3.2.3.1.Cắt dòng điện cảm nhỏ
Khi cắt dòng điện cảm bé, dòng điện có thể bị cắt với thời gian hồ quang ngắn. Các thiết bị đóng cắt như máy cắt cao áp được thiết kếđể cắt dòng điện sự cố
lớn trong vài ms do đó việc làm lạnh hồ quang duy trì bởi dòng điện bé là rất dễ
dàng. Khoảng trống giữa các tiếp điểm phóng hồ quang sau khi cắt dòng điện khá bé và khả năng chịu phá hủy điện môi cũng thấp. Dòng điện cảm bé xảy ra khi cắt máy biến áp không tải, các động cơ, hoặc lò điện. Hình vẽ 3-17 mô tả một sơ đồ
thay thếđơn giản khi cắt kháng.
Hình vẽ 3-17: Sơđồ thay thếđơn giản mạch điện có máy cắt kháng
Điện cảm Ls là điện cảm tương đương phía nguồn, thay thế cho điện cảm
đồng bộ của máy phát và điện cảm rò của máy biến áp. Rs và Cs thay thế cho tác dụng cản và điện dung của biến điện áp, biến dòng điện, thanh cái, v.v. Điện cảm L phía tải rất lớn so với phía nguồn Ls (dòng điện chậm pha hơn điện áp). Tụ C phía tải thường rất nhỏ, khoảng vài nF đối với máy biến áp phân phối và vài pF đới với kháng điện lõi không khí, tùy vào thiết kế. Khi dòng điện cảm nhỏ bị cắt, tại thời gian hồ quang bé, tụđiện C phía tải được nạp điện với:
c di
u L
dt
= (15)
có giá trị gần bằng điện áp phía nguồn cung cấp vì L>>Ls. Sau khi dòng điện bị cắt, tụđiện phóng điện qua L với dao động tại tần số: 1 1 2 f LC π = (16)
Tần số của dao động này từ vài kHz đến vài chục kHz và tạo ra độ tăng du/dt rất dốc phía tải của máy cắt. Nó giống nhưđộ tăng rất dốc của TRV phía tải dẫn đến phá hỏng điện môi trong môi trường dập hồ quang giữa khe hở hẹp của các tiếp
điểm, và phóng điện lặp lại có thể xảy ra. Sau khi phóng điện lặp lại, phụ tải điện cảm lại được nối với nguồn và tụđiện C phía tải tiếp tục được nạp điện với tần số
2 1 2 s f L C π = (17)
và một dòng điện tần số cao chạy qua kênh hồ quang. Khi máy cắt cắt dòng
điện tần số cao này, tụ điện C được nạp một giá trị lớn hơn vì di/dt của dòng điện phóng lặp lại lớn hơn đáng kể so với dòng điện tần số công nghiệp bị cắt lần đầu. Tụ điện C sẽ tiếp tục phóng điện qua điện cảm L. Trong khoảng thời gian trung bình, tiếp điểm phóng hồ quang vừa được tách ra xa và tăng khả năng chịu đựng phá hỏng cách điện của khe hở tiếp điểm. Tuy nhiên, điện áp giáng gây bởi dao
động phía tải cũng tăng và một phóng điện lặp lại tiếp theo có khả năng sẽ xảy ra. Khi quá trình này lặp lại vài lần có thể sinh ra quá điện áp rất lớn.
Khi chuyển mạch dòng điện cảm nhỏ và dòng điện dung nhỏ, các kết quả
không mong muốn có thể xảy ra trong cả hai trường hợp: quá điện áp lớn (gây nguy hiểm đến các thiết bị lân cận) hoặc thậm chí là phóng điện ra ngoài máy cắt. Trường hợp thứ 2 rất nguy hiểm đối với máy cắt cao áp.
Hình vẽ 3-18: Các quá trình xảy ra khi cắt kháng.
Tại thời điểm Q, các tiếp điểm bắt đầu mở. Tại R, là điểm mà dòng điện đi qua không lần đầu tiên, tại đây xảy ra hiện tượng phóng điện lặp lại. Đến S, quá trình cắt hoàn thành, phía tải bắt đầu dao động với tần số riêng của mạch. Máy cắt bình thường có thể cắt được dòng điện kháng tại thời điểm dòng điện qua không lần
đầu tiên sau khi tiếp điểm bắt đầu rời ra, nhưng có thể ngay lập tức chịu được biên
độđiện áp phục hồi rất lớn xuất hiện giữa hai đầu tiếp điểm.
