Đăng ký thành viên

Tại sao nối đất hệ thống DC khác với hệ thống AC?

Hệ thống nối đất trong nguồn điện và mạng lưới điện một chiều (DC) - Ưu điểm và nhược điểm

Trên thực tế, các hệ thống điện xoay chiều (AC) hoặc điện một chiều (DC) không cần nối đất để hoạt động. Tuy nhiên, việc nối đất thông qua dây trung tính, dây dẫn nối đất thiết bị (EGC) hoặc dây nối đất bảo vệ là cần thiết và bắt buộc để bảo vệ người và thiết bị khỏi bị điện giật, cũng như để hệ thống vận hành ổn định và tin cậy.

Ảnh minh họa tại sao hệ thống DC không cần hệ thống nối đất giống như AC? (Ảnh st)

Tại sao một số mạch điện DC không cần nối đất?

Một hệ thống DC thường không cần nối đất vì, không giống như AC, nó duy trì cực tính không đổi (dương và âm). Điều này loại bỏ nhu cầu về điểm nối đất tham chiếu để hoàn thiện mạch điện. Đó là do cực âm hoạt động hiệu quả như cực đất trong hệ thống này. Ngoài ra, thiết kế đơn giản hơn của các mạch điện DC có cách điện và cách ly đúng cách làm cho việc nối đất ít cần thiết hơn đối với chức năng cơ bản và an toàn. Thực tế này chỉ áp dụng trong các mạch điện cơ bản, đặc biệt là trong các ứng dụng điện áp thấp như pin và thiết bị điện tử.

Trong các hệ thống AC, các điều kiện không nối đất có thể dẫn đến dòng điện chạm chập lớn, gây ra các mối nguy an toàn đáng kể. Mặt khác, các hệ thống DC, đặc biệt là trong các cấu hình cách ly như hệ thống chạy bằng pin hoặc quang điện (PV) không tự nhiên tạo ra dòng điện chạm chập đất trừ khi được tham chiếu với đất.

Trong nhiều ứng dụng DC, nối đất là không cần thiết hoặc thực hiện theo cách khác với các hệ thống AC. Nhiều hệ thống DC, chẳng hạn như các hệ thống trong máy bay, tự động hóa công nghiệp và các ứng dụng chạy bằng pin, sử dụng các cấu hình nối đất nổi (không nối đất) hoặc nối đất cách ly, nghĩa là không tham chiếu mạch điện này với đất. Các hệ thống DC nổi có thể tiếp tục hoạt động với một chạm chập đất duy nhất, trong khi các hệ thống đã nối đất có thể gặp chạm chập ngay lập tức. Cách tiếp cận này thường thấy trong:

• Các hệ thống chạy bằng pin: Các thiết bị điện tử di động và xe cộ hoạt động bằng nguồn điện DC cách ly.
• Các hệ thống năng lượng mặt trời: Các dàn quang điện thường hoạt động mà không cần tham chiếu đất.
• Các hệ thống viễn thông: Phân phối điện một chiều (DC) trong các mạng viễn thông thường thực hiện theo phương pháp nổi để tránh các mạch vòng lặp nối đất và nhiễu tín hiệu.

Yêu cầu về nối đất DC

Các điện áp DC thấp hơn, chẳng hạn như pin 12V, không gây nguy hiểm. Đó là lý do tại sao bạn thường chỉ thấy hai dây từ pin (tức là Âm (-Ve) và Dương (+Ve) kết nối với mạch điện). Trong một hệ thống DC, chỉ có hai đường dẫn: dây dẫn dương và dây dẫn âm. Ngược lại, các điện áp AC như 120V, 230V và 240V, có khả năng gây điện giật cao, phải nối đất đúng cách theo quy định của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) và Quy chuẩn Điện Quốc gia Mỹ (NEC) (Điều 250).

Nối đất là bắt buộc đối với các điện áp DC cao hơn, các ứng dụng công nghiệp và các hệ thống AC/DC hybrid. Điều 250.162 của NEC 2023 yêu cầu phải có một hệ thống nối đất cho các hệ thống DC hai dây và ba dây cấp điện cho một công trình khi điện áp vận hành lớn hơn 60VDC và nhỏ hơn 300VDC (xem các ngoại lệ nêu trong Điều 250.162(A)).

Trong các hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC), một hệ thống nối đất là thiết yếu, tương tự như các hệ thống nối đất và tiếp đất trong các hệ thống AC. Đó là lý do tại sao cần phải nối đất các tấm pin mặt trời và các hệ thống đi dây pin, đặc biệt là để bảo vệ chống sét đánh.

