Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp - Chương 11: Quá điện áp xác lập

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp - Chương 11: Quá điện áp xác lập

1. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP CHƯƠNG 11 : QUÁ ĐIỆN ÁP XÁC LẬP 11.1. Tăng điện áp ở cuối đường dây hở mạch 11.2. Quá điện áp xác lập khi ngắn mạch 11.3. Cộng hưởng và cộng hưởng sắt 11.3. Quá điện áp tần số công nghiệp trong chế độ không đủ pha 11.5. ảnh hưởng sự bão hào của máy biến áp đến tăng điện áp trong mạng trung tính nối đất. 11.6. Sóng hài trong truyền tải điện. 11.3.5.Phương pháp bảo vệ chống quá điện áp cộng hưởng sắt
2. Sau khi nối điện trở lại xuất hiện quá trình quá độ. Cường độ của giao động này càng yếu nếu khác biệt giữa điện áp xác lập khi đóng điện trở và khi không có nó càng nhỏ. Điều kiện này thoả mãn nếu như với Z là mo dun tổng trở đầu vào của đường dây. Quá trình quá độ khi đóng đường dây bằng máy cắt có ghép điện trở son A : Thời điểm đóng điện trở son Với R=Z (hình a) thành phần tự do của quá trình quá độ từ việc đóng tiếp điểm 2 tắt dần trong một nửa chu kỳ tần số công nghiêp (đường 2) và trên đường dây điện áp ổn đinh (đường 3) về cơ bản khác rất ít so với điện áp ở chế độ xác lập sau khi đóng tiếp điểm 1 (đường 4) Vì vậy quá trình quá độ trong giai đoạn 2 thể hiên yếu và do vậy quá điện áp khi đóng tiếp điểm chính sẽ không xuất hiện Trên hình b cho thấy quá trình quá độ khi tăng điện trở R bằng 5Z. Khi đóng tiếp điểm phu, nghĩa là đóng điện trở R (giai đoạn đầu của quá trình quá độ), điện áp giao động không tuần hoàn và không tăng cao. Điện áp trên đường dây (đường 3) giảm về biên độ và dich chuyển pha góc 45o so với điện áp (đường 4) sau khi nối điện trở. Vì vậy sau khi đóng tiếp điểm chính xuát hiện quá điện áp (đường 5) với biên độ bằng thành phần tự do xác định bởi hiệu điện áp giữa hai đường 3 và 4 vào thời điểm trước khi đóng (giai đoạn 2 của quá trình quá độ). Giai đoạn này sẽ làm xuất hiện quá điện áp 3/31/2014 Page 2
3. Từ đây suy ra là để hạn chế quá điện áp khi đóng đường dây không tải cần sử dụng điện trở son có trị số không lớn hơn tổng trở sóng của đường dây. Điện trở này cũng có hiệu quả hạn chế quá điện áp khi cắt ngắn mạch không đối xứng hoặc chế độ không đồng bộ, bởi vì quá trình đóng và cắt trong hai trường hợp này tương tự nhau  Cắt đường dây không tải Trường hợp tối ưu khi cắt đường dây không tải là khi không xuất hiện hồ quang cháy lại. Vì vậy nhiệm vụ của điện trở son không phải dập được thành phần giao động tự do khi hồ quang cháy lại, mà là việc giảm điện áp phục hồi đến trị số không gây cháy lại của hồ quang Có thể đạt được điều này nếu chọn R gần bằng mô dun tổng trở đầu vào của đường dây, tức là cần tạo điều kiện giao động phi chu kỳ. Lúc này có thể bỏ qua ảnh hưởng của điện cảm bên trong của nguồn, và do đó cũng không cần tính điện áp do hiệu ứng điện dung của đường dây Nếu đường dây không có kháng, có thể thay thế một cách gần đúng bằng điện dung tập trung (Z=Xđv=XC). 3/31/2014 Page 3
4. Điện áp trên đường dây sau khi tách tiếp điểm chính có thể viết dưới dạng t X R R 2 U E C cos t arctg e R.C C 2 2 2 2 X C R X R X C C Quá trình quá độ khi cắt đường dây không tải sơ đồ đường dây; đường cong điện áp với R=3Xđv; 1 - thành phần cưỡng bức; 2 - thành phần tự do 3-điện áp xác lập; 4- sức điện động của nguồn Hiệu giữa điện áp tổng (đường 3) và sức điện động của nguồn (đường 4) chính là điện áp khôi phục trên các tiếp điểm chính của máy cắt. vào thời điển A, khi dòng điện đường dây qua trị số khong, điện áp của đường dây có giá trị lớn nhất, tiếp điểm phụ được tách ra, trên đường dây conòn điện áp không đổi. Phần gạch chéo bằng nét đậm là điện áp khôi phục giữa các tiếp điểm chính, còn phần gạch bằng nét đứt là điện áp xuất hiên trên tiếp điểm phụ của máy cắt 3/31/2014 Page 4
5. Nếu tăng trị só điện trở son R, điện áp phục hồi trên các tiếp điểm chính tăng nhưng lại làm giảm điện áp trên tiếp điểm phụ. Với R=(2,5-3)Xđv điện áp phục hồi ở cả hai giai đoạn đều gần như nhau. Nhưng tiếp điểm phụ cắt dòng điện bé hơn tiếp đioểm chính. Nên khoảng khe hở giữa các tiếp điểm phụ có điều kiên thuận lợi hơn để phục hồi cách điện. Vì vậy điện trở son tối ưu bằng 1,5 đến 2 lần Xđv. Với đường dây 200 km, điện trở này vào khoảng 3000-4000 . Trong thực tế người ta sử dụng điện trở R = 3000  Biện pháp hạn chế quá điện áp có hiệu quả khi đóng đường dây hoặc tự động đóng lại là điều khiển thời điểm đóng máy cắt. Trị số quá điện áp phụ thuộc vào thời điểm đóng cắt đã được xem xét ở phần đầu chương. Nó có trị số bé nhất nếu đóng máy cắt vào thời điểm điện áp trên tiếp điểm của nó bé nhất. Khả năng điều khiển thời điểm đóng máy cắt của các loại máy cắt cao áp phụ thuộc rất nhiều vào kết cấu của loại máy cắt, và một phần vào cơ cấu điều khiển 3/31/2014 Page 5
6. CHƯƠNG 11 : QUÁ ĐIỆN ÁP XÁC LẬP  T¨ng ®iÖn ¸p ë cuèi ®­êng d©y hë m¹ch Trong chế độ đồng bộ hoặc đột ngột sa thải phụ tải đường dây còn lại hở mạch được nối với nguồn sức điện động hình sin Đóng đường dây hở mạch vào nguồn sức điện động hình sin sơ đồ; đường cong điện áp; 1 - Xi=0; 2 - Xi=0,5Z; 3 - Xi=0 có xét đến ảnh hưởng vầng quang Do dòng điện ở cuối đường dây bằng 0, điện áp và dòng điện ở đầu đường dây liên hệ với điện áp ở đầu đường dây bởi biểu thức sau U (0) U (l)ch l Nếu bỏ qua vầng quang của dây dẫn ' ' U (l) ' ' ' ' ' R I (0) ch l  R jL jC j L C 1 Z jL l là hằng số lan truyền R’, L’, C’ là điện trở tác dụng, điện cảm và điện dung của một đơn vị chiều dài đường dây (thông thường tính cho 1 km chiều 3/31/2014 Page 6 dài).
