Tối ưu chế độ trung tính của mạng

Khi giải quyết vấn đề bảo vệ mạng điện từ các sự cố chạm đất một pha, một trong những nhiệm vụ chính là tối ưu hóa chế độ trung tính Khi sử dụng phương pháp nối đất trung tính cần phải dựa trên đặc điểm và điều kiện vận hành của mạng

Qua nghiên cứu, độ tin cậy cung cấp điện thấp nhất được xác định là mạng trung tính cách ly hoàn toàn [18, 20]

Để cải thiện các giải pháp hạn chế mối nguy hiểm và thay thế kịp thời các thiết bị trong mạng bị suy giảm cách điện bằng các biện pháp như sau:

1 Bù dòng điện dung khi chạm đất một pha

Bù dòng điện dung khi có một pha chạm đất với cuộn cảm Petersen được người Đức nghiên cứu vào năm 1919 [36,37,39] với điều kiện cộng hưởng:

3c 1

L (1 12)

khi đó dịng điện chạm đất bằng khơng

Vì vậy, hồ quang được dập tắt và sẽ không xuất hiện quá điện áp khi xảy ra chạm đất, tuy nhiên trong thực tế điều kiện lý tưởng này không xảy ra

Ở Nga đã quan tâm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi xảy ra chạm đất 1 pha bằng cuộn dập hồ quang Peterson làm giảm quá điện áp khi chạm đất một pha trong các mạng 3 - 35kV trung tính cách ly và đánh giá tính khả thi khi sử dụng nó trong việc bảo vệ chạm đất, đặc biệt là trong các mạng có bù dịng điện dung Qua nghiên cứu đã xây dựng được quan hệ phụ thuộc giữa điện áp trung tính trong các

điều kiện khác nhau như ở hình 1 4, qua đó cho thấy quá bù lại hạn chế được điện áp trung tính khi mất đối xứng về điện dung, trong khi bù thiếu điện áp trung tính lại quá cao Vì vậy bù thiếu được phép làm việc trong trường hợp khi dây pha bất kỳ bị đứt, điện áp trung tính khơng vượt q 70% điện áp pha

Hình 1 4 Quan hệ phụ thuộc giữa điện áp trung tính với điện dung của phần mạng

được ngắt khỏi lưới: 0 – Trung tính cách ly; 1 – Bù cộng hưởng; 2- Quá bù 20%; 3- Bù thiếu 20%; 4 – bù thiếu 20%, có kể đến bão hịa của cuộn dây

Hình 1 5 Mạng điện trung tính cách ly với một pha chạm đất (a), trong

mạng có bù dịng điện dung (b)

Trên hình 1 5 là các sơ đồ vecto của dòng và điện áp trong mạng chạm đất một pha có và khơng có cuộn dây Peterson Cuộn dây Peterson là thành phần điện cảm được lắp đặt để dập tắt hồ quang khi chạm đất một pha và hạn chế quá điện áp quá độ trong mạng

Hầu hết các nhà nghiên cứu ưu tiên thiết lập chế độ bù cộng hưởng với điện dung của mạng, tức là [28, 31, 60, 69, 76]:

X L X C hayLP 31C (1 13)trong đó: XL và XC - tương ứng với điện cảm của thiết bị bù và điện dung của trong đó: XL và XC - tương ứng với điện cảm của thiết bị bù và điện dung của mạng; LP - điện cảm của thiết bị bù; C – điện dung một pha

Điều kiện này trong trạng thái một pha chạm đất ổn định đảm bảo bình đẳng về giá trị dòng điện dung IC chạm đất và các thành phần dòng cảm ứng IL cho hướng ngược chiều, mạch dòng còn lại sẽ trở thành thành phần tác dụng của dịng điện chạm đất Ia (khơng bao gồm mạch dịng sóng hài) Trong trường hợp khơng tn thủ các điều kiện này dòng điện cịn lại được định nghĩa là tổng hình học của các thành phần tác dụng và phản kháng Thành phần phản kháng lại phụ thuộc vào mức độ của điều kiện cân bằng (độ lệch từ điều kiện cộng hưởng):

vI L  I C

I L  1 3  2 CLP (1 14)

