Luan van chống sét trong trạm biến áp

Đề xuất phương pháp xác định vị trí lắp đặt hợp lý của chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối với các cấu hình khác nhau, đồng thời có xem xét đến mật độ sét khu vực và các yếu tố ảnh hưởng. Đề xuất phương pháp kiểm tra thời gian trung bình giữa các lần hư hỏng của máy biến áp (MTBF) đối với cấu hình trạm có sẵn. Xây dựng các phương trình đặc tuyến quan hệ giữa chiều cao vật thể che chắn, khoảng cách từ đường dây đến vật thể che chắn và hệ số che chắn đối với đường dây phân phối; các phương trình đặc tuyến quan hệ giữa MTBF, hệ số che chắn và mật độ sét khu vực nhằm tạo điều kiện cho lập trình tính toán tự động.

Chương mở đầu GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

0.1 Tính cần thiết của đề tài

Trong thị trường cạnh tranh ngày nay, năng lượng điện luôn là một nhu cầuthiết yếu Thậm chí nay cả một sự cố nhỏ cũng có thể làm thất thoát hàng triệu đô-

la Những sự cố do hiện tượng tự nhiên gây ra cũng ảnh hưởng đáng kể đến chấtlượng điện năng, điển hình là hiện tượng sét

Sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất haygiữa các đám mây mang các điện tích khác dấu Số vụ và cường độ sét đánh thườngđược xác định theo quy luật xác suất và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố Bên cạnh

đó, hầu hết các công trình điện gồm đường dây và trạm biến áp đều được xây dựngngoài trời, kết cấu chủ yếu là kim loại và có chiều cao lớn, là một trong nhữngnguyên nhân làm tăng nguy cơ tiềm tàng gây ra sự cố bất khả kháng do sét Sétđánh vào đường dây làm vỡ sứ và đứt dây, đồng thời lan truyền vào trạm biến ápgây cháy hỏng các thiết bị, trong đó chủ yếu là máy biến áp, làm gián đoạn cungcấp điện và gây thiệt hại về kinh tế do phải chi phí cho sửa chữa, ngừng trệ trongsản xuất và ảnh hưởng đến sinh hoạt của nhân dân

Việc xác định chính xác khu vực sẽ bị sét đánh là rất khó và không thể đảmbảo xác suất 100% hướng đi của sét đến hệ thống chống sét, và trên thực tế, donguồn kinh phí giới hạn nên cũng không thể lắp đặt thiết bị chống sét ở tất cả mọiđiểm theo dự đoán Vì vậy, việc nghiên cứu để lựa chọn, áp dụng những biện pháphạn chế tác hại của sét đối với từng khu vực, từng đối tượng cụ thể sao cho đảm bảo

cả về kinh tế và kỹ thuật là rất cần thiết không chỉ đối với riêng ngành điện, mà cònđối với nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác…

Trong thực tế, ở lưới phân phối thì máy biến áp thường được bảo vệ bằng thiết

bị chống sét van Trong đó, khoảng cách giữa thiết bị chống sét van và đầu cực caothế của máy biến áp là hết sức quan trọng Bởi vì chống sét van còn phải bảo vệ chotoàn bộ cách điện của trạm, cho nên trong trường hợp tổng quát này giữa chống sétvan và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng cách phân cách

1

Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “Định vị trí đặt tối ưu chống sét van

trong lưới phân phối” đi sâu vào nghiên cứu tính toán và xây dựng chương trình

để xác định vị trí đặt chống sét van cấp trung thế dạng MOV cho nhiều loại cấuhình trạm biến áp khác nhau

0.2 Nhiệm vụ của luận văn

- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc, tính năng kỹ thuật và ưu nhượcđiểm của chống sét van

- Tổng quan về các phương pháp bảo vệ máy biến áp mạng phân phối

- Nghiên cứu phương pháp cải tiến xác định vị trí đặt thiết bị chống sét vanbảo vệ máy biến áp trong mạng phân phối

- Áp dụng phương pháp cải tiến để tính toán vị trí đặt chống sét van trongtrạm biến áp

0.3 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của chống sét van

- Các phương pháp bảo vệ quá áp do sét đối với máy biến áp phân phối và đềxuất phương pháp cải tiến

- Áp dụng phương pháp cải tiến tính toán vị trí đặt chống sét van trong trạmbiến áp

0.4 Các bước tiến hành

- Thu thập các tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của chống sét van kiểu biếntrở ôxít kim loại (MOV)

- Nghiên cứu các tiêu chuẩn lựa chọn chống sét trên lưới trung thế

- Nghiên cứu phương pháp cải tiến xác định vị trí đặt thiết bị chống sétvan bảo vệ máy biến áp trong mạng phân phối

- Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ Matlab

- Xây dựng chương trình hổ trợ người sử dụng xác định vị trí đặt chốngsét van trạm biến áp phân phối

- Đánh giá và kết luận

2

0.5 Tính mới của đề tài

- Đề xuất phương pháp xác định vị trí lắp đặt hợp lý của chống sét van bảo vệtrạm biến áp phân phối với các cấu hình khác nhau, đồng thời có xem xét đếnmật độ sét khu vực và các yếu tố ảnh hưởng

- Đề xuất phương pháp kiểm tra thời gian trung bình giữa các lần hư hỏngcủa máy biến áp (MTBF) đối với cấu hình trạm có sẵn

- Xây dựng các phương trình đặc tuyến quan hệ giữa chiều cao vật thể chechắn, khoảng cách từ đường dây đến vật thể che chắn và hệ số che chắn đốivới đường dây phân phối; các phương trình đặc tuyến quan hệ giữa MTBF, hệ

số che chắn và mật độ sét khu vực nhằm tạo điều kiện cho lập trình tính toán

tự động

- Xây dựng chương trình OPSOLA giúp người sử dụng thuận tiện trongviệc xác định khoảng cách phân cách hợp lý, đồng thời kiểm tra được MTBFcủa máy biến áp đối với cấu hình trạm một máy biến áp cụ thể

0.6 Tính thực tiễn đề tài

- Giúp cho các công ty tư vấn thiết kế điện, các công ty điện lực xác định

vị trí lắp đặt chống sét van hợp lý khi thiết kế trạm biến áp mới

- Kiểm tra giá trị MTBF của các trạm biến áp có sẵn nhằm đề xuất phương

án thay đổi vị trí lắp đặt chống sét van nếu cần thiết trong khi có xem xét đếnmật độ sét khu vực và các yếu tố ảnh hưởng

0.7 Nội dung của luận văn

Chương 01: Tổng quan về chống sét van

Chương 02: Các phương pháp xác định vị trí lắp đặt chống sét van bảo vệ trạm

biến áp phân phốiChương 03: Phương pháp cải tiến xác định vị trí đặt chống sét van bảo vệ trạm

biến áp phân phốiChương 04: Xây dựng chương trình tính toán và một số bài toán áp dụngChương 05: Kết luận

3

Chương 01 TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT VAN

1.1 Đặt vấn đề

Mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài ở mộtcấp điện áp xác định và thường được lựa chọn dựa trên điện áp định mức của lướiđiện mà thiết bị đó được đấu nối vào Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi lúc lạixảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể là do các sự cốchạm đất, do thao tác, do sét v.v Trong đó, quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất,bởi vì quá điện áp này rất lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết

Tương tự cấp cách điện của thiết bị phân phối được thiết kế để chịu được điện

áp cao hơn bình thường Phương pháp này có hiệu quả đến một mức nào đó, nhưng

sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà không thể thêm chi phí để tạo cấp cách điệnBIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế

Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giớihạn lượng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu Phương phápnày còn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì có thể dựa vào khả năngquá áp nhỏ hơn, và nói chung tạo ra một sơ đồ bảo vệ quá áp tiết kiệm hơn Các

4

công ty Điện lực đương nhiên cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhưng đều phảitính đến ba yếu tố cơ bản: phục vụ khách hàng, khả năng chịu đựng điện áp (đặcbiệt là quá áp do sét) và yếu tố kinh tế.

