Giáo trình điện - Chương 11: M.B.A làm việc với tải không đối xứng và quá trình quá độ trong M.B.A doc

Đại cương M.b.a làm việc không đối xứng khi tải phân phối không đều cho các pha, ví dụ: một pha cung cấp cho lò điện do đó tải nặng hơn pha kia hoặc khi xảy ra ngắn mạch không đối xứng

Chương 11

M.b.a làm việc với tải không đối xứng

Và quá trình quá độ trong m.b.a

11-1 Đại cương

M.b.a làm việc không đối xứng khi tải phân phối không đều cho các pha, ví dụ: một pha cung cấp cho lò điện do đó tải nặng hơn pha kia hoặc khi xảy ra ngắn mạch không đối xứng (ngắn mạch hai pha, ngắn mạch một pha, ) Dòng điện ở các pha không cân bằng nhau gây ảnh hưởng xấu đến tình trạng làm việc bình thường của m.b.a như: điện áp dây và pha sẽ không đối xứng, tổn hao phụ trong dây quấn và lõi thép tăng lên, độ chênh nhiệt độ của máy vượt quá quy định

Để nghiên cứu tình trạng làm việc không đối xứng của m.b.a, ta dùng phương pháp phân lượng đối xứng Hệ thống dòng điện ba pha không đối xứng Ia, Ib, Ic được phân tích thành ba hệ thống dòng điện đối xứng: thứ tự thuận Ia1, Ib1, Ic1; thứ tự ngược Ia2, Ib2,

Ic2 và thứ tự không Ia0, Ib0, Ic0 Quan hệ giữa chúng như sau:

2 2 1 2

0 1 1

1 1 1

a a a

c b a

I a a

I a a

I

I I

I

= (11-1)

và

c b a

a a a

I a a

I a a

I

I I I

2 2

2 1

1 1 1 3

1

= (11-2)

trong đó: 1200 2 2400 và 1 + a + a

j

e a e

Khi tải của m.b.a không đối xứng, bao giờ ta cũng có thể phân tích thành các phân lượng thứ tự thuận, thứ tự ngược và thứ tự không Riêng phân lượng thứ tự không trong

ba pha do có trị số bằng nhau và trùng pha về thời gian nên chỉ tồn tại khi dây quấn nối

Υ0 hoặc ∆

Cần chú ý rằng, phương pháp phân lượng đối xứng dựa trên cơ sở của nguyên lý xếp chồng Để ứng dụng được nguyên lý đó, ta giả thiết rằng mạch từ của m.b.a không bão hoà (à = Cte) Ngoài ra khi phân tích ta xem như đã qui đổi các lượng thứ cấp về phía sơ cấp (để đơn giản ta bỏ qua dấu phẩy)

Quá trình quá độ trong m.b.a xảy ra khi có sự thay đổi đột ngột trong chế độ làm việc của máy, ví dụ như khi thao tác đóng máy vào nguồn, khi tải thay đổi hoặc khi xảy ra ngắn mạch Trong thời gian rất ngắn của quá trình quá độ có thể xuất hiện dòng điện rất lớn hoặc điện áp rất cao làm hỏng dây quấn của m.b.a, vì vậy cần được phân tích và chú ý khi thiết kế cũng như khi vận hành Trong chương này chúng ta sẽ phân tích hai hiện tượng chính: hiện tượng quá dòng điện và hiện tượng quá điện áp

11-2 Mạch điện thay thế và tổng trở của m.b.a đối với các thành phần đối xứng

Hệ thống dòng điện thứ tự thuận chính là hệ thống dòng điện đối xứng mà mạch

điện thay thế và các tham số của m.b.a đối với hệ thống dòng điện này ta đã xét ở chương 10

Hệ thống dòng điện thứ tự ngược trong m.b.a cũng có tác dụng hoàn toàn giống như hệ thống dòng điện thứ tự thuận bởi vì nếu đem đảo hai trong ba pha phía sơ cấp (thí dụ B và C) và phía thứ cấp (thí dụ b và c) thì hiện tượng trong m.b.a không có gì thay đổi Vì vậy mạch điện thay thế và tham số của m.b.a đối với hệ thống dòng điện thứ tự ngược không có gì khác so với hệ thống dòng điện thứ tự thuận

