3.3.1.Tổng Quan.
Kháng điện thường được sử dụng để hạn chế quá điện áp xuất hiện trong chế độ truyền tải thấp. Do đó, kháng điện cần phải được cắt ra khi truyền tải cao để
giảm việc tiêu thụ công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống. Khi máy cắt ngắt dòng điện cảm nhỏ, thường xuất hiện điện áp quá độ có tần số và biên độ lớn giữa các tiếp điểm của nó trong quá trình tương tác giữa máy cắt và hệ thống xung quanh. Giá trị TRV cao có thể gây ra các ảnh hưởng không mong muốn đối với kháng và thiết bịđóng cắt.
Hình vẽ 3 - 23: Dòng điện và điện áp của máy cắt kháng
Khi máy cắt cắt kháng điện, một số hiện tượng quá độ cần được quan sát. Các quá độ này và các kiểu dao động liên quan phụ thuộc vào đặc tính máy cắt và cấu hình hệ thống tại vị trí đặt kháng.
Về cơ bản, máy cắt không khó để ngắt dòng điện kháng. Thực tế, dòng điện sớm đạt được giá trị không, hiện tượng được quan tâm là dòng điện đỉnh. Tuy nhiên, đỉnh của dòng điện và khả năng phóng điện lặp lại kế tiếp có thể xảy ra trong khi quá điện áp quá độ. Hai dạng quá điện áp sau đây có thể xuất hiện:
- Quá điện áp thay đổi nhanh (Chopping Overvoltage) có tần số lên đến 5 kHz
- Quá điện áp phóng điện hồ quang (Reignition Overvoltage) có tần số lên tới vài trăm kilohertz (kHz).
Hình 3 – 27 minh họa hiện tượng thay đổi nhanh của dòng điện qua máy cắt và quá điện áp xuất hiện tại đỉnh cắt và khi phóng điện lặp lại. Để nghiên cứu hiện tượng này, ví dụ có mạch tương đương 1 pha nhưở Hình 3 - 28.
Hình vẽ 3 - 24 : Mô hình mạch tương đương 1 pha nghiên cứu kháng điện
Trong đó
Ls: là điện cảm phía nguồn Cs: là điện dung phía nguồn CB: là máy cắt
LP, CP: là điện kháng và điện dụng song song với mạch cắt Lb: điện kháng nối tiếp
CL: điện dung phía tải
L: điện kháng của kháng bù ngang.
3.3.2.Quá điện áp thay đổi nhanh.
Khi cắt kháng thành công, dao động phía tải suy giảm dần với việc năng lượng bẫy (tích lũy) trao đổi qua lại giữa điện cảm L và điện dung CL của mạch phía tải. 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 thay đổi nhanh (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.
3.3.3.Quá điện áp phóng điện lặp lại
Máy cắt sau khi cắt dòng điện, phải chịu một hiệu điện thế chênh lệch giữa
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
3.3.4.Mô tả phương pháp luận tính toán giá trị TRV máy cắt kháng
Trong hệ thống truyền tải 500kV Việt Nam, việc đóng cắt kháng thường xuyên phải thực hiện do tình hình phụ tải thay đổi lớn giữa thời gian ngày và đêm. Do đóng cắt kháng với dòng điện cảm nhỏ, năng lượng tích lũy trong kháng có thể
gây ra hiện tượng quá áp (rất nguy hiểm đối với các thiết bị). Trong khi dòng điện kháng qua không gần như tức thì, thì năng lượng tích lũy trong kháng sẽ được giải phóng qua mạch L-C và có thể gây nên quá áp. Do đó, việc đóng cắt kháng có thể
gây nên hiện tượng quá áp và xuất hiện TRV cao. Giá trị TRV này phụ thuộc vào
đặc tính cắt của máy cắt, kháng điện và điện dung ký sinh của nó.
Trong trường hợp TRV lớn hơn khả năng chịu đựng điện áp của máy cắt khi vận hành mở, thì sẽ xuất hiện phóng điện lặp lại.