Đối với máy cắt kháng, có thể xảy ra các quá điện áp sau:
a. Quá điện áp cắt
Năng lượng bẫy (tích lũy) ởđiện cảm và điện kháng của tụ tại thời điểm cắt sẽ dao động giữa điện cảm và điện dung. Tần số dao động vào khoảng từ 1 đến 5kHz và phụ thuộc vào tần số dao động tự nhiên của tải phía kháng (bản thân kháng và các thiết bị nối giữa máy cắt và kháng). Đỉnh đầu tiên của dao động có cùng dấu với điện áp hệ thống tại thời điểm cắt, thường gọi là quá điện áp đỉnh cắt
(suppression peak overvoltage). Đỉnh thứ hai của dao động có dấu ngược lại và thường gọi là quá điện áp đỉnh phục hồi. Vì các yếu tố cản (dao động) thường nhỏ, nên dao động phía tải sẽ dẫn đến quá điện áp đỉnh phục hồi gần bằng biên độ của quá điện áp đỉnh chặt. Biên độ dao động phía tải thường triệt tiêu rất chậm tùy thuộc vào độ cản của mạch.
b. Quá điện áp phóng điện lặp lại
Máy cắt sau khi cắt dòng điện, phải chịu một hiệu điện thế chênh lệch giữa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
điện áp nguồn (gần bằng điện áp đỉnh tần số công nghiệp) và điện áp dao động phía tải. Tại đỉnh điện áp phục hồi, máy cắt phải chịu quá áp lớn nhất, nếu MC không phóng điện trước đó hoặc tại đó thì quá trình cắt sẽ thành công. Tuy nhiên, nếu thời
điểm tiếp điểm rời nhau mà cách điện khe hở không đủ lớn thì phóng điện lặp lại sẽ
xảy ra.Khi phóng điện lặp lại xảy ra, điện áp phía tải sẽ nhanh chóng tiến đến điện áp nguồn, nhưng lại đi vượt quá và tạo ra quá điện áp phóng điện lặp lại.
3.2.3.2.Cắt dòng điện cảm lớn (đóng kháng, máy biến áp-Dòng điện cảm xung kích)
Bình thường, khi cắt máy biến áp dưới tải sẽ không có vấn đề gì xảy ra, quá
điện áp thường không xuất hiện trong trường hợp này. Tuy nhiên khi cấp điện vận hành máy biến áp có thể sinh ra dòng điện xung kích rất cao. Phản ứng phi tuyến của lõi thép máy biến áp là nguyên nhân chính gây ra dòng xung kích này. Khi máy biến áp được cấp điện trong trường hợp không tải, dòng điện từ hóa cần thiết để duy trì từ thông trong lõi thép chỉ khoảng vài phần trăm dòng tải định mức.
Hình vẽ 3-20: Đường cong từ hóa và vòng lặp trễ từ của lõi thép máy biến áp
Xuất phát từ một lõi thép máy biến áp chưa bị từ hóa mật độ từ thông B đi theo đường cong từ hóa ban đầu (điểm 1), khi cường độ từ trường H tăng đến trị số
Hm tại điểm bắt đầu tiến vào vùng bão hòa 2. Khi H giảm về không, B không trở về
0 theo quỹđạo cũ mà có một mật độ từ dư Br tại điểm 3. Khi H đổi dấu do dấu của dòng điện thay đổi, H tăng dần giá trị âm và B về 0 tại một trường âm gọi là lực kháng từ Hc(điểm 4). khi H tiếp tục tăng theo chiều âm, lõi thép máy biến áp tiếp tục bị từ hóa với cực âm. Việc từ hóa lúc đầu diễn ra rất nhanh và chậm dần về sau khi sắp tới vùng bão hòa. Cường độ từ trường bằng –Hm tại điểm 5. Khi từ trường trở về không lần nữa, lõi thép lại có từ thông dư –Br (điểm 6). Khi H đảo chiều với một vòng lặp tiếp theo và tăng theo chiều dương, B trở về 0 với một lực kháng từ Hc
tại điểm 7. Vòng lặp tiếp tục được thực hiện cho đến khi lõi thép máy biến áp đạt
Khi máy biến áp bị tách khỏi hệ thống, lõi thép còn tồn tại một từ thông dư
Br. Khi máy biến áp được nối lại với hệ thống tại thời điểm mà cực của điện áp hệ
thống giống cực của từ thông dư Br, thì tại điện áp cực đại, tổng mật độ từ thông trong lõi thép sẽ tăng đến Bm + Br. Lõi thép bị ép vào vùng bão hòa và hút một dòng một dòng điện rất lớn từ nguồn điện. Khi điện áp đổi dấu tại 1/2 chu kỳ tiếp theo, từ thông cực đại trong lõi thép nhỏ hơn từ thông cực đại Bm trongtrường hợp không tải. Dòng điện xung kích máy biến áp do đó không đối xứng và còn có thể
chứa thành phần 1 chiều và có thể mất hàng giây để triệt tiêu