Kỹ thuật cao áp - Chương 14 ppsx

Phần IV Quá điện áp nội bộ Việc chọn phương thức nối đất của điểm trung tính, xuất phát từ tình trạng của hệ thống khi có chạm đất là một vấn để tổng quát vì nó phải xét đến rất nhiều y

Phần IV

Quá điện áp nội bộ

Việc chọn phương thức nối đất của điểm trung tính, xuất phát từ tình trạng của hệ thống khi có chạm đất là một vấn để tổng quát vì nó phải xét đến rất nhiều yếu tố khác nhau

và có ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong thiết kế cũng như trong vận hành Hiện nay trong hệ thống điện có ba phương thức nối đất của điểm trung tính:

ư Điểm trung tính trực tiếp nối đất

ư Điểm trung tính không nối đất ( cách điện)

ư Điểm trung tính nối đất qua cuộn dây dập hồ quang ( nối đất cộng hưởng)

Đ14-2 ảnh hưởng của phương thức nối đất điểm trung tính

đối với cách điện của hệ thống

Nối đất của điểm trung tính đề xuất các yêu cầu khác nhau đối với cách điện của hệ thống do các nguyên nhân sau đây:

1 Sự khác nhau về trị số điện áp làm việc lớn nhất của thiết bị điện

Xét hệ thống 3 pha đơn giản bị ngắn mạch chạm đất một pha ( hình 14-1) Sơ đồ được

cung cấp từ một phía, trung tính của máy biến áp

đều nối đất qua tổng trở Z1 và Z2

Đường dây có

điện dung đối với

đất C0 ( điện dung thứ tự không) và

điện dung giữa các pha CAB, C BC,

CCA Tam giác

điện dung giữa các pha được biến thành hình sao, mỗi điện dung trong hình sao có trị số bằng C ưC mà C là điện dung tự thuận

F T1 T2

Hình 14-1

Sơ đồ hệ thống có ngắn mạch chạm đất một pha

Để xác định điện áp trên các pha không có sự cố cũng như dòng điện trong pha sự số,

đơn giản nhất là dùng phương pháp các thanh phản hồi xứng

Giả thiết khi nghiên cứu tình trạng ngắn mạch bỏ qua ảnh hưởng của phụ tải thì các sơ đồ thứ tụ thuận và nghịch được chấm dứt ở chỗ chạm đất nhưng trong sơ đồ thứ tự không thì phải tính cả hai máy biến áp vì các điểm trung tính của chúng đều có nối đất qua Z1, Z2

Đoạn đường dây trong sơ đồ của các thành phần thứ tự hình (14- 2) được vẽ ở dạng mạng bốn cực gồm điện cảm phân bố và điện dung đối với đất Khi đường dây không dài (dưới 200km), ảnh hưởng của điện dung đường dây trong các sơ đồ tứ tự thuận và nghịch thường rất bé và có thể bỏ qua

Tổng trở của mạch thứ tự thuận gồm

điện kháng đồng bộ của máy phát x d, điện

khoáng rò của máy biến áp x1T = x T và điện

kháng đường dây x1 Trong sơ đồ thứ tự

nghịch, máy phát được thay thế bởi điện

kháng rò của nó x d'< x d còn biến áp và đường

dây được biểu thị bởi:

x2T ≈ x1T = x xT; 2 = x1

Với sơ đồ nối dây của máy biến áp

như trên hình 14-1 thì tổng trở thứ tự không

của nó có trị số gần bằng tổng trở thứ tự

thuận, và nếu hai máy biến áp có công suất

bằng nhau sẽ có:

x0T x0T x1T xT

1 = 2 = =

Đối với đường dây, như đã biết x0 >x1 và C0 <C1 thì tổng trở và các điểm trung tính máy biến áp bé thì có thể bỏ qua điện dung đường dây, do đó trong trường hợp này tổng trở của sơ đồ thứ tự không sẽ bằng:

2 3 3

+ + +

Trị số dòng điện ngắn mạch ở chỗ chạm đất bằng:

( )

n m+ = A

+ +

1

3

(14-1)

Và dòng điện ngắn mạch ba pha có trị số:

( )

X

n m+ 3 = A

1

(14-2)

Để xác định dòng điện ở trạng thái ổn định, trong cả hai trường hợp đều lấy E A theo trị số sức điện động đồng bộ E d

