Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp - Chương 10: Quá điện áp thao tác

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp - Chương 10: Quá điện áp thao tác

1. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP CHƯƠNG 10 : QUÁ ĐIỆN ÁP THAO TÁC 10.1. Đặc điểm của quá điện áp thao tác 10.2. Quá điện áp khi đóng đường dây không tải 10.3. Quá điện áp khi có tự động đóng lại 10.4. Quá điện áp khi cắt bộ tụ điện và đường dây không tải 10.5. Quá điện áp khi cắt dòng điện lớn 10.6. Quá điện áp gây nên khi cắt mạch có dòng điện cảm bé 10.7.Quá điện áp khi chạm đất chập chờn 10.8.Hạn chế quá điện áp thao tác
2.  Khái niệm Lưới điện cao áp có chứa các điện dung và điện cảm tập trung và phân bố, do vậy chúng là các mạch dao động. Trong các chế độ truyền tải công suất bình thường, tính chất giao động không xuất hiện. Một trong những nguyên nhân xuất hiện giao động trong năng lượng điện từ tích luỹ trong các phần tử phản kháng đó là các thao tác theo kế hoạch hoặc sự cố. Thao tác đóng cắt một lưới điện, thực chất là làm thay đổi trạng thái của lưới điện chuyển từ điều kiện tồn tại trước khi thao tác sang trạng thái khác xuất hiện sau khi thao tác. Mỗi thao tác sẽ gây ra quá trình quá độ, thường kèm theo xuất hiện quá điện áp có thể gây nguy hiểm cho cách điện. Trong số các thao tác thì trước hết phải kể đến thao tác cắt các đường dây không tải gây nên hiện tượng hồ quang cháy lại trên các cực của máy cắt, cắt đường dây ở chế độ vận tốc không đồng bộ của máy phát, tự động đóng lại và một loạt các thao tác khác. 3/31/2014 Page 2
3. Biên độ quá điện áp thao tác có thể phân tích thành hai thành phần : thành phần quá độ xếp chồng lên thành phần điện áp làm việc. Giá trị lớn nhất của quá điện áp phụ thuốc vào nhiều yếu tố, trong đó sơ đồ lưới điện, đặc tính của máy cắt đóng vai trò qua trọng. Ngoài các loại quá điện áp thao tác xuất hiện trong quá trình quá độ kkhi thao tác các thiết bị đóng cắt (máy cắt, dao cách ly, ) còn có loại quá điện áp do quá trình quá độ xảy ra khi cách điện của đường dây bị phóng điện gây hồ quang ổn định tại nơi ngắn mạch chạm đất một pha trong lưói điện trung tính cách điện hoặc trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang (quá trình liên tiếp dập tắt và cháy lại của hồ quang tại chỗ chạm đất là một dạng thao tác). 3/31/2014 Page 3
4. Quá điện áp thao tác có thể chia thành các dạng : quá điện áp pha tác động lên cách điện đối với đất quá điện áp dây tác động lên cách điện của giữa các pha quá điện áp xuất hiện giữa các tiếp điểm của thiết bị đóng cắt (máy cắt, dao cách ly). C¸c d¹ng qu¸ ®iÖn ¸p néi bé ph¶i ®­îc h¹n chÕ ®Ó ®¶m b¶o an toµn cho thiÕt bÞ. C¬ së kinh tÕ vµ kü thuËt cña c¸c biÖn ph¸p b¶o vÖ chèng qu¸ ®iÖn ¸p bao hµm c¶ viÖc ®¸nh gi¸ thiÖt h¹i thèng kª do nh÷ng h­ háng, ngõng cung cÊp ®iÖn vµ söa ch÷a 3/31/2014 Page 4
5. Qu¸ ®iÖn ¸p thao t¸c nh­ mét sù kiÖn ngÉu nhiªn Quá điện áp xuất hiên do thao tác đóng cắt. Vậy xác xuất xuất hiện quá điện áp này bằng bao nhiêu trong một khoảng thời gian nhất định Nếu coi sự xuất hiện QĐA như là một sự kiện ngẫu nhiên, chúng ta có thể đánh giá xác suất xuất hiện quá điện áp theo kinh nghiệm vận hành theo định luật Poison. Để có cơ sở đánh giá, ta giả thiết xác suất thực hiện nhiều hơn hai, ba và nhiều hơn các sự kiên Pt, t(i), (i=1, 2, 3 ) trong một khoảng thời gian t đủ nhỏ là tương đối bé so với xác suất xuất hiện một sự kiện Pt, t(1). Pt, t 1 Pt, t i i 1, 2, 3, Điều kiện này tương ứng với sự kiện rất rời rạc. Trong toán học chúng ta gọi nó là sự kiện thông thường và có thể viết Pt, t 0 Pt, t 1 1 Pt, t(0) và Pt, t(1) tương ứng là xác suất không xuất hiện hoặc xuất hiện một sự kiện trong khoảng thời gian t+ t Trị số trung bình của số sự kiện xảy ra trong khoảng thời gian này 0.Pt , t 0 1.Pt , t 1 2.Pt , t 2 mPt , t m Pt , t 1 3/31/2014 Page 5
6. Số sự kiện trung bình xảy ra trong khoảng thời gian t bằng Pt, t(1)/ t. Giới hạn của tỉ số này được gọi là cường độ sự kiện P 1  t lim t, t t 0 t Nếu (t)==const dòng các sự kiện được gọi là cố định. Trong trường hợp này xác suất xuất hiện sự kiện trong khoảng thời gian (t, t+) chỉ phụ thuộc vào khoảng thời gian  mà không phụ thuộc vào t Xét hai khoảng thời gian (0,) và (t, + ) với  đủ nhỏ. Khi đó xác suất trong khoảng thời gian (0, + ) không xuất hiện một sự kiện nào bằng P ,  0 Pt 0 P  0 Pt 0 1 P  1  Chuyển P, (0) sang về trái, chia cả hai vế cho và tìm giới hạn khi  0 dP 0  P 0 d t Lấy tích phân phương trình trên đây với điều kiện ban đầu Pt=0(0)=1  P 0 e Xác suất thực hiện một sự kiện trong khoảng thời gian (0, + ) bằng P0,  1 Pt 1 P  0 P t 1 P 0 Pt 1 1 P  1  P t 1 P 0 3/31/2014 Page 6
7. Chuyển P(1) sang về trái, chia cả hai vế cho và tìm giới hạn khi  0 ta có  P 0 e Lấy tích phân phương trình trên đây với điều kiện ban đầu Pt=0(1)=0 sẽ được P0,  1 Pt 1 P  0 P t 1 P 0 Pt 1 1 P  1  P t 1 P 0 Đây chính là xác suất xuất hiện một lần quá điện áp trong khoảng thời gian (0, ). dP 1  P 1 P 0 P 1 e  d t t t Phân bố P(0)=e- d có thể xem như phân bố khoảng thời gian giữa các lần xuất hiện quá điện áp kế tiếp  P 1 e 3/31/2014 Page 7
8. Đây chính là xác suất xuất hiện một lần quá điện áp trong khoảng thời gian (0, ). Phân bố P(0)=e- d có thể xem như phân bố khoảng thời gian giữa các lần xuất hiện quá điện áp kế tiếp. 3/31/2014 Page 8
9.  Qu¸ ®iÖn ¸p khi ®ãng ®­êng d©y kh«ng t¶i Quá trình quá độ xuất hiện khi đóng đường dây không tải vào thanh góp của nhà máy điện hoặc trạm biến áp có thể thấy khi xem xét sơ đồ hình vẽ Thao tác phổ biến nhất là đóng đường dây M C1 M C2 L MF M BA e không tải bằng máy cắt MC1 sau đó để hoà ~ đồng bộ với hệ thống bằng máy cắt MC2. Sau u (0,t) u (0,t) e(t) L i 2 i e(t) Ce khi máy cắt MC1 đóng xuất hiện quá trình ~ quá độ trên đường dây. Đường dây không tải e(t) L i L .l/2 L .l/2 ~ chiều dài l. Thay thế nhà máy điện hoặc hệ thống cùng máy biến áp bằng nguồn sức điện L e động xoay chiều có điện cảm bằng Li. Điện áp lớn nhất xuất hiện tại cuối đường dây này. Có thể xác định trị số của quá điện áp này nếu biết đường cong điện áp quá độ u(l,t). Phương trình điện áp và dòng điện cho đường dây dài với các tham số rải R, L, G và C dưới dạng toán tử có dạng dU ( p) R pL I p d 2U ( p) dx  ( p)U p 2 dI ( p) dx G pC U p dx  ( p) R pL G pC 3/31/2014 Page 9
10. U p, x A p e  p x B p e  p x A p  p x B p  p x Nghiệm của phương trình trên có dạng I p, x e e Z c p Z c p R pL Z p c G pC Các hằng số A(p) và B(p) xác định từ điều kiện ban đầu điện áp và dòng điện trên đường dây có thể biểu diễn dưới dạng tổng của hai sóng chạy từ hai đầu đường dây sóng từ đầu tới cuối đường dây (sóng tới ) sóng ngược từ cuối đường dây trở về nếu ta đóng nguồn xoay chiều e(t)=Em sin(t+ ) vào đường dây hở mạch qua điện cảm Li sóng lan truyền dọc theo đường dây từ đầu và bị suy yếu một ít về phía cuối đường dây và tại đó sóng sẽ phản xạ ngược trở về cùng với dấu với sóng tới. Sóng phản xạ trở về đến đầu đường dây, tiếp tục bị phản xạ ngược lại từ điện cảm Li về cuối đường dây Tóm lại các sóng tới trừ sóng đầu tiên và các sóng phản xạ đều xuất hiện do hiện tượng phản xạ nhiều lần từ hai đầu đường dây 3/31/2014 Page 10
