Quá điện áp quá độ

a. Nguyên nhân

Hiện tƣợng quá điện áp quá độ là do quá trình đóng cắt thiết bị hoặc do hiện tƣợng sét. Quá điện áp quá độ có thể xảy ra ở tần số cao, trung bình hoặc thấp.

b. Đóng cắt tụ

Tụ thƣờng đƣợc sử dụng để cung cấp công suất phản kháng nhằm nâng cao khả năng tải cho đƣờng dây, giảm tổn thất và cung cấp điện áp cho hệ thống điện. Sử dụng tụ mang lại hiểu quả kinh tế cao. Trong khi các phƣơng pháp khác nhƣ sử dụng máy điện quay hoặc sử dụng các thiết bị bù tĩnh điện đều có giá thành cao và bảo dƣỡng tốn kém hơn nên hiện nay việc sử dụng tụ trong thệ thống điện là phổ biến nhất.

Tuy nhiên nhƣợc điểm của tụ là gây ra quá độ trong quá trình đóng cắt. Một số tụ đƣợc cung cấp năng lƣợng toàn bộ thời gian tuy nhiên một số khác đóng cắt theo tải. Chính điều này đã làm xuất hiện các sự thay đổi các thông số hệ thống nhƣ điện áp, dòng điện, công suất phản kháng…

c. Sét

Hệ thống lƣới điện và các trạm biến áp hầu hết đƣợc xây dựng ngoài trời với các đƣờng dây tải điện hàng trăm, hàng ngàn km. Quá điện áp khí quyển không chỉ gây nên phóng điện trên cách điện đƣờng dây mà còn truyền sóng vào trạm biến áp gây sự cố hƣ hỏng cách điện trong trạm. Quá điện áp khí quyển có thể do sét đánh thẳng lên đƣờng dây hoặc mặt đất gần đƣờng dây sẽ sinh ra sóng điện từ truyền dọc đƣờng dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đƣờng dây. Khi cách điện của đƣờng dây bị hỏng sẽ gây nên ngắn mạch pha- đất hoặc ngắn mạch pha-pha buộc các thiết bi bảo vệ đầu đƣờng dây phải làm việc. Với những hệ thống đƣờng dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định hệ thống, nếu hệ thống tự động của các nhà máy làm việc không nhanh thì có thể gây nên sự cố rã lƣới.

Sóng sét còn có thể truyền từ đƣờng dây vào trạm biến áp hoặc dánh thẳng vào trạm biến áp đều gây nên phóng điện trên cách điện trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm vì nó tƣơng đƣơng với ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng. Mặt khác khi có sóng sét truyền vào trạm biến áp, nếu chống sét van đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp sẽ bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn. Nhìn chung, khi bảo vệ chống sét đƣờng dây không phải là loại trừ hoàn toàn khả năng sự cố do sét mà chỉ giảm sự cố đến mức giới hạn hợp lý mà thôi.

d. Cộng hƣởng sắt từ

Cộng hƣởng sắt từ là một loại cộng hƣởng đặc biệt bao gồm điện dung và điện cảm của lõi sắt. Nó gây ra mất cân bằng khi điện kháng từ hóa của một máy biến áp đƣợc đặt nối tiếp với tụ hệ thống. Điều này xảy ra trong đƣờng dây hở mạch một pha. Dƣới dạng điều khiển, cộng hƣởng sắt từ có thể đƣợc sử dụng hữu ích nhƣ một MBA.

Cộng hƣởng sắt từ khác cộng hƣởng trong các phần tử hệ thống tuyến tính. Cộng hƣởng tuyến tính là hiện tƣợng xảy ra sau khi có sự khuếch đại của sóng hài trong hệ thống điện. Trong hệ thống tuyến tính, cộng hƣởng dẫn đến điện áp và dòng điện sin cao theo tần số cộng hƣởng, trong khi đó cộng hƣởng sắt từ thì dạng sóng thƣờng không theo quy luật. Các nguyên nhân chính dấn đến cộng hƣởng sắt từ là:

 Đóng cắt không tải, đƣờng dây cáp, MBA 3 pha với chỉ một pha đóng.  Đóng cắt không tải, đƣờng dây cáp, MBA 3 pha với một pha hở.

 Cầu chì 1 hoặc 2 cực hỏng để máy biến áp với 1 hoặc 2 pha mở. Các tự động đóng lại 1 pha cũng có thể gây ra tình trạng này.

