Mỗi vụ cháy điện bắt đầu phía sau tường, mỗi lần ngắt điện xảy ra ngay khi kết nối các thiết bị có dây với thiết bị điện, mỗi tiếng nổ lách tách trong bảng điện đều có cùng nguyên nhân. Ngắn mạch điện là lỗi phổ biến nhất nhưng đồng thời cũng là nguy hiểm nhất trong toàn bộ hệ thống điện; không kỹ năng nào có thể dự đoán khi nào vấn đề sẽ bắt đầu, điều này tạo nên sự khác biệt giữa một lần ngắt bình thường và một thảm họa lớn. Trong một ngôi nhà hoặc nhà máy được thiết kế tốt, ngắn mạch điện sẽ được phát hiện trong vài mili giây, nếu không dây dẫn của bạn sẽ bị nóng chảy, sẽ có cháy và thiết bị của bạn sẽ bị cháy hoàn toàn trong vài giây.
Hướng dẫn này cung cấp câu trả lời về cách ngắn mạch điện xuất hiện và kết quả của sự xuất hiện đó: vật lý của quá trình là gì, các loại ngắn mạch tồn tại trên thế giới cùng với nguyên nhân và nguy hiểm của chúng, và liệu có thể sử dụng các biện pháp bảo vệ khỏi ngắn mạch hay không và phải làm gì khi vấn đề xảy ra trong nhà bạn.
Tóm tắt: Ngắn mạch xảy ra khi dòng điện đi qua một đường dẫn có điện trở thấp và không xác định — ví dụ, dây nóng tiếp xúc với dây trung tính, dây nóng với dây nóng khác, hoặc bề mặt nối đất. Hậu quả của ngắn mạch bao gồm nhiệt độ rất cao được tạo ra và làm cháy lớp cách điện gây ra cháy; hồ quang điện xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ mặt trời; nổ do hồ quang trong máy móc công nghiệp; tiếp xúc với các đầu máy.
Ngắn mạch là gì?
Ngắn mạch chỉ một loại kết nối điện bị lỗi gây dòng điện chạy theo một đường dẫn không mong muốn có điện trở thấp, do đó bỏ qua tải (là thiết bị dùng để tiêu thụ năng lượng). Khi mạch hoạt động bình thường, dòng điện chạy qua mạch từ nguồn đến tải (một loại thiết bị hoặc động cơ), vì điện trở trong mạch giới hạn dòng điện ở mức an toàn. Do đó, tải làm cho mạch hoạt động, nghĩa là nó chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng, nhiệt hoặc chuyển động.
Khi xảy ra ngắn mạch, tải bị bỏ qua hoàn toàn. Dòng điện tìm một đường đi thay thế, hoặc dây nóng chạm vào dây trung tính hoặc dây nóng khác trong khi điện trở của đường mạch đó gần như không tồn tại nên dòng điện tăng lên rất lớn.
Ngắn mạch hình thành như thế nào? Vật lý
Sự xuất hiện của ngắn mạch là kết quả của một phản ứng dây chuyền được mô tả bằng một công thức duy nhất: Định luật Ohm; I = V/R. Quá trình diễn ra như sau:
- Xảy ra tiếp xúc: hai dây dẫn tiếp xúc với nhau, tức là dây nóng chạm vào dây trung tính, dây nóng khác hoặc vật nối đất. Tiếp xúc xảy ra do cách điện bị lỗi, dây lỏng, ẩm ướt, v.v.
- Điện trở sụp đổ: điện trở của mạch ngẫu nhiên này chỉ là một phần nhỏ của ohm (0,01 đến 0,5 ohm) so với điện trở của thiết bị điện là hàng trăm ohm.
- Dòng điện tăng vọt: điều này có nghĩa là do thực tế điện trở gần như bằng không, cường độ dòng điện tăng lên giá trị rất lớn. Ví dụ, trong mạch định mức 120 volt và có điện trở lỗi là 0,1 ohm, cường độ dòng điện là 120/0,1 hoặc 1200 ampe trong khi đèn 60W chỉ sử dụng 0,5 ampe. Dòng điện tăng lên gấp 2400 lần, chỉ bị giới hạn bởi điện trở của nguồn và dây dẫn.