11. Xem xét quá trình chuyển động liên tiếp của sóng trên đường dây tại các điểm nút và bằng cách cộng sóng tới và sóng phản xạ chúng ta có thể xác định điện áp cực đại tại điểm bất kỳ trên đường dây, trong đó có điểm cuối cùng đường dây (x=l). Với các đường dây ngắn được đóng vào nguồn có sức điện động lớn (thời gian truyền sóng và hằng số thời gian nhỏ hơn rất nhiều nửa chu kỳ điện áp tần số công nghiệp), điện áp lớn nhất xuất hiện sau lần truyền sóng thứ nhất với điều kiện là đường dây được đóng vào nguồn tại thời điểm gần giá trị đỉnh của sức điện động nguồn. Trong trường hợp tổng quát điện áp đạt giá trị đỉnh sau một số lần truyền sóng, nghĩa là sau khi cộng tổng một số sóng tới và sóng phản xạ. Các công thức tính toán theo sơ đồ một pha không có khó khăn lớn nhưng tương đối dài dòng. Nhược điểm của phương pháp này là trước khi xây dựng đường diễn biến của quá trình quá độ không thể biết trước dạng của nó và thời điểm đạt giá trị cực đại. Mặc dù phương pháp này phản ánh tin cậy quá trình vật lý, nhưng nó không thuyết phục vì không cho phép nhìn nhận một cách tổng thể vấn đề. 3/31/2014 Page 11
12. Nếu chúng ta thể hiện các hằng số A(p) và B(p) qua điện áp và dòng điện tại các điểm nhất định, ví dụ như ở cuối đường dây U(p,l) và I(p,l). U p, x U p, l ch p l x Z c p I p, l sh p l x U p, l I p, x sh p l x I p, l ch p l x Z c p Hệ phương trình trên cần có thêm các điều kiện ban đầu. U p, l Với trường hợp đường dây hở mạch I p, l 0; I p,0 sh p l Z c p U p, l U p, l ch p l E ( p) U ( p,0) pL i I ( p,0) Zc gọi là tổng trở sóng của đường dây. E(p) là ảnh của sức điện động của nguồn E ( p) Giải các phương trình trên, ta có điện áp này dưới dạng toán tử u(l, p) chp  pTshp  E p 2 1 E H ( p) Nếu đóng nguồn vào thời điểm sức điện u(l, p) m m động e có giá trị cực đại ( =90o) p p 2  2 chp  pTshp  p F ( p)  k t Sử dụng triển khai, ta tìm được gốc u(l, t) Aod cos t  Ak e cos  k t k 1 3/31/2014 Page 12 k là tần số góc của những giao động riêng
13. Aod là biên độ của thành phần cưỡng bức xác định bởi E A m od cos   sin  Ak là biên độ của thành phần tự do xác định bởi  2 2 A E k k m 2 2    k  k k- hệ số tắt dần của hài bậc k cos  k sin  k Biên độ của các giao động tự do hình thành một chuỗi đổi dấu, Aod A1 A2 A3 A4 0 mỗi số hạng sau sẽ giảm dần khi số thứ tự k tăng A1>Aod, nghĩa là biên độ thành phần giao động thứ nhất lớn hơn biên độ của giao động cưỡng bức khác với trường hợp mạch giao động một tần số A1=Aod Đường cong điện áp u(l,t) ở cuối đường dây hở mạch và các thành của nó 1 - thành phần cưỡng bức; 2- sóng hài bậc nhất (1/=2); 3- sóng hài bậc hai (2/=6,9). 3/31/2014 Page 13 với Li/Zc=0,29, l=500km).
14. giá trị lớn nhất của thành phần cưỡng bức và hai thành phần tự do đầu tiên trùng nhau vào thời điểm t= / U A A K max 1 1 2 2 U max Aod A1 A2 Hệ số kích động Aod Aod Đặc điểm của quá trình quá độ có thể chỉ ra nếu chúng ta biến đổi sơ đồ thay thế hình T như trên hình vẽ Ta biến đổi sơ đồ thành một mạch giao động gồm điện cảm Le nối tiếp với điện dung Ce L L L / 2 L L'.l / 2 với các đường dây chiều dài không lớn có thể coi e i dd i C e C dd C '.l l là chiều dài đường dây Điện áp ở cuối đường dây trùng với điện áp trên điện dung C bao gồm thành phần cưỡng bức và thành phần giao động tự do thứ nhất 2 2   1   1 arctg tg  là tần số của nguồn u(l,t) u u E 1 sint sin2 cos e t sint  od td m 2 2 1 1  1 1/ Le / C e tần số của giao động tự do 1  1  3/31/2014 Page 14 =R/2Le là hệ số tắt dần
15. Như vậy, điện áp lớn nhất ở cuối đường dây xác định chủ yếu bởi góc đóng và tần số giao động 1. Các thông số này quyết định biên độ của giao động tự do 2  2  A E 1 sin 2 t cos m 2 2  1   1 Trong thực tế tỉ số tần số giao động thứ nhất có thể lớn hơn tần số công nghiệp  1 /  1 o với  1 /  1 biên độ của thành phần tự do có trị số lớn nhất với góc đóng gần 90 hoặc 270 Đối với các đường dây tải điện SCA (500 kV) để tăng khả năng tải của đường dây người ta sử dụng đấu nối tiếp điện dung để bù cảm kháng của đường dây (thiết bị bù ngang). Với các đường dây này tỉ số  1 /  1 o Nếu  1 /  1 biên độ thành phần tự do có trị số lớn nhất với góc đóng gần 0 hoặc 180 Xem xét đường cong quá độ trong một số trường hợp riêng 3/31/2014 Page 15
16. Trường hợp : đóng đường dây không tải vào nguồn góc đóng bằng 90o  1 /  5 1 : thành phần cưỡng bức 2- thành phần tự do Điện áp quá độ đạt trị số cực đại trong nửa chu kỳ giao động tự do đầu tiên. Vào thời điểm đó điện áp của chế độ cưỡng bức chưa kịp thay đổi đáng kể  1 /  2 1 : thành phần cưỡng bức 2- thành phần tự do trị số lớn nhất vào đỉnh thứ hai 3/31/2014 Page 16
17. trường hợp ( 1 /  0,5) điện áp có giá trị cực đại khi góc đóng =0 Điện áp trong quá trình quá độ đạt giá trị cực đại tại đỉnh thứ hai trường hợp  1  trong thực tế rất hiếm Đó là trường hợp cộng hưởng tần số công nghiệp Điện áp trong mạch giao động viết bởi biểu thức L u(l, t) E e 1 e t sin  t m R 1 1 Điện áp tăng từ từ và đạt giá trị lớn nhất của thành phần cưỡng bức L E e 10  20 E m R m 1 : thành phần cưỡng bức 2- thành phần tự do 3/31/2014 Page 17
18. Các đặc điểm đã xét đối với quá trình quá độ trong mạch giao động đơn giản vẫn không đổi đối với đường dây, trên đó sẽ có vô số hài giao động tự do Với nguồn e(t)=Em sin(t+ ), điện áp ở cuối đường dây 2   t 2  k u(l, t) A sin t A e k sin cos sin  t k arctg tg od  k k k  k 1  k Tính hệ số tắt dần k rất khó Theo kết quả đo trên các đường dây 500 kV trị số trung bình k vào khoảng 30 s-1 tức là vào khoảng 0,1 1/độ, có nghĩa là biên độ các giao động tự do giẩm khoảng 45% sau một chu kỳ điện áp tần số công nghiệp Hệ số kích động (hệ số quá áp) phụ thuộc vào góc pha đóng đường dây Góc đóng càng xa 900 biên độ các giao động riêng càng bé Tần số các giao động riêng càng gần tần số của nguồn, trùng lặp các điểm cực đại Aod và Ak càng chậm Trong trường hợp này hệ số tắt dần có vai trò quan trọng Phụ thuộc hệ số kích động vào góc pha đóng đường dây (=30 1/s) Trên hình vẽ =1/314 trong mạch giao động đơn giản 3/31/2014 Page 18
19.  Quá điện áp khi có tự động đóng lại Việc sử dung thiết bị tự đông đóng lại (TĐL) dựa trên cơ sở là 80-90% các sự cố của đường dây trên không là các sự cố thoáng qua : giới hạn dưới (~80%) thường gặp trong các lưới điện 6-110 kV còn giới hạn trên thường gặp đối với các đường dây trên không từ 220 kV trở lên Những hư hỏng thoáng qua thường xảy ra do sứ bị phóng điện bề mặt do sét đánh do gió mạnh làm dây dẫn chạm nhau hoặc phóng điện trong không khí đến các vật bên cạnh Khoảng 10-20% các trường hợp hư hỏng cón lại là sự cố duy trì hoặc bán duy trì. Như vậy đa số các trường hợp hư hỏng trên các đường dây tải điện trên không nếu sau khi cắt máy cắt ở hai đầu đường dây một khoảng thời gian đủ để cho môi trường chỗ hư hỏng phục hồi tính chất cách điện ta đóng trở lại thì đường dây có thể tiếp tục làm việc bình thường, nhanh chóng khôi phục cung cấp điện, giữ vững chế độ đồng bộ và ổn định của hệ thống 3/31/2014 Page 19
