Kháng trung tính:
Hiệu: Trench Limited.
Năm sản xuất: 2007.
Nơi sản xuất: Canada.
Kiểu: Neutral Grounding Reactor.
Chuẩn: IEC 60289 - 1988 Trở kháng định mức: 1760 Ω Trở kháng kiểm tra: 1771 Ω Điện áp định mức: 132 kV – 50 Hz Điện áp xung: 550 kV Dịng định mức: 7,5 A Điện trở trung tính: Hiệu: MONTBARD Kiểu: FMA009KU000041
Nước sản xuất: France
Điện trở định mức tại 20oC: 115,47 Ω
Điện áp định mức: 7,5 kV
2.3 Phân tích các ảnh hưởng khi đóng cắt kháng bù ngang
Việc đóng cắt cao thế thường gây ra các nhiễu loạn như: Ảnh hưởng về điện thế, các họa tần và dịng khởi động. Bảng 2.1 trình bày các ảnh hưởng khi đóng cắt các loại tải trên lưới điện cao áp như sau:
Bảng 2.1: Các ảnh hưởng khi đóng cắt các loại tải trên lưới điện cao áp:
Loại tải Loại đóng cắt Hiện tượng quá độ
Tải điện cảm: Máy biến áp, kháng bù ngang
Cắt Đánh lửa lặp lại, q áp Đóng Dịng xung kích
Tải điện dung: Các tụ điện, dây/cáp không tải, bộ lọc
Cắt Đánh lửa lặp lại, quá áp Đóng Q áp, q dịng tức thời Tại thời điểm cắt kháng, sự gián đoạn đột ngột của dòng điện cảm ứng nhỏ sẽ gây ra quá áp. Sự phản ứng của hệ thống đến dòng cắt là nguyên nhân sinh ra điện áp quá độ phục hồi – TRV (Transient recovery voltage) [2]. Các ảnh hưởng này về lâu dài sẽ gây nguy hại đến tiếp điểm chính của máy cắt kháng nếu nó vượt quá điện áp chịu đựng xung đóng cắt của máy cắt.
Gần đây trên lưới điện đã xảy ra một số vụ trở ngại bất thường của máy cắt kháng bù ngang 500 kV như tại các trạm biến áp 500 kV Sơng Mây và Ơ Mơn. Điện áp quá độ phục hồi - TRV (Transient Recovery voltage) là một trong những nguyên nhân chính gây ra các sự cố nêu trên [3]. Hình 2.10 ghi nhận ảnh hưởng của điện áp quá độ phục hồi – TRV tác động lên máy cắt kháng, gây phóng điện bên trong tiếp điểm động của máy cắt kháng K502 pha B tại ngăn lộ kháng bù ngang KH502 trạm 500 kV Ơ Mơn.
Hình 2.10: Ảnh hưởng TRV gây phóng điện bên trong tiếp điểm phụ của máy cắt. Đề tài chỉ tập trung phân tích các ảnh hưởng khi đóng cắt kháng bù ngang trên lưới điện 500 kV trong chế độ vận hành bình thường. Trong phần này sẽ trình bày sơ lược các ảnh hưởng quá độ trong trường hợp đóng kháng. Trong trường hợp cắt kháng, sẽ tập trung phân tích chi tiết các ảnh hưởng xảy ra khi cắt kháng để làm rõ tác hại của điện áp quá độ phục hồi – TRV.
Cuộn kháng bù ngang lắp đặt phía cuối đường dây nhằm mục đích giảm điện áp trong các trường hợp non tải hoặc không tải, bằng cách tiêu thụ công suất phản kháng do tụ ký sinh của đường dây sinh ra nhằm giữ điện áp thanh cái xung quanh giá trị mong muốn. Tuy nhiên việc vận hành kháng bù ngang cũng có một số ảnh hưởng đến hệ thống điện. Chẳng hạn, khi vận hành đóng cắt kháng bù ngang sẽ tồn tại hai loại hiện tượng quá độ như sau:
- Khi đóng máy cắt cuộn kháng: có thể xuất hiện dịng điện xung kích khá lớn phát sinh từ các đặc tính từ tính của lõi cuộn kháng.
- Khi cắt máy cắt cuộn kháng: có thể xuất hiện quá điện áp quá độ lớn do các đặc tính của máy cắt.
Hiện tượng quá độ khi cắt máy cắt cuộn kháng bù ngang là hiện tượng được nghiên cứu trọng tâm của đề tài này.
