Điện Nối Đất được truyền đi đâu_ _ Tri thức nhân loại

Điện nối đất được truyền đi đâu? Hãy tưởng tượng tình huống này. Bạn có một máy phát điện chạy bằng dầu diesel trên một giá đỡ được cách điện khỏi mặt đất. Chạy một giây từ khe dây nóng của ổ cắm đến một điện cực được cắm xuống đất. Không kết nối bất cứ thứ gì với khe dây đất và khe dây trung tính. Bây giờ hãy tưởng tượng đến việc khởi động máy phát điện. Theo bạn thì điều gì sẽ xảy ra? Dòng điện có chạy từ dây nóng xuống đất hay không? Ý tưởng về một mạch điện chỉ là sự tru tượng hóa của một số quá trình điện tử thực sự phức tạp và điều đó thậm chí còn đúng hơn trên quy mô lớn của lưới điện. Tiếp địa là một trong những khía cạnh khó hiểu và dễ hiểu lầm nhất của lưới điện. Ví dụ, nếu tôi chạy một giây từ cực dương của pin xuống đất thì không có gì xảy ra. Nhưng khi một đường dây điện có điện rơi từ trên cột xuống đất thì chắc chắn có dòng điện chạy xuống đất. Xét đánh từ đám mây xuống đất, di chuyển các dòng điện lớn vào hoặc ra khỏi lòng đất. Nhưng thí nghiệm tưởng tượng nhỏ của tôi về một máy phát điện được kết nối với một điện cực nối đất sẽ không tạo ra bất kỳ dòng điện nào cả. Tôi sẽ giải thích lý do tại sao trong chốc phút. Ngay cả trên sơ đồ điện, đất chỉ là một biểu tượng treo lơ lừng trên mạch điện. Nhưng các kết nối giữa mạch điện và đất phục vụ khá nhiều mục đích khác nhau và quan trọng. Và tôi đã thiết lập một số bản demo để giúp bạn dễ hình dung. Tôi nghĩ rằng bạn sẽ nhìn vào lưới điện theo một cách hoàn toàn mới sau điều này. Nhưng đừng thử những thí nghiệm này ở nhà. Câu hỏi lúc này là, tại sao chúng ta lại nối đất các mạch điện ngay từ đầu? Có lẽ cách dễ nhất để trả lời câu hỏi đó là cho bạn thấy điều gì xảy ra khi chúng ta không làm vậy. Đối với tầm quan trọng của nó trong quy tắc điện, bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng nó không phải lúc nào cũng là vấn đề lớn, và trong một số trường hợp, thậm chí có thể có lợi. Rốt cuộc, rất nhiều mạch điện nhỏ không có kết nối với đất, ngay cả khi một phần của mạch được gọi theo nghĩa đen là đất. Trong trường hợp đó, thuật ngữ đó thực sự chỉ đề cập đến một điểm tham chiếu chung, mà từ đó điện áp được đo. Đó là một điều có thể gây nhầm lẫn về điện áp. Nó không thực sự đề cập đến một dây dẫn, hoặc dấu vết, hoặc vị trí duy nhất, mà là sự khác biệt về điện thế giữa hai điểm. Theo quý ước, chúng ta chọn một điểm tham chiếu chung, giả sử nó có điện thế bằng không để làm cho phép tính đơn giản, và gọi đó là đất, ngay cả khi không có liên quan nào đến mặt đất thực tế bên dưới chân chúng ta. Trên các thiết bị nhỏ, điện áp thấp, như đồ chơi chạy bằng pin, sự khác biệt về điện thế giữa các thành phần trên bằng mạch, và mặt đất thực tế không quá quan trọng. Nhưng điều đó không đúng đối với các hệ thống điện áp cao được kết nối với lưới điện. Hãy để tôi chỉ cho bạn lý do tại sao. Đây là sơ đồ hệ thống điện điển hình trên lưới điện. Các cuộn dây của máy phát điện được hiển thị ở bên trái. Khi từ trường quay qua các cuộn dây này, nó sẽ tạo ra dòng điện trên các dây dẫn. Và đây là cách chúng ta có được nguồn điện xoay chiều ba pha, xương sống của hầu hết các lưới điện hiện nay. Hãy nhìn vào hầu hết mọi đường dây truyền tải, và bạn sẽ thấy ba dây dẫn chính tương ứng với sơ đồ này. Nhưng thứ bạn không thấy ở đây là kết nối với đất. Tôi sẽ đặt một sơ đồ khác bên dưới, trong