20. Quá trình quá độ khi đóng đường dây bằng tự động đóng lại a) sơ đồ; b) đường cong điện áp : 1 - sức điện động nguồn; 2 - điện áp của đường dây Chu trình TĐL có thể chia ra các giai đoạn sau cắt đường bằng máy cắt Q2 gần với điểm sự cố ngắn mạch, đường dây chuyển sang chế độ cung cấp điện từ một phía cắt pha không bị sự cố bằng máy cắt Q1, làm gián đoạn dòng điện dung khi nó đi qua trị số không tương ứng với thời điểm điện áp đạt giá trị cực đại trên các pha này đóng lại đường dây hở mạch bằng máy cắt Q1 đóng máy cắt Q2 và khôi phục sơ đồ làm việc bình thường 3/31/2014 Page 20
21. sau khi cắt máy cắt Q2 điện áp trên các pha không bị hư hỏng ở đầu đường dây và cuối đường dây khác nhau và khác sức điện động của nguồn do hiệu ứng điện dung và ngắn mạch trên pha bị hư hỏng (không đối xứng). Sau khi cắt máy cắt Q1 điện tích trên pha bị hư hỏng sẽ truyền xuống đất qua hồ quang tại chỗ hư hỏng, còn trên các pha không hư hỏng điện áp sẽ san đều. Điện tích của các pha không hư hỏng nếu không có thiết bị bù dọc sẽ truyền chậm xuống đất qua điện dẫn chủ yếu do bề mặt sứ bị bẩn bụi Trong điều kiện thời tiết khô ráo, với thời gian tự động đóng lại tTĐL=0,4 s điện áp của các điện tích còn lại bằng 60-70% trị số ban đầu Điện áp lớn nhất xuất hiên trong trường hợp đóng lại đường dây không tải bằng máy cắt Q1 Điện áp quá độ có thể xác định bằng phương pháp xếp chồng, nghĩa là cộng điện áp khi đóng đường đường dây không tải và điện áp tự phóng điện của đường dây qua điện cảm của nguồn ở điện áp Uo Thành phần điện áp thứ hai được tính qua các thành phần (10-21) nếu ta thay Em=Uo và =0  2 k 1 2 2  k  3/31/2014 Page 21
22. Điện áp quá độ được tính như sau 2 U   k t 2 o u(l, t) Aod sin t  Ak e sin cos sin  k t k k 1 Ak  k U sin o  A arctg k k k  cos nếu góc đóng nằm khoảng từ 0 đến 180o dấu của Uo và sức điện động của nguồn ngược nhau, còn trong khoảng từ 180 đến 360o, Uo và sức điện động của nguồn cùng dấu Hệ số quá áp phụ thuộc vào góc đóng trong chu trình TĐL ( 1 /  2) 1 Uo=1; 2- Uo=0 3/31/2014 Page 22
23. Nếu đường dây có nối kháng bù dọc thì sau khi cắt máy cắt Q1 điện dung của đường dây bắt đầu phóng điện qua điện cảm của kháng với tần số 1 nhỏ hơn tần số của nguồn 1 L Quá trình quá độ tự động đóng lại L C đường dây khi có kháng điện Do kháng bù dọc có 200 R quá trình giao động tắt rất chậm và trong khoảng thời gian tTĐL không kịp kết thúc. a - sức điện động và điện áp đầu đường dây b- điện áp giữa các tiếp điểm máy cắ giả thiết Uo Em c- hệ số quá áp 3/31/2014 Page 23
24. Vì tần số 1 và  có trị số gần nhau, điện áp giữa tiếp điểm máy cắt có dạng   '   ' u U cos  ' t E cos t 2E sin 1 t sin 1 t o 1 m m 2 2  T Nửa chu kỳ T1/2 bằng '   1 T là chu kỳ điện áp tần số công nghiệp. Ví dụ với T1/2 =5T=0,01 s Có thể tính quá trình quá độ với điều kiện ban đầu bằng không nếu xét trường hợp đóng sức điện động bằng hiệu điện thế giữa hai tiếp điểm của máy cắt U. Hệ số quá áp phụ thuộc vào thời điểm đóng mạch như trên hình vẽ Khác với đóng cắt định trước, tự động đóng lại có thể xảy ra lúc sức điện động của nguồn có giá trị tăng cao và khi kháng điện được cắt. Điều này dẫn đến làm tăng Aod. Tóm lại. quá điện áp do tự động đóng lại được giải thích bởi điện áp tăng cao do hiệu ứng điện dung và do đó hệ số quá áp có trị số lớn 3/31/2014 Page 24
25.  Qu¸ ®iÖn ¸p khi c¾t bé tô ®iÖn vµ ®­êng d©y kh«ng t¶i Qu¸ ®iÖn ¸p thao t¸c cã trÞ sè lín kh«ng chØ khi ®ãng ®­êng d©y hë m¹ch mµ cßn xuÊt hiÖn khi c¾t ®­êng d©y kh«ng ti vµ c¸c bé tô ®iÖn.  Quá điện áp khi cắt bộ tụ điện Xét trường hợp cắt điện dung tập trung, ví dụ bộ tụ điện C khỏi nguồn trên hình sau, điện áp trên tụ điện khi hồ quang trên máy cắt cháy lại Khi cắt sau khi tiết điểm bắt đầu rời nhau sau một khoảng thời gian hồ quang xuất hiện giữa các tiếp điểm. Gỉa thiết dòng điện dung có giá trị đủ lớn để hồ quang chỉ có thể tắt vào thời điểm dòng điện đi qua trị số không. Trước khi cắt, điện áp trên tụ điện C bằng  LC jX  2 1 là tần số giao động của mạch với L - điện cảm U E C E 1 c 2 2 của nguồn jX C jX L  1  Thông thường 1 lớn hơn nhiều tần số của nguồn  nghĩa là. 3/31/2014 Page 25
26. Sau khi hồ quang bị cắt đứt điện áp trên tụ điện không đổi giữ nguyên giá trị lớn nhất Hiệu chính là điện áp phục hồi trên máy cắt và sau một nửa chu kỳ sẽ đạt trị số 2Emax. Sau khi dòng điện bị cắt đứt độ bền điện của khe hở giữa hai tiếp điểm tăng dần với khoảng cách giữa chúng. máy cắt khí nén với tốc độ di chuyển tiếp điểm nhanh và thổi mạnh có tốc độ tăng độ bền điện lớn hơn nhiều so với máy cắt dầu. Độ bền điện giới hạn của hai loại máy cắt hầu như giống nhau Tốc độ tăng độ bền điện của máy cắt khi cắt : 1 - máy cắt không khí; 2 - máy cắt dầu 3/31/2014 Page 26
27. Nếu trong quá trình các tiếp điện rời nhau mà điện áp phục hồi giữa chúng lớn hơn độ bền điện của khe hở, thì sẽ xảy ra phóng điện nghĩa là hồ quang cháy lại. Dòng điện tiếp tục bị cắt đứt khi nó đi qua trị số không. Sau đó sự xuất hiện điện áp phục hồi lớn lại làm cho khe hở bị phóng điện và cứ tiếp diễn như thế. Điều này có nghĩa là thao tác cắt một bộ tụ điện khỏi nguồn gây một chuỗi đóng và cắt cho đến khi các tiếp điểm rời nhau hoàn toàn hồ quang không tiếp tục cháy nữa Trường hợp khi hồ quang cháy lại xảy ra tại thời điểm điện áp nguồn có giá trị lớn nhất Mạch giao động LC trong đó điện dung C được nạp đến điện áp -Em nối với nguồn điện sức điện đống e(t)=Em sin(t+90o). Trong mạch xuất hiện giao động với tần số  1 LC có thể lớn hơn nhiều tần số nguồn bằng =2 f=314 rad/s Quá trình quá độ khi hồ quang cháy lại hoàn toàn tương tự quá trình tự động đóng lại do đó điện áp trên điện dung có thể tính theo công thức tương tự 2 2 2 2 2  U  1   u (t) E 1 sin t e  k t sin o cos sin  t C m 2 2 E 2  1 1  1  m  1 1 2 2 U   sin o 1 2  1 Ak  1 k arctg  cos 3/31/2014 Page 27
28.  2  2 Nếu cho =90o và coi 1 1 2 u C (t) E m cos t 2E m cos  1t  1 không xét tắt dần du (t) Dòng điện qia máy cắt i(t) C C CE sin t 2 CE sin  t dt m 1 m 1 Bởi vì 1>>  nên biên độ thành phần tự do của dòng điện 21Em lớn hơn nhiều biên độ thành phần cưỡng bức Sau nửa chu kỳ giao động riêng t=T1/2= /1 điện áp đạt giá trị đỉnh. Vì điện áp nguồn trong khoảng thời gian này chưa thay đổi đáng kể U max E m 2E m 3E m Một cách gần đúng ta cho rằng vào thời điểm này dòng điện qua trị số không hồ quang trong máy cắt có thể bị dập tatứ. Khi hồ quang tắt điện áp trên điện dung giữ giá trị 3Em. Sau một nửa chu kỳ tần số công nghiệp nữa điện áp nguồn thành -Em, điện áp giữa các tiếp điểm thsnhf 4Em có thể làm hồ quang cháy lại thêm một lần nữa. Trong khoảng thời gian này xuất hiện giao động trong mạch với biên độ 4Em. Điện áp lớn nhất trên điện dung C đạt 5Em. Nếu như hồ quang cháy lại trong khoảng thời gian dài điện áp sẽ tăng liên tục. 3/31/2014 Page 28
