Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 1 Chơng XV Quá điện áp khi cắt đờng dây không tải v bộ tụ điện Quá điện áp khi cắt đờng dây không tải và khi cắt điện dung có nhiều đặc điểm giống với quá điện áp khi ngắn mạch chạm đất bằng hồ quang vì chúng đuều có liên quan đến sự tích luỹ điện tích trên điện dung của hệ thống. ở đây sự cháy lại của hồ quang xảy ra giữa các tiếp điểm của máy cắt điện dùng để cắt đờng dây không tải ra khỏi nguồn. Quá điện áp có thể có trị số rất lớn đủ để phá hoại cách điện đờng dây và có khi đốt cháy cả máy cắt điện. Xét trờng hợp đơn giản đờng dây không tải dài l là tổng trở sóng Z đợc cắt ngay ở thanh góp của nguồn có công suất vô cùng lớn (hình 15-1). Khi máy cắt còn đóng mạch thì qua nó có dòng điện điện dung của đờng dây không tải, dòng điện này vợt trớc điện áp một góc 90 o . Khi cắt máy cắt điện, hồ quang giữa các tiếp điểm tắt lúc dòng điện qua trị số không tức là lúc điện áp nguồn đạt trị số cực đại do đó có thể cho rằng khi hồ quang tắt điện dung đờng dây đợc nạp tới mức điện áp U ph và giả thiết U ph . Sau đó điện áp trên đờng dây giữ không đổi còn điện áp nguồn thì vẫn biến đổi theo hình sin. Qua nửa chu kỳ, điện áp nguồn sẽ là + U ph và do đó điện áp đặt giữa các tiếp điểm của máy cắt sẽ là 2U ph . Mặc dù trong thời gian tính từ lúc bắt đầu nhảy máy cắt điện cho tới lúc này (khoảng thời gian một nửa chu kỳ hoặc lớn hơn nhng không quá một chu kỳ tần số công nghiệp) các tiếp điểm của maý cắt đã cách xa nhau, cách điện của khe hở đã tăng tới mức nhất định nhng cũng không loại trừ khả năng khe hở bị chọc thủng và hồ quang cháy lại dới tác dụng của điện áp 2U ph . Kết quả nghiên cứu về sự phục hồi cách điện giữa các tiếp điểm của máy cắt cho thấy là sau nửa chu kỳ đối với loại máy cắt không khí mức cách điện đạt đợc trị số không quá 2U ph còn đối với máy cắt dầu thì không quá U ph . Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 2 Nếu hồ quang chạy lại khi điện áp là + U ph thì đờng dây sẽ đợc nạp từ điện áp U ph đến +U ph , nh vậy trên đờng dây sẽ có sóng điện áp 2U ph và sóng dòng điện i U Z ph = 2 lan truyền tới phía cuối đờng dây. Sự phân bố điện áp dọc theo đờng dây cho trên hình 15-2a. Khi tới đầu cuối hở mạch sóng điện áp sẽ phản xạ cùng dấu nên đờng dây sẽ có điện áp + = + 43UU U ph ph ph truyền về phía nguồn ( hình 15-2b). Sóng dòng điện khi tới đầu cuối đờng dây do phản xạ ngợc dấu nên nên trên mọi nơi của đờng dây mà sóng phản xạ đã về dòng điện tổng sẽ bằng không (hình 15-2b). Nh vậy khi phản xạ trở về tới nguồn thì dòng điện trong máy cắt có trị số không và hồ quang có thể tắt lần thứ hai. Sau khi hồ quang tắt, điện áp trên đờng dây giữ không đổi và bằng 3U ph còn điện áp nguồn lại tiếp tục biến thiên theo hình sin. Sau nửa chu kỳ tần số công nghiệp, điện áp nguồn đổi dấu và có trị số U ph , do đó điện áp giữa các tiếp điểm máy cắt có thể tăng tới mức 4U ph . Nếu giả thiết tại thời điểm này hồ quang cháy lại lần thứ hai thì đờng dây lại đợc nạp điện từ điện áp + 3U ph đến điện áp nguồn nghĩa là đến U ph . Trên đờng dây sẽ có sóng điện áp U ph và sóng dòng điện i U Z ph = 4 .Hình 2b-2c cho sự phân bố điện áp khi sóng truyền về phía cuối đờng dây và hình 15-2d