PHẦN ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN 3

Để đơn giản chúng ta coi rằng điện dung của ba pha đối với đất đối xứng và tập trung ở giữa đường dây CA ; CB ; CC Giữa các dây dẫn các pha khác nhau cũng có điện dung, nhưng giá trị củ

31

CHƯƠNG 3

CÁC TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC

CỦA ĐIỂM TRUNG TÍNH

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

DÀN BÀI

I Định nghĩa điểm trung tính

II Lưới điện ba pha có điểm trung tính cách đất

1 Tình trạng làm việc bình thường

2 Khi có một pha chạm đất

III Lưới điện ba pha có điểm trung tính nối đất qua cuộn dập tắt hồ quang

1 Giới thiệu cuộn dây dập tắt hồ quang (Cuộn Peterson)

2 Khi có một pha chạm đất trong lưới điện ba pha điểm trung tính nối đất qua cuộn dập tắt hồ quang

IV Lưới điện ba pha có điểm trung tính trực tiếp nối đất

1 Giới thiệu lưới điện ba pha trung tính trực tiếp nối đất

2 Ưu khuyết điểm các lưới điện có chế độ làm việc của điểm trung tính khác nhau

V Tóm tắt - ôn tập

Mục tiêu

1 Xác định các chế độ làm việc của điểm trung tính trong hệ thống điện

2 Phân biệt được các lưới điện có dòng chạm đất bé và có dòng chạm đất lớn (dòng ngắn mạch)

3 Xác định nguyên nhân và ứng dụng của các lưới điện có chế độ làm việc điểm trung tính khác nhau

4 So sánh được các ưu – nhược điểm của các lưới điện có chế độ làm việc của điểm trung tính khác nhau

5 Phân biệt các điểm nối đất khác nhau trong trạm biến áp hay lưới điện, có thể nối chung với nhau được không?

Hình 3 – 1

Nối đất trực tiếp cho

điểm trung tính của MBA

I ĐỊNH NGHĨA ĐIỂM TRUNG TÍNH

Trong hệ thống điện ba pha, điểm trung tính (trung điểm) là điểm chung của ba cuộn dây nối hình sao (Y) của máy phát điện hay máy biến áp trong hệ thống

Điểm trung tính có thể

Hình 3 – 2 : Các chế độ làm việc của điểm trung tính

Tình trạng làm việc của điểm trung tính có ảnh hưởng đến việc: chọn các thông

số của bảo vệ Rơ-le ; mức cách điện cho các máy điện và khí cụ điện ; Chọn cách nối đất ; …

II.1 Tình trạng làm việc bình thường

Sơ đồ của một lưới điện đơn giản gồm: một máy phát, đường dây và phụ tải Mỗi pha của lưới điện có một điện dung đối với đất Điện dung mỗi pha đối với đất phân bố dọc đường dây.( trong lưới điện lớn hơn 1000 V, mối liên hệ điện dung trội hơn) Để đơn giản chúng ta coi rằng điện dung của ba pha đối với đất đối xứng

và tập trung ở giữa đường dây CA ; CB ; CC

Giữa các dây dẫn các pha khác nhau cũng có điện dung, nhưng giá trị của nó nhỏ, không ảnh hưởng đến sự phân tích tình trạng làm việc của điểm trung tính nên không cần chú ý và biểu diễn chúng trên hình vẽ

Trong tình trạng làm việc bình thường, điện áp của ba pha đối với đất UA ; UB ;

UC đối xứng và bằng điện áp pha của máy phát UF Do đó, dòng điện diện dung của các pha IC0A ; IC0B ; IC0C cũng đối xứng với nhau, nghĩa là

(1) Cách điện đối với đất (2) Nối đất qua cuộn dập tắt hồ quang (3) Nối đất trực tiếp