Không thể thiết kế một lưới điện có thể đáp ứng được yêu cầu là mọi quá điện

áp phải dưới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì như thế sẽ làmcho chi phí vượt quá mức Do vậy, khi thiết kế một lưới điện, cũng như tính chọnthiết bị lắp đặt trên lưới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá áp, quy trình nàydựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng quá áp của cácthiết bị Muốn đạt được điều này phải đáp ứng hai bước sau đây :

- Thiết kế lưới điện thích hợp để kiểm soát và hạn chế tối thiểu các quá áp

- Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp

Tổng hợp hai bước trên được gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách điện.Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện của thiết

bị, do vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế được phối hợp lưới điện và việc lắp đặtthích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lược nhằm mục đích hạn chế quá áp

và tránh hoặc giảm thiểu các hư hỏng cách điện

Thiết kế được phối hợp bao gồm:

- Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu quả

- Dùng dây, kim thu sét

- Điều khiển góc thao tác các máy cắt

1.2 Khái niệm về hiện tượng sét và tình hình dông sét ở Việt Nam

Khái niệm về hiện tượng sét

Hầu hết các nguyên nhân gây ra quá áp đều có tính quá độ, chỉ kéo dài vàimicrôgiây đến vài chu kỳ và có nguồn gốc từ hệ thống hay ngoài hệ thống Nguồnbên ngoài chủ yếu là dông sét, một hiện tượng khó dự đoán trước, tạo áp lực đối vớicác hệ thống Các nguồn gốc bên trong chủ yếu do thao tác đóng cắt mạch điện và

sự cố pha đất Một nguồn phổ biến là đóng cắt cụm tụ điện nhưng những nguồn quá

áp này ít gây áp lực cho thiết bị so với dông sét Như vậy, mặc dù sóng xung có thểđược phát sinh từ trong hệ thống (ví dụ do đóng cắt), nhưng rõ ràng dông sét vẫn lànguyên nhân chính có nguy cơ gây ra quá áp có hại cho hệ thống

Dông sét là nguồn gốc chính của quá áp có hại trên lưới phân phối, nó có thểđược sinh ra do sét đánh trực tiếp hay do cảm ứng Xung điện áp sinh ra có thể thayđổi từ tăng tương đối nhỏ đến lớn gấp mấy lần điện áp pha đất bình thường nếu cấpcách điện của hệ thống cho phép

Khi sét đánh vào đường dây, một vùng rộng lớn sẽ bị ảnh hưởng xung quanh

vị trí sét đánh, vì điện áp vượt hơn mức cách điện định mức của đường dây và hồquang của dòng sét sẽ chạy xuống đất ngay lập tức Đồng thời, các sóng điện sétcảm ứng trên dây dẫn sẽ lan truyền đi dọc theo đường dây Những sóng điện sét nàygồm hai thành phần: điện áp và dòng điện Biên độ điện áp bằng biên độ dòng điệnnhân với trở kháng sóng của đường dây, trị số này nhỏ hơn điện áp phóng điện hồquang của cách điện hệ thống Các xung này lan truyền trên đường dây trên khôngvới tốc độ của ánh sáng

Càng nắm được các đặc tính của sét thì việc lắp đặt các thiết bị bảo vệ cànghiệu quả Đây là một lĩnh vực mà các nhà khoa học đã có những bước nghiên cứunhiều tiến triển và các kỹ sư thiết kế có thể phân những xung sét thành những dạngkhác nhau dựa vào kích thước và phạm vi của xung quá điện áp Một xung sét tiêubiểu có xung đầu sóng rất dốc, có nghĩa là điện áp của nó tăng với tỷ lệ cả triệu vôntrên một giây Thực tế 15% các đỉnh của sét xảy ra dưới 1µs Xung đầu dốc đượcnối tiếp bởi một đuôi sóng ngắn, nghĩa là sau khi điện áp đạt đỉnh thì thời gian mà

6

sự cố điện áp đó giảm xuống còn một nửa giá trị điện áp đỉnh là trong khoảng thờigian 200µs và hoàn toàn triệt tiêu trong khoảng 1000µs.

Tính không dự đoán của sét cho thấy rất khó xác định được biên độ các cúđánh của sét, tuy nhiên thực tế là sẽ có nhiều cú sét đánh liên tục vào một vị trí Kếtquả quan trắc cho thấy rằng một cơn sét gồm nhiều đợt phóng điện kế tiếp nhau,trung bình là ba lần, nhiều nhất có thể đến vài chục lần Các lần phóng điện sau códòng tiên đạo phát triển liên tục (không phải từng đợt như lần đầu), không phânnhánh và theo đúng quỹ đạo của lần phóng điện đầu nhưng có tốc độ nhanh hơn(2.106m/s) Mỗi lần phóng điện sẽ tạo nên một xung dòng sét Các xung sét sauthường có biên độ bé hơn, nhưng độ dốc đầu sóng cao hơn nhiều so với xung đầutiên Một cơn sét có thể kéo dài 1,33s, điều này trái ngược với khái niệm là sét xảy

ra trong thời gian rất ngắn, mà do có nhiều lần phóng điện liên tiếp nên có thể xem

nó được kéo dài

Tình hình dông sét ở Việt Nam

Việt Nam là một nước thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, cường độ hoạtđộng của dông sét rất mạnh Thực tế sét đã gây nhiều tác hại đời sống con người,gây hư hỏng thiết bị, công trình Là một trong những tác nhân gây sự cố trong vậnhành hệ thống điện và hoạt động của các ngành khác Ở các vùng lãnh thổ với điềukiện khí hậu, thời tiết và địa hình khác nhau thì đặt điểm về hoạt động dông sét khácnhau, mặt khác điều kiện trang bị kỹ thuật khác nhau thì mức độ thiệt hại do sét gây

ra cũng khác nhau Vì vậy, ngoài việc tiếp nhận các kết quả nghiên cứu của thế giới,mỗi nước cần phải tự tiến hành điều tra, nghiên cứu về đặc tính hoạt động của dôngsét và các thông số phóng điện sét trên lãnh thổ của mình để từ đó đề ra những biệnpháp phòng, chống sét thích hợp và hiệu quả

Từ các nguồn số liệu khác nhau về ngày dông, giờ dông của các đài trạm thuộccác tỉnh thành (xem PHỤ LỤC – Đặc điểm dông sét của Việt Nam), qua xử lý tínhtoán đã phân ra được 5 vùng đặt trưng về cường độ dông sét trên toàn bộ lãnh thổViệt Nam, bao gồm:

- Khu vực đồng bằng ven biển miền Bắc (khu vực A)

7

- Khu vực miền núi trung du miền Bắc (khu vực B)

- Khu vực miền núi trung du miền Trung (khu vực C)

- Khu vực ven biển miền Trung (khu vực D)

- Khu vực đồng bằng miền Nam (khu vực E)

Bảng 1.1 Cường độ dông sét tại các khu vực

(ngày/năm)

Giờ dông TB (giờ/năm)

Mật độ sét TB (lần/km 2 năm)