là khi có phản xạ từ đầu cuối trở về. Cũng nh lần trớc, sau thời gian 2 2 = l v tính tứ lúc hồ quang cháy lại lần thứ hai, dòng điện trong máy cắt sẽ qua trị số không, hồ quang có thể tắt trong khi Hình 15-1 Cắt đờng dây không tải Hình 15-2 Phan bố điện áp dọc theo đờng dây không tải tại các điểm khác nhau. a) Sau khi hồ quang cháy lại lần 1 và trớc khi có phản xạ từ cuối đờng dây. b)Nh trên nhng đã có phản xạ từ cuối đờng dây. c) Sau khi hồ quang cháy lại lần II và trớc khi có phản xạ từ cuối đờng dây. d)Nh trên nhng đã có phản xạ từ cuối đờng dây. l ~ z ~ ~ ~ ~ +U hp +U hp -U hp i = 0 i = 2U hp z 3U hp +U hp i = 2U hp z i = 0 i = 0 i = 4U hp z -U hp i = 0 -U hp - 5U hp i = 5U hp z a) b) c) d) Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 3 đờng dây vãn đợc nạp ở mức điện áp 5U ph . Trên hình 15-3 cho sự biến thiên theo thời gian của điện áp nguồn, điện áp đầu đờng dây và của dòng điện trong máy cắt điện. Lập luận trên đây không hoàn toàn chính xác vì không chú ý đến sự giảm điện áp nguồn trong thời gian truyền sóng khứ hối trên đờng dây, ở các đờng dây dài sự giảm này rất đáng kể. Ví dụ khi đờng dây dài 300km thì trong khoảng thời gian 2 2000 = s điện áp nguồn sẽ giảm tới mức 081, U ph do đó trị số cực đại quá điện áp lần thứ nhất sẽ là 281, U ph mà không phải là 3U ph còn của lần thứ hai là 443, U ph mà không phải là 5U ph v.v Nếu quá trình cháy lại hồ quang vẫn cứ tiếp diễn thì quá điện áp trên đờng dây sẽ tăng liên tục. Điều đó không thể xảy ra vì các máy cắt có tốc độ phục hồi cách điện lớn, do đó hồ quang thờng không xảy cháy lại quá một lần và nh vậy quá điện áp trên đờng dây không vợt quá mức 3U ph . Trong sơ đồ hình 15-1, do đờng dây không tải đợc cắt ra khỏi nguồn có công suất vô cùng lớn nên trong quá trình cắt điện áp trên thanh góp giữ không đổi và nh vậy sẽ không có quá điện áp ở phía trạm. Trong thực tế nguồn có công suất giới hạn và có điện cảm xác định, điện cảm này sẽ ảnh hởng đến trị số của quá điện áp. Sơ đồ mạch đợc biểu thị nh ở hình 15-4. Vì ở đầu đờng dây có điện cảm L 0 nên tình hình phản xạ ở đâu rất phức tạp và tính toán sẽ khó khăn hơn nhiều. Giả thiết hồ quang cháy lại lúc điện áp nguồn có trị số +U ph và trớc đó đờng dây đợc nạp sẵn tới điện áp U 0 , có trị số bằng U ph . Quá trình quá độ trên đờng dây đợc xác định bởi điện áp: () Ut U t U ph =+cos 0 mà ảnh của nó ở dạng toán tử là: () Up U p U p p ph =+ + 0 22 () = + + U p pp ph 2 22 22 (15-1) Hình 15-3 Cắt đờng dây không tải khỏi nguồn có công suất vô cùng lớn. a) điện áp nguồn; b) Điện áp đầu đờng dây; c) Dòng điện trong máy cắt điện. Hồ quang tắt lần II Hồ quang cháy lại lần II Hồ quang tắt lần I Hồ quang tắt lần II Hồ quang cháy lần I U ph U ph t t t 5U ph 3U ph 2U ph 4U ph 2U ph c Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 4 Điện áp cuối đờng dây ở dạng toán tử sẽ là: ( ) U UpZ pL shp Zchp 2 0 = + . (15-2) và ở đầu đờng dây: ( ) U UpZchp pL shp Zchp 1 0 = + (15-3) Dòng điện ở đầu đờng dây, cũng là dòng điện trong máy cắt điện, đợc xác định theo: ( ) I Up IL shp Zchp 1 0 = + (15-4) Để tìm góc của điện áp ở cuối đờng dây dùng định lý phân tích và đặt () Hp p=+2 22 . () ( ) ( ) Hp PLshp Zchp p=+ + 0 22 Biểu thức (15-2) đợc