7. đối với các đường dây trên không R’<<jL’ ' ' R ' R '  j L'C ' 1 j L'C ' 1 a lµ hÖ sè t¾t dÇn jL j2L =/c=1,05.10-3 là hệ số thay đổi pha R ' j L'C ' a j L' 2 C ' ' R ' jL' L' R ' Tổng trở sóng của đường dây Z bằng Z 1 ' ' L jC C j2 ' U (0) U (l) cos l Nếu sơ đồ đường dây cách xa điều kiện cộng hưởng thì điện trở R’ ít ảnh hưởng U (l) I (0) sin l đến tần số  của nguồn Z Tỉ số điện áp ở cuối đường dây và điện áp ở đầu đường dây được gọi là hệ số truyền tải U (l) 1 1 K U (0) chl chal cos l jsh al sin l 1 K Bởi vì : al<<1; chal 1; shal al nên a cos l j l sin l  3/31/2014 Page 7
8. đồ thị U(l) vào chiều dài đường dây l với giả thiết là U(0)=E Đường cong chỉ rõ tính chất cộng hưởng của đường dây 2 4l ' ' 4l 2 T1 4 L C l  1 c   Cộng hưởng xuất hiện khi l= /2. Với tần số f=50 Hz, cộng hưởng xuất hiện khi chiều dài đường dây bằng 1500 km tần số giao động riêng bằng tần số giao động của nguồn tính điện áp ở cuối đường dây cộng hưởng cần xét thêm điện trở R’ U (0) 2 U (0) U (l) Tổng trở đầu vào của đường dây hở mạch a R ' 1 U (l) cos l 2  Z Z jZctg l L' L'C ' dv jU (l) sin l 2 C ' 4 L' 4 U (0) QU (0) Với l< /2, chiều dài đường dây nhỏ hơn 1500 R ' km. tổng trỏư đầu vào mang tính chất dung 3/31/2014 Page 8
9. Đối với các đường dây ngắn điện áp đến 220 kV (đường dây ngắn l bé, cosl 1 ; sinl l) U (l) cos l Z L' 1 1 Z Z j j j dv ' ' jU (l) sin l l C  L'C ' l C l Có nghĩa là những đường dây ngắn có thể thay thế bằng các điện dung tập trung l 2 2 Các đường dây có chiều dài từ 200-300 km, cos l 1- sinl l do đó 1 l 2 L'l 1 Z jZ j Biểu thức này ứng với sơ đồ that thế hình T dv ' l 2 C l Chiều dài đường dây càng lớn, sai số của sơ đồ thay thế hình T càng lớn vì vậy phải dùng sơ đồ thay thế với các tham số phân bố rải của đường dây dài 3/31/2014 Page 9
10. Nếu nguồn có điện trở trong bằng Xi, điện áp tại đầu đường dây bằng jX jX U (0) E dv E dv jX i jX dv jX dv jX i Điện áp ở cuối đường dây bằng U (l) KU (0) đường cong quan hệ U(0) và U(l) phụ thuộc vào chiều dài đường dây được xây dựng với Xi=0,5Z (đường 2). Điểm cộng hưởng dịch chuyển về phía chiều dài đường dây ngắn hơn so với trường hợp Xi=0 bởi vì điện cảm của đường dây được bổ sung thêm điện cảm của nguồn Các đường cong tương tự có thể xây dựng với chiều dài đường dây không đổi nhưng điện cảm của nguồn thay đổi, tương ứng với các trường hợp khi thay đổi số lượng tổ máy phát của nhà máy Các đường cong và các phương trình trên đây cho thấy là trong trường hợp đường dây dài hở mạch nối với nguồn có điện trở trong Xi có thể làm tăng điện áp do dòng điện dung của đường dây đi qua điện cảm của nguồn U(0)>E và điện cảm của đường dây U(l)>U(0) 3/31/2014 Page 10
11. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điện dung được thể hiện rõ nhất với đối với các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn. Cộng hưởng là một trường hợp đặc biêt của hiệu ứng này. Cộng hưởng xuất hiện khi Xi=Xdv nghĩa là khi điện trở đầu vào của đường dây có tính chất dung bằng điện kháng của nguồn, tần số giao động của giao động riêng bằng của nguồn  ảnh hưởng của vầng quang Điện áp tăng cao trên đường dây có thể dẫn đến hiện tượng phóng điện vầng quang. Vầng quang xuất hiện được thể hiện trên sơ đồ thay thế đường dây bởi điện dẫn tác dụng G’ và điện dung phụ C’. Hai thông số này phụ thuộc vào điện áp U(x) của đường dây tại một điểm nào đó Vì tổn hao do vầng quang, đường cong điện áp có đỉnh thấp hơn so với trường hợp vầng quang không xuất hiện với đỉnh bằng từ (3-3,5)E, dịch chuyển về phía chiều dài đường dây ngắn do điện dung phụ tăng Trong các tính toán, trị số G’ và C’ có thể tính gần đúng bằng ' G U vq  1 '  C U C ' U  1 ' U 3/31/2014 Page 11  C vq
12. Uvq là điện áp xuất hiện vầng quang;  và  là các hệ số phụ thuộc vào số dây dẫn trong một pha, chúng giảm khi số lượng dây phân pha tăng : =0,7-0,35 và =0,22- 0,11 Đối với các đường dây độ dài không lớn lắm (300 - 600 km), điện áp dọc đường dây thay đổi không nhiều, G’ và C’ có thể coi là không đổi trên toàn bộ chiều dài đường dây, có nghĩa là có thể coi đường dây có vầng quang như một đường dây với điện dẫn và điện dung không đổi Hệ số lan truyền trong trường hợp này bằng vq là hệ số thay đổi pha của đường  R ' jL' G ' j C ' C '  dây có vầng quang C ' '   1 L' ' ' vq ' ' ' ' R G C j L C C 1 jL j C ' C ' Hệ số tắt dần bổ sung  G ' vq a a  j vq ' '  vq vq 2 C C 3/31/2014 Page 12
13. Từ các công thức trên ta xác định được quan hệ vq/avq=f(U/Uk) Quan hệ vq/avq với điện áp ứng với =0,7 ;=0,22 Điện áp ở cuối đường dây hở mạch nối với nguồn công sút vô cùng lớn có điện trở trong bằng không đạt giá trị cực đại khi kl= /2 nghĩa là với chiều dài đường dây l<1500 km và có thể tìm bằng cách giải kết hợp 2 phương trình 2 E U (l) a a vq phương trình thứ nhất tương tự biểu thức 11-9 dạng   vq phương trình thứ hai dưới dạng đồ thị như trên hình vẽ Điện áp U trên hình vẽ được hiếu là giá trị tính toán Utt=kU(l) 2  sin vq U U (l) 2 Ví dụ kl= /2; Utt=0,81U(l). tt  vq 2 3/31/2014 Page 13
14. Trình tự tính toán như sau cho trước các trị số khác nhau điện áp ở cuối đường dây U(l) theo điện áp xuất hiện vầng quang (phụ thuộc vào kết cấu dây dẫn) xác định tỉ số kU(l)/Uk tìm E ứng với mỗi trị số U(l) xây dựng đường cong quan hệ U(l)=f(E) và tìm U(l) theo giá trị của E Sau khi tìm được điện áp ở cuối đường dây có thể tính gia tăng điện dung thay U bằng Utt, tính được vq và chiều dài đường dây xuất hiện cộng hưởng 2 1 l  vq Trị số cực đại điện áp cộng hưởng trong sơ đồ chứa điện cảm của nguồn không khác nhiều so với trường hợp nguồn có điện trở trong bằng không. Trong trường hợp vầng quang, kết quả nhận được cho các đường cong ít nhọn hơn so khi không có vầng quang. Trị số đỉnh cực đại khi có vầng quang vào khoảng 3E và dịch chuyển về phía chiều dài đường dây bé do hiệu ứng điện dung gia tăng (đường 3) 3/31/2014 Page 14
15. Chính hiệu ứng điện dung là nguyên nhân tăng không nhiều điện áp trong vùng trước cộng hưởng. Mặc dù trong vùng cộng hưởng ảnh hưởng của vầng quang rất lớn nhưng nó không thể hạn chế quá điện áp đến giá trị an toàn cho cách điện. Còn trong vùng trước cộng hưởng thì vầng quang không tồn tại ngay cả ở điện áp gần mức cách điện của đường dây 3/31/2014 Page 15