Hình 14-2

Sơ đồ của thành phần thứ tự của hệ thống hình 24-1

x d x 1T x 1

x' d x 2T x 2

x 0x1 x 0 x 0T2

2

0

C

2

0

C

~ EP

Nếu các tham số của hệ thống giữ không đổi thì tỷ số I n( )1.m/I n( )3.m chỉ phụ thuộc vào tổng trở nối tại điểm trung tính của các máy biến áp và có thể có trị số lớn hoặc bé hơn 1 Trong hệ thống công suất lớn, điện kháng tổng được xác định chủ yếu bởi điện kháng của máy biến áp, vì vậy điện kháng thứ tự thuận và nghịch sẽ bằng nhau (X1 ≈ X2)còn điện kháng thứ tự không X0 thì thướng lớn hơn X1 để giảm trị số dòng điện ngắn mạch một pha Với quan điểm đó, thường nối đất điểm trung tính qua cuộn kháng có trị số lớn hoặc để trung tính một số máy biến áp cách điện

Để xác định điện áp trên các pha không có sự cố giả thiết điện áp phía cao áp của máy biến áp T1 trong thời gian có ngắn mạch chạm đất giữ không đổi ( điện áp làm việc )

đồng thời bỏ qua mọi điện trở tác dụng

Trên hình (14-3), tất cả các thành phần điện áp của pha chạm đất sẽ cùng phương và ngược chiều với véc tơ U A'

còn ở hai pha kia điện áp thứ tự cũng có cùng phương ấy (U U Bo' , Co' ) Điện áp các thứ tự thuận và nghịch sẽ suy từ pha A và lệch góc

± 120o

Khi hệ thống có công suất lớn, do

X1 = X2 nên ở các pha không có sự cố có thể viết được:

U1+U2 = U1

Tổng điện áp giáng trên các pha này

sẽ có trị số:

( )

0 1

1 0 1

0

1 1 0

2

X X E X X

I U U

+

ư

=

ư

=

ư

= Δ

ΔU E k

k

A

= ư

+

1

với k X

X

= 0 1

Cộng điện áp ΔU với các điện áp U U B, C sẽ được điện áp tổng trên pha không có sự

cố và chúng có trị số bằng:

U =U B' =U C' = U ph + 0 5 , U + 3 U

4

Trên hình 14-4 cho quan hệ của điện áp trên pha không có sự cố theo tỷ số X

X

0 1

Hình 14-3

Sơ đồ Véctơ khi có ngắn mạch

chạm đất một pha

UA0UA1UA2

U A

U B

UB0UB1 U B2

U

Δ

U

Δ

UC U’C U’ B

U C0

U C1 U C2

Sơ đồ này bao gồm mọi phương thức nối đất của điểm trung tính Nếu trung tính của tất cả các máy biến áp trong hệ thống đều được trực tiếp nối đất thì tỷ số X

X

0 1

1

≈ Khi chỉ số nối đất một số điểm trung tính máy biến áp thì điện kháng thứ tự không tăng và điện áp trên pha không có sự cố tăng cao

Điểm trung tính được gọi là " trực

tiếp nối đất" khi tỷ số X

X

0 1

3

≤ Từ đường

cong của hình vẽ cho thấy khi đó

U = 1 25, U ph Nhưng nếu trước khi ngắn

mạch chạm đất điện áp làm việc cao hơn

định mức 5% thì trị số

d

ph U U

U =1,05.1,25 =0,76

Khi điểm trung tính không trực tiếp

nối đất thì điện áp trên pha không chạm đất

sẽ lớn hơn 0,8U d vào khi X0 → ∞ thì tiến

tới giới hạn bằng điện áp dây Khi điểm

trung tính hoàn toàn cách điện nối với đất

thì trị số X0 <0 ( trong sơ đồ thành phần

thứ tự không điện dung C0 giữ vai trò chủ

yếu), lúc này điện áp trên pha không có sự cố luôn lớn hơn điện áp dây và đặc biệt khi

X

X

0

1

2

= ư điện áp sẽ tăng vô cùng do có cộng hưởng điện áp ( dung kháng thứ tự không có trị

số tuyệt đôí bằng tổng điện kháng thứ tự thuận và nghịch) Trừ trường hợp đường dây rất dài còn trong các lưới điện thông thường thì không có điều kiện phát sinh cộng hưởng vì dung kháng lớn hơn nhiều so với trị số của X1 và do đó điện áp trên pha không có sự cố thường không vượt quá giới hạn 1,15Ud

Trường hợp X0 = ∞ ứng với phương thức nối đất cộng hưởng điểm trung tính, nếu xét

về mặt tăng điện áp trên pha không có sự cố thì trường hợp này tương đương với khi điểm trung tính cách điện đối với đất

Trong các tính toán nên không xét đến điện trở tác dụng Điều đó, đối với sơ đồ thứ

tự thuận và nghịch là hoàn toàn hợp lý vì trị số điện trở tác dụng không vượt quá 10% trị số của điện kháng Trong sơ đồ thứ tự không, do ảnh hưởng của đất nên điện trở tác dụng có thể có trị số lớn Trên hình 14-5 cho quan hệ của điện áp trên pha không có sự cố theo r