3.4. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN QUÁ ĐỘĐIỆN ÁP KHI CẮT KHÁNG
Kháng bù ngang thường được sử dụng để giảm quá điện áp xảy ra chếđộ nhẹ
tải của hệ thống truyền tải. Kháng bù ngang có thểđược cắt một phần hoặc toàn bộ. Khi hệ thống ở chế độ nặng tải để tránh việc tiêu tốn công suất phản kháng của hệ thống. Khi MC cắt dòng điện cảm nhỏ, thường xuất hiện kèm các quá trình quá độ tần số cao và biên độ lớn giữa các tiếp điểm phụ thuộc vào tương tác giữa máy và mạch điện xung quanh. TRV sinh ra có thể gây ra các ảnh hưởng không mong muốn trên điện kháng cũng như các thiết bị chuyển mạch. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Máy cắt SF6 được sử dụng rộng rãi trong hệ thống cao áp và siêu cao áp vì các đặc tính hóa học ổn định của nó. Tuy nhiên đối với các ứng dụng máy cắt để
dòng điện cảm nhỏ của kháng bù ngang tỏ ra kém ổn định và khó đoán trước được. Chẳng hạn như dòng điện cắt và theo đó là phóng điện lặp lại có thể dẫn đến quá
điện áp trên máy cắt.
Các tài liệu nghiên cứu cho thấy khi cắt dòng điện cảm nhỏ liên quan đến cắt kháng bù ngang có thể thấy rằng sau quá trình cắt và dập tắt hồ quang ngay lập tức TRV có xu hướng cung cấp năng lượng cho các điện tử thừa và dẫn đễn phóng điện lặp lại giữa các tiếp điểm của máy cắt.
Với các lý do đã đề cập ở trên, cần thiêt phải kể đến hiện tượng vật lý và các tham số hệ thống khi mô phỏng hồ quang MC. Một mô hình MC chính xác cho các nghiên cứu chuyển mạch nên kể đến tốc độ thay đổi của điện dẫn của hồ quang (dG/dt), các tham số (ví dụ hằng số thời gian và tổn thất công suất) để mô tả hồ
quang, và tốc độ tăng của điện áp phục hồi điện môi.
3.4.1.Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình hồ quang trong máy cắt
3.4.1.1.Giới thiệu về máy cắt
Máy cắt là thiết bị có khả năng dẫn và ngắt dòng điện trong các điều kiện vận hành bình thường cũng như dẫn điện trong khoảng thời gian nhất định và ngắt dòng
điện trong các điều kiện sự cố như ngắn mạch. Một máy cắt lý tưởng có các đặc tính sau:
Khi máy cắt đóng, dẫn điện tốt, chịu được tác động nhiệt và cơ khí ở bất kỳ
dòng điện nào nhỏ hơn hoặc bằng dòng điện định mức.
Khi máy cắt mở, cách điện tốt và chịu được điện áp đặt lên các tiếp điểm, điện áp với đất hoặc điện áp giữa các pha.
Đóng cắt nhanh và an toàn với bất kỳ dòng điện nào nhở hơn hoặc bằng dòng
điện ngắn mạch định mức
Tuy nhiên, thực tế khi máy cắt làm việc còn hình thành hồ quang điện. Hồ
quang điện được hình thành trong khoảng thời gian rất ngắn, nhưng lại có tác động rất lớn đến chất lượng làm việc của máy cắt. Chính vì vậy dựa vào cách thức dập tắt hồ quang, người ta đã chế tạo rất nhiều loại máy cắt khác nhau:
Máy cắt nén khí
Máy cắt khí SF6
Máy cắt chân không
Việc lựa chọn máy cắt được dựa trên các chỉ tiêu về kỹ thuật và kinh tế. Tuy nhiên, đối với mỗi loại máy cắt lại thường chỉ áp dụng cho một khoảng cấp điện áp nhất định.
Việc hình thành giới hạn này là do các giới hạn về khả năng dập tắt hồ quang
ở các cấp điện áp khác nhau trong máy cắt. Phần sau đây sẽ trình bày kỹ hơn về sự
hình thành cũng nhưđặc tính của hồ quang trong máy cắt.