16.  11.1.2. ảnh hưởng của kháng bù dọc Đường dây hở mạch là nguồn công suất phản kháng. Dòng điện dung ở phía đầu đường dây có thể đi qua cuộn dây của máy phát điện ở nhà máy điện có thể gây những hậu quả tai hại vì máy phát làm việc ở chế độ tiêu thụ công suất phản kháng trở nên kém ổn định hơn. Vì vậy ở thanh góp điện áp cao của nhà máy và các trạm biến áp xuất phát người ta thường đặt các kháng điện bù dọc; kháng điện ở thanh góp của hệ thống nhận điện về nguyên tắc ở chế độ bình thường là không cần thiết. ở đầu cuối hở mạch của các đường dây dài trung bình (đến 300-400 km), tổn thất điện áp dọc đường dây thường không lớn lắm và có thể hạn chế bằng láp đặt các kháng điện ở thanh góp của nhà máy. Trên các đường dây truyền tải có chiều dài lớn ở đầu đường dây tập trung khoảng 20-40% tổng công suất láp đặt của kháng điện. Phần còn lại được đặt tại một điểm hoặc một số điểm khác trên đường dây tại các trạm đóng cắt hoặc các trạm biến áp. Trong chế độ vận hành đầy tải, một phần hoặc toàn bộ kháng điện có thể được cắt ra. Cần xem xét vao trò của kháng điện trong chế độ đóng nguồn từ một phía, có thể xuất hiện do sự cố hoặc đóng cắt vậnh hành ví dụ như khi hoà đồng bộ. Sự khác biệt giữa chế độ sau sự cố và chế độ hoà đồng bộ là hoà đồng bộ được tiến hành trong điều kiện được chuẩn bị trước đảm bảo chế độ tối ưu điện áp (giảm kích thích máy phát, đặt tỉ số biến của máy biến áp bé nhất), trong khi đó chế độ sau sự cố thường là trước đó ở chế độ đầy tải, các kháng điện có thể được cắt ra. Còn kích từ của máy phát và tỉ số 3/31/2014 Pagebiến 16 của máy biến áp có thể có giá trị lớn nhất
17. a) Kháng điện đặt ở đầu đường dây Kháng điện đặt ở đầu đường dây không ảnh hưởng đến đặc điểm phân bố điện áp dọc đường dây và hệ số truyền tải nhưng làm tăng tổ trở đầu vào của đường dây vì nó bù một phần dòng điện dung của đường dây mà khi không có kháng di qua điện cảm trong của nguồn Tổng trở đầu vào của đường dây có kháng đặt ở đầu xác định theo biểu thức jZctg l jX p jZctg l Z dv với q=Z/Xp jX p jZctg l 1 qctg l Hệ số truyền tải K=1/cos(l). Nếu bù toàn bộ dòng điện dung của đường dây (mẫu số của phân số bằng không) cần công suất của kháng q=tgl. Trị số này rất lớn vì thế nên trong thực tế bù toàn phần dòng điện dung không được sử dụng 3/31/2014 Page 17
18. b) Kháng điện đặt ở cuối đường dây 1 K Kháng điện đặt ở cuối đường dây làm tăng hệ số truyền tải cos l 1 qtg l 1 sin nếu thay 1/q=Xp/Z=tg e K e cos l ctg e sin l sin l e ý nghĩa vật lý đơn giản có thể gắn cho biểu thức trên nếu tính tổng trở đầu vào của đường dây hở mạch với chiều dài sóng e bằng jZtg e.Khi này kháng điện có thể coi như đường dây ngắn mạch với điện kháng Xp và chiều dài sóng e,, còn toàn bộ đường dây với kháng điện ở cuối như là đường dây ngắn mạch với chiều dài sóng bằng l+ e sin  l x e  phân bố điện áp U(x) dọc theo đường dây U (x) U (0) sin l e x khoảng cách tính từ cuối đường dây Điện áp dọc theo đường dây có trị số lớn nhất tại điểm sin  l x e  1  l x / 2 e 1 U max U (0) sin l e 3/31/2014 Page 18
19. Điện áp ở đoạn phía đầu đường dây tăng cao có nghĩa là dòng điện dung đi qua đường dây giảm dần đến trị số không tại điểm ứng với Umax sau đó dòng điện trở thành dòng điện cảm do đó gây sụt áp trên đường dây Tổng trở đầu vào của đường dây khi đặt kháng ở cuối đưòng dây 1 qctg l Z jZctg l dv 1 qctg l có trị số lớn hơn so với trường hợp đặt kháng ở đầu đường dây, cho dù điều kiện bù toàn phần dòng điện dung trong cả hai trường hợp đều cần công suất của kháng như nhau công suất kháng để điện áp ở hai đầu đường dây bằng nhau (K=1) l sin e sin l e l e e e l q ctg tg 2 e 2 Trong trường hợp này, tổng trở đầu vào của đường dây bằng l l Z dv jZtg l jZctg 2 2 2 3/31/2014 Page 19
20. c) Kháng điện đặt ở giữa đường dây Nếu kháng đặt giữa đường dây, hệ số truyền tải nhỏ hơn trường hợp đặt kháng ở cuối đường dây 1 K qtg l cos l 1 2 Để có thể xây dựng được đường cong phân bố điện áp dọc theo đường dây cần xác định tổng trở đầu vào của đoạn đường dây hở mạch với kháng l ctg Z jZ 2 jX dv 2 l dv 2 1 qctg 2 Tổng trở đầu vào có thể xem như điện trở đầu vào của đường dây hở mạch hoặc đường dây ngắn mạch tuỳ thuộc vào dấu của nó X arctg dv 2 Z a) kháng công suất lớn; b) kháng công suất bé 3/31/2014 Page 20
21. Phân bố điện áp dọc đường dây ngắn mạch hay hở mạch với chiều dài sóng bằng l+ e tuân theo quy luật sin hoặc cosin Bằng các công thức trên có thể tính điện áp trên đường dây với kháng đặt tại một số vị trí khác nhau Xác định công suất kháng trong một số trường hợp biên khi đặt kháng tại đầu đường dây, cuối đường và ở giữa đường dây với mục đích để điện áp tại những điểm này có trị số bằng nhau. đặt ở cuối đoạn đường dây l2=l/2 sẽ đảm bảo điện áp Xl đặt kháng công suất q1 tg tại hai đầu của đoạn đường dây này bằng nhau và bù 4 toàn bộ dòng điện dung ở phía đầu của nó Trong trường hợp này đoạn đường dây l1=l/2 sẽ thể hiện như đường dây hở mạch Để điện áp ở hai đầu của đoạn này bằng nhau cần đặt thêm một kháng công suất Xl q tg 1 4 Xl tg 4 3/31/2014 Page 21
22. Như vậy, nếu công suất kháng đặt ở cuối đường dây bằng Xl còn ở giữa đường dây đặt kháng 2tg 4 thì điện áp tại đầu đường dây, giữa và cuối đường dây bằng nhau nhưng vượt quá sức điện động của nguồn vì dòng điện dung ở đầu đường dây không được bù hoàn toàn Xl Bằng cách đặt thêm một kháng công suất bằng q tg 1 4 sẽ đạt được bù hoàn toàn dòng điện dung, nghĩa là đảm bảo U(l)=U(l/2)=U(0)=E Điện áp lớn nhất sẽ tại điểm giữa của mỗi đoạn sE U max l cos 4 Với đường dây dài 1000 km, điện áp lớn nhất bằng 1,04E 3/31/2014 Page 22
23. d) Kết luận Khi phân bố các kháng dọc đường dây đều hơn, công suất cần thiết để bù hoàn toàn dòng điện dung của kháng sẽ giảm. Giới hạn công suất để bù dòng điện dung với n đoạn như sau l l 1 l q 2n tg 2n l C 'l  2n 2n  X p Z Bù toàn bộ dòng điện dung không phải là cần thiết theo điều kiện hoà đồng bộ nếu như kháng đặt ở thanh cái của hệ thống xuất phát (nhà máy điện) nối vào đường dây, còn hoà đồng bộ thì thực hiện tại thanh cái của hệ thống xuất phát với việc giữ điện áp trên thanh cái của hệ thống tiếp nhận điện áp gần bằng điện áp định mức. Kháng điện đặt trên đường dây ở chế độ tải thấp và điều kiện hoà đồng bộ không phải luôn luôn có thể đảm bảo hạn chế quá điện áp ở chế độ sau sự cố. Ví dụ khi vắt máy cắt 2 trên đường dây dài 1000 km, trong đó kháng được chọn theo điều kiện hoà đồng bộ tại máy cắt 1 3/31/2014 Page 23