Hệ thống dòng điện thứ tự không ở ba pha sinh ra trong m.b.a các từ thông thứ tự không Φto trùng pha nhau về thời gian Trong tổ m.b.a ba pha, từ thông Φto khép mạch trong lõi thép Do từ trở của lõi thép nhỏ nên ngay khi Iao = Ibo = Ico nhỏ cũng có thể sinh ra được Φto lớn Trong m.b.a ba pha ba trụ, từ thông Φto phải khép mạch qua vách thùng và dầu m.b.a, ở đó có từ trở lớn nên từ thông Φto nhỏ hơn (hình 9-29b)

Từ thông Φto và Iao cũng sinh ra trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp các s.đ.đ tự cảm và hỗ cảm, và ta cũng có thể thành lập được mạch điện thay thế hình T tương tự như đối với trường hợp dòng điện thứ tự thuận Ta hãy xét những trường hợp có dòng

điện thứ tự không: khi m.b.a có tổ nối dây quấn Yo/Yo, Yo/∆ và Y/Yo như ở hình 11-1

3I ao

I Bo

A

I Ao

I Co

I ao

I bo

I co

3I Ao

B

C

a

b

c

Z1 Z2

Zmo

I ao

I Ao

I mo

-U ao

U Ao

Z n

I Ao = - I ao -U

ao

U Ao

a)

ao

I Ao

I Co

I co

B

C

a b c

U Ao

Zmo

I ao

I Ao

I mo

Zn

I Ao

U Ao

b)

I bo

I co

A B C

a

b

c

Z1 Z2

I ao -U ao

Zmo

I mo

I ao

-U ao

Z 2 + Z mo

c) Hình 11-1 Các mạch điện thay thế của m.b.a đối với thành phần thứ tự không

Khi m.b.a nối Yo/Yo hoặc Yo/∆, dòng điện thứ tự không tồn tại trong cả dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp, nên dạng mạch điện thay thế của m.b.a đối với phân lượng thứ tự không không có gì khác với dạng mạch điện thay thế của phân lượng thứ tự

thuận (hình 11-1a và b) Cần chú ý rằng, khi m.b.a đấu Yo/∆ thì dòng điện thứ tự không phía thứ cấp không chạy ra ngoài nên mạch điện thay thế bị nối tắt ở phía thứ cấp Nếu m.b.a đấu Y/Yo, do phía nối Y không có dây trung tính, dòng điện thứ tự không không tồn tại, nên phía đó được xem như hở mạch (hình 11-1c)

Trong các mạch điện thay thế của m.b.a đối với phân lượng thứ tự không trình bày trên hình 11-1, các tổng trở Z1 = r1 + jx1 và Z2 = r2 + jx2 không có gì khác với các tổng trở tương ứng của phân lượng thứ tự thuận và ngược Tổng trở từ hoá của phân lượng thứ tự không zmo có trị số phụ thuộc vào cấu tạo của mạch từ Nếu là tổ m.b.a ba pha thì

zmo = zm Nếu là m.b.a ba pha ba trụ thì do Φto khép mạch qua dầu và vách thùng dầu nên zmo nhỏ hơn, thường zmo = (7 ữ 15)zn

Tương tự như các phân lượng thứ tự thuận và ngược, s.đ.đ thứ tự không Eto do từ thông Φto sinh ra có thể được biểu thị như sau:

E&to = ưZ mo I&mo (11-3)

Trên hình 11-1 cũng trình bày các mạch điện thay thế đơn giản hoá ở các trường hợp đấu Yo/Yo và Yo/∆, dòng điện thứ tự không tồn tại ở cả hai phía sơ cấp và thứ cấp

và gần bằng nhau (I&Ao = ưI&ao), nên dòng từ hoá thứ tự không Imo cần thiết để sinh ra từ thông Φto rất nhỏ, vì vậy có thể bỏ qua nhánh từ hoá và ta có Zn = Z1 + Z2

Từ những mạch điện thay thế ở hình 11-1 ta thấy: tổng trở thứ tự không của m.b.a

Zto (có được khi đo ở một phía với điều kiện dây quấn phía kia nối ngắn mạch) có trị số giới hạn giữa tổng trở ngắn mạch Zn và tổng trở không tải Zo

Trị số Zto có thể xác định được bằng thí nghiệm theo sơ đồ như ở hình 11-2 Với sơ