Nhiều thiết bị khoa học hiện đại được dùng để đo lường và ghi lại dòng sét, đãcho thấy phạm vi thay đổi rất rộng của giá trị dòng điện từ: 1000A đến 200kA chothấy mức độ khó đoán của biên độ sét Sự nghiên cứu phân tích cho thấy dòng chạyqua chống sét van MOV chỉ khoảng 1/10 tổng giá trị của dòng điện sét nhưng đặcbiệt lưu ý là chỉ khoảng 5% số sét trên lưới điện phân phối vượt quá giá trị 10kA

1.3 Một số thuật ngữ cơ bản

Có hai tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến để thiết kế chống sét hiện nay là IEC

và ANSI, cần lưu ý có một số khác biệt nhỏ giữa hai tiêu chuẩn trong khi chọnchống sét van, để tránh nhầm lẫn, sau đây sẽ giới thiệu các thuật ngữ cơ bản khi gặpvấn đề này

8

Điện áp định mức U r (Rated Voltage)

Thông thường điện áp định mức của một thiết bị là giá trị điện áp được đặt liêntục trên thiết bị mà thiết bị vẫn đảm bảo tính năng của nó, trong nhiều trường hợpđối với chống sét van không phải là như vậy

Theo IEC: Điện áp định mức của chống sét là giá trị hiệu dụng cho phép tối đacủa điện áp tần số công nghiệp đặt vào hai cực chống sét mà tại đó chống sét đượcthiết kế để vận hành đúng ở các điều kiện được thiết lập trong các thí nghiệm chu

kỳ làm việc (Operating duty test)

Điện áp định mức được sử dụng như là một thông số tham khảo các đặc tínhvận hành của chống sét

Theo IEC, một chống sét van đáp ứng tiêu chuẩn phải chịu đựng được điện ápđịnh mức của nó ít nhất trong 10 giây, sau khi đã được gia nhiệt trước đến 60oC vàchịu tác động một xung dòng cao hay hai xung dòng trong thời gian dài và sau đóđược phối hợp kiểm tra độ ổn định nhiệt đối với điện áp vận hành liên tục(Continuous Operating Voltage) trong khoảng thời gian 30 phút

Chu trình thử nghiệm này khá phức tạp và hiển nhiên Ur không phải là giá trị

đo trực tiếp trên chống sét

Theo ANSI: Điện áp định mức chu kỳ làm việc (Duty Cycle Voltage Rating) làthuật ngữ gần với Ur của IEC Theo ANSI, điện áp chu kỳ làm việc cũng được địnhnghĩa là một chu kỳ thử nghiệm khá phức tạp Điện áp định mức chu kỳ làm việc làđiện áp mà tại giá trị này các mẫu thử nghiệm được nạp điện mà không gia nhiệttrước Điện áp thử nghiệm này được giữ khoảng 20 phút, trong thời gian đó 20 xungdòng phân loại (thí dụ 10kA, 8/20 µs) được sử dụng với khoảng thời gian giữa cáclần thao tác là 50 giây đến 60 giây

Hiển nhiên, sự xác định định mức chống sét theo ANSI không thể đo trực tiếptrên chống sét, cũng không liên quan đến các điều kiện làm việc gắn chặt với cácđánh giá thử nghiệm

Mặc dù các thử nghiệm là khác nhau giữa IEC và ANSI, trong thực tế các địnhmức được xác định bởi các nhà sản xuất khác nhau, đối với các đặc tính chính thì

9

hầu như tương tự dù là được xác định theo IEC hay ANSI Lý do là trong thực tếđiện áp định mức được sử dụng như là một thông số tham khảo các đặc tính kháccủa chống sét mà sẽ được xác định từ hệ thống hay các yêu cầu thử nghiệm Do vậy,trong lựa chọn thiết bị chống sét, điều quan trọng quyết định là các thông số đođược, chẳng hạn như các mức bảo vệ tuyệt đối.

Dòng điện quy chuẩn I ref (Reference current)

Theo IEC: Dòng điện quy chuẩn là giá trị đỉnh (giá trị đỉnh của hai cực sẽ caohơn nếu dòng điện bất đối xứng) của thành phần điện trở ở dòng điện tần số côngnghiệp được sử dụng để xác định điện áp quy chuẩn của chống sét Dòng điện quychuẩn phải đủ lớn để có thể bỏ qua các ảnh hưởng của điện dung tản của chống séttại giá trị điện áp quy chuẩn đo được và được quy định bởi nhà sản xuất

Theo tiêu chuẩn IEC 99 - 4 thì dòng điện quy chuẩn cho phép khi đặt điện ápxoay chiều tần số công nghiệp vào hai cực của chống sét là tương ứng với mật độdòng điện khoảng (0,05mA÷1,0mA)/cm2 của tiết diện đĩa MOV của các chống sétloại một trụ

Theo ANSI: Dòng điện quy chuẩn là giá trị đỉnh của thành phần điện trở củadòng điện tần số công nghiệp đủ lớn để có thể bỏ qua các ảnh hưởng của các điệndung tản của chống sét Mức dòng điện này do nhà sản xuất quy định

Theo tiêu chuẩn ANSI C62 - 11 thì khi nâng điện áp lên 1,25 lần điện áp làmviệc liên tục lớn nhất MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage) vào haicực của chống sét thì dòng điện qua chống sét là dòng điện quy chuẩn

Dòng điện quy chuẩn cho phép theo tiêu chuẩn này là (0,05 mA ÷ 1,0mA)/cm2 của tiết diện đĩa MOV

Điện áp quy chuẩn U ref (Reference Voltage)

Theo IEC: Điện áp quy chuẩn là giá trị đỉnh của điện áp tần số công nghiệpchia cho 2 được sử dụng cho chống sét để đạt dòng điện quy chuẩn Điện áp quychuẩn của một tổ hợp gồm nhiều chống sét ghép lại là tổng số của các điện áp quychuẩn thành phần

10

Theo ANSI: Điện áp quy chuẩn là giá trị đỉnh thấp nhất của điện áp tần số côngnghiệp của cực độc lập chia cho 2 , được yêu cầu tạo ra thành phần điện trở củadòng điện bằng dòng quy chuẩn của chống sét Điện áp quy chuẩn của một tổ hợpgồm nhiều chống sét ghép nối tiếp là tổng số của các điện áp quy chuẩn của từngthành phần Mức điện áp này do nhà sản xuất quy định.

Điện áp vận hành liên tục U c (Continuous Operating Voltage - COV)

Theo IEC: Uc (COV) là giá trị hiệu dụng của điện áp tần số công nghiệp tối đađược thiết kế mà điện áp này có thể sử dụng liên tục giữa hai cực của chống sét.Khi so sánh COV của các chống sét các nhà sản xuất khác nhau cần lưu ý làkhông phải khi một chống sét có COV lớn hơn là đặc tính chống sét tốt hơn Bởi vìgiá trị COV được thiết kế là có thể khác nhau giữa các nhà sản xuất, nó phụ thuộcvào các thông số sau đây:

- Sự phân bố điện áp phi tuyến đặc biệt là các chống sét có thân dài

- Các ứng suất xung thao tác và xung sét

Do vậy, tốt nhất là cần quy định COV, TOV và các thông số khác riêng lẻ dựatrên yêu cầu thực tế của lưới điện và theo đó lựa chọn chống sét thích hợp

Theo ANSI: Thuật ngữ MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage) làgiá trị hiệu dụng của điện áp tần số công nghiệp tối đa có thể áp đặt liên tục vào haicực của chống sét

Theo tiêu chuẩn ANSI tất cả các định mức chống sét đều được liệt kê trongmột bảng có MCOV tương ứng cho mỗi định mức điện áp chu kỳ làm việc

Trong trường hợp này, có một sự quan hệ cố định giữa MCOV và định mứcchu kỳ làm việc và không xem xét đến việc áp dụng thực tế Do vậy, MCOV được

11

sử dụng như là điện áp thí nghiệm trong các thí nghiệm chủng loại (type test) theotiêu chuẩn ANSI Không có xem xét sự phân bố điện áp không tuyến tính làm chocác thử nghiệm theo ANSI ít khắc nghiệt so với các thử nghiệm theo IEC.