đó khoảng cách bằng điện áp. Bạn có thể thấy cả ba dây dẫn của chúng ta đều có cùng điện áp pha và pha. Chúng cũng có cùng điện áp pha và đất. Mọi thứ đều cân bằng. Nhưng trong ví dụ này, kết nối đó với đất không mạnh lắm, chỉ xuất phát từ trường điện tử của dòng điện xoay chiều, gọi là kết nối điện dung. Hãy xem điều gì xảy ra khi bị lỗi chạm đất. Điều này có thể là cành cây làm đổ đường dây điện, hoặc dây dẫn bị thổi bay tiếp xúc với tháp thép, hoặc bất kỳ sự cố nào khác dẫn đến đoạn mạch giữa một pha và mặt đất. Bây giờ, đột nhiên, lực kép yếu giữ cho điện áp pha và đất cân bằng trở nên quá mạnh, và tất cả các pha đều trải qua sự thay đổi điện áp so với đất. Nhưng điện áp pha và pha không thay đổi. Trên thực tế, lỗi chạm đất trên hệ thống điện không nối đất thường không gây ra bất kỳ vấn đề nào ngay lập tức. Động cơ, máy biển áp và các tài khác trên hệ thống không thực sự quan tâm đến điện áp pha và đất nếu chúng được nối giữa các pha. Đây là một lợi ích của hệ thống điện không nối đất. Trong nhiều trường hợp, hệ thống có thể tiếp tục hoạt động ngay cả khi xảy ra lỗi chạm đất. Nhưng tất nhiên, cũng có một số nhược điểm. Trong ví dụ tôi đã trình bày, điện áp pha và đất của hai dây dẫn không bị lỗi nối đất sẽ tăng lên gần gấp đôi so với điện áp ở trạng thái cân bằng. Điện áp cao hơn đòi hỏi nhiều lớp cách điện hơn, nghĩa là chi phí cao hơn. Đặc biệt là trên các đường dây truyền tải lớn, nơi lớp cách điện, nghĩa là giữ các dây dẫn cách xa nhau và cách xa mặt đất, những chi phí đó có thể tăng lên nhanh chóng. Có vẻ như đây là một vấn đề khó hiểu đối với một kỹ sư điện. Nhưng trên thực tế, điều đó chỉ có nghĩa là các hệ thống điện không nối đất có thể tốn kém hơn nhiều. Nhưng đó chỉ là khởi đầu. Nhìn lại sơ đồ của chúng ta, và bạn có thể thấy điện thế pha bị lỗi bằng điện thế đất. Nói cách khác, sự khác biệt của chúng là bằng không. Không có điện áp, và khi bạn có điện áp bằng không, bạn cũng có dòng điện bằng không. Không có dòng điện nào chảy từ dây dẫn xuống đất, hoặc ít nhất là không có nhiều dòng điện. Bạn vẫn có sự ghép nối điện dung giữa các dây dẫn, không bị lỗi cho phép một chút dòng điện chạy qua, nhưng không nhiều. Và điều này quan trọng vì hầu như tất cả các thiết bị bảo vệ hệ thống điện khỏi sự cố, như lỗi đất, đều cần một số dòng điện để chạy qua. Nếu bạn biết nhiều về hệ thống dây điện trong các tòa nhà, bạn có thể quen thuộc với ví dụ kinh điển, về máy nướng bánh mì có vỏ kim loại. Nó có thể là bất kỳ thiết bị nào, nhưng chúng ta hãy sử dụng máy nướng bánh mì làm ví dụ. Trong điều kiện bình thường, dòng điện chạy từ dây nóng qua bộ phận da nhiệt và vào dây trung tính để trở về lưới điện, hoàn thành mạch điện kín. Nhưng nếu có thứ gì đó bị lỏng bên trong máy nướng bánh mì, thì mặt có điện của nguồn điện có thể tiếp xúc với vỏ kim loại bên ngoài của máy nướng bánh mì, khiến nó cũng có điện. Điều này có thể gây ra hỏa hoạn, hoặc trong trường hợp xấu nhất, gây giật điện cho người chạm vào vỏ máy. Vì vậy, nhiều thiết bị được yêu cầu phải có một dây dẫn khác được gắn vào vỏ máy, tạo cho dòng điện một đường dẫn trở về song song, có điện trở thấp. Điện trở thấp đó có nghĩa là rất nhiều dòng điện sẽ chạy qua, kích hoạt cầu giao bảo vệ tự ngắt mạch. Không chỉ có các cầu giao trong nhà bạn hoạt động theo cách này. Hầu như tất cả các thiết bị bảo vệ, được gọi là dơ le, giám sát các