đồ đó ta có Ia = Ib = Ic = Ito Nếu phía thứ cấp không có dòng điện thứ tự không thì cầu dao T mở, ngược lại nếu có dòng điện thứ tự không thì cầu dao đóng mạch

Theo số liệu U, I và P đo được, ta có:

T

V

I P I t0

I

U

z to

3

= (11-4)

2

3I

P

r to = (11-5)

x to = z to2 ưr to2 (11-6)

Hình 11-2 Sơ đồ nối dây xác định tổng trở thứ tự không của m.b.a

11-3 Tải không đối xứng của m.b.a

11.3.1 Khi có dòng điện thứ tự không

a Trường hợp dây quấn nối Y/Y o

Với tổ nối dây này, khi tải không đối xứng ta có:

I&A +I&B +I&C = 0 (11-7)

I&a +I&b +I&c = I&d (11-8)

Phân tích các dòng điện pha sơ cấp và thứ cấp thành các phân lượng đối xứng ta thấy rằng, các dòng điện thứ tự thuận và ngược của sơ cấp và thứ cấp cân bằng nhau Các dòng điện từ hoá thứ tự thuận và ngược Im1 và Im2 của các pha sẽ sinh ra các s.đ.đ

EA, EB, EC Riêng dòng thứ tự không (

3

d co bo ao

I I I

I = = = ) tồn tại ở phía thứ cấp không

được cân bằng (vì IAo = IBo = ICo = 0) nên sẽ sinh ra Φto và s.đ.đ thứ tự không Emo tương

đối lớn

Như vậy, các phương trình cân bằng điện áp phía sơ cấp sẽ như sau:

U (11-9)

0 1

0 1

0 1

m C C

C

m B B

B

m A A

A

E E Z I U

E E Z I

E E Z I U

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

ư

ư

=

ư

ư

=

ư

ư

=

&

&

&

&

U U U

&

&

&

&

&

&

&

&

&

ư

=

ư

=

ư

=

Vì I&A +I&B +I&C = 0 và E&A +E&B +E&C =0 nên ta suy ra được:

U A U B U C 3E m0 3I m0Z m0 (11-10)

Mặt khác khi dây quấn sơ cấp đấu Y, ta có:

U (11-11)

A C CA

C B BC

B A AB

U U U

U U

Từ các biểu thức (11-10) và (11-11) ta tìm được các điện áp pha sơ cấp:

,

A

U&

,

C

U&

B

U&

,

B

U&

C

U&

A

U& I&a0Z m

A

0 0 , 0 0

0 0 , 0 0

0 0 , 0 0

) ) )

m c C m c BC CA

m b B m b AB BC

m a A m a CA AB

Z I U Z I U U

Z I U Z I U U

(

3

1

(

3

1

(

3

1

C

B

A

U

Z I U Z I U U

U

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

+

= +

ư

=

+

= +

ư

=

+

= +

ư

=

Đồ thị véctơ tương ứng với hệ phương trình

(11-12) được biểu thị như ở hình 11-3 Ta thấy

rằng, ảnh hưởng của dòng điện thứ tự không làm

cho điểm trung tính của điện áp sơ cấp bị lệch đi

một khoảng bằng Ia0zm0

Các phương trình điện áp thứ cấp sẽ có dạng:

B C

Hình 11-3 Điện áp không đối xứng

do điểm trung tính bị xê dịch

2 0 2 1 1 2 1 0 0 ,

2 1

) (

)

Z I U

Z I Z I U U

a a a A

A m a A

a A A a

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

+ + + +

ư +

=

+

ư

=

ư

Vì I&A1 = ưI&a1;I&A2 = ưI&a2 và Zm0 + Z2 = Zt0, nên:

t a n A A

U& = & ư & + &

ư

Cũng tương tự như vậy:

(11-14)

0 0 ,

0 0 ,

t c n C C c

t b n B B b

Z I Z I U U

Z I Z I U U

&

&

&

&

&

&

&

&

+

ư

=

ư

+

ư

=

ư

Các phương trình (11-14) chứng tỏ rằng, do có dòng điện thứ tự không, điểm trung

tính của điện áp thứ cấp bị lệch đi một khoảng I a0 Z t0 lớn hơn so với khoảng lệch của