2.3.1 Phân tích dịng điện xung kích xảy ra khi đóng máy cắt kháng
Bất kỳ thiết bị nào có cấu tạo bằng vật liệu từ tính khi đóng điện đều xuất hiện
dịng điện xung kích có biên độ rất lớn. Kháng bù ngang cũng được thiết kế với lõi
khơng khí hoặc có lõi từ tính với các khe hở khơng khí bên trong. Mục đích của cả hai thiết kế này là để tăng tính tuyến tính độ tự cảm của cuộn dây, giúp giảm thành phần sóng hài mà kháng bơm trở lại vào hệ thống điện. Kháng bù ngang được thiết kế với lõi khơng khí khơng thể bão hịa và do đó khơng dễ bị từ hóa dịng điện dung. Phần lớn các kháng bù ngang trên các đường dây siêu cao áp (EHV – Extra High Voltage) được thiết kế với cuộn cảm có lõi từ, thường tạo ra dịng điện hình sin hơi méo nhưng có thành phần DC đáng kể [6]. Dịng điện xung kích xuất hiện khi đóng điện cuộn kháng bù ngang khác với khi đóng điện máy biến áp, dịng điện xung kích khi đóng cuộn kháng chủ yếu mang thành phần sóng hài bậc 2 và hài bậc 4.
Thành phần DC bị ảnh hưởng nhiều nhất khi đóng kháng tại thời điểm dịng điện đạt giá trị cực đại – nghĩa là đóng kháng lúc điện áp qua điểm 0 của pha đầu tiên. Thành phần DC này thường mất vài giây để phân rã do tổn thất thấp của kháng (tỷ lệ X/R cao) và có thể gây ra bão hòa máy biến dòng (CT), cũng như bão hịa máy biến áp [6]. Bởi vì các pha khác nhau của một cuộn dây bão hòa tạo ra dịng điện xung kích khơng cân bằng trong ba pha, dịng trung tính mang dịng điện thứ tự khơng có thể làm chức năng bảo vệ thứ tự không của rơle tác động.
Dịng điện xung kích chỉ bị biến dạng một chút ngay cả khi có độ lệch DC lớn do đặc tính từ hóa của thiết bị. Đường cong từ hóa của kháng bù ngang được thiết kế với biên độ lớn gấp 02 lần dòng điện định mức qua kháng, cao hơn đáng kể so với dòng điện định mức của máy biến áp. Kháng bù ngang có phạm vi hoạt động lớn hơn trong vùng tuyến tính so với máy biến áp. Quan trọng hơn, các khe hở được sắp xếp trong lõi từ của kháng làm cho sự thay đổi độ dốc của đường cong từ hóa ít dốc hơn nhiều so với máy biến áp. Ngay cả khi lõi từ của kháng đang hoạt động ở trạng thái bão hịa, độ dốc nhẹ hơn sóng hài sinh ra ít hơn đáng kể so với máy biến áp.
Hình 2.11 là một ví dụ minh họa dịng điện xung kích khi đóng điện cuộn kháng bù ngang tại thời điểm điện áp qua điểm 0 – dòng điện đạt giá trị cực đại của pha đầu tiên. Quan sát dịng điện xung kích trên đồ thị, khơng giống như của máy biến áp, dịng điện xung kích xuất hiện khi đóng cuộn kháng hồn tồn hình sin nhưng chứa thành phần DC diễn ra trong thời gian tương đối dài (0,015s – 4s).
Hình 2.11: Dịng điện xung kích khi đóng kháng bù ngang tại góc đóng 00.
2.3.2 Phân tích điện áp quá độ phục hồi xảy ra khi cắt máy cắt khánga/ Mô tả hiện tượng xảy ra khi cắt dịng điện có tính cảm: a/ Mơ tả hiện tượng xảy ra khi cắt dịng điện có tính cảm:
Bất kỳ cuộn dây nào có dịng điện chạy qua nó đều lưu trữ năng lượng ngược cực tính với dịng điện, đây là một định luật không thể thiếu của vật lý cơ bản. Điều này đúng với cả hai cuộn dây DC và AC, sự khác biệt duy nhất là dòng điện xoay chiều thay đổi cực với tần số 50 lần mỗi giây do đó năng lượng lưu trữ này cũng đang thay đổi cực tính.
Một khi năng lượng này được nạp năng lượng, nó phải được giải phóng năng lượng khi dịng điện bị cắt ra. Chính việc xả năng lượng được lưu trữ này có thể gây ra thiệt hại cho phần tử đóng cắt điển hình như máy cắt.
Hình 2.12: Đặc tính dịng điện cảm ứng của cuộn dây.
Ví dụ một trường hợp đơn giản dưới đây khi một cặp tiếp điểm rơle đóng cắt tải cảm 24 VDC. Biểu đồ dưới đây cho thấy các điện áp được đo trên cuộn dây bằng máy hiện sóng khi các tiếp điểm rơle mở để cắt tải.
Hình 2.13: Cuộn dây giải phóng năng lượng khi ngắt mạch.