24. Chế độ sau sự cố đường dây sau khi cắt máy cắt 2 Trị số điện áp lớn nhất ở cuối đường dây bằng 1,72E với Xi=0,25Z và bằng 2,1E với Xi=0,5Z. Các trị số điện áp này không cho phép vì trong trường hợp này các chống sét van sẽ tác động nhưng khó có thể dập tắt hồ quang và có thể kèo dài dẫn đến cắt máy cắt 1 Một số kháng điện bổ sung có thể được láp đặt qua khe hở phóng điện. Khi có kháng điện thì khả năng cộng hưởng ở tần số công nghiệp trên các đường dây chiều dài dưới 1500 km hầu như bị loại bỏ 3/31/2014 Page 24
25. 11.2. Quá điện áp xác lập khi ngắn mạch Khi xuất hiện ngắn mạch một pha trên đường dây quá điện áp xuất hiện trên các pha không sự cố nhỏ hơn 1,3Uph có thể cho phép do thời gian tồn tại ngắn của chế độ này Nhưng các máy cắt ở hai đầu đường dây, theo thường lệ cắt không đồng thời và trong khoảng thời gian ngắn khoảng 1 giây có thể tồn tại chế độ cung cấp nguồn từ một phía. Chế độ này có thể gây quá điện áp lớn trên các pha lành bởi vì ở điện áp càng cào hiệu ứng điện dung của đường dây càng lớn xuất hiện thêm tăng áp do tính chất không đối xứng của dạng ngắn mạch một pha Tính toán điện áp trong trường hợp ngắn mạch một pha có thể thực hiện bằng phương pháp các thành phần đối xứng Tại điểm ngắn mạch, ví dụ trên pha A nối nguồn điện áp -UA có trị số bằng nhưng ngược chiều với điện áp UA ở chế độ đối xứng. Ký hiệu là tổng trở thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không của đường dây tương đối so với điểm ngắn mạch. Dòng điện ngắn mạch một pha chạm đất (1) 3U A I NM Z 1 Z 2 Z 0 3/31/2014 Page 25
26. Dòng điện thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không trong trường hợp này bằng nhau (1) I NM U A I 1 I 2 I 0 3 Z 1 Z 2 Z 0 Điện áp mỗi pha đều có thể biểu diễn dưới dạng tổng của 4 thành phần sau thành phần điện áp của chế độ đói xứng trước khi ngắn mạch U A Z 1 U 1 I 1 Z 1 thành phần sự cố thứ tự thuận Z 1 Z 2 Z 0 U A Z 2 thành phần thứ tự nghịch U 2 I 2 Z 2 Z 1 Z 2 Z 0 U A Z 0 U 0 I 0 Z 0 thành phần thứ tự không Z 1 Z 2 Z 0 Đối với các điểm ngắn mạch ở xa thanh góp máy phát, tổng trở thứ tự thuận và thứ tự nghịch gần như nhau và có thể coi . Z 1 Z 2 Z 1 1 U 1 U 2 U A U A Ký hiệu 2Z 1 Z 0 m 2 Z 0 m U 0 U A U A 3/31/2014 Page 26 2Z 1 Z 0 m 2
27. minh hoạ đồ thị vec tơ trong trường hợp tổng trở của thứ tự thuậnh, thứ tự nghịch và thứ tự không có thể coi thuấn phản kháng và m>1 Trên pha A bị sự cố cả 3 thành phần điện áp U U 1 U 2 0 đều cùng chiều và tổng của chúng cho ta vec tơ U A nghĩa là tổng điện áp của pha A bằng không Trong hai pha không bị sự cố thành phần thứ tự không có chiều giống như trong pha bị sự cố, còn hai thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch lệch pha các góc 120o. Các vec tơ 2 U a U 2 a U 1 1 1 a U 2 cũng lệch pha tương đối các góc 120o do dó tổng của chúng là vec tơ nằm trên trục của vec tơ nhưng có chiều ngược lại (m>0). 3/31/2014 Page 27
28. U 0 U 2 Như vậy tổng hình học của các vec tơ U 1 và trên các pha không sự cố U m 1 m 1 2 U U 0 a U 1 aU 2 U 0 U 1 U A U A m 2 m 2 m 2 Từ đồ thị vectơ ta có 2 2 2 U 3 3m 3 U U A U U U B C A A 2 2 2 m 2 4 Lưới điện trung tính nối đất Các hệ thống có trung tính nối đất thường có 1<m<3 Giá trị trên của m đối với những điểm của lưới điện nằm xa nguồn, tổng trở thứ tự không và thứ tự thuận xác định chủ yếu bởi tổng trở của đường dây, còn tỉ lệ điện cảm thứ tự không và thứ tự thuận gần bằng 3 Nếu ta coi điện áp làm việc lớn nhất lớn hơn điện áp định mức từ 10-15% 2 điện áp trên pha không sự cố với m=3 U 3.3 3 U B U C 1,1  1.15 3 2 2 2 4 0,79  0,83 U 0,8U 3/31/2014 Page 28
29. Lưới điện trung tính cách điện Trong lưới trung tính cách điện có thể coi m . Khi đó điện áp lớn nhất trên pha không bị sự cố bằng 2 U 3.3 3 U B U C 1,1 1.15 3 2 2 2 4 0,79  0,83 U 0,8U Điện áp lớn nhất trên các pha không sự cố cho phép ta lựa chọn chống sét van. Trong lưới điện trung tính cách điện sử dụng loại chống sét van 110% nghĩa là được tính toán với điện áp dập hồ quang bằng 1,1U. Trong các lưới điện trung tính nối đất sử dụng loại chống sét van 80% nghĩa là được tính toán với điện áp dập hồ quang bằng 0,8U, điều này tạo ra khả năng giảm điện trở của các van chống sét và do đó giảm được điện áp dư của chống sét van. 3/31/2014 Page 29
30. với m Z 0 / Z 1 Tính toán ngắn mạch một pha trên đây 5 U/Uph cho phép xây dựng đường cong quan hệ r o =0 x điện áp của các pha không bị sự cố 1 4 không xét đến ảnh hưởng của điện trở tác dụng của đất. 3 r r 1 , 2 =0 x x 1 2 r o =1 2 x 1 1 Xo/X1 -6 -4 -2 0 2 4 6 Nếu tính ảnh hưởng của điện trở của đất cũng không làm thay đổi đáng kể dạng đường cong trên trừ vùng cộng hưởng (m -2). Giả thiết sự tăng áp cao ở đầu đường dây hở mạch do các máy cắt tác động không đồng thời xếp chồng lên sự tăng điện áp khi xảy ra ngắn mạch. Trong trường hợp này m xác định như là tỉ lệ tổng trở đầu vào so với điểm ngắn mạch ở cuối đường dây hở mạch được nối với nguồn có điện trở trong bằng không. Các tổng trở này nếu không tính đến tổn hao bằng : Z 1 jZtg l; Z 0 jZ otg ol; 3/31/2014 Page 30
31. Đối với đường dây siêu cao áp Zc=(2,02,4)Z, và o=(1,51,7) nghĩa là tổng trở sóng và chiều dài sóng của đường dây trong sơ đồ thứ tự không lớn hơn nhiều so với các thông số này trong sơ đồ thứ tự thuận. Nếu chiều dài đường dây lớn m bằng tỉ số điện cảm thứ tự không và điện cảm thứ tự thuận. Nếu chiều dài đường dây l>400 km, tăng nhanh hơn , còn với l= /2 tổng trở thứ tự không trở thành tính điện dung thay vì tính điện cảm Ví dụ với 0=1,6, chiều dài giới hạn đường dây trong đó ttổng trở thứ tự không vẫn còn mang tính điện cảm bằng : 1500 l 940 km 2 o 2.1,6 1,6 Tổng trở thứ tự thuận giữ nguyên tính điện cảm đến l=1500 km khi m gần tới -2, điện áp của các pha không bị sự cố có thể tăng rất cao do tính chất không đối xứng. Tuy nhiên trong thực tế điện áp này bị giới hạn bởi tổn hao. 3/31/2014 Page 31
