Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 1 Phần IV Chơng XIV Quá điện áp nội bộ Đ14 -1 Phơng thức tính nối đất điểm trung tính của hệ thống điện Việc chọn phơng thức nối đất của điểm trung tính, xuất phát từ tình trạng của hệ thống khi có chạm đất là một vấn để tổng quát vì nó phải xét đến rất nhiều yếu tố khác nhau và có ảnh hởng đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong thiết kế cũng nh trong vận hành. Hiện nay trong hệ thống điện có ba phơng thức nối đất của điểm trung tính: Điểm trung tính trực tiếp nối đất. Điểm trung tính không nối đất ( cách điện) Điểm trung tính nối đất qua cuộn dây dập hồ quang ( nối đất cộng hởng). Đ14-2. ảnh hởng của phơng thức nối đất điểm trung tính đối với cách điện của hệ thống Nối đất của điểm trung tính đề xuất các yêu cầu khác nhau đối với cách điện của hệ thống do các nguyên nhân sau đây: 1. Sự khác nhau về trị số điện áp làm việc lớn nhất của thiết bị điện. Xét hệ thống 3 pha đơn giản bị ngắn mạch chạm đất một pha ( hình 14-1). Sơ đồ đợc cung cấp từ một phía, trung tính của máy biến áp đều nối đất qua tổng trở Z 1 và Z 2 . Đờng dây có điện dung đối với đất C 0 ( điện dung thứ tự không) và điện dung giữa các pha C AB, C BC , C CA . Tam giác điện dung giữa các pha đợc biến thành hình sao, mỗi điện dung trong hình sao có trị số bằng CC 10 mà C 1 là điện dung tự thuận. F T 1 T 2 Hình 14-1 Sơ đồ hệ thống có ngắn mạch chạm đất một pha Z 1 Z 2 Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 2 Để xác định điện áp trên các pha không có sự cố cũng nh dòng điện trong pha sự số, đơn giản nhất là dùng phơng pháp các thanh phản hồi xứng. Giả thiết khi nghiên cứu tình trạng ngắn mạch bỏ qua ảnh hởng của phụ tải thì các sơ đồ thứ tụ thuận và nghịch đợc chấm dứt ở chỗ chạm đất nhng trong sơ đồ thứ tự không thì phải tính cả hai máy biến áp vì các điểm trung tính của chúng đều có nối đất qua Z 1 , Z 2 . Đoạn đờng dây trong sơ đồ của các thành phần thứ tự hình (14- 2) đợc vẽ ở dạng mạng bốn cực gồm điện cảm phân bố và điện dung đối với đất. Khi đờng dây không dài (dới 200km), ảnh hởng của điện dung đờng dây trong các sơ đồ tứ tự thuận và nghịch thờng rất bé và có thể bỏ qua. Tổng trở của mạch thứ tự thuận gồm điện kháng đồng bộ của máy phát x d , điện khoáng rò của máy biến áp xx TT1 = và điện kháng đờng dây x 1 . Trong sơ đồ thứ tự nghịch, máy phát đợc thay thế bởi điện kháng rò của nó xx dd '< còn biến áp và đờng dây đợc biểu thị bởi: xxxxx TTT21 21 = = ; Với sơ đồ nối dây của máy biến áp nh trên hình 14-1 thì tổng trở thứ tự không của nó có trị số gần bằng tổng trở thứ tự thuận, và nếu hai máy biến áp có công suất bằng nhau sẽ có: xxxx TTTT001 12 = = = Đối với đờng dây, nh đã biết xx 01 > và CC 01 < thì tổng trở và các điểm trung tính máy biến áp bé thì có thể bỏ qua điện dung đờng dây, do đó trong trờng hợp này tổng trở của sơ đồ thứ tự không sẽ bằng: ( ) ( ) X xx Zx Z xxZZ TT 0 012 012 33 23 3 = ++ + ++ + Trị số dòng điện ngắn mạch ở chỗ chạm đất bằng: () I E XXX nm A + = ++ 1 120 3 (14-1) Và dòng điện ngắn mạch ba pha có trị số: () I E X nm A + = 3 1 (14-2) Để xác định dòng điện ở trạng thái ổn định, trong cả hai trờng hợp đều lấy E A theo trị số sức điện động đồng bộ E d . Hình 14-2 Sơ đồ của thành phần thứ tự của hệ thống hình 24-1 x d x 1T x 1 x' d x 2T x 2 x 0x1 x 0 x 0T2 3Z 1 3Z 2 2 0C 2 0C ~ E P Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 3 Nếu các tham số của hệ thống giữ không đổi thì tỷ số () ( ) 3 . 