Hơn nữa, các thuận lợi trong việc lựa chọn một điện áp định mức cao hơn chomột áp dụng riêng biệt không được chỉ ra ở các thí nghiệm như thế, như các thínghiệm nhiễm bẩn và các phối kiểm TOV Bất kỳ khi nào có sự lựa chọn hai địnhmức chống sét cho áp dụng giống nhau, điều hiển nhiên là các thử nghiệm phảiđược thực hiện với điện áp công tác tối đa thực tế để đạt được một giá trị thíchđáng

Các định nghĩa cho COV và MCOV ở các tiêu chuẩn là tương đương Tuynhiên, khi xem xét đến sự phân bố điện áp không đồng nhất không có ở tiêu chuẩnANSI Do vậy, MCOV chỉ được xem như là giá trị điện áp liên tục tối đa được sửdụng trong thử nghiệm phân loại, được chia theo tỉ lệ cho các đĩa trong một chốngsét van, không phải của chống sét hoàn chỉnh

Quá điện áp tạm thời TOV (Temporary Over Voltage)

Quá điện áp với tần số vài Hz đến vài trăm Hz, thời gian kéo dài từ vài ms đếnhàng giờ Các nguyên nhân của quá áp tạm thời có thể là chạm đất một pha, hai pha,cộng hưởng sắt từ trong lưới điện, sa thải phụ tải Thông thường xung này khôngđược quá 3 pu và không gây nguy hiểm trong vận hành lưới điện Tuy nhiên, nó làyếu tố quyết định đến kích cỡ của chống sét

Hệ số bền chịu đựng quá áp tạm thời T

TOV là một hàm số theo thời gian t ở nhiệt độ môi trường t = 60oC (nhiệt độkhông khí bên ngoài chống sét) Đường đặc tuyến ở trên không mang tải trước,đường đặc tuyến phía dưới có mang tải trước, t là khoảng thời gian quá áp tần sốcông nghiệp

Hệ số độ bền chịu đựng quá áp tạm thời T là khả năng chịu đựng TOV củachống sét van được định nghĩa như sau :

C

TOVT

U

=

12

Hình 1.1 Hệ số quá áp T = TOV/Uc quan hệ với quá áp tạm thời

Để thể hiện khả năng chịu quá áp tạm thời của chống sét MOV, các nhà sảnxuất thường cung cấp kèm theo chống sét đặc tính khả năng quá áp tạm thời theothời gian

Cần lưu ý có hai cách thể hiện:

a Cách 1: Cách này thường gặp ở các nhà sản xuất Châu Âu và theo tiêu

chuẩn IEC

Trong Hình 1.1, đường đặc tuyến ở phía trên có giá trị đối với các chống sétkhông có mang tải trước đáng kể Vì lý do ổn định nhiệt nên nhiệt độ MOV khôngthể vượt quá một giá trị xác định, năng lượng do chống sét hấp thụ cũng bị giới hạn.Với lý do đó, tải cho phép trong khoảng thời gian t sẽ giảm theo giá trị của T đápứng với TOV Đường đặc tuyến phía dưới có giá trị đối với chống sét khi ở thờiđiểm t = 0 đã mang tải trước là Uc, có năng lượng E Dĩ nhiên đường đặc tuyến nàynằm bên dưới đường đặc tuyến chưa mang tải bởi vì trong từng trường hợp, nănglượng hấp thụ vào chống sét van trong khoảng thời gian t của đường đặc tuyếnmang tải phải nhỏ hơn

b Cách 2: Cách này thường gặp ở các nhà sản xuất Châu Mỹ theo tiêu chuẩn

ANSI

13

Hình 1.2 Khả năng quá áp tạm thời của CSV McGraw - Edison

VariSTAR loại AZL8Đường cong được thiết lập bằng cách sử dụng điện áp tần số công nghiệp đểgia nhiệt trước (đến 60oC) mẫu thử nghiệm, trên định mức chu kỳ làm việc củachống sét cho nhiều lần từ 0,1 đến 104 giây Một thí nghiệm quá áp được giảm đếngiá trị MCOV trong vòng 200 ms trước khi bị hỏng do nhiệt Khu vực bên dướiđường cong là đặc tính điện áp – thời gian mà ở đó các mẫu thử đã được xác định

ổn định nhiệt trong khoảng thời gian chu kỳ sau 30 phút với tổn thất công suất bằnghay ít hơn giá trị gốc Mặc dù điều này không phải là một thí nghiệm được bắt buộchay được mô tả bởi tiêu chuẩn ANSI hay IEC Không phải vì nó là một thí nghiệm

ít quan trọng để thiết lập một đường cong điện áp tần số công nghiệp - thời giannhằm xác định khả năng của một chống sét đáp ứng dòng điện phóng mà theo kinhnghiệm sự quá áp ở tần số công nghiệp không bị quá nhiệt Cần lưu ý là ở tiêuchuẩn ANSI thử nghiệm mang tải trước để có đường cong Prior Duty chỉ yêu cầu ápdụng đối với các chống sét loại trạm (Station class) và loại trung gian(Intermediated class)

14

Điện áp kẹp, điện áp dư Ures (Residual voltage)

Điện áp dư Ures là điện áp xuất hiện giữa hai cực chống sét trong quá trìnhdòng điện phóng chạy qua chống sét Nó phụ thuộc vào biên độ cũng như dạng sóngcủa dòng điện phóng và được biểu thị ở giá trị đỉnh Đối với các biên độ và dạngsóng khác với dòng điện phóng định mức, điện áp dư thường được biểu thị bằng %

so với điện áp phóng ở dòng điện định mức

Hệ số sự cố chạm đất K e (Earth fault factor)

Hệ số chạm đất Ke là tỷ số của điện áp ở các pha không bị sự cố trong quá trình

sự cố đối với điện áp trước khi bị sự cố chạm đất (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Độ gia tăng điện áp pha – đất (TOV) trên pha không bị sự cố đối với các

cấu hình khác nhau của lưới điện

Tổng trở ngắn mạch nhìn từ thiết bị chống sét trong quá trình xảy ra TOV đóngvai trò quan trọng để xác định yêu cầu năng lượng, các yếu tố khác ảnh hưởng đếndung lượng TOV là năng lượng hấp thụ như nhiệt độ ban đầu của các thớt của bộchống sét khi có TOV và điện áp đưa vào sau TOV Đối với các TOV có tần số caohơn tần số công nghiệp có thể giả thiết ở cùng một biên độ điện áp thì khoảng thời

15

gian chịu đựng của chống sét trong hai trường hợp này được xem như nhau nếu quátrình này ngắn hơn 10s Đối với các trường hợp khác thì phải tham khảo ý kiến nhàsản xuất.