3.4.1.2.Quá trình hồ quang trong máy cắt
Hồ quang điện, là thành phần duy nhất có khả năng chuyển từ trạng thái dẫn
điện sang cách điện trong một thời gian rất ngắn (trừ các thiết bị bán dẫn). Các máy cắt cao áp, hồ quang điện là hồ quang áp suất cao cháy trong dầu, không khí hoặc khí SF6. Trong máy cắt trung áp, thường hồ quang áp suât thấp cháy trong chân không để cắt dòng điện. Việc cắt dòng điện được thực hiện bằng cách làm lạnh dòng plasma hồ quang sao cho hồ quang điện được hình thành giữa hai cực của máy cắt sau khi tiếp điểm tách ra biến mất. Quá trình làm lạnh này hay gọi là quá trình dập tắt hồ quang có thể được thực hiện bằng nhiều cách. Các máy cắt được phân loại tùy thuộc vào môi trường dập hồ quang trong buồng cắt mà tại đó hồ quang xuất hiện. SF6 Chân không Dầu Nén khí Không khí 3 12 24 36 220 800 (kV)
Hồ quang điện trong máy cắt đóng vai trò quan trọng trong quá trình cắt của máy cắt. Hồ quang điện là một dòng plasma hình thành giữa hai cực của máy cắt sau khi phóng điện chất khí trong môi trường dập. Khi dòng điện chạy qua một máy cắt và các tiếp điểm bắt đầu tách ra, năng lượng từ trường tích trong điện cảm của hệ thống cưỡng bức dòng điện chạy qua. Ngay trước khi tiếp điểm tách ra, diện tích tiếp xúc các tiếp điểm rất nhỏ dẫn đến mật độ dòng điện tăng cao làm tan chảy vật liệu tiếp điểm. Vật liệu tiếp điểm tan chảy hoàn toàn dẫn đến phóng điện trong môi trường xung quanh. Khi động năng phân tử vượt quá năng lượng kết hợp, vật liệu chuyển từ thể rắn sang thể lỏng. Khi năng lượng tiếp tục tăng do tăng nhiệt độ và vượt qua lực Van der Waals, vật liệu tiếp tục chuyển sang thể khí. Việc tăng thêm nhiệt độ dẫn đến các phân tửđơn lẻ càng tăng thêm năng lượng khiến chúng phân ly thành các nguyên tử và nếu mức năng lượng tiếp tục tăng, quỹđạo electron của các nguyên tử phân ly thành các hạt electron chuyển động tự do, và trở thành các ion dương. Đây gọi là trạng thái plasma. Do có các hạt electron tự do và các ion dương trong dòng plasma nhiệt độ cao, dòng plasma trở nên có tính dẫn điện cao và dòng
điện tiếp tục chạy qua các tiếp điểm ngay cả khi chúng đã tách rời.
Kênh plasma của hồ quang điện có thể chia thành 3 vùng: cột hồ quang ở (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
giữa, cột cathode và cột anode (Hình vẽ ). Từ kênh hồ quang, gradient điện thế và phân bố nhiệt độ có thểđo được. Trên Hình vẽ thể hiện phân bố điện thếđiển hình dọc theo một kênh hồ quang giữa hai tiếp điểm máy cắt.
Cathode Anode Vïng co hÑp Vïng co hÑp Vïng kh«ng gian ®iÖn tÝch Vïng kh«ng gian ®iÖn tÝch Electrons Cét hå quang Ions Vanode Vcét Vcathode Vhå quang §iÖn ¸p
ChiÒu dµi khe hë
Hình vẽ 3 - 25: Phân bốđiện thế dọc vùng hồ quang trong máy cắt
3.4.1.3.Mô hình cắt điện và hệ phương trình vi phân mô tả quá trình hồ quang
Trong thực tế, độ phức tạp của mô hình máy cắt có thể chia thành các cấp:
Mô hình lý tưởng: là mô hình đơn giản nhất. Các thao tác đóng cắt lý tưởng hoàn toàn độc lập với hồ quang. Máy cắt được thay thế bằng một khóa chuyển mạch lý tưởng mà sẽ mở tại thời điểm đầu tiên dòng điện đi qua 0 ngay sau khi nhận được tín hiệu cắt. Mô hình này có được sử dụng trong các nghiên cứu
đóng cắt mà ảnh hưởng do tương tác giữa hồ quang máy cắt và hệ thống điện xung quanh có thể bỏ qua. Mô hình được sử dụng khi tính khả năng chịu điện áp phục hồi của máy cắt (thông số TRV).