1 . / mnmn II chỉ phụ thuộc vào tổng trở nối tại điểm trung tính của các máy biến áp và có thể có trị số lớn hoặc bé hơn 1. Trong hệ thống công suất lớn, điện kháng tổng đợc xác định chủ yếu bởi điện kháng của máy biến áp, vì vậy điện kháng thứ tự thuận và nghịch sẽ bằng nhau () XX 12 còn điện kháng thứ tự không X 0 thì thớng lớn hơn X 1 để giảm trị số dòng điện ngắn mạch một pha. Với quan điểm đó, thờng nối đất điểm trung tính qua cuộn kháng có trị số lớn hoặc để trung tính một số máy biến áp cách điện. Để xác định điện áp trên các pha không có sự cố giả thiết điện áp phía cao áp của máy biến áp T 1 trong thời gian có ngắn mạch chạm đất giữ không đổi ( điện áp làm việc ) đồng thời bỏ qua mọi điện trở tác dụng. Trên hình (14-3), tất cả các thành phần điện áp của pha chạm đất sẽ cùng phơng và ngợc chiều với véc tơ U A ' còn ở hai pha kia điện áp thứ tự cũng có cùng phơng ấy ( ) UU Bo Co '' , . Điện áp các thứ tự thuận và nghịch sẽ suy từ pha A và lệch góc 120 o . Khi hệ thống có công suất lớn, do XX 12 = nên ở các pha không có sự cố có thể viết đợc: UU U 12 1 += Tổng điện áp giáng trên các pha này sẽ có trị số: ( ) () ( ) 01 10 10 1 . 10 23 XX XXE XX I UUU Amn + === UE k k A = + 1 2 (11-3) với k X X = 0 1 Cộng điện áp U với các điện áp UU BC , sẽ đợc điện áp tổng trên pha không có sự cố và chúng có trị số bằng: () UU U U U U BC ph === + + '' ,05 3 4 2 2 (11-4) Trên hình 14-4 cho quan hệ của điện áp trên pha không có sự cố theo tỷ số X X 0 1 . Hình 14-3 Sơ đồ Véctơ khi có ngắn mạch chạm đất một pha. U A0 U A1 U A2 U A U B U B0 U B1 U B2 U U U C U C U B U C0 U C1 U C2 Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 4 Sơ đồ này bao gồm mọi phơng thức nối đất của điểm trung tính. Nếu trung tính của tất cả các máy biến áp trong hệ thống đều đợc trực tiếp nối đất thì tỷ số X X 0 1 1 . Khi chỉ số nối đất một số điểm trung tính máy biến áp thì điện kháng thứ tự không tăng và điện áp trên pha không có sự cố tăng cao. Điểm trung tính đợc gọi là " trực tiếp nối đất" khi tỷ số X X 0 1 3 . Từ đờng cong của hình vẽ cho thấy khi đó UU ph = 125, . Nhng nếu trớc khi ngắn mạch chạm đất điện áp làm việc cao hơn định mức 5% thì trị số dph UUU 76,025,1.05,1 == Khi điểm trung tính không trực tiếp nối đất thì điện áp trên pha không chạm đất sẽ lớn hơn 0,8 U d vào khi X 0 thì tiến tới giới hạn bằng điện áp dây. Khi điểm trung tính hoàn toàn cách điện nối với đất thì trị số X 0 0< ( trong sơ đồ thành phần thứ tự không điện dung C 0 giữ vai trò chủ yếu), lúc này điện áp trên pha không có sự cố luôn lớn hơn điện áp dây và đặc biệt khi