Theo IEC là các thử nghiệm chịu đựng xung dòng thời gian dài (Long durationcurrent impulse withstand test) Và theo ANSI là các thí nghiệm chịu đựng dòngphóng (Discharge current withstand test) đó là các xung dòng chữ nhật dài 2-3,2ms,biên độ 200 – 1000A và số xung là 18 hay 20 Nói chung, các yêu cầu của IEC làkhắc nghiệt hơn yêu cầu của ANSI do năng lượng mỗi xung là cao hơn Thôngthường các chống sét MOV chịu đựng mức năng lượng cao hơn ở các dòng thấp cóthời gian dài (như các ứng suất tần số công nghiệp) so với các dòng cao có thời gianngắn (như dòng phóng của tụ điện) Khi đề cập đến dung lượng năng lượng phảikèm theo chu trình thử nghiệm nếu không thì không có nghĩa Cũng cần lưu ý các

số liệu cho bởi các nhà sản xuất thường khác nhau và khó so sánh trừ phi chúngcũng được tiến hành với các chu trình thử nghiệm tương đương Các số liệu có thểđược giới thiệu bằng nhiều cách chẳng hạn như kJ/kV MCOV hay kJ/kV định mức

Có thể xem sự khác nhau là 25% định mức là khoảng 1,25 lần MCOV

1.4 Thiết bị chống sét van MOV không khe hở

Cấu tạo chống sét MOV (Metal Oxide Varistor)

MOV tổng hợp gồm nhiều kim loại Các đặc tính điện yêu cầu của sản phẩmcuối cùng là hoàn toàn không có ở các nguyên liệu được sử dụng Do vậy, các đặctính điện của MOV được hình thành khi sản xuất, oxit kim loại được dùng để chếtạo MOV thường là oxit kẽm

Biến trở oxit kẽm (ZnO) bao gồm chủ yếu là oxit kẽm (khoảng 90% trọnglượng) và một lượng nhỏ các oxit kim loại khác còn được gọi là phụ gia như:bismuth, cobalt, antimany và oxit măng gan

16

Đặc tính của MOV

Hình 1.3 Đặc tính điện trở phi tuyến của chống sét van MOV

Như ở hình trên, điện trở của phần tử MOV là một hàm theo điện áp đặt tại đầucực Ở điện áp vận hành bình thường, điện trở của phần tử ZnO có trị số rất lớn vàđược xem như là cách ly với hệ thống

Trong điều kiện có quá điện áp, điện trở của MOV giảm xuống rất thấp và dẫndòng điện xung chạy qua, như vậy sẽ bảo vệ được các thiết bị khỏi bị phá hỏng khi

có quá điện áp xảy ra Dòng điện chạy qua chống sét van là dòng phóng điện vàđiện áp giữa hai cực của nó được gọi là điện áp dư Như vậy, tổng của điện áp dưcủa chống sét van với điện áp rơi trên dây nối là điện áp đặt lên thiết bị được bảo vệtrong thời gian xảy ra phóng điện

Sau khi cho dòng điện phóng qua, và điện áp hệ thống trở lại điện áp vận hànhbình thường thì điện trở của chống sét van MOV lại tăng cao và trở về chế độ làmviệc như một thiết bị cách ly

1.5 Lựa chọn thiết bị chống sét van theo thông số hệ thống

Theo kinh nghiệm, một số tài liệu kiến nghị khi thiếu các thông tin về vị trí lắpđặt thiết bị chống sét, có thể sử dụng các số liệu sau đây để chọn thiết bị chống sét

áp dụng cho MOV không khe hở thì điện áp định mức của chống sét được chọn nhưsau:

- 1,25 x điện áp pha-đất định mức với hệ thống 4 dây, trung tính nối đất lặplại

17

- 0,8 x điện áp dây định mức đối với hệ thống 3 dây, trung tính trực tiếp nốiđất.

- 1,05 x điện áp dây đối với hệ thống cách đất

Tuy nhiên, để đảm bảo các biên hạn bảo vệ và phát huy tốt chức năng bảo vệquá áp của thiết bị chống sét việc lựa chọn chống sét cần tiến hành các bước sau:

 Bước 1: Xác định môi trường lắp đặt của chống sét

Ở bước này cần xác định yếu tố môi trường bên ngoài nơi chống sét sẽ đượclắp đặt như: CSV được lắp đặt trong nhà hay ngoài trời, mức độ ô nhiễm để xácđịnh chiều dài đường rò của vỏ bọc cách điện

Ngoài ra cũng cần chú ý đến điều kiện làm việc không bình thường sau đây đểliên hệ với nhà sản xuất để được tư vấn:

- Nhiệt độ môi trường xung quanh lớn hơn +400C hay thấp hơn -400C

- Độ cao nơi lắp đặt so với mực nước biển lớn hơn 1000m (các CSVchế tạo theo tiêu chuẩn ANSI độ cao này là h > 1800 m (6000 feet)

- Hơi hay hơi nước có thể gây hư hỏng bề mặt của cách điện ngoài

- Sự nhiễm bẩn quá mức gây ra bởi khói, bụi, hơi muối hay các vậtliệu dẫn điện khác

- Lắp đặt những nơi mà có các yếu tố quá mức như hơi nước, độ ẩm,nước chảy thành dòng

- Lau chùi chống sét van mà không cắt điện

- Sự pha trộn các khả năng phát nổ như bụi, khí hay hơi

- Các điều kiện cơ học không bình thường (động đất, rung động, tốc

độ gió cao, băng đóng dày)

- Lưu kho hay vận chuyển không bình thường

- Tần số dưới 48Hz hay trên 62Hz

- Nguồn nhiệt lắp đặt gần nơi chống sét van

 Bước 2: Xác định các thông số của hệ thống

18

a Xác định điện áp vận hành cực đại của hệ thống U m

Điện áp cực đại của hệ thống là giá trị hiệu dụng cao nhất của điện áp dây xảy

ra trong điều kiện vận hành bình thường ở một thời điểm và vị trí nào đĩ trong hệthống

Nếu chỉ cĩ điện áp định mức Ur hệ thống thì chọn: Um = (1,05 ÷ 1,1)Ur

b Xác định hệ số chạm đất K e

Hệ số Ke phụ thuộc vào phương thức nối đất của điểm trung tính, tham khảo sốliệu Ke ở Bảng 1.2

c Xác định giá trị quá điện áp tạm thời

Thơng thường giá trị UTOV được hiểu là điện áp ở sự cố chạm đất một pha Biên

độ UTOV được xác định như sau:

UTOV K x e Um

3

lướ i = Cần lựa chọn: UTOV chống sét van ≥ UTOV lưới

 Bước 3: Kiểm tra các lý do khác xảy ra TOV

Thơng thường TOV xuất hiện khi cĩ sự cố chạm đất, hoặc do sa thải phụ tải,tuy nhiên ở một số kết cấu lưới nào đĩ cĩ thể xảy ra quá điện áp cộng hưởng, điềunày cũng cĩ thể xảy ra khi các cực máy cắt tác động khơng đồng thời Quá điện ápcộng hưởng khơng được dùng làm cơ sở để tính chọn TOV của chống sét

Trong một vài trường hợp vận hành, để giảm dịng sự cố, người ta chỉ chọn nốiđất trung tính của một số biến áp Trong trường hợp này cĩ thể xảy ra khả năng một

số bộ phận của hệ thống cĩ thể trở thành mất tác dụng phần nối đất (ví dụ như tănggiá trị Ke), trong một số giai đoạn khi mà một hoặc nhiều máy biến áp cĩ trung tínhđược tách ra khơng nối đất Nếu khơng dự phịng cho việc này thì một số sự cốchạm đất xảy ra trong những giai đoạn này cĩ thể dẫn đến TOV cao hơn và làmhỏng chống sét

Tuy nhiên, hiếm khi xảy ra trường hợp này, do vậy người ta chấp nhận nguy cơhỏng chống sét thay vì chọn một chống sét van cĩ TOV cao hơn

19

 Bước 4: Xác định điện áp vận hành liên tục của chống sét U c

(Continuous Operating Voltage - COV)

