Nghiên cứu quá trình quá độ thao tác trong hệ thống cung cấp điện và các giải pháp khắc phục quá điện áp

Các sơ đồ ba pha của hệ thống điện trong tình trạng thao tác hoặc sự cố không đối xứng kể trên đều có thể thay thế bằng một sơ đồ một pha đằng trị... Vì vậy, nếu một máy cắt cắt ra để lo

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

LÃ VĂN ÚT

HÀ NỘI – 2008

MỤC LỤC Luận văn gồm 05 chương :

Mục lục

Lời mở đầu

Chương I CÁC LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ

I.1 Quá độ trong mạch đơn giản………5

I.2 Qui tắc Petexen………12

I.3 Quá độ trong mạch 3 pha……… 17

I.4 Các định nghía về quá áp trong hệ thống điện……… 30

Chương II CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ÁP THAO TÁC DO ĐÓNG CẮT TỤ BÙ VÀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG SẮT TỪ II.1 Quá áp do thao tác đóng cắt tụ bù………49

II.2 Quá áp do cộng hưởng sắt từ……….59

Chương III CÔNG CỤ TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ III.1 Chương trình mô phỏng quá trình quá độ điện từ PSCAD/EMTDC…….67

III.2 Mô hình các phần từ tính toán quá trình quá độ……….68

III.3 Ví dụ mô phỏng bằng chương trình PSCAD/EMTDC……… 75

Chương IV KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ KHI THAO TÁC ĐÓNG CẮT IV.1 Sơ đồ thay thế mạch điện……… 77

IV.2 Kết quả mô phỏng bằng chương trình PSCAD/EMTDC……….79

IV.3 Tính toán phân tích quá áp thao tác trên lưới điện Cty Điện lực Đà Nẵng.86 IV.4 Công nghệ đo lường giá trị quá độ……….…91

Chương V CÁC GIẢI PHÁP GIẢM QUÁ ĐIỆN ÁP THAO TÁC TRONG

HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

V.1 Hạn chế quá điện áp đóng cắt………93 V.2 Hạn chế quá điện áp do cộng hưởng sắt từ……… 97 V.3 Các giải pháp lắp đặt thu lôi van hạn chế quá áp ………105

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài và mục đích nghiên cứu

Ngày nay hệ thống điện khu vực ngày càng phát triển rộng khắp Tương tự như các hệ thống điện tại các thành phố lớn của Việt Nam, hệ thống điện thành phố Đà Nẵng cũng phát triển để đáp ứng nhu cầu phụ tải ngày càng tăng Khi hệ thống điện phát triển có nhiều thiết bị điện công suất lớn: Máy biến áp, động cơ điện Để bù công suất phản kháng phải lắp đặt nhiều thiết bị tụ bù Chiều dài đường dây cấp điện càng lớn và ngoài ra để tăng vẻ mỹ quan trong nội thành nhiều khu vực phải ngầm hoá lưới điện Nhiều tuyến cáp ngầm được sử dụng

Khi đóng cắt điện các thiết bị này trong lưới điện thường xảy ra hiện tượng quá

độ Hiện tượng quá điện áp và quá dòng điện xung kích với biên độ lớn gây hại đến thiết bị, hệ thống có thiết bị đấu nối vào và ảnh hưởng đến chất lượng điện: Quá điện

áp, khuyếch đại điện áp, phóng điện hồ quang…Các nguyên nhân này thường gây nguy hiểm cho công nhân vận hành, hư hỏng thiết bị: máy biến áp tụ bù, cáp ngầm, thu lôi van, tạo các tín hiệu gây tác động nhầm cho các rơle bảo vệ và mạch giám sát, điều khiển …Trong khi đó các tiêu chuẩn thiết kế, quy phạm lắp đăt, qui trình vận hành chưa nêu kỹ về vấn đề này

Do đó việc nghiên cứu khảo sát quá trình quá độ thao tác và đưa ra giải pháp khắc phục hiện tượng này có ý nghĩa và mang lại hiệu quả trong quản lý vận hành lưới điện Ngoài ra những kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm tài liệu tham khảo để đề xuất bổ sung trong qui trình vận hành thiết bị và tiêu chuẩn công tác dùng trong thiết

kế lắp đặt thiết bị

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: khảo sát, phân tích hiện tượng quá độ khi thao tác đóng cắt điện cho các thiết bị điện cao thế: đóng cắt điện máy biến áp dung lượng lớn, động cơ điện công suất lớn, tụ bù tĩnh, cáp ngầm đường dây trên không có chiều dài lớn

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Chỉ nghiên cứu áp dụng cho các thiết bị thuộc lưới phân phối với cấp điện áp 22kV, 35kV, 110kV

2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Để khảo sát, phân tích và đưa ra giải pháp khắc phục các hiện tượng quá độ xảy

ra trên các thiết bị trong quá trình đóng cắt, đề tài phải thực hiện các nhiệm vụ như sau:

1- Nghiên cứu các đặc điểm của các thiết bị đóng cắt và các thiết bị được bảo vệ

2- Nghiên cứu các phương pháp tính toán quá trình quá độ trong thao tác trong lưới phân phối

3- Chọn và áp dụng chương trình mô phỏng phù hợp và chính xác

4- Khảo sát các quá trình quá độ thao tác trong các trường hợp

5- Đưa ra giải pháp khắc phục trong lắp đặt và chọn thiết bị đóng cắt phù hợp

Thu thập thông tin từ thực tế lưới điện của Điện lực Đà Nẵng: Thực tế về lắp đặt thiết bị, tìm hiểu những bất cập trong quản lý vận hành thiết bị đóng cắt

Sử dụng các phần mềm chuyên dụng thích họp đề nghiên cứu: Chương trình PSCAD/EMTDC

Kiểm nghiệm trong thực tế các kết quả nghiên cứu

3 Cấu trúc của luận văn

Với mục đích và nội dung nghiên cứu đã nêu luận văn đã được thực hiện và trình bầy trong 5 chương như sau:

Chương 1 Các Lý thuyết về quá trình quá độ

Chương 2 Các hiện tượng quá áp thao tác do đóng cắt tụ bù và hiện tượng cộng

hưởng sắt từ

Chương 3 Công cụ tính toán quá trình quá độ

Chương 4 Khảo sát các hiện tượng quá độ khi thao tác đóng cắt

Chương 5 Các giải pháp quá điện áp thao tác trong hệ thống cung cấp điện

Chương I CÁC LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ

1.1 QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ Ở MẠCH ĐƠN GIẢN

1.1.1 Quá độ trong mạch RL với nguồn xoay chiều: u(t) = UmSin( ωt + θ)

Xét sơ đồ mạch:

Hình 1.1 Với nguồn xoay chiều hình sin, được đóng mạch tại thời điểm t = 0 Hệ phương trình

vi phân mô tả quá trình quá độ (QTQĐ):

+

p + 2cos 2

ω

θ ω

+

Với điều kiện đầu i(+0) = 0 Ta có:

R.I(p) + Lp.I(p) = Um( 2cos 2

ω

θ ω

+

p + 2cos 2

ω

θ ω

+

p + 2cos 2

ω

θ ω

+

p + 2cos 2

ω

θ ω

R+

ω

θ ω

+

p + 2cos 2

ω

θ ω

Um ( 2cos 2

ω

θ ω

+

p + 2cos 2

ω

θ ω

) ).(

) ).(

R R

L R

Z = + ω sinϕ = ( 2 2 2 ) 1 / 2

L L

L R

ω ω

Sau khi biến đổi ta có biểu thức cuối cùng dòng điện trong mạch:

)(

U

2 / 1 2 2 2

L R

α

ϕθϕ

θωω

−

−

−

−++

Đồ thị biểu diễn dòng qua mạch:

Hình 1.2

1.1.2 Quá độ trong mạch LC với nguồn một chiều: u(t) = E

Li

p

) I(

) ( 0) ( U

1 (

0) ( U

pL p

Li

Với điều kiện đầu: i(+0) = 0 Uc(+0) = 0

) ( )

1

(

E

p I pC

pL

) (

E )

(

E )

(

E

)

E )

(

E )

1 (

E

)

(

2 0

2 0

0 2

0 2 1

2

1 2 1 1

ω ω

ω

+

= +

=

+

= +

= +

=

p L p

L p

L

L p pL

p pL

E

2 0

2

0

0

ω ω

pC

p p I pL p

p

) I(

) ( 0)

(

U

p pC

1 1

) 0 ( )

(

pC pL p U

−

=

= [ ( 0 )][

) (

1 1 ) 0 (

C

L p L U

+

⋅

⋅ +

−

) (

1

2 0 2 0

ω

ω L⋅ p + ] Tìm được gốc i(t):

) (

1 )][

0 (

0 2 0 0

L

C U

E c( 0 )] sin 0

Điện áp trên tụ :

] )]

0 ( [

E ) ( E

)

o

o c

c

p L

C U

E pL p p I pL

)]

0 ( [

E

)

(

o o

c c

p

p L

C L U

c

p

p L

C L U

Hình 1.5 Điện áp trên tụ :

LC U

LC U

t

U m⋅ (sin ωo + θ ) − m⋅ sin θ cos 1 ]’

LC C

U t

CU m⋅ (cos ωo + θ ) + m⋅ sin θ ⋅ ⋅ sin 1

ω

Đồ thị dòng qua tụ:

Hình 1.6

1.1.4 Cộng hưởng trong mạch RLC với nguồn xoay chiều: u(t) = UmSin( ωt +θ)

Xét hiện tượng cộng hưởng trong sơ đồ một pha gồm điện dung , điện cảm tuyến tính hoặc phi tuyến L và điện trở tác dụng R đấu vào nguồn điện áp U Các sơ đồ ba pha của hệ thống điện trong tình trạng thao tác hoặc sự cố không đối xứng kể trên đều

có thể thay thế bằng một sơ đồ một pha đằng trị

Hình 2.16 Trong cộng hưởng điều hoà, tần số riêng của mạch dao động bằng tần số nguồn, sóng điều hoà cơ bản đóng vai trò chủ yếu trong đường cong điện áp và dòng điện Do

đó cho phép trong tính coi điện áp và dòng điện trên các phần tử của mạch có dạng hình sin và dùng phương pháp ký hiệu thông thường Vấn đề đặt ra là cần xác định điện áp trên điện cảm UL khi điện áp nguồn thay đổi và khi điện dung C của mạch thay đổi

Trong sơ đồ thay thế nêu trên bỏ qua điện trở Phương trình cân bằng điện áp của mạch dao động viết dưới dạng số phức:

U - điện áp trên điện dung

Trong mạch điện có điện trở R, điện cảm L và điện dung C mắc nối tiếp, gọi tắt là mạch RLC có một tình trạng đặc biệt khi điện kháng XL của điện cảm bằng điện kháng XC của điện dung Khi đó

Điện áp hiệu dụng phức trên điện cảm Dòng điện trong mạch cùng pha với điện

áp của nguồn U và điện áp hiệu dụng phức trên điện dung U•C và điện áp hiệu dụng phức trên điện cảm U•L có môđun bằng nhau nhưng ngược pha nhau:

Người ta gọi tình trạng này là cộng hưởng điện áp

Giả thiết rằng điện trở R, điện cảm L và điện dung C là các hằng số, trị số hiệu dụng U của điện áp nguồn không đổi nhưng tần số góc ω của nguồn có thể biến thiên từ 0 đến

C L j R

U Z

U

I

ω

ω − +

C L

X : Điện kháng trên điện dung C

Điện áp trên điện cảm được tính theo hai phương trình sau:

I

jX

I X

Đường cong từ hoá U L (I) là phi tuyến nên dùng phương pháp đồ thị để giải

1.2 QUI TẮC PETEXEN

1.2.1 Quá trình sóng trên đường dây tải điện

Chọn gốc tọa độ : cuối đường dây

Gốc thời gian : Thời điểm sóng vửa tới cuối đường dây

Ký hiệu cuối đường dây : điểm 2

Dòng, áp cuối đường dây : u2 và i2

Thời điểm t=0 ( thời điểm sóng vừa tới cuối đường dây)

Điện áp cuối đường dây bằng tổng điện áp sóng tới và sóng phản xạ

px toi u

u

u2 = 2 + 2 (1)

Dòng cuối đường dây bằng hiệu dòng sóng tới và dòng điện sóng phản xạ

px toi i

i

i2= 2 − 2 (2)

Sóng tới và phản xạ của dòng và áp liên hệ theo công thức:

) 4 ( ,

) 3 (

2

c

px px c

toi

U i Z

1.2.2 Xác định áp, dòng cuối đường dây tải kháng

Dùng sơ đồ Petexen rất thuận lợi để tìm điện áp, dòng điện quá độ cuối đường dây với mốc thời gian là thời điểm sóng tới truyền đến cuối đường dây để gây nên quá trình quá độ là: = − = 0

v

l t

U1( ) = − Sóng tới cuối đường dây : 2 ( ) ( v)

l t a o toi t U e

Chọn gốc thời gian : lúc

v

l t v

o

2 2

Dòng toán tử:

) (

) (

2 )

( 2 ) (

2

pL Z p

U pL

Z

p U p I

c

o c

t

+ + +

= +

=

α

Dạng

) (

) (

2

1

p F

p

F Áp dụng công thức

) (

) (

' 2

A =

L

Z p p

p

F2( ) = 0 ⇒ 1= − α ; 2= − c

o U p F

p

F1( 1) = 1( 2) = 2

Lp L p p Z

p

F = c + 2 + α

2 ( )

L pL Z

p

F2'( ) = c+ 2 + α

L Z L L Z F

p

F ( ) = ' ( − α ) = c− 2 α + α = c− α

2 1

'

2

c c

c

L

Z Z L

Z F

)

U c

o

+ + + α

Thay vào: L -1 I2(p) = p t e p t

p F

p F e

p F

p F

)(

)()

(

)(()

2

' 2

2 1 1

' 2

1 1 2

Z

c

o c

L Z

U e

L Z

c e e L Z

Z v l t

c

o

c e e

L Z

) (

2 )

( )

pL U pL

p I p U

c

o

+ + +

p

F2( ) = 0 ⇒ 1= − α ; 2= − c

c o c

L

Z F p F L U F

p

F1( 1) = 1( − α ) = − 2 α ; 1( 2) = 1( − ) = − 2

L pL Z

p

F2'( ) = c+ 2 + α

L Z L L Z

F' ( − α ) = c− 2 α + α = c− α

2

c

c c

L

Z Z L

)

pL U c

o

+ + + α

Thay vào: L -1 U2(p) = p t e p t

p F

p F e p F

p F

) (

) ( )