- Nhiệt được tạo ra ngay lập tức: quá trình sinh nhiệt trong dây dẫn điện được giải thích bởi định luật Joule: P=I^2 * R. Như có thể thấy, dòng điện được bình phương trong công thức, vì vậy ngay cả khi một nghìn ampe đi qua điện trở nhỏ cũng tạo ra lượng điện năng khổng lồ và dẫn đến việc cháy lớp cách điện và bay hơi kim loại trong vài giây.
- Tia hồ quang được tạo ra: nếu các điểm tiếp xúc tách ra, tia hồ quang sẽ xuất hiện.
- Bảo vệ hoạt động hoặc không: Mạch ngắn có thể dừng lại nếu một thiết bị bảo vệ hoạt động. Toàn bộ quá trình từ lúc tiếp xúc đến khi ngắt mạch diễn ra trong chưa đầy một phần mười giây nếu bảo vệ hoạt động đúng cách. Nếu không, nhiệt và tia hồ quang điện sẽ tiếp tục lan rộng cho đến khi mạch ngắn gây cháy.
Điều quan trọng là mặc dù mạch ngắn xảy ra ngay lập tức, hậu quả phụ thuộc vào tốc độ phản ứng của bảo vệ.
Các loại mạch ngắn
Họ cũng phân biệt các loại mạch ngắn dựa trên đặc tính của dây dẫn.
| Loại | Điều gì xảy ra | Ví dụ điển hình | Bảo vệ |
|---|---|---|---|
| Dây nóng đến dây trung tính | Dây dẫn nóng tiếp xúc với dây trung tính, bỏ qua tải | Dây đèn bị mòn, cáp bị kẹp phía sau đồ nội thất | Bộ ngắt mạch (ngắt từ tính) |
| Dây nóng đến dây nóng (pha đến pha) | Hai dây dẫn mang điện ở các điện thế khác nhau tiếp xúc với nhau | Cuộn dây động cơ bị hỏng, cáp đa dây bị nghiền nát | Bộ ngắt mạch (dòng lỗi cao) |
| Lỗi nối đất (dây nóng đến đất) | Dây dẫn mang điện tiếp xúc với bề mặt nối đất | Dây chạm vào vỏ kim loại, ống dẫn hoặc khung máy | GFCI/RCD (phát hiện mất cân bằng 4-6 mA) |
| Lỗi bolted ba pha | Cả ba pha bị ngắn mạch chắc chắn — dòng lỗi tối đa | Hỏng thiết bị đóng cắt công nghiệp | Bộ ngắt mạch được chọn theo công suất ngắt; nghiên cứu tia hồ quang |
| Lỗi hồ quang | Tia hồ quang gián đoạn có điện trở cao qua khe hở | Đầu nối lỏng lẻo, lớp cách điện nứt | AFCI (bộ ngắt mạch lỗi hồ quang) |
Điều quan trọng cần nhận thức là, mặc dù lỗi nối đất có thể được coi là một loại mạch ngắn, nó được xử lý riêng vì bất kỳ dòng lỗi nối đất nào cũng có thể gây chết người khi đi qua cơ thể con người — ngay cả khi không đủ để kích hoạt bộ ngắt mạch. Còn về lỗi hồ quang, nó không tạo ra dòng điện đủ lớn để ngắt bộ ngắt mạch nhưng chắc chắn tạo điều kiện cho sự bắt cháy khi có vật liệu xung quanh, đó chính là lý do tại sao bộ ngắt mạch AFCI hiện nay được yêu cầu trong khu vực sinh sống của nhà ở.
8 nguyên nhân phổ biến
Ở cả nhà ở và công trường công nghiệp, chỉ có một vài nguyên nhân chính gây ra mạch ngắn.