X

0 1

Hình 14-4

Quan hệ của điện áp trên pha không

có sự cố kho có ngắn mạch chạm đất

theo tỷ số X

X

0 1

UB1

1

1

x

r

2

2

x

r

0

1

x r

1

1

x r

-7 -6 -5-4 -3 -2-1 0 1 2 3 4 5 6 7

5

4

3

2

1

0

1

U U

ứng với các trị số khác nhau của điện kháng thứ tự không Với X

X

0 1

3

= thì điện áp sẽ có trị

số lớn nhất khi r

X

0 1

= 1 và đạt mức U =1 051 32, , U ph = 0 8, U d

Phương thức nối đất của điểm trung tính cũng ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của máy cắt điện và điều kiện dập hồ quang của chống sét van Trong các chống sét van,

số tấm điện trở không đường thẳng được chọn theo trị số điện áp làm việc cho phép lớn nhất và ở điện áp này năng lực thông qua dòng điện xoay chiều không quá giới hạn 80A

Trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất, dòng điện xoay chiều cũng như số tấm điện trở không đường thẳng được tính theo điện áp 0,8Ud , chống sét van dùng trong trường hợp này được gọi là chống sét 80% còn trong hệ thống có điểm trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dây dập hồ quang - sẽ tính theo mức điện áp 1,15Ud và gọi là chống sét 115% Như vậy trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất số tấm

điện trở không đường thẳng và số khe hở phóng điện được giảm ssi 30% sơ với trong hệ thống có điểm trung tính cách điện ( hoặc nối đất qua cuộn dây dập hồ quang) do đó giá thành chống sét van cũng giảm được khoảng 30%

2 Sự khác nhau về điện áp xung kích tác dụng lên cách điện thiết bị

Điện áp xung kích tác dụng lên cách điện của trạm biến áp và nhà máy điện phụ thuộc vào đặc tính của chống sét van và như vậy cũng sẽ phụ thuộc vào phương thức nối đất của điểm trung tính Trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất, trị số điện áp dư của chống sét van có thể giảm thấp khoảng 20ữ 30%, so với khi điểm trung tính cách điện

do đó điện áp thí nghiệm xung kích và mức cách điện xung kích cũng được giảm tương ứng Ngoài ra trong các hệ thống này do cách điện của máy biến áp được thực hiện theo kiểu nối

đất cấp nên càng làm cho giá thành giảm đi rất nhiều

3 Sự khác nhau về trị số quá điện áp nội bộ.

Trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất quá điện áp nội bộ được phát sinh

và duy trì dưới tác dụng của điện áp pha còn trong hệ thống có điểm trung tính cách điện - dưới tác dụng của điện áp dây Số liệu đo lường và tính toán đều cho thấy, trị số quá điện áp nội bộ trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất cũng được giảm khoảng 20ữ30%

Hình 14-5 Quan hệ của điện áp trên pha không có sự cố khi có

ngắn mạch chạm đất một pha theo r

X

0 1

ứng với các trị

số khác nhau của X

X

0 1

0 1 2 3 4 5 6

1,5

Chống sét 80%

x 0 /x 1 = 5

x 0 /x 1 = 3

x 0 /x 1 = 2

x 0 /x 1 = 1

x 0 /x 1 = 1/2

x 0 /x 1

1,4

1,3

1,2

1,1

1,0

0,9

so với khi điểm trung tính cách điện và do đó yêu cầu về mức cách điện xoay chiều cũng

được giảm thấp tương ứng

Tổng hợp ba nguyên nhân trên có thể đi đến nhận xét là mức cách điện trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất thấp hơn so với khi điểm trung tính cách điện khoảng 20% Tuy nhiên hiệu quả kinh tế do việc giảm thấp cách điện còn tuỳ thuộc vào cấp

điện áp định mức ở các cấp điện áp định mức cao và siêu cao ( 150kV trở lên) vì giá thành của máy biến áp và thiết bị điện tăng gần như tỷ lệ với trị số điện áp thí nghiệm và trong giá thành đó đầu tư về cách điện chiếm phần quan trọng do đó nếu chọn theo phương thức điểm trung tính trực tiếp nối đất thì sẽ hạ giá thành được khoảng 20% ở các cấp điện áp thấp (3ữ35kV) do phần đầu tư về cách điện chiếm tỷ lệ bé trong giá thành nên việc chọn điểm trung tính trực tiếp nối đất để giảm điện áp thí nghiệm và mức cách điện sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt

Theo quan điểm vận hành thì nên chọn phương thức điểm trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang Vì sự cố đường dây phần lớn lại là ngắn mạch chạm đất một pha nên khi dùng cuộn dập hồ quang thì sự cố sẽ được loại trừ nhanh chóng không cần phải cắt đường dây và

do đó sẽ đảm bảo cung cấp điện liên tục Ngoài ra khi dùng cuộn dập hồ quang thì nhiễu loạn của đường dây cao áp đối với đường dây thông tin cũng được giảm nhẹ Nhược điểm của việc dùng nó là hệ thống phải có mức cách điện cao hơn so với khi điểm trung tính trực tiếp nối đất, nhưng nên dùng các hệ thống điện từ 60kV trở xuống thì việc tăng mức cách

điện cũng không ảnh hưởng nhiều đến giá thành, do đó đối với các hệ thống này dùng cuộn dập hồ quang làg hợp lý về kinh tế kỹ thuật ở các hệ thống có dòng điện ngắn mạch chạm

đất bé và điện áp làm việc không cao lắm, do hồ quang ngắn mạch chạm đất có thể tự dập tắt nên không cần phải đặt cuộn dập hồ quang Kinh nghiệm vận hành cho thấy, khi dòng điện chạm đất đạt được yêu cầu sau đây thì điểm trung tính có thể đặt cách điện đối vơí đất:

Điện áp 6 ữ 10KV ư dòng điện chạm đất dưới 30A

Điện áp 20 ữ 35KV ư dòng điện chạm đất dưới 10A

Điện áp 40 ữ 35KV ư dòng điện chạm đất dưới 5ữ10A

Đối với điện áp máy phát, khi dòng điện chạm đất lớn hơn 5A cũng phải đặt cuộn dập

hồ quang tại điểm trung tính của máy điện vì dòng điện quá lớn sẽ đốt cháy lõi thép máy

điện

Các hệ thống điện từ 220kV trở lên thường được chọn theo phương thức điểm trung tính trực tiếp nối đất Ưu điểm của phương thức nối đất này đã được trình bày nhiều ở trên Các hệ thống này thường có công suất lớn, đường dây dài nên không thể dùng phương thức

lan ra các pha bên cạnh và chuyển thành ngắn mạch giữa các pha Dùng phương thức nối

đất qua cuộn dập hồ quang cũng không thích hợp vì khi có ngắn mạch chạm đất điện áp trên pha không có sự cố tăng cao, vầng quang xuất hiện làm cho thành phần tác dụng của dòng

điện chạm đất tăng lên ( thành phần này không được bù bởi dòng điện điện cảm của cuộn dập hồ quang) do đó hồ quang khó dập tắt và cuộn dập hồ quang sẽ không phát huy tác dụng Như vậy đối với các hệ thống từ 220kV trở lên, chọn theo phương thức điểm trung tính trực tiếp nối đất là duy nhất hợp lý

Vấn đề chưa thống nhất hiện nay chủ yếu tập trung phương thức nối đất điểm trung tính của các hệ thống 110ữ150kV

ở các nước Đức, Nhật bản, Thuỵ điển, các hệ thống này đều nối đất qua cuộn dập hồ quang Hệ thống 154kV ở Đông bắc Trung quốc cũng dùng cuộn dập hồ quang, kinh nghiệm vận hành cho thấy tác dụng của nó rất tốt: trong số 28 lần sự cố chạm đất từ 1952 tới

1955 trừ ba trường hợp sự cố có tính chất lâu dài còn phần lớn đều được dập tắt nhanh chóng

Hệ thống 110ữ150 kV ở Liên xô phần lớn đều có điểm trung tính trực tiếp nối đất

Lý do chủ yếu của việc chọn phương thức nối đất này là các đường dây được bảo vệ bằng dây chống sét toàn tuyến mà phần đầu tư vào dây chống sét không lớn (5 ữ 7%), cách điện

đường dây đạt mức tương đối cao nên số lần xảy ra chạm đất (do sét) không nhiều Ngoài ra

do các đường dây 110 ữ150kV thường hoặc đi hai lộ hoặc theo mạng kín và có đặt thiết bị tự

động đóng lại (TĐL) nên đảm bảo cung cấp điện được liên tục Nhưng cũng ngay ở Liên xô vẫn còn một số trường hợp hệ thống 110kV dùng cuộn dập hồ quang Các hệ thống này đi trong vùng đất xấu, điện trở nối đất quá lớn nên hệ thống bảo vệ rơle không đảm bảo được tính chọn lọc để cắt đường dây có sự cố

Tóm lại, việc lựa chọn phương thức nối đất điểm trung tính của hệ thống 110ữ150kV cho đến nay vẫn chưa được khẳng định và thống nhất Trong từng hoàn cảnh cụ thể phải tiến hành phân tích về kỹ thuật mới có thể lựa chọn được phương án hợp lý