(

) ( ) (

2

' 2

2 1 1

' 2

1 1 2

Z L

Z U e

L Z

L U

2

τ ατ

α α

c

c o

c o

c e L

Z L

Z U e

L Z

α α

c

c c

o

c e Z L

Z e

Z L

2)

l L Z

c

c v

l

c o

c

e Z L

Z e

Z L

L U

Có được u2(t) và i2(t) ta tính được áp và dòng phản xạ cuối đường dây:

t tai toi px px

toi t

U2 = 2 − 2 ⇒ 2 = 2 − 2

l t L Z

c

c v

l t

c o

v l t a o px

c e Z L

Z e

Z L

L U e

U t

U1( ) = − Sóng tới cuối đường dây : 2 ( ) ( v)

l t a o toi t U e

Chọn gốc thời gian : lúc

v

l t v

o

2 2

Dòng toán tử:

) 1 (

) (

2 )

1 ( ) (

2 1

) ( 2 ) (

2 = + = + + + = p+ + Z pC+

pC U

pC Z p

U

pC Z

p U p I

c o

Dạng

) (

) (

2

1

p F

p

F Áp dụng công thức

) (

) (

' 2

A =

C Z p p

)

2 = ⇒ = − α = −

C U F

Z F

2 )

Suy ra gốc

L -1 I2(p) = L -1

) 1 (

) (

2 )

(

2 = p+ + Z pC+

pC U p

p F e

p F

p F

)(

)()

(

)(()

2

' 2

2 1 1

' 2

1 1 2

α

o Z U

c c o

c

C Z Z

U e

C Z

C U i

2

2 1

2 )

[ 1

2 ) (

2 2

τ ατ

α α

o Z U

c c

Z

Ce C

1

2 )

2 )

( 2

v l t Z U

c v

l t

c

o e Z

Ce C

Điện áp ảnh trên tải dung:

) 1 (

) (

2 1

1 ) ( )

2 = ⋅ = ⋅ p+ + Z pC+

pC U pC

pC p I p U

c

o

α

) 1 (

) (

2 1

) (

)

2 = ⋅ = p+ + Z pC+

U pC

p I

)

2 = ⇒ = − α = −

o U p F

p

F1( 1) = 1( 2) = 2

α

α + +

Z

F' = 2 c + 1 + c

2

α α

'

2

1 1

) 1 ( 2 ) 1 ( )

2 2

'

2 = − = − C+ +Z Cα =Z Cα −

C Z

Z C Z F

p

c

c c

Suy ra gốc

L -1U2(p) = L -1

) 1 (

) (

2

+ +

p

U c

o

α

Thay vào: L -1 U2(p) = p t e p t

p F

p F e p F

p F

) (

) ( )

(

) ( ) (

2

' 2

2 1 1

' 2

1 1 2

c

o c

C Z

U e

C Z

U u

1

2 1

2 )

1

2 ) (

1 2

τ ατ

U

−

=

2 )

1 (

l t C Z v l t

c

C Z

U t

toi t

1 (

) ( 2

v l t C Z v l t

c

o v

l t a o

C Z

U e

U t

1.3 QUÁ ĐỘ TRONG MẠCH 3 PHA

1.3.1 Đặc điểm và phương pháp nghiên cứu

Trong phần lý thuyết mạch đã trình bày quá trình quá độ đối với mạch một pha Nhưng trong thực tế thì năng lượng điện được tạo ra, truyền tải, phân phối theo mạch

3 pha Mạch ba pha cũng có thể tính được cho mạch một pha Trong quá trình thiết lập các nguyên lý, công thức và lấy kinh nghiệm từ thực tiễn gặp phải phức tạp của mạch nhiều pha Mạch 3 pha phức tạp hơn so với mạch 1 pha Trong mạch 3 pha sự tăng nhanh của các thành phần khác gây ra bởi các pha còn lại và bởi vì đôi khi cũng cần phải xét đến sự liên kết tương hỗ giữa các pha với nhau

Có hai phương pháp cơ bản để tính quá trình quá độ ở mạch ba pha: cách thứ nhất đơn gian chỉ là mở rộng các kết quả của mạch một pha; cách còn lại là sử dụng phương pháp thành phần đối xứng Cách giải quyết thứ nhất thừa nhận rằng mạch 3 pha thực sự được xem như là một phần tử và sự nhiễu loạn được tạo bởi một điểm ảnh hưởng đến tất cả các điểm còn lại ở một mức độ nào đó Tần số dao động không phải

là tần số hệ thống và không bị ảnh hưởng bởi mối quan hệ giữa các pha với nhau trong mạch ba pha như là dòng điện và điện áp Lý thuyết thành phần đối xứng đã được sử dụng cách đây nhiều năm trong việc tính toán dòng điện và điện áp sự cố ở trạng thái xác lập khi có sự cố không đối xứng xảy ra, như là ngắn mạch pha – pha xuất hiện trong mạch ba pha Phương pháp này giả lập loại bỏ các điều kiện không đối xứng đi,

và độ phức tạp chỉ tăng thêm một ít thì cho phép tiến hành tính toán tương tự đối với mạch ba pha, bởi lúc này việc tính toán là tương tự

Phương pháp đầu sẽ được dùng phổ biến Hơn nữa, việc thể hiện bằng hình ảnh

sẽ thuận tiện hơn Phương pháp thành phần đối xứng là một phương pháp tổng quan

Ta sẽ bắt đầu với điểm cơ bản nhất, điểm trung tính của hệ thống

1.3.2 Tầm quan trọng của chế độ làm việc của điểm trung tính:

Hệ thống điện 3 pha có thể làm việc ở chế độ trung tính nối đất, trung tính cách đất hoặc nối đất thông qua trở kháng Điện áp quá độ tạo ra bởi các quá trình vận hành, hay thao tác đóng cắt thường phụ thuộc vào điều kiện vận hành của các loại nối đất này Điều này là không quá ngạc nhiên bởi vì chúng ta luôn vận hành với nhiều mạch khác nhau dưới những điều kiện khác nhau ở hệ thống trung tính nối đất trực tiếp, mạch 3 pha được xem như độc lập và xem như 3 mạch một pha, nếu điện trở nối đất là không đáng kể Vì vậy, nếu một máy cắt cắt ra để loại trừ sự cố, hoặc sa thải phụ tải, điện áp quá độ của quá trình phục hồi có thể được xác định bằng phương pháp mạch một pha như ở các phần trước mà không cần chỉnh sửa thêm nhiều Ở mạch đơn giản nhất như hình 1.8a, ta để ý rằng giá trị điện áp hiệu dụng ở mỗi pha là V 3 ,và nếu ta bỏ qua quá trình tắt dần, ta sẽ thấy rằng điện áp phục hồi sẽ đạt 2 2 lần giá trị trên mỗi pha, nếu chúng cắt theo thứ tự Khi ta tính toán theo cách này, điều cần thiết

là ta phải giả định rằng không có sự liên kết tương hỗ giữa các pha với nhau Có một

số tình huống hệ số tương hỗ cần phải tính đến (như trong các loại máy móc) và phải được tính vào

Khi trung tính cách đất hoặc nối đất thông qua trở kháng thì việc tính toán sẽ khác đi, ta lấy một ví dụ đơn giản Giả sử rằng ta đang cắt mạch một phụ tải nối sao (Hình 1.8a), với điểm trung tính là cách đất

