nghien cuu qua dien ap va lua chon chong set van luoi trung ap
TRANSCRIPT
- 1 -
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................... 3
CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...................................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................... 8
CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƢỚI ĐIỆN
TRUNG ÁP ............................................................................................................................... 11
1.1. PHÂN LOẠI QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ................................................... 11
1.2. CHẾ ĐỘ NỐI ĐẤT ĐIỂM TRUNG TÍNH VÀ VẤN ĐỀ VẬN HÀNH LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ..... 15
1.2.1 Mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất ............................. 16
1.2.2 Mạng điện ba pha trung tính nối qua cuộn dập hồ quang ................... 22
1.2.3. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện trở nhỏ ....................... 25
1.2.4 Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện kháng nhỏ ................... 26
1.2.5 Mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp ..................................... 27
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ QUÁ ĐIỆN ÁP DO CHẠM ĐẤT MỘT PHA
TRONG LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ............................................................................................. 31
2.1. PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ THỨ TỰ KHÔNG CỦA ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ... 31
2.1.1. Khái niệm cơ bản về tổng trở trong hệ tọa độ pha ABC .................... 31
2.1.2. Ma trận tổng trở ABC trong trƣờng hợp có vật dẫn nối đất độc lập
đi kèm ........................................................................................................................ 35
2.1.3. Tính toán các phần tử của ma trận tổng trở ABC + N ........................ 37
2.1.4.Tính toán ma trận tổng trở thứ tự thuận nghịch không từ ma trận
tổng trở ZABC ............................................................................................................. 44
2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP DO SỰ CỐ CHẠM ĐẤT MỘT PHA
TRONG LƢỚI TRUNG ÁP .................................................................................................................. 47
2.2.1. Phƣơng pháp các thành phần đối xứng ............................................... 47
2.2.2. Phƣơng pháp số giải hệ phƣơng trình vi phân mô tả hệ thống điện ... 50
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP DO NGẮN MẠCH CHẠM
ĐẤT MỘT PHA Ở LƢỚI TRUNG ÁP ...................................................................................... 57
3.1. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ATP-EMTP ................................................................................... 57
- 2 -
3.2. MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN HỆ SỐ QUÁ ÁP CỦA MỘT XUẤT TUYẾN LƢỚI TRUNG ÁP
BẰNG ATP/EMTP ............................................................................................................................... 61
CHƢƠNG 4: VẤN ĐỀ LỰA CHỌN CHỐNG SÉT VAN .......................................................... 66
4.1. TIÊU CHUẨN IEC 60099-5 VỀ LỰA CHỌN VÀ SỬ DỤNG CHỐNG SÉT VAN ......................... 66
4.1.1. Tổng quan ............................................................................................ 66
4.1.2. Lựa chọn CSV có khe hở sử dụng điện trở phi tuyến (SiC) ................. 71
4.1.3. Lựa chọn CSV không khe hở sử dụng oxit kim loại ............................. 78
4.1.4. Ứng dụng của CSV .............................................................................. 86
4.2. ỨNG DỤNG TIÊU CHUẨN IEC 60099-5 VÀO VIỆC LỰA CHỌN CHỐNG SÉT VAN CỦA
LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ...................................................................................................................... 94
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 106
- 3 -
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Các kết quả tính toán trong
luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn
nào khác.
Hà Nội, tháng 11 năm 2010
Tác giả luận văn
Nguyễn Đoàn Quyết
- 4 -
CÁC TỪ VIẾT TẮT
ATP Alternative Transient Program
BIL Basic Impulse Level
CSV Chống sét van
CN Công nghiệp
COV Continuous Operating Voltage
DCS Dây chống sét
EMTP ElectroMagnetic Transient Program
IEC International Electrotechnical Commission
MBA Máy biến áp
MCOV Maximum Continuous Operating Voltage
NEMP Nuclear Electromagnetic Pulses
NNEMP Non-Nuclear Electromagnetic Pulses
TBA Trạm biến áp
TOV Temporary OverVoltage
TTT Thứ tự thuận
TTK Thứ tự không
QĐA Quá điện áp
- 5 -
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số nguyên nhân gây QĐA tạm thời, biên độ và thời gian tồn tại...... 14
Bảng 1.2 Dòng điện chạm đất cho phép của các đường dây tương ứng với các cấp
điện áp khác nhau ...................................................................................................... 22
Bảng 3.1. Thông số các phần tử lưới điện 35kV ....................................................... 61
Bảng 3.2. Hệ số quá điện áp tạm thời (TOV) theo vị trí điểm ngắn mạch chạm đất
dọc chiều dài đường dây ........................................................................................... 64
Bảng 3.3. Hệ số quá điện áp quá độ cực đại theo vị trí điểm ngắn mạch chạm đất
dọc chiều dài đường dây tương ứng với lưới điện đang xét ở trên ........................... 64
Bảng 4.1: Giá trị dòng điện quy định với thí nghiệm ngắn mạch CSV (thời gian tồn
tại ngắn mạch khoảng 1/6 chu kỳ điện áp tần số CN)............................................... 78
Bảng 4.2: Hằng số điện áp A cho một số dạng đường dây trên không ..................... 93
- 6 -
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ đơn giản mạng điện 3 pha trung tính cách điện với đất .................. 16
Hình 1.2. Sơ đồ mạng điện 3 pha trung tính cách đất khi có sự cố chạm đất 1 pha . 17
Hình 1.3 Mạng điện 3 pha trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang ...................... 23
Hình 1.4. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện kháng ................................ 26
Hình 1.5. Sơ đồ mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp ................................. 27
Hình 2.1: Phân bố từ thông trên mạch vòng dòng điện pha A .................................. 31
Hình 2.2. Sơ đồ thay thế tương đương của ma trận tổng trở .................................... 35
Hình 2.3. Đường dây một pha hai dây dẫn đơn ....................................................... 39
Hình 2.4. Phân bố dòng điện một chiều trong đất ..................................................... 41
Hình 2.5. Phân bố cường độ điện trường của dòng điện xoay chiều khi đi vào đất . 41
Hình 2.6. Phân bố dòng điện xoay chiều trong đất ................................................... 42
Hình 2.7. Sơ đồ lưới điện 110/22 kV ........................................................................ 48
Hình 2.8. Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (TTT) và thứ tự không (TTK) ...................... 48
Hình 2.9. a)Biến thiên hệ số quá điện áp k theo tỉ số X0/X1 với trường hợp R1/X1=R
= 0 .............................................................................................................................. 50
b) Quan hệ giữa tỉ số R0/X1 và X0/X1 khi giữ hệ số quá điện áp cố định khi R1=X1 50
Hình 2.10. Sơ đồ lưới điện tại nút 1 .......................................................................... 51
Hình 2.11. Sơ đồ thay thế 3 pha lưới điện 110/22kV trong ATP/EMTP ................. 55
Hình 3.1. Tổng quan về các mô đun trong ATP/EMTP ........................................... 60
Hình 3.2. Sơ đồ xuất tuyến 35kV .............................................................................. 61
Hình 3.3. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tính cách điện trong ATP/EMTP ............... 61
Hình 3.4. Điện áp các pha tại đầu đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính cách
điện, ngắn mạch chạm đất pha A) ............................................................................. 62
Hình 3.5. Điện áp các pha tại cuối đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính cách
điện, ngắn mạch chạm đất pha A) ............................................................................. 62
Hình 3.6. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tính nối đất trực tiếp trong ATP/EMTP ..... 62
Hình 3.7. Điện áp các pha tại đầu đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính nối đất
trực tiếp, ngắn mạch chạm đất pha A) ...................................................................... 63
- 7 -
Hình 3.8. Điện áp các pha tại cuối đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính nối đất
trực tiếp, ngắn mạch chạm đất pha A) ...................................................................... 63
Hình 4.1. Quy trình kiểm tra và lựa chọn CSV ......................................................... 70
Hình 4.2. Truyền sóng trong trường hợp trạm không có lưới nối đất (trạm treo) .... 91
Hình 4.3. Truyền sóng trong trường hợp trạm có lưới nối đất .................................. 91
Hình 4.4. Sơ đồ một sợi của xuất tuyến 372 E8.3..................................................... 95
Hình 4.5. Sơ đồ thay thế trong ATP-EMTP của xuất tuyến 372 E8.3 ...................... 96
Hình 4.6. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn .................. 96
Hình 4.7. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp xa nhất (Quảng Châu 3)
................................................................................................................................... 97
Hình 4.8. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn (ngắn mạch
pha A tại Quảng Châu 3) ........................................................................................... 97
Hình 4.9. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp Quảng Châu 3 (ngắn
mạch pha A tại Quảng Châu 3) ................................................................................ 97
Hình 4.10. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn (ngắn mạch
pha A tại Liên Phương 4) ......................................................................................... 98
Hình 4.11. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp Liên Phương 4 (ngắn
mạch pha A tại Liên Phương 4) ............................................................................... 98
- 8 -
MỞ ĐẦU
M.1.Lý do chọn đề tài
Lưới điện phân phối của Việt Nam hiện chưa được đầu tư vốn tương xứng
với yêu cầu. Thông thường với các nước tiên tiến trên thế giới, nguồn vốn yêu cầu
đầu tư cho lưới điện phân phối chiếm khoảng 50% tổng vốn đầu tư cho toàn
ngành. Nước ta do điều kiện khó khăn về kinh tế, nền kinh tế nghèo nàn nhỏ lẻ, đi
lên từ sau chiến tranh cộng với bối cảnh vừa hòa nhập vào kinh tế thế giới, tốc độ
tăng trưởng phụ tải rất nhanh, thường xuyên xảy ra thiếu hụt điện năng nên nguồn
vốn thường ưu tiên tập trung phát triển nguồn điện cũng như lưới điện truyền tải.
Nguồn vốn đầu tư cho nguồn và lưới truyền tải của Việt Nam hiện chiếm khoảng
85% (60% cho nguồn và 25% cho lưới truyền tải), còn lại 15% là vốn đầu tư cho
lưới phân phối. Vấn đề này hiện nay đã và đang đặt ra rất nhiều bất cập mà ngành
điện cũng như các khách hàng của mình đang cùng phải đối mặt bao gồm: lƣới điện
xuống cấp, độ tin cậy không cao, chất lƣợng điện năng thấp, tổn thất công suất, tổn
thất điện năng lớn, khả năng tự động hóa kém….Một vấn đề rất quan trọng cũng
chưa được quan tâm đúng mức đó là hiện tượng quá điện áp xảy ra trong lƣới phân
phối. Việc lựa chọn CSV trong lưới điện này thường được chọn một cách đơn giản,
ít xem xét vị trí lắp đặt, chế độ điểm trung tính (trung tính cách điện, trung tính nối
đất hiệu quả, trung tính nối đất qua tổng trở), dẫn đến là CSV có thể bị quá áp khi
có sự cố chạm đất một pha. Nội dung bản luận văn này sẽ tập trung đi sâu nghiên
cứu mô phỏng hiện tượng QĐA trong lưới điện phân phối khi xảy ra ngắn mạch
một pha và tìm cách đề xuất một phương thức lựa chọn CSV hợp lý.
M.2.Lịch sử nghiên cứu
1. Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu ảnh hƣởng của phƣơng thức nối đất trung
tính đến việc lựa chọn cách điện trong lƣới điện trung thế” - Nguyễn Thanh Hải –
ĐHBK Hà Nội -2009. Nội dung: nghiên cứu hệ số quá áp trong lưới điện trung áp
trong các tình huống xảy ra quá áp do sự cố phức tạp bao gồm ngắn mạch chạm đất,
đứt dây chạm đất và quá điện áp cộng hưởng. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh
- 9 -
hưởng của các vấn đề trên đến việc lựa chọn cách điện nói chung và chưa đề cập tới
việc lựa chọn cụ thể của CSV.
2. Luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ứng dụng của nối đất trung tính qua tổng trở
nhỏ để giải quyết bài toán nối đất của các trạm biến áp 110/22 (35)kV ở Việt Nam”
- Nguyễn Lƣơng Mính - ĐHBK Đà Nẵng. Một trong những nội dung nghiên cứu
của Luận văn là về biến thiên hệ số quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch chạm
đất một pha trong lưới trung áp có các phương thức nối đất trung tính khác nhau,
biến thiên của hệ số quá điện áp theo tỉ số X0/X1 tại điểm xảy ra sự cố dẫn tới làm
thay đổi hiệu quả của nối đất trung tính (tại TBA), luận văn đề xuất ý tưởng tiếp tục
nghiên cứu ứng dụng để giải quyết bài toán lựa chọn CSV tại các điểm khác nhau
trong lưới trung áp.
M.3.Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi
nghiên cứu
Nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu quá điện áp trên một lưới điện trung áp 35
kV điển hình với các chế độ nối đất trung điểm khác nhau bằng mô phỏng trên phần
mềm ATP/EMTP khi xảy ra sự cố chạm đất một pha và xem xét ứng dụng vào việc
lựa chọn CSV ở lưới điện trung áp.
M.4.Tóm tắt cơ bản các luận điểm và đóng góp mới của tác giả
- Nghiên cứu lý thuyết về các dạng quá điện áp có khả năng xuất hiện trong
lưới điện trung áp (bao gồm QĐA khí quyển, QĐA thao tác)
- Tổng quan về vấn đề quá điện áp do sự cố chạm đất một pha trong lưới
điện trung áp bao gồm dải biến thiên của hệ số quá áp cũng như các tham số chính
ảnh hưởng tới biên độ QĐA
- Mô phỏng và tính toán quá điện áp do sự cố chạm đất một pha bằng phần
mềm ATP/EMTP
- Xem xét quy trình lựa chọn CSV và ứng dụng vào lưới điện trung áp
- 10 -
M.5.Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu các nội dung lý thuyết liên quan
tới vấn đề quá điện áp do sự cố ngắn mạch chạm đất một pha và sử dụng mô phỏng
trên mô hình máy tính để kiểm chứng.
Cấu trúc luận văn: Luận văn bao gồm 4 chương trình bày trên trang, bao
gồm:
Chương 1: Nghiên cứu lý thuyết về quá điện áp trong lưới điện trung áp
Chương 2: Tổng quan về vấn đề quá điện áp do chạm đất một pha trong lưới
điện trung áp
Chương 3: Mô phỏng và tính toán quá điện áp do ngắn mạch chạm đất một
pha ở lưới điện trung áp
Chương 4: Vấn đề lựa chọn Chống sét van
Để hoàn thành luận văn này, trước hết tác giả xin gửi lời tri ân sâu sắc tới gia
đình và em trai đã luôn hết sức động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả
yên tâm tập trung nghiên cứu. Đồng thời tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành
và lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS. TS. Trần Văn Tớp,
người đã luôn chu đáo, tận tình và có những nhận xét góp ý, chỉ đạo kịp thời về nội
dung và tiến độ của luận văn. Cuối cùng, tác giả cũng không thể quên được những
nhận xét góp ý, tạo điều kiện thuận lợi và sự giúp đỡ tận tình của Viện SĐH Trƣờng
Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo của Bộ môn Hệ thống điện – Khoa
Điện - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và bạn bè đồng nghiệp trong quá trình
làm luận văn. Mặc dù đã hết sức cố gắng song do thời gian và khả năng còn hạn
chế, luận văn còn nhiều thiếu sót và hạn chế, tác giả rất mong nhận được sự đánh
giá, góp ý của các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để hoàn chỉnh thêm nội dung
của luận văn.
- 11 -
CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP
TRONG LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
1.1. PHÂN LOẠI QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG
ÁP
Quá điện áp (QĐA) trong hệ thống điện là hiện tượng điện áp trong toàn hệ
thống hoặc một bộ phận của hệ thống tăng lên cao hơn trị số điện áp định mức của
một hoặc nhiều phần tử trong đó. Về cơ bản, các dạng QĐA ở lưới điện trung áp
cũng giống như ở các cấp điện áp cao khác. Chúng khác nhau chủ yếu ở biên độ,
dạng sóng, xác suất xuất hiện và mức độ thiệt hại do QĐA gây ra.
Căn cứ vào nguồn gốc phát sinh, QĐA được chia làm hai nhóm: QĐA ngoài
và QĐA nội bộ
* QĐA ngoài: được phát sinh từ các nguyên nhân bên ngoài hệ thống điện,
tức biên độ của nó không phụ thuộc vào cấp điện áp của hệ thống. QĐA ngoài được
chia làm hai loại: QĐA sét và QĐA phát sinh do xung bức xạ hạt nhân (NEMP-
Nuclear Electromagnetic Pulses) hoặc phi hạt nhân (NNEMP- Non-nuclear
Electromagnetic Pulses).
- QĐA sét xuất hiện do các phóng điện từ các đám mây xuất hiện trong tầng
bình lưu của trái đất, nó là nguyên nhân gây ra gần 50% các sự cố ngắn mạch trên
các đường dây cấp điện áp từ 300kV trở lên [17]. Phóng điện sét thường có dạng
đơn cực bao gồm cực tính âm và cực tính dương. Cú sét cực tính dương thường chỉ
bao gồm một phóng điện sét thành phần với biên độ cực kì lớn, có thể đạt tới mức
250 kA. Ngược lại, cú sét cực tính âm thường gồm nhiều cú sét thành phần với biên
độ nhỏ hơn nhiều, vào khoảng 80 kA. Theo nghiên cứu, khoảng 90% các cú sét
đánh xuống công trình điện và lân cận là mang cực tính âm [9]. Dưới góc độ quá
điện áp, thông số quan trọng nhất của phóng điện sét chính là hình dạng và biên độ
xung dòng điện sét. QĐA do sét gây ra cho đường dây tải điện thường xảy ra khi:
+ Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn
- 12 -
+ QĐA cảm ứng khi sét đánh xuống đất gần đường dây
+ Phóng điện ngược trên cách điện đường dây
Biên độ QĐA phụ thuộc vào tổng trở sóng của đường dây và trị số dòng điện
sét, có thể vượt trị số 1MV. Sóng QĐA này lan truyền dọc theo đường dây về trạm
biến áp và có thể gây phóng điện chọc thủng cách điện của các thiết bị. Vì thế vấn
đề bảo vệ chống QĐA do sét gây ra trước tiên cần xác định xác suất xuất hiện của
các dạng dòng điện sét cũng như cường độ hoạt động của giông sét tại khu vực
nghiên cứu.
- QĐA phát sinh do nguồn xung điện từ bức xạ hạt nhân hoặc không có
nguồn gốc hạt nhân (Nuclear Electromagnetic Pulses -NEMP, Non-nuclear
Electromagnetic Pulses -NNEMP). Các xung này có thời gian đầu sóng cực kì ngắn
(cỡ <10 ns) và biên độ hàng chục kA. Xác suất xuất hiện của QĐA điện từ rất nhỏ
vì thế thường được bỏ qua khi quy hoạch thiết kế hệ thống điện.
QĐA sét có nguyên nhân bên ngoài cấu trúc lưới điện, do đó lƣới điện trung
áp hoàn toàn có khả năng phải nhận các cú sét có biên độ lớn và đầu sóng dốc.
Việc nghiên cứu bảo vệ chống quá điện áp liên quan tới xác định mật độ sét và xác
suất xuất hiện các cú sét biên độ lớn.
* QĐA nội bộ: QĐA nội bộ về cơ bản có liên hệ tới cấu trúc hệ thống điện
và các tham số khác của nó. QĐA nội bộ xuất hiện chủ yếu trong quá trình thực
hiện các thao tác đóng cắt hoặc do các sự cố. QĐA nội bộ được phân chia làm 2
nhóm chính, căn cứ vào thời gian tồn tại (từ vài trăm micro giây tới vài giây) và
dạng sóng: QĐA quá độ và QĐA tạm thời .
- QĐA quá độ (Transient Overvoltage) có năng lượng lớn hơn nhiều so với
QĐA sét nhưng lại có biên độ thấp hơn và thời gian tồn tại ngắn (cỡ vài ms và ngắn
hơn), xuất hiện do một số nguyên nhân sau đây: đóng cắt đường dây truyền tải, cắt
dòng điện dung nhỏ (tụ điện, đường dây và cáp không tải), cắt dòng điện cảm nhỏ
(máy biến áp không tải, cuộn kháng), việc xuất hiện và đóng cắt loại trừ sự cố trong
hệ thống,…
- 13 -
- QĐA tạm thời (Temporary Overvoltage-TOV): là hiện tượng QĐA tần số
công nghiệp pha-đất hoặc pha-pha với thời gian tồn tại tương đối dài tại một vị trí
trong hệ thống điện. Nguyên nhân phát sinh QĐA tạm thời chủ yếu do hiệu ứng
Ferranti, sa thải phụ tải, sự cố chạm đất, bão hòa từ và cộng hưởng điều hòa. Biên
độ QĐA thường vào khoảng 1,2 ÷ 1,5 p.u. Tuy nhiên trong một số điều kiện nguy
hiểm có thể đạt tới 2 p.u, thậm chí 5 p.u trong trường hợp xảy ra cộng hưởng sắt từ
(ferroresonance) [11].
Với lưới điện trung áp, do vốn đầu tư cho cách điện chỉ chiếm một tỉ lệ nhỏ,
cách điện được chế tạo với mức dự trữ tương đối cao nên hầu như có khả năng chịu
được các xung QĐA thao tác (QĐA quá độ) trong quá trình vận hành. Vì thế khi
xem xét QĐA thao tác ở lƣới này, ta chỉ quan tâm tới loại QĐA tạm thời, xuất hiện
ở tần số công nghiệp [19][20][21]. (Trong [19], khi đề xuất bảng các mức cách
điện tiêu chuẩn cho thiết bị điện điện áp tới 245kV, chỉ đề cập tới trị số điện áp chịu
đựng tần số CN ngắn hạn và trị số điện áp chịu đựng với xung điện áp sét tiêu
chuẩn mà không đề cập tới điện áp chịu đựng xung thao tác. Tuy nhiên, trong [20]
đã đưa thêm bảng các hệ số hiệu chỉnh điện áp chịu đựng xung thao tác về trị số
điện áp chịu đựng tần số CN ngắn hạn để sử dụng trong các trường hợp cần thiết).
Bảng dưới tổng hợp một số nguyên nhân gây ra QĐA tạm thời cùng với biên
độ và thời gian tồn tại [17]
- 14 -
Bảng 1.1. Một số nguyên nhân gây QĐA tạm thời, biên độ và thời gian tồn
tại
Nguyên nhân Tham số chính Biên độ
QĐA
Thời gian tồn
tại
Sự cố không đối
xứng Tỉ số X0/X1 1 - 1,7 p.u
Phụ thuộc
chế độ trung
tính
Sa thải phụ tải
- Công suất truyền tải
- Công suất ngắn mạch hệ thống
- Điện dung đường dây
- Thiết bị tự động điều chỉnh điện áp
1 - 1,6 p.u vài giây
Cấp nguồn ngược
(backfeeding)
- Điện dung đường dây hoặc cáp
- Công suất ngắn mạch của hệ thống
- Đáp ứng tần số của hệ thống
1 - 2 p.u vài giây
Cộng hưởng sắt từ
- Điện dung đường dây hoặc cáp
- Hiện tượng bão hòa từ của MBA
- Các thông số đặc tính của MBA
1 - 1,5 p.u lâu dài
Sự cố không đối xứng trong lưới điện trung áp bao gồm sự cố ngắn mạch
không đối xứng (ngắn mạch chạm đất một pha, ngắn mạch hai pha, ngắn mạch hai
pha chạm đất) và đứt dây (một pha, hai pha). Tuy nhiên xác suất xảy ra của các
dạng sự cố không đối xứng này là không giống nhau. Chiếm tỉ lệ lớn nhất chính là
dạng sự cố ngắn mạch chạm đất một pha [10]. Đây chính là điểm khiến luận văn tập
trung nghiên cứu QĐA phát sinh do ngắn mạch chạm đất một pha. Hơn nữa sự cố
đứt dây thường có thể dẫn tới hiện tượng cộng hưởng sắt từ - thường được nghiên
cứu loại trừ khi quy hoạch, thiết kế.
QĐA phát sinh do sa thải phụ tải phụ thuộc vào lượng công suất bị sa thải,
vào cấu hình của lưới điện và phản ứng của nguồn điện sau thời điểm sa thải (công
suất ngắn mạch nguồn, hiệu quả của thiết bị điều tốc, thiết bị tự động điều chỉnh
kích từ). Đôi khi sa thải phụ tải còn dẫn tới quá điện áp duy trì có biên độ lớn do
hiện tượng tăng áp cuối đường dây dài hở mạch (hiệu ứng Ferranti). Tuy nhiên các
hiện tượng trên chủ yếu tồn tại ở lưới điện cấp cao áp và siêu cao áp trừ trường hợp
có tồn tại các nguồn điện phân tán (thủy điện, nhiệt điện) trong lưới trung áp.