Hình 3 – 4 : Đồ thị vectơ

ptA



A



CoA

I

ptA

I

FA

I

A

U

Hình 3 – 3 : Sơ đồ lưới điện

ZBC

ZAB

C

A

A

C

ZAC FA

I

FB

I

FC

I

CoA

ptA

I

ptB

I

ptC

I

33

Trên hình 3 – 3 các dòng điện ICoA ; ICoB ; ICoC tương ứng vượt trước điện áp UA

; UB ; UC một góc 900 Vì vậy, tổng hình học các dòng điện điện dung chạy trong đất bằng 0

Dòng điện trong các pha của máy phát điện IFA ; IFB ; IFC bằng tổng hình học dòng điện phụ tải các pha IptA ; IptB ; IptC và dòng điện điện dung ICoA ; ICoB ; ICoC các pha tương ứng

Từ hình 3 – 4, ta thấy rằng dòng điện điện dung ảnh hưởng làm giảm góc lệch pha của dòng điên trong các máy phát, tức là có khả năng tăng hệ số công suất trong lưới điện

II.2 Khi có một pha chạm đất

Giả thiết rằng pha C của lưới điện chạm đất trực tiếp

Điện áp đối với đất của pha C bằng 0 (UC = 0)

Điện áp của pha C bằng 0 có thể coi như ở chỗ chạm đất được đặt thêm vào một điện áp thứ tự không bằng – UC

ICoA = ICoB = ICoC = ICo = UF  C

I CoA + I CoB + I CoC = 0

I FA = I ptA + I CoA IFB = I ptB + I CoB IFC = I ptC + I CoC

O

O /

Hình 3 – 6 : Sơ đồ vectơ khi pha C chạm đất

UA /

IC

UC

UB

UA

- UC

ICA /

Iđ,C

UB /

ICB /

+

ICA /

ICB /

- U C

- U C

-IC

Hình 3 – 5 : Sơ đồ lưới

điện khi pha C chạm đất

B

A

C

Iđ,C

Iđ,C

/

U/ A

O

CA

CA

I

CB

I

Như vậy điện áp mới của các pha đối với đất ; bằng tổng hình học điện

áp của các pha đối với đất trước khi chạm đất và điện áp thứ tự không

Từ đồ thị vectơ, tính được

Tức điện áp đối với đất của pha bị chạm đất bằng không, còn hai pha còn lại tăng lên 3 lần (bằng điện áp dây Ud)

Dòng điện điện dung của các pha: I’CA, I’CB, I’CC khi chạm đất pha C cũng được xác định bằng tổng hình học dòng điện I CA, I CB, I CC của các pha ở chế độ bình thường và dòng chuyển dịch của trung điểm IC0 = – I CC nghĩa là:

Từ đồ thị vectơ, ta tính được

Góc giữa các vectơ ; là 600 Dòng điện dung chạm đất Icđ,C bằng tổng hình học dòng điện điện dung của các pha không có sự cố ( ; )

Tức là, dòng điện dung trong pha bị chạm đất tăng lên gấp ba lần dòng điện dung lúc bình thường

Trong đó:

 UP : điện áp pha của thiết bị

  : tần số góc của mạng điện

 C : điện dung giữa các pha với đất

Từ đó thấy rằng I cđ , C phụ thuộc vào điện áp, tần số và điện dung của pha đối với đất Điện dung của pha đối với đất lại phụ thuộc cấu tạo và chiều dài đường dây

Với tần số công nghiệp 50 Hz , dòng điện điện dung có thể xác định theo các công thức kinh nghiệm sau

Đối với đường dây trên không

Đối với đường dây cáp

Ud : điện áp dây của thiết bị (kV)

l : chiều dài tổng cộng của các đường dây có nối điện với nhau (km)

Từ đồ thị vectơ, ta xác định được điện áp giữa các pha sau lúc chạm đất

Các biểu thức trên cho ta kết luận rằng: điện áp dây trước và sau khi chạm đất một pha không thay đổi Trước lúc chạm đất, điểm trung tính có điện áp bằng không

U , A

U , B

C A

A I - I

A

A 3I

A

U 3 

A

CA

I



CB

I



CA

I



CB

I

 )