Sự khác nhau giữa các hệ thống nối đất AC và DC

Trong một hệ thống AC, “nối đất” ám chỉ một kết nối vật lý với đất, với đường dẫn trở về là “trung tính”, vốn do công ty điện lực và máy biến áp cung cấp. Ví dụ, thân kim loại của một thiết bị điện kết nối với đất thông qua dây dẫn nối đất hoặc tiếp đất, cho phép các dòng điện chạm chập trở về nguồn một cách an toàn mà không gây hại.

Trong một hệ thống DC, “đất” ám chỉ một điểm có điện thế tham chiếu 0V, tại đó các bộ chỉnh lưu (chuyển đổi AC thành DC) cung cấp nguồn điện, điện áp đầu ra ±48V và điểm đất với điện thế 0V được kết nối vật lý với đất của hệ thống AC (tức là cả hệ thống AC và DC đều sử dụng cùng một điểm nối đất, đảm bảo có cùng tham chiếu về điện áp và an toàn khi vận hành). Một thuật ngữ khác thường sử dụng trong các hệ thống đi dây điện DC là “đường dẫn mạch âm.” Một ví dụ phổ biến là nối đất vỏ máy, tại đó vỏ máy (thân hoặc khung kim loại) của ô tô kết nối với cực âm của acquy, đóng vai trò là điểm nối đất tham chiếu. Tuy nhiên, trong các xe quân sự chiến đấu, dây âm sẽ kết nối trực tiếp trở lại nguồn dưới dạng đường dẫn âm chuyên dụng thay vì sử dụng nối đất vỏ máy, ngăn ngừa sự cố do ăn mòn hoặc rỉ sét theo thời gian.

AC có một tần số và được “truyền đi”. Nó tìm đường đi có điện trở trở về nguồn nhỏ nhất. Bằng cách này, “tiếp đất/nối đất” có điện thế thấp hơn (0V), và cần sử dụng dây dẫn nối đất có điện trở nhỏ nhất vì lý do “an toàn”. Do đó, “thanh nối đất và dây dẫn liên quan” cung cấp đường đi dễ dàng nhất để loại bỏ bất kỳ rò rỉ hoặc dòng điện dư nào trong mạch điện trở về nguồn. Điều này đảm bảo rằng một người chạm vào dây dẫn đang mang điện ít có khả năng bị điện giật hơn.

Mặt khác, DC được “dẫn”, không phải được truyền. Nó tìm kiếm một cực đối lập để hoàn thành mạch điện - ví dụ, dòng điện di chuyển từ cực dương đến cực âm (dòng điện thông thường). Việc cung cấp một kết nối nối đất trong cấu hình này thường không hiệu quả đối với “an toàn”.

Tầm quan trọng của việc nối đất trong các hệ thống DC

Hãy xem xét một mạch điện đã hoàn chỉnh thông qua nguồn cấp DC, chẳng hạn như pin 12V, khi bạn chạm vào một hoặc cả hai đầu cực, bạn sẽ không bị điện giật vì đường dẫn điện trở thấp nhất là qua mạch điện hoàn chỉnh, không phải qua cơ thể bạn. Đó là lý do tại sao việc chạm vào các đầu cực của pin ô tô 12V bằng tay trần là vô hại, mặc dù pin có đủ dòng điện và điện áp để có khả năng gây nguy hiểm. Lý do là pin đã kết nối với tất cả các bộ phận kim loại của ô tô. Ngay cả khi bạn chạm vào cửa ô tô hoặc bất kỳ bộ phận kim loại nào khác (kể cả khi trời mưa hoặc với bàn tay ướt), nó vẫn an toàn vì bạn không phải là một phần của mạch điện hoàn chỉnh. Ngoài ra, do có lốp bằng cao su, ô tô không nối đất bằng điện với đất.

Kịch bản này chỉ an toàn chừng nào bạn không tự mình hoàn thành mạch điện. Ví dụ, nếu bạn giữ cả hai đầu cực của pin DC điện áp cao bằng hai tay, bạn sẽ bị điện giật. Tương tự, nếu đường dây điện cao áp rơi xuống ô tô, nó sẽ không gây hại cho người ngồi trong xe cho đến khi họ bước ra ngoài và tiếp xúc vật lý với đất. Đó là do DC tìm kiếm cực đối lập để hoàn thành mạch điện thay vì bất kỳ dây dẫn nào có sẵn.