- 15 -
QĐA do cộng hưởng điều hòa và cộng hưởng sắt từ thường phát sinh khi
đóng cắt mạch điện có các phần tử điện dung lớn (đường dây, cáp, đường dây bù
dọc) và các phần tử điện cảm (MBA, cuộn kháng) có đặc tính từ hóa phi tuyến.
QĐA cộng hưởng điều hòa và cộng hưởng sắt từ có thể đạt trị số rất lớn và nó
thường được xem xét tính toán trong quá trình thiết kế để tránh xảy ra tình huống
này. Do đó QĐA loại này thường không được sử dụng làm cơ sở để lựa chọn cách
điện của CSV cũng như phối hợp cách điện của các thiết bị điện trong lưới [20].
Như vậy từ các phân tích đánh giá trên, khi nghiên cứu đánh giá biên độ của
QĐA tạm thời (TOV) trong lưới điện trung áp, ta chủ yếu quan tâm tới QĐA tạm
thời xuất hiện do sự cố ngắn mạch chạm đất một pha xuất hiện trên các pha lành của
lưới điện. Biên độ QĐA và thời gian tồn tại sự cố (từ lúc xuất hiện tới lúc giải trừ sự
cố), như đã thấy ở bảng 1.1, phụ thuộc vào tỉ số X0/X1, tức là phụ thuộc vào chế độ
nối đất điểm trung tính và phụ thuộc vào phương thức vận hành của lưới. Chính vì
vậy dưới đây ta đi vào nghiên cứu các chế độ nối đất khác nhau của trung tính lưới
điện trung áp cũng như một số đặc điểm vận hành của nó.
1.2. CHẾ ĐỘ NỐI ĐẤT ĐIỂM TRUNG TÍNH VÀ VẤN ĐỀ VẬN
HÀNH LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
Điểm trung tính là điểm chung của ba cuộn dây nối hình sao. Việc lựa chọn
phương thức làm việc của điểm trung tính xuất phát từ tình trạng của hệ thống khi
có chạm đất một pha. Điểm trung tính có thể cách điện đối với đất, nối đất qua cuộn
dập hồ quang hay nối đất trực tiếp.
Trong mỗi lưới điện, chế độ làm việc của điểm trung tính đóng một vai trò
quan trọng. Nó quyết định tới trị số của dòng điện, điện áp khi xảy ra sự cố ngắn
mạch một pha và trị số của quá điện áp nội bộ, nghĩa là ảnh hưởng trực tiếp tới việc
đảm bảo cung cấp điện ổn định cho khách hàng và chế tạo cách điện cho thiết bị.
Do vậy, để đánh giá được những ưu nhược điểm của các lưới có chế độ làm việc
của điểm trung tính khác nhau ta dựa chủ yếu vào trị số của dòng và áp trong chế độ
ngắn mạch chạm đất một pha.
- 16 -
Chế độ làm việc của điểm trung tính còn phụ thuộc vào cấp điện áp, vì nó
ảnh hưởng trực tiếp đến vốn đầu tư cho đường dây và thiết bị. Ở cấp điện áp cao
nếu tiết kiệm được cách điện thì vốn đầu tư cho công trình giảm đi đáng kể. Sau đây
ta sẽ xét đến từng chế độ làm việc của điểm trung tính trong hệ thống điện.
1.2.1 Mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất
a/ Tình trạng làm việc bình thƣờng
Ta xét sơ đồ mạng điện đơn giản bao gồm máy biến áp (hình 1.1), đường dây
và phụ tải, các phần tử trên là các phần tử có ba pha đối xứng. Mỗi pha của mạng
điện đối với đất có một điện dung phân bố rải dọc theo chiều dài đường dây. Với
điện áp không lớn và chiều dài đường dây ngắn, ta coi điện dung này tập trung ở
giữa đường dây và đối xứng giữa các pha. Giữa các pha cũng có điện dung, nhưng
ta không xét ở đây vì chúng không ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của điểm
trung tính.
IcAIcBIcC
A
B
C
O
UA
UBUC
IcC
IcB
IcB
Hình 1.1. Sơ đồ đơn giản mạng điện 3 pha trung tính cách điện với đất
Đồ thị véctơ của điện áp và dòng điện dung ở trạng thái làm việc bình
thường.
Ở chế độ làm việc bình thường ta có các biểu thức sau:
UA = UB = UC = Upha và lệch nhau một góc 1200
IcA = IcB = IcC và lệch pha nhau một góc 1200
00
cCcBcAc IIII (1.1)
- 17 -
00
cCcBcAc UUUU (1.2)
Qua các biểu thức trên thấy rằng, tổng dòng điện dung chạy trong đất và điện
áp của điểm trung tính đều bằng không.
b/ Khi có một pha chạm đất
I’cAI’cBI’cC
A
B
C
O
O’
UA
UC
U’A
U’B
I’cA
I’cB
I’cΣ
N(1)
UB
Hình 1.2. Sơ đồ mạng điện 3 pha trung tính cách đất khi có sự cố chạm
đất 1 pha
Sơ đồ mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất có pha C chạm đất
trực tiếp và đồ thị véc tơ biểu diễn điện áp, dòng điện dung của nó như hình 1.2.
Dấu “ ’ ” phía trên để biểu thị cho chế độ chạm đất.
Gọi là sức điện động tổng hợp của mạng và X1,X2, X0 là các điện kháng
tổng hợp thứ tự thuận, nghịch và không của mạng đối với điểm chạm đất. Trị số
điện áp các thành phần thứ tự tại điểm chạm đất một pha là:
2 01
1 2 0
22
1 2 0
00
1 2 0
( )
(1.3)
E X XU
X X X
E XU
X X X
E XU
X X X
- 18 -
Đối với mạng điện có trung tính cách điện với đất, điện kháng tổng hợp thứ
tự không X0 có trị số rất lớn (coi như bằng vô cùng). Do vậy, lấy giới hạn các biểu
thức trên ta được:
1
2
0
0 (1.4)
U E
U
U E
Nghĩa là điện áp thứ tự thuận đúng bằng điện áp pha của mạng trước khi
chạm đất:
'
1
'
1
'
1
(1.5)
A A
B B
C C
U U
U U
U U
Mặt khác:
' ' ' '
1 2 0 0C C C CU U U U
(1.6)
Từ đó suy ra:
' '
0 1C C CU U U
(1.7)
Hoặc:
' ' ' '
0 0 0 1A B C C CU U U U U
(1.8)
Từ các kết quả nhận được, có thể coi rằng tại chỗ chạm đất được đặt thêm
một điện áp thứ tự không
. Điện áp của các pha đối với đất , ,
- 19 -
sẽ là tổng hình học của điện áp pha tương ứng trước khi chạm đất ,
, và
điện áp thứ tự không như sau:
'
'
'
(1.9)
0
A A C
B B C
C
U U U
U U U
U
Từ đồ thị ở hình 1.2, ta nhận được:
(1.10)
Và góc lệch pha giữa chúng:
= 60°
Giá trị dòng điện chạm đất tại pha C:
(1.11)
Với
.'
cAI , .
'
cBI là dòng điện dung chạy trên pha A, pha B khi sự cố chạm đất
pha C.
Khi tính gần đúng:
.'
cI = 3 cAI = 3 ACU = BjU A3 = 03 0 lbjU A (1.12)
Với C là điện dung các pha so với đất và B = lb .0 là điện dẫn phản kháng
của pha so với đất B = C = lb .0 và giá trị tuyệt đối của các pha lành đều bằng điện
áp dây.
Ta thấy, điện áp hai pha không có sự cố tăng lên 3 lần, nên giá trị dòng
điện dung của chúng cũng tăng 3 lần so với khi chưa chạm đất, tức là ' 3cA cAI I ;
' 3cB cBI I còn dòng điện dung pha chạm đất bằng không ' 0cCI . Dòng điện dung
tại chỗ chạm đất sẽ là:
- 20 -
' ' '
c cA cBI I I (1.13)
'
03 3c cA cI I I (1.14)
Giá trị dòng điện dung tại chỗ chạm đất khi chạm đất một pha được xác định
theo công thức sau đây:
Đường dây trên không: ' . / 350( )c dI U L A
Đường cáp ngầm: ' . /10( )c dI U L A .
Trong đó:Ud–điện áp dây [kV]
L – chiều dài tổng các đường dây có nối điện với nhau [km]
Nhận xét:
- Điện áp của pha chạm đất bằng không, điện áp của hai pha còn lại tăng lên
3 lần (bằng điện áp dây).
- Điện áp dây của mạng điện không thay đổi, điện áp của điểm trung tính
tăng từ “không” đến điện áp pha.
Như vậy, điện áp làm việc lớn nhất trong thời gian dài cho phép của lưới
điện có trung tính cách điện với đất tăng cao bằng điện áp dây.
- Dòng điện dung của các pha không chạm đất tăng 3 lần, còn dòng điện
dung tại chỗ chạm đất tăng 3 lần so với dòng điện dung của một pha trước khi chạm
đất.
Kết luận:
- Khi xảy ra chạm đất một pha, cho phép lưới điện vận hành trong một
khoảng thời gian nhất định (có thể kéo dài tới vài giờ) do điện áp dây không đổi và
dòng chạm đất bé. Trong khoảng thời gian này, người ta có thể xác định điểm sự cố
và cô lập ra khỏi lưới.
Đây là một ưu điểm của lưới trung tính cách đất vì nó làm giảm đáng kể thời
gian cắt điện của phụ tải, làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng.
- 21 -
- Do dòng chạm đất bé nên hạn chế dòng cảm ứng lớn lên các đường dây
thông tin lân cận.
- Tuy nhiên, thực tế vận hành thì có thể đây chỉ là ưu điểm trên lý thuyết bởi
lẽ khi xảy ra chạm đất một pha mà vẫn cho phép lưới điện tiếp tục làm việc thì rất
dễ xảy ra thêm sự cố trên pha khác tạo ra sự cố hai pha chạm đất với dòng chạm đất
khá lớn. Như vậy, theo quan điểm này thì chưa thể coi lưới điện vận hành với trung
tính không nối đất là tốt hơn vận hành nối đất về mặt ảnh hưởng cảm ứng.
- Không phải chi phí đầu tư vào việc nối đất làm việc của hệ thống.
- Do dòng chạm đất bé nên điện áp bước và điện áp tiếp xúc bé nên xét về an
toàn điện thì lưới điện trung tính cách đất an toàn hơn lưới trung tính trực tiếp nối
đất.
- Do khi chạm đất một pha tam giác điện áp dây không thay đổi nên lưới
điện trung tính cách đất thích hợp cho sử dụng phụ tải ba pha đối xứng. Nếu sử
dụng các máy biến áp một pha phải đấu vào hai dây pha nên thiết bị đóng cắt phải
bố trí trên cả hai dây, điều này làm giảm tính kinh tế khi sử dụng các máy biến áp
một pha và giải thích việc sử dụng rộng rãi máy biến áp ba pha trong lưới trung tính
cách điện.
Tuy nhiên, đối với các mạng điện này không cho phép làm việc lâu dài khi
một pha chạm đất vì các lý do sau đây:
- Khi chạm đất một pha, điện áp hai pha còn lại tăng 3 lần; do đó những
chỗ cách điện yếu có thể bị chọc thủng và dẫn đến ngắn mạch giữa các pha. Để
khắc phục nhược điểm này cách điện pha của mạng điện và các thiết bị điện đặt
trong mạng phải thiết kế theo điện áp dây, tương ứng với việc tăng giá thành của
thiết bị.
- Trong thực tế sự cố chạm đất là không lý tưởng. Do đó, dòng điện dung sẽ
sinh hồ quang gây hư hỏng vĩnh viễn cách điện.
- Với một trị số dòng điện dung nhất định, hồ quang có thể cháy lập loè. Do
mạng điện là một mạch vòng dao động R-L-C, hiện tượng cháy lập loè dẫn đến quá
- 22 -
điện áp cộng hưởng trên các pha không bị chạm đất, có thể tới 2,5 đến 3 lần điện áp
pha định mức. Do đó, cách điện các pha không chạm đất dễ dàng bị chọc thủng, dẫn
đến ngắn mạch giữa các pha, mặc dù cách điện đã được chế tạo theo điện áp dây.
Hiện tượng chọc thủng cách điện này xảy ra với xác suất lớn khi dòng điện dung
lớn hơn khoảng 5-10A. Vì vậy, khi mạng điện không có bảo vệ rơ le cắt chạm đất
một pha thì phải có thiết bị kiểm tra cách điện để phát hiện chạm đất một pha và kịp
thời sửa chữa.
Theo tính toán thực tế ta có các giá trị cho phép của dòng điện chạm đất và
thời gian làm việc tối đa cho phép của các mạng điện theo các cấp điện áp như bảng
1.2: [7]
Bảng 1.2 Dòng điện chạm đất cho phép của các đƣờng dây tƣơng ứng
với các cấp điện áp khác nhau
Cấp điện áp (kV) 3-6 10 15-
20
35
Dòng điện chạm đất cho phép
(A)
- 30 15 10
Thời gian làm việc tối đa (giờ) 2 1 0,5 0,5
1.2.2 Mạng điện ba pha trung tính nối qua cuộn dập hồ quang
Cuộn dập hồ quang là cuộn cảm có thể thay đổi điện kháng bằng cách thay
đổi số vòng dây hay khe hở của lõi thép.
Ở tình trạng làm việc bình thường, giống như trường hợp trung tính cách
điện với đất, tổng dòng điện dung chạy trong đất bằng và điện áp điểm trung tính
bằng không. Do đó điện áp đặt lên cuộn dập hồ quang và dòng điện chạy qua nó
cũng có trị số bằng không.
Khi xảy ra chạm đất pha A, điện áp điểm trung tính cũng là điện áp trên cuộn
dập hồ quang, xuất hiện dòng điện mang tính cảm chạy trong cuộn dập hồ quang LI
(chậm sau điện áp điểm trung tính 900).
Xét trường hợp điện trở của cuộn Petersen rất nhỏ và chiều dài đường dây
ngắn, thành phần tác dụng của dòng điện chạm đất không đáng kể. Dòng điện LI sẽ
- 23 -
cân bằng dòng điện dung của đường dây tại điểm chạm đất, nếu điều khiển điện
kháng của cuộn dập hồ quang ở giá trị thích hợp thì dòng điện tại chỗ chạm đất có
thể bằng không. Do vậy, nhờ cuộn kháng trên hồ quang tại chỗ chạm đất có thể bị
dập tắt, không làm nguy hiểm đến cách điện của thiết bị.
Tuy nhiên, trong thực tế vận hành lưới điện, việc thay đổi phương thức cấp
điện hoặc đóng cắt đường dây sẽ làm cho khoảng cách về đường dây thay đổi dẫn
đến dòng điện dung tổng thay đổi. Do đó, việc điều khiển điện kháng của cuộn dập
hồ quang để dòng điện tại chỗ chạm đất triệt tiêu là rất khó khăn và hầu như không
thể thực hiện được do không thể xác định chính xác trị số điện dung tổng C và thực
tế cuộn Petersen còn có một điện trở nào đó nên IL không thực sự vuông góc với IC.
Hơn nữa việc bù đủ dòng điện dung còn dẫn tới một nguy cơ nguy hiểm là dẫn tới
phát sinh các quá điện áp do dao động cộng hưởng. Do đó thường điều chỉnh cuộn
Petersen để còn lại một trị số nào đó để tránh cộng hưởng và tăng độ nhạy
cho rơ le cảnh báo chạm đất cho nhân viên vận hành trạm biết kịp thời để có kế
hoạch xử lý. Sơ đồ mạng điện và đồ thị véc tơ dòng điện và điện áp điểm trung tính
được thể hiện trong hình vẽ 1.3.
Hình 1.3 Mạng điện 3 pha trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang
Như trên đã phân tích, việc điều khiển điện kháng của cuộn dập hồ quang
đến một giá trị thích hợp theo sự thay đổi của dòng điện dung của đường dây là hết
sức khó khăn. Do vậy, phải lựa chọn được một giá trị thích hợp để cuộn dập hồ qua
phát huy được hiệu quả cao nhất. Khi IC> IL, tức bù thiếu thì khi có một số đường
dây bị cắt, trị số IC– IL giảm có thể không đủ cho bảo vệ làm việc hoặc dẫn đến tình
trạng cộng hưởng. Ngược lại, khi IL > IC (tức bù thừa) thì khi có một số đường dây
bị cắt sẽ làm tăng giá trị IC – IL, đồng nghĩa với việc rơ le bảo vệ dễ dàng nhận biết
(1)N
c
,
I
A
B
C
I,
cAI,
cB0
a- S¬ ®å m¹ng ®iÖn b- S¬ ®å vÐc t¬ ®iÖn ¸p
vµ dßng ®iÖn
LI
U
ILIc
- 24 -
được tình trạng chạm đất một pha trong mạng điện. Như vậy, trong mạng ba pha
trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang thì cần phải điều chỉnh cuộn kháng sao
cho IL > IC.
Xét trường hợp điện trở của cuộn Petersen rất lớn và chiều dài đường dây
dài, thành phần tác dụng của dòng điện chạm đất là đáng kể. Thông thường người ta
cũng điều chỉnh sao cho điện cảm của kháng điện KL ở chế độ cộng hưởng, nghĩa
là:
LK = 1/3ω2Cđ (1.15)
LK - điện cảm của cuộn Petersen.
Cđ - điện dung của pha chạm đất so với đất.
Khi ấy dòng điện tại chỗ chạm đất chỉ còn thành phần tác dụng:
IRđ = 3ER0ω2CĐ
2 (1.16)
R0 - điện trở tác dụng của cuộn Petersen.
Trong trường hợp này, dòng điện chạy qua chỗ chạm đất cũng có thể bé hơn
trị số tự dập tắt của hồ quang nên hồ quang không phát sinh tại chỗ chạm đất. Vì
vậy cuộn Petersen được nhiều nước trên thế giới sử dụng trong lưới trung áp để hạn
chế hậu quả của chạm đất một pha. Với các lưới trung áp có tổng chiều dài đường
dây lớn hoặc lưới cao áp, trị số dòng điện tác dụng tại vị trí chạm đất có thể vượt
quá ngưỡng tự dập tắt của hồ quang nên việc sử dụng cuộn Petersen không còn phát
huy được tác dụng.
Kết luận:
- Do lưới điện này khống chế dòng chạm đất nên không cần thiết loại trừ
ngay lập tức sự cố xảy ra nên phụ tải vẫn được cấp điện trong một khoảng thời gian
nhất định. Nói chung xét về độ tin cậy cung cấp điện thì lưới điện này khá tốt nhờ
việc tự động dập tắt hồ quang của cuộn dây. Tuy nhiên, tính hiệu quả hoàn toàn
không thể đạt được do có khả năng xảy ra cộng hưởng.
- 25 -
- Do dòng chạm đất được khống chế ở trị số bé nên điện áp bước và điện áp
tiếp xúc cũng ở trị số thấp tăng tính an toàn cho người và thiết bị.
- Cũng do dòng chạm đất bé nên ít ảnh hưởng đến đường dây thông tin. Ưu
điểm này nổi bật hơn so với lưới trung tính cách điện với đất do số lần chuyển từ
chạm đất một pha sang ngắn mạch nhiều pha là ít hơn rất nhiều (vì có cuộn dập hồ
quang khống chế dòng chạm đất).
Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm trên ta nhận thấy lưới điện có trung tính nối
đất qua cuộn dập hồ quang có những hạn chế như sau:
- Cũng giống như lưới trung tính cách điện đối với đất, khi chạm đất một pha
điện áp hai pha lành cũng tăng lên điện áp dây. Vì vậy, cách điện cũng phải chọn
theo điện áp dây.
- Cuộn dập hồ quang trong lưới điện kiểu này thường phải điều chỉnh thường
xuyên bằng tay hay tự động để thích nghi với cấu trúc lưới khi vận hành - điều này
làm phức tạp, tốn kém trong công tác quản lý vận hành cũng như tăng chi phí đầu tư
ban đầu.
1.2.3. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện trở nhỏ
Để hạn chế dòng điện ngắn mạch, người ta nối đất điểm trung tính qua điện
trở Rđ. Do giảm được dòng điện ngắn mạch đối với đất nên giảm được tác động cơ,
nhiệt của nó đối với các thiết bị và giảm tác động gây nhiễu với các đường dây
thông tin, đồng thời làm cho quá điện áp nội bộ trong mạng tắt dần nhanh hơn. Việc
thực hiện nối đất qua điện trở còn có ưu điểm là thực hiện đơn giản. Song nhược
điểm của nó là có tổn thất công suất trên điện trở và tác dụng hạn chế dòng điện
ngắn mạch kém do trong các mạng điện cao áp các phần tử có điện kháng thường
lớn hơn rất nhiều so với điện trở.
- 26 -
1.2.4 Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện kháng nhỏ
Hình 1.4. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện kháng
Đặc điểm tương đối phức tạp của phương thức này là:
- Kết cấu điện kháng hạn chế XK phức tạp hơn nhiều so với điện trở.
- Hiệu quả chủ yếu của phương thức nối đất này là hạn chế dòng điện thứ tự
không của mạng điện. Trong hệ thống điện việc nối đất điểm trung tính chỉ được
thực hiện tại một số điểm trung tính của máy biến áp do yêu cầu về giảm dòng ngắn
mạch một pha.
Khi thực hiện nối đất qua trở kháng cũng sẽ cho phép tăng được điện trở nối
đất của toàn trạm biến áp ở những nơi có điện trở suất của đất lớn. Việc dập tắt hồ
qua của mạng điện này cũng tương tự như mạng điện có trung tính nối đất qua cuộn
dập hồ quang, tuy nhiên hiệu quả của nó kém hơn.
Hình thức nối đất điểm trung tính qua điện trở hoặc điện kháng cùng có
chung một mục đích giảm dòng ngắn mạch một pha. Do vậy ngoài những đặc điểm
đã phân tích như trên, nó còn có các đặc điểm sau:
- Dòng chạm đất lớn (hàng trăm ampe) nên việc thực hiện bảo vệ rơ le thuận
lợi như trong lưới trung tính nối đất trực tiếp. Mặc dù độ nhậy của bảo vệ kém hơn
nhưng vẫn đủ để bảo vệ rơ le khởi động.
- Việc sử dụng cuộn điện kháng hay điện trở giúp ta có thể kiểm soát được
dòng sự cố. Bảo vệ rơ le cảm nhận được và cắt ngắn mạch loại trừ sự cố sớm thì số
lượng hỏng hóc sẽ giảm và có lẽ sẽ được hạn chế (sự cố sẽ hạn chế không ảnh
U A
B U
U C
O
U' B
C U'
a- S¬ ®å m¹ng ®iÖn b- S¬ ®å vÐc t¬ ®iÖn ¸p
vµ dßng ®iÖn
C B A
(1) N X k
- 27 -
hưởng đến pha khác). Điều này sẽ hạn chế khả năng phá hủy bởi nhiệt của dòng sự
cố, giảm chi phí sửa chữa, giảm tần suất hay kéo dài thời gian bảo quản máy cắt.
- Trong lưới điện kiểu này, khi một pha chạm đất thì điện áp của các pha
lành có thể tăng lên bằng điện áp dây. Vì vậy, cách điện của hệ thống vẫn phải được
thiết kế để chịu được điện áp dây.
- Do dòng chạm đất lớn nên bảo vệ rơ le sẽ tác động cắt sự cố làm gián đoạn
cung cấp điện. Vì vậy, nếu xét về độ tin cậy cung cấp điện thì thấp hơn lưới trung
tính cách đất.
- Lưới điện nối đất kiểu này có dòng chạm đất lớn so với lưới trung tính cách
đất nên kém an toàn hơn, nhưng lại an toàn hơn so với lưới trung tính trực tiếp nối
đất vì dòng chạm đất của nó bé hơn lưới trực tiếp nối đất.
- Cuộn dây thứ cấp của máy biến áp nguồn phải đấu Y0 hoặc phải có thiết bị
tạo trung tính giả, điều này gây khó khăn cho việc lựa chọn máy biến áp nguồn
nguồn hoặc tăng chi phí đầu tư thiết bị tạo trung tính giả.
- Do lưới điện này là lưới ba pha, ba dây nên chỉ cấp điện cho các phụ tải ba
pha hoặc một pha sử dụng điện áp dây.
1.2.5 Mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp
Hình 1.5. Sơ đồ mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp
Dòng chạm đất khi pha A chạm đất là:
.'
AI = 1 2
3
oX X X
.
E = 1
3
2oX X
.