- Lớp cách điện bị hư hỏng hoặc hỏng: Lớp cách điện dây dẫn bị suy giảm do tuổi tác, tiếp xúc với cả nhiệt độ và ánh sáng UV cùng với một số hóa chất và rung động. Vật liệu cách điện bị suy giảm, dẫn đến hệ thống dây dẫn bị hỏng. Dây cách điện cao su cũ (được sản xuất trước năm 1950) có xu hướng trở nên giòn và nứt.
- Kết nối lỏng lẻo: nếu các đầu nối bị lỏng, một dây dẫn có thể chạm vào dây dẫn khác hoặc vỏ bọc. Điều này áp dụng cho cả các đầu nối không siết chặt đủ hoặc siết quá chặt.
- Hư hại do động vật gặm nhấm và côn trùng: chuột và các loài gặm nhấm khác cắn phá lớp cách điện và rất thường gây ra chập mạch trong các hệ thống được lắp đặt ở nhiều nơi bao gồm bảng điện, phương tiện và trang trại.
- Thấm nước và độ ẩm: nước sẽ kết nối hai dây dẫn và đồng thời ăn mòn lớp cách điện. Hộp nối bị ngập nước và độ ẩm trong các vỏ bọc ngoài trời dẫn đến hàng nghìn lỗi.
- Thiết bị bị lỗi: chập mạch bên trong có thể xảy ra trong động cơ hoặc nguồn điện tạo ra nguy hiểm an toàn trong các mạch cung cấp cho chúng.
- Hư hại cơ học: đinh và vít có thể xuyên qua tường vào cáp trong khi cáp có thể bị hư hại bởi các vật nặng có thể xuất hiện trên đường đi của chúng (ví dụ trong trường hợp cáp bị nghiền nát).
- Lắp đặt kém: những thiếu sót trong công việc tự làm (đổi dây dẫn, để dây không kết nối, v.v.) là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây chập mạch trong lắp đặt dây điện gia đình.
- Quá nhiệt: dây dẫn quá tải sẽ nóng lên, lớp cách điện cứng lại và nứt. Cáp quá tải có thể dẫn đến chập mạch.
Tác động của chập mạch là gì?
Tác động của chập mạch không kiểm soát có thể phát triển từ mili giây đến vài phút:
- Cháy. Sự cố điện là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây cháy kết cấu. Theo Cục Quản lý Cháy Hoa Kỳ, sự cố điện gây ra hơn 44.000 vụ cháy nhà mỗi năm. Nhiệt độ tại điểm sự cố làm bốc cháy lớp cách điện, bụi và các vật liệu dễ cháy khác xung quanh.
- Tia hồ quang và vụ nổ (công nghiệp). Ngắn mạch dẫn đến việc tạo ra các tia hồ quang nổ, tạo ra hiệu ứng cực kỳ nóng và sáng, cùng với sóng áp suất. Các chấn thương do tia hồ quang gây ra là một trong những chấn thương nghiêm trọng nhất mà công nhân trong lĩnh vực điện phải chịu — đây là lý do tại sao PPE và các quy trình an toàn khi làm việc xung quanh thiết bị có điện được bao gồm trong tiêu chuẩn NFPA 70E.
- Sốc điện. Lỗi nối đất khiến các thiết bị hiện đại có thể làm điện hóa bất kỳ bề mặt kim loại nào — bất kỳ thiết bị nối đất nào cũng có thể trở nên có điện, do đó gây ra sốc điện chết người.
- Hư hỏng thiết bị. Dòng lỗi có thể làm hỏng cuộn dây động cơ, các đường mạch trên PCB, biến áp và transistor trong vài mili giây, làm hỏng các thiết bị khác trước và sau lỗi.
- Chi phí và thời gian ngừng hoạt động. Tại một vị trí, một cáp bị ngắn mạch và làm tắt toàn bộ dây chuyền. Cần nhiều giờ để xác định lỗi, sửa chữa và mất sản xuất có thể dẫn đến chi phí cao.