32. Đường cong cộng hưởng U(l)=f(l) trong chế độ đói xứng (đường 1) khi ngắn mạch một pha A ở cuối đường dây cấp nguồn từ một phía (đường 2) Các đường cong này thu được bằng cách nhân toạ độ của đường cong 1 ở chế độ đối xứng với hệ số m có xét đến tổn hao. Ngoài điểm cực đại ứng với l=1500km do cộng hưởng trong chế độ đói xứng, còn một điểm cực đại khác l 1200 km do tính chất không đói xứng. 3/31/2014 Page 32
33. Láp đặt các kháng điện trên các dường dây l<1500 km sẽ làm cho Zo và Z1 so với điểm ngắn mạch có đặc tính điện cảm. Các kháng điện có ảnh hưởng lớn hơn đến tổng trở đầu vào thứ tự không hơn là đến Z1 vì trong sơ đồ thứ tự không điện cảm lớn hơn, còn điện dung lại bé hơn trong sơ đồ thứ tự thuận. Kháng đặt ở đầu đường dây có ảnh hưởng lớn hơn cả đến hệ số không đối xứng. Ngược lại với bù dọc, bù ngang bằng điện dung lại có ảnh hưởng bất lợi hơn đến hệ số không đối xứng. Các điện dung đấu nối tiếp với điện cảm thứ tự không ít ảnh hưởng đến Zo nhưng có thể làm giảm đáng kể Z1. Vì thế trong các sơ đồ có bù ngang do tính chất không đói xứng điện áp có thể tăng cao đặc biệt nếu ngắn mạch xảy ra ngay sau thiết bị bù. 3/31/2014 Page 33
34.  Céng h­ëng vµ céng h­ëng s¾t Khái niệm chung Hệ thống điện bao gồm các phần tử có khả năng tích luỹ năng lượng như điện cảm và điện dung. ở chế độ làm việc bình thường các mạch giao động này bị nối tắt bởi phụ tải nên giao động không thể phát sinh, nhưng khi có sự cố hoặc trong một số trường cụ thể phần mạch giao động được tách ra khỏi phụ tải, giao động xuất hiện và phát sinh quá điện áp Quá điện do hiện tượng cộng hưởng và cộng hưởng sắt từ xuất hiện khi đóng mạch có phụ tải dung lớn (đường dây cáp, đường dây có bù ngang) và có các phần tử điện cảm phi tuyến (máy biến áp, kháng ) Đối với mạng cao áp và siêu cao áp, tình trạng này xuất hiện trong các trường hợp sau một đường dây non tải, cấp nguồn hoặc nối với một máy biến áp có thể là nguyên nhân dẫn đến giao động và quá điện áp, nếu tần số tự nhiên của lưới với các phần tử tuyến tính trùng với một trong các sóng hài của nguồn cung cấp giao động và quá điện áp có thể xuất hiện trong lưới điện có bù dọc với các đường dây nối máy biến áp lực non tải hoặc nối với kháng điện khi các bộ lọc sóng hài nối với lưới gồm các phần tử có khả bão hoà, giao động do cộng hưởng giữa các phần tử này với bộ tụ lọc có thể xảy ra 3/31/2014 Page 34
35. Cộng hưởng sắt từ Đa số các điện cảm của hệ thống đều có lõi thép với đặc tính từ hoá không đường thẳng. Quá điện áp cộng hưởng sắt từ xuất hiện trong các hệ thống truyền tải do hiện tượng bão hoà mạch từ của máy điện và máy biến áp đặc tính điển hình của đường cong từ hoá của máy biến áp có công suất bằng công suất tự nhiên của đường dây và với dòng điện từ hoá bằng 2% dòng điện định mức của máy biến áp được minh hoạ Đặc tính từ hoá của máy biến áp 1 - quan hệ giữa biên độ điện áp và dòng điện từ hoá; 2- quan hệ giữa biên độ dòng điện và điện áp tần số chính ở điện áp định mức dòng điện từ hoà của máy biến áp không lớn hơn 2-4% dòng điện định mức của máy biến áp, nhưng tăng nhanh đến giá trị dòng điện định mức nếu điện áp 3/31/2014 Pagetưang 35 lớn hơn giá trị định mức
36. Trong trường hợp này sẽ xảy ra biến dạng dòng điện, tăng các sóng hài đến mức biên độ của dòng điện hài chính có thể bằng 50-70% biên độ của nó (đường cong 2). Dòng điện từ hoá không sin đi qua các phần tử của mạch tạo ra sụt áp không sin, nên trong các máy biến áp và tại các điểm của hệ thống truyền tải xuất hiện điện áp hài bậc cao Do dòng điện từ hoá của máy biến áp tăng khi bị bão hoà trong một số trường hợp làm hạn chế điện áp tần số công nghiệp Ví dụ trong các sơ đồ truyền tải đi xa máy biến áp ở chế độ bị bão hoà có thể xem xét như kháng điện phi tuyến, bù một phần dòng điện dung của đường dây Nhiều trường hợp xuất hiện quá điện áp cộng hưởng sắt từ có thể phân tích trên cơ sở sơ đồ đơn giản nhất trên gồm điện cảm phi tuyến và điện trở tác dụng nối vào nguồn điện áp xoay chiều sức điện động E 3/31/2014 Page 36
37. Cộng hưởng nối tiếp Đặc tính phi tuyến của biên độ dòng điện sóng hài chính với biên độ điện áp tần số công nghiệp thường được giải bằng phương pháp đồ thị 2 2 2 Phương trình chính của mạch vòng có dạng E U L U C IR I 2 2 U C I / C U  E IR L C Biểu thức trong dấu căn là đường elip có tâm là gốc toạ độ và hai trục bằng E (trục tung) và E/R (trục hoành) như mô tả trên hình sau 3/31/2014 Page 37
38. từ đó có phương pháp xác định điện áp trong mạch cộng hưởng sắt từ bằng đồ thị Cộng tung độ của elip này và đường thẳng I/C (tang của góc nghiêng của đường thẳng này tỉ lệ vởi tổng dung) cho kết quả vế phải của phương trình Nếu R = 0, hình elip sẽ trở thành hai đường thẳng song song Nếu điện trở R lớn, hệ thống chỉ còn một tình trạng cộng hưởng có tính chất điện cảm được thể hiện bằng các đường nét đứt Đặc biệt khi R lớn đường elip sẽ bị bóp dẹt (theo hướng thẳng đứng) và có thể không có quá điện áp Giao điểm của đường elip (và trường hợp riêng là hai đường thẳng) với đường đặc tính từ hoá của cuộn dây U(L)=f(I) (đặc tính vôn - ampe) đưa ra những trạng thái cân bằng có thể của sơ đồ 3/31/2014 Page 38
39. Theo đồ thị nếu điện dung lớn sẽ có 3 giao điểm của đặc tính vôn ampe với hai đường thẳng (điểm a, b, c), hai trong chúng ứng với tình trạng điện cảm (UL>UC, dòng điện chậm pha so với điện áp), còn giao điểm kia ứng với tính trạng điện dung. Tại điểm a, điện áp trên điện dung lớn hơn điện áp trên điện cảm, dòng điện vượt pha trước sức điện động nguồn Tại điểm b và c, điện áp trên điện cảm lớn hơn trên điện dung, dòng điện chậm pha so với sức điện động của nguồn, tức là mang tính chất điện cảm không phải tất cả các trạng thái đều ổn định. Kiểm tra ổn định có thể thực hiện bằng cách phân tích động thái của sơ đồ khi có biến động nhỏ của một tham số, trong trường hợp này là dòng điện. Trong chế độ ổn định hệ thống sau kích động nhỏ quay trở về trạng thái xuất phát. Nếu dòng điện tăng ít trong trạng thái ứng với điểm b , điện áp trên điện cảm tăng nhanh hơn điện áp trên điện dung, tổng của chúng không cân bằng với nguồn . Vì điện áp không cân bằng này trùng pha với điện áp trên điện dung nên dưới tác dụng của nó trong mach xuất , hiện dòng điện ngược pha với dòng điện cảm cơ bản và làm cho sơ đồ trở về trạng thái ban đầu. Trạng thái ứng với điểm b cũng là ổn định 3/31/2014 Page 39
