Giáo trình điện - Chương 11: M.B.A làm việc với tải không đối xứng và quá trình quá độ trong M.B.A doc

Chơng 11
M.b.a làm việc với tải không đối xứng
Và quá trình quá độ trong m.b.a

11-1. Đại cơng

M.b.a làm việc không đối xứng khi tải phân phối không đều cho các pha, ví dụ:
một pha cung cấp cho lò điện do đó tải nặng hơn pha kia hoặc khi xảy ra ngắn mạch
không đối xứng (ngắn mạch hai pha, ngắn mạch một pha, ). Dòng điện ở các pha
không cân bằng nhau gây ảnh hởng xấu đến tình trạng làm việc bình thờng của
m.b.a nh: điện áp dây và pha sẽ không đối xứng, tổn hao phụ trong dây quấn và lõi
thép tăng lên, độ chênh nhiệt độ của máy vợt quá quy định
Để nghiên cứu tình trạng làm việc không đối xứng của m.b.a, ta dùng phơng pháp
phân lợng đối xứng. Hệ thống dòng điện ba pha không đối xứng I
a
, I
b
, I
c
đợc phân
tích thành ba hệ thống dòng điện đối xứng: thứ tự thuận I
a1
, I
b1
, I
c1
; thứ tự ngợc I
a2
, I
b2
,

I
c2
và thứ tự không I
a0
, I
b0
, I
c0
. Quan hệ giữa chúng nh sau:

2
2
1
2
0
11
1
1
1
a
a
a
c
b
a
Iaa
Iaa
I
I
I

I
=
(11-1)
và
c
b
a
a
a
a
Iaa
Iaa
I
I
I
I
2
2
2
1
0
11
1
1
1
3
1
=
(11-2)
trong đó:

và 1 + a + a
00
2402120
,
jj
eaea ==
2
= 0.
Khi tải của m.b.a không đối xứng, bao giờ ta cũng có thể phân tích thành các phân
lợng thứ tự thuận, thứ tự ngợc và thứ tự không. Riêng phân lợng thứ tự không trong
ba pha do có trị số bằng nhau và trùng pha về thời gian nên chỉ tồn tại khi dây quấn nối

0
hoặc .
Cần chú ý rằng, phơng pháp phân lợng đối xứng dựa trên cơ sở của nguyên lý
xếp chồng. Để ứng dụng đợc nguyên lý đó, ta giả thiết rằng mạch từ của m.b.a không
bão hoà (à = C
te
). Ngoài ra khi phân tích ta xem nh đã qui đổi các lợng thứ cấp về
phía sơ cấp (để đơn giản ta bỏ qua dấu phẩy).
Quá trình quá độ trong m.b.a xảy ra khi có sự thay đổi đột ngột trong chế độ làm
việc của máy, ví dụ nh khi thao tác đóng máy vào nguồn, khi tải thay đổi hoặc khi
xảy ra ngắn mạch Trong thời gian rất ngắn của quá trình quá độ có thể xuất hiện
dòng điện rất lớn hoặc điện áp rất cao làm hỏng dây quấn của m.b.a, vì vậy cần đợc
phân tích và chú ý khi thiết kế cũng nh khi vận hành. Trong chơng này chúng ta sẽ
phân tích hai hiện tợng chính: hiện tợng quá dòng điện và hiện tợng quá điện áp.



125

11-2. Mạch điện thay thế và tổng trở của
m.b.a đối với các thành phần đối xứng

Hệ thống dòng điện thứ tự thuận chính là hệ thống dòng điện đối xứng mà mạch
điện thay thế và các tham số của m.b.a đối với hệ thống dòng điện này ta đã xét ở
chơng 10.
Hệ thống dòng điện thứ tự ngợc trong m.b.a cũng có tác dụng hoàn toàn giống
nh hệ thống dòng điện thứ tự thuận bởi vì nếu đem đảo hai trong ba pha phía sơ cấp
(thí dụ B và C) và phía thứ cấp (thí dụ b và c) thì hiện tợng trong m.b.a không có gì
thay đổi. Vì vậy mạch điện thay thế và tham số của m.b.a đối với hệ thống dòng điện
thứ tự ngợc không có gì khác so với hệ thống dòng điện thứ tự thuận.
Hệ thống dòng điện thứ tự không ở ba pha sinh ra trong m.b.a các từ thông thứ tự
không
to
trùng pha nhau về thời gian. Trong tổ m.b.a ba pha, từ thông
to
khép mạch
trong lõi thép. Do từ trở của lõi thép nhỏ nên ngay khi I
ao
= I
bo
= I
co
nhỏ cũng có thể
sinh ra đợc
to
lớn. Trong m.b.a ba pha ba trụ, từ thông
to
phải khép mạch qua vách
thùng và dầu m.b.a, ở đó có từ trở lớn nên từ thông