bộ phận của lưới điện để tìm ra sự cố, đều dựa vào dòng điện lỗi để phân biệt giữa tải điện bình thường và ngắn mạch. Cách đơn giản nhất để làm điều đó là đảm bảo dòng điện lỗi cao hơn nhiều so với tải bình thường. Trong trường hợp máy nướng bánh mì bị hỏng, dòng điện lỗi đó chạy qua một dây dẫn được gọi là đất, nhưng thực tế chỉ là một dây song song kết nối với dây trung tính trong bằng điện của bạn. Nhưng, trong trường hợp của các trạm biến áp và đường dây truyền tải điện, đường dẫn dòng điện lỗi đó thực sự là mặt đất. Hãy nhìn lại sơ đồ và truyền đổi nó thành hệ thống nối đất. Nếu tôi thêm một liên kết vững chắc vào đất tại máy phát điện, mọi thứ trông không khác nhiều trong điều kiện không bị lỗi. Nhưng ngay khi bạn thêm một đoàn mạch pha vào đất, sơ đồ sẽ trông khác nhiều. Đầu tiên, các pha khác không bị thay đổi điện thế pha vào đất. Thứ hai, bây giờ có một đường dẫn để dòng điện lỗi chảy qua đất trở lại nguồn. Và đó là câu trả lời cho câu hỏi trong tiêu đề của video này. Dòng điện, trong hầu hết các trường hợp, không chảy vào đất, nó chảy qua đất. Đất thực sự chỉ là một dây khác, mặc dù không phải là một dây tuyệt vời. Để tôi cho bạn xem một ví dụ. Tôi có một hộp nhựa chưa đầy cát khô. Tôi đặt một thanh đồng vào cát ở hai bên hộp và kết nối một mạch điện với một bóng đèn để dòng điện phải chạy qua cát từ điện cực này sang điện cực kia. Khi tôi bật công tắc, không có gì xảy ra. Cát khô là một chất cách điện khá tốt. Trên thực tế, đất và đá có khả năng dẫn điện rất khác nhau. Điện trở thay đổi tùy theo loại đất, thời tiết, nhiệt độ và độ ấm. Ví dụ, chúng ta hãy thử làm ướt cát này và xem liệu có tạo ra sự khác biệt không. Ngay cả khi làm bão hòa hoàn toàn cát bằng nước máy, chỉ có một dòng điện nhỏ chạy qua. Bạn hầu như không thể nhìn thấy bất cứ thứ gì trong bóng đèn, nhưng đồng hồ đo dòng điện hiện chỉ một phần 10A. Điện trở của đất cũng thay đổi theo thành phần hóa học trong đất. Đó là lý do tại sao tôi gặp khó khăn khi đưa bất kỳ dòng điện nào chạy qua cát. Đơn giản là không có đủ chất điện phân. Ngay cả khi có một lớp nước đọng trên cát, thì cũng không dẫn được nhiều dòng điện. Nhưng nếu tôi chỉ thêm một chút nước muối vào, bạn sẽ thấy ngay điện trở giảm xuống và bóng đèn có thể sáng. Và nếu tôi để nước muối đó ngấm vào đất, thì cát cũng có thể dẫn điện. Điện trở của đất để dẫn dòng điện khá quan trọng. Đất không phải là một dây dẫn tuyệt vời, nhưng những gì nó thiếu về độ dẫn điện, nó bù đắp bằng kích thước. Bạn có thể hình dung dòng điện chạy từ điện cực đất vào đất xung quanh như một loạt các lớp vỏ đồng tâm. Mỗi lớp biểu thị sự sụt giảm điện áp giữa dây dẫn bị lỗi và điện thế đất. Mỗi lớp vỏ có nhiều diện tích bề mặt hơn để dòng điện chạy qua, và do đó có điện trở thấp hơn, cho đến khi cuối cùng, thực tế là không còn điện trở nào cả. Nhưng khi ở gần điện cực, các lớp vỏ được đặt cách nhau rất gần về phía một điểm, hoặc một đường thẳng duy nhất. Khoảng cách đó liên quan đến điện trở của đất, và nó có thể biểu thị một vấn đề an toàn khá quan trọng. Hãy xem cách thức hoạt động của nó. Đây là một đoạn dây Nitrome được kết nối giữa điện áp nguồn với một vài điện trở ở giữa để giới hạn dòng điện. Khi tôi bật công tắc, dòng điện chạy qua dây, mô phỏng lỗi chạm đất. Đoạn dây Nitrome này có điện trở với dòng điện, giống như đất sẽ ở trong tình trạng lỗi chạm đất. Bạn có thể thấy