Ngắn mạch so với Quá tải: Sự khác biệt là gì?
Cả hai loại lỗi này thường bị hiểu nhầm, nhưng thực tế chúng là hai loại riêng biệt; bộ ngắt mạch nhận biết chúng khác nhau:
| Tính Năng | Ngắn mạch | Quá tải |
|---|---|---|
| Nguyên nhân | Đường dẫn điện trở thấp không mong muốn bỏ qua tải | Quá nhiều tải (hoặc tải quá lớn) trên mạch |
| Mức dòng điện | Hàng trăm đến hàng nghìn ampe | Cao hơn định mức một chút đến vừa phải (ví dụ, 25A trên mạch 20A) |
| Tốc độ gây hư hại | Ngay lập tức | Nóng dần dần trong vài phút hoặc giờ |
| Phản ứng của bộ ngắt mạch | Ngắt từ tính/ngay lập tức (mili giây) | Ngắt nhiệt (trì hoãn, từ vài giây đến vài phút) |
| Dấu hiệu điển hình | Bộ ngắt mạch ngắt ngay khi được đặt lại | Bộ ngắt mạch ngắt sau khi thiết bị hoạt động một thời gian |
Mẹo thực tế tại hiện trường: nếu bộ ngắt mạch ngắt mỗi lần bạn đặt lại ngay lập tức, rất có khả năng có ngắn mạch. Bộ ngắt mạch chỉ ngắt sau một thời gian khi có tải nếu vấn đề là do quá tải.
Cách bảo vệ mạch
Vì ngắn mạch là phần không thể tránh khỏi của bất kỳ hệ thống điện nào trong suốt vòng đời của nó, nhiều phương pháp bảo vệ ngắn mạch đã được phát triển.
- Cầu chì là một trong những lựa chọn lâu đời và dễ dàng nhất. Chúng bao gồm một phần tử làm bằng kim loại có điểm nóng chảy xác định. Khi dòng điện vượt quá, phần tử này sẽ nóng chảy và tạo ra một ngắt mạch. Cầu chì là phương pháp bảo vệ rẻ tiền, nhanh chóng và đáng tin cậy; tuy nhiên, sau khi sử dụng, chúng cần được thay thế.
- Bộ ngắt mạch bao gồm hai thiết bị — một cuộn solenoid từ tính mở mạch khi có dòng điện lên đến mười lần định mức, và một dải kim loại kép phản ứng với quá tải trong thời gian dài hơn một giây.
- Thiết bị dòng rò hoặc GFCI là loại thiết bị phát hiện sự mất cân bằng dòng điện khoảng từ bốn đến sáu miliampe giữa dây nóng và dây trung tính trong chưa đầy một phần bốn mươi giây và ngắt dòng điện.
- Bộ ngắt mạch lỗi hồ quang dựa trên công nghệ kỹ thuật số cho phép phát hiện hiện tượng hồ quang và ngăn chặn nó.
- Để toàn bộ chuỗi bảo vệ hoạt động đúng cách, tất cả các bộ phận phải được phối hợp và định cỡ chính xác, do đó bảo vệ phải được cung cấp bằng phương pháp định cỡ dây, thiết bị và định mức phù hợp.
Hiểu cách các thiết bị bảo vệ này được chỉ định — và cách chúng khác nhau — chính là điều mà chúng tôi hướng dẫn tiêu chuẩn UL 489 về bộ ngắt mạch và So sánh MCB và MCCB trình bày chi tiết.
Điều gì xảy ra nếu một ngôi nhà bị ngắn mạch?
Trải nghiệm tất cả phụ thuộc vào việc hệ thống bảo vệ có hoạt động hay không.
- Trường hợp có bộ ngắt mạch đúng và hoạt động tốt: bộ ngắt mạch sẽ ngắt ngay lập tức, ngắt nguồn điện cho mạch. Nếu có ngắn mạch, có thể nhận biết qua đèn và thiết bị tắt, cũng như bộ ngắt mạch ở vị trí giữa trên bảng điều khiển, trong khi bật lại sẽ khôi phục nguồn điện ngay khi sự cố được loại bỏ.