X X 0 1 2= điện áp sẽ tăng vô cùng do có cộng hởng điện áp ( dung kháng thứ tự không có trị số tuyệt đôí bằng tổng điện kháng thứ tự thuận và nghịch). Trừ trờng hợp đờng dây rất dài còn trong các lới điện thông thờng thì không có điều kiện phát sinh cộng hởng vì dung kháng lớn hơn nhiều so với trị số của X 1 và do đó điện áp trên pha không có sự cố thờng không vợt quá giới hạn 1,15U d . Trờng hợp X 0 = ứng với phơng thức nối đất cộng hởng điểm trung tính, nếu xét về mặt tăng điện áp trên pha không có sự cố thì trờng hợp này tơng đơng với khi điểm trung tính cách điện đối với đất. Trong các tính toán nên không xét đến điện trở tác dụng. Điều đó, đối với sơ đồ thứ tự thuận và nghịch là hoàn toàn hợp lý vì trị số điện trở tác dụng không vợt quá 10% trị số của điện kháng. Trong sơ đồ thứ tự không, do ảnh hởng của đất nên điện trở tác dụng có thể có trị số lớn. Trên hình 14-5 cho quan hệ của điện áp trên pha không có sự cố theo r X 0 1 Hình 14-4 Quan hệ của điện áp trên pha không có sự cố kho có ngắn mạch chạm đất theo tỷ số X X 0 1 U B 1 1 1 x r 2 2 x r 0 1 0 = x r 1 1 0 = x r -7 -6 -5-4 -3 -2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 5 4 3 2 1 0 1U U Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 5 ứng với các trị số khác nhau của điện kháng thứ tự không. Với X X 0 1 3= thì điện áp sẽ có trị số lớn nhất khi r X 0 1 = 1 và đạt mức UUU ph d = = 105132 08,., , . Phơng thức nối đất của điểm trung tính cũng ảnh hởng đến điều kiện làm việc của máy cắt điện và điều kiện dập hồ quang của chống sét van. Trong các chống sét van, số tấm điện trở không đờng thẳng đợc chọn theo trị số điện áp làm việc cho phép lớn nhất và ở điện áp này năng lực thông qua dòng điện xoay chiều không quá giới hạn 80A. Trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất, dòng điện xoay chiều cũng nh số tấm điện trở không đờng thẳng đợc tính theo điện áp 0,8U d , chống sét van dùng trong trờng hợp này đợc gọi là chống sét 80% còn trong hệ thống có điểm trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dây dập hồ quang - sẽ tính theo mức điện áp 1,15U d và gọi là chống sét 115%. Nh vậy trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất số tấm điện trở không đờng thẳng và số khe hở phóng điện đợc giảm ssi 30% sơ với trong hệ thống có điểm trung tính cách điện ( hoặc nối đất qua cuộn dây dập hồ quang) do đó giá thành chống sét van cũng giảm đợc khoảng 30%. 2. Sự khác nhau về điện áp xung kích tác dụng lên cách điện thiết bị. Điện áp xung kích tác dụng lên cách điện của trạm biến áp và nhà máy điện phụ thuộc vào đặc tính của chống sét van và nh vậy cũng sẽ phụ thuộc vào phơng thức nối đất của điểm trung tính. Trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất, trị số điện áp d của chống sét van có thể giảm thấp khoảng 20ữ 30%, so với khi điểm trung tính cách điện do đó điện áp thí nghiệm xung kích và mức cách điện xung kích cũng đợc giảm tơng ứng. Ngoài ra trong các hệ thống này do cách điện của máy biến áp đợc thực hiện theo kiểu nối đất cấp nên càng làm cho giá thành giảm đi rất nhiều. 