29.  Qu¸ ®iÖn ¸p khi c¾t ®­êng d©y kh«ng t¶i Quá trình vật lý khi cắt đường dây không tải có đặc điểm giống như khi cắt điện dung tập trung, tuy nhiên nó có một số khác biệt. Trên các đường dây tải điện siêu cao áp xuất hiện hiệu ứng điện dung, nên điện áp dư của đường dây sau khi cắt có thể có biên độ lớn hơn sức điện động của nguồn Ví dụ, sau lần hồ quang bị cắt đứt điện tích của đường dây còn l C ' Q C ' u)l) cos  l x dx u(l) sin l  0 Điện tích này phân bố đều trên đường dây do qiúa trình quá Q sin l tgl U o u(l) u(0) u(0 độ dao động, sau khi tắt dần điện áp của đường dây C 'l l l Mặt khác điện áp trên thanh góp khi cắt đường dây sẽ có giá trị bằng sức điện động của nguồn. Điện áp quá độ khi cắt đường dây dài không có kháng bù dọc 1 - sức điện động của nguồn 2 - điện áp trên thanh góp 3 - điện áp đường dây 3/31/2014 Page 29 4 - điện áp phục hồi trên máy cắt
30. Điện áp phục hồi lớn nhất bằng hiệu hai đường 2 và 3 có thể không phải 2Uph mà lớn hơn nhiều Khi hồ quang cháy lại trong máy cắt xuất hiện loạt các thành phần tự do, quá trình quá độ xảy ra tương tự quá trình tự động đóng lại đường dây với điều kiện ban đầu khác không. Biên độ điện áp của thành phần tự do đầu tiên tăng cao hơn so với trường hợp mạch giao động đơn giản, còn quá trình phản xạ nhiều lần của sóng từ điện cảm của nguồn và từ phía đường dây hở mạch làm tăng thêm biên độ quá điện áp Quá trình quá độ khi cắt đường dây với một lần hồ quang cháy lại (Uo điện áp do điện tích tàn dư) a) Sơ đồ tính toán; b- đường cong sức điện động (1) và điện áp ở cuối đường day (2). đường cong điện áp ở cuối đường dây hở mạch khi cắt khỏi nguồn với một lần hồ quang cháy lại ở gần đỉnh cực đại sức điện động. Thậm chí chỉ với một lần hồ quang cháy lại điện áp quá độ đã đạt 3,8Uph 3/31/2014 Page 30
31. Nếu đường dây có kháng điện thì sau khi cắt đứt hồ quang sẽ bắt đầu quá trình giao động phóng điện điện tích của đường dây qua kháng. Tần số của các giao động tắt dần này nhỏ hơn tần số của nguồn. Giao động này được trình bày trên hình Điện áp quá độ khi cắt đường dây dài có đặt kháng bù dọc : sức điện động của nguồn; điện áp trên thanh góp; 3 - điện áp đường dây; 4- điện áp phục hồi trên máy cắt Do quá điện áp khi cắt đường dây không tải có trị số rất lớn dẫn đến hồ quang bị cháy lại nhiều lần gần giá trị điện áp phục hồi lớn nhất. Do vậy sẽ là hợp lý nếu tạo ra những máy cắt không cho phép hồ quang cháy lại trong quá trình cắt đường dây. Có thể đạt được điều này bằng cách tạo ra máy cắt với thiết bị dập hồ quang đảm bảo tốc độ khôi phục độ bền cách điện nhanh hơn điện áp phục hồi trên các tiếp điểm. 3/31/2014 Page 31
32.  Qu¸ ®iÖn ¸p khi c¾t dßng ®iÖn lín Khi xảy ra ngắn mạchtrên đường dây điện áp tại điểm sự cố ngắn mạch gần như bằng không. Sau khi cắt máy cắt Q2 điện áp ở cuối đường dây sẽ tăng đến giá trị xác lập Cắt dòng điện ngắn mạch : a) sơ đồ; b) phân bố điện áp ở đầu đường dây U1 và cuối đường dây U2 Bởi vì điện áp phục hồi trong quá trình quá độ nên các thành phần tự do sẽ xếp chồng lên biên độ điện áp dẫn đến quá điện áp. Điện áp quá độ ở cuối đường dây khi hồ quang bị cắt đứt lúc dòng điện qua trị số không u(l, t) A cos t A e  k t cos  t Aod - biên độ điện áp xác lập; od  k k Ak - biên độ hài thứ k của thành phần tự do. k 1 3/31/2014 Page 32
33. Vì cắt ngắn mạch đường dây từ một phía dẫn đến sơ đồ giống như đóng đường dây hở mạch, biên độ điện áp xác lập và tần số giao động riêng trong hai trường hợp là giống nhau Nhưng biên độ của các giao động riêng là khác nhau. Sự khác biệt này được giải thích bởi trong trường hợp đóng đường dây điện dung sẽ tích điện, cón trong trường hợp cắt ngắn mạch điện dung của đường dây sẽ chỉ tích điện đến trị số điện áp ban đầu nào đó Điều đó làm giảm biên độ giao động tự do khi cắt ngắn mạch so với trường hợp đóng đường dây. Mặt khác trong sự khác biệt với thao tác đóng đường dây khi cắt ngắn mạch tất cả các thành phần Ak đều cùng dấu. Theo điều kiện ban đầu với t=0 u(l,0) Aod A1 A2 A3 0 nghĩa là A1<Aod Như vậy khi cắt ngắn mạch từ một phía biên độ thành phần tự do đầu tiên ở cuối đường dây nhỏ hơn biên độ thành phần cưỡng bức. Điều đó có nghĩa là hệ số quá áp khi cắt ngắn mạch không thể lớn hơn 2 Nếu như đường dây có thiết bị bù ngang thì dòng điện ngắn mạch đi qua điện dung sẽ gây chụt áp lớn trên điện dung 3/31/2014 Page 33
34. Phân bố điện áp trước và sau khi cắt ngắn mạch phía sau bù ngang Nếu có kháng phía sau thiết bị bù ngang thì cắt ngắn mạch sẽ dẫn đến phóng điện giao động của điện dung qua điện cảm của kháng. Biên độ giao động phụ thuộc vào điện tích ban đầu trên điện dung. Khi không có kháng sau bù ngang thay vì có giao động cuối đường dây xuất hiện thành phần điện áp không đổi Điện áp đặt trên điện dung khi ngắn mạch tăng theo mức độ bù và công suất nguồn và phụ thuộc vào vị trí điểm ngắn mạch. Điện áp có giá trị lớn nhất khi ngắn mạc xảy ra ngay sau bù ngang. 3/31/2014 Page 34
35. Điện áp UC lớn trên điện dung C làm xuất hiện quá trình quá độ với hằng số A0= UC lớn hoặc hài với biên độ gần như vậy Với t=0 0 Aod A0 A1 A2 A3 Nếu bỏ qua các hài bậc cao A1 Aod A0 Aod U C nghĩa là biên độ hài bậc nhất của thành phần tự do tăng do điện tích trên điện dung bù ngang Điện áp lớn nhất trên bù ngang bằng U max Aod A1 2 Aod U C Còn sau bù ngang U max Aod A1 A0 2 Aod 2 U C Từ các quan hệ này có hệ số quá áp K>2 Các lập luận trên đây đúng với các loại ngắn mạch khi mà chụt áp trên điện dung bù nagng không dẫn đến tác động chống sét van bảo vệ bù ngang. Nếu chụt áp này quá lớn, chống sét van tác động, tụ điện phóng điện và quá điện áp giảm 3/31/2014 Page 35
36. trường hợp cắt ngắn mạch một pha trên đường dây ba pha Quá điện áp xuất hiện trong trường hợp này được giải thích bởi làm việc không đòng thời của máy cắt ở hai đầu đường dây. Do đó đường dây được xem là được cung cấp điện ngắn hạn từ một phía (giả dụ máy cắt Q1 cắt chậm hơn máy cắt Q2). Biên độ điện áp quá độ phụ thuộc vào chênh lệch giữa trị số tức thời điện áp xác lập trên các pha không sự cố trước và sau khi cắt. Có thể đánh giá gần đúng bằng đồ thị vec tơ trên hình vẽ. sức điện động nguồn E A , E B , E C ' ' điện áp trên các pha lành trước khi cắt máy cắt Q2 U B , U C 3/31/2014 Page 36
37. Góc 2 xác định chủ yếu bởi công suất truyền tải ở chế độ bình thường và chiều dài đường dây. Trị số của nó gần với góc 60o Khi xảy ra ngắn mạch pha A gần máy cắt Q2 điện áp trên các pha không sự cố ít thay đổi vì trước khi cắt máy cắt Q2 quan hệ điện trở thứ tự không với điện trở thứ tự thuận Xo/X1 tương đối với điểm ngắn mạch là không lớn, nghĩa là Xo/X1 1 Dòng điện trên các pha không sự cố xác định chủ yếu bởi tải tác dụng và lêch pha với điện áp một góc 1 không lớn lắm. sau khi cắt máy cắt Q2 các thành phần thứ tự thuận trên các pha lành trùng pha với sức điện động của nguồn (bỏ qua tổn hao tác dụng) ' ' các véc tơ U B U C dịch chuyển một góc 3 phụ thuộc vào tỉ lệ Xo/X1 hình vẽ trên thể hiện đường dòng điện và điện áp trước và sau khi cắt máy cắt Q2 Khi đường cong dòng điện đi qua trị số không thì dòng điện của pha này bị cắt. Biên độ phụ thuộc vào góc lệch pha giữa điện áp 3/31/2014 Page 37