điện áp sơ cấp Ia0 Z m0 Thực ra sự khác nhau đó không đáng kể vì Zm0 ≈ Zt0

Sự xê dịch điểm trung tính làm cho điện áp pha không đối xứng, gây bất lợi cho các tải làm việc với điện áp pha như đèn điện Để hạn chế sự xê dịch điểm trung tính người ta qui định dòng điện trong dây trung tính Id < 25%Iđm Ngoài ra tổ m.b.a ba pha không được dùng tổ nối dây Y/Y0 vì Zm0 quá lớn Đối với m.b.a ba pha ba trụ, vì Zm0 nhỏ hơn nên cho phép dùng tổ nối dây Y/Y0 với điều kiện S < 5600 kVA

b Trường hợp dây quấn nối Y 0 /Y 0 và Y 0 /∆

ở trường hợp này, dòng điện thứ tự không tồn tại cả ở phía sơ cấp và thứ cấp và cân bằng nhau: I&A0 = ưI&a0; nên không sinh ra từ thông Φt0 và s.đ.đ Et0 Như vậy các phương trình cân bằng điện áp thứ cấp như sau:

(11-15)

n C C c

n B B b

n A A a

Z I U U

Z I U U

Z I U U

&

&

&

&

&

&

&

&

&

ư

=

ư

ư

=

ư

ư

=

ư

Vì I&A +I&B +I&C = I&d nên từ (11-15) suy ra được:

U&a +U&b +U&c =Z n I&d (11-16)

Điểm trung tính sẽ lệch đi một khoảng Iao.zn = I d z n

3

1

Sự xê dịch này không đáng

kể vì zn rất nhỏ

11.3.2 Khi không có dòng điện thứ tự không

Trường hợp này ứng với các tổ nối dây Y/Y, ∆/Y, Y/∆ và ∆/∆ Do không có dòng

điện thứ tự không, hơn nữa các dòng điện thứ tự thuận và thứ tự ngược phía sơ cấp và thứ cấp hoàn toàn cân bằng nhau nên không cần thiết phải phân tích thành các phân lượng đối xứng và có thể dùng phương pháp thông thường để nghiên cứu điện áp từng pha Sự liên quan giữa các pha chỉ cần thiết khi xét đến điện áp dây và dòng điện dây Cần chú ý rằng, khi tải không cân bằng, ∆U ở các pha không bằng nhau, nhưng vì zn nhỏ nên sự không cân bằng về điện áp pha và điện áp dây không nghiêm trọng Trên thực tế, nếu tải không đối xứng với mức phân lượng thứ tự ngược I2 khác phân lượng thứ tự thuận I1 không quá 5% thì điện áp được xem là đối xứng

11-4 Ngắn mạch không đối xứng của m.b.a

Ngắn mạch không đối xứng xảy ra khi sự cố ở phía thứ cấp m.b.a làm một pha bị nối tắt với dây trung tính, hai pha bị nối tắt với nhau hoặc hai pha nối tắt với dây trung tính Những trường hợp kể trên có thể xem như là những trường hợp giới hạn của tải không đối xứng Để phân tích các trường hợp ngắn mạch không đối xứng, ta cũng áp dụng phương pháp phân lượng đối xứng nói trên Chú ý rằng, dòng điện ở những pha bị nối tắt là dòng điện ngắn mạch có trị số rất lớn, còn dòng điện tải ở các pha khác được xem như bằng không vì rất nhỏ so với dòng ngắn mạch

Kết quả phân tích về sự phân phối dòng điện giữa các pha của một số trường hợp ngắn mạch khi không có dòng điện thứ tự không như ở hình 11-4a, b và c và khi có dòng điện thứ tự không như ở hình 11-4d và e

100%

67%

Φ

W2

W1

r1

L1

U 1

Hình 11-5 Sơ đồ đóng m.b.a vào lưới lúc không tải

a

100%

B

c

a

A

B

b

100%

100%

100%

100%

100%

100%

b

100%

100%

100%

100%

100%

100%

Hình 11-4 Sự phân bố dòng điện giữa các pha khi ngắn mạch

11-5 Quá dòng điện trong m.b.a

Hiện tượng quá dòng điện thường xảy ra khi đóng m.b.a vào lưới lúc không tải hoặc xảy ra khi ngắn mạch đột nhiên