Mô hình máy cắt có xét đến hồ quang như một điện cảm và điện dẫn biến thiên theo thời gian. Mô hình này có thể biểu diễn ảnh hưởng của hồ quang lên hệ
thống nhưng lại yêu cầu các dữ liệu về ảnh hưởng của hệ thống lên hồ quang. Các tham số hồ quang không phải lúc nào cũng dễ dàng đo được và mô hình này vẫn cần phải sử dụng các đường cong TRV để xác định mô hình máy cắt thích hợp.
Mô hình cải tiến : biểu diễn máy cắt như một điện cảm và điện dẫn động, giá trị của nó phụ thuộc vào dòng điện, điện áp và hồ quang bản thân nó trước đó.
Mô hình này có thể mô tả được đồng thời ảnh hưởng của hồ quang đến lưới
điện xung quanh và ngược lại mà không yêu cầu đường cong TRV khởi tạo. Mô hình này dựa trên phương trình vi phân bậc 1. Các dạng mô hình kiểu này thường được phát triển để xác định khả năng dập hồ quang. Hầu hết các mô hình kiểu này được sử dụng để nghiên cứu quá trình nhiệt, một số sử dụng để
xác định hồ quang phóng điện lặp lại khi nghiên cứu khả năng chịu quá áp của
điện môi giữa hai tiếp điểm. Trường hợp quan trọng nhất là ứng dụng cắt sự cố đường dây và chuyển mạch dòng điện nhỏ. Chúng đặc biệt áp dụng đối với máy cắt khí (không khí, SF6).
Một số mô hình được sử dụng để mô phỏng máy cắt khi đóng điện phần tử:
Mô hình đơn giản nhất giả thiết máy cắt hoạt động như một khóa lý tưởng mà tổng trở của nó chuyển tức thời từ giá trị vô cùng (trạng thái mở) về không tại thời điểm đóng. Thao tác đóng có thể tạo ra quá điện áp quá độ mà đỉnh lớn nhất phụ thuộc vào các yếu tố: thời điểm, mô tả hệ thống phía nguồn của máy cắt, hoặc điện tích bẫy trên đường dây truyền tải trong khi đóng lặp lại. Một trong những yếu tốảnh hưởng nhiều nhất đó là thời điểm đóng, thời điểm đóng có thể khác nhâu đỗi với mỗi cực của máy cắt.
Hầu hết các chương trình phân tích quá độ cho phép người sử dụng phân tích
ảnh hưởng của yếu tố này và xác định phân bố xác suất của quá điện áp chuyển mạch. Có hai dạng:
Thời điểm đóng thay đổi đều từ thời điểm min đến max.
Thời điểm đóng biến thiên ngẫu nhiên theo phân bố chuẩn (Gaussian) hay phân bố đều (Uniform). Dữ liệu yêu cầu biểu diễn các khóa này bao gồm giá trị
trung bình của thời điểm đóng, độ lệch chuẩn và số lần đóng điện. Khi sử dụng
điện trởđóng trước để hạn chế quá áp, thời gian đóng của các tiếp điểm chính và phụ cũng được phân bố theo xác suất.
Hình vẽ 3 - 26: Dòng điện trong máy cắt
Mô hình máy cắt thông thường được sử dụng trong mô phỏng quá độ là mô hình khóa lý tưởng cho phép mở tại thời điểm dòng điện đi qua không. Mô hình như
vậy thường được sử dụng khi tác động giữa hồ quang máy cắt và môi trường xung quanh bị bỏ qua. Trong các nghiên cứu khác, nơi cần tính đến khả năng cắt của máy cắt và ảnh hưởng tới dòng điện cắt, mô hình chi tiết của máy cắt cần được sử dụng. Hình 1.9 minh họa dòng điện trong mô hình hồ quang khi cắt sự cố. Thí nghiệm
được thực hiện trên hệ thống đường dây bù dọc 735kV Hydro- Quesbec. Với mô hình khóa lý tưởng, dòng điện qua điểm không sau 113ms so với 63ms khi sử dụng mô hình hồ quang máy cắt không khí. Thời gian hồ quang là một thông số quan trọng khi xét đến khả năng dập hồ quang đối với mỗi loại máy cắt.
Mục đích chính của mô hình máy cắt là:
Xác định tất cả các điện áp và dòng điện sinh ra trong hệ thống do hoạt động của máy cắt.
Xác định máy cắt sẽ vận hành thành công dưới những điều kiện nhất định. Một vài mô hình hồ quang được nêu ra trong các tài liệu chuẩn, một sốđược (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});