E (1.17)
Điện áp các pha:
CNBN
AN
UU
U
ABC
N(1)
- 28 -
.'
AU = 0 .
'
BU =
..
1
1
( )
2
A oB
o
E X XU
X X
Tỉ số
có trị số bé hơn 1. Vì vậy, nếu 0 1X X ta có các giá trị của
.
'
BU <.
BU , .
'
CU < .
CU .
Nếu 0 1X X ta có các giá trị của .
'
BU >.
BU , .
'
CU > .
CU .
Khi 1
oX
X 3 thì điện áp
'
BU , '
CU luôn có giá trị không lớn hơn 0,8Ud, tức là
lúc đó ta có hệ thống đã đạt tới nối đất hiệu quả.
Thực tế các hệ thống, với 1km đường dây 0 1X X nên khi chiều dài đường
dây tăng thì tỷ số 1
oX
X cũng tăng và có thể vượt quá giá trị
1
oX
X = 3, có nghĩa là lúc
này nối đất trực tiếp không phải là nối đất hiệu quả (ngay cả khi điện trở nối đất
bằng 0) và không thể chọn cách điện của thiết bị theo điện áp pha được.
Ngày nay ở Việt Nam cũng như trên thế giới, phương thức nối đất trực tiếp
được nhiều nước áp dụng không chỉ cho những cấp điện áp cao (U ≥ 110kV) mà
còn được áp dụng cho các lưới điện trung thế bởi những hiệu quả rõ rệt mà trong
thực tế vận hành đã chứng minh được điều đó.
Ở lưới điện có trung tính cách đất, khi xảy ra chạm đất một pha sẽ sinh ra
hiện tượng hồ quang cháy lập loè không ổn định, hiện tượng này là nguyên nhân
dẫn đến quá điện áp, có thể lên đến 2,5-3 lần điện áp định mức. Trong mạng điện 6-
20kV, dự trữ cách điện lớn, vì vậy quá điện áp do hồ quang cháy lập loè không
nguy hiểm. Tuy nhiên với lưới điện 20-35kV có dự trữ cách điện thấp hơn thì quá
điện áp có thể làm phá hỏng cách điện ở những vị trí yếu gây nên sự cố ngắn mạch
hai pha hoặc ba pha rất nguy hiểm.
Các mạng điện có cấp điện áp từ 110kV trở lên đều có trung tính nối đất trực
tiếp vì các lý do sau đây:
- 29 -
- Dòng điện dung của nó lớn do điện áp cao và chiều dài đường dây lớn và
hiện tượng hồ quang cháy sẽ gây nguy hiểm đến các pha bên cạnh. Mặt khác, dòng
chạm đất có thành phần tác dụng không được cuộn dập hồ quang triệt tiêu, do vậy
hồ quang khó dập tắt và cuộn dập hồ quang sẽ không còn tác dụng.
- Chi phí về cách điện giảm nhiều do cách điện chỉ phải chịu mức điện áp
pha trong chế độ vận hành bình thường cũng như chế độ sự cố. Đối với mạng điện
từ 110kV trở lên, cách điện của đường dây và thiết bị thiết kế ở mức điện áp dây là
không kinh tế.
Tuy vậy, mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp cũng có những nhược
điểm sau:
- Khi xảy ra chạm đất một pha là ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch một pha
là rất lớn, rơ le bảo vệ đường dây sẽ tác động cắt đường dây sự cố, làm gián đoạn
cấp điện cho phụ tải. Để nâng cao hiệu quả làm việc của mạng điện, nên dùng các
bảo vệ theo từng pha hoặc phải trang bị tự động đóng lại cho đường dây vì trong
thực tế vận hành phần lớn các sự cố là ngắn mạch một pha và có tính chất thoáng
qua.
- Dòng điện ngắn mạch một pha lớn nên thiết bị nối đất phức tạp và đắt tiền.
- Dòng ngắn mạch một pha có những trường hợp còn lớn hơn cả dòng ngắn
mạch ba pha. Để hạn chế nó phải tăng điện kháng thứ tự không bằng cách không
nối đất trung điểm một vài máy biến áp của hệ thống hay nối đất trung tính qua điện
trở hoặc điện kháng.
KẾT LUẬN
Chương này đã khái quát các dạng QĐA tồn tại trong lưới điện trung áp và
đánh giá các xác suất xảy ra của nó. QĐA của lưới điện trung áp có nguồn gốc từ
các QĐA khí quyển và QĐA thao tác. Nghiên cứu QĐA khí quyển trước hết cần
xác định xác suất xuất hiện các cú sét có biên độ lớn và đầu sóng dốc cũng như
cường độ hoạt động của sét trong khu vực. Với QĐA thao tác, phát sinh do các thao
tác đóng cắt và sự cố trong lưới điện, bao gồm QĐA quá độ (Transient
- 30 -
Overvoltage) và QĐA tạm thời (TOV). TOV là dạng QĐA thao tác chủ yếu quan
tâm xem xét ở lưới điện trung áp, trong đó tập trung nghiên cứu QĐA phát sinh trên
các pha lành khi có sự cố chạm đất một pha do có xác suất xảy ra là lớn nhất.
TOV đặc trưng bởi biên độ QĐA và thời gian tồn tại của TOV. Hai thông
số này của TOV khi xảy ra ngắn mạch chạm đất một pha ở lưới trung áp phụ
thuộc chủ yếu vào tỉ số X0/X1 của lưới điện, tức phụ thuộc vào chế độ nối đất
trung tính cũng như vấn đề vận hành tương ứng của lưới điện với các chế độ nối
đất trung tính khác nhau.
- 31 -
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ QUÁ ĐIỆN ÁP DO CHẠM
ĐẤT MỘT PHA TRONG LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
Ở chương 1 ta đã thấy biên độ quá điện áp do ngắn mạch chạm đất một pha
phụ thuộc chủ yếu vào tỉ số X0/X1. Tỉ số X0/X1 của phần lưới điện nhìn từ phía điểm
sự cố phụ thuộc vào sơ đồ thay thế thứ tự thuận, nghịch cũng như thứ tự không của
lưới điện. Đối với sơ đồ thay thế thứ tự không, kéo dài từ điểm sự cố đi về hai phía
đường dây và kết thúc ở phần tử MBA có cuộn dây đấu tam giác hoặc đấu sao có
trung tính cách điện. Sơ đồ thay thế thứ tự không của MBA hoàn toàn rõ ràng, vấn
đề còn lại là xác định tổng trở thứ tự không của đường dây tải điện.
2.1. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ THỨ TỰ
KHÔNG CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
2.1.1. Khái niệm cơ bản về tổng trở trong hệ tọa độ pha ABC
Xét lưới điện ba pha trung điểm nối đất không có dây chống sét hoặc các vật
dẫn khác đi kèm, dòng điện khép mạch qua đất trở về nguồn. Từ hình vẽ 2.1, mạch
điện xem xét có 3 mạch vòng dòng điện pha A, B và C, mỗi mạch đều khép vòng
qua đất, đặc trưng bởi điện trở đất RG do đó dòng điện đất IG là tổng của ba dòng
điện pha IA, IB, IC: G A B CI I I I
Hình 2.1: Phân bố từ thông trên mạch vòng dòng điện pha A
- 32 -
Mạch vòng dòng điện pha A được biểu diễn bằng đường nét đứt trên hình vẽ.
Mỗi mạch vòng có tổng trở Z, mạch dẫn dòng, và khi có xem xét đến lõi thép mạch
từ thì có một giá trị độ từ thẩm riêng µ của từng loại vật liệu, trong trường hợp tổng
quát là khác nhau đối với từng pha riêng rẽ. Từ hình vẽ 2.1 ta có 3 mạch vòng dòng
điện và có 4 dòng điện nhánh tương ứng IA, IB, IC và IG trong đó dòng điện IG phụ
thuộc dòng điện 3 pha theo quan hệ:
G A B CI I I I (2.1)
Do đó chỉ có thể viết được 3 phương trình quan hệ dòng áp theo định luật
Ohm và sử dụng quan hệ dòng vừa thiết lập ở trên để khử biến dòng điện đất IG
tham gia trong hệ phương trình dòng áp mô tả lưới điện.
Xét mạch vòng dòng điện của pha A trên hình vẽ 2.1. Từ thông tổng trên pha
A là tổng của từ thông sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau:
A AA AB AC AG (2.2)
Trong đó A - từ thông tổng phân bố trên pha A
AA - từ thông “riêng” pha A do dòng điện chạy trong pha A IA gây
ra cho bản thân pha A.
AB - từ thông trên pha A do dòng điện trong pha B IB gây nên. Từ
thông này sinh ra do hỗ cảm giữa IB và pha A.
AC - từ thông trong mạch vòng dòng điện pha A do dòng điện
trong pha B IC gây nên. Từ thông này sinh ra do hỗ cảm giữa IC và pha A.
AG - từ thông trong mạch vòng dòng điện pha A do dòng điện
trong đất IG gây nên. Từ thông này sinh ra do hỗ cảm giữa IG và pha A.
Từ thông phân bố trong mạch vòng pha A còn có thể biểu diễn cụ thể hơn
thông qua giá trị điện cảm L và thực hiện khử dòng điện chạy trong đất từ phương
trình quan hệ dòng đất và dòng pha Ig= Ia + Ib + Ic
- 33 -
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ( ) ( ) ( ))
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
A AA A AB B AC C AG G
AA A AB B AC C AG A B C
AA AG A AB AG B AC AG C
L i t L i t L i t L i t
L i t L i t L i t L i t i t i t
L L i t L L i t L L i t
(2.3)
Trong đó LAA-độ tự cảm riêng pha A [H/km]
LAB-hỗ cảm giữa pha A và pha B [H/km]
LAC-hỗ cảm giữa pha A và pha C [H/km]
LAG-hỗ cảm giữa pha A và đất [H/km]
Phân bố từ thông này cùng với điện trở các phần tử trong mạch điện là hai
thành phần gây nên sụt áp và được gọi là tổng trở của hệ thống. Đối với đường dây
tải điện, tổng trở của nó bao gồm hai thành phần: tổng trở riêng và tổng trở tương
hỗ (giữa các pha với nhau). Phương trình mô tả quan hệ dòng áp pha A được biểu
diễn như sau (định luật Ohm):
, , AA AB AC( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )AG S AG R A G A AG A AG B AG C
d d du t u t R R i t L L i t L L i t L L i t
dt dt dt
(2.4)
Với RA- điện trở của dây dẫn pha A [Ω]
RG- điện trở của đường dẫn trong đất của dòng điện pha A [Ω]
Khi nghiên cứu trong chế độ xác lập (tần số cơ bản 50 hoặc 60Hz), để thuận
tiện cho việc tính toán, phương trình (2.4) được biểu diễn trong miền phức:
, , AA AA AA( ) ( ) ( ) ( )AG S AG R A G A AG A AG B AG CU U R R I j X X I j X X I j X X I
(2.5)
Trong đó X##- điện kháng tương đương của phần tử đang xét [Ω/km],
X=jωL##
Như đã trình bày ở trên, mỗi một mạch dòng điện vòng khép mạch qua một
đường dẫn qua đất không hoàn toàn giống nhau, phụ thuộc vào việc bố trí dây dẫn
của từng pha, một cách gần đúng ta đã giả thiết cả 3 dòng điện pha cùng đi qua một
đường dẫn chung là đất có điện trở RG. Trường hợp tổng quát, xem như mạch vòng
đất của 3 pha là khác nhau và xem xét cả tới điện kháng của đất ta có thể viết
phương trình điện áp viết cho cả 3 pha như sau (để thuận tiện, từ đây về sau sẽ bỏ
- 34 -
qua không viết kí hiệu “•” trên đầu đại lượng điện áp và dòng điện để biểu diễn số
phức):
, , AA AG
, ,
, ,
(2.6)
* * * *0 0
AG S AG R AA AB AC AG
BG S BG R BBA B BB BC BG BG
CCA CB C CC CG CGCG S CG R
G
U U IR jX jX jX R jX
U U IjX R jX jX R jX
IjX jX R jX R jXU U
I
Trong đó RA,RB,RC - lần lượt là điện trở của dây dẫn pha A, B, C [Ω/km]
RAG,RBG,RCG-lần lượt là điện trở đường dẫn trong đất của dòng điện
pha A, B, C [Ω/km]
XAA,XBB,XCC-điện kháng riêng của pha A, B, C [Ω/km]
XAB,XAC,XBC,XBA,XCA,XCB -điện kháng tương hỗ giữa các pha A, B,
C [Ω/km]
XAG,XBG,XCG - điện kháng tương hỗ lần lượt giữa pha A,B,C với đất
G [Ω/km]
Do dòng điện đất IG phụ thuộc vào dòng điện 3 pha IA, IB, IC nên các phần tử
ứng với phương trình dòng điện IG là không xác định và được biểu diễn bằng dấu *.
Từ đó ta thực hiện rút gọn hệ phương trình (2.6) bằng cách khử dòng IG để được hệ
3 phương trình 3 ẩn độc lập tuyến tính (phép khử Kron):
, ,
, ,
, ,
(2.7)
AG S AG R A
BG S BG R ABC B
CCG S CG R
U U I
U U Z I
IU U
Trong đó
AA AB AC
BA BB BC
CA CB CC
(2.8)ABC
Z Z Z
Z Z Z Z
Z Z Z
Với ZAA, ZBB,ZCC - tổng trở riêng của phần tử đang xét
ZAB, ZAC, ZBA, ZBC, ZCA, ZCB - tổng trở tương hỗ giữa các pha
AA AAA AG AGZ R R jX jX ; AB ABAG AGZ R jX jX ; AC ACAG AGZ R jX jX
BB B BG BB BGZ R R jX jX ; BA BABG BGZ R jX jX ; BC BCBG BGZ R jX jX
- 35 -
CC C CG CC CGZ R R jX jX ; CA CG CA CGZ R jX jX ; CB CG CB CGZ R jX jX
Viết dạng gọn hơn ta thu được hệ phương trình ma trận tuyến tính sau:
, , (2.9)ABC S ABC R ABC ABCU U Z I
Phƣơng trình (2.9) đƣợc sử dụng với các giả thiết:
+ Các điện áp được tính so với điện áp của đất ở xa vô cùng làm mốc điện
thế. Giá trị điện áp so sánh với đất được hiểu ngầm và do đó từ đây trở về sau ta sẽ
bỏ qua không viết chỉ số “G” đối với giá trị điện áp nút
+ Giả thiết dòng điện chạy trong mạch là hệ thống dòng điện thứ tự thuận
Hình 2.2 biểu diễn sơ đồ thay thế tương đương của ma trận tổng dẫn được
mô tả trong (2.8).
RA+jXAA
RB+jXBB
RC+jXCC
XAB
XBC
RG
XAC
UAG,S
UBG,S
UCG,S
UGG,S
UAG,R
UBG,R
UCG,R
UGG,R
Mặt đẳng thế đất xa vô cùng
XCGXBGXAG
Hình 2.2. Sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng của ma trận tổng trở
2.1.2. Ma trận tổng trở ABC trong trƣờng hợp có vật dẫn nối đất
độc lập đi kèm
Các phương trình dẫn xuất ở trên được xem xét trong trường hợp không có
dây chống sét hoặc các vật dẫn nối đất khác đi kèm. Tuy nhiên, trong nhiều trường
hợp trong thực tế, đường dây tải điện được trang bị một hay nhiều hơn các dây
chống sét che chắn phía trên đi kèm dọc theo chiều dài đường dây, các dây dẫn này
cung cấp thêm đường dẫn cho dòng điện pha khép mạch về nguồn. Ở đây ta sẽ sử
dụng chỉ số “N” để phân biệt các dây dẫn nối đất này với đường trở về trong đất
- 36 -
của dòng điện pha. Sự xuất hiện của các vật nối đất này làm tăng giá trị của ma trận
tổng trở tương đương.
Để xem xét hiệu ứng của dây dẫn nối đất đối với ma trận tổng trở tương
đương, giả sử đường dây có dây chống sét và dòng điện pha khép mạch qua 2 con
đường: qua dây dẫn nối đất đi kèm theo đường dây và đi vào đất như đã xét ở mục
2.1.1. Tương tự, ta cũng viết được hệ phương trình quan hệ dòng áp cho 4 dây dẫn
(3 dây pha + 1 dây chống sét) và đất:
, , AA AG
, ,
, ,
0 0
* * * *0 0
A S A R AA AB AC AG
B S B R BBA B BB BC BG BG
C S C R CA CB C CC CG CG C
NA NB NC NG NG N
A B C N
U U IR jX jX jX R jX
U U IjX R jX jX R jX
U U jX jX R jX R jX I
jX jX jX R jX I
I I I I
(2.10)
Hệ phương trình trên tiếp tục được rút gọn loại bỏ dòng điện đất IG=IA + IB +
IC + IN thu được hệ phương trình độc lập tuyến tính 4 phương trình 4 ẩn bao gồm 3
phương trình cho dòng điện pha và 1 phương trình viết cho dòng điện đi trong phần
dây dẫn chống sét nối đất:
, , AA AB
, ,
, ,
AC AN
0 0
A S A S A AG AG AG AG
B S B S BG BG BA B BG BG BB
CG CG CA CG CG CBC S C S
NG NG NA NG NG NB
AG AG AG AG
B
U U R R jX jX R jX jX
U U R jX jX R R jX jX
R jX jX R jX jXU U
R jX jX R jX jX
R jX jX R jX jX
R
G BG BC BG BG BN
C CG CG CC CG CG CN
NG NG NC N NG NG NN
A
B
C
N
jX jX R jX jX
R R jX jX R jX jX
R jX jX R R jX jX
I
I
I
I
(2.11)
Hay
, , AA AB AC AN
, , BA BB BC BN
CA CB CC CN, ,
NA NB NC NN
(2.12)
0 0
A S A S A
B S B S B
CC S C S
N
U U Z Z Z Z I
U U Z Z Z Z I
Z Z Z Z IU U
Z Z Z Z I
- 37 -
Phương trình thứ 4 trong hệ phương trình (2.12) có thể được sử dụng để tính
toán trực tiếp dòng điện IN chạy trong vật dẫn nối đất (dây chống sét trong trường
hợp đang xét) hoặc có thể mở rộng tính toán dòng điện trong trường hợp có nhiều
dây chống sét hoặc có thể tính phân bố dòng trong từng dây phân pha của 1 dây
chống sét.
Tuy vậy hệ phương trình trên chưa có dạng chuẩn sử dụng để tính toán phân
tích mạch điện 3 pha thông thường, cũng như để xây dựng biểu thức tính toán tổng
trở các thành phần thứ tự thuận, nghịch, không. Vì thế ta tiếp tục thực hiện phép
khử Kron khử phương trình ứng với dòng điện trong vật dẫn nối đất IN. Ma trận
tổng trở tương đương thu được lúc này là một ma trận vuông kích thước 3x3.
, , AA
, ,
, ,
' ' '
' ' ' (2.13)
' ' '
A S A S AB AC
B S B S BA BB BC
CA CB CCC S C S
A
B
C
U U Z Z Z
U U Z Z Z
Z Z ZU U
I
I
I
Trong đó AA AA' AN NA
NN
Z ZZ Z
Z
; BB BB' BN NB
NN
Z ZZ Z
Z
; CC CC' CN NC
NN
Z ZZ Z
Z
AB AB' AN NB
NN
Z ZZ Z
Z ; AC AC' AN NC
NN
Z ZZ Z
Z ; BA BA' BN NA
NN
Z ZZ Z
Z
BC BC' BN NC
NN
Z ZZ Z
Z
; CA CA' CN NA
NN
Z ZZ Z
Z
; CB CB' CN NB
NN
Z ZZ Z
Z
Trường hợp có nhiều hơn một dây chống sét, ta cũng lần lượt thực hiện khử
hệ phương trình dòng áp tương tự như trên để cuối cùng thu được hệ phương trình
dòng áp có dạng tương tự như hệ phương trình (2.13).
2.1.3. Tính toán các phần tử của ma trận tổng trở ABC + N
Để tính toán các thành phần của ma trận tổng trở ABC + N, ta xem xét trong
hai trường hợp: tổng trở của đường dây do dòng điện chỉ chạy trong phần kim loại
của dây dẫn pha và dây dẫn nối đất và tổng trở đất ứng với trường hợp dòng điện từ
phần kim loại của dây dẫn pha hoặc vật dẫn nối đất đi vào đất trở về nguồn.
- 38 -
Tổng trở của dây dẫn khi không xét tới dòng trở về qua đất
Điện trở
Điện trở tác dụng với dòng điện một chiều của 1km dây dẫn ở nhiệt độ tiêu
chuẩn 20°C được xác định theo biểu thức:
0
1000[ / ]R km
F F
(2.14)
Trong đó ρ - điện trở suất [Ω.m]
γ- điện dẫn suất =1/ρ
F-tiết diện dây dẫn [mm2]
Điện trở thay đổi theo nhiệt độ, khi nhiệt độ môi trường khác 20°C thì điện
trở có giá trị:
0 1 ( 20) [ / ]tR R t km
(2.15)
Trong đó α-hệ số nhiệt của điện trở
R0-điện trở ở nhiệt độ tiêu chuẩn.[Ω]
t-nhiệt độ môi trường [°C]
Sự thay đổi điện trở được tính tới khi ngắn mạch trong lưới hạ áp.
Sự phân bố của dòng điện xoay chiều trong dây dẫn không đều nhau do có
hiệu ứng bề mặt, mật độ dòng điện bị đẩy ra phía ngoài dây dẫn. Do đó điện trở đối
với dòng điện xoay chiều lớn hơn so với dòng điện một chiều. Tuy nhiên ở tần số
f=50Hz và với dây dẫn kim loài màu tiết diện không lớn, sự khác biệt nhau đó
không đáng kể (cỡ 1%). Do đó có thể lấy điện trở một chiều để tính toán lưới điện.
Nhưng khi tiết diện dây rất lớn (cỡ 570mm2) thì phải tính đến hiệu ứng bề mặt.
Điện kháng
Ở đây ta sẽ không đi sâu trình bày chi tiết việc tính toán điện kháng cho
đường dây trên không mà chỉ đưa ra những kết quả chính. Các công thức tính toán
trên được thực hiện dựa trên 2 giả thiết cơ bản: khoảng cách giữa các dây dẫn là
không đáng kể so với chiều cao treo dây và khoảng cách này cũng là vô cùng lớn
khi so với bán kính tiết diện dây. Bởi vì trong trường hợp các vật dẫn được đặt
tương đối gần đối với đất hoặc tương đối gần với nhau, từ trường do dòng điện chạy
- 39 -
trong các phần kim loại dẫn điện hoặc trong đất có thể làm thay đổi đáng kể phân
bố từ thông giữa hai vật dẫn đang xét và làm thay đổi đáng kể trị số điện kháng thực
so với giá trị tính toán được từ các công thức sẽ trình bày dưới đây.
Điện kháng của đƣờng dây một pha 2 dây dẫn
Xem xét đường dây một pha hai dây dẫn đơn, đặc như hình vẽ dưới đây.
Dòng điện chạy trong mỗi dây dẫn lần lượt là I1 và I2 thỏa mãn quan hệ : I1 + I2 = 0
Hình 2.3. Đƣờng dây một pha hai dây dẫn đơn
Gọi D là khoảng cách giữa 2 dây dẫn 1 và 2 (tính từ tâm của mỗi dây dẫn
đơn hoặc tâm dây dẫn tương đương trong trường hợp sử dụng dây dẫn phân pha);
re1, re2 là bán kính hiệu dụng của dây dẫn 1 và 2 (dây dẫn đơn lõi). Điện kháng của
hai dây dẫn 1 và 2 như sau:
24
12
1 2
2.10 ln [ / ].e e
DX km
r r
Nếu re1=re2=re ta được công thức 4
12 4.10 ln [ / ]e
DX km
r
Trong đó re=0,7788.r với r là bán kính thực của dây dẫn
Trong trường hợp sử dụng dây dẫn phân pha :
4
12 4.10 ln [ / ]D
X kmGMR
Trong đó GMR- bán kính trung bình hình học của dây dẫn phân pha, được
xác định cho trường hợp 2,3 và 4 dây dẫn lần lượt như sau
242 1 2 12
2 2 293 1 2 3 12 13 23
2 2 2 2 2 2164 1 2 3 4 12 13 14 23 24 34
.
.