38.  Quá điện áp gây nên khi cắt mạch có dòng điện cảm bé  Quá điện áp khi cắt máy biến áp không tải Trường hợp cắt máy biến áp không tải khỏi thanh cái cao áp là một ví dụ về quá điện áp khi cắt dòng điện cảm bé. Khi máy cắt cắt, dòng điện sẽ bị cắt không phải ở giá trị bằng không mà ở một giá trị Io nào đó Nếu biên độ dòng điện không lớn, quá trình cắt dòng điện qua máy cắt có thể xảy ra ngay cả khi dòng điện đạt giá trị cực đại với những dòng nhỏ, dòng cắt Io tỉ lệ với Imax. Vùng bão hoà tương ứng với giá trị Io lớn nhất xác định bởi loại máy cắt cụ thể với các dòng lớn đi qua máy cắt do tạo kênh dẫn ion hoá mạnh hình thành nên quá trình cắt khó hơn 3/31/2014 Page 38
39. trường hợp cắt máy biến áp không tải bằng máy cắt Q Điện dung C của sơ đồ thay thế bao gồm điện dung của máy biến áp và thanh góp đến điểm nối máy ngắt. Điện cảm L là điện cảm của máy biến áp và có thể có giá trị rất lớn (hàng chục Henry). l Vào thời điểm cắt dòng điện giá trị tức thời điện áp trên điện dung bằng Uo. Trong phần mạch bị cắt vào thời điểm này điện cảm L tích năng lượng bằng LIo2/2 và điện dung C tích năng lượng bằng CUo2/2 Nếu bỏ qua tắt dần, trong mạch LC xuất hiện giao động L u (t) U cos  t  LI sin  t U cos  t I sin  t C o 1 1 o 1 o 1 o C 1 L  1 C là tần số giao động riêng của mạch vòng 2 Có thể tính điện áp lớn nhất bằng L U U 2 I max o o C CU 2 LI 2 CU 2 với điều kiện cân bằng năng lượng o o max 3/31/2014 Page 39 2 2 2
40. Điện áp tính toán có thể đạt giá trị rất lớn. Thực tế quá điện áp có trị số bé hơn do sự cháy lại của hồ quang trong máy cắt Điện áp trên các tiếp điểm máy cắt UAB sau khi cắt dòng điện xác định bởi hiệu điện áp UC và sức điện động của nguồn e(t). Cách điện của khe hở phục hồi chậm trong khoảng thời gian nửa chu kỳ đầu của giao động tự do thường nhỏ hơn 0,1 chu kỳ điện áp nguồn nên khe hở bị phóng điện trở lại là chắc chắn Lần cắt dòng điện đầu tiên xảy ra tại thời điểm to sau đó điện áp trên điện dung C tăng 3/31/2014 Page 40
41. Tiếp điểm của máy cắt bắt đầu rời nhau vào thời điển tH tức là trước khi cắt dòng điện. Nếu hồ quang bị dập tắt vào thời điểm này (tH) cách điện của máy cắt phục hồi theo đường cong up. Khi cắt dòng điện cách điện của khe hở tăng theo đường cong này. Khi đường cong điện áp trên các tiếp điểm của máy cắt cắt đường cong up thì sẽ xảy ra phóng điện lặp lại giữa hai tiếp điểm. Sau khi xảy ra phóng điện điện áp tiếp điểm máy cắt giảm xuống bằng không, điện áp UC lại tăng đến điện áp nguồn. Qua máy cắt dòng điện lại xuất hiện. Sau một khoảng thời gian ngắn dòng điện lại bị cắt nhưng ở giá trị bé hơn Io. Do vậy điện áp ở tiếp điểm của máy cắt cũng bé hơn. Tuy vậy nó vẫn cnf giá trị khá lớn nên lại gây phóng điện lần nữa. Quá trình lặp lại cho đến khi điện áp trên tiếp điểm máy cắt giảm đến giá trị nhỏ hơn phục hồi cách điện của khe hở, không còn đủ để gây phóng điện nữa. Trong nhiều trường hợp, hồ quang trong máy cắt có thể cháy lặp lại trong vài chu kỳ tần số công nghiêp. Hồ quang cháy lại càng lâu, quá điện áp càng lớn. Quá điện áp đạt giá trị giới hạn 4Uph thậm chí lớn hơn, nhưng với điện áp lớn hơn 220 kV các chống sét van đặt tại mạch máy biến áp giữa máy cắt và máy biến áp là biện pháp hạn chế có hiệu quả quá điện áp. 3/31/2014 Page 41
42.  Qu¸ ®iÖn ¸p khi c¾t ng¾n m¹ch hai pha ch¹m ®Êt Một ví dụ khác về quá điện áp khi cắt dòng điện cảm bé là trường hợp cắt ngắn mạch hai pha chạm đất trong lưới điện trung tính nối đất qua thiết bị bù sơ đồ thay thế sơ đồ tương đương tính toán đồ thị vec tơ điện áp d) đồ thị vec tơ dòng điện Khi cắt ngắn mạch hai pha chạm đất trong lưới điện trung tính nối đất qua thiết bị bù dòng điện dung cũng có thể xuất hiện cắt dòng điện cảm đi qua cuộn dập hồ quang. Dòng điện cắt trên các pha B và C có thể xác định bằng phân tích sơ đồ thay thế Nếu coi tổng trở pha B và pha C bằng nhau và bằng tổng trở của máy biến áp, nghĩa là XB=XC=XBA E E B X B E C X C I L ; E o X BA X B X C j X L là dòng điện đi qua cuộn dập hồ quang 2 I L X BA U B U C dưới tác dụng của sức điện động U E o - j I L ; I B ; I C 2 jX B jX C 3/31/2014 Page 42
43. Th«ng th­êng tæng trë cña cuén dËp hå quang lín h¬n cña m¸y biÕn ¸p (XL>>XBA) nªn dßng ®iÖn nhá h¬n nhiÒu so víi dßng ®iÖn vµ trong c¸c pha B vµ C. Gi¶ thiÕt dßng ®iÖn trong pha A ®­îc c¾t ®Çu tiªn. Dßng ®iÖn iB vµ iC ®i qua trÞ sè kh«ng gÇn nh­ ®ång thêi, lóc nµy dßng ®iÖn , nghÜa lµ ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i. Hå quang cña dßng ®iÖn iB vµ iC bÞ dËp t¾t khi qua trÞ sè kh«ng t­¬ngQuá trình®­¬ng quá víiđộ c¾txuất hiệndßng khi ®iÖn cắt dòng iL khi điện nã iL cã là gi¸do sự trÞ biến lín đnhÊt.ổi năng lượng từ trường tích trong cuộn dập hồ quang thành năng lượng điện trường trên tụ điện thứ tự không của phần còn lại. Nếu từ thanh góp chỉ có một đường dây, điện dung này là của thanh góp và các thiết bị đấu nối vào nó. Điện áp lớn nhất trên mạch đã được cắt có thể tính nếu bỏ qua Eo và coi rằng cuộn dập hồ quang được điều chỉnh ở chế độ cộng hưởng với dòng điện dung của lưới điện 1 L L 1 3C ph 3C ph U I U max C L max 2 ph C 3/31/2014 Page 43
44. Vì 3Cph lớn hơn nhiều C nên quá trình cắt dòng điện chạm đất hai pha gây nên quá điện áp lớn hơn hẳn Để hạn chế quá điện áp này người ta sử dụng chống sét van hoặc điện trở son trong các máy cắt. Trong vận hành thì bằng các phương thức khác nhau cần tránh trường hợp làm việc máy biến áp với cuộn dập hồ quang chỉ với một đường dây bởi vì nếu có nhiều đường dâu đấu vào thanh góp sẽ làm tăng điện dung C và do đó giảm Umax 3/31/2014 Page 44
45.  Qu¸ ®iÖn ¸p khi ch¹m ®Êt chËp chên Phần lớn các sự cố chạm đất trong các lưới điện đều sinh hồ quang. Phần lớn các sự cố chạm đất trong các lưới điện đều sinh hồ quang. Trong các lưới điện trung tính nối đất dòng điện chạm đất có thể có trị số rất lớn và là mối nguy hiểm lớn đối với các thiết bị điện nên thường bảo vệ rơ le phải tác động nhằm loại bỏ sự cố và nguy hiểm này. Trong lưới điện trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang, dòng điện chạm đất không phải là mối nguy hiểm cho các phần tử của hệ thống nên sự cố không được loại bỏ ngay bằng bảo vệ rơ le. Trong trường hợp này hồ quang thường tồn tại lâu dài. Quá điện áp xuất hiện cũng có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị điện Trường hợp trung tính cách điện dòng điện ở chỗ chạm đất bằng 3CphUph. Trong các mạng điện trung áp 6-35 kV dòng điện chạm đất một pha có trị số một vài A. Chạm đất một pha hầu như không làm thay đổi điều kiện truyền tải công suất đến hộ tiêu thụ. Tam giác điện áp dây vẫn giữ nguyên, nhưng điện áp của các pha lành đối với đất tăng đến điện áp dây không gây nguy hiểm cho cách điện vì mức chịu đựng điện áp của nó cao hơn nhiều 3/31/2014 Page 45