COV hay MCOV là trị số hiệu dụng của điện áp tần số công nghiệp cho phép

đã được thiết kế cho chống sét mà có thể áp dụng liên tục vào hai cực của chống sét

Lưu ý: Uc của bộ chống sét có thể nhỏ hơn tổng các Uc của từng phần tử khi điện ápphân bố dọc theo chống sét không hoàn toàn đồng nhất

UC Um

3

 Bước 5: Xác định thời gian chịu quá áp điện áp nội bộ (có chạm đất 1 pha)

Thời gian này phụ thuộc vào yêu cầu thời gian giải trừ sự cố, một số quy địnhnhư sau:

a. Đối với lưới trung tính cách đất t ≥ 2 giờ (theo quy trình vậnhành hiện nay ở Việt Nam, cho phép thời gian tách điểm sự cố txl ≤ 2 giờ)

b. Đối với các lưới trung tính trực tiếp nối đất, nên chọn t = 10s,giá trị này phù hợp với thực trạng bảo vệ rơle hiện nay ở Việt Nam

Hai giá trị đề xuất ở a và b dùng để kiểm tra chống sét dự kiến chọn có phùhợp với yêu cầu cấu hình lưới điện hay không

1.6 Kết luận

Chương này đã trình bày được hiện tượng sét và các thông số của sét, các địnhnghĩa cơ bản một số thuật ngữ theo hai tiêu chuẩn ANSI và IEC Đồng thời trìnhbày được cấu tạo và cách lựa chọn thiết bị chống sét van theo thông số hệ thống

Ưu điểm của chống sét van là cải thiện đặc tính bảo vệ xung sét tốt hơn chocác thiết bị phân phối, đặc biệt là đối với các hệ thống có cách điện rắn như cápngầm và máy biến áp phân phối Điện áp phóng thấp không những cải thiện biênhạn bảo vệ giữa chống sét và điện áp xung mà còn làm giảm sự hư hỏng cách điện

và tuổi thọ thiết bị được kéo dài Khả năng chịu quá áp tạm thời tốt hơn sẽ đưa đến

độ tin cậy được cải thiện trong các trường hợp quá áp bất thường xảy ra

Muốn cho chống sét van bảo vệ được máy biến áp thì tốt nhất chống sét vanphải đặt tại đầu cực máy biến áp, nhưng chống sét van còn phải bảo vệ cho toàn bộ

20

cách điện của trạm, cho nên trong trường hợp tổng quát giữa chống sét van và đầucực máy biến áp cần có một khoảng cách phân cách Việc xác khoảng cách phâncách này đã và đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Chương 2 giới thiệu một

số phương pháp xác định khoảng cách phân cách, có xem xét đến các ưu, nhượcđiểm của từng phương pháp và hướng nghiên cứu nhằm khắc phục phần nào cácnhược điểm này

Chương 02

CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ LẮP ĐẶT CHỐNG SÉT VAN BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP PHÂN PHỐI

2.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mô hình Petersen [2]

Phương pháp này giả thiết chống sét van đặt tại đầu cực máy biến áp cần bảo

vệ (Hình 2.1) Vì vậy không quan tâm đến sóng phản xạ

Z

Transformer

Arrester U p

U t

Hình 2.1 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét dòng qua chống sét van

Trường hợp này dòng định mức chống sét van được chọn theo điều kiện:

CSV 2.Ut UpI

Nhược điểm: Không sử dụng được khi chống sét van không đặt tại đầu cực thiết

S J

Hình 2.2 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét đến khoảng cách phân cách

Phương pháp này dựa trên sự chênh lệch mức cách điện xung cơ bản của máybiến áp và mức bảo vệ của chống sét van để xác định được khoảng cách phân cáchtối đa D cho phép:

Kết luận: Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến khoảng cách phân cách cho

phép giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp Tuy nhiên vẫn chưa tính đến thờigian đầu sóng và sóng phản xạ

2.3 Phương pháp Benoît de Metz-Noblat [19]

Phương pháp này có xét đến độ dốc đầu sóng (T), sóng phản xạ trong cáctrường hợp khác nhau Sét xung quá điện áp lan truyền theo đường dây đi vào trạmbiến áp được bảo vệ bằng chống sét van (Hình 2.3)

Hình 2.3 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) dùng trong nghiên cứu

truyền sóng quá điện áp sétNhững thành phần trong Hình 2.3 bao gồm:

a Đường dây: Z là tổng trở sóng đường dây, Ω

C là tốc độ truyền sóng trên đường dây, m/µs

D là khoảng cách giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp, m

τ = D/C là thời gian truyền sóng giữa hai điểm A và B

b Chống sét van: Up là mức bảo vệ của chống sét van, kV

Đặc tuyến bảo vệ phi tuyến lý tưởng

c Hệ thống nối đất: Có tổng trở gần bằng không

d Dây nối: Giữa đường dây và chống sét van, chống sét van đến đất không đáng kể.

e Máy biến áp: Có tổng trở đầu vào lớn hơn nhiều so với tổng trở đường dây Z

f Sóng quá điện áp: Độ dốc đầu sóng S = du/dt; Thời gian sóng quá điện áp tăng từ

23

Giữa trường hợp 1 và trường hợp 2

Ở Hình 2.4 trình bày sóng tới và sóng phản xạ khi trạm biến áp có trang bị chống sét van

Hình 2.4 Sóng tới và sóng phản xạ khi trạm biến áp có chống sét van

Quan hệ điện áp của các điểm trên đường dây được bảo vệ theo thời gian đượctrình bày ở Hình 2.5

24

Vị trí

D

Điện áp lớn nhất bằng 2U0 ở thời điểm T1

là thời điểm nguy hiểm nhất

Mức bảo vệ của chống sét van UpĐiện áp U0 là sóng tới chống sét van vào thời điểm T0

Điện áp u là sóng phản xạ về tới chống sét van vào thời điểm T0

(U0 + U = Up => bắt đầu dẫn điện)

Thời điểm T0 T1

Hướng truyền sóng quá điện áp Điện áp

CSV (thiết bị bảo vệ) MBA(thiết bị cần bảo vệ)

Hình 2.5 Điện áp trên trên đường dây được bảo vệ bởi chống sét van theo

thời gian (trường hợp 1 và 2 ở Bảng 2.1)

Quan hệ quá điện áp cực đại trên đầu cực máy biến áp theo thời gian đượctrình bày ở Hình 2.6

Hình 2.6 Quá áp cực đại tại đầu cực máy biến áp (B) theo thời gian τ (trường

hợp 2 ở Bảng 2.1)

Kết luận: Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến độ dốc đầu sóng, thời gian

truyền sóng và mức bảo vệ của chống sét van khi xác định khoảng cách phân cách

D Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn một số hạn chế như: chưa tính đến tổng trởdây nối giữa chống sét van và thiết bị bảo vệ, cũng như giữa chống sét van và đất,đặc tính thực của chống sét van, cấu hình mạng điện, các phần tử mang tính dung(như máy biến áp)…

2.4 Phương pháp ABB [20]

26

Phương pháp xác định khoảng cách phân cách đề xuất bởi ABB cũng gần nhưphương pháp của Benoît de Metz-Noblat Nhưng có tính đến đường dây nối giữachống sét van với đường dây và chiều dài dây đến đầu cực máy biến áp, đồng thờicũng xét đến kiểu kết cấu trạm đường dây trên không và trạm có kết cấu đường dâycáp ngầm.