.
e e
e e e
e e e e
GMR r r D
GMR r r r D D D
GMR r r r r D D D D D D
Với Dij là khoảng cách giữa dây dẫn thứ i và thứ j của một dây phân pha
r1
D
r2
I I1 2
- 40 -
Trường hợp cần tính điện kháng tương hỗ giữa hai dây dẫn ta có thể tính
toán như sau: Cho hệ thống ba dây dẫn 1, 2 và 3, các khoảng cách giữa các dây dẫn
1-2 và 1-3 lần lượt là D12, D13, khi đó điện kháng tương hỗ giữa hai dây 2 và 3 đặc
trưng bởi sụt áp trên dây 2 và 3 do cảm ứng bởi dòng điện chạy trong dây 1 được
cho bởi công thức (từ thông giới hạn bởi hai vòng tròn tâm là dây dẫn thứ 1 và bán
kính lần lượt là khoảng cách tới dây thứ 2 và dây thứ 3 – định luật Ampere)
ƣơ
[Ω/km] (2.16)
Trong đó
-điện kháng riêng đặc trưng cho sụt áp trên đoạn 1-2 do dòng
điện trong dây 1 gây nên
- điện kháng riêng đặc trưng cho sụt áp trên đoạn 1-2 do
dòng điện trong dây 1 gây nên
Điện kháng của đƣờng dây dẫn điện 3 pha hoán vị hoàn toàn
Công thức tính điện kháng thứ tự thuận và nghịch của đường dây dẫn điện 3
pha như sau
4
1 2 2.10 ln [ / ]GMD
X X kmGMR
(2.17)
Với GMD- khoảng cách trung bình hình học 3AB BC CAGMD D D D
Tổng trở của mạch dẫn dòng điện trong đất
Vấn đề xác định chính xác đường phân bố trong đất của dòng điện là vấn đề
cực kì phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, người ta phán đoán rằng dòng điện khi
đi vào đất sẽ tản ra trong một phạm vi rộng. Việc phân bố dòng điện một chiều và
xoay chiều trong đất diễn ra theo hai hướng khác hẳn nhau.
Đối với dòng điện một chiều, có xu hướng tản ra xuyên sâu vào lòng đất.
Mức độ xuyên sâu của dòng điện tỉ lệ nghịch với điện trở theo đường đi của nó để
- 41 -
trở về nguồn. Dòng điện càng đi sâu vào trong đất, đường đi của nó để trở về nguồn
càng dài, tương ứng với điện trở đường đi càng lớn và cường độ dòng điện theo
đường đó càng nhỏ, như được thể hiện bằng nét vẽ dòng điện càng mờ đi ở trên
hình 2.4.
Hình 2.4. Phân bố dòng điện một chiều trong đất
Ngược lại, khi đi vào đất, dòng điện xoay chiều chịu một hiệu ứng tương tự
như hiệu ứng bề mặt của dây dẫn ngăn cản nó đi sâu vào lòng đất. Khi đi trong đất,
dòng xoay chiều cảm ứng ra các dòng điện xoáy Fu-cô trong lòng đất có từ thông
theo chiều chống lại từ thông của dòng điện đã sinh ra nó. Do đó, dòng điện xoay
chiều có xu hướng phân bố trong phần bề mặt đất phía bên dưới dây dẫn điện phía
trên.
Hình 2.5. Phân bố cƣờng độ điện trƣờng của dòng điện xoay chiều khi đi
vào đất
- 42 -
Hình 2.6. Phân bố dòng điện xoay chiều trong đất
Các công thức tính toán điện trở đất hiện tại đều sử dụng kết quả nghiên cứu
tổng trở của đường dây dẫn điện pha-đất của Carson
''
0,52 2 '
â
0
ln2 2
h
d y
r
j pZ r j e d
p
(2.18)
Để tính toán giá trị của Z ở trên, người ta thực hiện phân tích nó thành chuỗi
số và tính toán. Ở chế độ xác lập (tần số công nghiệp), ta chỉ cần tính tới thành thần
đầu tiên trong chuỗi số hạng là có thể đạt độ chính xác cần thiết. Tổng trở pha đất
khi đó
7 7
## â
1650
1,571.10 2.10 ln [ / ]pha
d yZ r j mGMR
ñaát
(2.19)
Trong đó ## = AA,BB,CC,và NN
rdây- điện trở của dây dẫn tham gia mạch vòng pha-đất [Ω/m]
ρ- điện trở suất của đất [Ω.m]
GMR- bán kính trung bình hình học [m]
Tính toán các phần tử của ma trận tổng trở ABC-N
Các phần tử trên đƣờng chéo
AA AA
BB
CC CC
NN NN
pha
pha
BB
pha
pha
Z Z
Z Z
Z Z
Z Z
ñaát
ñaát
ñaát
ñaát
Mặt khác ta đã biết
- 43 -
AA AAA AG AGZ R R jX jX (2.20)
Từ công thức (2.18) ta thấy rằng thành phần điện trở của tổng trở mạch vòng
pha-đất bao gồm điện trở dây dẫn RA cộng thêm một lượng điện trở mà ta có thể
suy ra đó chính là điện trở đất RAG. Đối với điện kháng, gần đúng ta coi rằng
Từ các suy luận trên ta tính được giá trị các phần tử đường chéo của ma trận
tổng trở như sau:
AG AA
BG
CG
NG
A
BB B
CC C
NN N
R R R
R R R
R R R
R R R
pha-ñaát
pha-ñaát
pha-ñaát
pha-ñaát
(2.21)
1
2
1
2
1
2
1
2
AA AG AA
BB BG BB
CC CG CC
NN NG NN
X X X
X X X
X X X
X X X
pha-ñaát
pha-ñaát
pha-ñaát
pha-ñaát
(2.22)
Các phần tử nằm ngoài đƣờng chéo chính
Ta xem xét tính toán cho một phần tử làm ví dụ, giả sử tính toán ZAB. Ta
biết
RAG và XAG được tính toán theo các công thức đã chỉ ra trên (2.22) và
(2.23).
Để tính toán XAB ta có thể tính toán sử dụng công thức (2.17)
- 44 -
Từ đó ta có
Tương tự như vậy đối với các phần tử ngoài đường chéo khác
;
;
;
;
;
2.1.4.Tính toán ma trận tổng trở thứ tự thuận nghịch không từ ma
trận tổng trở ZABC
Ở các phần phía trên ta đã đi xây dựng ma trận tổng trở của đường dây trong
trường hợp có và không có dây chống sét đi kèm. Điểm chung của hai trường hợp
trên là ma trận tổng trở đều có thể rút gọn để đưa về một ma trận tổng trở vuông
kích thước 3x3 tương ứng với 3 pha A, B, C. Hệ phương trình liên hệ dòng áp đều
có dạng giống nhau như được biểu diễn ở (2.13) :
, ,
, ,
, ,
' (2.13)
AG S AG R A
BG S BG R ABC B
CCG S CG R
U U I
U U Z I
IU U
Trong đó
AA AB AC
BA BB BC
CA CB CC
' ' '
' ' ' '
' ' '
ABC
Z Z Z
Z Z Z Z
Z Z Z
- 45 -
Để chuyển ma trận Z’ABC sang ma trận tổng trở trong không gian các thành
phần thứ tự Z012, ta sử dụng các ma trận chuyển đổi không gian ABC- 012 và ngược
lại, lần lượt như sau:
1 2
2
1 1 11
13
1
A a a
a a
2
2
1 1 1
1
1
A a a
a a
, ,
1 1 1 1
, ,
, ,
0 0 0
1 1 012 1
2 2 2
' .
AG S AG R A
BG S BG R ABC B
CCG S CG R
S R
U U I
A U A U A Z A A I
IU U
U U I
U U Z I
U U I
(2.23)
Trong đó 00 01 02
012 10 11 12
20 21 22
Z Z Z
Z Z Z Z
Z Z Z
- 46 -
Như vậy, tổng trở thứ tự thuận, nghịch, không của một đường dây truyền tải
chính là thành phần Z11,Z22,Z00 của ma trận Z012 đã tính toán được ở trên.
Trong trường hợp đường dây truyền tải 3 pha được hoán vị hoàn toàn, ta có
các quan hệ sau
; ;
Khi đó ma trận Z’ABC có dạng đơn giản:
S M M
M S M
M M S
'ABC
Z Z Z
Z Z Z Z
Z Z Z
Khi đó, sau khi chuyển sang không gian thành phần thứ tự, Z012 có
dạng:
S M M S M
1
012 M S M S M
M M S S M
2 0 0
0 0
0 0
Z Z Z Z Z
Z A Z Z Z A Z Z
Z Z Z Z Z
( 2.24)
Từ đó phương trình dòng áp trở thành:
0 0 00
1 1 1 1
22 2 2
0 0
0 0
0 0S R
U U IZ
U U Z I
ZU U I
(2.25)
Trong đó
- 47 -
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP DO SỰ
CỐ CHẠM ĐẤT MỘT PHA TRONG LƯỚI TRUNG ÁP
2.2.1. Phƣơng pháp các thành phần đối xứng
Phƣơng pháp thành phần đối xứng dựa trên cơ sở toán học phân tích một hệ
thống vector 3 pha bất kì thành các hệ thống thành phần hoàn toàn đối xứng: thành
phần thứ tự thuận, thành phần thứ tự nghịch và thành phần thứ tự không. Mỗi hệ
thống thành phần đối xứng này là một hệ thống vector đối xứng, tức bằng nhau về
biên độ và độ lệch pha giữa các vector là bằng nhau (lệch pha nhau 120° đối với
thành phần thuận và nghịch, đồng pha với thứ tự không). Từ đó sẽ có ba sơ đồ thay
thế tương ứng cho hệ thống điện: sơ đồ thứ tự thuận, sơ đồ thứ tự nghịch và sơ đồ
thứ tự không. Chính việc phân tách thành hệ thống các vector thành phần đối xứng
này nên có thể tách riêng 1 pha (pha A) để thực hiện tính toán, sau đó xếp chồng
các thành phần dòng áp các nhánh để được phân bố dòng áp thực trên lưới điện.
Ƣu điểm của phương pháp thành phần đối xứng là có thể thực hiện tính toán
chế độ không đối xứng của lưới điện giống như tính toán với lưới điện đối xứng
hoàn toàn mà không phải thực hiện tính toán trên sơ đồ ba pha. Tuy nhiên nhược
điểm của nó là chỉ tính toán với các sự cố xảy ra ở tần số công nghiệp, tại thời điểm
ban đầu xảy ra sự cố mà không theo dõi được diễn biến của giá trị dòng áp theo thời
gian. Bên cạnh đó phương pháp này chỉ tính toán được lưới điện trong trường hợp
chỉ có một điểm không đối xứng duy nhất. Vì thế phương pháp này chỉ tính toán
được giá trị xác lập của dòng chạm đất (hoặc ngắn mạch) một pha trong lưới phân
phối.
Để minh họa việc tính toán hệ số quá điện áp bằng phương pháp thành phần
đối xứng ta xét một sơ đồ lưới điện 22kV có trung tính nối đất trực tiếp như sau:
- 48 -
110 kV
22 kV
L (km)
Hình 2.7. Sơ đồ lƣới điện 110/22 kV
X1-HT XC XH X1d
XT
E X0-HT XC XH X0d
XT
Hình 2.8. Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (TTT) và thứ tự không (TTK)
Với hệ thống công suất lớn, điện kháng tổng được xác định chủ yếu bởi điện
kháng MBA nên có thể bỏ qua thành phần điện trở tác dụng và xem điện kháng thứ
tự thuận (TTT) bằng điện kháng thứ tự nghịch (TTN), nên có thể viết:
(2.26)
(2.27)
(2.28)
Với X1-HT, X0-HT - điện kháng quy đổi TTT, TTK của hệ thống
XC,XT,XH- điện kháng của cuộn dây cao, trung và hạ của MBA
X1d, X0d - điện kháng TTT và TTK của đường dây 22kV
Giả sử xảy ra chạm đất trực tiếp ở pha A, dòng điện trên các pha lần lượt là:
(2.29)
Dòng điện chạy qua điểm trung tính chính là dòng ngắn mạch của pha A:
(2.30)
- 49 -
Điện áp các pha so với đất (a là toán tử quay a = -0,5 + j0,866):
(2.31)
Từ đó ta có
(2.32)
Trong đó
là hệ số quá điện áp trên pha lành khi có ngắn mạch chạm đất
một pha (NMMP), sau một số phép biến đổi ta thu được:
(2.33)
Đặt
thay vào (2.33) ta được hàm số của
theo k:
(2.34)
Phạm vi biến đổi của
trong khoảng từ 1 (k=1) đến (k →∞ : trung
tính cách điện).
Trong trường hợp tổng quát, có xem xét tới điện trở thứ tự thuận và thứ tự
không, sự biến thiên hệ số quá điện áp trên pha lành được biểu diễn như hình vẽ
dưới đây:
a) b)
- 50 -
Hình 2.9. a)Biến thiên hệ số quá điện áp k theo tỉ số X0/X1 với trƣờng hợp
R1/X1=R = 0
b) Quan hệ giữa tỉ số R0/X1 và X0/X1 khi giữ hệ số quá điện áp cố
định khi R1=X1
Các trường hợp khác có thể tham khảo thêm từ tiêu chuẩn [20].
2.2.2. Phƣơng pháp số giải hệ phƣơng trình vi phân mô tả hệ thống
điện
Ý tưởng của phương pháp là giải trực tiếp hệ phương trình vi phân mô tả hệ
thống điện để tìm các thành phần dòng điện, điện áp biến thiên theo thời gian.
Phương pháp này sẽ phân tích được diễn biến đầy đủ quá trình quá độ điện từ
trong hệ thống điện kể từ sau thời điểm ngắn mạch chạm đất, nghĩa là tính toán giá
trị tức thời của dòng điện và điện áp ngắn mạch. Trong quá trình quá độ còn có thể
có những tác động tiếp theo như cắt các phần tử sự cố, tự động đóng trở lại đường
dây,…Mục đích của các tính toán này là khảo sát các hiện tượng quá điện áp, cộng
hưởng điện từ, đánh giá khả năng dập hồ quang máy cắt,…
Thực chất của phương pháp tính trong trường hợp này là giải hệ phương
trình vi phân mô tả trạng thái quá độ của mạng điện 3 pha phức tạp. Trị số tức thời
của dòng điện và điện áp cần khảo sát được tính ra ở những điểm rời rạc của thời
gian (bởi chủ yếu là theo phương pháp tích phân số).
Đây là phương pháp lý tưởng để nghiên cứu quá điện áp nói chung và quá
điện áp do ngắn mạch chạm đất một pha trong lưới điện trung áp nói riêng, đặc biệt
là trong trường hợp có tác động điều chỉnh chế độ trung tính của lưới điện [23]. Tuy
nhiên nhược điểm chính của phương pháp này là khối lượng tính toán lớn và cần
thiết phải có mô hình mô phỏng tương đối chính xác để đảm bảo kết quả mô phỏng.
Phương pháp này được sử dụng bởi chương trình tính toán ATP/EMTP.
ATP/EMTP mô tả các phần tử lưới điện bằng phương trình vi phân và lập thành hệ
phương trình vi phân mô tả lưới điện trong đó có các biến trạng thái là dòng và áp
nút theo biến thời gian t, sau đó sử dụng quy tắc xấp xỉ hình thang để tính toán giá
- 51 -
trị các biến u, i theo từng bước nhảy thời gian. Quá trình tính toán như vậy có thể
dẫn tới việc tích lũy các sai số tính toán ở từng bước lặp và có thể dẫn tới phân kỳ
quá trình tính toán và làm sai lệch kết quả mô phỏng. Tuy nhiên, các phương pháp
mà ATP/EMTP sử dụng đều ổn định về mặt số học và hạn chế được sai số tích lũy.
EMTP có thể giải bất kỳ một sơ đồ mạch điện nào gồm các phần tử điện trở,
điện cảm, điện dung, các đường dây thông số tập trung, thông số rải, các phần tử phi
tuyến và nhiều phần tử khác. Để minh họa cho phương pháp tính toán sử dụng trong
ATP/EMTP, ở đây ta sẽ xét sơ đồ một sợi đơn giản như sau:
Hình 2.10. Sơ đồ lƣới điện tại nút 1
Thông số trạng thái của lưới điện bao gồm các điện áp nút và dòng điện
nhánh. Giả thiết rằng các thông số này đã được tính toán tại các thời điểm 0, ∆t,
2∆t,…đến (t-∆t), bây giờ cần tính toán ở thời điểm t. Tại bất kỳ thời điểm t nào,
phương trình cân bằng dòng tại nút 1 có thể viết:
(2.35)
Sử dụng định luật Ohm, ta viết phương trình liên hệ dòng áp cho từng
nhánh.
Điện trở
(2.36)
- 52 -
Điện cảm
u
(2.37)
Với L- độ từ cảm của phần tử đang xét [H]
Sử dụng công thức xấp xỉ hình thang, ta thu được:
(2.38)
Áp dụng vào nhánh 1-3 ta có:
(2.39)
Trong đó hist13 tính toán được từ các số liệu có được trong các bước tính
toán trước:
(2.40)
Điện dung
Tiến hành tương tự như với điện cảm, ta có kết quả sau:
(2.41)
Với C-điện dung của tụ điện [µF]
Trong đó
(2.42)
Đƣờng dây tham số rải
Giả thiết đường dây tham số rải xem xét trong nhánh 1-5 là không tổn hao,
phương trình dòng áp được viết như sau:
(2.43)
Với L’, C’ lần lượt là điện cảm và điện dung trên một đơn vị chiều dài đường
dây [H/km], [µF/km]
Nghiệm của hệ phương trình trên có dạng:
- 53 -
(2.44)
Trong đó F(x-ct); f(x+ct)- hàm số của (x-ct) và (x+ct)
Z- tổng trở sóng của đường dây [Ω];
c- vận tốc truyền sóng trên đường dây [m/s]
Nhân phương trình dòng điện với tổng trở sóng Z của đường dây và cộng với
phương trình điện áp ta được quan hệ : u + Zi = 2Z.F(x-ct)
Đại lượng Z.F(x-ct) sẽ là hằng số nếu (x-ct) là hằng số. Giả sử có một quan
sát viên tưởng tượng di chuyển dọc theo đường dây với vận tốc không đổi c. Quãng
đường dịch chuyển được của quan sát viên đó sẽ là x = x0 + ct, hay x-ct = x0 =
const. Khi đó đại lượng u+Zi quan sát được của quan sát viên phải là hằng số, với
thời gian di chuyển (lan truyền) là
Với l- chiều dài đường dây [km]
Quan sát viên khi di chuyển từ điểm 5 tới điểm 1, tại điểm 5 sẽ quan sát được
trị số và khi tới điểm 1 (sau thời gian trễ τ) quan sát được
trị số (dấu âm vì i15 ngược chiều i51). Do trị số quan sát được bởi
quan sát viên phải như nhau, cân bằng hai trị số trên ta được:
(2.45)
Trong đó hist15 cũng được tính toán từ các bước lặp trước đó
(2.46)
Thay các phương trình từ (2.36) ÷ (2.45) vào phương trình dòng điện viết
cho nút 1 ta có:
(2.47)
Ta được một phương trình đại số tuyến tính với các ẩn là trị số điện áp nút
theo thời gian t, trong đó vế phải là hằng số, tính toán được từ các trị số của các
bước lặp trước đó.
- 54 -
Với hệ thống điện có n nút (không kể nút đất), bằng phương pháp tương tự,
có thể viết được hệ phương trình đại số tuyến tính n phương trình n ẩn:
(2.48)
Trong đó [G]-ma trận tổng dẫn nút, kích thước nxn, đối xứng qua đường chéo
[u(t)]-vec-tơ điện áp nút, kích thước nx1
[i(t)]-vec-tơ dòng điện bơm vào nút, kích thước nx1
[hist]-vec-tơ n thành phần tính toán được từ các bước lặp trước đây
Thông thường, trong lưới có thể có một số nút biết trước trị số điện áp do
được nối với các nguồn điện áp (nút PV, UV hoặc có trị số bằng 0 do sự cố ngắn
mạch chạm đất,…). Khi đó tập hợp biến trạng thái được phân thành hai tập: tập A
gồm các ẩn điện áp nút, tập B gồm điện áp nút đã biết. Hệ phương trình được viết
lại như sau:
(2.49)
Ta sẽ thực hiện giải hệ phương trình đại số tuyến tính trên để tìm vec tơ điện
áp uB(t).
Quá trình sẽ tiến hành tuần tự theo các bước nhảy thời gian ∆t để tìm quan hệ
theo thời gian của các biến trạng thái dòng áp của lưới điện.
Như vậy với ví dụ lưới điện 110/22kV ở hình vẽ 2.7, sơ đồ thay thế sử dụng
để tính toán của ATP/EMTP sẽ như sau:
- 55 -
ZA
ZB
ZC
1/2CAB
1/2CBC
1/2CAC1/2CAB
1/2CBC
1/2CAC
1/2C0C 1/2C0B 1/2C0A1/2C0A 1/2C0C
R0A
ZcA
X0A
R0B
ZcB
X0B
R0C
ZcC
X0C
RhA
RhB
RhC
XfA
XfB
XfC
XfAB
XfAC
XfACUA
UB
UC
Hình 2.11. Sơ đồ thay thế 3 pha lƣới điện 110/22kV trong ATP/EMTP
Từ sơ đồ thay thế, ta lập hệ phương trình đại số tuyến tính mô tả hệ thống
điện tương tự như ví dụ đơn giản cho nút 1 đã trình bày ở trên và thực hiện phép
tính lặp để tìm quan hệ theo thời gian của các biến trạng thái quan tâm.
KẾT LUẬN
Chương 2 trình bày khái quát phương pháp tính toán tổng trở thứ tự thuận,
nghịch và không của đường dây tải điện tổng quát (không đối xứng), xem xét cho
trường hợp có tính tới dòng trở về trong đất (điện trở suất đất ρ ≠ 0) cũng như
trường hợp đường dây có và không có DCS. Việc tính toán trị số tổng trở thuận,
nghịch, không của đường dây tải điện rất cần thiết để tính toán tỉ số X0/X1 – là
thông số quyết định tới biên độ QĐA tạm thời (TOV) do ngắn mạch chạm đất một
pha.
Sauk hi có được các thông số của sơ đồ thay thế của lưới điện, có thể khái
quát được hai phương pháp tính toán hệ số quá điện áp do ngắn mạch chạm đất
trong lưới trung áp, bao gồm phương pháp thành phần đối xứng và phương pháp số
giải hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống điện. Mỗi phương pháp có một ưu
nhược điểm riêng và phạm vi ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên phương pháp số giải
- 56 -
hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống điện là phương pháp tổng quát, mô phỏng
diễn biến của hệ thống theo miền thời gian từ quá trình quá độ tới quá trình xác lập
sau sự cố. Phương pháp này thích hợp khi có sự hỗ trợ tính toán của máy tính điện
tử. Đó cũng chính là phương pháp sử dụng trong phần mềm mô phỏng quá độ điện
từ của hệ thống điện ATP/EMTP.
- 57 -
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP
DO NGẮN MẠCH CHẠM ĐẤT MỘT PHA Ở LƢỚI TRUNG ÁP
3.1. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ATP-EMTP
ATP (Alternative Transient Program) là một chương trình máy tính được sử
dụng rất phổ biến để mô phỏng các hiện tượng quá độ điện từ và điện cơ của mạch
điện. Với ATP, có thể mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển của một sơ đồ điện
có cấu trúc bất kỳ với nhiều mô đun hỗ trợ tính toán và công cụ mô phỏng vô cùng
linh hoạt và mạnh mẽ.
ATP-EMTP được viết vào năm 1984 bởi Tiến sĩ W. Scott Meyer sau khi ông
từ chối tham gia vào dự án thương mại hóa chương trình tính toán quá trình quá độ
EMTP của DCG (the EMTP Development Coordination Group) và EPRI (Electric
Power Research Institute), vốn là sản phẩm của ông và các cộng sự theo một hợp
đồng kí kết với BPA (Bonneville Power Administration). ATP-EMTP được xây
dựng với mục tiêu phi thương mại hóa. Từ đó đến nay, ATP-EMTP liên tục được
cải tiến và phát triển bởi cộng đồng người dùng trên toàn thế giới dưới sự điều hành
của của tiến sĩ Meyer và đồng chủ tịch Hội người dùng EMTP khu vực Canada/Mỹ
(Canadian/American EMTP User Group) Tiến sĩ Tsu-huei Liu.
Nguyên lý tính toán
ATP/EMTP sử dụng các nguyên lý tính toán sau đây :
Sử dụng quy tắc xấp xỉ hình thang giải hệ phương trình vi phân mô tả hệ
thống trong miền thời gian
Sơ kiện đầu có thể được tính toán từ kết quả giải bài toán CĐXL của ATP-
EMTP hoặc nhập trực tiếp từ người dùng đối với các phần tử đơn giản
Cho phép giao tiếp với các mô đun TACS (Transient Analysis of Control
Systems) và MODELS (một ngôn ngữ lập trình mô phỏng) để mô phỏng các hệ
thống điều khiển hoặc các phần tử phi tuyến như hồ quang, vầng quang.