46. Nếu dòng điện chạm đất bé, hồ quang tự dập tắt. Yếu tố thuận lợi để hồ quang có thể dập tắt là do nó được kéo dài dưới tác dụng của lực điện động và dòng không khí Trên cơ sở kinh nghiệm vận hành nhiều năm người ta cho phép các đường dây tải điện trung áp 6-35 kV trung tính cách điện làm việc với dòng điện dung chạm đất không vượt quá những giá trị Điện áp định Dòng điện Is đường dây, A/km.kV Chiều dài đường dây, km mức, k dung cho phép, A ĐDK Cáp ĐDK Cáp 6 30 0,018 0,6 50 10 20 0,03 1,0 - 20 20 15 0,06 2,0 250 7,5 35 10 0,105 3,5 100 3 Khi chiều dài đường dây tăng dòng điện dung có thể tăng đến hàng trăm A làm cho dập hồ quang sẽ khó khăn hơn, hồ quang cháy lâu hơn. Ngay cả khi dùng thiết bị dập hồ quang cũng không làm cho quá trình ổn định : hồ quang cháy lại nhiều lần dưới tác dụng của điện áp khục hồi trước khi hồ quang bị dập tắt hoàn toàn 3/31/2014 Page 46
47. Hồ quang chập chờn làm xuất hiện giao động mỗi lần cắt dòng điện và dập tắt hồ quang Quá trình quá độ thường làm xuất hiện quá điện áp có nhiều điểm tương tự như khi cắt đường dây không tải Vì xem xét đường dây ngắn nên điện cảm của đường dây có thể bỏ qua, còn các điện dung được xem là tập trung tại một điểm C0 - điện dung pha - đất; C - điện dung pha - pha; 3/31/2014 Page 47 Li - điện cảm nguồn
48. Điện áp quá độ khi ngán mạch điện áp pha A đường thay đổi điện áp pha A so với đất khi xảy ra chạm đất ở pha này vào thời điểm t1 và của pha C. Ngoài ra còn đường thay đổi điện áp dây uCA. ở chế độ xác lập sau khi chạm đất điện áp của pha C đối với đất bằng điện áp dây uCA, nhưng quá trình này xảy ra trước quá trình quá độ mà chúng ta có thể chia thành hai giai đoạn. điện áp pha C dòng tại điểm chạm đất 3/31/2014 Page 48
49. Ngay sau khi xảy ra chạm đất pha A điện dung đối với đất của pha không sự cố Co.l được nạp đến điện áp uC(t1) nối song song với điện dung giữa các dây C.l với điện áp uCA(t1) Điện áp trên hai điện dung mắc song song hầu như ngay lập tức được cân bằng và có giá trị bằng nhau ubd xác định bởi cân bằng điện tích C o u C (t1 ) C u C (t1 ) u A (t1 ) C u bd u C (t1 ) ku A (t1 ) k C o C C o C Thông thường C=(0,250,3)Co và k= 0,2-0,25. Trị số tức thời của uc(t1) và uA(t1) khác dầu nhau Trên hình vẽ, uA(t1) =-Uph; uc(t1) =0,5Uph và ubd=(0,5+k)Uph> uC(t1) Trên pha B quá trình xảy ra tương tự pha C. Như vậy ngay sau khi chạm đất điện áp trên các pha lành tăng vọt. Sau đó bắt giai đoạn 2 của quá trình quá độ : phóng điện các điện dung Co.l và C.l của các pha lành qua điện cảm của nguồn t u C (t ) u CA (t1 ) A1e cos  1t 1  1 t 3Li C o C l u B (t ) u BA (t1 ) A1e cos  1t Gốc thời gian để tính là thời điểm chạm đất t1 A1 uCA(t1) ubd uC (t1) uA(t1) uC (t1) kuA(t1) uA(t1)(1 k) 3/31/2014 Page 49
50. Điện áp trên các pha không sự cố đạt giá trị cực đại sau một nửa chu kỳ giao động riêng, nghĩa là vào thời điểm t2=T1/2= /1. Vì 1 thường lớn hơn nhiều so với  nên điện áp uBA và uCA trong khoảng thời gian này hầu như vẫn giữ nguyên giá trị như trước khi ngắn mạch : uBA(t1) = uCA(t1)  1 U C max U B max u CA (t1 ) A1e Hệ số tắt dần  xác định bởi điện trở tác dụng của lưới điện Thông thường /1=d<<1 U C max u CA (t1 ) u A 1 k 1 d Ví dụ, khi uA(t1) = -Uph; uc(t1) =0,5Uph và k=0,2 và d=0,1 U C max 1,5U ph U ph 1 0,2 1 0,1 2,22U ph Điện áp lớn nhất trên pha B có trị số gần như thế Từ thời điểm chạm đất dòng điện qua kênh dẫn của hồ quang bao gồm hai thành phần : thành phần cưỡng bức bằng 3ColUphsint thành phần tự do 21(Co+C)lUphsinit Biên độ của thánh phần tự do lớn hơn nhiều so với thành phần cưỡng bức, dòng điện tổng qua trị số không vào thời điểm t2 khi điện áp quá độ đạt giá trị đỉnh. Lúc này hồ quang có 3/31/2014 Pagethể 50 được dập tắt, cách điện của khe khe hồ quang được phục hồi.
51. Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy nếu song song với khe hồ quang nối điện dung (trong trường hợp đang xem xét điện dung pha A bằng CA=Col), hồ quang được dập tắt mỗi lần dòng điện qua trị số không. Hồ quang được dập tắt thành công phụ thuộc vào quan hệ vận tốc phục hồi cách điện và điện áp Nếu hồ quang bị dập tắt ngay lần đầu tiên qua trị số không, trên điện dung của pha không bị sự cố tích trữ điện tích bằng ColUBmax và ColUCmax, còn trên pha bị sự cố điện tích bằng không.Sau khi dập tắt hồ quang điện tích sẽ phân bố đều trên điện dung của ba pha và do đó trên các điện dung này xuất hiện điện áp phu u (dịch chuyển trung tính) xếp chống lên điện áp của nguồn C U U u o C max B max 3C 0 Trường hợp hồ quang được dập tắt khi điện áp trên pha lành có trị số lớn nhất (UBmax = UCmax) 2 u U 3 C max 3/31/2014 Page 51
52. Sau khi dập tắt hồ quang xuất hiện quá trình quá độ mới khi giao động cao tần với tần số 2 xếp chống lên điện áp xác lập uA+ u Tần số giao động 2 xác định bởi thông số thứ tự thuận của lưới điện do sơ đồ lại trở về đối xứng 1  2 Li C 0 3C l Khi giao động điện áp pha A đạt giá trị đỉnh đầu tiên gọi là điện áp đỉnh dập hồ quang Up. Để tính giá trị điện áp này cần thấy rằng biên độ thành phần tự do A2 xác định bằng chênh lệch giữa giá trị tức thời điện áp cưỡng bức uA(t1) + u và giá trị điện áp ban đầu khi cắt đứt hồ quang (bằng không). Điện áp đỉnh dập hồ quang xác định gần đúng theo biểu thức nếu coi giao động không tắt dần U p 2 A2 2u A (t1 ) u  Bởi vì điện áp uA(t2) và u ngược dấu nhau nên U p 2 u U ph  3/31/2014 Page 52
53. Sau khi giao động tự do kết tắt dần điện áp tăng theo tần số  của nguồn Trên hình vẽ bên cạnh điện áp trtên khe hồ quang còn thể hiện đường cong phục hồi điện áp với 3 trường hợp khác nhau : A, B, C Dạng các đường cong này phụ thuộc vào nhiều yếu tố rất khó xem xét ví dụ như mức độ ion hoá của kênh dẫn, điều kiện dập tắt hồ quang hở hay hồ quang kín Trường hợp A : cách điện phục hồi nhanh hơn điện áp trên khe hồ quang thường gặp trong các lưới điện nhỏ với điện dung pha - đất bé, hồ quang thường bị dập tắt trong vòng nửa chu kỳ tần số công nghiệp Trường hợp B : đường cong phục hồi cách điện lớn hơn điện áp đỉnh dập tắt hồ quang nhưng cắt dường cong điện áp phục hồi tại gần đỉnh của nó (t4). Vào thời điểm này hồ quang cháy lại nhưng bị dập tắt khi dòng điện qua trị số không. Hồ quang cháy chập chờn Trường hợp C : Hồ quang cháy lại vào thời điểm t3 ngay sau khi bị dập tắt làm xuất hiện giao động nhưng với biên độ nhỏ hơn. Xác suất dập tắt hồ quang khi dòng điện qua trị số không lần thứ hai lớn hơn so với lần thứ nhất, và do đó điểm trung tính xê dịch ít hơn. Nếu như hồ quang lại cháy lại và không thể dập tắt trong thời gian dòng điện qua không thì vấn đề nó có cháy nữa không sẽ được xác địnhkhi dòng điện tần số công nghiệp qua trị số không. Vì vậy hồ quang có thể cháy chập chờn hoặc cháy ổn định. Với trường hợp khi hồ quang cháy ổn định sẽ không gây quá điện áp ngoại trừ đỉnh điện áp ngắn hạn đầu tiên. Tuy nhiên hồ quang loại này lại nguy hiểm vì nó tốn tại lâu dài có thể dãn đến phá huỷ cách điện vĩnh viễn 3/31/2014 Page 53