nó nóng lên khi có dòng điện đi qua. Điều đó có nghĩa là, là điện thế dọc theo dây này khác nhau tại mọi điểm. Tôi có thể chứng minh điều đó chỉ bằng cách đo điện áp bằng đồng hồ đo tại một vài vị trí khác nhau. Hãy nhớ rằng, điện áp là sự khác biệt về điện thế giữa hai điểm, hoặc trong trường hợp này là giữa hai bàn chân. Khi ai đó bước lên dây này, hai chân của anh ấy có hai điện thế khác nhau, và thật không may, cơ thể con người dẫn điện tốt hơn mặt đất. Sự khác biệt về điện thế đó tạo ra một điện áp dẫn dòng điện lên một chân và xuống chân kia. Tùy thuộc vào điện áp đó cao đến mức nào và người đó được cách điện tốt như thế nào, điện áp bước này có thể là vấn đề sống còn. Trên thực tế, các kỹ thuật viên điện thường được khuyến khích nhảy một chân ra khỏi điểm lỗi chạm đất để giảm khả năng xảy ra điện áp bước. Nghe có vẻ ngớ ngẩn, nhưng điều đó có thể cứu mạng họ. Tương tự như vậy, các kỹ thuật viên điện thường xuyên tiếp xúc với vỏ kim loại xung quanh thiết bị. Vì vậy, nếu lỗi chạm đất xảy ra trên một thiết bị và điện trở của hệ thống tiếp địa quá cao, có thể có điện áp giữa mặt đất và vỏ kim loại. Một lần nữa, tạo ra khả năng xảy ra điện áp trên cơ thể người, được gọi là điện thế tiếp xúc. Các kỹ sư thiết kế nhà máy điện, chạm biến áp và đường dây truyền tải phải xem xét điện áp tiếp xúc và điện áp bước nào có thể chịu được một cách an toàn bởi một người, và thiết kế hệ thống tiếp địa để đảm bảo rằng chúng không bao giờ vượt quá mức đó. Ví dụ, hầu hết các chạm biến áp không chỉ được trang bị một điện cực tiếp địa duy nhất, mà còn là một mạng lưới các dây dẫn trôn ngầm để giảm thiểu điện trở trong kết nối đất. Bạn cũng có thể nhận thấy rằng, nhiều chạm biến áp sử dụng đá dăm làm mặt đất. Điều đó không chỉ vì thợ lắp đường dây không thích cắt cò, mà là vì đá dăm không dẫn điện tốt và giảm thiểu khả năng nước động. Nhưng không phải tất cả các hệ thống điện đều sử dụng đất như một biện pháp an toàn. Có những hệ thống mà đất thực sự là đường hồi lưu chính để dòng điện chạy qua. Đất về cơ bản là đường trung tính. Hệ thống phân phối điện được gọi là Single Wire Earth Return được sử dụng ở một số nơi trên thế giới để cung cấp điện ở các vùng nông thôn. Sử dụng đất như một đường hồi lưu có thể tiết kiệm chi phí vì bạn chỉ phải chạy một dây duy nhất, nhưng tất nhiên cũng có những thách thức về an toàn và kỹ thuật. Tương tự như vậy, có một số đường dây truyền tải điện cao thế trên toàn thế giới sử dụng dòng điện một chiều thay vì dòng điện xoay chiều. Chúng ta sẽ dành phần thảo luận chi tiết về các hệ thống này cho một ngày khác vì có rất nhiều kỹ thuật hấp dẫn liên quan. Nhưng tôi muốn đề cập đến chúng ở đây vì nhiều đường dây trong số này được trang bị hệ thống tiếp địa thực sự phức tạp. Mặc dù hầu hết các đường dây truyền tải điện cao thế một chiều sử dụng hai dây dẫn, dương và âm, một số chỉ sử dụng một dây dẫn với dòng điện trở lại chạy qua đất hoặc biển. Và thậm chí, các đường dây lưỡng cực thường bao gồm hệ thống tiếp địa để chúng có thể sử dụng đất để đi trở lại trong trường hợp khẩn cấp nếu một cực không hoạt động. Ví dụ, Pacific DC Entity truyền tải điện từ Tây Bắc Thái Bình Dương đến Los Angeles có hệ thống tiếp địa phức tạp ở cả hai đầu. Ở Oregon, hơn 1.000 điện cực được trôn trong một vòng tròn có chu vi 3,2 km. Ở California, hệ thống tiếp địa bao gồm các điện cực lớn chìm