Khi các tiếp điểm bắt đầu mở dịng điện bình thường chạy qua tải sẽ bị ngắt, và năng lượng cảm ứng được lưu trữ trong cuộn dây phải được giải phóng năng lượng. Vì các tiếp điểm rơle mở nên có điện trở cao đối và cản trở dòng điện xả, điện áp trên tải tăng nhanh theo chiều âm (nhớ cực tính ngược của năng lượng lưu trữ) cho đến khi điện áp đủ cao gây phóng điện hồ quang giữa các tiếp điểm trong thời gian ngắn. Một cuộn dây DC có thể tạo ra điện áp âm cao tới vài trăm volt nếu độ tự cảm của tải (liên quan đến số cuộn dây) đủ cao. Một cuộn dây xoay chiều 115 VAC có thể tạo ra các xung điện áp trong hàng ngàn volt.
Hiện tượng phóng điện hồ quang giữa 02 tiếp điểm cắt được mơ tả trong ví dụ trên cho thấy các ảnh hưởng quá độ diễn ra ngay sau khi cắt tải có tính cảm là rất nghiêm trọng, đặc biệt các hiện tượng quá độ điện áp sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng hơn khi dùng máy cắt cao áp để cắt kháng bù ngang trên lưới điện 500 kV.
Đối với các máy cắt dập tắt hồ quang bằng khơng khí, điển hình là máy cắt dập hồ quang bằng khí SF6, khi cắt kháng bù ngang sẽ gây ra hiện tượng quá áp. Máy cắt thường sẽ ngắt dòng điện ở mức 0 đầu tiên sau khi tiếp điểm máy cắt đã tách rời nhưng có thể khơng có khả năng chịu được điện áp phục hồi có thể xuất hiện trên tiếp điểm cắt của máy cắt. Việc cắt kháng bù ngang về ngun tắc là tình huống trong đó một dịng điện cảm ứng nhỏ bị cắt ra. Thường thì dịng định mức qua kháng chỉ vài chục đến khoảng 400 A, nhưng khi cắt những dòng điện cảm ứng nhỏ này sẽ gây ra hiện tượng quá áp rất lớn xảy ra trên tiếp điểm cắt của máy cắt.
b/ Hiện tượng chopping curent:
Máy cắt được sử dụng trong các mạng điện áp cao và trung bình có thể cắt dịng điện cảm ứng nhỏ trước khi dòng điện bằng 0. Hiện tượng này gọi là curent
khơng và dập hồ quang bằng khơng khí. Khơng có hiện tượng như vậy trong máy cắt dập hồ quang bằng dầu. Chopping curent xuất hiện chủ yếu trong khi cắt kháng bù ngang hoặc cắt máy biến áp không tải. Sự phóng điện hồ quang giữa tiếp điểm máy cắt trở nên khơng ổn định ở dịng điện nhỏ và gây ra dao động với tần số rất cao. Tần số của điện áp dao động nằm trong khoảng từ 1 kHz đến 5 kHz ở điện áp cao, lên đến 30 kHz khi cắt tải là kháng bù ngang có dung lượng hàng Mvar và phân bố đều trên cuộn dây của kháng [2]. Điều này dẫn đến dòng qua điểm 0 trước thời điểm dòng qua 0 ở tần số cơ bản (50 Hz). Hình 2.14 minh họa sự xuất hiện curent chopping tại thời điểm cắt kháng.
Hình 2.14: Hiện tượng dịng điện dao động với tần số cao – chopping current. Trong q trình mở máy cắt kháng, tại thời điểm dịng điện dao động, một lượng năng lượng bị giữ lại ở phía tải, sau đó bắt đầu dao động với điện dung trong mạch. Để nghiên cứu hiện tượng quá độ này, một mạch tương đương đơn giản như trong Hình 2.15 có thể được áp dụng. Độ tự cảm và điện dung phía nguồn (Ls và Cs) chỉ cần được xem xét khi nghiên cứu tình huống khi đóng kháng bằng máy cắt. Ngồi ra điện dung kí sinh và độ tự cảm giữa các tiếp điểm ngắt (Cp và Lp) đã được
đưa vào hình để trình bày đầy đủ. Mặt khác, điện trở của các phần tử, bị bỏ qua trong mạch tương đương đơn giản này.
Hình 2.15: Mạch tương đương 01 pha khi cắt máy cắt kháng có trung tính được nối đất qua kháng trung tính.
Khi máy cắt mở ra, lượng năng lượng giữ lại do thành phần điện kháng và điện dung ở phía tải: (bỏ qua các thành phần LS, CS, LP, CP như trình bày bên trên) [2].
(2.8) Trong đó V0 là điện áp trên kháng tại thời điểm gián đoạn dòng điện và ich là thành phần chopping current. Điện áp Va sau đó là giá trị đỉnh đầu tiên của dao động.