I I (



C U 3 X

U 3 I 3 I 3 I 3

C

P Co

CoA CA

C

AB B

A

AB U - U U

BC C

B

BC U - U U

CA A

C

CA U - U U

350

l U

C 

10

l U

C 

35

nhưng sau lúc chạm đất pha C, điểm C có điện áp bằng không Do đó điện áp của điểm trung tính đối với đất sau khi một pha chạm đất sẽ tăng lên bằng điện áp pha Tóm lại, trong lưới điện có trung điểm cách đất, sau khi chạm đất trực tiếp một pha thì tình hình lưới điện có những thay đổi, và những điều cần lưu ý sau

Điện áp đối với đất của pha chạm đất bằng không Còn hai pha kia tăng lên bằng điện áp dây (Ud)

Dòng điện điện dung tại chỗ chạm đất bằng 3 lần, còn trong hai pha còn lại tăng gấp lần dòng điện điện dung lúc bình thường

Điện áp dây của thiết bị trước và sau khi chạm đất không thay đổi

Điện áp của điểm trung tính tăng từ không đến điện áp pha

Do dòng điện điện dung sau khi chạm đất rất nhỏ so với dòng điện phụ tải bình thường và sau khi chạm đất tam giác điện áp không thay đổi nên các phụ tải (ba pha) vẫn làm việc bình thường

Tuy vậy, đối với lưới điện này, người ta không cho phép làm việc lâu dài với một điểm chạm đất vì những lý do sau :

a) Sau khi chạm đất, điện áp đối với đất của các pha còn lại tăng lên bằng điện áp dây Ud , do đó, những chỗ cách điện yếu có thể bị chọc thủng và dẫn đến ngắn mạch giữa các pha, dẫn đến rơ-le bảo vệ sẽ cắt điện trên đường dây làm ngưng trệ việc cung cấp điện Để khắc phục tình trạng đó, cách điện pha của mạng và các thiết bị đặt trong mạng phải thiết kế chịu được Ud làm cho giá thành trang thiết bị điện tăng lên

b) Dòng điện điện dung sẽ sinh hồ quang có thể đốt cháy cách điện tại chỗ chạm đất và dẫn đến ngắn mạch giữa các pha

c) Với một trị số nhất định của dòng điện điện dung, hồ quang có thể cháy lập lòe, nghĩa là tắt đi cháy lại một cách chu kỳ, làm cho điện áp của các pha tăng lên 2,5  3 lần Uđm (vì lưới điện là một mạch vòng dao động) Do

đó cách điện các pha không bị chạm đất dễ dàng bị chọc thủng và gây ra ngắn mạch giữa các pha Xác xuất lớn nhất để dòng điện hồ quang cháy lập lòe ứng với dòng điện điện dung lớn khoảng 5  10 (A)

Vì vậy nếu lưới điện không có bảo vệ rơ-le cắt chạm đất một pha, thì phải

có thiết bị kiểm tra cách điện phát hiện một pha chạm đất để kịp thời sửa chữa Nếu lưới điện nối trực tiếp với máy phát thì không cho làm việc với một pha chạm đất kéo dài quá 2 giờ

Trong lưới điện 6  20 kV dự trữ cách điện rất lớn, tuy nhiên cũng chỉ cho phép làm việc với dòng điện dung IC < 30 (A)

Trong lưới điện 20  35 kV dự trữ cách điện kém, mạng này chỉ cho phép làm việc với dòng điện điện dung IC < 10 (A)

Theo quy định các lưới điện U  110 kV thường là lưới điện có điểm trung tính nối đất trực tiếp Người ta thường nối đất điểm trung tính của lưới điện

U  110 kV tại các trạm biến áp

 3

III LƯỚI ĐIỆN BA PHA CÓ ĐIỂM TRUNG TÍNH NỐI ĐẤT QUA CUỘN DẬP TẮT

HỒ QUANG (CUỘN PETERSON)