Tiếp đất và nối đất trong các hệ thống DC giúp ngăn ngừa các tai nạn và hỏa hoạn nguy hiểm. Hãy cân nhắc một tình huống chạm chập khi cực âm của nguồn DC tiếp xúc với đất hoặc nước. Nếu ai đó đứng trên đất ướt, họ có thể bị điện giật vì đường dẫn đến nguồn hoàn thành thông qua cơ thể của họ. Tương tự như vậy, nếu cực dương của nguồn DC nối đất (tiếp đất) và ai đó vô tình chạm vào cực âm, họ cũng sẽ bị điện giật. Đây là lý do tại sao bảo vệ chạm chập nối đất thông qua các aptomat dòng rò (GFCI) và máy cắt dòng rò (RCD) cũng cần thiết trong các hệ thống DC như trong các hệ thống AC.

Cuối cùng, nếu các mạch DC không có một hệ thống nối đất, có thể sẽ không phát hiện được các chạm chập nối đất do có thêm các mạch vòng nối đất trong mạch. Do đó, cầu chảy hoặc máy cắt có thể không tác động ngắt, dẫn đến việc tạo ra các mạch vòng nối đất không chủ ý có thể gây ra dòng điện tuần hoàn trong mạch điện, có khả năng dẫn đến việc các GFCI tác động ngắt không mong muốn.

Khi nào cần nối đất DC?

Mặc dù nối đất và tiếp đất là bắt buộc để đảm bảo an toàn cho người và bảo vệ nhân sự cũng như tài sản, như đã đề cập ở trên, nối đất và một tham chiếu điện thế 0V trong các hệ thống DC cũng là bắt buộc vì một số lý do.

1. Đây là yêu cầu quy định trong NEC 250.162 đối với nối đất DC trong các hệ thống DC 3 dây và 2 dây vận hành ở điện áp trên 60V và dưới 300V.
2. Các hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) đôi khi sử dụng nối đất để ổn định chênh lệch điện thế, ngăn ngừa đánh thủng cách điện và quản lý hiệu quả các dòng điện chạm chập.
3. Nối đất trong các mạch điện DC giúp tích tụ và phân tán dòng điện nạp quá mức. Ví dụ, nối đất trong dàn PV để bảo vệ chống sét và ổn định hệ thống.
4. Các ứng dụng công nghiệp và các mạch điện tử nhạy cảm với điện áp DC cao, chẳng hạn như các trung tâm dữ liệu, cần phải nối đất để cung cấp đường dẫn trở về cho các dòng điện chạm chập và đảm bảo an toàn cho nhân viên.
5. Các hệ thống điện tử nhạy cảm với phóng tĩnh điện thường sử dụng nối đất để ngăn ngừa hư hỏng do phóng tĩnh điện (ESD).
6. Các hệ thống tích hợp các thành phần AC và DC có thể cần nối đất để duy trì khả năng tương thích và đảm bảo an toàn trong trường hợp xảy ra chạm chập.
7. Nối đất DC cũng giúp giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI) và tiếng ồn trong các hệ thống truyền thông rađio.
8. Các hệ thống viễn thông sử dụng một hệ thống -48V_DC tham chiếu với đất để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy.
9. Các hệ thống đường sắt và quá cảnh sử dụng nối đất để kiểm soát dòng rò và ngăn ngừa ăn mòn đường ray.
10. Trong xe cộ, nối đất khung gầm giúp tiết kiệm tiền mua dây đồng và giảm chi phí chế tạo.

Ưu điểm của các hệ thống nối đất DC

Mục đích chính của việc nối đất trong một hệ thống DC là đảm bảo an toàn và bảo vệ cho cả người và thiết bị. Ví dụ, nếu dây âm từ nguồn DC nối đất thông qua dây nối đất và dây dương vô tình tiếp xúc với đất, nó sẽ khiến nổ cầu chì hoặc nhảy máy cắt. Điều này ngăn ngừa điện giật cho bất kỳ ai có thể tiếp xúc với điện áp đang hoạt động. Ngoài ra, nối đất trong các mạch DC giúp dễ dàng xác định vị trí và giải trừ chạm chập bằng cách sử dụng các rơle chạm chập nối đất DC. Thực hành này tránh tạo ra các vòng lặp nối đất bổ sung, lưu thông dòng điện và lãng phí năng lượng tích trữ.

Nếu có một hệ thống nối đất thích hợp trong các mạch điện DC, sẽ dễ dàng phát hiện các chạm chập đất do các vòng lặp nối đất bổ sung và dòng điện chạy trong mạch. Do đó, trong trường hợp có chạm chập, nó sẽ làm nổ cầu chì hoặc tác động ngắt máy cắt.

Trong một hệ thống DC nối đất, khi đầu ra âm (-Ve) kết nối với điểm nối đất, có thể giảm thiểu hoặc loại bỏ nhiễu mode chung. Khi đo điện áp bằng đồng hồ vạn năng, nếu điểm tham chiếu ổn định trong khi điện áp tại một mối nối thay đổi do nhiễu, tín hiệu này sẽ gây nhiễu. Tuy nhiên, khi cả mối nối và điện áp tham chiếu thay đổi đồng thời do nhiễu, có thể giảm thiểu đáng kể tiếng ồn và cải thiện độ rõ của tín hiệu.