11.5.1 Đóng m.b.a vào lưới điện khi không tải

Như đã biết, khi m.b.a làm việc không tải, dòng điện không tải I0 rất nhỏ (không vượt quá 10%Iđm) Nhưng trong quá trình quá độ khi đóng m.b.a không tải vào lưới thì dòng điện I0 tăng gấp nhiều lần dòng điện định mức Ta hãy xét hiện tượng đó đối với m.b.a một pha như ở hình 11-5

Khi đóng m.b.a vào nguồn điện áp hình sin, theo định luật cân bằng s.đ.đ ta có:

dt

d W r i t

+

= Ψ

1 sin(ω ) (11-17) trong đó Ψ - góc pha của điện áp lúc đóng mạch

Quan hệ giữa Φ và i0 trong m.b.a là quan hệ

của đường cong từ hoá, vì vậy phương trình vi

phân không đường thẳng Để việc tính toán được

đơn giản, ta giả thiết rằng từ thông Φ tỉ lệ với

dòng điện i0, nghĩa là:

1

1 0

L

W

=

trong đó L1 - điện cảm của dây quấn sơ cấp và là

hằng số

Phương trình (11-17) có dạng:

dt

d L

r t

W

1 1

1

1 sin(ω ) (11-18) Nghiệm của phương trình (11-18) gồm hai thành phần:

Φ = Φ, + Φ,, (11-19)

trong đó: Φ,- là thành phần xác lập của từ thông:

2 sin(

với:

2 1 2

1 1

1 1

)

r W

U

L m

m

ω +

=

Φ,, - thành phần từ thông tự do:

t L r

e

1

=

Φ (11-21) với C là hằng số tích phân được xác định theo điều kiện ban đầu Khi t = 0 trong lõi thép có một từ thông dư nào đó ± Φdư :

Φt = 0 = [Φ, + Φ,,]t = 0 = -ΦmcosΨ + C = ± Φdư hay C = Φm.cosΨ ± Φdư

Như vậy: Φ,, = (ΦmcosΨ ± Φdư )

t L r

e 1

1

ư (11-22) Thay (11-22), (11-20) vào biểu thức (11-19) ta được:

Φ = - Φm.cos(ωt + Ψ) + (ΦmcosΨ ± Φdư )

t L r

e 1

1

ư (11-23)

Từ biểu thức (11-23) ta thấy, điều kiện thuận lợi nhất khi đóng m.b.a không tải vào lưới điện xảy ra lúc Ψ = π/2 (điện áp có trị số cực đại) và Φdư = 0, lúc đó:

Φ = -Φm.cos(ωt+

2

π ) = Φm.sinωt (11-24) nghĩa là trạng thái xác lập được thành lập ngay

và không xảy ra quá trình quá độ

Ngược lại, điều kiện bất lợi nhất xảy ra khi

đóng máy vào lưới lúc Ψ = 0 (điện áp lúc đó

bằng không) và Φdư có dấu dương, lúc đó:

Φ = - Φm.cosωt + (Φm + Φdư )

t L r

1

ư (11-25)

Đường biểu diễn tương ứng trình bày trên

hình 11-6

Từ hình 11-6 ta thấy rằng, từ thông Φ sẽ

đạt tới trị số cực đại ở thời gian nửa chu kỳ sau

Φ

Hình 11-6 Sự biến thiên của từ

điều kiện không thuận lợi nhất

ωt

π

Φ

Φma x

Φ ,,

Φdư

-Φm

Φ ,

khi đóng mạch, nghĩa là khi ωt ≈ π

Vì r1 << ωL1, nên 1 1

1 1

1

≈

ư

L

r t L r

e

e , do đó theo biểu thức (11-25), ở thời điểm ứng với ωt ≈ π ta được :

ω π

Φmax ≈ 2Φm + Φdư (11-26)

Như vậy Φmax lớn gấp hai lần từ thông lúc làm việc bình thường cho nên lõi thép bão hoà rất mạnh và dòng điện từ hoá i0 trong quá trình quá độ sẽ lớn gấp hàng trăm lần trị số dòng từ hoá xác lập I0 Giả sử lúc làm việc bình thường I0 = 5% Iđm thì trong trường hợp đóng mạch nói trên, dòng điện quá độ bằng 100 I0 = 5 Iđm Vì thời gian quá