viết lại ở dạng: () () UUZ Hp pF p ph2 = Theo định lý phân tích có đợc: () () () Ut U Z Hp pF p cp ph k kk k2 = (15-5) với p k là nghiệm của phơng trình: () () () F p p pL shp Zchp=+ + = 22 0 0 Hai nghiệm pj 12, = tơng ứng với trị số ổn định của điện áp còn nghiệm của phơng trình pL shp Zchp 0 0 + = cho các tần số dao động riêng của đờng dây. Thay trị số của p vào các phơng trình trên và bỏ qua các phép tính trung gian cuối cùng đợc kết quả sau đây: () () () Ut A t U t Ut A t U t It A Z t U Z t kk k kk k k k kk k 2 1 1 1 1 1 = = = = = = cos cos cos .cos cos .cos sin .sin .sin .sin (15-6) Với : A U L Z ph = cos sin 0 Hình 15-4 Sơ đồ tính toán khi cắt đờng dây không tải l ~ z U L 0 U 1 U 2 Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 5 ( ) () F U k ph k kk k k = + 22 22 22 2 cos sin . Hình 15-5 cho kết quả tính toán theo phơng pháp chính xác (phơng pháp phản xạ nhiều lần) và theo phơng pháp gần đúng ( tính theo 15-6 với hai sóng điều hoà) khi đờng dây dài 60km. Dòng điện qua trị số không ở thời điểm l 2 , lúc này hồ quang trong máy cắt điện tắt và đờng dây đợc tách ra khỏi nguồn. Điện áp ở cuối đờng dây vẫn tiếp tục biến đổi theo đờng cong trên hình 15-5 trong khoảng thời gian bằng thời gian truyền sóng từ đầu đến cuối đờng dây. Do đó ở ví dụ đang xét, quá điện áp ở đầu đờng dây đạt mức 2,4 U ph nhng ở cuối đờng dây có thể tới 3,6 U ph nghĩa là quá mức 3U ph . Quá điện áp tăng cao là do điện cảm. Do có điện cảm nên thời gian cháy của hồ quang kéo dài ( l 2 2> ), mặt khác tại thời điểm l = 2 sóng phản xạ từ cuối đờng dây trở về khi gặp điện cảm sẽ phản xạ cùng dấu khiển cho điện áp UU 12 , có những đỉnh nhảy vọt nh trên hình vẽ. Trong tính toán trên cha xét đến sự tắt dần của các dao động riêng. Sự tắt dần có thể làm cho quá điện áp giảm đi nhiều. Trờng hợp thanh góp có nhiều đờng dây do hệ số phản xạ ở đầu đờng dây giám thấp nên quá điện áp có giảm đôi Hình 15-6 Khả năng lớn nhất của qúa điện áp ở đầu và cuối đờng dây không tải (Tính toán với hai sóng điều hoà) 1- ở thanh góp ; 2- ở cuối đờng dây Hình 15-5 Điện áp trên thanh góp () U 1 , điện áp ở cuối đờng dây () U 2 và dòng điện trong máy cắt điện ( ) I 1 . - Đờng dây không tải ( ) lkmT L ==60 0 5/, - Đờng đậm nét - Tính theo phơng pháp phản xạ nhiều lần; -Đờng chấm - Tính theo phơng pháp gần đúng. 4,0 3,2 2,4 1,6 0,8 0 2 4 6 8 12 U/U ph T/ 1 2 -1,0 0 -0,4 -0,8 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 U i U ph U ph / z U ph U 2 U ph U 1 U ph / z I 1 0,2 0,4 0,6 0,8 t 2 t 2 + t s Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 6 chút Nh vậy tính toán theo sơ đồ đơn giản trên sẽ cho trị số giới hạn của quá điện áp. Hình 15-6 cho kết quả tính toán (đờng cong) và kết quả đo lờng trên mô hình (điểm) của quá điện áp ở đầu và cuối đờng dây khi cắt đờng dây không tải. Kết quả đo trên mô hình luôn luôn thấp hơn so với kết quả tính toán, điều đó chủ yếu là do sự tắt dần của dao động riêng mà trong tính toán không đề cập đến. Trong thực tế không những chỉ chú ý đến trị số giới hạn có thể có của quá điện áp mà còn chú ý cả đến xác suất xuất hiện của chúng. Xác suất ấy chỉ có thể xác định dựa trên sự khảo sát trong hệ thống điện thực tế. Kinh nghiệm vận hành cho