to
nhỏ hơn (hình 9-29b).
Từ thông
to
và I
ao
cũng sinh ra trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp các s.đ.đ. tự
cảm và hỗ cảm, và ta cũng có thể thành lập đợc mạch điện thay thế hình T tơng tự
nh đối với trờng hợp dòng điện thứ tự thuận. Ta hãy xét những trờng hợp có dòng
điện thứ tự không: khi m.b.a có tổ nối dây quấn Y
o
/Y
o
, Y
o
/ và Y/Y
o
nh ở hình 11-1.

3
I
ao

126
I
Bo
A
I
Ao
I
Co
I
ao
I
bo
I
co
3
I
Ao
B
C
a
b
c
Z

1
Z
2
Z
mo
I
ao
I
Ao
I
mo
-U
ao
U
Ao
Z
n
I
Ao
= - I
ao
-U
ao
U
Ao
a
)
3
I
Ao

3
I
ao
I
ao
I
Ao
I
Co
I
Bo
I
bo
I
co
A
I
ao
B
C
a
b
c
U
Ao
Z
1
Z
2
Z

mo
I
ao
I
Ao
I
mo
Z
n
I
Ao
U
Ao
b
)
I
bo
I
co
A
B
C
a
b
c
Z
1
Z
2
I

ao
-U
ao
Z
mo
I
mo
I
ao
-U
ao
Z
2
+ Z
mo
c
)
H
ình 11-1. Các mạch điện thay thế của m.b.a đối với thành phần thứ tự khôn
g


Khi m.b.a nối Y
o
/Y
o
hoặc Y
o
/, dòng điện thứ tự không tồn tại trong cả dây quấn
sơ cấp và dây quấn thứ cấp, nên dạng mạch điện thay thế của m.b.a đối với phân lợng

thứ tự không không có gì khác với dạng mạch điện thay thế của phân lợng thứ tự
thuận (hình 11-1a và b). Cần chú ý rằng, khi m.b.a đấu Y
o
/ thì dòng điện thứ tự không
phía thứ cấp không chạy ra ngoài nên mạch điện thay thế bị nối tắt ở phía thứ cấp.
Nếu m.b.a đấu Y/Y
o
, do phía nối Y không có dây trung tính, dòng điện thứ tự
không không tồn tại, nên phía đó đợc xem nh hở mạch (hình 11-1c).
Trong các mạch điện thay thế của m.b.a đối với phân lợng thứ tự không trình bày
trên hình 11-1, các tổng trở Z
1
= r
1
+ jx
1
và Z
2
= r
2
+ jx
2
không có gì khác với các tổng
trở tơng ứng của phân lợng thứ tự thuận và ngợc. Tổng trở từ hoá của phân lợng
thứ tự không z
mo
có trị số phụ thuộc vào cấu tạo của mạch từ. Nếu là tổ m.b.a ba pha thì
z
mo
= z

m
. Nếu là m.b.a ba pha ba trụ thì do
to
khép mạch qua dầu và vách thùng dầu
nên z
mo
nhỏ hơn, thờng z
mo
= (7 ữ 15)z
n
.
Tơng tự nh các phân lợng thứ tự thuận và ngợc, s.đ.đ. thứ tự không E
to
do từ
thông
to
sinh ra có thể đợc biểu thị nh sau:

(11-3)
momoto
IZE
&&
=
Trên hình 11-1 cũng trình bày các mạch điện thay thế đơn giản hoá. ở các trờng
hợp đấu Y
o
/Y
o
và Y
o