- 58 -
Tính toán các nhiễu loạn đối xứng và không đối xứng như : sự cố, sóng quá
điện áp sét, các thao tác đóng cắt trong lưới bao gồm cả các quá trình chuyển mạch
van
Nghiên cứu đáp ứng tần số của hệ thống sử đụng mô đun FREQUENCY
SCAN
Nghiên cứu các sóng hài sử dụng mô đun HARMONIC FREQUENCY
SCAN (phương pháp sử dụng các nguồn dòng sóng hài)
Mô phỏng các hệ thống động học nói chung (không phải sơ đồ mạch điện) sử
dụng TACS và MODELS
Các phần tử hỗ trợ
Các phần tử cơ bản được ATP-EMTP hỗ trợ bao gồm :
Phần tử tương hỗ và không tương hỗ R, L, C, thông số rải, thông số tập trung
Đường dây trên không và cáp thông số rải, thông số phụ thuộc tần số
Điện trở và điện kháng phi tuyến, hiện tượng từ trễ, điện trở có trị số thay đổi
theo thời gian, điện trở điều khiển bằng TACS/MODELS
Các phần tử có đặc tính phi tuyến : MBA bão hòa, từ trễ, CSV (có khe hở và
không khe hở), hồ quang điện
Máy cắt điều khiển theo thời gian, điện áp, nghiên cứu đóng cắt thống kê
(phương pháp Monte-Carlo)
Các van công suất (đi ốt, thyristor, triac), các van đóng cắt điều khiển bằng
TACS /MODELS
Các nguồn : bước nhảy, hình sin, hàm mũ và dạng bất kỳ
Máy điện quay
Các phần tử khác định nghĩa bởi người dùng trong MODELS
Các mô đun mô phỏng tích hợp sẵn
MODELS
- 59 -
MODELS là một ngôn ngữ mô tả mục đích tổng quát được tích hợp trong
ATP-EMTP cùng một loạt các công cụ mô phỏng khác để hỗ trợ xây dựng mô hình
và mô phỏng các hệ thống có tham số biến thiên theo thời gian.
TACS
TACS là mô đun hỗ trợ việc nghiên cứu mô phỏng các hệ thống điều khiển
trong miền thời gian. TACS có thể được sử dụng để nghiên cứu các bài toán :
Hệ thống HVDC
Hệ thống kích từ của máy điện đồng bộ
Thiết bị điện tử công suất và động cơ điện
Hồ quang điện
ATP-EMTP cũng hỗ trợ việc giao tiếp thông tin giữa mạch lực và mạch điều
khiển của sơ đồ điện thông qua tín hiệu điện áp nút, dòng điện cắt, trạng thái máy
cắt, điện trở có thông số thay đổi theo thời gian, các nguồn áp và nguồn dòng.
Các chƣơng trình con hỗ trợ tính toán (supporting routines)
Tính toán thông số các đường dây trên không và cáp : LINE CONSTANTS,
CABLE CONSTANTS, LINE PARAMETERS
Mô hình thông số đường dây phụ thuộc tần số (Semlyen, J. Marti, Noda)
Thông số MBA : XFORMER, BCTRAN
Quy đổi đường cong từ trễ, bão hòa
Xử lý dữ liệu (data modularization)
Hình 3.1 mô tả tổng quan về các mô đun hỗ trợ trong ATP-EMTP
- 60 -
Hình 3.1. Tổng quan về các mô đun trong ATP/EMTP
Một số ứng dụng của ATP/EMTP
Nghiên cứu quá điện áp sét
Quá trình quá độ do thao tác đóng cắt và sự cố
Quá trình quá độ cực ngắn trong trạm kiểu kín (GIS) và hệ thống nối
đất
Mô hình máy điện quay
Khởi động động cơ
Ổn định động
Đóng cắt MBA, tụ điện, cuộn kháng
Cộng hưởng điện từ
Các thiết bị điện tử công suất
Quá trình làm việc của máy cắt
Các thiết bị FACTS
Nghiên cứu sóng hài, hiện tượng cộng hưởng của hệ thống
Kiểm tra sự làm việc của thiết bị bảo vệ
- 61 -
3.2. MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN HỆ SỐ QUÁ ÁP CỦA MỘT
XUẤT TUYẾN LƯỚI TRUNG ÁP BẰNG ATP/EMTP
Ta xem xét mô phỏng một lưới điện 35kV như sau
Hình 3.2. Sơ đồ xuất tuyến 35kV
Bảng 3.1. Thông số các phần tử lƣới điện 35kV
HÖ thèng MBA nguån §êng d©y MBA trung gian
- SN = 950MVA.
- X0HT = 68,21(Ω);
- R0HT = 1,94(Ω);
- X1HT = 13,67(Ω);
R1HT = 6,05(Ω);
- U®m = 110kV
- S®m = 40MVA
110/35/22kV.
- Tæ ®Êu d©y:
Y0/Y - 12
- xC = 28,738(Ω);
XT = 22,688(Ω);
XH = 1,522(Ω);
- i0% = 5%
- D©y dÉn AC-95,
l=25km.
- §iÖn trë suÊt ρ =
100 Ω.m
- x0 = 1,595(Ω/km);
- r0 = 0,4599(Ω/km);
- b0 =
1,3322(μS/km).
- x1 = 0,3451(Ω/km);
- r1 = 0,3159(Ω/km);
- b1 = 3,645(μS/km).
- U®m = 35kV
- S®m = 1,25MVA
35/6kV.
- Tæ ®Êu d©y: Y/Δ
- 11
- xB = 51,45(Ω);
- i0% = 5%
Sơ đồ mô phỏng như sau:
Hình 3.3. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tính cách điện trong ATP/EMTP
Kết quả mô phỏng điện áp khi ngắn mạch chạm đất pha A phía cuối
đường dây như sau:
I
V
SAT
Y Y
SAT
YI
V
(1) N
HT MBA §D MBAtg
- 62 -
Hình 3.4. Điện áp các pha tại đầu đƣờng dây (xuất tuyến 35kV, trung tính
cách điện, ngắn mạch chạm đất pha A)
Hình 3.5. Điện áp các pha tại cuối đƣờng dây (xuất tuyến 35kV, trung tính
cách điện, ngắn mạch chạm đất pha A)
Trường hợp trung tính nối đất trực tiếp, sơ đồ mô phỏng sẽ như sau:
Hình 3.6. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tính nối đất trực tiếp trong
ATP/EMTP
(f ile xuattuy en35kv .pl4; x-v ar t) v :SENDA v :SENDB v :SENDC
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10[s]-70
-40
-10
20
50
80
[kV]
(f ile xuattuy en35kv .pl4; x-v ar t) v :BA2A v :BA2B v :BA2C
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10[s]-70
-40
-10
20
50
80
[kV]
V
SAT
Y Y
SAT
YI
V
- 63 -
Kết quả mô phỏng điện áp khi ngắn mạch chạm đất pha A được biểu
diễn trong các hình vẽ 3.7 và 3.8.
Hình 3.7. Điện áp các pha tại đầu đƣờng dây (xuất tuyến 35kV, trung tính
nối đất trực tiếp, ngắn mạch chạm đất pha A)
Hình 3.8. Điện áp các pha tại cuối đƣờng dây (xuất tuyến 35kV, trung tính
nối đất trực tiếp, ngắn mạch chạm đất pha A)
Các kết quả tính toán được thống kê lại như sau (cho hai trường hợp
đường dây có chiều dài 25km và 50km) :
(f ile xuattuy en35kv .pl4; x-v ar t) v :SENDA v :SENDB v :SENDC
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10[s]-35.00
-26.25
-17.50
-8.75
0.00
8.75
17.50
26.25
35.00
[kV]
(f ile xuattuy en35kv .pl4; x-v ar t) v :BA2A v :BA2B v :BA2C
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10[s]-50
-35
-20
-5
10
25
40
[kV]
- 64 -
Bảng 3.2. Hệ số quá điện áp tạm thời (TOV) theo vị trí điểm ngắn mạch
chạm đất dọc chiều dài đƣờng dây
ST
T
Phương thức
nối đất
điểm trung
tính
Chiều dài đường dây l = 25 km Chiều dài đường dây l = 50 km
∆l = 5
km
∆l = 10
km
∆l = 15
km
∆l = 25
km
∆l = 5
km
∆l = 15
km
∆l = 30
km
∆l = 50
km
1 Cách điện 1,74 1,72 1,72 1,74 1,75 1,74 1,75 1,74
2 Qua cuộn dập
hồ quang 1,73 1,72 1,72 1,74 1,76 1,74 1,75 1,74
2 Trực tiếp 1,04 1,12 1,15 1,17 1,05 1,21 1,29 1,34
Bảng 3.3. Hệ số quá điện áp quá độ cực đại theo vị trí điểm ngắn mạch chạm
đất dọc chiều dài đƣờng dây tƣơng ứng với lƣới điện đang xét ở trên
ST
T
Phương thức nối đất
điểm trung tính
Chiều dài đường dây l = 25 km Chiều dài đường dây l = 50 km
∆l =
5 km
∆l =
10 km
∆l =
15 km
∆l =
25 km
∆l =
5 km
∆l =
15 km
∆l =
30 km
∆l =
50 km
1 Trung tính cách điện 2,41 2,45 2,59 2,7 2,6 2,43 2,58 2,54
2 Trung tính nối đất qua
cuộn dập hồ quang 2,42 2,4 2,53 2,7 2,55 2,63 2,59 2,54
3 Trung tính nối đất trực
tiếp 1,36 1,4 1,33 1,3 1,28 1,33 1,37 1,31
Nhận xét:
Từ bảng số liệu 3.2 ta có thể thấy rằng: khi ngắn mạch chạm đất một
pha, trong lưới điện có trung tính cách điện và lưới điện trung tính nối đất qua
cuộn dập hồ quang, quá điện áp trên các pha lành bị tăng lên trị số điện áp dây
(hệ số quá áp là ) nên cách điện phải chọn theo trị số điện áp dây. Ngược lại,
với lưới điện trung tính nối đất trực tiếp, hệ số QQĐA thay đổi theo chiều dài
đường dây (tỉ số X0/X1) và QĐA trên các pha lành tăng lên cao hơn trị số điện
áp pha và do đó, cách điện của thiết bị nhìn chung phải chọn cao hơn trị số điện
áp pha làm việc của lưới điện.
KẾT LUẬN
Chương 3 giới thiệu sơ lược về phần mềm mô phỏng chế độ quá độ của
hệ thống điện ATP/EMTP và ứng dụng vào mô phỏng QĐA trên các pha lành
- 65 -
của một xuất tuyến lưới điện trung áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch chạm đất một
pha.
Các kết quả thu được phù hợp với lý thuyết nghiên cứu. Hệ số QĐA trên
pha lành của lưới điện có trung tính cách điện và nối đất qua cuộn dập hồ quang
đạt mức 1,7 (dâng lên mức điện áp dây). Đối với lưới điện trung tính nối đất
trực tiếp, hệ số quá điện áp trên pha lành phụ thuộc vào tỉ số X0/X1 tại điểm xét.
Hệ số này biến thiên từ 1- 1,7 ( ). Do đó cách điện trong lưới này nhìn chung
phải chọn cao hơn trị số điện áp pha định mức.
- 66 -
CHƢƠNG 4: VẤN ĐỀ LỰA CHỌN CHỐNG SÉT VAN
4.1. TIÊU CHUẨN IEC 60099-5 VỀ LỰA CHỌN VÀ SỬ DỤNG
CHỐNG SÉT VAN
4.1.1. Tổng quan
4.1.1.1. Những nguyên tắc chung khi lựa chọn chống sét van
Theo tiêu chuẩn IEC 60071-1, điện áp định mức của thiết bị điện được phân
thành 2 dải:
+ Dải I: điện áp định mức từ 1kV đến 245kV
+ Dải II: điện áp định mức từ 245kV trở lên
Các phần tử trong hệ thống điện có điện áp định mức thuộc dải I chủ yếu là
các đường dây tải điện trên không. Nguy cơ chủ yếu với các phần tử này là quá điện
áp do sét đánh trực tiếp hoặc điện áp cảm ứng do sét đánh xuống đất gần đường dây
tải điện. Đối với các hệ thống cáp điện lực không nối trực tiếp với đường dây trên
không, quá điện áp xảy ra chủ yếu là hậu quả của các loại sự cố hoặc do các thao tác
đóng cắt trong hệ thống điện. Trong một số hiếm trường hợp, có thể xảy ra quá điện
áp cảm ứng do sét.
Ở cấp điện áp dải II, bên cạnh các nguyên nhân gây quá áp do sét, quá điện
áp thao tác trở nên đặc biệt đáng lưu tâm, do biên độ có thể tương đương và thậm
chí lớn hơn quá điện áp sét và càng tăng khi nâng cao điện áp định mức vận hành
của hệ thống điện.
Quá điện áp nguy hiểm bởi vì nó có thể gây phóng điện chọc thủng, làm ảnh
hưởng đến sự làm việc bình thường, gây sự cố hoặc thậm chí phá hủy hoàn toàn các
thiết bị điện. Biện pháp khả dĩ để ngăn chặn nguy cơ xảy ra quá điện áp hoặc giảm
nhẹ biên độ quá điện áp là sử dụng chống sét van (CSV) và thực hiện phối hợp cách
điện hợp lý giữa chống sét van và cách điện của thiết bị. Do đó, ở những nơi có
nguy cơ xảy ra quá điện áp do phóng điện sét hoặc do các thao tác đóng cắt, người
ta khuyến cáo nên nghiên cứu lắp đặt các chống sét van để bảo vệ thiết bị điện.
- 67 -
Các chống sét van sẽ tạo ra một khu vực an toàn xung quanh nó do được
thiết kế để chịu đựng các các loại điện áp và tản dòng điện tương ứng vào đất để
bảo vệ thiết bị. Trong hệ thống điện, các loại điện áp đặt lên thiết bị bao gồm:
+ Điện áp làm việc
+ Quá điện áp tạm thời (temporary overvoltage)
+ Quá điện áp với thời gian đầu sóng dài (slow-front)
+ Quá điện áp với thời gian đầu sóng ngắn (fast-front)
Trong đó sóng quá điện áp thời gian đầu sóng dài do thao tác đóng cắt được
quan tâm đặc biệt khi lựa chọn chống sét van bảo vệ các thiết bị thuộc dải II.
Một điểm cần lưu ý khi lựa chọn chống sét van là sự mâu thuẫn giữa yêu cầu
về bảo vệ tối đa cho thiết bị điện (hạ thấp trị số điện áp dư) và yêu cầu nâng cao
điện áp định mức. Do đó, việc lựa chọn CSV phải là một quá trình tối ưu hóa, trong
đó phải xem xét rất nhiều các tham số của hệ thống điện và của đối tượng cần bảo
vệ.
Chống sét van loại không khe hở sử dụng điện trở ZnO thường được sử dụng
trong hệ thống điện trung tính nối đất trực tiếp do có khả năng bảo vệ hiệu quả đối
với các xung quá điện áp có thời gian đầu sóng dài. Trong khi đó với hệ thống điện
trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang, CSV loại có khe hở lại có
ưu điểm hơn trong trường hợp yêu cầu cần có đặc tính bảo vệ thấp. Mặc dù trước
đây vẫn được dùng cho mọi cấp điện áp, hiện tại người ta thường chỉ xem xét sử
dụng CSV loại có khe hở đối với lưới điện có điện áp thuộc dải I, đặc biệt ở dải điện
áp thấp.
4.1.1.2. Quy trình tổng quát khi lựa chọn chống sét van
IEC 60099-5 đề xuất một quy trình lặp khi xem xét lựa chọn chống sét van
bao gồm các bước như sau (được biểu diễn trong sơ đồ khối ở hình 4.1):
1. Xác định điện áp làm việc lâu dài của CSV tương ứng với giá trị cực đại
điện áp làm việc của hệ thống điện
- 68 -
2. Xác định điện áp định mức của CSV tương ứng với mức quá điện áp tạm
thời tại điểm đặt
3. Tính toán ước lượng biên độ và xác suất xuất hiện của dòng phóng điện
sét có khả năng xuất hiện tại chống sét van, các yêu cầu về khả năng phóng điện cho
đường dây tải điện và lựa chọn trị số dòng điện phóng điện danh định, giá trị dòng
xung cao (là giá trị đỉnh của xung dòng điện phóng điện 4/10 µs sử dụng để kiểm
tra khả năng ổn định của CSV trong trường hợp chịu cú sét trực tiếp đánh vào CSV)
và cấp phóng điện đường dây của chống sét van (yêu cầu về khả năng chịu đựng các
xung dòng phóng điện từ phía đường dây nạp điện từ trước, phụ thuộc vào các tham
số cụ thể của hệ thống điện đang xét)
4. Lựa chọn cấp giải trừ áp suất của CSV tương ứng với dòng sự cố dự kiến
5. Lựa chọn CSV đáp ứng tất cả các yêu cầu kể trên
6. Xác định đặc tính bảo vệ đối với xung quá điện áp sét và quá điện áp thao
tác vừa chọn
7. Nên bố trí CSV gần nhất có thể với thiết bị được bảo vệ
8. Xác định mức điện áp chịu đựng phối hợp với CSV của thiết bị được bảo
vệ đối với xung quá điện áp thao tác có xem xét tới giá trị điển hình của quá điện áp
đầu sóng dài và cấu hình của lưới điện
9. Xác định mức điện áp chịu đựng phối hợp với CSV của thiết bị bảo vệ với
xung phóng điện sét có xem xét tới:
+Giá trị điển hình của sóng quá áp sét lan truyền theo đường dây vào trạm
và tần suất sự cố cho phép của thiết bị được bảo vệ
+Cấu hình trạm biến áp
+Khoảng cách CSV-thiết bị được bảo vệ
10. Xác định mức cách điện định mức của thiết bị theo chuẩn IEC 60071-1
[19]
11. Trong trường hợp có yêu cầu giảm nhẹ mức cách điện của thiết bị, cần
thiết nghiên cứu xem xét các khả năng sau đây:
- 69 -
+ Giảm giá trị điện áp làm việc liên tục lâu dài
+ Giảm giá trị điện áp định mức
+ Lựa chọn dòng phóng điện danh định lớn hơn, cấp phóng điện đường dây
cao hơn, hoặc CSV có thiết kế tốt hơn hoặc
+ Giảm khoảng cách từ CSV tới thiết bị cần bảo vệ
Lƣu ý: việc giảm giá trị điện áp làm việc liên tục lâu dài hoặc giảm giá trị
điện áp định mức của CSV cũng đồng nghĩa việc giảm độ tin cậy làm việc của CSV
đó.
- 70 -
Điện áp làm
việc cực đại
Quá điện áp
tạm thời
Giá trị dòng
phóng điện
sét
Năng lượng thông
thoát
Dòng sự cố
của CSV
Điện áp làm việc
lâu dài
Điện áp định mức
Dòng điện phóng
điện danh định
Cấp phóng điện
đường dây
CSV
Cấp giải trừ áp
suất
Đặc tính bảo vệ
với xung sét
Đặc tính bảo vệ
với xung thao tác
Cấu hình trạm
Mức quá áp
thao tác có
thể xảy ra
Giá trị điển hình của
xung quá áp sét
tràn vào trạm
Cấu hình trạm
Khoảng cách CSV
- vật được bảo vệ
Phối hợp cách
điện với xung sét
Phối hợp cách điện
với xung thao tác
Thỏa mãnKhông
Giá trị cách điện
định mức
Không
CSV được lựa
chọn
Hình 4.1. Quy trình kiểm tra và lựa chọn CSV
- 71 -
4.1.1.3.Khả năng chịu ô nhiễm của cách điện CSV
Các lớp bám bẩn trên bề mặt cách điện ngoài của CSV có thể làm phát sinh
phóng điện bề mặt, hoặc làm tăng nhiệt quá mức trên các phần tử điều chỉnh đặc
tính (điện trở, tụ điện) với loại có khe hở hay trên các đĩa điện trở phi tuyến đối
với loại không khe hở. Để hạn chế CSV bị sự cố khi làm việc trong các điều kiện
môi trường ô nhiễm, cần thiết phải lựa chọn loại CSV được thiết kế sẵn để làm việc
trong các điều kiện như vậy. Mặc dù không có yêu cầu cụ thể trong tiêu chuẩn IEC
60099-1 (tiêu chuẩn cho CSV loại có khe hở) và IEC 60099-4 (tiêu chuẩn cho CSV
loại không khe hở), CSV trong điều kiện làm việc bình thường cần thiết có khả
năng chịu ô nhiễm tới mức 2 theo tiêu chuẩn IEC 60071-2. Nếu CSV làm việc trong
điều kiện môi trường ô nhiễm cao hơn quy định cho phép sẽ làm giảm hiệu quả làm
việc của nó. Trường hợp vẫn bắt buộc phải sử dụng (làm việc trong môi trường ô
nhiễm đạt tới mức 3, thậm chí mức 4), cần thiết phải có biện pháp tổ chức làm vệ
sinh định kỳ để làm giảm độ ô nhiễm trên cách điện của CSV xuống dưới mức độ
cho phép, khi đó cần sử dụng loại CSV được thiết kế đặc biệt cho phép thực hiện vệ
sinh khi CSV vẫn làm việc trên lưới.
4.1.2. Lựa chọn CSV có khe hở sử dụng điện trở phi tuyến (SiC)
4.1.2.1. Các thông số kỹ thuật của CSV có khe hở
Khái niệm chung
Các thông số kỹ thuật cơ bản của CSV có khe hở bao gồm: điện áp định
mức, điện áp phóng điện chọc thủng, dòng điện phóng điện danh định và điện áp dư
tương ứng.
Khả năng bảo vệ của CSV được đặc trưng bởi giá trị điện áp chọc thủng ở
phần đầu sóng của xung điện áp sét và, khi có thể, với xung quá điện áp thao tác;
bên cạnh đó cũng được đặc trưng bởi giá trị điện áp dư khi thông thoát dòng phóng
điện danh định, và xung quá dòng điện thao tác. Cùng một trị số điện áp định mức,
các CSV chủng loại khác nhau có khả năng bảo vệ không giống nhau.
- 72 -
Bên cạnh các thông số cơ bản trên, một số thông số khác cũng thường được
xem xét là: điện áp làm việc liên tục lâu dài, cấp phóng điện thời gian dài (long-
duration), cấp giải trừ điện áp, cấp chịu ô nhiễm, khả năng vệ sinh trên lưới (live
washing) và các đặc tính cơ học đặc biệt khác.
Điện áp định mức
Điện áp định mức của CSV là giá trị điện áp hiệu dụng cực đại tần số công
nghiệp cho phép đặt lên các cực của CSV, tại đó nó được chế tạo để làm việc bình
thường. Trị số này được xác định từ thí nghiệm vận hành (operating duty test) .
Điện áp định mức được sử dụng như 1 thông số tham chiếu cho đặc tính làm việc
của CSV.
Trong một số các thí nghiệm, chẳng hạn tiêu chuẩn IEC 60099-3 về thử
nghiệm ô nhiễm, cần thiết có trị số điện áp hiệu dụng cực đại có thể đặt lâu dài lên
các cực của CSV (gọi là điện áp làm việc liên tục lâu dài- COV - Continuous
Operating Voltage). Đối với các CSV thuộc dải I, trị số này có thể bằng với điện áp
định mức, với CSV thuộc dải II, trị số này thường thấp hơn. Lưu ý trong tiêu chuẩn
IEC 60099-1 không chỉ rõ một quy trình thử nghiệm cụ thể để xác định trị số này,
do đó trị số này cần thiết phải được cung cấp bởi nhà sản xuất.
Ngƣỡng bảo vệ
Ngưỡng bảo vệ của CSV đối với xung điện áp sét là giá trị cao hơn của 2 giá
trị sau đây:
+ Điện áp phóng điện chọc thủng của xung điện áp sét tiêu chuẩn
(1,2/50 µs)
+ Điện áp dư khi thông thoát dòng điện phóng điện danh định
Ngưỡng bảo vệ của CSV với xung điện áp thao tác đặc trưng cho khả năng
bảo vệ của CSV với những xung quá điện áp có thời gian đầu sóng dài, là giá trị lớn
hơn giữa trị số điện áp chọc thủng và điện áp dư trên CSV khi thử nghiệm với xung
dòng điện thao tác.
- 73 -
Chú ý: trường hợp không có số liệu về giá trị điện áp chọc thủng với xung
quá điện áp thao tác, có thể ngoại suy từ giá trị điện áp chọc thủng tần số công
nghiệp của CSV.