 U qd  U xl

U 0 SC (1 15)

trong đó: Uqd – điện áp quá độ

Uxl – điện áp xác lập của pha sự cố

UOSC – điện áp của pha khơng bị sự cố tại thời điểm chạm đất

Hình 1 6 Bội số quá điện áp phụ thuộc mức độ bù:

1 – Quá bù; 2 – Bù thiếu

Từ hình 1 6 cho thấy, tại điều kiện cộng hưởng thiết bị bù, cũng như lệch khoảng 5%, quá điện áp không thể vượt quá 2,75UF Tăng mức độ bù đến 30 40% dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng về mức độ q điện áp

Các cơng trình nghiên cứu đều cho rằng bù dòng điện dung nhằm hạn chế quá điện áp do chạm đất một pha (2,5-2,9)UF (bù mức độ không phù hợp 0 0,5%), đồng thời làm giảm đáng kể tốc độ phục hồi điện áp pha bị sự cố, giúp khơi phục lại các tính chất điện mơi của vị trí chạm đất trong mạng sau mỗi lần phóng điện hồ quang

nối đất [23, 26, 28, 29, 31, 43, 38, 50, 52-55]

Bù tự động dòng điện dung cho các mạng điện 6-35 kV được thực hiện ở các thiết bị: УАРК 1: УАРК 1А, УАРК 101, УАРК 101М, УАРК 101С …, phù hợp với điện dung của lưới phân phối Với dòng điện từ 5 - 7A (mạng 6kV, 10 kV) ứng dụng thiết bị loại ТАДТМ, УДТМ với thyristor điều khiển điện dẫn ở phía cuộn dập hồ quang; với dịng điện từ 5-30 A và trên 30 A sử dụng loại dập hồ quang kiểu trụ hoặc từ tính; trong các mạng điện với dịng điện dung lớn thì sử dụng các cuộn dập hồ quang điều khiển kiểu bước (loại ЗРОМ) hoặc kiểu trụ ASR (ZTC), EGE (Cộng hòa Séc), REG-DP (A-Eberle, Đức) hoặc Mirko-5 [28, 31, 50, 68]

2 Trung tính nối đất qua cuộn Peterson và điện trở mắc song song

Để giảm quá điện áp trong mạng khi xảy ra chạm đất hồ quang không cộng hưởng (cũng như chế độ không đối xứng liên quan đến quá áp cộng hưởng) có thể sử dụng điện trở đấu song song với cuộn Peterson hình 1 7 [19, 31, 50]

Hình 1 7 Mạng lưới 6 – 35kV có trung tính nối đất

qua cuộn Peterson và điện trở đấu song song Lựa chọn giá trị điện trở theo công thức: RN U ф / ΔI з

Sai số dòng điện bù: ΔI = I p − I C

Điện trở cao sẽ làm giảm thời gian tồn tại quá điện áp trên các pha không sự cố ngay cả trong trường hợp điều chỉnh cộng hưởng cuộn Peterson, đó chính là lợi thế của sơ đồ nối đất trung tính hình 1 7

Trên thực tế mạng lưới điện 6 ÷ 35kV của đa số các doanh nghiệp thường vượt quá giá trị dòng chạm đất cho phép, thường vận hành trong mạng bù quá 20%, nên sử dụng chế độ nối đất hỗn hợp giữa điện trở và cuộn Peterson, ngăn chặn chế độ quá

độ chạm đất, bảo vệ thiết bị điện, cải thiện chỉ số an toàn điện, độ tin cậy với điện trở nối trung tính thậm chí bù lệch cộng hưởng lên đến 50% Hình 1 8 so sánh các vùng với bội số quá điện áp giữa mức độ bù không phù hợp với mức bù cộng hưởng trong mạng bù trung tính (vùng 1) và mạng có chế độ nối đất hỗn hợp trung tính (vùng 2) Ranh giới trên và dưới của các vùng tương ứng với hệ số v bằng 1 và 0,8, trong đó có tính đến đặc điểm của mạng, vị trí liên quan đến các hư hỏng trong khoảng khắc [54, 56]