độ rất ngắn (6 ữ 8 s) nên dòng quá độ không nguy hiểm đối với m.b.a, nhưng nó có thể làm cho bảo vệ rơle tác động cắt m.b.a ra khỏi lưới điện Vì vậy cần phải chú ý để tính toán và chỉnh định rơle cho đúng

11.5.2 Ngắn mạch đột nhiên

Chế độ ngắn mạch xác lập đã được nghiên cứu ở trên (bài 11-1 đến 11-4) Sau đây

ta xét quá trình quá độ từ khi bắt đầu xảy ra ngắn mạch cho tới khi thành lập chế độ ngắn mạch xác lập Trong quá trình quá độ nói trên, dòng điện sẽ rất lớn, có thể làm hỏng m.b.a, vì vậy cần phải được chú ý đặc biệt

Giả sử mạch thứ cấp của m.b.a vì lý do nào đó bị nối ngắn mạch như ở hình 11-7a Cũng như trường hợp ngắn mạch xác lập, lõi thép m.b.a không bão hoà và mạch điện thay thế như ở hình 11-7b trong đó rn = r1 + r,

2 và xn = x1 + x,

2 = ωLn là những hằng số Phương trình biểu thị quá trình quá độ

khi ngắn mạch đột nhiên mạch điện hình

11-7b có dạng:

dt

di L i r t

n n n n

trong đó Ψn - góc pha lúc xảy ra ngắn

mạch

Giải phương trình trên với điều kiện

ban đầu khi t = 0, in = 0 ta được:

i1n

Hình 11-7 Sơ đồ m.b.a bị ngắn mạch

in = i,

n + i,,

n (11-28) trong đó: i,n là thành phần dòng điện ngắn mạch xác lập và i,,n là thành phần dòng điện ngắn mạch tự do

)

2 1 ,

n n

n n

n

m

L r

U

+

ư

ω

t L r n n

t L r n n

n

m n

n n n

n

e I

e L

r

U

ư

ư

Ψ

= Ψ

+

)

2 1 ,

ω Thay (11-29) và (11-30) vào (11-28) ta được:

t L r n n

n n

n

n n

e I

t I

i

ư Ψ +

Ψ +

ư

= 2 cos(ω ) 2 cos (11-31)

Từ biểu thức (11-31) ta thấy rằng, ngắn mạch xảy ra bất lợi nhất khi Ψn = 0 Khi đó

ta có:

t L r n n

n

n n

e I t I

i

ư +

ư

và dòng điện đó sẽ đạt tới trị số lớn nhất (hoặc trị số xung) sau thời gian

ω

π

=

t , lúc đó:

x n xg

r n

n

2 ) 1

(

= ư (11-32) Dung lượng của m.b.a càng lớn thì trị số kxg càng lớn Thường trị số đó nằm trong giới hạn kxg = 1,2 ữ 1,8

Thí dụ, đối với m.b.a có dung lượng 1000 kVA với các số liệu un% = 6,5; unr% = 1,5; unx% = 6,32 thì :

= 1 + ư = 1 + ư nx = 1 , 475

nr n

n

u u x

r

k

π π

và dòng điện xung bằng:

22 , 7

%

100 2

2 *

n xg

n

u k

I i

nghĩa là dòng điện xung gấp hơn hai mươi lần dòng điện định mức

Khi ngắn mạch giữa các vòng dây bên trong m.b.a, dòng điện xung còn lớn hơn cả trị số trên Với trị số lớn như vậy, dòng ngắn mạch làm cho dây quấn m.b.a nóng mãnh liệt và bị cháy, đồng thời gây ra những lực cơ học lớn phá hoại kết cấu của dây quấn

Để bảo vệ ngắn mạch bên ngoài m.b.a, người ta thường dùng những rơle tác động nhanh để tách chỗ sự cố ngắn mạch ra và dây quấn m.b.a không bị nóng đến mức hỏng Để bảo vệ ngắn mạch bên trong m.b.a, người ta thường dùng rơle hơi để cắt m.b.a ra khỏi lưới điện