Trong quá trình mở máy cắt kháng, tại thời điểm dịng điện dao động, một lượng năng lượng bị giữ lại ở phía tải. Năng lượng bị giữ lại sẽ dao động giữa điện cảm và điện dung ký sinh của tải (kháng) và tạo ra quá điện áp như (2.9):
(2.9) Trong đó:
L: là cuộn dây của kháng, đơn vị Henry (H). CL: là điện dung phía tải, đơn vị Fara (F).
Ich: là dòng dao động chopping current, đơn vị Ampe (A).
V0: là điện áp của kháng tại thời điểm diễn ra chopping current, đơn vị (V). Thơng thường V0 có thể được coi là bằng với giá trị đỉnh của điện áp hệ thống bình thường.
Va: là điện áp đỉnh tại thời điểm diễn ra chopping current, đơn vị (V). Nếu điện dung phía tải được giả định là lớn hơn nhiều so với các cơng suất khác trong mạch thì tần số dao động có thể được giả định là:
(2.10) Tần số của các dao động này được cho là nằm trong khoảng 1 - 5 kHz [3].
Điện áp quá độ phục hồi sẽ diễn ra giữa 02 đầu của tiếp điểm cắt của máy cắt và nếu thời gian cắt của máy cắt khơng đủ để chịu đựng q điện áp này thì hiện
tượng đánh lửa lặp lại sẽ xảy ra. Điều này lần lượt gây ra quá độ với tần cao hơn nằm trong khoảng từ 50 kHz đến 1.000 kHz [2].
Giá trị của chopping current - ic phụ thuộc vào điện dung Ct (bao gồm điện dung phía nguồn CS, điện dung tại 02 buồng cực máy cắt Cp và điện dung phía tải), N là số buồng cắt trên 01 pha của máy cắt (đối với máy cắt cấp điện áp 500 kV thì thường chia làm 02 buồng cắt trên mỗi pha của máy cắt) và λ được gọi là số chopping cho một buồng cắt, đây là giá trị đặc trưng của máy cắt. Mức chopping current - ic được đưa ra bởi phương trình (2.11):
(2.11) Trong đó:
(2.12) Số chopping λ là một đặc tính của máy cắt và có nguồn gốc trong các thử nghiệm trong phịng thí nghiệm. Khái niệm này có thể được áp dụng cho tất cả các loại máy cắt ngoại trừ máy cắt chân khơng, trong đó mức độ cắt hiện tại được xác định chủ yếu bởi vật liệu của tiếp điểm cắt. Số chopping λ được cho trong Bảng 2.2 [2]: Bảng 2.2: Bảng liệt kê số chopping λ của các loại máy cắt:
Kiểu máy cắt Số chopping λ
A x F-0.5 Minimum oil 5,8 x 104 – 10 x 104 Air blast 15 x 104 – 20 x 104 SF6 puffer 4 x 104 – 19 x 104 SF6 self-blast 3 x 104 – 10 x 104 SF6 rotating arc 0,39 x 104 – 0,77 x 104
c/ Điện áp quá độ phục hồi TRV và hiện tượng quá điện áp phóng điện lặp lại
Điện áp quá độ phục hồi – Transient Recovery Voltage (TRV):
Điện áp phục hồi (RV: Recovery Voltage) trong máy cắt là điện áp xuất hiện giữa hai đầu cực của MC xảy ra khi mở máy cắt như trong Hình 2.16.
Hình 2.16: Điện áp quá độ phục hồi TRV xảy ra giữa 02 tiếp điểm của máy cắt. Khi mở máy cắt kháng bù ngang, tại thời điểm dòng điện dao động, một lượng năng lượng được nạp bởi thành phần điện cảm và điện dung của cuộn kháng bù ngang trước thời điểm cắt kháng, năng lượng này sẽ dao động giữa điện cảm và điện dung ký sinh của kháng bù ngang và tạo ra quá áp tạm thời hay còn gọi là điện áp quá độ phục hồi (Transient Recovry Voltage – TRV) [2]. Hình 2.17 trình bày dạng sóng của điện áp q độ phục hồi TRV diễn ra khi cắt tải có tính cảm với dịng điện nhỏ:
Hình 2.17: Dạng sóng của TRV.
Điện áp quá độ phục hồi này xuất hiện với biên độ và tần số dao động rất lớn, pha cắt đầu tiên bị ảnh hưởng bởi điện áp TRV nặng nề nhất. Hình 2.18 mơ tả điện áp TRV xuất hiện tại pha cắt đầu tiên (pha A) của máy cắt kháng bù ngang 500 kV – 128 MVar tại TBA 500 kV Ơ Mơn, điện áp TRV tăng lên khoảng 2,5 pu tương ứng