- Trong trường hợp ngắn mạch liên tục, sau khi đặt lại bộ ngắt mạch, người dùng phải đối mặt với việc bộ ngắt mạch lại phản ứng nhanh, nhưng nếu nó không hoạt động đúng, bất kỳ cố gắng đặt lại nào tiếp theo đều nguy hiểm do cần phải sửa chữa sự cố trước khi bộ ngắt mạch có thể hoạt động trở lại.
- Trong trường hợp hệ thống bảo vệ kém, sự cố có thể dẫn đến cháy khi một phần tử của mạch.
Kết luận là khi xảy ra ngắn mạch trong một ngôi nhà được đi dây đúng cách, nó dẫn đến việc bộ ngắt mạch ngắt và sửa chữa, trong khi nó dẫn đến nguy cơ cháy và điện giật trong các ngôi nhà có hệ thống đi dây kém.
Cách tìm và sửa ngắn mạch
Trong trường hợp bộ ngắt mạch ngắt ngay lập tức nhưng vẫn ở vị trí đóng, đây là những gì bạn nên làm (bộ ngắt mạch nên ở vị trí tắt và phải tuân thủ các biện pháp an toàn):
- Đầu tiên, rút tất cả các thiết bị trên mạch đó. Đặt lại bộ ngắt mạch sau khi tất cả tải đã được ngắt kết nối — nếu bộ ngắt mạch vẫn ở vị trí đóng sau đó, một trong các thiết bị đã được cắm vào mạch trước đó là nguyên nhân, điều này có thể xác định bằng cách cắm lại từng thiết bị một.
- Nếu bộ ngắt mạch lại ngắt, khi không có thiết bị nào được cắm vào mạch: nguyên nhân sự cố nằm ở hệ thống dây và thiết bị sử dụng trên mạch đó vì có thể có vấn đề về cáp, ổ cắm hoặc kết nối dây.
- Kiểm tra xem có hư hỏng nào không trước tiên: kiểm tra dây bị cắt hoặc hư hỏng, cáp bị kẹp, đoạn dây bị cháy hoặc bất kỳ dấu hiệu hư hỏng nào trên thiết bị điện.
- Kiểm tra thiết bị và dây: kiểm tra rằng dây được siết chặt và không có độ ẩm trong hộp nối.
Trong trường hợp sự cố nằm trong tường, phải gọi thợ điện có giấy phép vì việc phát hiện vị trí ngắn mạch điện có thể mất nhiều thời gian và có thể dẫn đến cháy và mất an toàn tính mạng.
Cách ngăn ngừa ngắn mạch
- Không bao giờ sử dụng dây và thiết bị bị hư hỏng; dây bị sờn và phích cắm bị nứt được coi là dây và thiết bị bị hư hỏng và phải được thay thế.
- Tránh quá tải mạch và nối dài ổ cắm điện vì điều này có thể dẫn đến giảm khả năng cách điện và chập mạch cuối cùng. Hướng dẫn công suất mạch 15-amp cho biết tải trọng cho phép đối với mạch.
- Tránh hiện tượng nước xuất hiện gần nguồn điện: Cần có bảo vệ GFCI trong nhà bếp, phòng tắm, ngoài trời và gara; dây điện phải được giữ khô ráo.
- Use AFCI technology in the living parts of your estate to catch arcing shorts that are missed by the circuit breakers.
- Get wiring inspected in older homes, especially in the case of such types of wiring as cloth/rubber insulation, aluminum wiring (which requires CO/ALR-rated devices), knob-and-tube systems.
- It is important to soundly control pests that can lead to shorts; attics and crawl spaces must be sealed.
- Use certified materials and devices from the breakers to outlets so that protection is never bypassed by the larger breaker “since it always trips.”
