Ngắn mạch là gì? Các nghiên cứu khoa học về Ngắn mạch

Ngắn mạch là gì?

Ngắn mạch (short circuit) là hiện tượng dòng điện trong một hệ thống điện đi theo con đường ngoài ý muốn với điện trở rất thấp, làm cho cường độ dòng điện tăng vọt đột ngột. Đây là một sự cố điện nguy hiểm, có thể gây cháy nổ, hư hại thiết bị và đe dọa tính mạng con người nếu không được phát hiện và xử lý kịp thời.

Theo Encyclopedia Britannica, ngắn mạch xảy ra khi hai điểm mang hiệu điện thế khác nhau được nối trực tiếp với nhau bởi một vật dẫn, bỏ qua tải tiêu thụ điện năng thiết kế ban đầu của mạch.

Bản chất vật lý của ngắn mạch

Theo định luật Ohm:

$I = \frac{V}{R}$

Trong đó:

• I: Cường độ dòng điện (A)
• V: Hiệu điện thế giữa hai điểm (V)
• R: Tổng trở của mạch (Ω)

Khi xảy ra ngắn mạch, điện trở $R$ giảm gần bằng không, làm cho dòng điện $I$ tăng rất lớn. Dòng điện lớn này sinh ra nhiệt lượng lớn theo công thức:

$P = I^2 \times R$

Mặc dù $R$ nhỏ, nhưng do $I$ rất lớn nên $P$ vẫn đủ để gây ra hiện tượng nóng chảy dây dẫn hoặc phát sinh hồ quang điện nguy hiểm.

Nguyên nhân gây ngắn mạch

Theo phân tích từ Eaton Electrical, các nguyên nhân thường gặp gây ra ngắn mạch gồm:

• Hỏng cách điện: Vật liệu cách điện bị nứt, mòn hoặc ngấm ẩm theo thời gian.
• Lỗi cơ khí: Dây dẫn bị gãy, chập vào nhau do va đập cơ học hoặc rung động.
• Động vật xâm nhập: Chuột, rắn, côn trùng gây phá hủy cách điện.
• Quá tải điện kéo dài: Làm nóng chảy cách điện dẫn đến tiếp xúc giữa các pha.
• Sét đánh hoặc quá áp đột biến: Phá hỏng cách điện bảo vệ.

Hậu quả của ngắn mạch

Ngắn mạch gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng, trong đó bao gồm:

• Cháy nổ: Do nhiệt độ cao sinh ra bởi dòng điện lớn.
• Hư hại thiết bị điện: Thiết bị điện tử, động cơ, máy biến áp có thể bị phá hủy hoàn toàn.
• Mất điện diện rộng: Khi ngắn mạch xảy ra trong hệ thống điện trung thế hoặc cao thế.
• Nguy cơ thương vong: Người vận hành có thể bị điện giật hoặc bỏng do phóng hồ quang điện.

Thống kê từ NFPA cho thấy ngắn mạch chiếm khoảng 25% nguyên nhân các vụ cháy nhà ở tại Hoa Kỳ.

Phân loại ngắn mạch

Ngắn mạch được phân chia thành các loại chính dựa trên đặc điểm kết nối bất thường:

• Ngắn mạch pha-pha: Hai hoặc ba dây pha chạm nhau.
• Ngắn mạch pha-đất: Một hoặc nhiều dây pha tiếp xúc với đất hoặc vỏ thiết bị.
• Ngắn mạch nội bộ: Xảy ra bên trong thiết bị như động cơ, máy biến áp do cuộn dây chập nhau.
• Ngắn mạch vòng kín (loop short): Khi các điểm trong hệ thống đấu nối sai tạo thành vòng dẫn điện ngoài ý muốn.

Tính toán dòng ngắn mạch

Để thiết kế hệ thống bảo vệ, kỹ sư cần tính toán dòng ngắn mạch cực đại tại các điểm quan trọng:

$I_{sc} = \frac{V_{nom}}{Z_{total}}$

Trong đó:

• I_sc: Dòng ngắn mạch cực đại (A)
• V_nom: Điện áp danh định hệ thống (V)
• Z_total: Tổng trở của nguồn và dây dẫn (Ω)

Các phần mềm chuyên dụng như ETAP, DIgSILENT PowerFactory, SKM PowerTools thường được sử dụng để mô phỏng và tính toán chính xác dòng ngắn mạch trong hệ thống lớn.

Thiết bị bảo vệ chống ngắn mạch

Để hạn chế tác hại của ngắn mạch, hệ thống điện thường được trang bị các thiết bị bảo vệ như:

• Aptomat (Circuit Breaker): Tự động cắt mạch khi dòng vượt ngưỡng an toàn.
• Cầu chì (Fuse): Chảy ra khi dòng điện vượt mức giới hạn, cắt mạch tức thì.
• Rơ-le bảo vệ dòng ngắn mạch: Kết hợp với CB để phát hiện nhanh sự cố.
• Thiết bị chống sét lan truyền: Bảo vệ thiết bị điện trước các xung quá áp do sét đánh.

Các biện pháp phòng ngừa ngắn mạch

Theo OSHA, để ngăn ngừa nguy cơ ngắn mạch cần thực hiện:

• Thi công đúng kỹ thuật: Đảm bảo cách điện, nối đất và chống sét đạt chuẩn.
• Kiểm tra định kỳ: Đo cách điện, kiểm tra kết nối, phát hiện sớm điểm yếu.
• Bảo trì bảo dưỡng thiết bị: Vệ sinh cách điện, kiểm tra ổ cắm, dây nguồn.
• Đào tạo nhân sự: Trang bị kiến thức an toàn điện cho kỹ sư, công nhân.
• Ứng dụng công nghệ giám sát thông minh: Sử dụng cảm biến nhiệt độ, dòng điện bất thường để cảnh báo sớm.

Ví dụ thực tế về sự cố ngắn mạch

Một ví dụ điển hình là vụ cháy lớn năm 2019 tại Nhà thờ Đức Bà Paris (Notre-Dame de Paris), nguyên nhân ban đầu được nghi ngờ do sự cố ngắn mạch tại hệ thống điện trong công trình cải tạo. Theo báo cáo từ The New York Times, các biện pháp an toàn đã không đủ để phát hiện sớm sự cố điện ngầm, dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho công trình lịch sử.

Kết luận

Ngắn mạch là sự cố điện nguy hiểm, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc trong thiết kế, thi công và vận hành hệ thống điện. Việc áp dụng đồng bộ các biện pháp kỹ thuật phòng ngừa, sử dụng thiết bị bảo vệ phù hợp và nâng cao nhận thức an toàn điện là chìa khóa để hạn chế thiệt hại và đảm bảo vận hành an toàn cho các hệ thống điện dân dụng và công nghiệp.