40. Tình hình ở điểm a cũng xảy ra tương tự, chỉ khác ở chỗ là lúc này mạch có tính chất điện dung. Nếu dòng điện tăng lên rất ít, điện áp trên điện dung tăng nhiều hơn so với điện áp trên điện cảm. Bởi vì xuất hiện trạng thái không cân bằng điện áp hướng ngược dòng điện, xuất hiện dòng điện ngược hướng và sơ đồ sẽ trở về trạng thái ban đầu Còn ở trường hợp điểm c sẽ thấy là không ổn định. Dòng điện trong mạch tăng hay giảm sẽ dẫn đến quá trình quá độ về điểm a hay điểm b. Nếu dòng điện tăng, trạng thái không cân bằng điện áp khi bằng làm dòng điện tăng liên tục cho đến khi trở về đểm a Trong các trường hợp cộng hưởng đặc biệt, điện áp trên các cực của tụ điện và điện cảm có thể bù trừ lẫn nhau và mạch được gọi là cộng hưởng. Tần số n để cộng hưởng này xuất hiện xuất phát từ điều kiện 3/31/2014 Page 40
41. Phân loại chế độ cộng hưởng sắt Từ kinh nghiệm về dạng sóng xuất hiện trong lưới điện và bằng các thí nghiệm mô phóng trên mô hình thu nhỏ cho phép xếp các chế độ cộng hưởng sắt thành 4 loại. Phân loại này ứng với chế độ ổn định nghĩa là sau chế độ quá độ. Thực tế đối với một mạch cộng hưởng sắt rất khó phân biệt chế độ quá độ bình thường với quá độ sắt từ. Quá điện áp quá độ nguy hiểm có thể xuất hiện nhiều chu kỳ sau sự kiện ví dụ sau khi đóng cắt máy biến áp không tải). Bốn dạng cộng hưởng sắt là cộng hưởng tần số cơ bản (còn gọi là cộng hưởng tần số công nghiệp hay cộng hưởng điều hoà). cộng hưởng tần số thấp hoặc tần số cao cộng hưởng gần chu kỳ cộng hưởng tham số xuất hiên trong các mạch có tham số L hoặc C thay đổi. 3/31/2014 Page 41
42. Cộng hưởng cơ bản Điện áp và dòng điện là hàm tuần hoàn với chu kỳ T bằng chu kỳ của lưới và có thể chứa một nhiều hay ít sóng hài. Phổ tín hiệu là phổ vạch chưa tần số chủ yếu f0 của mạng và các sóng hài (2f0, 3f0 ). 3/31/2014 Page 42
43. Cộng hưởng tần số thấp Tín hiệu dạng tuần hoàn có chu kỳ nT là bội số của chu kỳ nguồn. Chế độ này gọi là sóng hài bậc thấp n hoặc hài 1/n. Cộng hưởng sắt tần số cao thường ở tần số 2, 5 ( tần số công nghiêp). Không có cộng hưởng tần số 3 vì chúng bị triệt tiêu trong cuộn dây nối tam giác của máy biến áp Cộng hưởng tần số thấp thường xảy ra ở tần số f0/3 (khoảng 17 Hz). Phổ của nó gồm tần số chính bằng f0/n (f0 là tần số nguồn, n là số nguyên) và các hài của nó 3/31/2014 Page 43
44. Cộng hưởng gần chu kỳ Chế độ này (còn gọi là chu kỳ giả) không tuần hoàn. Phổ của nó là phổ vạch trong đó tần số được biểu thị bởi dạng : nf1+mf2 (n và m là các số nguyên và f1/f2 là số thực vô tỷ). Hình ảnh hoạt nghiệm có dạng đường cong khép kín 3/31/2014 Page 44
45. Cộng hưởng tham số Phổ tương ứng có dạng liên tục, có nghĩa là nó không triệt tiêu với bầt kỳ tần số nào. Hình ảnh hoạt nghiệm bao gồm các điểm phân biệt tạo thành một mặt trong hệ toạ độ v, i Kết luận Hiện tượng cộng hưởng sắt là hiện tượng phức tạp đặc trưng bởi sự đa dạng các chế độ xác lập với mỗi một sơ đồ mạch nào đó Chỉ cần một sự thay đổi nhỏ các tham số của lưới hoặc chế độ quá độ có thể gây nên bước nhảy đột ngột giữa hai chế độ xác lập rất khác biệt và gây nên một trong bốn chế độ bền vững của loại cộng hưởng sắt; chế độ thường gặp nhất là chế độ cơ bản và chế độ hài bậc thấp. Cộng hưởng sắt xác lập được duy trì bởi năng lượng của nguồn điện áp lưới 3/31/2014 Page 45
46. Các trường hợp quá điện áp cộng hưởng sắt thường gặp Cộng hưởng sắt là hiện tượng cộng hưởng phi tuyến có thể tác động đến lưới điện. Tỉ lệ các sóng hài bất thường, quá điện áp hoặc quá dòng quá độ hoặc xác lập gây nên cộng hưởng thường rất nguy hiểm với thiết bị. Quá điện áp do cộng hưởng đặc biệt xảy ra khi mạch gồm đồng thời điện dung (chủ ý hay cộng sinh) và tự cảm của mạch từ bão hoà (ví dụ máy biến áp). Cộng hưởng này có thể xuất hiện khi thao tác (đóng hoặc cắt mạch) được thực hiện bằng các thiết bị đóng cắt có các cực riêng rẽ hoặc do hoạt động của chúng không đồng thời Sơ đồ mạch thể hiện trên hình vẽ gôm một điện cảm có lõi bão hoà L nối tiếp với điện dung C của lưới 1 Uc = f(i), UL = f(i) U L i f (i) C - đường thẳng với dốc 1 / C - đường cong bào hoà - đường cong thứ ba cho phép quan sát hai điểm làm việc (O và B) mà tại đó điện áp trên đầu tập LC bằng 0 và hai điểm làm việc xác lập khác M và 3/31/2014 Page 46 P
47. N là điểm cân bằng bất ổn định. Điện áp trên cực của L và C (điểm P) rất lớn. Chuyển tiếp từ điểm M về điểm P chỉ có thể do quá độ làm tăng đột ngột điện áp e đến giá trị lớn hơn E. Quá điện áp này, làm xuất hiện nguy cơ phóng điện cách điện và nguy hiểm cho thiết bị nối song song với C Cộng hưởng sắt, phụ thuộc vào L biến thiên có thể xuất hiện với dải tần tương đối rộng. Có thể chứng minh tương tự với trường hợp cộng hưởng song song. Trong trường hợp có phụ tải nối vào mạch nó sẽ đóng vai trò điện trở tắt dần, ngăn cản sự duy trì điều kiện cộng hường Vì số lượng các nguồn điện dung và điện cảm phi tuyến trong lưới điện thức là rất nhiều và sự đa dạng điều kiện vận hành, các kết cấu lưới có nguy cơ bị cộng hưởng sắt là không thể tính được. Kinh nghiệm cho phép phân loại những cấu hình điển hình dễ làm xuất hiện cộng hưởng sắt 3/31/2014 Page 47
48. Máy biến áp nối với nguồn có điện dung và các máy cắt mở Đối với lưới điện siêu cao áp, thao tác vận hành (ký hiệu máy cắt liên lạc hoặc phân đoạn thanh cái xảy ra sự cố trêmột phân đoạn thanh cái ) có thể gây ra cộng hưởng sắt của máy biến điện áp đo lường nối giữa pha và đất Các cấu hình khác nhau có thể thấy rõ trên hình sau Cắt máy cắt D gây nên hiện tượng khiến cho tụ điện C phóng điện qua biến điện áp, mà biến điện áp này có thể bão hoà. Nguồn cấp của máy biến điện áp qua tụ điện Cd (phân bố áp giữa các buồng dập hồ quang của máy cắt) sau đó sẽ duy trì hiện tượng cộng hưởng. Điện dung C biểu thị điện dung tổng của biến điện áp so với đất và của các dây nối. Cộng hưởng sắt là loại cộng hưởng tần số thấp 3/31/2014 Page 48