54. Điện áp lớn nhất xuất hiện trong trường hợp B khi hồ quang cháy lại sau gần nửa chu kỳ tần số công nghiệp kể từ khi bị dập tắt. Biên độ thành phần giao động tự do tăng do dịch chuyển điểm trung tính u điện áp pha A vào thời điểm trước khi hồ quang cháy lại chênh lệch tăng thêm một lượng bằng un-1 U n,max u C (t n ) u A (t n ) u A (t n ) u n 1  1 k 1 d Xét trường hợp Hồ quang bị dập tắt khi dòng điện áp pha A điện cao tần qua trị số không nhưng cháy lại sau một nửa chu kỳ tần số công nghiệp vào thời điểm điện áp pha lành đạt giá trị lớn nhất (lý thuyết Petersen) điện áp pha B I - thời điểm hồ quang pha A cháy; II - dập tắt hồ quang; III : hồ quang cháy lại Chế độ này dựa trên hồ quang lý tưởng và có xác suất bé điện áp pha C nhưng cho phép thu được các kết quả giới hạn về quá điện áp. Kết quả tính quá điện áp sau một số lần cháy lại hồ quang (k=0,2; d=0,1) 3/31/2014 Page 54
55. Điện áp trên các pha A và C khi hồ quang cháy lại n u n 1 / U ph u C (t n ) / U ph u A (t n ) / U ph U n,max / U ph 1 0 0,5 -1 2,25 2 1,48 -0,5 1 -3,28 3 -2,19 0,5 -1 3,8 4 2,53 -0,5 1 -4,04 5 -2,69 0,5 -1 -4,14 Quá điện áp lớn nhất và xê dịch điểm trung tính tăng từ nửa chu kỳ này sang nủă chu kỳ sau, nhưng tốc độ tăng chậm lại. Điều này được giải thích là do song song với quá trính tích luỹ điện tích trên các điện dung có quá trính thoát điện tích xuống đất trong thời gian hồ quang cháy Hai hiện tượng trái ngược nhau làm cho điện áp tăng đến giá trị giới hạn 2 1,5 1 k 1 d U 1,5U U U 1 k 1 d U U n,max ph ph n,max n,max ph 2 3 1 1 k 1 d 3 với điều kiện U n,max U n 1,max u 1,2U ph 3/31/2014 Page 55
56. Thực nghiệm cho thấy hồ quang có thể được dập tắt ngay khi dòng điện cao tần qua trị số không lần thứ nhất hoặc các lần sau cũng như khi dòng điện tần số công nghiệp qua trị số không (lý thuyết Beliakov). Hồ quang có thể dập tắt nếu như đỉnh dập hồ quang không vượt quá một trị số nhất định nào đó, đối với lưới điện 6-10 kV trị số này nằm trong khoảng 0,4Uph Điện áp đỉnh dập hồ quang quan hệ với xê dịch điểm trung tính, trị số giới hạn đỉnh dập hồ quang tương ứng với xê dịch điểm trung tính không lớn hơn u 0,5U p U ph 1,2U ph Nếu và Up>0,4Uph và hồ quang không được dập tắt, hồ quang sẽ cháy lại và điện tích của các điện dung sẽ thoát một phần xuống đất. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi đỉnh dập hồ quang trở nên nhỏ hơn 0,4Uph. Sau đó hồ quang sẽ bị dập tắt nhưng vẫn có thể cháy lại dưới tác dụng của điện áp hồi phục Trị số quá điện áp lớn nhất U max 1,5U ph 2,2U ph (1 k )(1 d ) 3,1U ph Phân tích chi tiết hơn có thể chỉ ra rằng quá điện áp lớn nhất xuất hiện khi hồ quang cháy lại không phải vào thời điểm điện áp trên pha lành đạt giá trị cực đại mà sớm hơn một chút 3/31/2014 Page 56
57. Hồ quang được dập tắt khi dòng điện tần số công nghiệp qua không và cháy lại ở trị số lớn nhất của điện áp tần số công nghiệp trên các pha không bị sự cố (Lý tuyết Petersen và Slepian). Trong các điều kiện như vậy hồ quang bị dập tắt sau nửa chu kỳ sau khi phát sinh khi mà thành phần giao động tự do tắt dần và giá trị tức thời điện áp trên pha lành bằng 1,5Uph 2.1,5U ph Điểm trung tính bị dịch u U 3 ph U max 1,5U ph 2U ph (1 k )(1 d ) 3,1U ph quan hệ hệ số quá áp với tích (1-k)(1-d) Với trường hợp đang xét Umax=1,94Uph tính toán theo các lý thuyết khác nhau lý thuyết Petersen; lý thuyết Beliakov; 3) lý thuyết Petesen vá Slepian 3/31/2014 Page 57
58. Trong vùng gía trị thực tế của k và d chện lệch giữa kết quả tính toán lý thuyết không lớn. Hệ số úa áp chỉ trong một số rất ít trường hợp vượt quá mức cách điện của thiết bị 6-35 kV. Tuy nhiên các quá điện áp này không chỉ nguy hiểm về biên độ mà cón vè thời gian kéo dài của chúng. Quá điện áp xuất hiện trên toàn lưới điện làm tăng xác suất gây phóng điện tại những vị trí khác ngoài điểm sự cố chạm đất. Hồ quang ổn định hoặc hồ quang chập chờn có thể tồn tại khá lâu và gây hư hỏng ở các pha khác dẫn đến ngắn mạch hai pha. Chính vì vậy cần nhanh chóng khác phục sự cố này bằng cách hạn chế dòng điện và giảm tốc độ phục hồi điện áp bằng cách chỉnh cuộn dập hồ quang vào chế độ cộng hưởng với điện dung của lưới. 3/31/2014 Page 58
59.  H¹n chÕ qu¸ ®iÖn ¸p thao t¸c  Nguyên tắc xây dựng bảo vệ chống quá điện áp thao tác Những phân tích trên đây cho thấy quá điện áp thao tác có thể đạt (33,5)Uph. Nguy hiểm của dạng quá điện áp này là trị số của nó trong đa số các trường hợp vượt quá mức cách điện của các thiết bị điện áp 300 và 500 kV (2,7 và 2,5Uph), còn lớn hơn nữa với thiết bị điện áp 750 kV (2,2Uph), và 1150 kV (1,8Uph). Hạn chế một cách bắt buộc quá điện áp thao tác là một điểm khác hắn của hệ thống truyền tải siêu cao áp, cho dù một số biện pháp bảo vệ được sử dụng cả đối với lưới điện thấp hơn 220 kV Bảo vệ chống quá điện áp thao tác dựa trên những nguyên tắc sau hạn chế chế độ vận hành có thể gây quá điện áp nguy hiểm bằng các phương thức vận hành hạn chế biên độ quá điện áp xác lập do đó có thể hạn chế quá điện áp quá độ hạn chế quá điện áp thao tác bằng các chống sét van hoặc đặt các điện trở son trong các máy cắt 3/31/2014 Page 59
60. Có thể nhân được trị số quá điện áp bé bằng kết hợp các giá trị ban đầu thuận lợi mà biên độ giao động tự do có trị số nhỏ nhất (ví dụ tăng thoát điện tích từ đường dây trong khoảng ngừng TĐL hoặc điều chỉnh thời gian cắt, điều chỉnh lập trình làm việc của máy cắt). Các phương thức vận hành có tác dụng giảm biên độ quá điện áp thao tác là khi đóng đường dây đặt tỉ số biến áp thấp đối với các máy biến áp lực, ban đầu đóng đường dây vào thanh góp công suất lớn, trước khi thao tác đóng đường dây đóng kháng bù dọc ở cấp điẹn áp cao và trung Bảo vệ chống quá điện áp thao tác có ý nghĩa rất quan trọng đối với các đường dây siêu cao áp (330 kV trở lên). Để đảm bảo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao của các đường dây này người ta phải đặc biêt chú ý áp dụng các biện pháp để hạn chế quá điện áp nội bộ. Một trong những biện pháp đó là sử dụng chống sét van để giới hạn loại quá điện áp này 3/31/2014 Page 60
61.  Hạn chế quá điện áp thao tác bằng chống sét van Kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu đặt chống sét van ở trên đường dây (cuối đường dây) có khả năng hạn chế quá điện áp ở phía cuối và cả ở đầu đường dây. Khi dùng chống sét van để bảo vệ quá điện áp thao tác thì phải chú ý kiểm tra năng lực thông thoát dòng điện qua chống sét van để bảo đảm điều kiện làm việc bình thường của nó Khi xuất hiện quá điện áp nội bộ dòng điện qua dòng điện qua chống sét van sau khi khe hở phóng điện thường có trị số không vượt qua 1,5 - 2 kA, tuy nhiên do quá điện áp thao tác tốn tại lâu hơn, thời gian dóng điện đi qua chống sét van kéo dài hơn, năng lượng tản trên điện trở phi tuyến của chống sét van lớn hơn thông thường vài mức so với loại quá điện áp khí quyển Ví dụ nếu chống sét van giới hạn quá điện áp tới mức U 2.220 2Uph thì dòng điện qua chống sét van đối với hệ I 0,45kA CSV Z thống 220 kV bằng 3 400 Thời gian kéo dài của dòng điện có trị số bằng CRCSV. Điện dung của mỗi pha bằng khoảng 1F/100 km còn điện trở của chống sét van ở điện áp 2Uph vào khoảng 300, dòng điện sẽ tồn tại trong khoảng 300s, tức là lớn hơn nhiều so với quá điện áp khí quyển 3/31/2014 Page 61