2.4.1 Trạm biến áp kết nối với đường dây trên không

Xét đường dây phân phối trên không trình bày ở Hình 2.7

Ghi chú: Ut: Sóng quá áp lan truyền CSV: Chống sét van

trên đường dây, kV a, b : Chiều dài dây, m

C: Tốc độ truyền sóng, m/µs E : Cuối đường dây

S: Độ dốc đầu sóng, kV/µs UE: Quá áp tại E, kV

Hình 2.7 Quá điện áp ở cuối đường dây

Quá điện áp Ut truyền sóng vào với tốc độ C hướng theo đường dây vào đầu

cực E Tại điểm E là thiết bị điện được bảo vệ (như máy biến áp) Khi sóng truyềntới E, nó được phản xạ và điện áp tăng 2Ut Chức năng chống sét van (CSV) là bảo

vệ thiết bị điện từ lúc bắt đầu tiến tới giá trị điện áp cao không cho phép Giả sử chorằng độ dốc đầu sóng S của sóng quá điện áp truyền vào là hằng số theo thời gian,giá trị lớn nhất UE được xác định theo biểu thức sau:

Kinh nghiệm cho rằng hệ số an toàn 1,2 là bảo vệ hiệu quả giữa BIL của thiết

bị điện và xung quá áp UE tại thiết bị điện

27

Nếu tổng đường dây đấu nối là a + b nhỏ hơn khoảng cách bảo vệ D của thiết

bị chống sét thì thiết bị điện được bảo vệ tại điểm E Các giá trị BIL, Up và S đượcước tính trong Bảng 2.2 và Bảng 2.3

Bảng 2.2 Mức cách điện cơ bản (BIL) và mức điện áp bảo vệ của chống sét van

(Up) hiện đại với Up = 4.pu

Bảng 2.3 Độ dốc và giá trị điện áp phóng điện của cách điện đường dây trên không

2.4.2 Trạm biến áp kết nối với cáp ngầm

Bảo vệ quá điện áp cho cáp

Sự khác nhau chủ yếu giữa dữ liệu điện của đường dây trên không và cáp làtrở kháng xung dây dẫn với đất Giá trị cho đường dây phân phối trên không xấp xỉ

từ 300 Ω đến 450 Ω và cho cáp trong phạm vi từ 20 Ω đến 60 Ω Trước hết, sự khácnhau này gây ra sự giảm rõ rệt của quá điện áp do sét khi xung sét truyền vào cáp.Xung điện áp đi vào cáp bị suy giảm và bị phản xạ tại cuối cáp làm điện áp tăng lêngấp đôi Sau đó xung truyền trở lại qua cáp và phản xạ thêm một lần nữa v.v Bằngcách này, quá điện áp trong cáp tăng đều đều mặc dù độ dốc quá điện áp trong cápthấp hơn thực sự, trị số đỉnh này gần bằng quá điện áp do sét trên đường dây

28

Bảng 2.4 trình bày cách chọn chiều dài cho phép lớn nhất của đoạn cáp vớimột bên bảo vệ thiết bị chống sét ứng với hai loại cột (cột gỗ, xà đỡ nối đất) Trong

đó, Zk là tổng trở sóng cáp, Ω; chiều dài dây nối từ đầu cực chống sét van đến cáp là

D k (m)

Máy biến áp đặt tại cuối đoạn cáp ngầm

Đây là trường hợp thường gặp ở những khu vực đường dây trên không do địahình không thể đấu nối trực tiếp máy biến áp, sơ đồ nguyên lý Hình 2.8

F

D k

CSV 2

a b

V k

MBA S

CSV 1

C U

V T

t

Ghi chú: F : Đường dây bị sét đánh Ut: Quá áp sét, kV

DK : Chiều dài cáp, m CSV1, CSV2: Các chống sét van

a, b: Chiều dài các dây nối, m Vk: Điện áp lớn nhất tại cuối đoạn cáp, kV MBA: Máy biến áp VT: Điện áp lớn nhất tại MBA, kV

Hình 2.8 Trạm biến áp được kết nối với cáp ngầm

Trong Hình 2.8, CSV 1 là chống sét van ở cột chuyển tiếp đường dây trênkhông và đoạn cáp ngầm, CSV 2 là chống sét van nối giữa đầu cuối của đoạn cáp vàmáy biến áp với các khoảng cách a, b

Về nguyên tắc b càng nhỏ càng tốt, để CSV 2 bảo vệ quá áp đầu cuối của cáp.Nếu b tăng thì Vk tăng rất nhanh Nếu xem điện dung của máy biến áp là 2nF(trường hợp điện dung bé hơn thì khoảng cách a tăng lên), trong đó Zk là tổng trởsóng của cáp, với khoảng cách a trong bảng thì không cần lắp đặt thêm chống sétvan ở máy biến áp

Bảng 2.5 Khoảng cách phân cách tối đa cho phép chống sét giữa cáp và máy biến

áp ở Hình 2.8 với b = 0 Hai chống sét van nối hai đầu cáp, tại MBAkhông có chống sét van

Đối với trạm kết nối với đường dây trên không: có tính đến khoảng cách từ

chống sét van đến đường dây trên không (b) và khoảng cách từ điểm chung dây nốichống sét van với đường dây đến đầu cực máy biến áp (a), độ dốc sóng (S)

Đối với trạm kết nối với đường dây kết nối với cáp ngầm: có tính đến tổng trở

sóng của cáp, chiều dài cáp, quá áp đoạn cuối cáp, loại cột, phần tử mang tính dung(máy biến áp)

Tuy nhiên, phương pháp này chưa quan tấm đến hệ số che chắn, cấu hình trạmphức tạp, mật độ sét khu vực, tổng trở các dây nối của hai đầu chống sét van, độ dốcchọn lựa theo kinh nghiệm

2.5 Phương pháp J R Lucas [6, 7]

2.5.1 Phương pháp đơn giản

Theo phương pháp này cần xác định biên độ dòng sét (I0) Từ đó tính được độdốc đầu sóng tại điểm kết nối giữa đường dây và chống sét van (SA) Trên cơ sở các

dữ liệu này tính được khoảng cách phân cách D (Hình 2.9)

Ghi chú: O : Điểm sét đánh Et : Điện áp đỉnh tại đầu cực máy biến áp, kV

I0 : Biên độ dòng sét, kA Up : Mức bảo vệ của chống sét van, kV

31

D

S0 : Độ dốc tại O, kV/µs D : Khoảng cách phân cách, m

SA: Độ dốc tại điểm A x : Khoảng cách chỗ sét đánh đến điểm

β : Hệ số phản xạ chung dây nối CSV và đường dây, m

Hình 2.9 Bảo vệ chống sét van đối với một máy biến áp

Số lần sét đánh trực tiếp (N) vào đường dây phân phối phụ thuộc vào:

Hình 2.10 Che chắn gần đối tượng

(Nếu: x = H = h thì Sf = 0,5)Khoảng thời gian cho phép giữa hai lần gây nguy hiểm (ts):

I0 s

1P

Kết luận: Ưu điểm của phương pháp này có xét đến mật độ sét đánh khu vực, hệ số

che chắn, xác suất xuất hiện dòng sét vượt giá trị I0, tức chỉ quan tâm đến chỉ tiêu kỹthuật Tuy nhiên phương pháp này chưa xét đến tỷ lệ rủi ro hư hỏng, tức chỉ tiêukinh tế

2.5.2 Phương pháp cải tiến

Theo phương pháp này cần xác định số lần xung sét nhận được tại điểm Atrong một năm (Nf) Từ đó tính được độ dốc đầu sóng tại điểm kết nối giữa đườngdây và chống sét van (SA) Trên cơ sở các dữ liệu này tính được khoảng cách phâncách D (Hình 2.9)

33

Dòng sét gây nên độ dốc Iox của sóng đi vào lớn hơn SA sau khi đánh vàođường dây tại một khoảng cách x cách xa tính từ điểm A

Kết luận: Phương pháp này xác định khoảng cách phân cách giữa chống sét van và

đầu cực máy biến áp trên cơ sở điện áp xung Et tại đầu cực máy biến áp phải thấphơn điện áp cách điện xung định mức của cuộn dây máy biến áp (BIL) Đồng thời

34

có xét đến tỉ lệ rủi ro, hệ số che chắn, mật độ sét đánh Tuy nhiên phương pháp nàycũng còn một số hạn chế như hệ số che chắn chọn theo kinh nghiệm và chỉ quantâm đến cấu hình trạm một máy biến áp.