III.1 Giới thiệu cuộn dập tắt hồ quang

Cuộn dập tắt hồ quang thường dùng là loại kháng điện, điện cảm có thể điều chỉnh được Cuộn dập tắt hồ quang gồm lõi bằng thép kỹ thuật điện và cuộn dây đặt trong thùng chứa đầy dầu máy biến áp

Điện cảm cuộn dây LCD được điều chỉnh nhờ

thay đổi số vòng dây hoặc tăng giảm khe hở lõi

thép

Điện trở của cuộn dây rCD rất nhỏ so với điện

cảm Trông bề ngoài cuộn dây dập tắt hồ quang

giống máy biến áp một pha

III.2 Khi có một pha chạm đất trong lưới điện ba pha có trung điểm nối đất qua cuộn dây dập tắt hồ quang

Để giảm dòng điện điện dung của chạm đất một pha, người ta đặt một thiết bị

bù giữa trung điểm của nguồn hoặc phụ tải (hệ thống có bù dòng điện điện dung chạm đất) Trong điều kiện làm việc bình thường, điện áp đặt lên cuộn dây dập tắt hồ quang coi như bằng không (vì điện áp của điểm trung tính gần bằng không) Do đó trong cuộn dây dập tắt hồ quang không có dòng điện

Khi có một pha chạm đất trực tiếp, điện áp điểm trung tính tăng lên bằng điện

áp pha Cuộn dây dập tắt hồ quang được đặt dưới điện áp pha và trong nó sẽ có dòng điện cảm IL chậm pha so với điện áp điểm trung tính một góc 900

Kết quả là tại chỗ chạm đất sẽ có hai dòng điện : điện cảm IL và điện dung IC

ngược pha nhau Nếu điều chỉnh IL thích hợp, dòng điện tại chỗ chạm đất bằng không, hồ quang chập chờn mất đi mà không sợ hiện tượng đốt cháy cách điện hay qúa điện áp nội bộ

Hình 3 – 7 : Cuộn dập tắt hồ quang

Hình 3 – 9

Sơ đồ vectơ lưới điện ba pha có điểm trung tính nối đất qua cuộn dâp

hồ quang, khi có một pha chạm đất

IL

IC

Hình 3 – 8 : Sơ đồ lưới điện ba pha nối đất

điểm trung tính qua cuộn dập hồ quang

IL

B

A

C

Iđ,C

Iđ,C

U/ C

U/ B

U/ A

O

CA

CA

I

CB

I

IL

37

Trong thực tế, vận hành do đóng cắt các đường dây nên dòng điện IC thay đổi

và không thể thực hiện được IL = IC để cho dòng điện chạm đất bằng không trong thời điểm bất kỳ Mặt khác, người ta muốn rằng dòng điện tại chỗ chạm đất sau khi

bù vẫn còn có một trị số nào đó để cho bảo vệ rơ-le tác động cho tín hiệu báo để nhân viên vận hành biết và kịp thời sửa chữa

 Nếu cuộn dây dập tắt hồ quang được điều chỉnh ứng lúc toàn bộ các đường

dây đều làm việc mà I C > I L Lúc chạm đất tại pha một chỗ chạm đất sẽ có dòng

điện bù thiếu: Ib = IC – IL Hiệu chỉnh như vậy trong khi có đang có một số đường dây bị cắt mà có chạm đất một pha, dẫn đến IC giảm và Ib giảm theo, làm cho bảo vệ rơ-le không tác động được, nhân viên vận hành, bảo trì không nhận biết được để sửa chữa

 Nếu cuộn dây dập tắt hồ quang được hiệu chỉnh ứng lúc toàn bộ các đường

dây đều làm việc mà I L > I C thì lúc chạm đất một pha, tại chỗ chạm đất sẽ có dòng điện quá bù Ib = IL – IC. Hiệu chỉnh như vậy thì trong khi đang có một đường dây bị cắt mà có chạm đất một pha, dẫn đến IC giảm và Ib tăng lên làm cho bảo vệ rơ-le khởi động chắc chắn

Trong thực tế, thường hiệu chỉnh cuộn dập tắt hồ quang sao cho có hiện tượng quá bù