Hình 1 8 Quan hệ phụ thuộc giữa bội số quá điện áp và mức độ bù trong mạng có

trung tính nối đất qua cuộn bù (1) và trong mạng có trung tính nối đất hỗn hợp (mắc thêm điện trở song song với cuộn bù) (2)

3 Nối đất trung tính qua điện trở có trị số cao

Trong những năm 1980, các nghiên cứu giải pháp bù dòng điện dung nhằm cải thiện độ tin cậy và vận hành an toàn mạng

Điện trở cao nối đất trung tính [13, 16, 17, 25, 33, 47, 52, 53, 65] tác động tích cực đến các điều kiện vận hành mạng lưới phân phối với dịng điện chạm đất nhỏ, giảm thiểu chi phí cho việc xây dựng các thiết bị nối đất, được sử dụng để hạn chế sự quá điện áp không quá 2,4 Uf trong khoảng thời gian 5 giây từ lúc có chạm đất đến rơle bảo vệ tác động và tự động hóa, cũng như tạo điều kiện cho bảo vệ chọn lọc tin cậy

Các nghiên cứu cho thấy, giảm biên độ quá điện áp hồ quang chạm đất và cắt tự động khi sự cố bằng cách nối trung tính qua điện trở cao hình 1 9 [55], lựa chọn chế độ mạng trung tính hợp lý giúp đảm bảo hoạt động tin cậy của mạng lưới phân phối quản lý tập trung, cải thiện an toàn và hiệu quả cung cấp điện [32, 60, 74]

Hình 1 9 Sơ đồ mạng 6-35kV có trung tính nối đất

qua điện trở lớn khi có sự cố chạm đất

Điện trở cao cũng ngăn chặn sự xuất hiện quá cộng hưởng trong mạng bằng cách phóng điện hồ quang liên tục (Hình 1 9) Máy biến áp bão hòa nếu năng lượng lưu trữ trong dung lượng mạng (WC) lớn hơn giá trị ngưỡng của năng lượng điện từ (WL), cụ thể là[43]:

WC WL hayCU 2

2 LI 2

2 (1 16)

trong đó: C – điện dung mạng, F; U - điện áp hồ quang, V; L - điện cảm của biến áp, I - dòng điện của mạng, A

Bão hịa từ có thể được ngăn chặn nếu dung lượng phóng điện hồ quang sau khi dập tắt xảy ra trong vịng nửa chu kỳ mạng lưới tần số cơng nghiệp (T/2 = 0,01s)

4 Nối đất trung tính qua điện trở có trị số thấp

Trong trường hợp mạng điện có sơ đồ đấu máy biến áp là Y/∆, nối đất bằng điện trở thấp được thực hiện qua máy biến áp đo lường và được đấu vào cuộn tam giác hở Chế độ này cho phép nối đất trung tính có giá trị thấp ngăn chặn cộng hưởng và quá điện áp cộng hưởng, góp phần loại bỏ q dịng gây ra bởi bão hòa của biến áp đo lường, loại bỏ phá hủy nhiệt của cuộn dây và tăng độ tin cậy và tính chọn lọc của bảo vệ

Giá trị điện trở nối vào cuộn tam giác hở được lựa chọn: R 9 3 RZ

K T2

loại trừ quá điện áp ở trung tính khi chạm đất với thời gian t = 0,008-0,01s, giảm giá trị điện trở, làm tăng dòng chạm đất một pha, phóng điện nhanh chóng dịng điện dung và giảm điện áp trung tính Hệ thống cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ đủ tin cậy nên

ưu tiên cho điện trở thấp nối trung tính Số lượng dịng trong mạch được lựa chọn dựa trên độ nhạy của rơle và giá trị điện trở nối đất nằm trong khoảng 100 ÷ 200Ω đối với mạng 6kV; 200 ÷ 300Ω đối với mạng 10kV Khi đó quá điện áp được hạn chế (2,2 ÷ 2,4UF) và giảm đến mức tối thiểu thời gian tiếp xúc, tạo ra dịng chạm đất có giá trị xác định không phụ thuộc vào trạng thái vận hành của các phần mạch 6kV hoặc 10kV và vị trí lỗi trên cuộn dây stato của vỏ máy động cơ [44, 49, 55]