Tuy nhiên không phải những sự kiện trên đều gây ra cộng hƣởng sắt từ. Tình trạng hệ thống mà làm tăng sự xuất hiện của cộng hƣởng sắt từ bao gồm:

+ Hệ thống điện áp phân phối cao hơn, đặc biệt là nhóm điện áp 22 và 35kV. + Đóng cắt tải nhẹ hoặc các máy biến áp không tải.

+ Cách đấu dây phía sơ cấp máy biến áp; Mạch cáp ngầm quá dài.

+ Hƣ hỏng cáp và thiết bị đóng cắt trong quá trình xây dựng hệ thống cáp ngầm. + Hệ thống yếu, dòng ngắn mạch thấp.

+ Các MBA tổn thất nhỏ; Hệ thống 3 pha với thiết bị đóng cắt chỉ một pha. Sự xuất hiện của cộng hƣởng sắt từ có thể xuất hiện tại nhiều mức độ điện áp khác nhau. Tỷ lệ của tổn thất, điện kháng từ khóa và điện dụng tại mức độ thấp có thể giới hạn đƣợc tác dụng của cộng hƣởng sắt từ nhƣng nó vẫn xuất hiện.

Có một vài loại của cộng hƣởng sắt từ với sự biến đổi vật lý và điện khác nhau. Một số có điện áp và dòng điện rất cao, một số khác lại có điện áp gần với giá trị bình

thƣờng. Chính vì vậy, rất khó để nói rằng cộng hƣởng sắt từ trừ khi có bằng chứng hoặc sử dụng các thiết bị đo chất lƣợng điện năng.

e. Quá độ do nguyên nhân đóng cắt khác

Quá độ đƣờng dây thƣờng xuất hiện khi một dao cách ly đóng nối đƣờng dây vào hệ thống điện. Khi đó chúng thƣờng sinh ra một thành phần tần số cao hơn quá độ do đóng cắt tụ. Quá trình quá độ này là kết quả của sự kết hợp của sóng mang, điện dung của đƣờng dây và điện cảm của nguồn.

Các quá độ trong mạch điện phân phối thƣờng bao gồm kết quả của quá độ đƣờng dây, đặc điểm dòng khởi động máy biến áp và đặc điểm khởi động của tải. Quá độ đƣờng dây không thƣờng xuyên là vấn đề với các thiết bị sử dụng. Các thiết bị sử dụng có thể đƣợc bảo vệ với thành phần tần số cao bằng các thiết bị nếu cần thiết.

Một nguyên nhân khác của quá áp là do sự cố chạm đất một pha. Trong một hệ thống có trở kháng thứ tự không cao sẽ xuất hiện điện áp cao trong suốt quá trình xảy ra sự cố. Sự quá áp này chỉ là tạm thời và nó sẽ biến mất sau khi sự cố bị loại trừ. Hiện tƣợng này thƣờng không gây ra vấn đề quá lớn trừ khi sự cố bị loại trừ. Hiện tƣợng này thƣờng không gây ra vấn đề quá lớn trừ khi quá trình loại trừ sự cố lâu. Nói chung, sự tác động lớn hay nhỏ của hiện tƣợng quá áp này phụ thuộc vào đấu nối của MBA. Với MBA đấu sao-sao-đất, điện áp sẽ đƣợc biến đổi trực tiếp trong khi với MBA đấu tam giác sẽ giúp bảo vệ đƣợc thiết bị khỏi quá điện áp trong quá trình sự cố.

3.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh chất lƣợng điện áp 3.2.1. Các phƣơng pháp điều chỉnh điện áp nói chung

Các biện pháp điều chỉnh chất lƣợng điện áp nhằm đảm bảo các chỉ tiêu chất lƣợng điện áp đã trình bày ở trên có thể chia thành 2 nhóm:

1 - Điều chỉnh để chống giảm áp và quá áp dài hạn: giảm áp và quá áp dài hạn do biến thiên phụ tải điện hàng ngày gây ra. Các biện pháp điều chỉnh này đƣợc thực hiện tổng quát ở mọi lƣới phân phối bằng các giải pháp thực hiện trong cấu trúc chính của lƣới điện. Khi thiết kế lƣới phải thực hiện các biện pháp điều chỉnh điện áp này.

2 - Điều chỉnh chống các biển thiên nhanh, ngắn hạn, dao động điện áp, không đối xứng và sóng hài: là các biện pháp mang tính địa phƣơng, tùy thuộc vào sự xuất hiện các hiện tƣợng này và có các thiết bị dùng điện nhạy cảm với các hiện tƣợng này.

Đối với Điện lực các huyện thì vấn đề chính phải quan tâm chính là độ giảm áp hoặc quá áp dài hạn. Do đó dƣới đây sẽ trình bày kỹ các biện pháp điều chỉnh này.