62. Một trong những khó khăn khác khi dùng chống sét van để hạn chế quá điện áp thao tác là điều kiện dập tắt hồ quang sẽ nặng lề hơn Tác động của chống sét van khi có quá điện áp thao tác điện áp quá độ dòng điện qua chống sét van Khi điện áp tức thời trên chống sét van đạt trị số phóng điện của khe hở làm cho khe hở này bị phóng điện, điện trở phi tuyến của chống sét được nối với dây pha (điểm a). Khi điện áp và dòng điện qua chống sét van đi qua trị số không, khe hở phóng điện cắt đứt dòng điện. Nhưng ở nửa chu kỳ sau chống sét van có thể bị phóng điện trở lại (điểm b), nếu như điện áp trên chống sét van tăng nhanh hơn phục hồi cách điện của khe hở. Điện áp ở các lân phóng điện sau luôn nhỏ hơn điện áp ở lần phóng điện thứ nhất 3/31/2014 Page 62
63. Điện áp trong các lần phóng điện lập lại phải nhỏ hơn điện áp dập hồ quang. Tác động của chống sét van phải chấm dứt saukhi quá trình quá độ tắt dần nhưng điện áp xác lập lại có thể lớn hơn điện áp pha do hiệu ứng điện dung hoặc do tính chất không đối xứng. Vì vậy loại chống sét van dùng hạn chế quá điện áp thao tác phải có điện áp dập hồ quang lớn hơn so với loại chống sét van dùng bảo vệ quá điện áp khí quyển. Hệ số dập hồ quang (k=Upd/Udhq) phải bé hơn Ví dụ loại chống sét van PBMK 500- của Nga có hệ số dập hồ quang bằng 1,25, đảm bảo điện áp phóng điện (2,4-2,5)Uph và điện áp dập hồ quang (1,9-2)Uph. Vì khi cắt hồ quang tại chống sét van, điện áp tăng cao nên điện áp cho phép phải nhỏ hơn điện áp dập hồ quang từ 10 đến 15% để đảm bảo hồ quang được dập tắt một cách chắc chắn Đối với các đường dây điện áp khác nhau phải tuân theo bảng Điện áp định mức, Uđm kV 500 750 1150 Điện áp phóng điện 2,5 2,1 1,8 U dhq / U ph Điện áp cho phép 1,75 1,45 1,25 U cp / U ph 3/31/2014 Page 63
64. Trong các trường hợp, nếu điều kiện trên không thoả mãn, hồ quang trong chống sét van bị dập tắt khi dòng điện qua trị số không nhưng lại bị cháy lại. Vì vậy trong một số trường hợp để giảm trị số quá điện áp xác lập người ta sử dụng biên pháp nối kháng bù dọc qua khe hở phóng điện có thể đảm bảo khả năng tự dập tắt hồ quang trong chống sét van Chống sét van để bảo vệ quá điện áp thao tác được đặt ở cuối đường dây bởi vì điện áp có trị số lớn nhất ở cuối đường dây khi nó hở mạch. Điện áp phong điện của khe hở trong chống sét van phải nhỏ hơn mức quá điện áp cho phép đối với các thiết bị điện đặt ở cuối đường dây và cách điện của đường dây với độ tin cậy cần thiết. Cần quan tâm đến tính tản mạn đặc tính phóng điện của chống sét van và của cách điện và quá trình truyền sóng cũng làm tăng quá điện ápcủa đường dây so với điện áp trên chống sét van a) sơ đồ đường dây; b) điện áp tại điểm A trên sơ đồ; c) điện áp ở cuối đường dây; quá trình quá dộ khi không có đặt chống sét van; 2 - quá trình quá độ khi chống sét van làm việc; 3 - sóng tới; 4 - sóng phản xạ. 3/31/2014 Page 64
65. Đường dây được đóng vào nguồn điện áp với điện cảm Li ở cuối đường dây có đặt một bộ chống sét van Giả thiết trong nửa chu kỳ đầu chống sét van bị tác động do quá điện áp. Điện áp ở cuối đường dây trong trường hợp không có chống sét van được thể hiện bằng đường 1 trên vẽ có thể biểu diễn bắng tổng hai thành phần sóng : sóng tới (đường 3) và sóng phản xạ (đường 4). Vì cuối đường dây hở mạch, sóng phản xạ và sóng tới bằng nhau. Sóng phản xạ trở về tới điểm A cách đầu cuối đường dây một khoảng lA sau một thời gian trễ bằng 2lA/c. Đỉnh của sóng tới và sóng phản xạ không trùng nhau nên điện áp tại điểm A bé hơn (đường 1 và 1’) Giả thiết khi điện áp trên chống sét bằng Upđ chống sét phóng điện, điện áp ở cuối đường dâu do đặc tính phi tuyến của chống sét van đwocj duy trì trong giới hạn cho phép (đường 2). Đồng thời nó cúng làm thay đổi dạng sóng phản xạ (đường 4) đến điểm A. Do thời gian trễ quá điện áp lớn nhất tại điểm A khi chống sét van làm việc lớn hơn điện áp ở cuối đường dây (đường 2 và 2’), càng có trị số lớn nếu điểm A càng gần đầu đường dây. Từ đây cho thấy có tồn tại một vùng bảo vệ của chống sét van, đối với các chống sét van hiện đại được đánh giá là vào khoảng từ 150-200 km. Điều đó có nghĩa là cách điện của đường dây trong vùng bảo vệ của chống sét van chịu tác dụng của điện áp lớn hơn điện áp phóng điện của chống sét van. Đây là điều cần phải xem xét khi lựa chọn cách điện đường dây 3/31/2014 Page 65
66. Đối với các đường dây truyền tải siêu cao áp do đầu tư cách điện rất lớn nên cần hạn chế quá điện áp thao tác đến mức mà cách điện đường dây, cách điện trạm biến áp, chủ yếu là cách điện bên ngoài được xác định chủ yếu bởi điện áp làm việc Mức quá điện áp thao tác Điện áp định mức, Uđm kV Điện áp cho phép U cp / U ph Cách điện đường dây Cách điện trạm biến áp 330 2,4 2,2 500 2,2 2,0 750 2,0 1,8 1150 1,7 1,65 3/31/2014 Page 66
67.  H¹n chÕ qu¸ ®iÖn ¸p thao t¸c b»ng l¸p ®iÖn trë song song trong m¸y c¾t Điện áp định mức của đường dây càng cao thì càng cần phải hạn chế quá điện áp. Điều này có thể đạt được bằng tổ hợp các biện pháp. Để giới hạn quá điện áp thao tác trong thời gian quá độ có thể sử dụng loại máy cắt tác động hai bậc có điện trở son R D2 D1 Máy cắt này có hai khoảng cắt, một trong chúng có ghép điện trở son. Khi đóng máy cắt, ban đầu đóng tiếp điểm phụ 2, mạch được nối qua điện trở. sau đó một khoảng thời gian đóng tiếp điểm chính 1. Khi cắt, ban đầu tiếp điểm 1 cắt trước, sau đó tiếp điểm 2 sẽ tách ra. Theo sơ đồ 10-30a, dòng điện làm việc toàn phần không đi qua tiếp điểm 2, nên nó có thể chế tạo nhẹ hơn, nhưng nhược điểm của nó là ở trạng thái cắt thì tiếp điểm chính 1 phải chịu toàn bộ chênh lệch điện áp giữa nguồn và đường dây 3/31/2014 Page 67
68. Dùng loại máy cắt này có thể loại trừ hoặc hạn chế quá điện áp thao tác khi cắt đường dây không tải. Điện trở son loại trừ thành phần giao động tự do khi đóng đường dây không tải và giảm điịen tích tàn dư trên đường dây khi cắt đường dây không tải hoặc khi tự động đóng lại. Nhưng quá điện áp do cắt máy biến áp không tải lại tăng cao, trị số điện trở son khác nhau tuỳ thuộc vào dạng đóng cắt. Do đó khi chế tạo máy cắt phải có biện pháp dung hoà các yêu cầu này  Đóng đường dây không tải Khi đóng một đường dây không tải vào nguồn có điện trở trong bằng không qua một điện trở bằng tổng trở sóng của đường dây, dao đông trong mạch hầu như không có, vì không có phản xạ từ đầu đường dây. Có thể nói điện trở R bằng Z là điều kiện của quá trình không tuần hoàn trên đường dây. Nếu nguồn có điện cảm trong khác không, để có điều kiện xảy rq quá trình quá độ không tuần hoàn, điện trở R phải loán hơn tổng trở Z bởi vì điện cảm tập trung của nguồn sẽ bổ sung vào điện cảm phân bố của đường dây. Tuy nhiên trong thực tế không cần thiết phải đạt điều kiện hoàn toàn không chu kỳ mà chỉ cần đạt được giao động tắt dần cần thiết của các thành phần tự do. Điều kiện này thực hiện được nếu điện trở son gần bằng tổng trở của đường dây, 3/31/2014nghĩaPage là 68 nằm trong khoảng 200-400