trong Thái Bình Dương, không giống như dòng điện xoay chiều đi về, thường đi theo đường dẫn phù hợp với đường truyền. Dòng điện một chiều có thể chạy qua toàn bộ mặt đất. Về bản chất, các điện cực được tách rời hoàn toàn. Điều đó có nghĩa là chúng dễ bị ảnh hưởng bởi một số vấn đề về môi trường. Chúng tạo ra từ trường, có thể ảnh hưởng đến các phép đo la bàn và các loài cá nhạy cảm với từ trường như cá hồi và lươn. Trong các điện cực đại dương, dòng điện có thể gây ra hiện tượng điện phân, phân hủy nước biển thành các hóa chất độc hại như chloroform và bromoform. Và các dòng điện đi lạc trong lòng đất có thể chảy vào đường ống và các cấu trúc ngầm khác, khiến chúng bị ăn mòn. Đây cũng là vấn đề với một số tàu điện sử dụng đường dây làm đường điện trở về. Bạn có thể đã nghe nói rằng điện đi theo đường có ít điện trở nhất, nhưng điều đó không thực sự đúng. Điện đi theo mọi đường mà nó có thể theo độ dẫn điện tương đối của chúng. Vì vậy, mặc dù đường dây thép lớn dẫn điện tốt hơn nhiều so với mặt đất, nhưng dòng điện đi về từ động cơ kéo, có thể chạy vào lòng đất, đôi khi ăn mòn các đường ống liên kề, và đôi khi cũng gây nhiễu các đường dây viễn thông ngầm. Tôi đã bỏ qua SET khỏi cuộc thảo luận này cho đến bây giờ. Không giống như mạch điện thông thường, nơi dòng điện luôn truyền động, SET là một loại tính điện. Và không giống như dòng điện bị sự cố, chỉ sử dụng mặt đất làm đường dẫn. Dòng điện từ SET đánh thực sự chỉ chảy vào lòng đất, hoặc thường xuyên nhất là chảy ra khỏi mặt đất và vào khí quyển, khôi phục lại sự mất cân bằng điện tích do truyền động của không khí hoặc nước, hoặc thứ gì đó khác tạo ra. Chúng ta thực sự không hiểu rõ về SET. Nhưng một lý do bổ sung và quan trọng khác khiến chúng ta nối đất hệ thống điện là để nếu bị SET đánh, dòng điện đó có đường dẫn trực tiếp xuống đất. Nếu không, nó có thể tạo hồ quang điện qua các khe hở hoặc tích tụ điện tích trong hệ thống, gây ra hỏa hoạn hoặc làm hỏng thiết bị. Không chỉ có SET, lỗi chạm đất và dòng điện hồi lưu chạy qua lòng đất. Rất nhiều cơ chế tự nhiên khác cũng khiến dòng điện chạy bên dưới chân chúng ta, bao gồm gió mặt trời, thay đổi từ trường của trái đất, v.v. Những thứ này được gọi chung là dòng điện telluric và chúng hòa lẫn bên dưới bề mặt với dòng điện mà chúng ta truyền xuống lòng đất. Một câu hỏi thường gặp về lưới điện là làm sao để biết chính xác nhà máy điện nào phục vụ cho một thành phố hay một tòa nhà. Giống như việc hỏi xem cây hay thực vật nào tạo ra oxy để bạn hít thở vậy. Về mặt kỹ thuật, có nhiều khả năng là một cây gần bạn hơn, là một cây rất xa, nhưng thực tế không hẳn như vậy. Điện được trộn lẫn vào lưới điện. Đó là lý do tại sao nó được gọi là lưới điện ngay từ đầu. Nó chỉ chảy dọc theo các đường theo sự khác biệt về điện thế. Và mặt đất cũng hoạt động theo cách tương tự. Bạn không nhất thiết phải vẽ các đường dòng điện giữa các nguồn và tải, xét đánh và hiện tượng telluric. Sự thật về cách dòng điện chảy trong lòng đất phức tạp hơn thêm một chút. Tất cả đều hòa trộn với nhau ở một mức độ nào đó ở đó. Nhưng trên bề mặt, thực sự không phức tạp như vậy. Dòng điện không chảy xuống đất. Nó chảy qua mặt đất và ngược lên. Đối với lưới điện, dòng điện chạy ra khỏi nguồn nào đó phải bằng với dòng điện chạy về nó. Cho dù dòng điện đó đến từ một trong các pha khác, đường trung tính hay điện cực trôn dưới đất.