/, dòng điện thứ tự không tồn tại ở cả hai phía sơ cấp và thứ cấp
và gần bằng nhau (
), nên dòng từ hoá thứ tự không I
aoAo
II
&&
=
mo
cần thiết để sinh ra từ
thông
to
rất nhỏ, vì vậy có thể bỏ qua nhánh từ hoá và ta có Z
n
= Z
1
+ Z
2
.
Từ những mạch điện thay thế ở hình 11-1 ta thấy: tổng trở thứ tự không của m.b.a
Z
to
(có đợc khi đo ở một phía với điều kiện dây quấn phía kia nối ngắn mạch) có trị số
giới hạn giữa tổng trở ngắn mạch Z
n
và tổng trở không tải Z
o
.
Trị số Z
to
có thể xác định đợc bằng thí nghiệm theo sơ đồ nh ở hình 11-2. Với sơ

đồ đó ta có I
a
= I
b
= I
c
= I
to
. Nếu phía thứ cấp không có dòng điện thứ tự không thì cầu
dao T mở, ngợc lại nếu có dòng điện thứ tự không thì cầu dao đóng mạch.
Theo số liệu U, I và P đo đợc, ta có:

T
A
W
V
I
P
I
t0
I
U
z
to
3
=
(11-4)

2
3

I
P
r
to
=
(11-5)

22
tototo
rzx =
(11-6)






Hình 11-2. Sơ đồ nối dây xác định
tổng trở thứ tự không của m.b.a

11-3. Tải không đối xứng của m.b.a

11.3.1. Khi có dòng điện thứ tự không
a. Trờng hợp dây quấn nối Y/Y
o
Với tổ nối dây này, khi tải không đối xứng ta có:

(11-7)
0=++
CBA

III
&&&

(11-8)
dcba
IIII
&&&&
=++

127
Phân tích các dòng điện pha sơ cấp và thứ cấp thành các phân lợng đối xứng ta
thấy rằng, các dòng điện thứ tự thuận và ngợc của sơ cấp và thứ cấp cân bằng nhau.
Các dòng điện từ hoá thứ tự thuận và ngợc I
m1
và I
m2
của các pha sẽ sinh ra các s.đ.đ.
E
A
, E
B
, E
C
. Riêng dòng thứ tự không (
3
d
coboao
I
III ===
) tồn tại ở phía thứ cấp không

đợc cân bằng (vì I
Ao
= I
Bo
= I
Co
= 0) nên sẽ sinh ra
to
và s.đ.đ. thứ tự không E
mo
tơng
đối lớn.
Nh vậy, các phơng trình cân bằng điện áp phía sơ cấp sẽ nh sau:

U
(11-9)
01
01
01
mCCC
mBBB
mAAA
EEZIU
EEZI
EEZIU
&&&&
&&&&
&&&&
=
=

=
&&&&&
==++
UUU
&&&
&&&
&&&
=
=
=
Vì
và nên ta suy ra đợc:
0=++
CBA
III
&&&
0=++
CBA
EEE
&&&

U
(11-10)
000
33
mmmCBA
ZIEUU
Mặt khác khi dây quấn sơ cấp đấu Y, ta có:

U

(11-11)
ACCA
CBBC
BAAB
UUU
UU
Từ các biểu thức (11-10) và (11-11) ta tìm đợc các điện áp pha sơ cấp:

128
,
A
U
&
,
C
U
&
B
U
&

,
B
U
&

C
U
&
A

U
&

ma
ZI
0
&

A
00
,
00
00
,
00
00
,
00
)
)
)
mcCmcBCCA
mbBmbABBC
maAmaCAAB
ZIUZIUU
ZIUZIUU

(
3
1

(
3
1
(
3
1
C
B
A
U
ZIUZIUUU
&&&&&&
&&&&&&
&&&&&&
+=+=
+=+=
+=+=
U
(11-12)
Đồ thị véctơ tơng ứng với hệ phơng trình
(11-12) đợc biểu thị nh ở hình 11-3. Ta thấy
rằng, ảnh hởng của dòng điện thứ tự không làm
cho điểm trung tính của điện áp sơ cấp bị lệch đi
một khoảng bằng I
a0
z
m0
.
Các phơng trình điện áp thứ cấp sẽ có dạng:

B
C
Hình 11-3. Điện áp không đối xứng
do điểm trung tính bị xê dịch

(11-13)
202112100
,
21
)()( ZIIIZIIZIU
ZIZIUU
aaaAAmaA
aAAa
&&&&&&&
&&&&
+++++=
+=
Vì
và Z
2211
;
aAaA
IIII
&&&&
==
m0
+ Z
2
= Z
t0

, nên:

00
,
tanAAa
ZIZIUU
&&&&
+=
Cũng tơng tự nh vậy:

(11-14)
00
,
00
,
tcnCCc
tbnBBb
ZIZIUU
ZIZIUU
&&&&
&&&&
+=
+=
Các phơng trình (11-14) chứng tỏ rằng, do có dòng điện thứ tự không, điểm trung
tính của điện áp thứ cấp bị lệch đi một khoảng I
a0
Z
t0
lớn hơn so với khoảng lệch của
điện áp sơ cấp I

a0
Z
m0
. Thực ra sự khác nhau đó không đáng kể vì Z
m0
Z
t0
.
Sự xê dịch điểm trung tính làm cho điện áp pha không đối xứng, gây bất lợi cho
các tải làm việc với điện áp pha nh đèn điện. Để hạn chế sự xê dịch điểm trung tính
ngời ta qui định dòng điện trong dây trung tính I
d
< 25%I
đm
. Ngoài ra tổ m.b.a ba pha
không đợc dùng tổ nối dây Y/Y
0
vì Z
m0
quá lớn. Đối với m.b.a ba pha ba trụ, vì Z
m0

nhỏ hơn nên cho phép dùng tổ nối dây Y/Y
0
với điều kiện S < 5600 kVA.
b. Trờng hợp dây quấn nối Y
0
/Y
0
và Y

0
/
ở trờng hợp này, dòng điện thứ tự không tồn tại cả ở phía sơ cấp và thứ cấp và cân
bằng nhau:
; nên không sinh ra từ thông
00 aA
II
&&
=
t0
và s.đ.đ. E
t0
. Nh vậy các
phơng trình cân bằng điện áp thứ cấp nh sau:

(11-15)
nCCc
nBBb
nAAa
ZIUU
ZIUU
ZIUU
&&&
&&&
&&&
=
=
=
Vì
nên từ (11-15) suy ra đợc:

dCBA
IIII
&&&&
=++

(11-16)
dncba
IZUUU
&&&&
=++
Điểm trung tính sẽ lệch đi một khoảng I
ao
.z
n
=
nd
zI
3
1
. Sự xê dịch này không đáng
kể vì z
n
rất nhỏ.
11.3.2. Khi không có dòng điện thứ tự không
Trờng hợp này ứng với các tổ nối dây Y/Y, /Y, Y/ và /. Do không có dòng
điện thứ tự không, hơn nữa các dòng điện thứ tự thuận và thứ tự ngợc phía sơ cấp và
thứ cấp hoàn toàn cân bằng nhau nên không cần thiết phải phân tích thành các phân
lợng đối xứng và có thể dùng phơng pháp thông thờng để nghiên cứu điện áp từng
pha. Sự liên quan giữa các pha chỉ cần thiết khi xét đến điện áp dây và dòng điện dây.
Cần chú ý rằng, khi tải không cân bằng, U ở các pha không bằng nhau, nhng vì z

n

nhỏ nên sự không cân bằng về điện áp pha và điện áp dây không nghiêm trọng. Trên
thực tế, nếu tải không đối xứng với mức phân lợng thứ tự ngợc I
2
khác phân lợng
thứ tự thuận I
1
không quá 5% thì điện áp đợc xem là đối xứng.

11-4. Ngắn mạch không đối xứng của m.b.a

Ngắn mạch không đối xứng xảy ra khi sự cố ở phía thứ cấp m.b.a làm một pha bị
nối tắt với dây trung tính, hai pha bị nối tắt với nhau hoặc hai pha nối tắt với dây trung
tính. Những trờng hợp kể trên có thể xem nh là những trờng hợp giới hạn của tải
không đối xứng. Để phân tích các trờng hợp ngắn mạch không đối xứng, ta cũng áp
dụng phơng pháp phân lợng đối xứng nói trên. Chú ý rằng, dòng điện ở những pha bị
nối tắt là dòng điện ngắn mạch có trị số rất lớn, còn dòng điện tải ở các pha khác đợc
xem nh bằng không vì rất nhỏ so với dòng ngắn mạch.

129
Kết quả phân tích về sự phân phối dòng điện giữa các pha của một số trờng hợp
ngắn mạch khi không có dòng điện thứ tự không nh ở hình 11-4a, b và c và khi có
dòng điện thứ tự không nh ở hình 11-4d và e.