3. Sự khác nhau về trị số quá điện áp nội bộ. Trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất quá điện áp nội bộ đợc phát sinh và duy trì dới tác dụng của điện áp pha còn trong hệ thống có điểm trung tính cách điện - dới tác dụng của điện áp dây. Số liệu đo lờng và tính toán đều cho thấy, trị số quá điện áp nội bộ trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất cũng đợc giảm khoảng 20ữ30% Hình 14-5 Quan hệ của điện áp trên pha không có sự cố khi có ngắn mạch chạm đất một pha theo r X 0 1 ứng với các trị số khác nhau của X X 0 1 0 1 2 3 4 5 6 1,5 Chốn g sét 80% x 0 /x 1 = 5 x 0 /x 1 =3 x 0 /x 1 =2 x 0 /x 1 =1 x 0 /x 1 = 1/2 x 0 / x 1 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 6 so với khi điểm trung tính cách điện và do đó yêu cầu về mức cách điện xoay chiều cũng đợc giảm thấp tơng ứng. Tổng hợp ba nguyên nhân trên có thể đi đến nhận xét là mức cách điện trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất thấp hơn so với khi điểm trung tính cách điện khoảng 20%. Tuy nhiên hiệu quả kinh tế do việc giảm thấp cách điện còn tuỳ thuộc vào cấp điện áp định mức. ở các cấp điện áp định mức cao và siêu cao ( 150kV trở lên) vì giá thành của máy biến áp và thiết bị điện tăng gần nh tỷ lệ với trị số điện áp thí nghiệm và trong giá thành đó đầu t về cách điện chiếm phần quan trọng do đó nếu chọn theo phơng thức điểm trung tính trực tiếp nối đất thì sẽ hạ giá thành đợc khoảng 20%. ở các cấp điện áp thấp (3ữ35kV) do phần đầu t về cách điện chiếm tỷ lệ bé trong giá thành nên việc chọn điểm trung tính trực tiếp nối đất để giảm điện áp thí nghiệm và mức cách điện sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt. Đ14 -3. Lựa chọn phơng thức nối đất của điểm trung tính Theo quan điểm vận hành thì nên chọn phơng thức điểm trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang. Vì sự cố đờng dây phần lớn lại là ngắn mạch chạm đất một pha nên khi dùng cuộn dập hồ quang thì sự cố sẽ đợc loại trừ nhanh chóng không cần phải cắt đờng dây và do đó sẽ đảm bảo cung cấp điện liên tục. Ngoài ra khi dùng cuộn dập hồ quang thì nhiễu loạn của đờng dây cao áp đối với đờng dây thông tin cũng đợc giảm nhẹ. Nhợc điểm của việc dùng nó là hệ thống phải có mức cách điện cao hơn so với khi điểm trung tính trực tiếp nối đất, nhng nên dùng các hệ thống điện từ 60kV trở xuống thì việc tăng mức cách điện cũng không ảnh hởng nhiều đến giá thành, do đó đối với các hệ thống này dùng cuộn dập hồ quang làg hợp lý về kinh tế kỹ thuật. ở các hệ thống có dòng điện ngắn mạch chạm đất bé và điện áp làm việc không cao lắm, do hồ quang ngắn mạch chạm đất có thể tự dập tắt nên không cần phải đặt cuộn dập hồ quang. Kinh nghiệm vận hành cho thấy, khi dòng điện chạm đất đạt đợc yêu cầu sau đây thì điểm trung tính có thể đặt cách điện đối vơí đất: Điện áp 6 ữ 10KV dòng điện chạm đất dới 30A. Điện áp 20 ữ 35KV dòng điện chạm đất dới 10A. Điện áp 40 ữ 35KV dòng điện chạm đất dới 5ữ10A. Đối với điện áp máy phát, khi