Ngoài ra, trong các hệ thống DC nối đất, các phép đo dễ dàng hơn vì có thể sử dụng khung máy hoặc thân kim loại của thiết bị làm điểm tham chiếu. Trong các hệ thống DC không nối đất, cần có thêm một dây dẫn kết nối với đầu nối chung của nguồn DC để đo chính xác.

Nhược điểm của nối đất trong các hệ thống DC

Mặc dù việc nối đất hệ thống DC thường được ưa chuộng, nhưng nó cũng có thể gây ra một số vấn đề nhất định. Ví dụ, dòng điện rò xuống đất và nhiễu vòng lặp xuống đất trong các cảm biến. Các nguồn điện DC công nghiệp thường sử dụng trong các tủ điều khiển và nhiều thiết bị điều khiển và bảo vệ khác nhau, bao gồm các bộ điều khiển, công tắc tơ, rơle, cảm biến, máy cắt và các đầu nối I/O.

Một trong những nhược điểm của việc nối đất và tiếp đất nguồn điện DC là điện áp DC nổi. Một hệ thống điều khiển DC được coi là nổi khi một nguồn điện được cấp điện bằng một điện áp đường dây AC (thông qua Đường dây, Trung tính và Đất), nhưng đầu ra DC của nó chỉ được kết nối với các cực Dương (+) và Âm (-).

Ví dụ, bộ sạc hoặc bộ đổi nguồn có phích cắm hai chấu kết nối với một nguồn điện AC thường hoạt động với một hệ thống nối đất nổi. Điều này là do nó chỉ cung cấp các đầu nối ra DC Dương và Âm cho phụ tải. Ngoài ra, phích cắm ba chấu có thể có nối đất hoặc nối đất điện dung, trong đó nối đất AC kết nối với nối đất bảo vệ DC. Như một lựa chọn, nó có thể có các đầu ra 2 dây mà không có nối đất. Tương tự như vậy, các nguồn điện DC một pha hoặc ba pha nhận đầu vào AC và cung cấp đầu ra DC qua các đầu cuối Dương (+) và Âm (-) cũng có thể hoạt động với một nối đất nổi.

Đối với các thiết bị điện áp analog có dây tham chiếu chung, thường có lợi khi giữ nguồn điện DC nổi để tránh các vòng lặp nối đất và duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu.

Trong một số hệ thống điện áp DC, các kỹ sư có thể chọn không nối đất đầu ra DC. Trong cấu hình này, cực Âm (-Ve) của nguồn cung cấp DC không được kết nối với hệ thống nối đất AC của tòa nhà. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là NEC-250.162 yêu cầu nối đất cho các hệ thống DC trong một số trường hợp nhất định. Tương tự như vậy, UL 508A yêu cầu nối đất DC cho các ứng dụng cụ thể.

Một nhược điểm lớn của các hệ thống DC nối đất là nhiễu vòng lặp nối đất. Hầu hết các thiết bị công nghiệp (như máy cắt dòng DC, bộ biến tần (VFD), bộ điều khiển logic lập trình (PLC), v.v.) đều được nối đất đúng cách để cung cấp đường dẫn trở về cho dòng điện sự cố và đảm bảo an toàn. Tuy nhiên, nếu cực Âm (-Ve) của hệ thống DC cũng được nối đất, nó sẽ tạo ra hai kết nối với đất. Trường hợp này tạo thành một mạch bổ sung không mong muốn được gọi là vòng lặp nối đất. Ví dụ, nếu bạn không nối đất vỏ bộ mã hóa thông qua cáp có vỏ bọc, một vòng nối đất bổ sung sẽ xảy ra trong mạch và một lượng nhỏ dòng điện sẽ bắt đầu lưu thông trong đó. 

Một nhược điểm khác của nguồn cấp điện DC nối đất là dòng rò xuống đất, có thể khiến các máy cắt dòng rò chạm đất (GFCI) tác động không mong muốn. Nhiều nguồn cấp điện DC bao gồm các tụ điện lọc EMI để lọc bỏ các bất thường do điện áp AC đầu vào gây ra. Trong khi đóng cắt, các tụ điện này có thể tạo ra các xung điện áp thoáng qua nhỏ, dẫn đến dòng rò nhỏ. Dòng rò này trở nên đáng kể khi sử dụng nhiều nguồn cung cấp điện DC, đôi khi gây ra tác động nhảy nhầm của các GFCI và các máy cắt.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo "electricaltechnology", tháng 5/2025