3.2.2. Điều chỉnh độ lệch điện áp trong lƣới phân phối trong chế độ xác lập a. Độ lệch điện áp trên cực thiết bị dùng điện a. Độ lệch điện áp trên cực thiết bị dùng điện

Mục đích của điều chỉnh điện áp trong lƣới điện phân phối là đảm bảo chất lƣợng điện áp cho phụ tải điện, trƣớc hết là độ lệch điện áp dài hạn so với định mức trên cực các thiết bị dùng điện. Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn chung, quan trọng nhất cho mọi phụ tải điện, đƣợc điều chỉnh chung cho mọi lƣới phân phối điện. Còn các tiêu chuẩn khác là độ dao động, độ không đối xứng và độ không sin có tính cục bộ đƣợc hạn chế đến mức cho phép nhờ các biện pháp điều chỉnh cục bộ ở những nơi cần thiết.

Độ lệch điện áp so với điện áp định mức đƣợc tính nhƣ sau: [12]

  100 % dm dm U U U U    (3.1)

U là điện áp thực tế trên thiết bị dùng điện.

Tiêu chuẩn chất lƣợng điện áp quy định: độ lệch điện áp trên cực thiết bị dùng điện không đƣợc vƣợt ra ngoài phạm vi cho phép: [12]

U U U

     (3.2)

U

 

,Uđƣợc quy định bởi tiêu chuẩn chất lƣợng điện áp, thƣờng U

= - 5%,

U

 = 5% theo quy phạm trạng bị điện Việt nam.

b. Đánh giá chất lƣợng điện áp trong lƣới hạ áp

Lƣới phân phối hạ áp cấp điện cho đại bộ phận thiết bị dùng điện.

Trong LPP-HA chỗ nào cũng có thể đấu thiết bị dùng điện, do đó trong toàn LPP-HA và trong mọi thời gian điện áp phải thỏa mãn tiêu chuẩn: [13]

xt

U U U

Tuy nhiên ta biết rằng có hai vị trí và hai thời điểm mà ở đó nếu chất lƣợng điện áp đƣợc đảm bảo thì cũng sẽ đƣợc đảm bảo trong mọi địa điểm và thời gian còn lại. Đó là điểm đầu (điểm B) và điểm cuối lƣới hạ áp (điểm A, là điểm có điện áp thấp nhất) (hình dƣới) trong hai chế độ phụ tải max và min. Phối hợp các điều kiện trên ta viết đƣợc bốn tiêu chuẩn, trong đó quy ƣớc số 1 chỉ chế độ max, số 2 chỉ chế độ min[13] :

1 2 1 2 A A B B U U U U U U U U U U U U                             (3.4)

Thể hiện trên đồ thị ta thấy độ lệch điện áp phải luôn nằm trong vùng gạch chéo trên hình dƣới gọi là miền chất lƣợng [1]

Hình 3.2: Miền chất lượng điện áp

Nếu sử dụng tiêu chuẩn trên thì phải đo đạc điện áp ở cả hai điểm A và B trong hai chế độ Max và Min. Trong đó điểm A rất khó xác định, mặt khác nhiều khi chỉ cần đánh giá kỹ thuật lƣới phân phối trung áp. Do đó ta có thể quy đổi về đánh giá chất lƣợng điện áp chỉ ở điểm B là điểm đầu của lƣới phân phối hạ áp và cũng là thanh cái hạ áp của trạm phân phối. [1]

Ta biết: 1 1 1 2 2 2 A B H A B H U U U U U U           (3.5) H U

 : là tổn thất điện áp trên lƣới hạ áp. Thay (3.5) vào (3.4) ta có :

1 1 2 2 1 2 B H B H B B U U U U U U U U U U U U U U                                 (3.6)

Trong hệ bất phƣơng trình (3.6) trên thì hai bất phƣơng trình đầu là tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điện áp ở điểm A quy về B, hai bất phƣơng trình sau là tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điện áp ở chính điểm B.

Chuyển UH1và UH2ở hai bất phƣơng trình đầu sang hai vế:

1 1 1 2 2 2 1 2 H B H H B H B B U U U U U U U U U U U U U U U U                                     (3.7)

Ta nhận thấy nếu hai bất phƣơng trình trên thỏa mãn vế trái thì hai bất phƣơng trình sau cũng thỏa mãn, còn nếu hai bất phƣơng trình sau thỏa mãn vế phải thì hai phƣơng trình trên cũng thỏa mãn do tiêu chuẩn chất lƣợng điện áp chỉ còn là: [1]

1 1 2 2 H B H B U U U U U U U U                   (3.8) Hình dƣới là đồ thị biểu diễn tiêu chuẩn (3.8), chế độ Max ứng với công suất Max Pmax còn chế độ min ứng với công suất min Pmin của phụ tải [1].