Lưới điện ba pha trung tính cách điện hay nối đất qua cuộn dập tắt hồ quang còn gọi là lưới điện có dòng điện chạm đất bé và cần phải có thiết bị kiểm tra tình trạng cách điện khi làm việc và cách điện pha được thiết kế bằng cách điện dây

IV LƯỚI ĐIỆN BA PHA CÓ ĐIỂM TRUNG TÍNH TRỰC TIẾP NỐI ĐẤT

IV.1 Giới thiệu mạng

IV.2 So sánh ưu khuyết điểm các lưới điện có chế độ làm việc của điểm trung tính khác nhau

Các lưới điện có U > 35kV đều có trung tính nối đất trực tiếp hoặc nối đất qua điện kháng nhỏ vì những nguyên nhân sau

Hình 3 – 10 : Lưới điện có điểm

trung tính nối đất trực tiếp

B

A

Hình 3 – 11 : Lưới điện có điểm trung tính nối đất qua điện kháng nhỏ

B A

a) Dòng điện điện dung của các mạng này rất lớn do điện áp cao và chiều dài đường dây lớn

b) Nhược điểm cơ bản của lưới điện có dòng điện chạm đất bé (dù có dùng cuộn dây dập tắt hồ quang cũng không thể giải quyết được) là khi chạm đất một pha, điện áp các pha còn lại tăng lên bằng điện áp dây Trong khi dự trữ cách điện của mạng điện áp cao không lớn lắm, nên cách điện dễ dàng bị chọc thủng và dẫn đến ngắn mạch giữa các pha Đồng thời việc tăng cách điện trong các mạng > 35 kV trở nên rất tốn kém so với các lưới điện có điện áp thấp hơn

Ưu điểm của lưới điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất là làm cho giá thành khí cụ điện và cách điện đường dây rẻ hơn vì tiết kiệm được cách điện giữa các pha với đất, do nối đất trực tiếp nên điện áp của các dây dẫn đối với đất trong chế độ làm việc bất kỳ không vượt qua điện áp pha

Nhược điểm của lưới điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất:

a) Khi chạm đất một pha là ngắn mạch, nên dòng điện rất lớn, dẫn đến việc bảo

vệ rơ-le tác động cắt mạch điện làm cho việc cung cấp điện bị ngưng trệ, cũng vì vậy trong lưới điện không cần thiết bị kiểm tra cách điện Nhược điểm này có thể khắc phục được nhờ gắn bộ tự động đóng lại trên mạng điện sẽ làm giảm thời gian mất điện của hộ tiêu thụ đến mức thấp nhất vì kinh nghiệm vận hành cho biết, ngắn mạch một pha trong lưới điện trên không hầu hết có tính chất tạm thời (thoáng qua) và cách điện tại chỗ hư hỏng có thể tự phục hồi và ngắn mạch tự mất đi

b) Dòng điện chạm đất một pha, trong nhiều trường hợp cũng rất lớn nên thiết

bị nối đất phức tạp và đắt tiền hơn

c) Dòng điện ngắn mạch một pha có thể lớn hơn dòng điện ngắn mạch ba pha

Để hạn chế dòng ngắn mạch một pha, phải tăng cường điện kháng thứ tự không bằng cách giảm số điểm nối đất trung tính trong hệ thống điện hoặc nối đất trung tính qua điện kháng nhỏ

d) Lưói điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất, nối đất qua điện kháng nhỏ, còn gọi là lưới điện có dòng điện chạm đất lớn

e) Cần nói rõ thêm rằng, các lưới điện có U  1000 (V) đều làm việc với điểm trung tính nối đất trực tiếp không phải vì nguyên nhân cách điện (cách điện của lưới điện này tương đối rẻ) mà xuất phát từ vấn đề an toàn cho người Các lưới điện này là những lưới điện sinh hoạt, xác suất người chạm phải những phần mang điện tương đối lớn Nếu điểm trung tính cách đất, khi có một pha chạm đất, người chạm phải dây dẫn pha kia phải chịu điện áp dây rất nguy hiểm Ngoài ra người ta có thể lấy được điện áp dây Ud và điện áp pha Up

