Giả thiết ta có một hệ thống điện đơn giản như trình bày trong Hình vẽ 3-1.
Hình vẽ 3-1: Hệ thống điện đơn giản
Khi đó đồ thị vector điện áp tại điểm đầu và cuối của đường dây có thể xảy ra một trong hai trường hợp như trong Hình vẽ 3-2.
Hình vẽ 3-2: Đồ thị vector điện áp nút
Có thể thấy rằng, khi hệ số công suất âm, điện áp nhận được ở cuối đường dây vr sẽ lớn hơn điện áp ở đầu đường dây vs, hiện tượng này gọi là hiện tượng Ferranti. Trong hầu hết các trường hợp, việc phụ tải mang tính dung gây ra bởi điện dung ký sinh trên đường dây.
Xét trường hợp khi hở mạch ở cuối đường dây, biểu thức điện áp như sau:
( ) 1 ( ) osh (s).x r s V x V x = c γ (3) Trong đó γ( )s = (Ls R Cs G+ )( + ) Bỏ qua thành phần R, G và s=jω, ta có: { } { } ( ) j LC. -j LC. 1 osh (s).x = cosh j LC. 2 os x. LC x x c x e e c ω ω γ ω ω = + = (4) Suy ra: 1 1 os( x. LC) r s V V =c ω ≥ (5)
Như vậy, tỉ số giữa điện áp phía cuối đường dây và đầu đường dây, ngoài việc phụ thuộc vào thông sốđường dây, còn phụ thuộc vào chiều dài đường dây.
Hình vẽ 3-3: Hiệu ứng Ferranti
Hình vẽ 3-3 trình bày ví dụ về ảnh hưởng của hiện tượng Ferranti. Trong thực tế, hiện tượng này thường xuất hiện trong chế độ phụ tải cực tiểu. Để ngăn chặn ảnh hưởng của hiện tượng này, hiện nay ở Việt Nam thường áp dụng việc đặt các kháng bù ngang ở cuối những cung đoạn đường dây siêu cao áp dài (thường là từ 300km trở lên).
3.1.2.2.Quá điện áp do tự kích của máy phát
Khi mà một tải có tính điện dung được nối với máy phát, quá điện áp có thể
xảy ra ở cực máy phát kể cả trong trường hợp sức điện động bằng 0. Hiện tượng đó
được gọi là hiện tượng quá điện áp do tự kích của máy phát.
Hình vẽ 3-4: Hiện tượng tự kích của máy phát
Hình vẽ 3-4 trình bày hiện tượng quá điện do tự tích của máy phát trong một hệ thống điện đơn giản, gồm:
Một máy phát điện được vận hành dưới điều kiện hở mạch và đang chạy với tốc độ không đổi khi dòng kích từ bằng 0. Tuy nhiên, vẫn còn lượng nhỏ từ dư
trong từ trường rotor từ trạng thái vận hành trước đó, kể cả khi dòng kích từ
bằng 0. Vẫn tồn tại một điện áp eG nhỏ.
Điện dung C nhỏđược nối với máy phát.
Trong điều kiện đó, điện áp đầu cực eGđược duy trì. Hơn thế nữa, nếu điện dung C tăng lên, điện áp eG cũng tăng lên do dòng điện phần ứng tăng lên. Ở Hình vẽ 3-4, điểm vận hành chính là điểm giao nhau giữa đặc tính v-i do hiện tượng bão hòa tự nhiên của máy phát và đặc tính v-i của tải C.
Như vậy, hiện tượng tự kích của máy phát gây ra bởi việc kết nối một tải thuần dung, ởđó việc quá điện áp có thểđược duy trì và đạt đến điện áp cực đại của
đường bão hòa từ. Trong điều kiện này máy phát có thể vượt quá giới hạn nhiệt độ
việc tăng đột biến tổn thất sắt từ là kết quả của hiện tượng bão hòa. Và đương nhiên, chúng ta cần ngăn chặn hiện tương tự kích của máy phát.
3.1.2.3.Quá điện áp do cắt tải đột ngột
Nếu một lượng tải lớn bị cắt hoặc bị sự cốở phía trạm nhận, thì điện áp có thể tăng lên do 3 lý do sau:
Điện áp phía máy phát xảy ra tăng áp quá độ, do đó phía phụ tải cũng tăng lên.
Điện áp rơi trên trở kháng của đường dây truyền tải giảm.
Xuất hiện hiện tượng Ferranti do sự thay đổi của hệ số công suất.
3.1.2.4.Quá điện áp do sự ngắn mạch 1 pha
Khi sự cố ngắn mạch 1 pha chạm đất, điện áp trên các pha còn lại tăng lên và có thể gây quá áp. Mức độ quá áp do hiện tượng này phụ thuộc rất nhiều vào việc nối đất điểm trung tính của hệ thống điện.
Hình vẽ 3-5: Tỉ số quá điện áp trên pha còn lại khi ngắn mạch 1 pha
Hình vẽ 3-5 trình bày các đường đặc tính của tỉ số quá điện áp trên pha còn lại khi ngắn mạch 1 pha đối với các trường hợp nối đất khác nhau:
Đối với các nối đất cứng tỉ số quá áp từ 0,8 đến 1.
Đối với các trường hợp nối đất khác tỉ số quá áp có thể từ 1,5 đến 1,9.
Do sự cố ngắn mạch 1 pha là hiện tượng rất phổ biến trong hệ thống điện, chính vì vậy việc tính toán hiện tượng quá điện áp là một phần quan trọng trong bài toán phối hợp cách điện.