Dòng điện phóng điện danh định
Dòng điện phóng điện danh định là giá trị cực đại của xung dòng điện 8/20µs
mà CSV có thể thông thoát, được sử dụng để phân loại CSV. Dòng điện này cũng
được dùng để kích thích phát sinh dòng kế tục trong thử nghiệm làm việc của CSV
và xác định ngưỡng bảo vệ sét của nó.
Cấp phóng điện thời gian dài (long duration)
Là chỉ số chỉ khả năng thông thoát năng lượng của CSV đối với các đường
dây dài. Cấp càng cao, CSV càng có khả năng làm việc với hệ thống có điện áp
càng cao, chiều dài đường dây càng lớn, trong khi đó tổng trở sóng và bội số quá
điện áp càng giảm.
Cấp giải trừ áp suất
Là chỉ số đặc trưng cho khả năng chịu đựng dòng điện sự cố nội bộ do hư
hỏng của CSV mà không dẫn tới làm nổ hay phá hủy cách điện bên ngoài.
Đặc tính chịu ô nhiễm
Đối với CSV làm việc trong môi trường ô nhiễm tới cấp độ 3 hoặc 4 theo
tiêu chuẩn IEC 60071-2, cần thiết phải thực hiện thử nghiệm làm việc trong điều
kiện ô nhiễm theo tiêu chuẩn IEC 60093-3. Từ thử nghiệm này, cũng sẽ xác định
được trị số điện áp phóng điện chọc thủng. Khả năng chống phóng điện bề mặt của
cách điện ngoài sẽ được kiểm tra theo tiêu chuẩn IEC 60507.
Khả năng vệ sinh trên lƣới (live washing)
CSV cho phép vệ sinh khi đang làm việc trên lưới yêu cầu có những thiết kế
đặc biệt hơn so với loại thông thường và cần thiết quy định các quy trình thử
nghiệm cụ thể cho CSV loại này.
Trong khi xem xét các thiết kế đối với các thiết bị vệ sinh CSV, cần lưu ý
các điểm sau:
- 74 -
+ Nước sử dụng để vệ sinh cần đảm bảo có điện trở suất phù hợp
+ Cần chế tạo bộ phận lau rửa có thiết kế hợp lý để thấm ướt đồng đều và
đồng thời toàn bộ bề mặt cách điện ngoài của CSV, tránh gây phát sinh phóng điện
trên bề mặt cách điện. Bên cạnh đó cũng cần quan tâm tới trị số tốc độ gió tối đa
cho phép.
4.1.2.2. Lựa chọn CSV có khe hở nối giữa pha và đất
Điện áp định mức
Thông thường chúng ta hay chọn giá trị điện áp định mức của CSV theo giá
trị của trị số quá điện áp tạm thời trong trường hợp xảy ra sự cố chạm đất một pha
và gây ra quá điện áp trên các pha lành còn lại. Tuy nhiên như vậy là chưa đầy đủ vì
còn nhiều nguyên nhân khác gây ra quá điện áp tạm thời. Rất cần thiết phải tính
toán trị số quá điện áp tạm thời do các nguyên nhân đó, và trị số điện áp định mức
của CSV được lựa chọn trên cơ sở có được trị số lớn nhất của quá điện áp tạm thời
tính toán được. Trong nhiều trường hợp còn cần thiết phải tính toán tới tình huống
xếp chồng sự cố của các dạng khác nhau, chẳng hạn chạm đất một pha đồng thời
với hiện tượng sa thải phụ tải đột ngột, tính toán bội số quá điện áp có tính tới xác
suất xảy ra của nó.
Một số nguyên nhân gây ra quá điện áp tạm thời cần xem xét như sau:
-Các sự cố ngắn mạch chạm đất: quá điện áp xảy ra trên một phần rộng của
lưới điện, thời gian tồn tại phụ thuộc vào thời gian giải trừ sự cố, khoảng dưới 1s
đối với lưới điện nối đất trực tiếp, vài chục giây với lưới điện nối đất qua cuộn dập
hồ quang và có thể kéo dài tới hàng giờ trong lưới điện có trung tính cách điện.
-Sa thải phụ tải: khi sa thải phụ tải có thể sẽ xảy ra quá điện áp ở điện cực
phía nguồn cấp của máy cắt thực hiện thao tác đóng cắt. Biên độ quá áp phụ thuộc
vào tính chất phụ tải và công suất ngắn mạch của trạm biến áp nguồn. Trị số này
đặc biệt cao trong trường hợp sa thải phụ tải hoàn toàn ở đầu cực bộ máy phát-
MBA, tùy thuộc trị mức độ bão hòa từ và mức độ lồng tốc của rô to máy phát. Bội
số quá áp do sa thải phụ tải thường không phải là hằng số trong thời gian tồn tại của
nó, việc tính toán chính xác cần thiết phải sử dụng rất nhiều tham số.
- 75 -
Tuy vậy có thể đưa ra một số trị số định hướng như sau:
+ Đối với hệ thống điện cỡ trung bình, khi mất tải đột ngột 100% có khả
năng sẽ gây ra quá điện áp pha- đất với biên độ không lớn hơn 1,2 p.u. Thời gian
tồn tại quá điện áp phụ thuộc vào hiệu quả làm việc của thiết bị tự động điều chỉnh
điện áp, có thể kéo dài tới vài phút.
+ Với hệ thống điện cỡ lớn, hậu quả của mất tải 100% có thể gây ra quá điện
áp với biên độ tới 1,5 p.u và thậm chí cao hơn khi xảy ra hiệu ứng Ferranti hay hiện
tượng cộng hưởng. Thời gian tồn tại có thể kéo dài vài giây.
+ Đối với trường hợp mất tải đầu cực bộ máy phát- MBA, biên độ quá điện
áp có thể tới 1,4 p.u với máy phát thủy điện và 1,5 p.u với máy phát nhiệt điện. Thời
gian tồn tại vào khoảng 3 giây.
Ngoài ra, trong một số trường hợp cần nghiên cứu hiện tượng quá điện áp
tạm thời phát sinh do:
+ Hiện tưởng cộng hưởng (đóng đường dây không tải,…)
+ Hiệu ứng Ferranti (điện áp thay đổi dọc theo chiều dài đường dây dài cao
áp và siêu cao áp)
+ Quá điện áp sóng hài, ví dụ đóng cắt máy biến áp.
+ Hiện tượng bị cấp nguồn ngược (backfeeding) với các MBA có các cuộn
dây đấu chung (ví dụ trường hợp hai MBA giảm áp có cuộn thứ cấp mắc chung vào
cùng một thanh cái và một MBA bị cắt nguồn phía sơ cấp do sự cố hoặc trường hợp
MBA 3 pha tải thứ cấp không đối xứng bị cắt 1 pha)
CSV sử dụng trong lưới trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ
quang nhưng không có bảo vệ chống sự cố chạm đất, cần thiết phải chịu đựng được
điện áp dây của mạng do có khả năng sự cố bị duy trì kéo dài cho tới khi nhân viên
vận hành tìm kiếm và khắc phục. Ngược lại, với hệ thống có trang bị tự động cắt
loại trừ sự cố chạm đất, điện áp định mức của CSV chỉ cần chọn bằng với điện áp
định mức pha-đất của hệ thống.
- 76 -
Dòng điện phóng điện danh định
Khi lựa chọn dòng phóng điện danh định cho CSV, cần nghiên cứu các vấn
đề sau đây:
+ Yêu cầu về mức độ bảo vệ đối với công trình. CSV có ngưỡng bảo vệ với
biên độ dòng điện càng cao và tốc độ tăng đầu sóng càng lớn thì độ tin cậy càng
lớn.
+ Số lượng đường dây nối tới CSV khi phóng điện do ảnh hưởng của hiện
tượng phản xạ và khúc xạ của sóng tới biên độ quá điện áp.
+ Cách điện đường dây: cách điện càng cao thì biên độ sóng quá điện áp tràn
vào trạm càng lớn, trừ trường hợp sét đánh trực tiếp vào vị trí đặt chống sét van
khiến CSV hứng trọn gần như toàn bộ năng lượng của cú sét. Đối với trạm có các
đường dây vào trạm sử dụng cột gỗ trong đó xà (gỗ) và sứ ko được nối đất thì tối
thiểu tại cột cuối cùng trước khi vào trạm, cần thiết nối đất xà và sứ của cột với điện
trở nối đất bé. Trường hợp ở nơi có điện trở suất đất lớn, yêu cầu thực hiện nối đất
xà sứ trong phạm vi 5 khoảng cột đường dây trước khi vào trạm.
+ Xác suất xuất hiện các cú sét có biên độ lớn, giá trị này phụ thuộc khu vực
địa lý (mật độ sét).
+ Chỉ tiêu chống sét của đường dây. Biên độ dòng điện phóng điện qua CSV
là hàm số của phóng điện ngược trên cách điện đường dây và xác suất sét đánh
vòng qua dây chống sét vào đường dây. Xác suất sét đánh vòng càng cao thì biên độ
và độ dốc đầu sóng của dòng qua CSV càng lớn.
Đối với các trị số dòng điện phóng điện danh định tiêu chuẩn quy định trong
tiêu chuẩn IEC 60099-1, kinh nghiệm vận hành cho thấy sẽ thu được mức độ bảo vệ
chấp nhận được trong trường hợp xem xét sử dụng các khuyến nghị sau đây:
+ Dải điện áp I (từ 1kV đến 245kV): 5kA hoặc 10kA
trong lưới điện có điện áp định mức thuộc dải I, khi khoảng cách giữa các
bộ chống sét lắp đặt trên đường dây ngắn (dưới 5km), CSV lắp đặt tại MBA phân
- 77 -
phối chỉ cần chọn loại 5kA là đáp ứng yêu cầu bảo vệ, ngay cả trong trường hợp
MBA nối trực tiếp với đường dây cột gỗ không thực hiện nối đất với xà (gỗ).
Lưới điện có điện áp tới 72,5kV, CSV loại 5kA có thể sử dụng đối với trạm
đặt tại nơi có mật độ sét thấp và có bố trí dây chống sét che chắn phía trên các
đường dây vào trạm và thực hiện nối đất tốt tại chân cột. Đối với các công trình
quan trọng, yêu cầu mức độ an toàn cao, hoặc tại các khu vực có mật độ sét hoặc
điện trở suất đất lớn, lúc đó nên dùng CSV loại 10kA.
Lưới điện có điện áp trên 72,5kV thông thường nên sử dụng CSV loại 10kA.
+Dải điện áp II (trên 245kV): 10kA hoặc 20kA
Với lưới điện có điện áp từ 245kV tới 420kV, CSV có dòng phóng điện danh
định 10kV thông thường đã đáp ứng đủ yêu cầu bảo vệ.
Với lưới điện có điện áp cao hơn 420kV, có thể cần thiết sử dụng loại CSV
20kA.
Khả năng phóng điện thời gian dài (long duration)
Trong trường hợp trạm biến áp có nối với đường dây tải điện, cáp điện chiều
dài lớn hoặc phần tử điện dung lớn, CSV đặt trong trạm phải có khả năng thông
thoát dòng điện và năng lượng do các sóng quá điện áp xuất hiện do thao tác đóng
cắt trong lưới. Chống sét van loại “heavy duty” thường được sử dụng bảo vệ thiết bị
có điện áp định mức thuộc dải II. Với thiết bị thuộc dải I, CSV loại “heavy duty”
được sử dụng tại những trạm quan trọng, yêu cầu có ngưỡng bảo vệ thấp hoặc trong
trường hợp có đường dây trên không, cáp chiều dài lớn hoặc bộ tụ kết nối vào thanh
cái trạm. Đối với các trường hợp khác, ví dụ trường hợp đường dây ngắn (100km
trở lại) thông thường sử dụng CSV loại 5 và 10kA là đáp ứng đủ yêu cầu.
Cấp giải trừ áp suất
Việc bố trí thiết bị giải trừ áp suất nhằm mục đích trong trường hợp CSV bị
sự cố, dòng sự cố trong nội bộ CSV không gây tăng áp suất tới mức làm nổ cách
điện bảo vệ bên ngoài của CSV. Vì thế dòng điện ngắn mạch chịu đựng của CSV
không được nhỏ hơn giá trị dòng sự cố cực đại qua CSV tại điểm lắp đặt nó.
- 78 -
Bảng 4.1: Giá trị dòng điện quy định với thí nghiệm ngắn mạch CSV
(thời gian tồn tại ngắn mạch khoảng 1/6 chu kỳ điện áp tần số CN)
Loại CSV
(dòng phóng điện danh
định)
A
Dòng điện
ngắn mạch
định mức A
Dòng điện ngắn
mạch
giảm nhẹ
A
Dòng điện
ngắn mạch trị
số nhỏ,thời
gian tồn tại
1s*
A
20 000 hoặc 10 000 80 000 50 000 25 000 600 ± 200
20 000 hoặc 10 000 63 000 25 000 12 000 600 ± 200
20 000 hoặc 10 000 50 000 25 000 12 000 600 ± 200
20 000 hoặc 10 000 40 000 25 000 12 000 600 ± 200
20 000 hoặc 10 000 31 500 12 000 6 000 600 ± 200
20 000, 10 000 hoặc 5 000 20 000 12 000 6 000 600 ± 200
10 000 hoặc 5 000 16 000 6 000 3 000 600 ± 200
10 000, 5 000, 2 500 hoặc 1
500 10 000 6 000 3 000 600 ± 200
10 000, 5 000, 2 500 hoặc 1
500 5 000 3 000 1 500 600 ± 200
* Đối với CSV sử dụng trong hệ thống điện có trung tính cách điện hoặc nối
đất qua cuộn dập hồ quang, có thể kéo dài thời gian thực hiện thí nghiệm ngắn mạch
từ 1 giây lên tới 30 phút sau khi có sự hướng dẫn cụ thể từ phía nhà sản xuất. Khi
đó dòng điện ngắn mạch sẽ được giảm xuống giá trị 50 ± 20A. Đối với thí nghiệm
đặc biệt này, cần có sự thống nhất giữa nhà sản xuất và công ty điện về quy cách đối
với mẫu và vấn đề xử lý kết quả thí nghiệm.
4.1.3. Lựa chọn CSV không khe hở sử dụng oxit kim loại
4.1.3.1. Thông số đặc tính của CSV không khe hở sử dụng oxit kim
loại
Tổng quát
Thông số đặc tính cơ bản của CSV không khe hở oxit kim loại bao gồm: điện
áp làm việc lâu dài, điện áp định mức, dòng điện phóng điện danh định và điện áp
dư của CSV khi thông thoát dòng phóng điện danh định (xung 8/20 µs), xung dòng
điện thao tác (xung có thời gian đầu sóng dài hơn 30µs nhưng không lớn hơn 100
- 79 -
µs, thời gian đuôi sóng xấp xỉ bằng 2 lần thời gian đầu sóng) và xung dòng điện có
đầu sóng dốc (xung 1±0,1µs/≤20µs).
Với cùng điện áp làm việc lâu dài và điện áp định mức, CSV khác chủng loại
nhau sẽ có các ngưỡng bảo vệ khác nhau.
Ngoài ra các thông số khác có thể cần thiết sử dụng tới là: cấp phóng điện
đường dây, cấp giải trừ áp suất, khả năng làm việc trong môi trường ô nhiễm, khả
năng vệ sinh trên lưới (live washing) và các đặc tính cơ học khác.
Điện áp làm việc lâu dài
Điện áp làm việc lâu dài là trị số điện áp hiệu dụng cực đại cho phép đặt lâu
dài lên các cực của CSV mà không làm cho nó bị hư hỏng.
Điện áp định mức
Điện áp định mức là giá trị điện áp hiệu dụng tần số công nghiệp được sử
dụng trong khi thử nghiệm vận hành của CSV (operating duty test) trong khoảng
thời gian 10s (xem chi tiết mục 2.8 trong tiêu chuẩn IEC 60099-4). Bên cạnh đó đây
cũng là thông số tham chiếu sử dụng để xây dựng đường đặc tính Vôn giây tần số
công nghiệp của CSV và xác định các yêu cầu đối với thử nghiệm phóng điện
đường dây (line discharge test).
Dòng điện phóng điện danh định
Dòng điện phóng điện danh định được sử dụng để phân loại chống sét van, là
tham số xác định các đặc tính bảo vệ và khả năng thông thoát năng lượng của nó.
Ngƣỡng bảo vệ
Ngưỡng bảo vệ sét của CSV là giá trị điện áp dư cực đại trên CSV khi thông
thoát dòng phóng điện danh định, được sử dụng trong bảo vệ thiết bị trước các xung
quá điện áp đầu sóng ngắn.
Ngưỡng bảo vệ xung thao tác của CSV là giá trị điện áp dư cực đại trên CSV
khi thông thoát dòng điện xung thao tác, được sử dụng trong bảo vệ thiết bị trước
các xung quá điện áp đầu sóng dài (so với xung sét).
Cấp phóng điện đƣờng dây
- 80 -
Là chỉ số đặc trưng cho khả năng thông thoát năng lượng của CSV loại 10kA
và 20kA khi chịu phóng điện từ phía đường dây truyền tải chiều dài lớn. Có 5 cấp
phóng điện đường dây của CSV loại không khe hở theo tiêu chuẩn IEC 60099-4,
trong đó chỉ số càng tăng thì khả năng thông thoát của CSV càng cao.
Cấp giải trừ áp suất
Là chỉ số đặc trưng cho khả năng chịu đựng của CSV đối với dòng sự cố bên
trong mà không gây tăng áp suất quá mức dẫn tới gây phá hủy cách điện ngoài.
Khả năng làm việc trong môi trƣờng ô nhiễm
Đánh giá khả năng chịu đựng ô nhiễm của CSV bao gồm 3 nội dung sau
đây:
a> Cách điện ngoài phải có khả năng chịu đựng ô nhiễm mà không dẫn tới
phóng điện bề mặt cách điện. Do đó cần kiểm tra theo tiêu chuẩn IEC
60507 hoặc đảm bảo thiết kế phù hợp theo tiêu chuẩn IEC 60815.
b> CSV phải có khả năng chịu đựng với sự tăng nhiệt cục bộ do sự thay đổi
phân bố điện áp do các hoạt động ô nhiễm trên bề mặt cách điện. Bên
cạnh đó cần đánh giá ngưỡng ô nhiễm, tần suất và biên độ của các quá
điện áp gây ra do sự cố và thao tác tự động đóng trở lại khi làm việc
trong môi trường ô nhiễm.
c> Khả năng chịu đựng phóng điện cục bộ phát sinh cho ô nhiễm làm thay
đổi phân bố thế mà không làm hư hỏng các điện trở phi tuyến và các
phần tử khác bên trong CSV.
Khả năng vệ sinh trên lƣới (live washing)
Kiểm tra khả năng vệ sinh CSV khi đang làm việc trên lưới mà không dẫn
tới phóng điện bề mặt cách điện hoặc gây tăng nhiệt cục bộ của các điện trở phi
tuyến lên quá ngưỡng cho phép của CSV.
4.1.3.2. Lựa chọn CSV không khe hở sử dụng oxit kim loại nối giữa
pha và đất
Điện áp làm việc lâu dài
- 81 -
Điện áp làm việc lâu dài của CSV được lựa chọn phải có giá trị cao hơn giá
trị hiệu dụng cực đại của điện áp lưới điện tại nơi đấu nối, trong đó trị số điện áp
hiệu dụng cực đại của lưới điện được nhân thêm một hệ số an toàn 1,05 do có tính
tới khả năng tăng áp do tác dụng của các điện áp hài. Tổng quát, trị số điện áp làm
việc lâu dài của CSV có thể lựa chọn theo các quy tắc sau đây:
+ Trong hệ thống điện có trang bị bảo vệ chống chạm đất, trị số này có thể
chọn bằng hoặc cao hơn trị số cực đại của điện áp pha chia cho
+ Trong lưới điện có trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ
quang và không trang bị bảo vệ chống chạm đất, chọn trị số bằng hoặc cao hơn trị
số điện áp dây cực đại tại nơi đấu nối.
Trường hợp trị số điện áp dây cực đại tại nơi đấu nối CSV không thể có được
chính xác, có thể sử dụng trị số điện áp dây cực đại của lưới điện hoặc trị số điện áp
định mức của thiết bị.
Điện áp định mức
Điện áp định mức của CSV được lựa chọn dựa trên quá điện áp tạm thời xảy
ra tại nơi đấu CSV có xem xét tới biên độ và thời gian tồn tại của quá điện áp tạm
thời. Điện áp định mức được biểu diễn dưới dạng đường đặc tính Vôn-giây ở tần số
công nghiệp. Đường đặc tính này được chọn sao cho nó nằm trên hoàn toàn so với
đường đặc tính của Vôn-giây của biên độ quá điện áp tạm thời cực đại với thời gian
loại trừ sự cố, có tính toán tới hệ số dự phòng do ô nhiễm và khả năng vệ sinh trên
lưới của CSV.
Một số nguyên nhân gây ra quá điện áp tạm thời cần xem xét như sau:
- Các sự cố ngắn mạch chạm đất: quá điện áp xảy ra trên một phần lớn của
lưới điện, thời gian tồn tại phụ thuộc vào thời gian giải trừ sự cố, khoảng dưới 1s
đối với lưới điện nối đất trực tiếp, vài chục giây với lưới điện nối đất qua cuộn dập
hồ quang và có thể kéo dài tới hàng giờ trong lưới điện có trung tính cách điện.
- Sa thải phụ tải: khi sa thải phụ tải có thể sẽ xảy ra quá điện áp ở điện cực
phía nguồn cấp của máy cắt thực hiện thao tác đóng cắt. Biên độ quá áp phụ thuộc
- 82 -
vào tính chất phụ tải và công suất ngắn mạch của trạm biến áp nguồn. Trị số này
đặc biệt cao trong trường hợp sa thải phụ tải hoàn toàn ở đầu cực bộ máy phát-
MBA, tùy thuộc trị mức độ bão hòa từ và mức độ lồng tốc của rô to máy phát. Bội
số quá áp do sa thải phụ tải thường không phải là hằng số trong thời gian tồn tại của
nó, việc tính toán chính xác cần thiết phải sử dụng rất nhiều tham số.
Tuy vậy có thể đưa ra một số trị số định hướng như sau:
+ Đối với hệ thống điện cỡ trung bình, khi mất tải đột ngột 100% có khả
năng sẽ gây ra quá điện áp pha- đất với biên độ không lớn hơn 1,2 p.u. Thời gian
tồn tại quá điện áp phụ thuộc vào hiệu quả làm việc của thiết bị tự động điều chỉnh
điện áp, có thể kéo dài tới vài phút.
+ Với hệ thống điện cỡ lớn, hậu quả của mất tải 100% có thể gây ra quá điện
áp với biên độ tới 1,5 p.u và thậm chí cao hơn khi xảy ra hiệu ứng Ferranti hay hiện
tượng cộng hưởng. Thời gian tồn tại có thể kéo dài vài giây.
+ Đối với trường hợp mất tải đầu cực bộ máy phát- MBA, biên độ quá điện
áp có thể tới 1,4 p.u với máy phát thủy điện và 1,5 p.u với máy phát nhiệt điện. Thời
gian tồn tại vào khoảng 3 giây.
Ngoài ra, trong một số trường hợp cần nghiên cứu hiện tượng quá điện áp
tạm thời phát sinh do:
+ Hiện tưởng cộng hưởng (đóng đường dây không tải,…)
+ Hiệu ứng Ferranti (điện áp thay đổi dọc theo chiều dài đường dây dài cao
áp và siêu cao áp)
+ Quá điện áp sóng hài, ví dụ đóng cắt máy biến áp.
+ Hiện tượng bị cấp nguồn ngược (backfeeding) với các MBA có các cuộn
dây đấu chung (ví dụ trường hợp hai MBA giảm áp có cuộn thứ cấp mắc chung vào
cùng một thanh cái và một MBA bị cắt nguồn phía sơ cấp do sự cố hoặc trường hợp
MBA 3 pha tải thứ cấp không đối xứng bị cắt 1 pha)
Bên cạnh đó cũng cần xem xét tới khả năng sự cố xếp chồng của các nguyên
nhân gây quá áp tạm thời, chẳng hạn việc sa thải phụ tải nối tiếp do cắt ngắn mạch.
- 83 -
Trong những trường hợp như vậy, cần nghiên cứu chi tiết lượng phụ tải bị cắt ứng
với các điểm ngắn mạch khác nhau và vị trí đặt của CSV.