Hình 1.8: a) Mạch 3 pha đơn giản với trung tính nối đất b) Sơ đồ pha

Bởi vì sự cân bằng tự nhiên của phụ tải, điểm trung tính N sẽ có điện thế gần với điểm O - điểm trung tính của nguồn, nên trong suốt quá trình vận hành bình thường như thể 2 điểm này được nối liền với nhau

Tuy nhiên, khi có một quá trình đóng cắt xảy ra, tình huống nhanh chóng thay đổi Bởi vì dòng điện ở mạch 3 pha qua thứ tự không, một pha( chẳng hạn như pha A)

sẽ bị cắt trước Khi điều này xuất hiện, liên kết với điểm trung tính của tải như đã mô

tả sẽ không còn tồn tại Thay vào đó điểm trung tính của phụ tải có xu hướng di chuyển đến điểm P giữa 2 pha còn lại của phụ tải Hình minh họa dưới đây chỉ rõ ra sự tác động đối với điểm trung tính N bởi các điện trở bằng nhau nối giữa N với A, B, C Khi một trong các tác động này bị phá vỡ ( như pha A), lực kéo của 2 pha còn lại sẽ làm cho N có xu hướng di chuyển về phía đường thẳng nối giữa B và C

Bằng cách suy luận đơn giản, ta có thể tưởng tượng ra rằng điểm N dao động quanh P, giống như những gì xảy ra trong mạch điện

Nếu các cực còn lại của máy cắt vẫn còn đóng, điện áp giữa A và P, ngay cả khi đối với pha đã bị cắt sẽ là 3V 2, vì vậy trong suốt quá trình quá độ nó có thể ngay lập tức đạt đến giá trị 2 2 lần giá trị này Đồng thời giá trị này cũng lớn hơn 50% so với giá trị tương ứng khi điểm trung tính được nối đất Tất nhiên ở các điều kiện bình thường, 2 pha còn lại sẽ bị cắt ngay sau khi pha đầu bị cắt Lúc này 2 pha còn lại sẽ gánh ít tải hơn, giống trường hợp mắc nối tiếp Với hệ thống trung tính nối đất, 3 cực của máy cắt hoạt động độc lập, nhưng với hệ thống trung tính cách đất, khi sự cân bằng phụ tải bị mất đi hoặc có sự cố ở mạng 3 pha, thì việc loại trừ sự cố đối với pha đầu là nặng nề hơn so với trường hợp trung tính nối đất

Trong phần tới, ta sẽ tìm hiểu thêm về một số trạng thái đóng cắt xảy ra trong thực tế đối với hệ thống 3 pha

1.3.3 Đóng cắt mạch 3 pha có tính cảm với hệ thống trung tính cách đất:

Với ví dụ đầu tiên về quá trình đóng cắt đối với hệ thống trung tính cách đất, ta xét đến độ sụt giảm của tải phản kháng trong hệ thống mạch 3 pha Ta thấy rằng độ sụt giảm này là giảm đi đối với hệ thống một pha Mỗi cuộn kháng sẽ có một độ tự cảm, và trong việc tính toán bất kì quá trình quá độ nào, nó sẽ có một điện dung nhất định Ta biểu diễn cuộn kháng bằng cách chọn mạch hình pi với một điện cảm L và điện dung C được nối đất Khi kết nối các cuộn kháng này lại với nhau, ta được như (Hình 1.9) ở đây điểm trung tính là cách đất, nhưng thật ra nó xem như được nối đất

thông qua điện dung 3C Thật sự là không có điểm trung tính nào được gọi là cách đất hoàn toàn Những gì chúng ta đang nghiên cứu ở đây là trường hợp đặc biệt của trung tính nối đất qua trở kháng, khi mà trở kháng trở thành dung kháng

Hình 1.9: a) Mạch tương đương cho đóng cắt 3 pha điện kháng

b) Sơ đồ véc tơ liên quan

c) Điện áp 3 pha

d) Dòng 3 pha

Ta giả sử rằng pha A bị cắt trước Giản đồ pha như hình 2b cho thấy quan hệ giữa dòng điện và điện áp của các pha tại thời điểm này Sự thay đổi của dòng điện và điện

áp được biểu diễn như Hình 1.9c và 1.9d Điện áp của pha A tại thời điểm pha A bị cắt

là giá trị âm cực đại, trong khi giá trị điện áp của pha B và C chỉ đạt một nửa giá trị dương cực đại, với giá trị đối với pha B là đang tăng và pha C là đang giảm Ngay lúc

đó sẽ không có điện áp giữa pha B và pha C, nghĩa là hiệu điện thế BC sẽ đạt giá trị 0 Dòng điện trong những pha này là bằng nhau và ngược dấu, với giá trị tức thời là giá trị đỉnh ( I) Sau khi pha A được cắt ra, dòng IB và Ic sẽ tiếp tục bằng nhau nhưng ngược dấu Như ta thấy trong Hình 1.9d, có sự thay đổi về mặt giá trị khi dòng IA bị cắt và về giá trị 0 sau 90o Điều này cũng có thể giải thích là do hiệu điện thế VBC đạt cực đại sau đó 90o

Ta hãy xét về điện áp quá độ khi xuất hiện quá trình đóng cắt ở pha A Giả thiết rằng trở kháng của nguồn là ít hơn nhiều so với phụ tải nên có thể xem như nguồn

công suất vô cùng lớn Nếu ta vẽ lại mạch như Hình 1.10, ta sẽ thấy rằng mạch là đối xứng, và đây là một trong những tình huống hay xảy ra đối với mạch 3 pha Nếu ta muốn giải quyết vấn đề bằng phương pháp bơm nguồn dòng, nghĩa là xác định phản hồi của mạch đối với nguồn dòng bơm vào tại điểm AA’ với cùng giá trị và ngược dấu đối với dòng trong pha A, ta nhận thấy rằng có 2 đường dẫn dòng có thể xác định được, đường qua pha B hoặc qua pha C Có thể thấy rằng, dòng bơm vào sẽ được chia đều theo hướng mũi tên, và phản hồi của mạch ở 2 phía đối xứng sẽ đồng nhất Ví dụ, điểm B’ và C’ sẽ có cùng chịu một điện thế quá độ

Hình 1.10: Tái cấu trúc mạch điện hình 2

Điều này có nghĩa là những điểm như vậy có thể được nhập lại với nhau dưới quan điểm quá trình quá độ, tựa như ta gấp mạch điện lại theo đường đối xứng, kết quả sẽ được như hình 1.10b Ta quan sát rằng điện dung tại B’ và C’ được loại bỏ khỏi tiến trình, vì với phương pháp nguồn dòng trong tính toán quá độ thì yêu cầu là ta loại

bỏ tất cả các nguồn khác, thay thế chúng bằng trở kháng trong, mà trong ví dụ này ta

đã chọn cách là bỏ qua Vì vậy, vấn đề đối với mạch 3 pha có thể được giảm xuống thành 1 pha theo cách tương đương

Điện áp phục hồi chuyển tiếp ( TRV) đối với cực thứ 2 và cực thứ 3 có thể được xác định bằng phương pháp tương tự Mạch còn lại khi cực A bị ngắt như Hình 1.11