δU-+ ΔUH1

δU-+ ΔUH2

Tiêu chuẩn này đƣợc áp dụng nhƣ sau: cho biết UH1ví dụ = 5% theo tiêu chuẩn

tổn thất điện áp trong lƣới phân phối hạ áp. Biết Pmax, Pmin ta tính đƣợc

2 ( min / ax) 1

H m H

U P P U

   và ta lập đƣợc đồ thị đánh giá chất lƣợng điện áp nhƣ trên.

Sau đó ta đo đƣợc điện áp trên thanh cái trạm phân phối trong chế độ max và min để tính UB1 và UB2. Đặt hai điểm này vào đồ thị rồi nối chúng bằng đƣờng thẳng, đó là đƣờng điện áp thực tế. Nếu đƣờng này nằm gọn trong miền chất lƣợng thì CLĐA của lƣới phân phối là tốt (đƣờng 1). Nếu có phần nằm ngoài miền CLĐA nhƣ đƣờng 2 và 3 thì CLĐA không đạt yêu cầu. Tùy theo vị trí của đƣờng điện áp mà có thể rút ra cách thức điều chỉnh. Ví dụ: đƣờng 2 không đạt yêu cầu nhƣng có thể cải thiện bằng cách thay đổi đầu phân áp cố định của MBA-PP, cụ thể là dùng đầu phân áp cao hơn, đƣờng điện áp sẽ tịnh tiến lên phía trên và đi vào miền CLĐA. Trong trƣờng hợp đƣờng 3 thì không thể thay đổi đầu phân áp cố định để cải thiện đƣợc vì nếu chế độ max đƣợc cải thiện thì chế độ min sẽ bị hỏng. Trong trƣờng hợp này chỉ có thể dùng biện pháp xoay ngang đƣờng điện áp bằng cách điều áp dƣới tải ở trạm TG hoặc dùng tụ bù có điều chỉnh. [15]

3.2.3. Điều chỉnh điện áp trong lƣới điện hạ áp:

Xét lƣới điện phân phối nhƣ hình vẽ:

Hình 3.4: Diễn biến điện áp trong lưới điện

Ở chế độ max, nhờ bộ điều áp dƣới tải ở trạm TG nên điện áp đầu nguồn đạt độ lệch E1. Tổn thất điện áp UTA1làm điện áp trên thanh cái trung áp của trạm phân phối

giảm xuống (đƣờng 1), nhƣng nhờ có đầu phân áp cố định của MBA-PP nên điện áp tăng lên thêm EP, ở đầu ra của MBA-PP điện áp lại tụt xuống do tổn thất điện áp trong máy biến áp phân phối UB1. Ở điểm cuối LPP hạ áp, điện áp xuống thấp nữa do tổn

thất điện áp trong lƣới hạ áp UH1 [19].

Ở chế độ min cũng tƣơng tự (đƣờng biểu diễn là đƣờng 2). Độ tăng áp EP do đặt đầu phân áp cố định giữ nguyên giá trị cho chế độ min. Nếu đƣờng điện áp trong lƣới điện hạ áp nằm gọn trong miền chất lƣợng điện áp (miền gạch chéo) thì chất lƣợng điện áp của lƣới điện là tốt, ngƣợc lại là không tốt, cần phải thực hiện các biện pháp điều chỉnh. Từ sơ đồ ta có thể lập các biểu thức tính toán:

1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 2 2 2 B TA P B B TA P B A B H A B H U E U E U U E U E U U U U U U U                     (3.9)

Đối với lƣới phân phối trung áp, nhằm đáp ứng độ lệch điện áp là 5% trên phụ tải. Giả thiết lƣới phân phối hạ áp là tốt và tổn thất điện áp lƣới hạ áp là:

% 5 1

UH ; UH2 2,5%

Vậy tiêu chuẩn đánh giá CLĐA trên lƣới phân phối trung áp nhƣ sau:

1 1 2 2 H B H B U U U U U U U U                   1 1 0% 5% 2,5% 5% B B U U         (3.10)

Tiêu chuẩn (3.10) cho phép đánh giá CLĐA của toàn bộ lƣới điện hạ áp tại điểm B là thanh cái đầu ra của MBA hạ áp khi đã biết tổn thất điện áp trong lƣới hạ áp ở hai