- Annual checks of industrial panels: thermal imaging and torque checks catch loose connections before they become faults — the same maintenance discipline we describe in our hướng dẫn phát hiện lỗi bộ ngắt.
Câu hỏi thường gặp
How does the short circuit form and what is its effect?
A short circuit occurs when electricity moves through an unintended low-resistance route — if a hot wire connects to a neutral wire, an adjacent live wire, or the ground potential of the power system. Because of very low resistance, Ohm’s Law (I = V/R) result in a transition from normal current values to several thousands of amperes within milliseconds. It results in heat generation (I²R), which can burn insulation, electricity discharge leading to ignition of combustibles, electrical arcs forming in industrial equipment, electrified objects that hurt people, and failure of appliances — all these phenomena can be stopped by fast-acting protective appliances (circuit breakers, fuses, and ground fault interrupters).
What exactly happens in a short circuit?
In a short circuit, the electrical current moves through the circuit not through the electrical load but through an unintended near-zero-resistance path. The surge of current is restricted only by the impedance of the source and wires, usually in the range of hundreds or thousands of amperes in milliseconds. This leads to extreme heating (I²R heating) which causes the coatings to melt and metal to turn into liquid and may result in the emergence of an electric arc. When protection is used, the circuit breaker or fuse breaks the fault within a fraction of the second; without protection, the overheated materials catch the fire which might result in a fire.
Can a short circuit resolve itself?
Hardly ever and never in a safe manner. Because a short circuit is when two bare conductive materials are in physical contact with each other, it does not fix itself. While there might be some moments of temporary arc during vibrating conductors being in motion, leading to injuries of insulating material and carbon tracks is adding onto the harm done by the fault. The only possible safe resolution is once the fuse is blown and the breaker is triggered. It is the only case when there is some kind of limit to what the damaging current can cause and will only require fixing the fault after it has been detected.
What would happen if a house had a short circuit?
When a home has proper protection, a short circuit occurs and causes the circuit breaker to act quickly, which makes it safe. The circuit stops functioning, and after fixing any problem, the reset makes the circuit work again. The worst thing that can happen in this instance is that the breaker gets tripped. However, if the circuit breaker is defective, oversized, or bypassed, via heating caused by the short circuit, the insulation of the wires gets melted, thus leading to fires caused by electric appliances in the walls. If the short circuit occurred in one of the electronic devices’ chassis, the GFCI device will be activated, if present; if not, the circuit will keep feeding power to the appliance frame causing a dangerous situation.
Tài liệu tham khảo
- Control Circuitry — What is a short circuit: causes, types & protection
- Engineer Fix — What is a short circuit and what causes one
- Electrical Repair Authority — Diagnosing and repairing electrical short circuits
- US Fire Administration — Residential building electrical fire statistics
- NFPA 70 — National Electrical Code (NEC), 2023 edition
- NFPA 70E — Electrical safety in the workplace (arc flash)
Kết luận
The occurrence of short circuit situations can be attributed to a fundamental principle of physics that states that if a current is allowed to flow through some path with a near zero resistance and one that avoids the work then, according to Ohm’s Law, the current changes from the regular curve to unbelievable ones – hundreds and thousands of amps in the very short time leading to the release of heat and electric arcs that can melt the object, burn it, and give shock. The reasons leading to short circuiting are well-known – let’s enumerate them: various defects of insulating materials, bad contacts, the presence of animals, high humidity, mechanical damages to the parts of the circuit, or mistakes made by people who repair electrical equipment and everything that can be done to eliminate this problem – fuses and circuit breakers for voltage surge; GFCI for ground faults; AFCI for arcing.
Recent conclusion of the analysis performed on the issue is reported in the message which sounds the same for the owners of both houses and factories: respect the circuit breaker working to stop current from flowing; never bypass the protection or the circuit until the problem is solved; and ensure permanent maintenance of the circuit system – insulation testings, torque measurementings, thermal inspections, and GFCI/AFCI testing.