Hình 1.11: Mạch điện khi cực 2 và 3 bị cắt Các dòng điện bằng nhau được bơm vào tại BB’ và CC’ để giả lập quá trình ngắt trong khi loại bỏ nguồn tại 2 pha B và C Điều quan trọng là tathấy rằng nếu dòng vào B’ thì nó sẽ ra ở C’ hoặc ngược lại Kết quả là, các dòng điện bằng nhau về giá trị và trái dấu sẽ “ xuyên” qua các điểm nhập chung G và N như thể các yếu tố này không tồn tại Mạch trong Hình 1.11 sẽ được giản lược như Hình 1.12

Tần số tự nhiên của điện áp phục hồi quá độ đối với các cực B và C sẽ là:

( )1 / 2 2

/ 1

1 2

1 2

1

LC C

Hình 1.13: Quá độ khi cắt động cơ công suất 3.000 HP -13,8kV

1.3.4 Phương pháp thành phần đối xứng để giải quyết bài toán quá độ mạch 3 pha:

Lý thuyết về thành phần đối xứng được nghiên cứu và phát triển bởi Fortescue là phương pháp đúng đắn nhất trong việc nghiên cứu các hệ thống nhiều pha dưới điều kiện bất đối xứng, đặc biệt là trong việc tính toán dòng chạm đất khi có sự cố bất đối xứng xảy ra

Tính không đối xứng được loại bỏ bằng cách thay thế mạch ba pha không đối xứng hoặc không cân bằng bằng 3 mạch một pha cân bằng, gọi là hệ thứ tự, hệ mà dòng và áp thứ tự được tạo ra Bằng cách kết nối hợp lý những hệ thứ tự này với nhau

ta có thể tổng hợp thành phần bất đối xứng trong hệ thứ tự Fortesscue đã chỉ ra rằng

có thể mở rộng phương pháp cho trường hợp quá trình quá độ, và Evans, Monteith, sau đó là Hammarlund đã hoàn thiện phương pháp này Theo đó, dao động tần số tự nhiên gây nên quá trình quá độ có thể được phân tích thành thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không tương tự như dòng điện và điện áp ở tần số công nghiệp, với cùng lý do: các thành phần thứ tự không ảnh hưởng lẫn nhau trong hệ đối xứng Phương pháp có nhiều cách để áp dụng Ví dụ, lấy theo cách tính của Hammarlund, phù hợp với sự cố ba pha ở đây ta xét điện áp giữa các tiếp điểm của một máy cắt là không đối xứng khi có một cực bị cắt trong khi 2 cực khác vẫn còn đóng hoặc gây hồ quang ở hình 6.11, điện áp các pha A, B, C của máy cắt được kí hiệu bởi VA, VB, VC, theo thứ tự Chúng có các thành phần đối xứng là Vo, V1, và V2 Theo đó dòng tương ứng là Io, I1, I2

Pha A của máy cắt bị cắt có thể được biểu diễn thông qua việc đặt thêm một tổng trở giữa 2 điểm hở của pha đó Ta lấy giá trị của Z là vô cùng lớn, điều này tương đương với việc cắt dòng điện tại điểm hở, nhưng xét một cách tổng quát, VA = IAZ

Hình 1.14: Thông mạch pha thứ 1 của mạch 3 pha sự cố trong lưới không cân bằng Nếu ta giả thiết rằng các cực khác vẫn còn đóng hoặc giá trị điện áp là bỏ qua được, ta có:

Phương trình (3), (2a) và (4) thỏa mãn theo sơ đồ Hình 1.15

Hình 1.15: Thông mạch pha thứ nhất để giải trừ sự cố 3 pha

Sự thay đổi giá trị đột ngột của tổng trở Z từ 0 đến vô cùng lớn sẽ biểu diễn quá trình hở mạch đối với dòng điện trong một pha, và điện áp VA đặt lên 3 đầu cực hở mạch sẽ là điện áp phục hồi quá độ của cực đầu tiên Và nó sẽ là tổng hợp tất cả các phản hồi của một hệ thống mạng phân chia, nhưng chúng được liên kết với nhau một cách hợp lý nhằm tính được giá trị điện áp quá độ thực sự Ví dụ minh họa như Hình 1.15 sẽ tạo ra điện áp phục hồi tại các cực trong quá trình mở

Từ quan điểm phân tích, điện áp quá độ phục hồi có thể được tính toán bằng bất

kì phương pháp nào ta đã nghiên cứu trước đây Ví dụ, ta có thể ngắn mạch máy phát E1 và bơm vào một dòng âm tại điểm hở Hammarlund đã đưa ra phương pháp kết nối

hệ thống thứ tự nhằm xác định quá trình quá độ khi pha thứ 2 và pha thứ 3 bị cắt Cách tiếp cận này dường như không đáp ứng được đối với các sự cố bất đối xứng như ngắn mạch một pha hoặc 2 pha chạm đất Xét về mặt điểm tiếp xúc, ta sẽ không còn xét đến hệ thống cân bằng như ở sự cố 3 pha nữa Như vậy ở một hệ bất đối xứng,

ta xét đến 2 yếu tố, sự cố và điểm tiếp xúc, vì các pha không bị cắt đồng thời Những trường hợp như vậy có thể được giải quyết với phương pháp tính toán tương tự như tính toán ngắn mạch sử dụng thành phần đối xứng

Xét sự cố chạm đất một pha Lý thuyết thành phần đối xứng chỉ ra rằng để xác định dòng sự cố thì hệ thống thứ tự phải được kết nối như Hình 1.16

Hình 1.16: Thông mạch sơ đồ đơn pha sự cố 1 pha chạm đất Dòng chạy theo đường vòng kín có giá trị 1/3 giá trị dòng sự cố , ta có thể biểu diễn như sau:

I1 =I2 =Io = IF/3

Tuy nhiên, nếu tiếp điểm của máy cắt được đặt trong nhánh của Hình 1.16, trong quá trình cắt thì điện áp phục hồi của máy cắt sẽ đặt lên tại điểm xảy ra sự cố Chính vì vậy quá trình cắt hoàn toàn của dòng I1 sẽ theo hệ thứ tự thuận, I2 sẽ theo hệ thứ tự nghịch và Io sẽ theo hệ thứ tự không, với hệ thống được kết nối theo thứ tự điện áp Nếu máy cắt cắt sự cố không đúng tại điểm xảy ra sự cố mà tại một điểm khác, thì tiếp điểm phải phải được mở tại điểm này đồng thời trong cả 3 hệ Hoặc dưới quan điểm phân tích thì các thành phần thứ tự của dòng điện phải được bơm vào đầu cực máy cắt theo thứ tự mỗi pha Điện áp phục hồi của máy cắt sẽ là tổng của 3 giá trị này

Ta sẽ sử dụng phương pháp này để giải quyết một vấn đề rất hay xảy ra trong thực tế là xác định được điện áp quá độ phục hồi gây ra bởi quá trình cắt pha chạm đất đối với hệ thống điện phân phối Ta xét ví dụ như Hình 1.17a Đường dây cao áp cung cấp cho thanh cái trạm phân phối thông qua máy biến áp giảm áp Thanh cái này sẽ tiếp tục cấp điện cho các xuất tuyến phân phối cấp thấp hơn Mỗi xuất tuyến được bảo

vệ bởi một máy cắt Đồng thời thanh cái cũng được đấu với dàn tụ 3 pha nhằm cải thiện hệ số công suất, với trung tính cách đất

Hình 1.17 b là sơ đồ mạch thay thế Trong đó nguồn có điện cảm L và điện dung đối với đất của mỗi pha là Cp , được biểu thị bằng cách vẽ như trong hình, giống như

vỏ cáp được nối đất Dàn tụ điện có điện dung tổng là CQ Điểm trung tính của nó có điện dung với đất là CR