dòng điện chạm đất lớn hơn 5A cũng phải đặt cuộn dập hồ quang tại điểm trung tính của máy điện vì dòng điện quá lớn sẽ đốt cháy lõi thép máy điện. Các hệ thống điện từ 220kV trở lên thờng đợc chọn theo phơng thức điểm trung tính trực tiếp nối đất. Ưu điểm của phơng thức nối đất này đã đợc trình bày nhiều ở trên. Các hệ thống này thờng có công suất lớn, đờng dây dài nên không thể dùng ph ơng thức điểm trung tính cách điện. Dòng điện điện dung lớn hàng trăm ampe khiến cho hồ quang chạm đất có thể cháy lâu dài và dới tác dụng của gió và di chuyển do nhiệt, hồ quang sẽ Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 7 lan ra các pha bên cạnh và chuyển thành ngắn mạch giữa các pha. Dùng phơng thức nối đất qua cuộn dập hồ quang cũng không thích hợp vì khi có ngắn mạch chạm đất điện áp trên pha không có sự cố tăng cao, vầng quang xuất hiện làm cho thành phần tác dụng của dòng điện chạm đất tăng lên ( thành phần này không đợc bù bởi dòng điện điện cảm của cuộn dập hồ quang) do đó hồ quang khó dập tắt và cuộn dập hồ quang sẽ không phát huy tác dụng. Nh vậy đối với các hệ thống từ 220kV trở lên, chọn theo phơng thức điểm trung tính trực tiếp nối đất là duy nhất hợp lý. Vấn đề cha thống nhất hiện nay chủ yếu tập trung phơng thức nối đất điểm trung tính của các hệ thống 110ữ150kV. ở các nớc Đức, Nhật bản, Thuỵ điển, các hệ thống này đều nối đất qua cuộn dập hồ quang. Hệ thống 154kV ở Đông bắc Trung quốc cũng dùng cuộn dập hồ quang, kinh nghiệm vận hành cho thấy tác dụng của nó rất tốt: trong số 28 lần sự cố chạm đất từ 1952 tới 1955 trừ ba trờng hợp sự cố có tính chất lâu dài còn phần lớn đều đợc dập tắt nhanh chóng. Hệ thống 110ữ150 kV ở Liên xô phần lớn đều có điểm trung tính trực tiếp nối đất. Lý do chủ yếu của việc chọn phơng thức nối đất này là các đờng dây đợc bảo vệ bằng dây chống sét toàn tuyến mà phần đầu t vào dây chống sét không lớn (5 ữ 7%), cách điện đờng dây đạt mức tơng đối cao nên số lần xảy ra chạm đất (do sét) không nhiều. Ngoài ra do các đờng dây 110 ữ150kV thờng hoặc đi hai lộ hoặc theo mạng kín và có đặt thiết bị tự động đóng lại (TĐL) nên đảm bảo cung cấp điện đợc liên tục. Nhng cũng ngay ở Liên xô vẫn còn một số trờng hợp hệ thống 110kV dùng cuộn dập hồ quang. Các hệ thống này đi trong vùng đất xấu, điện trở nối đất quá lớn nên hệ thống bảo vệ rơle không đảm bảo đợc tính chọn lọc để cắt đ ờng dây có sự cố Tóm lại, việc lựa chọn phơng thức nối đất điểm trung tính của hệ thống 110ữ150kV cho đến nay vẫn cha đợc khẳng định và thống nhất. Trong từng hoàn cảnh cụ thể phải tiến hành phân tích về kỹ thuật mới có thể lựa chọn đợc phơng án hợp lý. . 2 2 x r 0 1 0 = x r 1 1 0 = x r -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 5 4 3 2 1 0 1U U Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn. Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 1 Phần IV Chơng XIV Quá điện áp nội bộ 14 -1 Phơng thức. F T 1 T 2 Hình 1 4-1 Sơ đồ hệ thống có ngắn mạch chạm đất một pha Z 1 Z 2 Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn