D. Bố cục đề tài
2.2. Tình trạng làm việc của từng phương thức
2.2.1. Mạng điện 3 pha trung tính cách điện đối với đất:
Một hệ thống (HT) trung tính không nối đất đơn giản được vẽ như Hình 2.2a.
a)
b)
Hình 2.2. Mạng 3 pha trung tính cách điện .
Đường dây có điện dung giữa các pha khác nhau và với đất đặc trưng như là các bộ tụ điện nối tam giác và sao. Nhóm tụ điện nối tam giác có ảnh hưởng ít đến việc
a. Tình trạng làm việc bình thường : a) UA UB UC lcOb lcOa lcOc b)
Hình 2.3. Sơ đồ mạng điện đơn giản gồm một máy phát điện, đường dây, phụ tải.
Trong tình trạng làm việc bình thường, với đường dây hoán vị hoàn toàn, dây dẫn mỗi pha có điện dung như nhau đối với đất. Với điện áp 3 pha cân bằng trên đường dây, dòng trong mỗi tụ điện sẽ bằng nhau và lệch nhau một góc 120 . Điện0
dòng điện dung của các pha ICOa, ICOb, ICOc cũng đối xứng với nhau và tổng của chúng bằng không, cho nên không có dòng nào chạy trong đất :
COa
I = ICOb = ICOc
CO
I = ICOa + ICOb + ICOc = 0
0
U = UA + UB + UC = 0
b. Khi có chạm đất một pha:
Hình 2.4. Chạm đất 1 pha ở mạng trung tính cách đất.
Khi pha C chạm đất trực tiếp, khi đó điện áp đối với đất của pha C bằng không, có thể coi như tại chỗ chạm đất được đặt thêm vào một điện áp thứ tự không bằng
C
U
. Như vậy điện áp mới của pha đối đất U'A, UB' , UC' bằng tổng hình học điện áp các pha đối với đất trước khi chạm đất và điện áp thứ tự không.
Hình 2.5. Biểu diễn vectơ chạm đất 1 pha ở mạng trung tính cách đất . ' A U = UA-UC ' B U = UB- UC ' C U = UC - UC =0 Từ đồ thị vectơ ta được : │Ů’B│ = 3 │ŮB│ │Ů’A│ = 3 │ŮB│ │Ů’C│ = 0
Tức là điện áp của pha chạm đất bằng không, còn hai pha kia tăng lên 3 lần. Do đó, dòng điện qua điện dung của pha bị chạm đất bằng không, còn dòng điện dung qua điện dung của hai pha kia tăng l ên 3 lần so với dòng điện dung lúc bình thường.
CC
I = 0; ICA = 3 ICO; ICB = 3 ICO
Chúng ta qui ước chiều dòng điện tính từ dây dẫn vào đất, từ hình vẽ tính được dòng điện chạy trong đất (cũng là dòng điện chạy trong pha bị chạm đất).
│IC│ = - │ICAICB│ = - │ 3ICA│ = -3│ICO│
Các trị số tính toán dòng điện và điện áp thực hiện thuận lợi nhất là bằng phương pháp các thành phần đối xứng thông dụng. Dòng trong pha sự cố bằng:
1 2 0 3 g N E I Z Z Z (2-1)
Trong quan hệ này có hai điều cần lưu ý: tổng trở thứ tự không (TTK) Z0 tại điểm sự cố, với hệ thống không nối đất trun g tính có tính dung trong khi đó Z1 và
2
Z chủ yếu là điện cảm. Do đó hai đại lượng này có hướng trung hòa lẫn nhau. Trường hợp đặc biệt với đường dây (DZ ) dài, lúc này Z1 và Z2tăng lên còn 0
Z giảm xuống.
Một ảnh hưởng khác trên đường dây dài là dòng dung TTK cho những phần tử ở xa sẽ đi qua những điện kháng nối tiếp của các phần tiếp theo tạo nên điện áp TTK tăng cao ở đầu cu ối. Điều này đưa đến điểm trung tính hay điểm đất nằm ngoài t am giác điện áp dây nhưHình 2.6.
Hình 2.6. Độ dịch chuyển trung tính.
Tình trạng quan trọng này là hiếm thấy trừ khi chiều dài đường dây vượt quá 320km.
Nếu công suất của nguồn bé, dòng điện phản kháng phụ gây ra do chạm đất có thể làm tăng điện áp dây.
Điện dung tĩnh điện của mỗi đường dây đối với đất được giả sử bằng nhau như đã nêu ở trên. Điều này là trường hợp quan trọng của đường dây hoán vị. Với đường
dây không hoán vị điều này không đúng nhất là với loại có cấu hình nằm ngang hay đứng. Giá trị không cân bằng chính xác có thể được tính bằng cách xác định hệ số điện dung của dây dẫn. Trong trường hợp cực đoan, sự không cân bằng của hai cấu hình này có thể dẫn đến khoảng 5% điện áp TTK. Do đó trong thực tế trung tính của hệ thống có trung tính không nối đất có th ể bị dịch chuyển so với đất 5% điện áp pha định mức ở điều kiện bình thường. Điều này có thể chấp nhận được mặc dù đôi khi có thể gây nhiễu loạn cho mạch thông tin.
Tóm lại khi chạm đất trực tiếp một pha, thì tình hình mạng điện có những thay đổi sau:
- Điện áp của pha bị chạm đất bằng 0, còn hai pha kia tăng lên bằng điện áp dây( chạm đất hoàn toàn) .
- Dòng điện điện dung trong pha chạm đất tăng lên 3 lần còn hai pha kia tăng lên 3 lần.
- Điện áp dây của thiết bị trước và sau khi chạm đất không thay đổi. - Điên áp của điểm trung tính tăng từ 0 đến điện áp pha.
2.2.2. Mạng điện 3 pha trung tính nối qua cuộn dập hồ quang:
Cuộn dập hồ quang là một cuộn cảm có lõi thép đặt trong thùng chứa dầu MBA (giống máy biến áp điện lực một pha). Điện kháng cuộn dây lớn, điện trở không đáng kể. Điện kháng của cuộn dập hồ quang điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng dây hay khe hở của lõi thép.
- Khi bình thường: Uo ≈ 0 → IL≈ 0
- Khi chạm đất 1 pha: U’o =UP ≠ 0 → IL ≠ 0
Tại chỗ chạm đất sẽ có 2 dòng điện IL vàIC lệch pha nhau.
Khi có một pha chạm đất trong lưới điện ba pha có trung điểm nối đất qua cuộn dây dập tắt hồ quang
Để giảm dòng điện điện dung của chạm đất một pha, người ta đặt một thiết bị bù giữa trung điểm của nguồn hoặc phụ tải (hệ thống có bù dòng điện điện dung chạm đất). Trong điều kiện làm việc bình thường, điện áp đặt lên cuộn dây dập tắt
hồ quang coi như bằng không (vì điện áp của điểm trung tính gần bằng không). Do đó trong cuộn dây dập tắt hồ quang không có dòng điện.
Khi có một pha chạm đất trực tiếp, điện áp điểm trung tính tăng lên bằng điện áp pha. Cuộn dây dập tắt hồ quang được đặt dưới điện áp pha và trong nó sẽ có dòng điện cảm IL chậm pha so với điện áp điểm trung tính một góc 90.
Kết quả là tại chỗ chạm đất sẽ có hai dòng điện: điện cảm IL và điện dung IC ngược pha nhau. Nếu điều chỉnh IL thích hợp, dòng điện tại chỗ chạm đất bằng không, hồ quang chập chờn mất đi mà không sợ hiện tượng đốt cháy cách điện hay quá điện áp nội bộ.
Trong thực tế, vận hành do đóng cắt các đường dây nên dòng điện IC thay đổi và không thể thực hiện được IL = IC để cho dòng điện chạm đất bằng không trong thời điểm bất kỳ. Mặt khác, người ta muốn rằng dòng điện tại chỗ chạm đất sau khi bù vẫn còn có một trị số nào đó để cho bảo vệ rơle tác động cho tín hiệu báo để nhân viên vận hành biết và kịp thời sửa chữa.
- Nếu cuộn dây dập tắt hồ quang được điều chỉnh ứng lúc toàn bộ các đường dây đều làm việc mà IC >IL. Lúc chạm đất tại pha một chỗ chạm đất sẽ có dòng điện bù dư: ∆IB = IC– IL. Hiệu chỉnh như vậy trong khi có đang có một số đường dây bị cắt mà có chạm đất một pha, dẫn đến IC giảm và ∆Ib giảm theo, làm cho bảo vệ rơle không tác động được, nhân viên vận hành, bảo trì không nhận biết được để sửa chữa.
- Nếu cuộn dây dập tắt hồ quang được hiệu chỉnh ứng lúc toàn bộ các đường dây đều làm việc mà IL > ICthì lúc chạm đất một pha, tại chỗ chạm đất sẽ có dòng điện quá bù ∆IB = IL– IC. Hiệu chỉnh như vậy thì trong khi đang có một đường dây bị cắt mà có chạm đất một pha, dẫn đến IC giảm và ∆IB tăng lên làm cho bảo vệ rơle khởi động chắc chắn.
Trong thực tế, thường hiệu chỉnh cuộn dập tắt hồ quang sao cho có hiện tượng quá bù.
Xét trường hợp điện trở của cuộn Petersen rất lớn và chiều dài đường dây dài, thành phần tác dụng của dòng chạm đất là đáng kể. Thông thường người ta cũng
điều chỉnh sao cho điện cảm của kháng điện LK ở chế độ cộng hưởng, tức là: LK =1/3ω
Lưới điện ba pha trung tính cách điện hay nối đất qua cuộn dập tắt hồ quang còn gọi là lưới điện có dòng điện chạm đất bé và cần phải có thiết bị kiểm tra tình trạng cách điện khi làm việc và cách điện pha được thiết kế bằng cách điện dây.
Đối với mạng điện 3 pha trung tính nối qua cuộn dập hồ quang ở tình trạng làm việc bình thường cũng giống như trường hợp trung tính cách điện đối với đất, tổng dòng điện dung chạy trong đất và điện áp điểm trung tính bằng không. Do đó điện áp đặt lên cuộn dập hồ quang bằng không và dòng điện qua nó cũng bằng không.
Một hệ thống nối đất cộng hưởng là HT trong đ ó dòng dung đường dây được trung hòa (bù) hay cộng hưởng nhờ một điện kháng nối đất hay thiết bị tương tự (cuộn dập hồ quang). Nguyên lý của cuộn dập hồ quang thì hoàn toàn đơn giản. Thông thường, cuộn dập hồ quang đơn giản là điện kháng có một số đầu phân áp nối giữa trung tính MBA và đất. Khi mộ t pha của hệ thống chạm đất, dòng kháng chậm sau chạy từ cuộn dập hồ quang qua MBA đến nơi chạm đất rồi sau đó quay về đất.
b)
Hình 2.7. Mạng điện 3 pha trung tính nối qua cuộn d ập hồ quang.
Khi chạm đất một pha, chẳng hạn pha C, điên áp điểm trung tính cũng là điện áp trên cuộn dập hồ quang xuất hiện dòng điện cảm IL (chậm sau điện áp điểm trung tính 90). Kết quả là tại chỗ chạm đất có dòng điện dung và dòng điện cảm ngược pha nhau. Nếu điều chỉnh điện kháng của cuộn dập hồ quang thích hợp, dòng điện tại chỗ chạm đất bằng không.
Trong thực tế vận hành phải đóng cắt các đường dây, dòng điện dung Ic thay đổi,nên khó thực hiện được IL =IC. Mặt khác phải điều chỉnh để còn lại một trị số
∆I = IL - IC nào đó để cung cấp cho rơle tác động báo tín hiệu cho nhân viên trực nhật biết và kịp thời sửa chữa.
Hoạt động của cuộn dập hồ quang bằng phương pháp xếp chồng được min h họa như hình vẽ :
b) HT cách đất và có điện dung đối với đất :
c) Kết hợp của (a) và (b)
Khi cách ly sự cố chạm đất, tổ hợp cuộn dập hồ quang và điện dung đường dây tạo thành một mạch cộng hưởng. Điều này chứng minh rõ ràng trên Hình 2.9 sơ đồ TTK. Trong sơ đồ này XLlà điện kháng của cuộn cảm bù và
C
X điện dung của đường dây. U0 là nguồn tương đương của điện áp TTK bằng với điện áp pha – đất HT và X là sự cố. Khi X đóng, sẽ có dòng tuần hoàn giữa
L
X và
C
X nhưng không có dòng chạy qua sự cố X. Nếu X được mở như là ứng với hồ quang tự tiêu, tổ hợp cộng hưởng
L
X và
C
X sẽ tiếp tục tạo ra điện áp có biên độ và tần số bằng với điện áp gốc của U0.
Do đó điện áp thực sự ngang qua hồ quang là bé khi nó dập tắt lần đầu tiên. Đây là điều kiện thích hợp để ngăn ngừa sự phục hồi hồ quang. Hay nói cách khác sự thành công của việc dập tắt sự cố chạm đất bằng cuộn dập hồ quang có kết quả một phần do dòng bé và một phần do điện áp bé ngang qua hồ quang khi dòng đi qua điểm “ không”.