Bỏ qua nguồn E, vì nó không ảnh hưởng gì nhiều xét theo phương pháp bơm dòng, tổng trở thứ tự thuận và thứ tự nghịch là đồng nhất Chúng có thể được kết hợp với nhau như trong Hình 1.18b Với cách này ta cũng đơn giản hóa được tổng trở thứ

tự không, bằng cách kết hợp 3 điện dung lại với nhau Trong hầu hết các trường hợp

CR là rất nhỏ so với CQ và CP Vì vậy điện dung trong hệ thứ tự không giảm xuống thành CP Hình 1.18b là sơ đồ rút gọn của Hình 1.18a

Hình 1.18: a)Mạch để xác định quá độ điện áp phục hồi

cos 1 3

có giá trị nằm trong khoảng từ 4<R< 20 Ω, sẽ giữ cho dòng sự cố trong khoảng giới

hạn 400A < IF < 2000A Điều này chỉ ảnh hưởng đến dòng thứ tự không, vì nó chỉ có tác dụng trong hệ trở kháng thứ tự không, dưới dạng điện trở 3R mắc nối tiếp với L Tại cấp điện áp này, L sẽ có giá trị khoảng 1mH Tuy nhiên, C có thể thay đổi từ khoảng vài microfarad đến vài chục microfarad tùy thuộc vào số xuất tuyến đang có Giả sử nó có giá trị 5µF, khi đó trở kháng của sóng xung sẽ là:

o C

L Z

Ta đã biết về quá trình tắt dần của mạch cộng hưởng, rõ ràng là với R≥ 28Ω, trong hệ thứ tự không thì độ dao động của quá trình phục hồi sẽ được triệt dần Ta cũng cần để ý thêm rằng với lưới trung tính nối đất qua điện trở thì dòng sự cố sẽ biến đổi theo điện trở Điều này sẽ quyết định đến dòng bơm vào mạch là bao nhiêu trong quá trình ta giả lập sự cố

Việc tính toán quá độ bằng phương pháp thành phần đối xứng cũng đã được sử dụng bởi nhiều tác giả trước đó Ví dụ, Lewis đã sử dụng để tính toán quá độ của dòng

sự cố Ta đã chọn phương pháp thành phần đối xứng để tính toán vì nó là phương pháp phổ biển nhất trong việc giải quyết các bài toán bất đối xứng

Mỗi phụ tải của từng xuất tuyến trong Hình 1.17a có thể được biểu diễn bởi một điện trở, và nếu trung tính được nối đất thì nó điện trở này sẽ tham gia vào cả hai mạch, và góp phần làm giảm dao động ở cả 2 mạch Nhưng nếu trung tính cách đất, thì

nó chỉ xuất hiện trong mạch thứ tự thuận và thứ tự nghịch

Ngoài ra ta cũng cần biết thêm các phương pháp cổ điển để giải quyết vấn đề này,

đó là phương pháp mở rộng mạch một pha Với cách này, ta phải vẽ được mạch thay thế tương đương, xét tại đầu cực máy cắt tại pha xảy ra sự cố như Hình 1.19

Hình 1.19: Mạch tương để giải mạch quá độ phục hồi trong hình 14b bằng phương pháp cổ điển

1.4- CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ QUÁ ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.4.1 Định nghĩa về quá áp

Quá độ - Transients

Thuật ngữ quá độ thường được sử dụng trong phân tích sự thay đổi của hệ thống điện để biểu thị một hiện tượng không mong muốn và thoáng qua trong tự nhiên Khái niệm quá độ dao động tắt dần trong mạch RLC được hầu hết các kỹ sư điện nghĩ đến khi họ nghe đến từ quá độ

Những định nghĩa khác được sử dụng để định nghĩa về quá độ:“ đó là phần của thay đổi trong một biến số, mất đi trong suốt quá trình chuyển từ một điều kiện vận hành ổn định sang một trạng thái khác” Rất tiếc, định nghĩa này có thể sử dụng để mô

tả về bất cứ khác thường xảy ra trong hệ thống điện

Một từ sử dụng phổ biến khác thường được xem như đồng nghĩa với quá độ là xung Một kỹ sư có thể nghĩ rằng một xung như là kết quả quá độ từ một xung sét trong chống sét van được sử dụng để bảo vệ Cuối cùng, người sử dụng thường sử dụng từ để mô tả những gì bất thường mà có thể được quan sát phía nguồn cung cấp từ giảm đến tăng và cắt điện Bởi vì có nhiều tình trạng mơ hồ tìm tàng với từ này trong lĩnh vực chất lượng điện, nói chung chúng ta tránh sử dụng nó nếu định nghĩa được rõ ràng những gì liên quan tới

Nói chung, quá độ có thể được phân thành hai loại, xung và dao động Những thuật ngữ này phản ánh dạng sóng quá độ của dòng điện hay điện áp Sau đây mô tả chi tiết hơn hai loại này

Các quá độ xung – Impulsive transient

Một quá độ xung là một thay đổi đột ngột, với tần số phi công nghiệp trong điều kiện xác lập của điện áp, dòng điện hay cả hai, đó là sự phân cực theo một hướng (chủ yếu hoặc là cực dương hoặc là cực âm)

Thông thường, một xung quá độ được đặc trưng bởi thời gian tăng lên và tắt dần,

mà có thể được bộc lộ ra bởi lượng riêng của chúng Ví dụ như, một quá độ xung 1,2

x 50µs 2000-volt (V) bình thường tăng từ 0 đến giá trị đỉnh của nó là 2000V trong thời gian là 1.2µs và tắt dần đến một nửa giá trị đỉnh của nó trong 50µs Nguyên nhân chủ yếu gây ra xung quá độ là do sét Hình 1.20 minh họa một xung quá độ dòng điện điển hình do sét gây nên

Vì có tần số cao, dạng của xung quá độ có thể được thay đổi nhanh chóng bởi các phần tử mạch điện và có thể có đặc tính khác nhau đáng kể khi xem xét các phần khác nhau của hệ thống điện Thông thường, chúng không được truyền dẫn xa từ nguồn của

hệ thống điện, mặc dù, trong nhiều trường hợp, chúng có thể được truyền dẫn một khoảng cách khá dài dọc trên đường dây điện lực Xung quá độ có thể kích thích tần

số riêng của hệ thống điện và gây ra quá độ dao động

Hình 1.20 Dòng xung sét quá độ

Quá độ dao động – Oscillatory transient

Một quá độ dao động là một thay đổi đột ngột, tần số phi công nghiệp trong điều kiện ổn định của điện áp, dòng điện, hay cả hai, bao gồm cả giá trị phân cực dương và

âm

Một quá độ dao động bao gồm điện áp hay dòng điện mà giá trị tức thời thay đổi cực tính nhanh chóng Nó được mô tả bởi lượng riêng (nỗi trội là tần số), khoảng thời gian và độ lớn Các phân lớp được vạch rõ là tần số cao, trung và thấp Các dải tần số của phân loại này được chọn lựa để trùng khớp với các dạng chung hiện tượng quá độ dao động của hệ thống điện

Quá độ dao động với thành phần tần số sơ cấp lớn hơn 500kHz và khoảng thời gian đặc trưng được đo bằng mµ (hay vài chu kỳ của tần số cơ bản) được xem là quá