49. Máy biến điện áp nối trong mạng trung tính cách ly Chế độ này của điểm trung tính có thể được chọn, là do liên hệ nguồn dự phòng trung tính cách điện hoạc do sự cố chạm đất của hệ thống Quá điện áp hoặc quá dòng điện thoáng qua do thao tác trong lưới điện (mất tải, loại bỏ sự cố ) hoặc do sự cố chạm đất có thể gây hiện tượng bão hoà mạch từ của một hoặc hai biến điện áp của mạch cộng hưởng sắy song song hình vẽ Quá áp sắt máy biến điện áp nối giữa pha và đất trong mạng trung tính cách điện, Co : điện dung thứ tự không chế độ cộng hưởng sắt được thể hiện qua điện áp giữa pha và đất cũng như điện áp của điểm trung tính Điểm trung tính bị dịch chuyển và xuất hiện tăng áp của một hoặc hai pha so với đất Điều này cho ta cảm giác là sự cố hư hỏng cách điện bên trong lưới điện Trị số quá điện áp có thể vượt quá điện áp dây trong chế độ xác lập và gây phá huỷ cách điện và thiết bị. Theo trị số tương đối của độ tự cảm từ hoá của biến điện áp và của điện dung C0, cộng hưởng sắt có thể 3/31/2014là loạiPage chủ 49 yếu, loại hài bậc thấp hoặc gần tuần hoàn
50. Máy biến áp nối một hoặc hai pha Ví dụ mạng không cân bằng có nguy cơ xuất hiện cộng hưởng sắt Các cấu hình khác nhau của lưới xuất hiện khi máy biến áp không tải hoặc non tải cấp nguồn cho một pha hoặc hai pha sau khi cầu chì bị chảy trong mạng hạ áp hoặc trung áp Các điện dung là của đường dây hoặc đường cá cấp điện cho máy biến áp mà các cuộn dây sơ cấp đấu sao trung tính cách điện, trung tính nối đất hoặc đấu tam giác. Thí dụ, mạch giao động nối tiếp bao gồm đấu nối tiếp điện dung pha - đất (giữa máy cắt và máy biến áp) của pha bị hở và tổng trở mạch từ của máy biến áp. Chế độ cộng hưởng có thể laọi chủ yếu, hài bậc thấp hoặc hỗn độn Điện dung pha - pha và pha - đất, liên hệ giữa các cuộn dây sơ cấp, thứ cấp, cấu trúc của mạch từ (một pha, thông lượng tự do, hoặc thông lượng cưỡng bức), chế độ điểm trung tính (nối đất trực tiếp, cách điện hay nối đất qua tổng trở), phương pháp cấp nguồn (một pha hay hai pha) đều tham gia vào việc thiết lập một chế độ nào đó. Hiện tượng xảy ra khi trung tính sơ cấp cách điện. Để tránh nguy hiểm, cần sử dụng thiết bị đóng cắt đa cực 3/31/2014 Page 50
51. Máy biến điện áp và máy biến áp có trung tính cách điện Hiện tương xảy ra khi trung tính cao áp và trung áp của biến áp đều cách điện và khi biến điện áp đấu nối vào phía trung áp giữa pha và đất và không có tải Khi có sự cố chạm đất trước máy biến áp của trạm, trung tính của phía cao áp tưang đến thế cao Theo hiệu ứng điện dung giữa sơ cấp và thứ cấp, quá điện áp xuất hiện ở phía trung áp và có thể gây hiện tượng cộng hưởng sắt của mạch gồm nguồn điện áp E0, các điện dung Ce et C0 và điện cảm mạch từ của máy biến điện áp Sau khi sự cố được khắc phục, điện áp trung tính phía cao áp do không cân bằng tự nhiên của mạng, có thể đủ để duy trì hiện tượng. Cộng hưởng thuộc loại cơ bản Cộng hưởng sắt máy biến điện áp nối giữa pha và đất với máy biến áp trung tính cách ly 3/31/2014 Page 51
52. Mạng trung tính có điện cảm Hai kết cấu trình bày cộng hưởng sắt giữa điện cảm nối giữa trung tính và đất với các điện dung pha đất của lưới điện Trong trường hợp mạng hạ áp trung tính cách điện, tiêu chuẩn IEC cần kiểm tra cách điện thường xuyên. Một số thiết bị giám sát cách điện bằng đo tổng trở cách điện bằng cách bơm một điện áp một chiều vào mạng điện và đất. Chúng thể hiện một tổng trở trong chủ yếu là điện kháng (tổng trở bé ở điện áp một chiều và rất lớn ở điện áp xoay chiều tần số mạng). Chúng có thể đóng góp vào cộng hưởng sắt. Quá điện áp xuất hiện làm tăng thế của điểm trung tính để gây ra hiện tượng cộng hưởng sắt giữa điện cảm của CPI và điện dung pha - đất 3/31/2014 Page 52
53. Trong mạng trung áp để hạn chế dòng điện sự cố chạm đất và tạo điều kiện thuận lợi để tự dập tắt, một cuộn cảm L (3 L C0 02 = 1 trong đó C0 là điện dung thứ tự không của mạng trung áp và o là tần số của mạng) được nối giữa điểm trung tính mạng trung áp của máy biến áp (cuộn Petersen). Có thể xảy ra kích động và bắt đầu cộng hưởng của mạch gồm nối tiếp 3C0 trong các trường hợp sau trung tính máy biến áp nối đất phía cao áp và dòng điện sự cố phía cao áp vào hệ thống nối đất của trạm nguồn trong trường hợp sự cố bão hoà mạch từ máy biến áp không đối xứng của máy biến áp không đối xứng tự nhiên các điện dung pha đất (C1, C2, C3). Đó chính là những yếu tố có thể gây bão hoà cuộn cảm và kích thích hoặc duy trì cộng hưởng sắt 3/31/2014 Page 53
54. Máy biến áp nối với mạng điện dung lớn nhưng công suất ngắn mạch bé Hiện tương cộng hưởng sắt có thể xuất hiện khi máy biến áp lực không tải được đóng đột ngột vào nguồn công suất ngắn mạch không lớn so với công suất định mức của máy biến áp qua một đoạn cáp hoặc một đường dây dài Đó là trường hợp vận hành mạng trung áp đô thị hoặc mạng công nghiệp và cũng có thể là mạng nông thôn rất dài trong đó tỉ lệ đường cáp tăng. Cộng hưởng sắt song song này (điện dung song song với điện cảm máy biến áp) thuộc loại 3 pha tần số chính hoặc loại gần tuần hoàn 3/31/2014 Page 54
55. Tóm tắt Các cấu hình lưới điện thường xuyên bị nguy cơ cộng hưởng sắt trong các mạng điện là khó có thể kể hết. Dạng cộng hưởng sắt cũng rất đa dạng: một pha, ba pha, chung hoặc riêng biệt. Kinh nghiệm cho phép xác định một số cấu hình có nguy cơ đặc biệt cao như biến điện áp pha đất trong mạng trung tính cách điện dây nối dài hoặc mang tính điện dung máy biến áp, bảo vệ bằng cầu chì khi làm việc sẽ gây cắt điện không đồng pha máy biến áp lực hoặc máy biến điện áp không tải hoặc non tải Hiện tượng nhạy cảm với phát sinh cộng hưởng sắt là thao tác điện dung và đường dây không tải; hư hỏng cách điện; sét; đóng cắt máy biến áp không tải 3/31/2014 Page 55
56.  Qu¸ ®iÖn ¸p tÇn sè c«ng nghiÖp trong chÕ ®é kh«ng ®ñ pha Sơ đồ thực tế có thể gặp loại quá điện áp cộng hưởng sắt từ khi đứt dây pha trong mạch trung tính cách điện : a) sơ đồ 3 pha; b) b) chuyển đổi sang sơ đồ một sợi Nguồn có công suất vô cùng lớn (tổng trở trong bằng không) cung cấp điện cho một máy biến áp non tải trung tính cách điện Khi xảy ra đứt một dây pha chạm đất sẽ xuất hiện điều kiện phát sinh quá điện áp cộng hưởng Trên sơ đồ thể hiện ' ' điện dung của các pha đối với đất trước và sau điểm đứt dây chạm đất C 0 .l1 C 0 .l và tương ứng điện dung giữa các pha ' C ph .l1 C '.l 3/31/2014 Page 56
