Kỹ thuật cao áp - Chương 15 docx

Chương XV Quá điện áp khi cắt đường dây không tải vμ bộ tụ điện Quá điện áp khi cắt đường dây không tải và khi cắt điện dung có nhiều đặc điểm giống với quá điện áp khi ngắn mạch chạm

Chương XV

Quá điện áp khi cắt đường dây không tải vμ bộ tụ điện

Quá điện áp khi cắt đường dây không tải và khi cắt điện dung có nhiều đặc

điểm giống với quá điện áp khi ngắn mạch chạm đất bằng hồ quang vì chúng đuều

có liên quan đến sự tích luỹ điện tích trên điện dung của hệ thống ở đây sự cháy lại của hồ quang xảy ra giữa các tiếp điểm của máy cắt điện dùng để cắt đường dây không tải ra khỏi nguồn Quá điện áp có thể có trị số rất lớn đủ để phá hoại cách

điện đường dây và có khi đốt cháy cả máy cắt điện

Xét trường hợp đơn giản đường dây không tải dài l là tổng trở sóng Z được cắt ngay ở thanh góp của nguồn có công suất vô cùng lớn (hình 15-1)

Khi máy cắt còn đóng mạch thì qua nó có dòng điện điện dung của đường dây không tải, dòng điện này vượt trước điện áp một góc 90o

Khi cắt máy cắt điện, hồ quang giữa các tiếp điểm tắt lúc dòng điện qua trị số không tức là lúc điện áp nguồn đạt trị số cực đại do đó có thể cho rằng khi hồ quang tắt điện dung đường dây được nạp tới mức điện áp ±U ph và giả thiết ưU ph Sau đó điện áp trên đường dây giữ không đổi còn điện áp nguồn thì vẫn biến đổi theo hình sin Qua nửa chu kỳ, điện áp nguồn sẽ là +U ph và do đó điện áp đặt giữa các tiếp điểm của máy cắt sẽ là 2U ph Mặc dù trong thời gian tính từ lúc bắt đầu

nhảy máy cắt điện cho tới lúc này (khoảng thời gian một nửa chu kỳ hoặc lớn hơn

nhưng không quá một chu kỳ tần số công nghiệp) các tiếp điểm của maý cắt đã cách

xa nhau, cách điện của khe hở đã tăng tới mức nhất định nhưng cũng không loại trừ khả năng khe hở bị chọc thủng và hồ quang cháy lại dưới tác dụng của điện áp

2U ph

Kết quả nghiên cứu về sự phục hồi cách điện giữa các tiếp điểm của máy cắt cho thấy là sau nửa chu kỳ đối với loại máy cắt không khí mức cách điện đạt được trị số không quá 2U ph còn đối với máy cắt dầu thì không quá U ph

Nếu hồ quang chạy lại khi điện áp là +U ph thì đường dây sẽ được nạp từ điện áp

ưU ph đến +U ph, như vậy trên đường dây sẽ có sóng điện áp2U ph và sóng dòng điện

Z

ph

= 2 lan truyền tới phía cuối đường dây Sự phân bố điện áp dọc theo đường dây cho trên hình 15-2a Khi tới đầu cuối hở mạch sóng điện áp sẽ phản xạ cùng dấu nên đường dây sẽ có điện áp

+4U ph ưU ph = +3U ph truyền về phía nguồn ( hình 15-2b) Sóng dòng điện khi tới đầu cuối đường dây do phản xạ ngược dấu nên nên trên mọi nơi của

đường dây mà sóng phản xạ đã về dòng

điện tổng sẽ bằng không (hình 15-2b) Như vậy khi phản xạ trở về tới nguồn thì dòng điện trong máy cắt có trị số không và hồ quang có thể tắt lần thứ hai