11-6 Quá điện áp trong m.b.a

Khi làm việc trong lưới điện, m.b.a thường chịu những điện áp xung kích, gọi là quá điện áp, có trị số lớn gấp nhiều lần trị số điện áp định mức Nguyên nhân dẫn đến quá điện áp có thể là do thao tác đóng cắt các đường dây, các máy điện hoặc do ngắn mạch nối đất kèm theo hồ quang hoặc do sét đánh trên đường dây, còn gọi là quá điện

áp khí quyển Quá điện áp khí quyển là nguy hiểm hơn cả vì có trị số rất lớn, có thể

đến hàng triệu vôn

Quá điện áp xảy ra trên một bộ phận nào đó của trạm biến áp với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng Để bảo vệ các thiết bị trong trạm biến áp khi có sóng xung kích truyền nhanh đến các thiết bị của trạm, người ta đặt những bộ chống sét có những khe

hở thích đáng để sau khi dẫn điện tích của sóng xung kích xuống đất không xảy ra hồ quang ở khe hở dưới tác dụng của điện áp làm việc của lưới điện Sau tác động của bộ chống sét, điện áp của sóng xung kích giảm đi rất nhiều và các thiết bị đặt trong trạm như m.b.a chỉ còn chịu tác dụng của điện áp có trị số bằng 4 ữ 5 lần điện áp của lưới

điện Cũng cần chú ý rằng, khi sóng xung kích điện áp truyền từ đường dây đến m.b.a,

C V

do có sự thay đổi của tổng trở (tổng trở của

đường dây nhỏ so với tổng trở của m.b.a) nên

sóng phản xạ điện áp có biên độ tăng gấp đôi

như hình 11-8

Sóng điện áp xung kích do khí quyển

thường có dạng không chu kì với đầu sóng 0a

rất dốc và đuôi sóng bằng phẳng hơn (hình

11-9) Thời gian tác dụng của sóng xung kích chỉ

vào khoảng vài phần triệu giây, nên đầu sóng

có thể coi như một phần tư chu kì của một sóng

điện áp chu kì có tần số rất cao (f = 10.000 ữ

50.000 Hz)

Dưới đây ta xét tác dụng và hậu quả của

sóng điện áp xung kích đối với m.b.a và đưa ra

phương pháp bảo vệ cần thiết

11.6.1 Mạch điện thay thế của m.b.a khi

có quá điện áp

Ta biết rằng, ngoài điện trở r và điện kháng

xL = ω.L, dây quấn m.b.a còn có dung kháng

xC =

fC

π

2

1

do có điện dung giữa các vòng dây

2U

C V

Hình 11-8 Sóng điện áp xung kích tới và phản xạ ở đầu m.b.a

U (kV)

a 400 200

r, L r, L r, L r, L

C , q

C , d

a)

C , q

C , d

b)

Hình 11-10 Sơ đồ biểu thị dây quấn của m.b.a khi có tác dụng của sóng điện áp xung kích

t (10 -6 s )

Hình 11-9 Sóng điện áp xung kích do khí quyển

và giữa các dây quấn đối với đất (như trình bày ở hình 11-10a) Trong hình 11-10, C,

d

là điện dung giữa các vòng dây hoặc giữa các cuộn dây, C,

q là điện dung giữa các vòng dây hoặc giữa các cuộn dây đối với đất ở chế độ làm việc bình thường với tần số f =

50 Hz của lưới điện, các dung kháng xC kể trên rất lớn so với r và xL nên không có ảnh hưởng đáng kể đến sự làm việc của m.b.a và ta có mạch điện thay thế như đã trình bày

ở chương 10 Ngược lại, khi xảy ra quá điện áp với tần số rất cao như đã nói ở trên, dung kháng xC rất nhỏ so với r và xL và có tác dụng quyết định Lúc đó mạch điện thay thế của m.b.a có dạng như trình bày ở hình 11 - 10b và dây quấn của m.b.a được xem như mạch điện đồng nhất có tổng điện

dung dọc

∑

=

, 1 1

d

d

C

dung ngang =∑ ,

q

C

11.6.2 Sự phân bố điện áp dọc

dây quấn

Theo hình 11-10b, do có các điện

dung C,q nên lúc sóng xung kích

truyền vào dây quấn, trong quá trình

nạp điện ban đầu, các điện tích phân

bố không đều trên các điện dung C,d

dọc dây quấn Kết quả là điện áp rơi

trên các phần tử C,d không đều nhau

và giảm dần từ đầu A đến đầu X của