Cần lưu ý rằng cuộn dập hồ quang cũng tạo một mạch cộng hưởng nối tiếp trong trường hợp có điện áp TTK nào đó trong HT. Tr ong phần 1 của hệ thống không nối đất các nghiên cứu cho thấy rằng với cấu trúc đường dây không đối xứng, sự sai biệt vài phần trăm sẽ làm xuất hiện dòng điện dung về đất của 3 pha sẽ tạo nên một điện áp dư.
Điện áp TTK tạo nên bởi đường dây hay MBA không cân bằng thì bằng với điện áp thực sự giữa trung tính HT và đất (Hình 2.8). Ở đây XL và XC cũng như Hình 2.9 nhưng nguồn U0 bằng với điện áp TTK bây giờ nối tiếp với tổ hợp này. Kết quả của việc kết nối này là một điện áp TTK tương đối bé có thể tạo ra điện áp rất cao ngang qua điện kháng và điện dung. Điều này dĩ nhiên gây ra độ dịch trung tính đáng kể khoảng 10 đến 15 lần trị số TTK ban đầu. Tình trạng này phải được chú ý trong các ứng dụng của cuộn dập hồ quang dòng chạm đất, và nếu điện áp TTK ở tần số cơ bản vượt quá 1,5%, việc hoán vị đường dây này là cần thiết.
a) b)
Hình 2.9. Hoán vị đường dây trong các ứng dụng cuộn dập hồ quang.
2.2.3. Mạng điện 3 pha trung tính nối đất trực tiếp:
B C
A
O
Hình 2.10. Mạng điện 3 pha trung tính nối đất trực tiếp.
- Trong hệ thống có trung điểm nố i đất trực tiếp (3 dây hoặc 4 dây có điện áp dưới 1000V hoặc cao hơn ). Giả sử khi chọn pha C chạm đất chính là ngắn mạch một pha, bởi vì sự cố xem như khép mạch qua đất và trung điểm MBA hoặc máy phát. Dòng điện ở chỗ chạm đất chỉ bị hạn chế bởi điện trở của nguồn cung cấp. Vì thế nó là dòng điện ngắn mạch. Dòng điện ngắn mạch một pha lớn hơn dòng điện dung và dẫn đến bảo vệ rơ le tác động cắt phần sự cố ra khỏi HT.
- Ở chế độ làm việc bình thường dòng điện 3Io tồn tại trong dây trung tính, có tác dụng cân bằng điện áp pha. Do đó cho phép làm việc ở chế độ tải không đối xứng.
- Để hạn chế dòng điện ngắn mạch một pha phải tăng điện kháng TTK bằng cách giảm bớt số điểm nối đất trung tính trong hệ thống hoặc nối đất trung tính qua điện trở nhỏ.
- Khi trung tính trực tiếp nối đất, cách điện chỉ cần thiết kế theo điện áp pha. Vì ở bất kỳ chế độ nào (bình thường hay chạm đất ) điện áp của các dây dẫn không quá điện áp pha.
2.2.4. Hệ thống nối đất hiệu quả:
Thực tế của việc nối đất có các dạng sau:
a) Hệ thống nối đất điện tr ở:
Một hệ thống nối đất qua điện trở điển hình được vẽ trên Hình 2.11. Thông thường, điện trở có trị số cao hơn đáng kể so với điện kháng HT tại vị trí lắp đặt điện trở. Từ đó dòng ngắn mạch (NM) chạm đất bị giới hạn do chính điện trở này. Trong những trường hợp đặc biệt khác như đường dây dài điện áp cao hoặc HT có mạng cáp lớn dòng điện dung là bé so với dòng điện trở nên có thể bỏ qua.
Một xem xét quan trọng trong HT nối đất điệ n trở là tổn thất công suất ở điện trở trong lúc sự cố chạm đất.
b. Hệ thống nối đất hiệu quả :
Về mặt ý nghĩa thuật ngữ nối đất hiệu quả đã được thay thế cho từ cũ là nối đất trực tiếp. Một trung tính MBA có thể được nối đất trực tiếp mà ở đó không có tổng trở giữa trung tính và đất. Tuy nhiên dung lượng của MBA được nối đất trực tiếp như thế có thể rất bé so với qui mô HT để có thể ảnh hưởng đến việc ổn định điện áp trên các pha đối với đất khi có NM chạm đất xảy ra. Điều này đặc biệt trong trường hợp các MBA nối đất nhỏ được dùng để c ấp nguồn dòng TTK cho bảo vệ rơle.
Theo tiêu chuẩn AIEE (Viện kỹ sư điện Hoa Kỳ ) mục 32-1.05 và ANSI (ViệnTiêu