Đặc tính V-s điện áp định mức của CSV phải nằm hoàn toàn ở phía trên
đường đặc tính biên độ cực đại của quá điện áp tạm thời với thời gian tồn tại của nó
(nằm trong khoảng từ 0,1 s đến 100 s). Để thuận tiện trong việc so sánh với kết quả
thu được từ thử nghiệm vận hành (operating duty test) (tiến hành trong 10s), người
ta thực hiện quy đổi đặc tính V-s này về trị số biên độ quá áp tạm thời tương đương
Ueq trong thời gian 10s:
(4.1)
Trong đó Ut-biên độ của quá điện áp tạm thời
Tt-thời gian tồn tại quá điện áp tạm thời [s]
Ueq-biên độ của quá điện áp tạm thời quy đổi trong thời gian 10s
m-hệ số đặc trưng sự biến thiên điện áp tần số công nghiệp theo thời
gian của CSV. Trị số này khác nhau với các CSV có thiết kế khác nhau và nằm
trong khoảng từ 0,018 tới 0,022. Trường hợp không có trị số cụ thể, có thể lấy giá
trị trung bình 0,02.
Điện áp định mức của CSV phải lớn hơn trị số lớn nhất của quá điện áp tạm
thời quy đổi tính toán ở trên.
Chú ý:
+ Thông thường người ta sử dụng một phạm vi an toàn 5%-15% giữa điện áp
định mức của CSV với trị số quá điện áp quy đổi để hạn chế sai số mắc phải trong
việc tính toán biên độ quá áp tạm thời.
+ Trong trường hợp đường đặc tính bảo vệ của loại CSV được lựa chọn cao
hơn so với yêu cầu, có thể cho phép lựa chọn loại có điện áp định mức thấp hơn trị
số quá điện áp tạm thời 10s quy đổi với điều kiện CSV phải có khả năng thông thoát
năng lượng phát sinh từ các loại quá điện áp xuất hiện trong lưới. Khi đó phải tính
toán mô phỏng các tình huống vận hành của lưới để tính toán năng lượng thông
- 84 -
thoát qua CSV. Bên cạnh đó cần lưu ý tới đặc tính tản mác của đường đặc tính V-A
của CSV.
Dòng điện phóng điện danh định và cấp phóng điện đƣờng dây
Dòng điện phóng điện danh định
Dòng điện phóng điện danh định được lựa chọn căn cứ vào dòng điện
phóng điện sét có khả năng xuất hiện tại CSV. Các nội dung cần nghiên cứu khi
lựa chọn trị số dòng phóng điện danh định cho CSV loại không khe hở cũng
tiến hành tương tự như đối với CSV có khe hở đã trình bày ở mục 2.2.2 và cũng
có thể sử dụng các giá trị định hướng như vậy để lựa chọn loại CSV cần sử
dụng.
Khả năng thông thoát năng lƣợng
CSV kiểu oxit kim loại phải có khả năng tản phần năng lượng phát sinh do
các xung quá điện áp quá độ trong hệ thống điện. Các quá điện áp quá độ nguy hiểm
nhất trong hệ thống điện phát sinh do các nguyên nhân sau đây:
+ Đóng và tự đóng lại đường dây tải điện khoảng cách lớn.
+ Hiện tượng phóng điện trở lại (restriking) khi cắt các bộ tụ điện hoặc các
đường dây cáp.
+ Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn trên không có mức cách điện xung (BIL)
lớn hoặc xảy ra phóng điện ngược gần với vị trí đặt CSV.
Với các ngƣỡng bảo vệ đã biết của CSV, có thể ƣớc lƣợng đƣợc
năng lƣợng mà CSV phải thông thoát bằng các công thức sau đây:
+ Đóng và tự đóng lại đường dây:
(4.2)
Trong đó W-năng lượng hấp thụ của CSV
Ups-ngưỡng bảo vệ xung thao tác của CSV
Ue-biên độ quá điện áp, được tính toán theo tiêu chuẩn IEC 60071-2
Z-tổng trở sóng của đường dây
- 85 -
TW-thời gian truyền sóng dọc đường dây (bằng chiều dài đường dây chia
cho vận tốc truyền sóng trên dây)
+ Đóng cắt đường dây cáp và bộ tụ
(4.3)
Trong đó C-điện dung của bộ tụ hoặc đường dây cáp
U0-giá trị đỉnh của điện áp pha lưới
Ur-điện áp định mức hiệu dụng của CSV
Phần năng lượng hấp thụ có thể tản song song qua các CSV đấu cùng pha
với nhau. Tỉ lệ hấp thụ giữa các CSV cần thiết phải nghiên cứu tính toán cụ thể.
+ Phóng điện sét
(4.4)
Trong đó Upl-ngưỡng bảo vệ sét của CSV
Uf-trị số điện áp phóng điện cực tính âm của cách điện đường dây
Z-tổng trở sóng của đường dây
N-số đường dây cùng nối vào CSV tại thời điểm CSV phóng điện
Tl-thời gian tồn tại tương đương của phóng điện sét (bao gồm cú sét đầu
tiên và các cú sét thành phần tiếp theo). Có thể sử dụng giá trị điển hình 3.10-4
s.
Ngoài các nguyên nhân trình bày ở trên, một số ít trường hợp vận hành khác
cũng có thể gây ra tình huống CSV phải thông thoát một lượng năng lượng lớn. Ví
dụ tiêu biểu là việc chọn cầu chì có trị số dòng chảy cao hơn nhiều so với trị số yêu
cầu bảo vệ của xuất tuyến hoặc việc chọn CSV có ngưỡng bảo vệ quá thấp.
Cấp giải trừ áp suất
CSV lựa chọn phải có trị số dòng chịu đựng ngắn mạch cao hơn trị số dòng
ngắn mạch có khả năng xuất hiện tại điểm đấu CSV để bảo đảm khi sự cố, áp suất
trong CSV không tăng quá mức dẫn tới nổ cách điện ngoài của nó.
- 86 -
4.1.4. Ứng dụng của CSV
4.1.4.1. Bảo vệ chống các xung quá điện áp đầu sóng dài
Vấn đề bảo vệ chống quá điện áp từ các xung thao tác thường chỉ được xem
xét đối với các hệ thống điện có điện áp định mức thuộc dải II vì biên độ các quá
điện áp này bằng và thậm chí cao hơn quá điện áp gây ra do sét. Trị số đại diện của
quá điện áp thao tác tại thiết bị được bảo vệ bằng chống sét van bằng chính trị số
ngưỡng bảo vệ xung thao tác của chống sét van đó do có thể bỏ qua hiệu ứng lan
truyền sóng, trừ trường hợp với các đường dây tải điện.
CSV không khe hở loại oxit kim loại thường rất hiệu quả khi bảo vệ chống
các xung quá điện áp có thời gian đầu sóng dài trong khi với loại có khe hở, chỉ có
tác dụng sau khi xung quá áp gây ra phóng điện chọc thủng khe hở cách điện. Nhìn
chung việc giới hạn trị số quá điện áp pha-đất vào khoảng 2 lần trị số điện áp pha
hiệu dụng là hoàn toàn có thể đối với CSV không khe hở, trong khi trị số này sẽ cao
hơn đáng kể khi sử dụng CSV có khe hở. Điều đó có nghĩa rằng CSV oxit kim loại
rất thích hợp để bảo vệ chống quá điện áp khi đóng và tự đóng lại đường dây tải
điện cũng như khi cắt dòng điện điện cảm và điện dung trị số bé nhưng lại kém hiệu
quả đối với quá điện áp phát sinh do sự cố ngắn mạch chạm đất và quá trình cắt giải
trừ sự cố do biên độ quá điện áp quá thấp.
Quá điện áp khi thao tác đóng và tự đóng lại đường dây tải điện thường làm
phát sinh quá dòng cỡ 0,5-2kA qua CSV, trị số chính xác dòng điện này thường
không cần thiết xác định chính xác do đặc tính phi tuyến rất mạnh của các điện trở
oxit kim loại. Ngoài ra hiệu ứng dốc đầu sóng của sóng thao tác cũng có thể bỏ qua.
CSV thường được mắc giữa đường dây pha và đất, và trong trường hợp sử
dụng CSV loại oxit kim loại, trị số quá điện áp pha-pha thường vào khoảng 2 lần
ngưỡng bảo vệ thao tác của CSV nối pha-đất. Quá điện áp pha-pha sẽ bao gồm 2
thành phần quá điện áp pha-đất và thường với tỉ lệ 1:1. Trong trường hợp cần giới
hạn mức quá điện áp pha-pha xuống trị số nhỏ hơn nữa, sẽ cần thiết phải sử dụng
thêm CSV mắc giữa các dây dẫn pha với nhau.
- 87 -
4.1.4.2. Bảo vệ chống quá điện áp sét
Khái niệm chung
Do độ dốc đầu sóng của quá điện áp sét thường rất lớn nên không thể bỏ qua
hiệu ứng sóng truyền giữa CSV và thiết bị được bảo vệ. Vì thế điện áp tại thiết bị
được bảo vệ thường cao hơn trị số điện áp dư của CSV, đôi khi nếu khoảng cách đủ
xa, trị số này có thể vượt qua ngưỡng chịu đựng quá áp của thiết bị. Vì thế một
nguyên tắc cơ bản khi bảo vệ chống quá áp bằng CSV là bảo đảm khoảng cách
CSV-thiết bị càng ngắn càng tốt. Trường hợp giới hạn là CSV đặt ngay tại vị trí của
thiết bị được bảo vệ. Tuy nhiên thông thường CSV cũng có thể được sử dụng để
bảo vệ nhiều thiết bị khác xung quanh nó trong phạm vi bảo vệ của mình với điều
kiện độ dốc đầu sóng quá điện áp sét tràn vào trạm được giới hạn ở mức cần thiết
bằng cách bố trí các hệ thống chống sét cho trạm và các đường dây vào trạm.
Yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới việc lựa chọn vị trí đặt của CSV trong trạm
chính là vấn đề bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện và TBA. Ngay cả trong
trường hợp đường dây không treo DCS thì việc bố trí bảo vệ chống sét đánh trực
tiếp cho TBA vẫn hoàn toàn cần thiết để giảm thiểu xác suất xuất hiện các quá điện
áp có biên độ rất lớn và đầu sóng rất dốc xâm nhập vào trạm do bị sét đánh trực
tiếp. Theo các số liệu thống kê được, thì phần lớn các cú sét đánh xuống hệ thống
điện là về phía các đường dây tải điện, làm phát sinh quá điện áp lan truyền theo
đường dây đi về phía TBA. Nếu đường dây có treo DCS thì một phần sẽ tản vào đất
qua hệ thống nối đất chân cột, phần sóng quá điện áp lan truyền dọc theo dây về
trạm sẽ có biên độ và độ dốc giảm thiểu hơn nhiều so với trường hợp đường dây
không treo DCS. Do đó điện áp dư trên CSV có biên độ thấp hơn và giảm thiểu
nguy cơ gây quá áp trên đối tượng được bảo vệ trong trạm.
Trường hợp trạm chỉ có một đường dây đến không treo DCS, thiết bị chống
sét nên đặt càng gần thiết bị càng tốt. Đối với trạm có nhiều đường dây không treo
DCS nối vào, biên độ và độ dốc sóng quá điện áp sẽ phân chia giữa các đường dây
làm giảm mức độ nguy hiểm, tuy nhiên lại làm tăng xác suất sét đánh vào đường
dây và quá điện áp biên độ cao lan truyền vào trạm. Ở đây cần lưu ý tính toán tới
- 88 -
trường hợp trong một số phương thức vận hành, một hoặc một số đường dây bị cắt
ra khỏi lưới và có khả năng quá điện áp sét xuất hiện vào những thời điểm này. Khi
đó có khả năng một số thiết bị bố trí tại đầu vào đường dây vào trạm hoặc một số
thiết bị của trạm nằm ngoài phạm vi bảo vệ của CSV. Tất nhiên sét đánh vào đường
dây tải điện bị cô lập thường ít khi gây ra nguy hiểm đối với cách điện cột của nó
mà chủ yếu với cách điện của các thiết bị đi kèm như máy cắt, BU, BI phía đường
dây. Trường hợp như vậy cần bố trí thêm các thiết bị chống sét ở đầu vào đường
dây tương ứng.
Do sóng quá điện áp lan truyền từ phía đường dây có treo DCS có biên độ và
độ dốc suy giảm nên cho phép bố trí một khoảng cách nhất định từ thiết bị chống
sét tới đối tượng bảo vệ. Đối với trạm có một đường dây tới, chỉ cần bố trí một bộ
chống sét để bảo vệ cho tất cả các thiết bị trong đó cần ưu tiên bảo vệ MBA, có thể
sử dụng công thức (4.7) để xác định khoảng cách cực đại từ thiết bị chống sét đến
MBA. Trường hợp trạm có nhiều đường dây có treo DCS nối vào, không nhất thiết
phải đặt mỗi MBA một bộ CSV mà có thể phối hợp các phạm vi bảo vệ của các
CSV để giảm thiểu số lượng CSV sử dụng. Có thể sử dụng công thức (4.7) để xác
định khoảng cách tối đa cho phép. Đối với các TBA có cấu hình phức tạp, cần thiết
sử dụng các chương trình máy tính để mô phỏng tính toán lan truyền quá điện áp.
Có hai phương pháp để tính toán bảo vệ chống sét của CSV:
+ Cho trước ngưỡng bảo vệ sét của CSV và khoảng cách CSV-thiết bị, xác
định điện áp chịu đựng phối hợp xung sét của cách điện thiết bị. Trị số định mức
điện áp chịu đựng xung sét của thiết bị cần có được tính toán bằng cách nhân giá trị
trên với hệ số dự phòng lấy bằng 1,15.
+ Cho trước ngưỡng bảo vệ xung sét và điện áp chịu đựng phối hợp của thiết
bị, xác định khoảng cách tối đa giữa CSV- thiết bị. Trị số điện áp chịu đựng phối
hợp của thiết bị có được bằng cách lấy trị số định mức điện áp chịu đựng xung sét
của thiết bị chia cho một hệ số 1,15.
- 89 -
Về nguyên tắc, cả hai phương pháp trên yêu cầu phải biết trước dạng xung
quá điện áp xuất hiện tại đầu cực thiết bị và trị số điện áp chịu đựng tương ứng với
dạng xung quá điện áp này, tuy nhiên, một cách gần đúng, giả thiết rằng các yêu cầu
trên luôn được thỏa mãn trong các điều kiện sau đây:
+Đối với CSV có khe hở:
* Điện áp phóng điện chọc thủng đầu sóng gần bằng với điện áp chịu
đựng với xung cắt (chopped) của sóng sét của đối tượng bảo vệ. Và/hoặc:
* Điện áp phóng điện chọc thủng xung sét tiêu chuẩn và điện áp dư
ứng với dòng phóng điện danh định gần bằng với điện áp chịu đựng xung sét
của đối tượng bảo vệ.
Với MBA cách điện bằng giấy tẩm dầu, cả hai phương pháp tính toán trên
đều cho kết quả gần như nhau. Bên cạnh đó, các MBA lớn có điện dung đầu vào lớn
cũng có tác dụng hạn chế độ dốc đầu sóng và do đó bỏ qua không xem xét tới.
Trường hợp các thiết bị phía đường dây đầu vào trạm có mức điện áp chịu
đựng xung cắt của sóng sét nhỏ hơn 15% điện áp xung toàn sóng thì cần thiết phải
xem xét phối hợp cách điện bằng trị số phóng điện chọc thủng đầu sóng.
Đối với trạm GIS, sự phản xạ và khúc xạ của sóng trong trạm làm giảm độ
dốc đầu sóng và khiến CSV phóng điện ở trị số thấp hơn nhiều điện áp phóng điện
đầu sóng. Do đó để đơn giản sẽ bỏ qua hiện tượng phóng điện đầu sóng của CSV.
+ Đối với CSV không khe hở: Điện áp dư ứng với dòng phóng điện danh
định và/hoặc xung dòng điện cực dốc (steep current impulse) gần bằng với điện áp
chịu đựng xung sét của thiết bị.
Dòng phóng điện qua CSV khi sử dụng trị số quá điện áp đại diện
(representative lightning overvoltage) để tính toán bảo vệ chống sét thường có thời
gian đầu sóng gần với thời gian 1µs (steep current impulse) hơn là 8 µs (nominal
discharge current). Do đó việc sử dụng trị số điện áp dư ứng với xung dòng điện
cực dốc (steep current impulse) là hợp lý và trị số quá điện áp sẽ cao hơn khoảng
- 90 -
5% so với khi dùng trị số điện áp dư ứng với xung dòng phóng điện danh định (8/20
µs).
Phƣơng pháp đơn giản hóa để tính toán bảo vệ chống sét
Đối với TBA ngoài trời
Với các giả thiết nêu ra ở trên, trị số điện áp chịu đựng phối hợp xung sét của
thiết bị có thể được tính toán từ công thức kinh nghiệm sau:
(4.5)
Trong đó
là khoảng chiều dài đường dây trước khi vào trạm cho
suất cắt bằng với suất sự cố cho phép, vế phải của phương trình trên được nhân với
tỉ số A/N đặc trưng cho độ dốc của sóng quá điện áp đại diện (representative) truyền
từ đường dây vào trạm.
Ra-suất sự cố (số sự cố trên một đơn vị thời gian) cho phép của đối
tượng bảo vệ.
r-suất cắt của đường dây trên không (số lần cắt/năm/đơn vị chiều
dài đường dây) ứng với từng loại cột trong khoảng 1km đầu tiên của đường dây
trước khi vào trạm.
A-trị số điện áp ứng với bảng 4.2 về chỉ tiêu chịu sét của đường dây
trên không nối vào trạm
N-số lượng ĐDK nối vào trạm (N=1 hoặc N=2)
Ucw-trị số điện áp chịu đựng phối hợp đối với xung sét
Upl-ngưỡng bảo vệ xung sét của CSV.
Lt-tổng chiều dài d+d1+d2+dA
Lsp-chiều dài khoảng cột
Trị số suất sự cố cho phép thông thường của thiết bị vào khoảng 0,1%-
0,4%/năm. Đối với các đường dây ở lưới phân phối, suất cắt thường khá lớn
so với trị số suất sự cố cho phép của thiết bị, tức là chiều dài đoạn dây Lf rất nhỏ do
đó có thể bỏ qua và công thức tính toán trở thành
- 91 -
(4.6)
Hình 4.2. Truyền sóng trong trƣờng hợp trạm không có lƣới nối đất
(trạm treo)
Hình 4.3. Truyền sóng trong trƣờng hợp trạm có lƣới nối đất
Trong đó d-khoảng cách giữa điện cực cao áp của thiết bị được bảo vệ
và điểm đấu của chống sét.
d1-chiều dài thanh dẫn cao áp của chống sét
d2-chiều dài dây dẫn nối đất
dA-chiều dài chống sét
Ze-tổng trở nối đất
T-đối tượng bảo vệ
U-sóng quá điện áp lan truyền vào trạm
Lƣu ý: Công thức gần đúng trên biểu diễn sụt áp trong hệ đơn vị tương đối
dựa trên chỉ tiêu chống sét của đường dây trên không nối với thiết bị, cấu hình trạm
và suất sự cố cho phép. Hằng số A được xây dựng căn cứ vào những hiểu biết đã có
về chỉ tiêu chịu sét của đường dây cũng như tác dụng của vầng quang trên đường
- 92 -
dây tải điện. Kết quả tính toán từ công thức tương đối phù hợp với các phạm vi bảo
vệ theo kinh nghiệm vận hành đường dây và trạm. Công thức trên chỉ đúng trong
các điều kiện đã chỉ ra trong mục 4.1.4.2, không áp dụng cho trƣờng hợp sóng
quá điện áp có dạng khác dạng đã đề cập đến ở trên.
Trường hợp đã biết trị số định mức điện áp chịu đựng phối hợp xung sét của
thiết bị, phạm vi bảo vệ của chống sét được xác định dựa trên công thức sau:
(4.7)
Trong đó Lp-phạm vi bảo vệ
Urw-điện áp định mức chịu đựng xung sét của thiết bị được bảo
vệ
Công thức trên cũng đề xuất khả năng tăng phạm vi bảo vệ của chống sét,
khi các thông số của trạm đã xác định, có thể:
-Tăng độ chênh lệch giữa trị số định mức điện áp chịu đựng xung sét của
thiết bị và ngưỡng bảo vệ của chống sét.
-Giảm suất cắt của đoạn đường dây dẫn vào trạm, tương ứng với việc tăng
cường Lf , tức treo dây chống sét ở một số đoạn đường dây trước khi vào trạm và
giảm điện trở nối đất chân cột.
-Tăng suất sự cố cho phép với thiết bị.
Bảng 4.3 trình bày một số kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của thiết bị
chống sét trong đó các số liệu có gạch chân là các kết quả thường được sử dụng
trong thực tế. Phạm vi bảo vệ 160m và 180m thường được sử dụng đối với các trạm
có treo DCS ở một số đoạn trước trạm và sử dụng chống sét đặt ở MBA để bảo vệ
chung cho các thiết bị phía đầu vào đường dây.
- 93 -
Bảng 4.2: Hằng số điện áp A cho một số dạng đƣờng dây trên không
A
kV
Đƣờng dây phân phối (phóng điện pha-pha)
+Có xà nối đất
+Cột gỗ
Đƣờng dây truyền tải (phóng điện pha-đất)
+Dây đơn
+Dây pha phân đôi
+Dây pha phân bốn
+Dây pha phân 6 và 8
900
2700
4500
7000
11000
17000
Đối với trạm GIS
Với trạm biến áp kiểu kín (GIS), nhìn chung việc thực hiện bảo vệ chống quá
điện áp sẽ thuận lợi hơn so với trạm biến áp ngoài trời do có tổng trở sóng nhỏ hơn
nhiều so với đường dây trên không. Tuy nhiên để đưa ra những quy tắc chung nhằm
ước lượng mức độ cải thiện về độ an toàn giữa trạm GIS và trạm ngoài trời là rất
khó khăn. Nếu vẫn sử dụng công thức tính toán trên cho trạm ngoài trời sẽ dẫn tới
kết quả tương đối “bi quan” so với cần thiết. Do đó có thể giảm giá trị A trong bảng
4.2 đi 2 lần để sử dụng tính toán với trạm GIS.
Một quy tắc chung khi xem xét bảo vệ trạm GIS đó là phải bố trí chống sét
van tại đầu đường dây nối vào trạm để bảo vệ trạm ngay cả trong trường hợp MC
phía đường dây hở mạch. Ngoài ra có thể bố trí thêm CSV tại MBA trong trường
hợp khoảng cách từ MBA tới CSV tại đầu vào quá xa hoặc có khả năng xảy ra quá
điện áp tại MBA trong trường hợp CSV đầu vào bị cắt ra. Để tăng cường khả năng
bảo vệ đối với các xung đầu sóng ngắn, cần bố trí thêm CSV trong trạm GIS để hạn
chế tăng áp do truyền sóng trong đoạn giữa CSV đặt bên ngoài trạm và MBA.
Khi tính toán phạm vi bảo vệ bằng công thức xấp xỉ ở trên và dẫn tới kết
luận phải đặt thêm CSV trong trạm, lúc đó thay vì áp dụng, phải thực hiện tính toán
lại cụ thể quá trình truyền sóng trong trạm để tính toán các thông số lựa chọn CSV.
- 94 -
Vấn đề bảo vệ chống quá điện áp trạm GIS với đầu sóng cực dốc thường
không khả thi do xuất hiện các thành phần tần số cao và do hiện tượng trễ trong cơ
chế dẫn điện của CSV oxit kim loại. Chống sét van loại có khe hở sẽ không phóng
điện.
Bảo vệ trạm kết nối bằng cáp
Cũng tương tự như với trạm GIS, với cùng kích thước thì trạm kết nối bằng
cáp dễ thực hiện bảo vệ chống quá điện áp hơn so với trạm ngoài trời. Tuy nhiên ở
đây cũng không thể đưa ra các quy tắc định lượng tổng quát.
CSV nên được lắp đặt ở các đầu nối ĐDK và cáp. Cũng có thể sử dụng công
thức ước lượng với trạm ngoài trời ở trên để tính toán phạm vi bảo vệ “bi quan” của
CSV. Trong trường hợp có nhiều hơn 1 đường dây nối vào trạm qua cáp tại thời
điểm sét đánh thì các CSV này có đủ khả năng bảo vệ cho trạm. Nếu trong một số
phương thức vận hành có khả năng đoạn cáp nối với trạm bị hở mạch ở cuối hoặc
chiều dài đoạn cáp dài hơn cỡ 5 lần trị số tính toán được bằng công thức (4.7) thì
cần thiết bố trí thêm một CSV ở đầu cuối đoạn cáp đó. Với đoạn cáp nối với đường
dây trên không qua trạm thì cũng cần áp dụng những nguyên tắc nêu trên.