Sau khi hồ quang tắt, điện áp trên

đường dây giữ không đổi và bằng 3U ph

còn điện áp nguồn lại tiếp tục biến thiên

theo hình sin Sau nửa chu kỳ tần số công

nghiệp, điện áp nguồn đổi dấu và có trị số

ưU ph, do đó điện áp giữa các tiếp điểm

máy cắt có thể tăng tới mức 4U ph

Nếu giả thiết tại thời điểm này hồ

quang cháy lại lần thứ hai thì đường dây

lại được nạp điện từ điện áp+3U ph đến

điện áp nguồn nghĩa là đến ưU ph Trên

đường dây sẽ có sóng điện áp ưU ph và

sóng dòng điện i U

Z

ph

= ư4 Hình 2b-2c cho sự phân bố điện áp khi sóng truyền

về phía cuối đường dây và hình 15-2d là

khi có phản xạ từ đầu cuối trở về

Cũng như lần trước, sau thời gian

2π = 2l

v tính tứ lúc hồ quang cháy lại lần

thứ hai, dòng điện trong máy cắt sẽ qua

trị số không, hồ quang có thể tắt trong khi

Hình 15-1

Cắt đường dây không tải

Hình 15-2

Phan bố điện áp dọc theo đường dây không

tải tại các điểm khác nhau

a) Sau khi hồ quang cháy lại lần 1 và trước khi có phản xạ từ cuối đường dây

b)Như trên nhưng đã có phản xạ từ cuối đường dây

c) Sau khi hồ quang cháy lại lần II và trước khi có phản xạ từ cuối đường dây

d)Như trên nhưng đã có phản xạ từ cuối đường dây.

l

~

~

~

~

+U hp +U hp

-Uhp

i= 0 i= 2Uhp

z

3U hp

+U hp

i= 2Uzhp

i= 0

i= 0

i= 4Uzhp -U hp

i= 0

-U hp

- 5U hp

i= 5Uzhp

a )

b)

c )

d)

đường dây vãn được nạp ở mức điện áp ư5U ph Trên hình 15-3 cho sự biến thiên theo thời gian của điện áp nguồn, điện áp đầu đường dây và của dòng điện trong máy cắt điện

Lập luận trên đây không hoàn toàn chính xác vì không chú ý đến sự giảm

điện áp nguồn trong thời gian truyền sóng khứ hối trên đường dây, ở các đường dây dài sự giảm này rất đáng kể Ví dụ khi đường dây dài 300km thì trong khoảng thời gian 2τ =2000μs điện áp nguồn sẽ giảm tới mức 0 81, U ph do đó trị số cực đại quá

điện áp lần thứ nhất sẽ là 2 81, U ph mà không phải là 3U ph còn của lần thứ hai là

ư4 43, U ph mà không phải là ư5U ph v.v

Nếu quá trình cháy lại hồ quang vẫn cứ tiếp diễn thì quá điện áp trên đường dây sẽ tăng liên tục Điều đó không thể xảy ra vì các máy cắt có tốc độ phục hồi cách điện lớn, do đó hồ quang thường không xảy cháy lại quá một lần và như vậy quá điện áp trên đường dây không vượt quá mức 3U ph

Trong sơ đồ hình 15-1, do đường dây không tải được cắt ra khỏi nguồn có công suất vô cùng lớn nên trong quá trình cắt điện áp trên thanh góp giữ không đổi

và như vậy sẽ không có quá điện áp ở phía trạm

Trong thực tế nguồn có công suất giới hạn và có điện cảm xác định, điện cảm này sẽ ảnh hưởng đến trị số của quá

điện áp Sơ đồ mạch được biểu thị như ở hình 15-4 Vì ở đầu đường dây có điện cảm L0 nên tình hình phản xạ ở đâu rất phức tạp và tính toán sẽ khó khăn hơn nhiều Giả thiết hồ quang cháy lại lúc

điện áp nguồn có trị số +U ph và trước đó

đường dây được nạp sẵn tới điện áp U0,

có trị số bằng ưU ph Quá trình quá độ trên đường dây được xác định bởi điện áp:

( )

U t =U phcosωt U+ 0

mà ảnh của nó ở dạng toán tử là:

U p( ) U

p p ph

+

0

+

p p ph

ω

Hình 15-3

Cắt đường dây không tải khỏi

nguồn có công suất vô cùng lớn

a) điện áp nguồn; b) Điện áp đầu đường dây;

c) Dòng điện trong máy cắt điện

Hồ quang tắt lần II

Hồ quang cháy lại lần II

Hồ

quang tắt

lần I

Hồ quang tắt lần II

Hồ quang cháy

lần I

Uph

Uph

t

t

t

Điện áp cuối đường dây ở dạng toán tử sẽ là:

( )

pL shp Zchp

2 0

=

+

τ τ (15-2)

và ở đầu đường dây: U U p Z chp( )

pL shp Zchp

1 0

=

+

Dòng điện ở đầu đường dây, cũng là dòng điện trong máy cắt điện, được xác

định theo:

( )

IL shp Zchp

1 0

=

+

Để tìm góc của điện áp ở cuối đường dây dùng định lý phân tích và đặt

( )

H p = 2p2+ω 2

H p = PL shp0 τ +Zchpτ p2+ω 2

Biểu thức (15-2) được viết lại ở dạng:

( ) ( )

pF p ph

Theo định lý phân tích có được:

( )

p F p cp ph

k

k

2 = Σ (15-5)

với p k là nghiệm của phương trình:

F p( )=(p2 + 2) (pL shp +Zchp )=

Hai nghiệm p1 2, = ±jω tương ứng với trị số ổn định của điện áp còn nghiệm của phương trình pL shp0 τ +Zchpτ = 0 cho các tần số dao động riêng của đường dây Thay trị số của pvào các phương trình trên và bỏ qua các phép tính trung gian cuối cùng được kết quả sau đây:

( ) ( ) ( )

U

k

k k

k

2

1

1

1

1

1

⎫

⎬

⎪

⎪

⎪

⎭

⎪

⎪

⎪

=

∞

=

∞

=

∞

∑

∑

∑

(15-6)

Với : A U

L Z

ph

=

ư cosωτ ω 0sinωτ

Hình 15-4

Sơ đồ tính toán khi cắt đường dây không tải

l

U

L 0

( )

k

⎝

⎠

⎟

ω τ

cos

Hình 15-5 cho kết quả tính toán theo phương pháp chính xác (phương pháp phản xạ nhiều lần) và theo phương pháp gần đúng ( tính theo 15-6 với hai sóng điều hoà) khi đường dây dài 60km Dòng điện qua trị số không ở thời điểm l2, lúc này

hồ quang trong máy cắt điện tắt và đường dây được tách ra khỏi nguồn Điện áp ở cuối đường dây vẫn tiếp tục biến đổi theo đường cong trên hình 15-5 trong khoảng thời gian τ bằng thời gian truyền sóng từ đầu đến cuối đường dây Do đó ở ví dụ

đang xét, quá điện áp ở đầu đường dây đạt mức 2,4Uph nhưng ở cuối đường dây có thể tới 3,6Uph nghĩa là quá mức 3U ph Quá điện áp tăng cao là do điện cảm

Do có điện cảm nên thời gian cháy của hồ quang kéo dài (l2 >2τ ), mặt khác tại thời

điểm l = 2τ sóng phản xạ từ cuối đường dây trở về khi gặp điện cảm sẽ phản xạ cùng dấu khiển cho điện áp U U1, 2có những đỉnh nhảy vọt như trên hình vẽ

Trong tính toán trên chưa xét đến sự tắt dần của các dao động riêng Sự tắt dần có thể làm cho quá điện áp giảm đi nhiều Trường hợp thanh góp có nhiều

đường dây do hệ số phản xạ ở đầu đường dây giám thấp nên quá điện áp có giảm đôi

Hình 15-6

Khả năng lớn nhất của qúa điện áp

ở đầu và cuối đường dây không tải (Tính toán với hai sóng điều hoà) 1- ở thanh góp ; 2- ở cuối đường dây

Hình 15-5

Điện áp trên thanh góp ( )U1 , điện áp

ở cuối đường dây ( )U2 và dòng điện

trong máy cắt điện ( )I1

- Đường dây không tải l= 60km T( L /τ =0 5, )

- Đường đậm nét - Tính theo phương pháp

phản xạ nhiều lần;

-Đường chấm - Tính theo phương pháp gần đúng

4,0 3,2 2,4 1,6 0,8

0 2 4 6 8 12

T/τ

1

2

-1,0

0

-0,4

-0,8

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

3,2

3,6

4,0 U i

U ph U ph /z

Uph

U 2

U ph

U 1

U ph /z

I 1

0,2 0,4 0,6 0,8

t2 t2+τ t

chút Như vậy tính toán theo sơ đồ đơn giản trên sẽ cho trị số giới hạn của quá điện

áp

Hình 15-6 cho kết quả tính toán (đường cong) và kết quả đo lường trên mô hình (điểm) của quá điện áp ở đầu và cuối đường dây khi cắt đường dây không tải Kết quả đo trên mô hình luôn luôn thấp hơn so với kết quả tính toán, điều đó chủ yếu là do sự tắt dần của dao động riêng mà trong tính toán không đề cập đến

Trong thực tế không những chỉ chú ý đến trị số giới hạn có thể có của quá

điện áp mà còn chú ý cả đến xác suất xuất hiện của chúng Xác suất ấy chỉ có thể xác định dựa trên sự khảo sát trong hệ thống điện thực tế

Kinh nghiệm vận hành cho thấy đối với loại máy cắt điện động tác nhanh thì

hồ quang có thể không cháy lại do cách điện khe hở được phục hồi nhanh chóng và

do đó khi cắt đường dây không tải không xảy ra quá điện áp; nếu hồ quang cháy lại thì quá điện áp cũng bé hơn nhiều so với kết quả tính toán trên vì lúc hồ quang cháy lại điện áp nguồn thường không ở trị số cực đại mà ở trị số bé hơn

Bằng cách tổng hợp một số lớn số liệu thực nghiệm, viện nghiên cứu về dòng điện một chiều ở Liên xô đã xây dựng được đường cong về xác suất xuất hiện quá điện áp theo độ lớn của nó (hình 15-7).Theo đường cong ấy xác suất quá điện áp

ở phía cuối đường dây vượt quá trị số

2,5U ph chỉ có 2% Trong khi vẽ đường cong

đã sử dụng nhiều số liệu cl, khi mà các máy

cắt điện chưa hoàn thiện, hồ quang trong nó

có thể cháy lại nhiều lần và gây nên quá

điện áp trị số lớn Do đó có thể cho rằng

loại quá điện áp này có độ lớn khoảng 2U ph

Trị số này không gây nguy hiểm trực tiếp

đối với cách điện nhưng nếu nó tác dụng

thường xuyên thì cũng không có lợi Đặc

biệt đối với các hệ thống có mức cách điện

giảm tới 2,5Uph hoặc thấp hơn thì nó sẽ trở

thành nguy hiểm do đó trong thời gian gần

đây đã có các biện pháp để làm giảm trị số

quá điện áp

Dùng loại máy cắt điện động tác nhanh kiểu mới có thể loại trừ hoàn toàn quá điện áp khi cắt đường dây không tải nhưng quá điện áp do cắt máy biến áp không tải lại tăng cao, do đó khi chế tạo máy cắt phải có những biện pháp dung hoà các yêu cầu trên, để có đồng thời hạn chế cả hai loại quá điện áp Sơ đồ nguyên lý của loại máy này như trên hình 15-8 Máy cắt có hai khoảng cắt, một trong chúng có ghép điện trở song song Việc cắt được thực hiện bởi tiếp điểm thứ nhất sau đó tiếp

điểm thứ hai sẽ tách ra Trong lần cắt thứ nhất hồ quang tắt khi dòng điện qua trị số

Hình 15-7

Xác suất xuất hiện qúa điện áp theo độ lớn của nó khi cắt đường

dây không tải

4 3 2 1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

U 2

U 1

k= U U

ph

không nhưng đường dây vẫn được nối với nguồn qua điện trở R Vì vậy khi điện áp

nguồn biến đổi thì điện tích trên đường dây sẽ thay đổi và một phần sẽ được trả về nguồn, thành phần tác dụng lên dòng điện qua trị số không không phải là điện áp có trị số cực đại

và khi hồ quang tắt ở lần cắt thứ hai thì điện

áp trên đường dây thấp hơn nhiều so với trị số

U ph Điều đó sẽ làm giảm xác suất cháy lại của hồ quang và có cháy lại thì quá điện áp cũng bé đi nhiều Hiệu quả giảm quá điện áp tốt nhất là khi trị số R bằng dung kháng của đường dây tức là khi dòng điện lệch pha với điện áp khoảng 45o

Thực nghiệm cho thấy khi khi dùng loại máy cắt này có thể giảm trị số quá

điện áp tới mức 2,5Uph và như vậy sẽ không còn nguy hiểm ngay cả với các hệ thống có cách điện giảm nhẹ Tuy nhiên nó vẫn chưa được sử dụng rộng rãi vì kết cấu phức tạp, đắt tiền

Hiện nay đã chú ý đến tác dụng của chống sét van trong việc giới hạn loại quá điện áp này Kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu đặt chống sét van trên đường dây (cuối đường dây) thì có khả năng hạn chế quá điện áp ở phía cuối và cả ở đầu

đường dây Như trong chương XX đã nhấn mạnh là khi dùng chống sét van bảo vệ chống quá điện áp nội bộ thì phải kiếm tra năng lực thông qua dòng điện để đảm bảo điều kiện làm việc bình th thường của nó

Về độ lớn của dòng điện, nếu chống sét van giới hạn quá điện áp tới mức 2Uph thì trong hệ thống 220kV dòng điện qua chống sét van sẽ có trị số bằng

U

, (Zưtổng trở sóng của đường dây), như vậy bé hơn nhiều so với khi có quá điện áp khí quyển

Thời gian kéo dài của dòng điện có trị số bằng CR c, tức là bằng tích số của

điện dung đường dây với điện trở của bản thân chống sét van Điện dung mỗi pha

đường dây khoảng 1μF/100km còn điện trở R cv loại 220kV ở điện áp 2Uph khoảng 300Ω, do đó thời gian tồn tại của dòng điện khi đường dây dài 100μs, thời gian này rất lớn so với của quá điện áp khí quyển Vì vậy tuy biên độ dòng điện không lớn nhưng năng lượng phát nóng trong điện trở làm việc của chống sét van có thể lớn quá mức cho phép và chống sét có thể bị hư hỏng Như vậy dùng chống sét van chỉ

có thể hạn chế quá điện áp khi cắt đường dây(không tải) có chiều dài không quá 200km Nếu đường dây dài hơn phải dùng loại chống sét đặc biệt có năng lực thông qua dòng điện tốt hơn

Hình 15-7

Sơ đồ nguyên lý của loại

máy cắt kiểu mới

R

Còn một khả năng khác để giới hạn loại quá điện áp này là việc dùng máy biến áp đo lường ghép vào đường dây bị cắt Khi điện áp tăng cao do lõi thép của máy biến áp bị bảo hoà, điện cảm của nó giảm thấp sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tản điện tích dư trên đường dây xuống đất khiến cho độ lớn của quá điện áp

được giảm đi nhiều

Bây giờ xét loại quá điện áp khi cắt bộ tụ điện (hình 15-9) ra khỏi nguồn có

điện cảm L0 Cũng tương tự như khi cắt đường dây không tải, dòng điện điện dung

qua trị số không khi điện áp trên tụ điện có trị số cực đại Do đó hồ quang có khả năng cháy lại,

sẽ gây dao động với biên độ 2Uph Trong quá trình dao động, điện áp trên bộ tụ điện đạt mức 3Uph., khi đó dòng điện lại qua trị số không và

hồ quang có thể bị dập tắt Nếu hồ quang cháy lại lần nữa thì điện áp trên tụ điện có thể đạt được mức 5U ph

Sự khác nhau giữa trường hợp này với khi cắt đường dây không tải là ở chỗ dao động riêng trong mạch chỉ có một tần số

ω0

0

1

=

L C

Trong thực tế, tụ điện không phải chỉ dùng đơn chiếc đây là do nhiều tụ điện

đợc ghép nối tiếp song song theo yêu cầu của điện áp làm việc và của công suất;; từng chiếc đều được bảo vệ bằng cầu chì nên không thể xẩy ra ngắn mạch toàn bộ

Điều đó cho phép sử dụng các loại máy cắt có kết cấu gọn nhẹ, động tác nhanh để

có thể đạt được tốc độ phục hồi cách điện cao Do đó ki dùng loại máy cắt chuyên dùng này thì có thể loại trừ đợc khả năng cháy lại của hồ quang và giới hạn độ lớn của quá điện áp không quá mức 2U ph

Hình 15-9

Sơ đồ cắt bộ tụ điện

~

L 0

C