Điện áp bước, nguy hiểm trong vùng nhiễm điện

ĐIỆN THẾ BƯỚC LÀ GÌ?

Nhờ có điện, mà cuộc sống con người trở nên hiện đại, tiện dụng hơn. Việc sử dụng điện trong đời sống, giúp giảm tải được sức lao động của con người, phát huy khả năng sáng tạo ra các vật dụng, máy móc, thiết bị phục vụ đời sống… Nhưng điện cũng là một nguyên nhân tiềm ẩn nhiều mối nguy hiểm đến tính mạng con người, trong lao động hay đời sống thường ngày. Trong đó điện áp bước là một trong những mối nguy hiểm tiềm ẩn ấy.

Vậy điện áp bước là gì?

Điện áp bước là điện áp giữa hai chân người đi vào vùng đất bị nhiễm điện, vùng có dòng điện tản vào đất, vị trí hai chân không nằm trên đường tròn đẳng thế.

Tên gọi của điện áp bước chính là chỉ rõ sự nguy hiểm về điện lên quan trực tiếp đến bước đi của con người.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Trên video là một trong những trường hợp xảy ra điện áp bước. Ở đây người công nhân sử dụng cần cẩu, di chuyển cần cẩu đụng vào đường dây điện cao thế, cần cẩu có hai trụ tiếp xúc mặt đất, trường hợp này tương tự như việc dây điện bị đứt rơi xuống mặt đường vậy. 

Khi có dòng điện chạy qua hệ thống nối đất để đi vào trong đất tương tự như việc cần cẩu có trụ gắn với đất va chạm với dây điện cao thế như trên, thì lúc này đất sẽ là điện trở tản với dòng điện này. Các điểm ở cách đều điểm chạm đất có điện thế bằng nhau, với điểm chạm đất là tâm của đường tròn – những đường tròn này được gọi là các đường tròn đẳng thế (có cùng điện thế).

Chúng ta biết rằng dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích, có chiều từ cực dương đi qua dây dẫn và các dụng cụ điện đến cực âm của nguồn điện. Khi con người đứng trong vùng đất nhiễm điện, người đứng hai chân trên hai điểm có điện thế khác nhau sẽ chịu tác động của một điện áp. Lúc này cơ thể người giống như một điện trở, dòng điện đi từ chân này qua chân kia. 

Với công thức tính hiệu điện thế:  U_AB =U_A - U_B

Ta thấy rằng nếu khoảng cách hai chân càng nhỏ, hiệu điện thế gần như bằng 0, do điện thế trên cùng 1 đường tròn là bằng nhau, và ngược lại khoảng cách hai chân càng lớn thì hiệu điện thế càng lớn, cường độ dòng điện đi qua cơ thể người đủ lớn chính là nguyên ngân gây nguy hiểm tới tính mạng con người.

Điện áp bước được xác định bằng biểu thức:

${\phi }_A=U_a-U_{\infty }=\frac{I.p}{2\pi .x}$

Với a là độ lớn bước chân người, x là khoảng cách từ điểm chạm đất đến chân người.

Từ biểu thức, ta thấy càng xa điểm ngắn mạch chạm đất thì x càng tăng, ngoài khoảng cách 20m cách tâm điểm tiếp xúc thì điện áp xem như bằng 0.  U_B < U_C

Bởi vậy, khi tai nạn điện như video xảy ra, nếu bạn không thể đưa máy ra khỏi đường dây điện, và xung quanh không có nguy hiểm. Bạn hãy đứng yên tại chỗ, đợi người đến giúp ngắt nguồn điện. 

BIỆN PHÁP PHÒNG TRÁNH

Nếu gặp nguy hiểm, hãy rời khỏi vị trí đang đứng khoảng 20m bằng cách khép hai chân lại để di chuyển – Mỗi bước kéo lê chân chỉ vừa khoảng cách từ ngón chân đến gót chân, không được nhấc lên khỏi mặt đất hoặc nhảy lò cò. Nhưng nhảy lò cò có thể gây ra rủi ro ví dụ như bạn bị ngã, tay hay người chạm vào với đất, diện tích tiếp xúc và khoảng cách từ tay hay đầu tới chân xa hơn, lúc này hiệu điện thế lớn hơn thì rủi ro cao hơn rất nhiều so với di chuyển bằng hai chân khép lại.

ĐỘ LỚN CỦA ĐIỆN THẾ VÙNG ĐẤT NHIỄM ĐIỆN DO SỰ CỐ

Khi có dòng điện chạm vào đất, để đơn giản hơn, ta coi như có một dòng điện tản vào đất thông qua một cực nối bằng kim loại có dạng bán cầu, được chôn trong đất đồng nhất với điện trở suất bằng p. Lúc này, xem như dòng điện có đường đi theo bán kính từ tâm hình cầu.

Mật độ dòng điện ở khoảng cách x tính từ tâm bán cầu được tính bằng công thức: 

 $j=\frac{I}{2\mathrm{\pi }.{\mathrm{x}}^2}$

Với I là dòng điện chạm đất, x khoảng cách tới tâm bán cầu.

Vùng xung quanh cực nối đất mà dòng điện tản đi qua gọi là “trường tản dòng điện” có thể xem là một điện trường đều.

Theo định luật Ohm dưới dạng vi phân, mật độ dòng điện được tính bằng:

$j=\frac{E}{p}$

Với p là điện trở suất của đất.

Suy ra cường độ điện trường trong trường dòng điện là điện áp rơi trên đơn vị dài dọc theo trường dòng điện được xác định theo biểu thức:

  E = j.p

Điện áp trên lớp đất có chiều dày dx dọc theo đường điện là:

dU = E.dx = j.p.dx

Theo đó, điện thế của A cách điểm chạm đất khoảng cách x là hiệu số điện thế giữa điểm A và điểm ∞ mà ở đó điện thế có thể lấy bằng 0.

Bằng các thí nghiệm đo đạt thực tế ta có phân bố điện áp có dạng hyperbol.

Khi dòng điện tản ra từ cực nối đất, ta có thể xem như đất là một dây dẫn với tiết diện tăng theo bậc 2 của bán kính cầu q = 2π$x^2$.

Điện trở tản dòng điện sẽ lớn nhất ở lớp đất phần cực nối đất vì khi đó dòng điện chạy qua một tiết diện nhỏ, càng xa cực nối đất tiết diện dây dẫn càng tăng nhanh, điện trở của nó giảm xuống và trị số điện áp rơi cũng giảm.

Khi x > 20m thì có thể xem như ngoài vùng dòng điện rò hay còn được gọi là những điểm có điện áp bằng 0.

Trong vùng gần 1m cách vật nối đất có khoảng 68% điện áp rơi

Trong lao động hay đời sống, việc xảy ra va chạm điện hay đứt dây truyền tải điện có thể xảy ra do sự cố, do gió bão hay nhiều lý do khách quan khác. Với bài viết này, hi vọng các bạn có thể hiểu kỹ hơn về sự nguy hiểm của điện áp bước, cũng như các quy tắc an toàn khi gặp sự cố và cách giải quyết vấn đề để tự thoát khỏi nguy hiểm hay giúp đỡ người bị nạn đúng cách.