Bảo vệ cáp điện lực
Nếu chiều dài đoạn cáp liên lạc giữa hai đường dây trên không dài hơn cỡ 5
lần giá trị tính toán được ở công thức (4.7) thì cần bố trí CSV ở cả hai đầu nối cáp.
Đối với cáp có điện áp định mức từ 72,5kV trở lên, cần thiết treo DCS trong
một số khoảng cột gần tới đoạn nối cáp (thông thường là 3 khoảng cột) và đảm bảo
trị số điện trở nối đất chân cột bé.
4.2. ỨNG DỤNG TIÊU CHUẨN IEC 60099-5 VÀO VIỆC LỰA
CHỌN CHỐNG SÉT VAN CỦA LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
Yêu cầu lựa chọn CSV trong lưới trung áp thường rút gọn về lựa chọn thông
số sau đây:
CSV có khe hở (SiC)
- Điện áp định mức
- 95 -
Đặc tính bảo vệ (Điện áp chọc thủng với xung sét hoặc điện áp dư với dòng
phóng điện danh định)
CSV không khe hở (ZnO)
- Điện áp làm việc cực đại lâu dài (MCOV)
- Điện áp định mức (đặc tính V-s tần số công nghiệp) (kiểm tra theo TOV
và tTOV)
Sau khi chọn được CSV, cần kiểm tra phối hợp cách điện của thiết bị (BIL).
Ở đây chỉ kiểm tra được cho trường hợp sơ đồ trạm đơn giản (1 MBA, 1 hoặc 2 lộ
tới). Các trường hợp phức tạp hơn, thường yêu cầu mô phỏng cụ thể bằng chương
trình máy tính (EMTP)
Ví dụ xem xét một xuất tuyến của lưới điện tỉnh Hưng Yên
Sơ đồ một sợi của xuất tuyến 372 từ trạm E8.3 (lƣới điện 22 kV, trung
tính nối đất trực tiếp)
Hình 4.4. Sơ đồ một sợi của xuất tuyến 372 E8.3
Sơ đồ thay thế của xuất tuyến 372 từ trạm E8.3 trong ATP-EMTP (lấy MBA
nguồn tỉ số biến áp định mức 115kV/27,5kV)
Liªn Ph¬ng 4633
AC70/0,46
320
An ChiÓu 1-LP
629 6x100 kVAr
BTS UBND
X· Thñ Sü
ac50/1.17
Qu¶ng Ch©u 4160
7
a
c
50/0
.634
24
ac50/0.06
ac50/0.03
M48/0.03
ac50/0.04
ac50/1.5
AC
50/0
.01
ac50/1.312
ac
50
/0.2
16
ac50/0.42
372 E8.3
CD1
10
CD665
CD640
Ph¬ng Th«ng-PC
Ph¬ng §é-HN
180
Cty cÊp níc
5
180Thèng NhÊt-TS
180Lª b·i-TS
100B·i GiÕng1
15
11637A
L§2
ac
50/0
.14
ac
50/0
.78
320B.Ba Hµng-TS
320180B.ThÊt Viªn-TS
160
Qu¶ng Ch©u 3
180
12
Qu¶ng Ch©u 2
§§
665
ac
50
/1.7
B·i GiÕng2
665A
180
18BCD1
100
661655
645
639
50
ac50/2.305
17
16
m 4
8
631
CDPT
B.Hång Nam
180Phè HiÕn
160629
Qu¶ng ch©u 1
180
320
Hång Nam
Ph¬ng chiÓu
ac
50/0
.02
ac
50/1
.083
ac
50
/0.3
M48/0.015 180B.Cèng V©n-PC
2x180An ChiÓu 2-LP
320ac50/0.08
627
§ay&May
250
4A
BTS
Hång Nam
- 96 -
Hình 4.5. Sơ đồ thay thế trong ATP-EMTP của xuất tuyến 372 E8.3
Ngắn mạch tại đầu xuất tuyến (trạm E8.3)
Hệ số quá áp tại đầu nguồn
Hình 4.6. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn
BCT
Y Y
661AC120
655AC120
645AC120
639
AC
12
0
637A
AC
12
0
AC
50 629
631
AC
12
0
5
AC
50
10
AC
50
11AC50
16AC50
AC
50
17AC50
18BAC50
24AC50
12AC50
7AC50
665AAC120
4A
AC
50
C5
0
B320
BC
T
Y
B250BCT
Y
AC50 B180BCT
Y
15AC50 B100BCT
Y
AC
50
B100BC
T
Y
AC50 B180BCT
Y
AC
50
B180BC
T
Y
AC
50
B180BC
T
Y
C5
0
B320BC
T
Y
AC50 B320BCT
YA
C5
0
B180BCT
Y
AC
50
B180BC
T
Y
633
C5
0
B320BC
T
Y
AC
50
B180BCT
Y
B180BCT
Y
AC
50
B160
BC
T
Y
AC
50
B50BC
T
Y
AC
50
B180
BC
T
Y
B180BC
T
Y
B180BC
T
Y
AC
50
B160
BC
T
Y
KT2AC50 B160BCT
Y
B320BC
T
Y
V
V
(f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :665AA v :665AB v :665AC
0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms]-30
-20
-10
0
10
20
30
40
[kV]
- 97 -
Hình 4.7. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp xa nhất
(Quảng Châu 3)
Nhận xét: Khi ngắn mạch chạm đất một pha tại đầu nguồn (pha A), điện
áp các pha lành không vượt quá trị số điện áp pha cực đại
Ngắn mạch tại điểm xa nhất (phía cao áp trạm biến áp Quảng Châu
3)
Hình 4.8. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn
(ngắn mạch pha A tại Quảng Châu 3)
Hình 4.9. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp Quảng
Châu 3 (ngắn mạch pha A tại Quảng Châu 3)
(f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :KT2A v :KT2B v :KT2C
0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms]-30
-20
-10
0
10
20
30
40
[kV]
(f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :665AA v :665AB v :665AC
0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms]-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
(f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :KT2A v :KT2B v :KT2C
0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms]-30
-20
-10
0
10
20
30
40
[kV]
- 98 -
Ngắn mạch tại một điểm trung gian trên xuất tuyến
Ta chọn tính toán cho một chạm bất kỳ, chẳng hạn TBA Liên Phương 4
Hình 4.10. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn
(ngắn mạch pha A tại Liên Phƣơng 4)
Hình 4.11. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp Liên
Phƣơng 4 (ngắn mạch pha A tại Liên Phƣơng 4)
Nhận xét:
TBA Biên độ điện áp pha lành
(kV)
Điện áp định mức
(kV)
Hệ số
quá áp
(p.u)
E8.3 21,55 21,45 1,002
Quảng
Châu 3 23,42 21,45 1,09
Liên
Phương 4 22,12 21,45 1,03
Lƣu ý: Trị số định mức được so sánh với biên độ điện áp pha lành ở chế độ
bình thường
- Các pha lành tại trạm đầu nguồn không bị quá điện áp
(f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :665AA v :665AB v :665AC
0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms]-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
(f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :633A v :633B v :633C
0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms]-35
-25
-15
-5
5
15
25
[kV]
- 99 -
- Các pha lành tại trạm Quảng Châu 3 bị quá áp với hệ số 1,09
- Các pha lành tại trạm Liên Phương 4 bị quá áp với hệ số 1,03
Thời gian tồn tại quá điện áp trên các pha lành này phụ thuộc vào thời gian
làm việc của bảo vệ chống ngắn mạch một pha. Thông thường, các xuất tuyến của
lưới phân phối có dạng hình tia, bảo vệ của nó chủ yếu là loại quá dòng điện có thời
gian phụ thuộc được phối hợp chọn lọc cho các phân đoạn của xuất tuyến, cùng với
rơ le chống chạm đất độ nhạy cao.
Rơ le quá dòng điện có thời gian phụ thuộc
Các cấp chọn lọc thời gian dự phòng thường lấy ∆t= 0,4 - 0,5 giây với rơ le
số. Do đó, với xuất tuyến có nhiều phân đoạn, thời gian cắt dự phòng sự cố có thể
kéo dài. Ví dụ có 5 phân đoạn, thời gian để MC đầu nguồn cắt loại trừ sự cố có thể
kéo dài tới t > 5. 0,5 = 2,5 giây.
Rơ le chống chạm đất độ nhạy cao
Thời gian làm việc từ 2 đến 3,5 giây [5]
Chọn CSV cho trạm biến áp Quảng Châu 3
Nếu xét trường hợp điện áp đầu nguồn thay đổi trong khoảng (0,9 - 1,05)Uđm
thì trị số điện áp trên pha lành tại trạm Quảng Châu 3 có thể đạt tới Umax= 1,05.
1,09. 21,45 = 24,55 (kV) trong khoảng thời gian tồn tại sự cố lấy bằng 2 giây.
Lựa chọn CSV có khe hở
o Điện áp định mức của CSV có khe hở phải luôn luôn lớn hơn trị số
điện áp cực đại tại điểm đặt CSV, do đó Uđm ≥ 24,55 / =
17,36(kV)
o Lựa chọn dòng phóng điện danh định (loại 5kA hoặc 10kA): phụ
thuộc trị số dòng sét (biên độ, dạng sóng cùng với xác suất xuất
hiện, mật độ sét tại nơi đặt trạm)
o Phối hợp cách điện với thiết bị trạm (chủ yếu là MBA- BIL): xác
định khoảng cách tối đa từ CSV - MBA, tỉ số bảo vệ (protection
ratio) (yêu cầu ≥ 1,2 [12])
- 100 -
Lựa chọn CSV không khe hở
o Điện áp làm việc cực đại lâu dài (MCOV) Uc ≥ 1,05. 21,45/ =
15,93 (kV)
o Quá điện áp tạm thời (TOV) quy đổi về thời gian 10s theo công
thức (4.1) ta có:
o Lựa chọn dòng phóng điện danh định (loại 5kA hoặc 10kA): phụ
thuộc trị số dòng sét (biên độ, dạng sóng cùng với xác suất xuất
hiện, mật độ sét tại nơi đặt trạm)
o Phối hợp cách điện với thiết bị trạm (chủ yếu là MBA- BIL): xác
định khoảng cách tối đa từ CSV - MBA, tỉ số bảo vệ (protection
ratio) (yêu cầu ≥ 1,2 [12])
Trị số điện áp định mức của CSV được chọn phải thỏa mãn
(kV)
Từ các kết quả tính toán nêu trên ta có thể lựa chọn các CSV do Siemens sản
xuất có thông số như sau:
CSV có khe hở: 3EG4 180-0A hoặc 3EG4 180-0B
Điện áp định mức Điện áp phóng điện chọc thủng
xung sét tiêu chuẩn
Điện áp dƣ với
dòng phóng điện 5kA
kV kV kV
18 60 60
CSV không khe hở: 3EH2 220
Điện áp định mức MCOV Điện áp dƣ với
dòng phóng điện 5kA (8/20)
kV kV kV
22 17,5 72
- 101 -
Lựa chọn CSV cho TBA Liên Phƣơng 4
Nếu xét trường hợp điện áp đầu nguồn thay đổi trong khoảng (0,9 - 1,05)Uđm
thì trị số điện áp trên pha lành tại trạm Liên Phương 4 có thể đạt tới Umax= 1,05.
1,03. 21,45 = 23,20 (kV) trong khoảng thời gian tồn tại sự cố tạm lấy bằng 1 giây.
Lựa chọn CSV có khe hở
o Điện áp định mức của CSV có khe hở phải luôn luôn lớn hơn trị số
điện áp cực đại tại điểm đặt CSV, do đó Uđm ≥ 23,20 / =
16,40(kV)
o Lựa chọn dòng phóng điện danh định (loại 5kA hoặc 10kA): phụ
thuộc trị số dòng sét (biên độ, dạng sóng cùng với xác suất xuất
hiện, mật độ sét tại nơi đặt trạm)
o Phối hợp cách điện với thiết bị trạm (chủ yếu là MBA- BIL): xác
định khoảng cách tối đa từ CSV - MBA, tỉ số bảo vệ (protection
ratio) (yêu cầu ≥ 1,2 [12])
Lựa chọn CSV không khe hở
o Điện áp làm việc cực đại lâu dài (MCOV) Uc ≥ 1,05. 21,45/ =
15,93 (kV)
o Quá điện áp tạm thời (TOV) quy đổi về thời gian 10s theo công
thức (4.1) ta có:
o Lựa chọn dòng phóng điện danh định (loại 5kA hoặc 10kA): phụ
thuộc trị số dòng sét (biên độ, dạng sóng cùng với xác suất xuất
hiện, mật độ sét tại nơi đặt trạm)
o Phối hợp cách điện với thiết bị trạm (chủ yếu là MBA- BIL): xác
định khoảng cách tối đa từ CSV - MBA, tỉ số bảo vệ (protection
ratio) (yêu cầu ≥ 1,2 [12])
- 102 -
Trị số điện áp định mức của CSV được chọn phải thỏa mãn
(kV)
Từ các kết quả tính toán nêu trên ta có thể lựa chọn các CSV do GE sản xuất
có thông số như sau: [16]
CSV không khe hở: 3EH2 220
Điện áp định mức MCOV Điện áp dƣ với
dòng phóng điện 5kA (8/20)
kV kV kV
21 17 47,6
Lựa chọn CSV cho TBA đầu nguồn
Như đã thấy, điện áp trên pha lành tại TBA đầu nguồn không vượt qua trị số
điện áp pha cực đại, do đó CSV sẽ được chọn theo điện áp pha cực đại trong chế độ
bình thường.
Lựa chọn CSV có khe hở
Chọn loại 3EG4 180-0A hoặc 3EG4 180-0B
Điện áp định mức Điện áp phóng điện chọc thủng
xung sét tiêu chuẩn
Điện áp dƣ với
dòng phóng điện 5kA
kV kV kV
18 60 60
Lựa chọn CSV không khe hở 3EH2 220
Điện áp định mức MCOV Điện áp dƣ với
dòng phóng điện 5kA
kV kV kV
18 17,5 72
Sau khi lựa chọn xong CSV, ta cần thiết phải kiểm tra phối hợp cách điện
xung sét với thiết bị của trạm để đảm bảo CSV có khả năng bảo vệ thiết bị ở một
xác suất tin cậy chấp nhận được.
- 103 -
Nhận xét
o Nhìn chung yêu cầu lựa chọn CSV đối với các TBA đầu nguồn nhẹ
hơn so với các trạm ở xa nguồn. Mức cách điện lựa chọn tại trạm đầu
nguồn giảm nhẹ so với trạm phía cuối nguồn nhiều hay ít phụ thuộc
vào mức độ quá áp tạm thời trong các tình huống sự cố (TOV) và yêu
cầu phối hợp cách điện với các thiết bị trong TBA.
o Như trên đã thấy: hệ số quá điện áp trên pha lành phụ thuộc rất nhiều
vào chủng loại dây, chiều dài tuyến dây, thông số MBA, chế độ nối
đất trung tính và cấu trúc lưới. Do đó khi tính toán hệ số quá điện áp
để lựa chọn cách điện, cần thiết phải tính toán hết các thông số này.
Đây là vấn đề tương đối khó thực hiện và thường bị bỏ qua trong
thực tế thiết kế quy hoạch. Điều này có lẽ cũng giải thích việc “Quyết
định số 1867 NL/KHKT ngày 12 tháng 9 năm 1994 về ban hành các
tiêu chuẩn kỹ thuật lƣới trung thế 22kV, Hà Nội” quy định lưới điện
22kV thực hiện trung tính nối đất trực tiếp nhưng cách điện được lựa
chọn theo điện áp dây. Tuy vậy, với việc lựa chọn CSV, không nhất
thiết việc lựa chọn trị số điện áp định mức cao sẽ đảm bảo CSV làm
việc an toàn tin cậy. Bởi vì khi điện áp định mức của CSV được nâng
cao, đặc tính bảo vệ của nó cũng tương ứng được nâng cao thêm,
tương ứng làm giảm hệ số bảo vệ và dẫn tới QĐA do xung dòng điện
sét tại thiết bị có thể vượt quá ngưỡng chịu đựng của nó.
- 104 -
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Lưới trung áp là một khâu trung gian của quá trình truyền tải điện năng từ
nơi sản xuất đến hộ sử dụng, có vai trò đặc biệt quan trọng quyết định đến chất
lượng điện năng mà người tiêu dùng thụ hưởng. Tuy nhiên, do đặc điểm của nước ta
còn khó khăn về kinh tế, vốn đầu tư cho lưới điện còn hạn chế, tốc độ tăng trưởng
phụ tải cũng như yêu cầu về chất lượng điện năng lại tăng trưởng quá nhanh nên
vấn đề ưu tiên đầu tư phát triển nâng cấp lưới điện trung áp còn nhiều hạn chế.
Nhiều yêu cầu nâng cao chất lượng điện áp, độ tin cậy, khả năng bảo vệ, tự động
hóa lưới điện còn chưa được quan tâm đúng mức. Một loạt vấn đề kinh tế kỹ thuật
với lưới trung áp rất cần đầu tư nghiên cứu để có những hiểu biết cơ bản và đề xuất
những hướng thực hiện hợp lý. Vấn đề QĐA trong lưới điện trung áp cũng là vấn đề
rất quan trọng vì nó ảnh hưởng tới việc lựa chọn mức cách điện cho thiết bị và việc
phối hợp cách điện giữa các thiết bị với nhau. Việc lựa chọn CSV ở lưới này thường
thực hiện đơn giản, ít quan tâm xem xét tới các yếu tố ảnh hưởng tới CSV trong quá
trình làm việc dẫn tới trong một số tình huống vận hành, CSV có thể bị quá áp và
dẫn tới bị phá hủy hoàn toàn.
Luận văn đã tập trung nghiên cứu các dạng QĐA trong lưới điện trung áp,
các trường hợp gây xuất hiện QĐA nguy hiểm với thiết bị, cũng như nghiên cứu
quy trình lựa chọn CSV được đề xuất trong IEC 60099-5 để đề xuất các phương
thức thực hiện khi xem xét lựa chọn CSV trong khi quy hoạch thiết kế lưới điện
trung áp.
Quy trình lựa chọn CSV là một bài toán phối hợp kinh tế-kỹ thuật và có thể
phải thực hiện một quy trình gồm nhiều bước lặp lại để tìm ra một mức cách điện
hợp lý tại điểm xét. Do một số ưu điểm của mình, CSV loại có khe hở vẫn tiếp tục
được sử dụng trong lưới trung áp song song với việc áp dụng ngày càng rộng rãi
CSV loại không khe hở. Chính vì vậy quy trình lựa chọn này cần phân biệt với hai
loại CSV trên. Trị số điện áp định mức lựa chọn cho CSV loại có khe hở phải luôn
cao hơn trị số điện áp đặt lên nó trong mọi tình huống vận hành với điện áp tần số
CN. Tuy nhiên, với CSV không khe hở, trị số điện áp định mức này biểu hiện dưới
- 105 -
dạng một đường đặc tính Vôn-giây tần số CN đặc trưng cho mức độ chịu quá áp
tạm thời của các đĩa điện trở của CSV không khe hở và khả năng tản nhiệt của nó.
CSV sau khi lựa chọn trị số điện áp định mức, cần thiết chọn trị số điện áp chịu
đựng phối hợp làm việc với các sóng QĐA xuất hiện tại điểm đặt. QĐA cần quan
tâm xem xét với lưới trung áp là QĐA khí quyển (sét) và QĐA tạm thời (TOV).
TOV đặc trưng bởi hệ số QĐA và thời gian tồn tại (tính từ lúc phát sinh tới lúc sự
cố được giải trừ).
Do điều kiện khả năng và thời gian còn hạn chế nên luận văn chỉ tập trung
nghiên cứu ảnh hưởng của QĐA tạm thời gây ra do sự cố ngắn mạch chạm đất một
pha. Đây là dạng sự cố có xác suất xảy ra nhiều nhất trong lưới trung áp, hệ số quá
áp của nó phụ thuộc vào tỉ số X0/X1 và là dạng sự cố gây ra mức độ quá áp TOV
nhỏ nhất trong các nguyên nhân gây ra TOV (sự cố không đối xứng, sa thải phụ tải,
backfeeding, hiệu ứng Ferranti, phản ứng của thiết bị điều tốc, điều áp, cộng hưởng
điều hòa, cộng hưởng sắt từ). Chính vì vậy thông số CSV lựa chọn theo hệ số quá
áp do chạm đất một pha được xem như trị số giới hạn dưới của thông số lựa chọn
cho CSV.
Hướng nghiên cứu sắp tới của đề tài là mở rộng nghiên cứu mô phỏng quá áp
cho các trường hợp gây ra TOV vừa kể ở trên, bao gồm các dạng sự cố không đối
xứng phức tạp khác, backfeeding, cộng hưởng điều hòa, cộng hưởng sắt từ, phản
ứng của thiết bị điều tốc, điều áp trong trường hợp có sự tham gia của nguồn phân
tán (thủy, nhiệt điện) trong lưới trung áp.
Với mong muốn hoàn chỉnh nội dung đề tài, tác giả mong được sự nhận xét
góp ý của các thầy cô, các đồng nghiệp để bổ sung hoàn thiện cũng như chỉnh sửa
các phần nội dung còn chưa chính xác, còn hạn chế và nâng cao hiểu biết các kiến
thức trong lĩnh vực chuyên môn ngành điện.
- 106 -
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Trần Bách (2000), “Lƣới điện và Hệ thống điện (Tập 1)”, NXB Khoa học và
Kỹ thuật.
[2] Nguyễn Thị Minh Chước (2001), “Hƣớng dẫn thiết kế tốt nghiệp Kỹ thuật
điện cao áp”, Hà Nội.
[3] Nguyễn Văn Đạm (2004), “Mạng lƣới điện (tập 1)”, NXB Khoa học và Kỹ
thuật.
[4] Võ Viết Đạn (1972), “Giáo trình Kỹ thuật điện cao áp”, Khoa Đại học Tại
chức – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[5] Trần Đình Long (2000), “Bảo vệ các Hệ thống điện”, NXB Khoa học và Kỹ
thuật.
[6] Ngô Hồng Quang (2002), “Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến
500kV”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[7] Đào Quang Thạch, Phạm Văn Hòa (2007), “Phần điện trong Nhà máy điện
và Trạm biến áp”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[8] Bùi Ngọc Thư (2007), “Mạng cung cấp và phân phối điện”, NXB Khoa học
và Kỹ thuật.
[9] Trần Văn Tớp (2002), “Kỹ thuật điện cao áp- Quá điện áp và bảo vệ chống
quá điện áp”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[10] Lã Văn Út (2000), “Ngắn mạch trong Hệ thống điện”, NXB Khoa học và
Kỹ thuật.
Tiếng Anh
[11] ABB Distribution Transformer Guide (2002).
[12] ANSI C62.22-1997, “IEEE guide for application of metal-oxide surge
arresters for Alternating-Current systems”.
[13] Canadian-American EMTP User Group, “EMTP Rule Book”.
- 107 -
[14] Central Station Engineers of the Westinghouse Electric Coorporation
(1964), “Electrical Transmission and Distribution Reference Book”.
[15] Hermann W. Dommel (1987), “EMTP Theory Book”.
[16] GE Arresters, “Tranquell® Surge Arresters: Product Selection and
Application Guide”.
[17] A. Haddad, D.F. Warne (2004), IEE Power and Energy Series 40,
“Advances in High Voltage Engineering”
[18] John Horak , “Zero sequence Impedance of Overhead Transmission Lines”,
Basler Electric.
[19] IEC 60071-1(1993), “Insulation Coordination- Part 1: Definitions,
Principles and Rules”.
[20] IEC 60071-2(1996), “Insulation Coordination- Part 2: Application Guide”.
[21] IEC 60099-4 (2004), “Surge Arresters – Part 4: Metal-oxide surge arresters
without gaps for A.C. systems”.
[22] IEC 60099-5 (2000), “Surge Arresters – Part 5: Selection and application
recommendations”.
[23] N. McDonagh et al. PAC World Dublin (2010), “Testing of EST’s 20kV
faulted phase earthing system”, MIEI, MIET, ESBI, Ireland.
[24] Siemens (2002), “Medium Voltage Equipment – Selection and Ordering
Data: Surge Arrester”.
[25] Juergen Schlabbach, Karl-Heinz Rofalski (2008), “Power System
Engineering- Planning, Design and Operation of Power Systems and
Equipment”, Wiley-VCH.
[26] Hans Kritian Høidalen (2002), “ATPDraw Manual 3.5”