dòng điện ngắn mạch phụ thuộc vào 4 yếu tố sau:

– Công suất nguồn cung cấp điện S_n. Công suất càng lớn, dòng điện ngắn mạch càng lớn.

– Khoảng cách từ điểm ngắn mạch đến nguồn cung cấp, có nghĩa là phụ thuộc vào tổng trở của các thành phần từ vị trí xảy ra ngắn mạch đến nguồn, tổng trở càng nhỏ thì dòng ngắn mạch càng lớn.

– Dạng ngắn mạch: Khi ngắn mạch 1 pha dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất. Ngắn mạch 3 pha có dòng điện ngắn mạch lớn nhất. Ý nghĩa của điều này là trong thiết kế nhà, công trình hoặc khi kiểm tra thiết bị bảo vệ phải tính toán được dòng ngắn mạch 3 pha.

– Thời gian ngắn mạch (t_N): Thời gian từ lúc phát sinh ngắn mạch đến khi thiết bị bảo vệ làm việc ngắt dòng ngắn mạch, hay nói cách khác, thời gian ngắn mạch chính bằng thời gian cắt của thiết bị bảo vệ (t_N = t_ctbbv).

Nguy hiểm cháy khi xảy ra ngắn mạch

Khi đặt một điện áp U lên một dây dẫn thì trong dây dẫn sẽ có dòng điện I chạy qua. Theo định luật Jun-Lenxơ dòng điện I chạy trong dây dẫn sinh một nhiệt lượng Q, được tính theo công thức:

    Q = I²Rτ                                                                                                          (1.1)

Trong đó:

Q – nhiệt lượng sinh ra, J;

I – dòng điện trong dây dẫn, A;

R – điện trở, Ω;

τ – thời gian, s.

Để đánh giá nguy hiểm cháy xảy ra khi ngắn mạch, cần xem xét thiết bị điện ở 2 chế độ làm việc: chế độ làm việc bình thường và chế độ sự cố (khi xảy ra ngắn mạch).

Ở chế độ làm việc bình thường, tại thời điểm đầu một phần nhiệt tỏa ra để làm tăng nhiệt độ của dây dẫn và chất cách điện, một phần nhiệt tỏa vào môi trường xung quanh. Sau một thời gian dòng nhiệt chạy trong dây dẫn đạt tới chế độ ổn định toàn bộ nhiệt lượng giải phóng ra được tỏa vào môi trường xung quanh (nhiệt lượng sinh ra bằng nhiệt lượng tỏa vào môi trường). Nhiệt độ của dây dẫn được xác định bằng giới hạn nhiệt độ đốt nóng cho phép; lúc này cách nhiệt của chúng sẽ ở trong chế độ nhiệt bình thường và làm việc trong thời gian lâu dài.

Ở chế độ sự cố khi xảy ra ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch I_N tăng gấp nhiều lần so với dòng điện cho phép I_cp và xảy ra trong thời gian rất ngắn (t_N rất nhỏ, t_N = t_ctbbv). Vì vậy, trong thời gian ngắn mạch, nhiệt lượng tỏa vào môi trường xung quanh coi như không đáng kể (coi như đoạn nhiệt) Q₂ ≈ 0.

– Đồng thời khi xảy ra ngắn mạch, trị số dòng điện ngắn mạch (I_N) tăng đột biến, theo (1.1) thì Q ≈ I_N² => Q tăng rất nhiều lần. Khi Q₂ ≈ 0 toàn bộ nhiệt lượng sinh ra tập trung nung nóng dây dẫn, làm nóng chảy kim loại.

– Khi ngắn mạch sinh ra lực động điện F_đđ, chính lực này làm bắn các hạt kim loại nóng chảy vào môi trường xung quanh. Vì vậy, ngắn mạch thường kèm theo tia lửa điện, mà bản chất thực chất là lực F_đđ.

  Biện pháp đề phòng ngắn mạch

Biện pháp đề phòng ngắn mạch có hiệu quả nhất là lắp đặt, vận hành mạng điện, máy móc thiết bị đúng tiêu chuẩn. Việc lựa chọn thiết bị điện phải phù hợp với các thông số định mức của mạng điện (dòng điện, điện áp, phụ tải), tương thích với điều kiện môi trường xung quanh và yêu cầu tiêu chuẩn lắp đặt điện. Đặc biệt phải chấp hành nghiêm chỉnh việc theo dõi, sửa chữa, vận hành ở những nơi không an toàn.

Kiểm tra thường xuyên các thiết bị điện để phát hiện nhưng nơi hỏng chất cách điện, những nơi có hiện tượng phóng điện.

Sử dụng thiết bị bảo vệ cho thiết bị điện và mạng điện. Mục đích là khi sự cố xảy ra thiết bị bảo vệ tác động kịp thời loại trừ sự cố ra khỏi mạng điện. Thiết bị bảo vệ phổ biến hiện nay là rơle, áptômát và cầu chảy.

Ở các trạm biến áp có công suất lớn thường dùng các bộ kháng điện để tăng điện trở của mạch và giảm dòng điện ngắn mạch.