độ tần số cao Những quá độ này thường là kết quả của hệ thống cục bộ đáp ứng lại quá độ xung

Một quá độ với thành phần tần số sơ cấp giữa 5 và 500kHz với khoảng thời gian được đo trong mỗi mười mµ (hay vài chu kỳ của tần số cơ bản) được định nghĩa là quá

độ tần số trung bình

Nạp điện cho cụm tụ điện đấu song song tạo ra dòng quá độ dao động với tần số hàng chục kHz như minh họa ở Hình 1.21

Hình 1.21 Dòng quá độ dao động do đóng cắt tụ đấu song song

Kết quả việc đóng cắt cáp ngầm gây ra quá độ điện áp dao động trong cùng dải tần số Quá độ tần số trung bình cũng có thể là kết quả của hệ thống đáp ứng quá độ xung

Một quá độ với thành phần tần số sơ cấp nhỏ hơn 5kHz, và biến thiên khoảng thời gian từ 0,3 đến 50ms, được xem là quá độ tần số thấp Các hiện tượng của loại này thường xuyên bắt gặp trên hệ thống truyền tải và phân phối thực tế, và do nhiều nguyên nhân gây ra Hầu hết thường xảy ra là do đóng điện các cụm tụ bù, kết quả đặc trưng là quá độ điện áp dao động với một tần số sơ cấp giữa 300 và 900Hz Biên độ đỉnh có thể xấp xỉ 2.0pu, nhưng thông thường từ 1.3 đến 1.5 pu với một thời gian xung giữa 0.5 và 3 lần chu kỳ phụ thuộc vào sự tắt dần của hệ thống (Hình 1.22) (pu: per unit - điện áp tương đối; 1pu = (sqrt(2) x Um)/ sqrt(3)

với Um: là điện áp pha-pha lớn nhất của lưới)

Quá độ dao động với các tần số cơ bản nhỏ hơn 300Hz chỉ có thể được tìm thấy trên hệ thống phân phối Thông thường những quá độ dao động này liên quan tới cộng hưởng sắt từ và việc đóng điện cho máy biến áp (Hình 1.23) Các quá độ đối với các tụ điện mắc nối tiếp có thể rơi vào loại này Chúng xuất hiện khi hệ thống đáp ứng cộng hưởng với các thành phần tần số thấp trong dòng điện xung kích máy biến áp (sóng hài bậc hai và bậc ba) hay trong các điều kiện khác thường gây ra cộng hưởng sắt từ

Có thể phân loại các quá độ (và các nhiễu động khác) phù hợp theo kiểu của chúng Về cơ bản, một quá độ trong một hệ thống điện 3 pha với một dây trung tính riêng có thể hoặc là kiểu phổ biến hoặc là kiểu thông thường, được hay không phụ

thuộc vào việc nó xuất hiện giữa đường dây hay trung tính và đất, hay giữa đường dây

và trung tính

Biến thiên điện áp trong khoảng thời gian dài - Long Duration Voltage Variation

Biến thiên điện áp trong khoảng thời gian dài là độ lệch giá trị hiệu dụng (rms) tại tần số công nghiệp trong thời gian dài hơn 1 phút Tiêu chuẩn ANSI C84.1 qui định độ lệch điện áp trong trạng thái ổn định trong hệ thống điện Theo ANSI một biến thiên điện áp được xem là khoảng thời gian dài khi vượt quá 1 phút

Hình 1.22 Quá độ dao động tần số thấp do đóng điện cụm tụ bù điện áp 34,5kV gây ra

Hình 1.23 Quá độ dao động tần số thấp do cộng hưởng sắt từ của máy biến áp không tải

Các biến đổi trong khoảng thời gian dài có thể hoặc là quá điện áp hoặc là kém

áp Thông thường, kém áp và quá áp không do các sự cố hệ thống nhưng do thay đổi tải trên hệ thống và do thao tác đóng cắt hệ thống Các biến thiên này được trình bày một cách rõ nét bằng đồ thị điện áp hiệu dụng theo thời gian

Quá điện áp - Overvoltage

Quá điện áp là khi giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều lớn hơn 110% ở tần số công nghiệp trong một khoảng thời gian dài hơn 1 phút

Quá điện áp thường xảy ra khi đóng cắt tải (ví dụ, cắt một tải lớn hay đóng một cụm tụ bù) Quá điện áp xảy ra do hệ thống quá kém không đáp ứng việc điều chỉnh điện áp hoặc là điều chỉnh điện áp không tương xứng Việc đặt nấc phân áp của máy biến áp không chính xác có thể dẫn đến quá điện áp hệ thống

Mất điện duy trì – Sustained Interruption

Khi điện áp cung cấp bằng 0 trong một khoảng thời gian hơn quá một phút, biến thiên điện áp trong khoảng thời gian dài được xem như là mất điện duy trì Việc mất

áp trong thời gian nhiều hơn 1 phút thường xem là vĩnh cửu và đòi hỏi sự can thiệp của con người để sửa chữa phục hồi hệ thống Thuật ngữ mất điện duy trì liên quan tới các hiện tượng hệ thống điện đặc trưng, và nói chung, không liên quan tới cách sử dụng của thuật ngữ mất điện Các Công ty sử dụng “cắt điện” hay “mất điện” để mô tả các hiện tượng tự nhiên tương tự nhằm mục đích báo cáo độ tin cậy Tuy nhiên, điều này gây ra sự nhầm lẫn cho các hộ tiêu thụ, những người nghĩ rằng sự cắt điện cũng như bất cứ việc mất điện cũng là dừng cung cấp điện Thời gian này nhỏ bằng một nửa của một chu kỳ Sự mất điện, như định nghĩa trong IEEE tiêu chuẩn 100, không liên quan đến một hiện tượng đặc trưng Nhưng đúng hơn là tình trạng một phần tử trong

hệ thống mà có sự cố về chức năng Ngoài ra, việc sử dụng thuật ngữ cắt điện trong

bối cảnh kiểm soát chất lượng điện năng không liên quan tới độ tin cậy hay dịch vụ cấp điện liên tục Do đó, thuật ngữ này đã được định nghĩa để rõ ràng hơn về việc không có điện áp trong một khoảng nhiều chu kỳ dài

Biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn - Short Duration Voltage Variation

Thuật ngữ này có trong IEC mục sụt áp và cắt điện ngắn hạn Mỗi loại biến thiên

có thể được định rõ như: tức thời, thoáng qua, tạm thời, phụ thuộc vào khoảng thời gian

Biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn do điều kiện sự cố, việc đóng điện cho các phụ tải lớn đòi hỏi dòng khởi động cao, hay đấu nối “lỏng” trong sơ đồ đấu dây Phụ thuộc vào vị trí sự cố và các chế độ của hệ thống, sự cố có thể gây nên sụt điện áp tạm thời (sags), điện áp tăng (swells), hay một mất điện áp hoàn toàn (interruptions) Chế độ sự cố có thể gần hay xa điểm được quan tâm Trong trường hợp đó, tác động đối với điện áp trong suốt trạng thái sự cố biến thiên trong khoảng thời gian ngắn cho đến khi các thiết bị bảo vệ hoạt động giải trừ sự cố

sẽ hạn chế mất điện do một sự cố không vĩnh cửu nhỏ hơn 30 chu kỳ Độ trễ của việc đóng lại thiết bị bảo vệ có thể gây ra mất điện thoáng qua hay mất điện tạm thời Khoảng thời gian mất điện do trục trặc của thiết bị hay tiếp xúc không tốt là bất thường