Trên lưới điện phân phối có điểm trung tính trực tiếp nối đất, người ta còn bố trí thêm các dây và các điểm nối đất lập lại, để nhắc lại điện áp bằng không trên dây trung tính, nhất là khi có sự không cân bằng công suất xuất hiện trên các pha Các dây và khoảng cách nối đất lập lại được quy định trong các quy phạm

39

V TÓM TẮT VÀ ÔN TẬP

TÓM TẮT

1 Lưới điện có dòng chạm đất bé (lưới điện có điểm trung tính không nối đất hoặc nối đất qua cuộn dập tắt hồ quang) thường sử dụng cho lưới điện có U

≤ 35 kV Trong lưới điện này, cách điện giữa các pha đối với đất phải là cách điện cho điện áp dây Cần phải có thiết bị kiểm tra cách điện trong lưới điện Khi có sự cố chạm đất một pha trong lưới điện, phải tìm kiếm và khắc phục ngay điểm sự cố trong thời gian tối đa 2 giờ Nếu trong lưới điện điểm trung tính có nối đất qua cuộn dập tắt hồ quang thì nên điều chỉnh ở trạng thái quá

bù ( I L > I C )

2 Lưới điện có dòng chạm đất lớn (lưới điện có điểm trung tính nối đất trực tiếp hay nối đất qua điện kháng nhỏ) thường dùng trong lưới điện có U > 35

kV Khi lưới điện có điểm trung tính nối đất trực tiếp thì giá thành khí cụ điện

và cách điện đường dây rẻ hơn, tiết kiệm được cách điện giữa các pha với đất Cần phải có thiết bị tự động đóng lại trên mạng để bảo đảm độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ Trong các trạm biến áp thường giảm điểm nối đất để tăng điện kháng thứ tự không trên lưới điện

3 Lưới điện có U ≤ 1000 V đều làm việc với trung điểm nối đất trực tiếp để bảo đảm an toàn cho người, và lấy ra hai cấp điện áp : U d & U p

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Điểm trung tính là………… ; ký hiệu: … ? Dây trung tính là………… ; ký hiệu: …?

2 Lưới điện có trung điểm cách đất, khi có một pha chạm đất vẫn được phép vận hành trong thời gian : ……… , lý do là: ………

3 Lưới điện có U  110kV thường là lưới điện có trung điểm ……… Vì

lý do: ………

4 Quan sát lưới điện có U  110kV, hãy chỉ ra dây trung tính của lưới điện?

5 Lưới điện hạ áp U  1000V thường có điểm trung tính làm việc theo chế độ nào? Tại sao? Công dụng của dây nối đất lập lại trong lưới điện?

6 Thế nào là nối đất: làm việc ; an toàn ; bảo vệ trong trạm biến áp? Các điểm nối đất này có cùng chung một điểm nối đất không?

7 Thế nào là nối đất lập lại trong các lưới điện? Tác dụng của nối đất lập lại? Yêu cầu trong nối đất lập lại?

8 Thế nào là nối đất điểm trung tính qua điện trở lớn? Ưu – nhược điểm của loại lưới điện nối đất điểm trung tính qua điện trở lớn?

9 Quan sát hình 3 – 13 ; hình 3 – 14 sẽ thấy các nối đất cho máy biến áp trong trạm biến áp trung gian Nêu tác dụng của các nối đất đó? Tại sao không nối luôn vào

vỏ máy biến áp mà phải cách ly dây nối đất với vỏ máy biến áp bằng các sứ cách điện?

Hình 3 – 12 : Nối đất cho máy biến áp Hình 3 – 13 : Nối đất cho trung điểm

a Điện trở nối đất b Dao cách ly nối trung điểm đến điện trở nối đất

Hình 3 – 14 : Thiết bị nối đất điểm trung tính qua điện trở nối đất