2.6 Kết luận

Các phương pháp trên từ đơn giản đến phức tạp cũng đã đạt được một số kếtquả nhất định trong việc lựa chọn hợp lý chống sét van bảo vệ máy biến áp, cũngnhư xác định được khoảng cách phân cách hợp lý giữa chống sét van và đầu cựcmáy biến áp của cấu hình trạm đơn giản một máy biến áp có xét đến các yếu tố ảnhhưởng như mật độ sét khu vực, hệ số che chắn, bên độ dòng sét, tỉ lệ rủi ro,

Nhưng nhìn chung vẫn còn một số vấn đền cần tiếp tục nghiên cứu như:

- Xác định khoảng cách phân cách trong trường hợp trạm có hơn một máybiến áp, nhiều đường dây đến

- Vì các vật thể che chắn ảnh hưởng rất lớn đến giá trị quá áp trên đường dây

đi vào trạm Do vậy, cần có phương pháp xác định cụ thể hơn, chứ khôngthể chỉ dựa vào kinh nghiệm

- Cần quan tâm đến giá trị thời gian trung bình hư hỏng máy biến áp (MTBF)

và tổng trở dây nối giữa hai đầu chống sét van trong quá trình xác địnhkhoảng cách phân cách

35

Chương 03 PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐẶT CHỐNG SÉT VAN BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP PHÂN PHỐI

3.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van theo IEEE Std C62.22.2009 [22]

Hầu hết chống sét van đặt tại đầu cực máy biến áp thì máy biến áp được bảo vệ

an toàn nhất, nhưng chống sét van còn phải bảo vệ cho toàn bộ cách điện của trạm,cho nên trong trường hợp tổng quát này giữa chống sét van và đầu cực máy biến ápcần có một khoảng cách phân cách

Dưới đây, trình bày giải thuật xác định vị trí đặt chống sét van đối với cấu hìnhtrạm một máy biến áp (Khoảng cách D, Hình 3.1) và cấu hình hai máy biến áp(Khoảng cách D1 và D2, Hình 3.2)

3.1.1 Trạm một đường dây và một máy biến áp

Transformer

Arrester

B

2 1

Hình 3.1 Trạm một đường dây và một máy biến áp

Ghi chú: B : Phần của thiết bị có cách điện (dao cách ly, giá đỡ thanh góp,…) được

S : Độ gia tăng điện áp sóng tới đường dây, kA/µs

D: Khoảng cách phân cách cực đại giữa J và đầu cực máy biến áp, m

36

Bước 1 Khoảng cách từ trạm đến chỗ sét đánh:

d =

N (MTBF).

Ở đây: Kc là hằng số suy giảm do vầng quang, kV.km/µs [21]

Bước 3 Điện áp băng ngang qua chống sét van từ J đến đất:

J

2Sdi

Bước 4 Điện áp chịu đựng cực đại của máy biến áp:

T

CWW 1,1.BILV

3.1.2 Trạm ba đường dây và hai máy biến áp

Hình 3.2 Trạm ba đường dây và hai máy biến áp

Ghi chú: D1: Khoảng cách phân cách cho phép cực đại giữa đầu cực máy biến áp 1

Bước 2 Xác định các thông số sau:

- Xác định điểm nút J, nơi mà điểm chung giữa máy biến áp, chống sét van vàđường dây sóng sét truyền đến

- Xác định khoảng cách D từ J đến đầu cực máy biến áp

- Xác định khoảng cách d1 từ J đến đầu cực chống sét van

- Xác định khoảng cách d2 từ chống sét van và mặt đất

Bước 3 Loại bỏ tất cả các đường dây kết nối đến d1

Bước 4 Tính tốc độ tăng điện áp tại điểm nút J:

c J

Ở đây: Ntt là số đường dây tính toán (kể cả đường dây sóng sét truyền đến)được kết nối đến thanh góp của trạm Trình bày cụ thể ở Bảng 3.1

Bảng 3.1 Số đường dây tính toán cho từng trường hợp đường dây bị sét đánh và

máy biến áp được xem xét

(m)

d 2 (m)

N tt (đd)

Bước 5 Quá trình tính toán xác định khoảng cách phân cách cho từng trường hợp

máy biến áp được xem xét tương tự như trường hợp trạm một đường dây và một

máy biến áp từ bước 3 đến bước 5.

Bước 6 Xác định khoảng cách phân cách D1 và D2:

D1 = min(D1_T1_Line A ; D1_T1_Line B ; D1_T1_Line C)

D2 = min(D2_T2_Line A ; D2_T2_Line B ; D2_T2_Line C)

- Chưa xét đến các yếu tố ảnh hưởng của vật thể che chắn (Sf), mật độ sétkhu vực (Ng), hình dạng của cột…

- Số lần sét đánh vào đường dây (N) còn được ước lượng khi tính toán

- Giá trị điện cảm của dây dẫn nối ở hai đầu chống sét van (L) vẫn còn chọntheo kinh nghiệm

Dưới đây, đề xuất phương pháp cải tiến xác định vị trí lắp đặt chống sét vanbảo vệ trạm biến áp nhằm khắc phục được các nhược điểm nêu trên

39

3.2 Phương pháp cải tiến xác định vị trí đặt chống sét van

3.2.1 Yếu tố che chắn

Khi không có che chắn các vật thể (cây cối và các công trình) ở hai phía đườngdây phân phối thì số lần sét đánh vào đường dây rất nhiều Như vậy, các vật thể chechắn đó đóng một vai trò quan trọng trong việc thực hiện sét đánh lên đường dâyphân phối Nó có thể làm tăng hoặc giảm đáng kể số lần sét đánh lên đường dây.Hình 2.10 thể hiện che chắn của các vật thể gần đường dây phân phối

Hệ số che chắn (Sf), được định nghĩa là phần cho mỗi đơn vị của đường dâyphân phối được bảo vệ bởi các vật thể gần đó Đường dây phân phối được che chắnbởi hai phía nên hệ số che chắn được thể hiện:

Ở đây: Sf là hệ số che chắn tổng; SfL là hệ số che chắn ở phía bên trái; SfR là hệ

số che chắn ở phía bên phải

Ghi chú:Hệ số che chắn bằng 0, có nghĩa là đường dây phân phối bố trí ở vùng

không có che chắn bởi các vật thể gần nó

Hệ số che chắn bằng 1, có nghĩa là đường dây phân phối hoàn toàn đượcbảo vệ từ các vật thể gần nó

Nếu tổng của các hệ số che chắn lớn hơn 1, thì tổng hệ số che chắn bằng 1.Hình 3.3 trình bày quan hệ giữa hệ số che chắn, chiều cao vật thể che chắn vàkhoảng cách từ vật thể đến đường dây phân phối [23] Các vật thể được giả sử làmột hàng đồng nhất song song với đường dây phân phối và bố trí một phía củađường dây Hình 3.3 cũng được sử dụng cho các vật thể ở cả hai phía của đườngdây phân phối