57. Biến đổi sơ đồ 3 pha thành sơ đồ tương đương một pha trong đó sức điện động và tổng trở tương đương có thể xác định như sau E B Y B E C Y C E B E C E BC Y B Y C 2 Z B Z C Z Z BC Z B Z C 2 E E E E B C 1,5E Nếu tính sức điện động của pha bị sự cố, sức điện e A 2 A Z động và tổng trở tương đương trong sơ đồ một sợi Z Z e A 2 xem xét đường đi của dòng điện. Dòng điện từ nguồn đi qua điện cảm phức hợp song song của máy biến áp của các pha không bị sự cố (L/2) và điện cảm L cùng điện dung của pha bị sự cố. Điện cảm tương đương của máy biến áp song song với điện dung giữa các pha bị sự cố với pha không bị sự cố. Điện dung của pha không bị sự cố không tính vì chúng được nối song song với nguồn 3/31/2014 Page 57
58. Có thể biến đổi sơ đồ trên thành sơ đồ giao động phi tuyến giản đơn bằng mạng hai cửa C ' E ' E 0 e e ' ' C 0 2C ph ' ' ' C e C 0 2C ph l Có thể xác định điện áp trên điện dung bằng phương pháp đồ thị ' Đường thẳng 1 điện dung giữa các pha C ph 0 ' điện dung giữa các pha làm giảm sức điện động tương đương Ee I / C E đồng thời nó còn làm giảm góc nghiêng (độ dốc) của đương thẳng e Đường thẳng này với bất kỳ giá trị nào của đều cắt trục hoành tại các điểm C ' E ' C ' E 0  C ' 2C ' l E C ' l e e e ' ' 0 ph e 0 C 0 2C ph Nh- vËy sù tån t¹i cña ®iÖn dung gi÷a c¸c pha lµm t¨ng qu¸ ®iÖn ¸p v× ®iÖn ¸p UC t¨ng (®-êng th¼ng 1 vµ 2 trªn h×nh vÏ). 3/31/2014 Page 58
59.  ¶nh h­ëng sù b·o hµo cña m¸y biÕn ¸p ®Õn t¨ng ®iÖn ¸p trong m¹ng trung tÝnh nèi ®Êt. Trong một số trường hợp, bão hoà mạch từ của máy biến ở chế dộ đối xứng có khả năng làm giảm trị số quá điện áp Trước hết trị số quá điện áp giảm do hiệu ứng điện dung Điện áp do hiệu ứng điện dung khi xảy ra bão hoà mạch từ có thể tính toán dựa trên sơ đồ tương đương Xi lµ ®iÖn kh¸ng cña nguån cÊp (®iÖn kh¸ng m¸y ph¸t vµ ®iÖn kh¸ng cuén d©y m¸y biÕn ¸p Zbx tæng trë ®Çu vµo cña ®-êng d©y cã xÐt ®Õn thiÕt bÞ bï Ee ®iÖn ¸p ë ®Çu ®-êng d©y khi kh«ng cã x¶y ra b·o hoµ tõ cña m¸y biÕn ¸p. 3/31/2014 PageZe 59tæng trë ®Çu vµo so víi ®Çu ®-êng d©y t¹o bëi m¹ch song song ®iÖn kh¸ng cña nguån
60. X bx E e E X bx X i X i X bx Z e jX e X i X bx Ký hiệu U1 và I1 là các thành phần hài cơ bản của điện áp và dòng điện của mạch từ hoá của máy biến áp mà quan hệ giữa chúng (đặc tính vôn - ampe) được cho dưới dạng đồ thị Điện áp trên điện cảm khi không xét đến tổn hao U 1 E e I 1 X e Điện áp này có thể xác định bằng phương pháp đồ thị bởi giao điểm giữa đường đặc tính vôn ampe U1=f(I1) với đường thẳng xác định bởi vế phải của phương trình. Đường này phải đi qua các điểm đặc trưng : trị số Ee trên trục tung E E e X e X i trên trục hoành Giả thiết trị số Ee1 ứng với một chế độ xác định nào đó (đường 1). Trong các điều kiện khác của đường dây, ví dụ thay đổi số lượng các kháng điện , Ee thay đổi (trị số Ee2 đường 2) nhưng hoành độ E/Xi vẫn giữ nguyên giá trị. Còn nếu như các điều kiện của đường dây không thay đổi nhứng Xi thay đổi (ví dụ giảm số tổ máy phát) làm tăng Xi và điểm E/Xi gần đến gốc toạ độ. Theo đồ thị thấy rằng việc hạn chế điện áp do bão hoà từ càng rõ nét nếu 3/31/2014 EePage càng 60 lớn, nghĩa là điện áp tại điểm xem xét và tổng trở Ze càng lớn
61. Trong ®iÒu kiÖn céng h-ëng s¾t c¶ Ee vµ Xe ®Òu t¨ng ®Õn v« cïng (bá qua tæn hao), ®-êng xiªn gãc trë thµnh th¼ng ®øng (®-êng 3). Xe thay ®æi dÊu (Ze trë thµnh dung kh¸ng). S¬ ®å thay thÕ trë thµnh m¹ch giao ®éng víi søc ®iÖn ®éng t-¬ng ®-¬ng E"e, do vËy ë chç chØ cã mét ®-êng th¼ng ta vÏ hai ®-êng 4 vµ 4" qua hai ®iÓm E" hay mét h×nh elip. Tuy nhiªn tr-êng hîp t-¬ng tù kh«ng thùc tÕ ®èi víi ®-êng d©y cã bï , bëi v× sù cã mÆt cña c¸c kh¸ng ®iÖn trªn ®-êng d©y dµi lo¹i bá kh¶ n¨ng xuÊt hiÖn céng h-ëng trong chÕ ®é ®èi xøng. Trong c¸c s¬ ®å thùc tæng trë ®Çu vµo so víi m¹ch tõ ho¸ cña m¸y biÕn ¸p mang tÝnh chÊt ®iÖn c¶m, do vËy khi m¸y biÕn ¸p bÞ b·o hoµ tõ sÏ lµm gi¶m biªn ®é qu¸ ®iÖn ¸p x¸c lËp. 3/31/2014 Page 61
62.  Sãng hµi trong truyÒn t¶i ®iÖn. 3/31/2014 Page 62
63.  Ph­¬ng ph¸p b¶o vÖ chèng qu¸ ®iÖn ¸p céng h­ëng s¾t Tránh hoặc làm suy yếu cộng hưởng sắt Các biện pháp thực tế cho phép bảo vệ chống cộng hưởng sắt mà hậu quả là quá điện áp, quá dòng điện và các biến dạng tín hiệu gây nên những ứng suất nhiệt và điện môi, trong nhiều trường hợp gây nguy hiểm cho các thiết bị điện (phá huỷ, suy giảm tính năng cách điện, giảm tuổi thọ ). Các phương pháp tiện lợi được dựa trên các nguyên tắc sau : khi thiết kế hoặc khi thao tác cần tránh rơi vào cấu hình có nguy cơ bị cộng hưởng sắt. Điều này có thể thực hiện bằng cách ngăn cấm một số sơ đồ vận hành hoặc một số thao tác trong mạng hoặc một số thiết bị cần tránh để các tham số của lưới nằm trong vùng nguy hiểm (thậm chí nhất thời) và nếu có thể tạo một hành lang an toàn đối với vùng nguy hiểm đảm bảo rằng năng lượng của nguồn không đủ để duy trì hiện tượng cộng hưởng. Kỹ thuật này nói chung là ở chỗ đưa thêm tổn thất để khi xảy ra cộng hưởng sắt sẽ làm suy yếu nó Tiêu chuẩn 71 IEC nói rõ hơn là quá điện áp tạm thời do cộng hưởng sắt "cần phải tránh và hạn chế" (bằng một trong các biện pháp sau : "chúng cần phải được xem như là cơ sở để chọn điện áp định mức của chống sét van hoặc để thiết kế kết cấu cách điện trừ khi các biện pháp này không đủ. Điều này có nghĩa là phối hợp cách điện không quan tâm nhiều lắm quá điện áp gây bởi cộng hưởng sắt và do đó chống sét van (mà 3/31/2014 Page 63 điện áp dư có trị số cao hơn quá điện áp cộng hưởng sắt) về nguyên tắc không được xem
64. Giải pháp thực tế ViÖc ¸p dông c¸c nguyªn t¨c trªn ®©y ®· ®-a ®Õn c¸c gi¶i ph¸p thùc tÕ, mét sè trong sè ®ã ®-îc tr×nh bµy d-íi ®©y trong c¸c tr-êng hîp ®iÓn h×nh cã thÓ xuÊt hiÖn céng h-ëng s¾t. trong c¸c m¸y biÕn ®iÖn ¸p vµ m¸y biÕn ®iÖn ¸p kiÓu ®iÖn dung cã thiÕt kÕ tèt, c¸c c¸ch bè trÝ cÇn thiÕt ®-îc ¸p dông ®Ó trung hoµ hiÖn t-îng. Tr-êng hîp m¸y biÕn dßng (chØ cã mét ®Çu cao ¸p c¸ch ly) nèi gi÷a pha - ®Êt trong m¹ng trung tÝnh c¸ch ®iÖn ®-îc xem lµ tr-êng hîp dÔ g©y hiÖn t-îng céng h-ëng s¾t (do qu¸ ®iÖn ¸p trªn c¸c pha kh«ng sù cè khi x¶y ra h- háng c¸ch ®iÖn mét pha). CÇn cã thiÕt bÞ b¶o vÖ chèng céng h-ëng. tr-êng hîp hai biÕn ®iÖn ¸p (hai ®Çu cao ¸p c¸ch ®iÖn) nèi víi d©y pha còng cã thÓ lµ nguyªn nh©n g©y céng h-ëng s¾t khi mét trong hai m¸y biÕn ®iÖn ¸p trë thµnh ®-îc cung cÊp nguån chØ bëi mét pha. VÝ dô khi lµm viÖc d-íi t¶i do thao t¸c kh«ng ®ång thêi. 3/31/2014 Page 64