Nghiên cứu quá điện áp và lựa chọn chống sét van ở lưới điện trung áp 35KV mô phỏng trên phần mềm ATPEMTP

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

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

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP 11

1.1 PHÂN LOẠI QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP 11

1.2 CHẾ ĐỘ NỐI ĐẤT ĐIỂM TRUNG TÍNH VÀ VẤN ĐỀ VẬN HÀNH LƯỚI 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

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ QUÁ ĐIỆN ÁP DO CHẠM ĐẤT MỘT PHA TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP 31

2.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ THỨ TỰ KHÔNG CỦA ĐƯỜNG 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 trường 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 Z ABC 44

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP DO SỰ CỐ CHẠM ĐẤT MỘT PHA TRONG LƯỚI TRUNG ÁP 47

2.2.1 Phương pháp các thành phần đối xứng 47

2.2.2 Phương pháp số giải hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống điện 50

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP DO NGẮN MẠCH CHẠM ĐẤT MỘT PHA Ở LƯỚI TRUNG ÁP 57

3.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ATP-EMTP 57

3.2 MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN HỆ SỐ QUÁ ÁP CỦA MỘT XUẤT TUYẾN LƯỚI TRUNG ÁP

BẰNG ATP/EMTP 61

CHƯƠNG 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 LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP 94

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

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

CÁC TỪ VIẾT TẮT

ATP Alternative Transient Program

COV Continuous Operating Voltage

EMTP ElectroMagnetic Transient Program

IEC International Electrotechnical Commission

MCOV Maximum Continuous Operating Voltage NEMP Nuclear Electromagnetic Pulses

NNEMP Non-Nuclear Electromagnetic Pulses

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số nguyên nhân gây QĐA tạm thời, biên độ và thời gian tồn tại 14Bảng 1.2 Dòng điện chạm đất cho phép của các đường dây tương ứng với các cấp điện áp khác nhau 22Bảng 3.1 Thông số các phần tử lưới điện 35kV 61Bảng 3.2 Hệ số quá điện áp tạm thời (TOV) theo vị trí điểm ngắn mạch chạm đất dọc chiều dài đường dây 64Bảng 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 64Bảng 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) 78Bảng 4.2: Hằng số điện áp A cho một số dạng đường dây trên không 93

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

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

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: lưới điện

xuống cấp, độ tin cậy không cao, chất lượng 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 lưới 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 hưởng của phương thức nối đất trung

tính đến việc lựa chọn cách điện trong lưới 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

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 Lương 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 tượng, 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

M.5.Phương 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 Trường

Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo của Bộ môn Hệ thống điện – Khoa Điện - Trường 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

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP

TRONG LƯỚI 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

+ 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 lưới 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,…

- 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 lưới 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]

Bảng 1.1 Một số nguyên nhân gây QĐA tạm thời, biên độ và thời gian tồn tại

QĐA

Thời gian tồn tại

Sự cố không đối

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

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

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 thường

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

I cA

I cB

I cC

A B C

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:

I (1.1)

0        0



cC cB cA

U (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

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:

0 0

E X U

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

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 , ,

sẽ là tổng hình học của điện áp pha tương ứng trước khi chạm đất , , và

điện áp thứ tự không như sau:

'

' '

Với C là điện dung các pha so với đất và B = b 0l là điện dẫn phản kháng

của pha so với đất B = C = b 0l 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 '

3

cA cA

I  I ; '

L – chiều dài tổng các đường dây có nối điện với nhau [km]

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

- 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

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

(A)

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 I L

(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 I L sẽ

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,cA

I,cB0

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 L K 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 = 3ER0ω2

CĐ2 (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

- 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

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

B U

O

U'B

C U'

vµ dßng ®iÖn

C B A

(1)

N

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:

'

UUU

ABC

N(1)

A o B

B

U >U.B ,

'

X cũng tăng và có thể vượt quá giá trị

1

o X

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:

- 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

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

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ QUÁ ĐIỆN ÁP DO CHẠM

ĐẤT MỘT PHA TRONG LƯỚI 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: I G I A I B I C

Hình 2.1: Phân bố từ thông trên mạch vòng dòng điện pha A

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:

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:

(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

Trong đó L AA-độ tự cảm riêng pha A [H/km]

L AB-hỗ cảm giữa pha A và pha B [H/km]

L AC-hỗ cảm giữa pha A và pha C [H/km]

L AG-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):

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:

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

qua không viết kí hiệu “•” trên đầu đại lượng điện áp và dòng điện để biểu diễn số

Trong đó R A ,R B ,R C - lần lượt là điện trở của dây dẫn pha A, B, C [Ω/km]

R AG ,R BG ,R CG-lần lượt là điện trở đường dẫn trong đất của dòng điện

pha A, B, C [Ω/km]

X AA ,X BB ,X CC-điện kháng riêng của pha A, B, C [Ω/km]

X AB ,X AC ,X BC ,X BA ,X CA ,X CB -điện kháng tương hỗ giữa các pha A, B,

C [Ω/km]

X AG ,X BG ,X CG - 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):

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 A AG AA AG

Z R R  jX  jX ;ZABR AG  jXAB jX AG; ZAC R AG jXAC jX AG

BB B BG BB BG

Z R R  jX  jX ; ZBAR BG jXBA jX BG; ZBC R BG jXBC jX BG

Phương trình (2.9) được 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

Hình 2.2 Sơ đồ thay thế tương đương của ma trận tổng trở

2.1.2 Ma trận tổng trở ABC trong trường 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

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:

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:

I I I I

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

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

Tổng trở của dây dẫn khi không xét tới dòng trở về qua đất

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:

R t R01(t20) [ / 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

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 đường 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 Đường 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:

2 4

Trong đó re=0,7788.r với r là bán kính thực của dây dẫn

Trong trường hợp sử dụng dây dẫn phân pha :

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)

ươ

[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 của đường 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

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