Vài sự cố mất điện có thể xảy ra trước do sụt áp khi việc mất điện này chính là do

sự cố trên hệ thống nguồn Sụt áp xảy ra giữa thời gian một sự cố bắt đầu và thiết bị bảo vệ tác động Hình 1.24 minh họa một sự cố mất điện thoáng qua với điện áp trên một pha “sụt áp” khoảng 20% trong khoảng 3 chu kỳ, rồi thì giảm xuống 0 trong khoảng 1.8s cho đến khi recloser đóng lại

Sụt áp - Sags (dips)

Sụt áp sag là sự giảm xuống giữa 0.1 và 0.9 pu giá trị hiệu dụng điện áp hay dòng điện xoay chiều ở tần số công nghiệp trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ đến một phút

Uỷ ban chất lượng điện (PQ) đã sử dụng thuật ngữ sag trong nhiều năm để mô tả một điện áp giảm xuống trong khoảng thời gian ngắn Mặc dầu thuật ngữ này không được định nghĩa một cách chính thức, nó vẫn được sự chấp nhận và sử dụng tai các công ty, các nhà sản xuất và các hộ tiêu thụ IEC định nghĩa hiện tượng này là dip - sự sụt áp Hai thuật ngữ này có thể thay thế cho nhau (sags và dips), với sag được uỷ ban chất lượng điện Hoa Kỳ thích sử dụng hơn

Hình 1.24 Điện áp hiệu dụng 3 pha đối khi mất điện thoáng qua

do sự cố và sau đó recloser tác động

Thuật ngữ chuyên ngành được dùng để mô tả độ lớn của độ sụt điện áp thường gây hiểu nhầm 20% sụt áp (20 percent sag) có thể quy cho một độ sụt mà kết quả là điện áp 0.8 hay 0.2pu Thuật ngữ chuyên ngành được ưa thích sẽ là loại tránh sự nhầm lẫn khi đưa ra kết quả điện áp: sụt áp, độ lớn 0.8 pu (a sag to 0.8 pu ), hay sụt áp, độ lớn 0.2 pu (a sag whose magnitude was 20 percent) Khi không có định nghĩa rõ ràng khác, “ a 20 percent sag” sẽ được xem như một sự cố xảy ra trong suốt khoảng thời gian giá trị điện áp hiệu dụng giảm 20% xuống còn 0.8 pu Điện áp định mức hay điện

áp danh định nên được định nghĩa rõ ràng

Điện áp rơi thường liên quan tới các sự cố của hệ thống nhưng cũng có thể xảy ra

do đóng điện cho các phụ tải lớn hay do khởi động động cơ công suất lớn Hình 1.25 minh họa sụt áp đặc trưng, có thể liên quan tới sự cố một pha chạm đất (SLG) sự cố trên ngăn lộ khác của cùng trạm biến áp

Hình 1.25 Sụt áp do sự cố chạm đất một pha (SLG fault) a) Dạng sóng giá trị hiệu dụng khi sụt áp

b) Dạng sóng sụt áp

Trong các trường hợp này, 80% sụt áp tồn tại trong khoảng 3 chu kỳ cho đến khi máy cắt của trạm biến áp có thể cắt dòng điện sự cố Dải thời gian giải trừ sự cố đặc trưng từ 3 đến 30 chu kỳ, phụ thuộc vào độ lớn dòng điện sự cố và loại bảo vệ quá dòng

Hình 1.26 minh họa ảnh hưởng khi khởi động một động cơ công suất lớn Một động cơ cảm ứng sẽ mang tải từ 6 đến 10 lần dòng tải định mức trong suốt quá trình khởi động Nếu độ lớn dòng điện tương đối lớn so với giá trị dòng điện sự cố trong hệ thống tại điểm đó, kết quả điện áp rơi có thể đáng kể Trong trường hợp này, ngay lập tức điện áp giảm xuống 80% và dần dần trở lại bình thường trong khoảng 3s Chú ý sự khác nhau trong khung thời gian giữa trường hợp này và sụt áp chính là sự cố hệ thống thực tế

Hình 1.26 Sụt áp tạm thời xảy ra do khởi động động cơ

Cho dù các nỗ lực gần đây, khoảng thời gian của các trường hợp sụt áp không được định nghĩa rõ ràng Khoảng thời gian sụt áp điển hình được định nghĩa trong vài

ấn bản với khoảng thời gian từ 2ms (khoảng một phần mười của một chu kỳ) đến vài phút Kém áp không thể là đặc trung cho sự thay đổi giá trị hiệu dụng của giá trị tần số

cơ bản trong khoảng thời gian cuối nhỏ hơn một nửa chu kỳ Do đó, những biểu hiện này được xem như là quá độ Kém áp kéo dài hơn 1 phút có thể điều chỉnh đặc trưng bởi thiết bị điều chỉnh điện áp và có thể liên quan tới các nguyên nhân khác hơn sự cố

hệ thống Do đó, những loại này được phân thành biến thiên trong khoảng thời gian dài

Ở đây, khoảng thời sụt áp được chia thành 3 loại: tức thời, thoáng qua và tạm thời trùng với 3 loại mất điện và tăng điện áp Những khoảng thời gian này được ấn định tương đương với thời gian tác động của thiết bị bảo vệ cũng như các đề nghị phân chia khoảng thời gian như đề xuất của tổ chức kỹ thuật quốc tế

Sự tăng vọt - Swells

Sự tăng vọt Swell được định nghĩa là sự tăng lên trong khoảng từ 1.1 đến 1.8 pu giá trị hiệu dụng điện áp hay dòng điện ở tần số công nghiệp trong khoảng thời gian từ 0.5 chu kỳ đến 1 phút

Cũng như với sụt áp sags, tăng vọt điện áp swells thường liên quan tới các trạng thái sự cố hệ thống, nhưng chúng không phổ biến bằng sụt áp (voltage sags) Một trường hợp Swell có thể xuất hiện do điện áp tạm thời tăng trên các pha không sự cố

trong khi có sự cố một pha chạm đất Hình 2.8 minh họa sự tăng vọt điện áp xảy ra do

sự cố một pha chạm đất

Hình 1.27 Sự tăng điện áp tức thời do sự cố một pha chạm đất

Swells có thể xảy ra do cắt một tải lớn hay đóng một cụm tụ bù dung lượng lớn Swells được đặc trưng bởi độ lớn của chúng (giá trị hiệu dụng) và khoảng thời gian biến đổi Tính nghiêm ngặt điện áp tăng vọt trong trạng thái sự cố là chức năng của vị trí sự cố, tổng trở hệ thống và nối đất Trong một hệ thống không nối đất, với một tổng trở thứ tự không xác định, điện áp đường dây với đất (điện áp pha) trên các pha không chạm đất sẽ là 1.73 pu trong suốt quá trình sự cố một pha chạm đất Gần tới trạm hệ thống nối đất, điện áp sẽ tăng không đáng kể hay không tăng trên các pha không sự cố vì máy biến áp trong trạm biến áp thường được đấu nối tam giác-sao không, dẫn đến một tổng trở thứ tự không nhỏ - tạo đường dẫn cho dòng sự cố Các sự

cố tại các điểm khác nhau dọc 4 dây, các xuất tuyến có nối đất sẽ có độ tăng điện áp