thấy đối với loại máy cắt điện động tác nhanh thì hồ quang có thể không cháy lại do cách điện khe hở đợc phục hồi nhanh chóng và do đó khi cắt đờng dây không tải không xảy ra quá điện áp; nếu hồ quang cháy lại thì quá điện áp cũng bé hơn nhiều so với kết quả tính toán trên vì lúc hồ quang cháy lại điện áp nguồn thờng không ở trị số cực đại mà ở trị số bé hơn. Bằng cách tổng hợp một số lớn số liệu thực nghiệm, viện nghiên cứu về dòng điện một chiều ở Liên xô đã xây dựng đợc đờng cong về xác suất xuất hiện quá điện áp theo độ lớn của nó (hình 15-7).Theo đờng cong ấy xác suất quá điện áp ở phía cuối đờng dây vợt quá trị số 2,5 U ph chỉ có 2%. Trong khi vẽ đờng cong đã sử dụng nhiều số liệu cl, khi mà các máy cắt điện cha hoàn thiện, hồ quang trong nó có thể cháy lại nhiều lần và gây nên quá điện áp trị số lớn. Do đó có thể cho rằng loại quá điện áp này có độ lớn khoảng 2 U ph . Trị số này không gây nguy hiểm trực tiếp đối với cách điện nhng nếu nó tác dụng thờng xuyên thì cũng không có lợi. Đặc biệt đối với các hệ thống có mức cách điện giảm tới 2,5 U ph hoặc thấp hơn thì nó sẽ trở thành nguy hiểm do đó trong thời gian gần đây đã có các biện pháp để làm giảm trị số quá điện áp. Dùng loại máy cắt điện động tác nhanh kiểu mới có thể loại trừ hoàn toàn quá điện áp khi cắt đờng dây không tải nhng quá điện áp do cắt máy biến áp không tải lại tăng cao, do đó khi chế tạo máy cắt phải có những biện pháp dung hoà các yêu cầu trên, để có đồng thời hạn chế cả hai loại quá điện áp. Sơ đồ nguyên lý của loại máy này nh trên hình 15-8. Máy cắt có hai khoảng cắt, một trong chúng có ghép điện trở song song. Việc cắt đợc thực hiện bởi tiếp điểm thứ nhất sau đó tiếp điểm thứ hai sẽ tách ra. Trong lần cắt thứ nhất hồ quang tắt khi dòng điện qua trị số Hình 15-7 Xác suất xuất hiện qúa điện áp theo độ lớn của nó khi cắt đờng dây không tải 4 3 2 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 U 2 U 1 k= U U ph Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 7 không nhng đờng dây vẫn đợc nối với nguồn qua điện trở R. Vì vậy khi điện áp nguồn biến đổi thì điện tích trên đờng dây sẽ thay đổi và một phần sẽ đợc trả về nguồn, thành phần tác dụng lên dòng điện qua trị số không không phải là điện áp có trị số cực đại và khi hồ quang tắt ở lần cắt thứ hai thì điện áp trên đờng dây thấp hơn nhiều so với trị số U ph . Điều đó sẽ làm giảm xác suất cháy lại của hồ quang và có cháy lại thì quá điện áp cũng bé đi nhiều. Hiệu quả giảm quá điện áp tốt nhất là khi trị số R bằng dung kháng của đờng dây tức là khi dòng điện lệch pha với điện áp khoảng 45 o . Thực nghiệm cho thấy khi khi dùng loại máy cắt này có thể giảm trị số quá điện áp tới mức 2,5 U ph . và nh vậy sẽ không còn nguy hiểm ngay cả với các hệ thống có cách điện giảm nhẹ. Tuy nhiên nó vẫn cha đợc sử dụng rộng rãi vì kết cấu phức tạp, đắt tiền. Hiện nay đã chú ý đến tác dụng của chống sét van trong việc giới hạn loại quá điện áp này. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu đặt chống sét van trên đờng dây (cuối đờng dây) thì có khả năng hạn chế quá điện áp ở phía cuối và cả ở đầu đờng dây. Nh trong chơng XX đã nhấn mạnh là khi dùng chống sét van bảo vệ chống quá điện áp nội bộ thì phải kiếm tra năng lực thông qua dòng điện để đảm bảo điều kiện làm việc bình th thờng của nó. Về độ lớn của dòng điện, nếu chống sét van giới hạn quá điện áp tới mức 2 U ph . thì trong hệ thống 220kV dòng điện qua chống sét van sẽ có trị số bằng U Z kA qa == 220 2 3400 045 . . , ( Z tổng trở sóng của đờng dây), nh vậy bé hơn nhiều so với khi có quá điện áp khí quyển. Thời gian kéo dài của dòng điện có trị số bằng CR c , tức là bằng tích số của điện dung đờng dây với điện trở của bản thân chống sét van. Điện dung mỗi pha đờng dây khoảng 1 100 F km / còn điện trở R cv loại 220kV ở điện áp 2U ph . khoảng 300, do đó thời gian tồn tại của dòng điện khi đờng dây dài 100s, thời gian này rất lớn so với của quá điện áp khí quyển. Vì vậy tuy biên độ dòng điện không lớn nhng năng lợng phát nóng trong điện trở làm việc của chống sét van có thể lớn quá mức cho phép và chống sét có thể bị h hỏng. Nh vậy dùng chống sét van chỉ có thể hạn chế quá điện áp khi cắt đờng dây(không tải) có chiều dài không quá 200km. Nếu đờng dây dài hơn phải dùng loại chống sét đặc biệt có năng lực thông qua dòng điện tốt hơn. Hình 15-7 Sơ đồ nguyên lý của loại máy cắt kiểu mới. R 1 2 Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 8 Còn một khả năng khác để giới hạn loại quá điện áp này là việc dùng máy biến áp đo lờng ghép vào đờng dây bị cắt. Khi điện áp tăng cao do lõi thép của máy biến áp bị bảo hoà, điện cảm của nó giảm thấp sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tản điện tích d trên đờng dây xuống đất khiến cho độ lớn của quá điện áp đợc giảm đi nhiều. Bây giờ xét loại quá điện áp khi cắt bộ tụ điện (hình 15-9) ra khỏi nguồn có điện cảm L 0 . Cũng tơng tự nh khi cắt đờng dây không tải, dòng điện điện dung qua trị số không khi điện áp trên tụ điện có trị số cực đại Do đó hồ quang có khả năng cháy lại, sẽ gây dao động với biên độ 2 U ph Trong quá trình dao động, điện áp trên bộ tụ điện đạt mức 3 U ph ., khi đó dòng điện lại qua trị số không và hồ quang có thể bị dập tắt. Nếu hồ quang cháy lại lần nữa thì điện áp trên tụ điện có thể đạt đợc mức 5 U ph Sự khác nhau giữa trờng hợp này với khi cắt đờng dây không tải là ở chỗ dao động riêng trong mạch chỉ có một tần số 0 0 1 = LC . Trong thực tế, tụ điện không phải chỉ dùng đơn chiếc đây là do nhiều tụ điện đợc ghép nối tiếp song song theo yêu cầu của điện áp làm việc và của công suất;; từng chiếc đều đợc bảo vệ bằng cầu chì nên không thể xẩy ra ngắn mạch toàn bộ. Điều đó cho phép sử dụng các loại máy cắt có kết cấu gọn nhẹ, động tác nhanh để có thể đạt đợc tốc độ phục hồi cách điện cao. Do đó ki dùng loại máy cắt chuyên dùng này thì có thể loại trừ đợc khả năng cháy lại của hồ quang và giới hạn độ lớn của quá điện áp không quá mức 2 U ph Hình 15-9 Sơ đồ cắt bộ tụ điện ~ L 0 C . +U hp -U hp i = 0 i = 2U hp z 3U hp +U hp i = 2U hp z i = 0 i = 0 i = 4U hp z -U hp i = 0 -U hp - 5U hp i = 5U hp z a) b) c) d) Kỹ thuật cao áp. Bộ. .sin (1 5-6 ) Với : A U L Z ph = cos sin 0 Hình 1 5-4 Sơ đồ tính toán khi cắt đờng dây không tải l ~ z U L 0 U 1 U 2 Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng. Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 1 Chơng XV Quá điện áp khi cắt đờng dây không