100%
6
7
%

130

W
2
W
1
r
1
L
1
U
1
Hình 11-5. Sơ đồ đóng m.b.a
vào lới lúc không tải
6
7
%
6
7

%
a
A
a A
100%
3
3%
3
3%
3
3%
d
)
b
B
a
)

B
3
3%
3
3%
3
3%
c
C

c
C

a
A
B
C

c
b
100%
100%
100%
100%
100%
b
)

a
A
100%
b
e
)
B
100%
100%
c
100%
C

100%
a

A
100%
100%
100%
c
)

b
B
100%
100%
c
C
H
ình 11-
4
. Sự phân bố dòng điện giữa các pha khi ngắn mạch

11-5. Quá dòng điện trong m.b.a

Hiện tợng quá dòng điện thờng xảy ra khi đóng m.b.a vào lới lúc không tải
hoặc xảy ra khi ngắn mạch đột nhiên.
11.5.1. Đóng m.b.a vào lới điện khi không tải
Nh đã biết, khi m.b.a làm việc không tải, dòng điện không tải I
0
rất nhỏ (không
vợt quá 10%I
đm
). Nhng trong quá trình quá độ khi đóng m.b.a không tải vào lới thì
dòng điện I

0
tăng gấp nhiều lần dòng điện định mức. Ta hãy xét hiện tợng đó đối với
m.b.a một pha nh ở hình 11-5.
Khi đóng m.b.a vào nguồn điện áp hình sin, theo định luật cân bằng s.đ.đ. ta có:

dt
d
WritU
m

+=+
1101
)sin(

(11-17)
trong đó - góc pha của điện áp lúc đóng mạch.
Quan hệ giữa và i
0
trong m.b.a là quan hệ
của đờng cong từ hoá, vì vậy phơng trình vi
phân không đờng thẳng. Để việc tính toán đợc
đơn giản, ta giả thiết rằng từ thông tỉ lệ với
dòng điện i
0
, nghĩa là:

1
1
0
L

W
i

=

trong đó L
1
- điện cảm của dây quấn sơ cấp và là








hằng số.
Phơng trình (11-17) có dạng:

dt
d
L
r
t
W
U
m

+=+
1

1
1
1
)sin(

(11-18)
Nghiệm của phơng trình (11-18) gồm hai thành phần:
=
,
+
,,
(11-19)
trong đó:
,

- là thành phần xác lập của từ thông:

)cos()
2
sin(
,
+=+= tt
mm



(11-20)
với:
2
1

2
11
11
)( LrW
UL
m
m

+
=


,,
- thành phần từ thông tự do:

t
L
r
eC
1
1
.
,,

= (11-21)
với C là hằng số tích phân đợc xác định theo điều kiện ban đầu. Khi t = 0 trong lõi
thép có một từ thông d nào đó
d
:

t = 0
= [
,
+
,,
]
t = 0
= -
m
cos + C =
d

hay C =
m
.cos
d

Nh vậy:
,,
= (
m
cos
d
).
t
L
r
e
1
1

(11-22)
Thay (11-22), (11-20) vào biểu thức (11-19) ta đợc:
= -
m
.cos(t + ) + (
m
cos
d
).
t
L
r
e
1
1

(11-23)
Từ biểu thức (11-23) ta thấy, điều kiện thuận lợi nhất khi đóng m.b.a không tải vào
lới điện xảy ra lúc = /2 (điện áp có trị số cực đại) và
d
= 0, lúc đó:
= -
m
.cos(t+
2

) =
m
.sint (11-24)

nghĩa là trạng thái xác lập đợc thành lập ngay
và không xảy ra quá trình quá độ.
Ngợc lại, điều kiện bất lợi nhất xảy ra khi
đóng máy vào lới lúc = 0 (điện áp lúc đó
bằng không) và
d
có dấu dơng, lúc đó:
= -
m
.cost + (
m
+
d
).
t
L
r
e
1
1

(11-25)
Đờng biểu diễn tơng ứng trình bày trên
hình 11-6.
Từ hình 11-6 ta thấy rằng, từ thông sẽ
đạt tới trị số cực đại ở thời gian nửa chu kỳ sau

Hình 11-6. Sự biến thiên của từ
thông

= f(t) lúc đóng mạch với
điều kiện không thuận lợi nhất

t



ma x

,,

d

-

m

,

131
khi đóng mạch, nghĩa là khi t .
Vì r
1
<< L
1
, nên 1
1
1
1
1
=

L
r
t
L
r
ee , do đó theo biểu thức (11-25), ở thời điểm ứng
với t ta đợc :



max
2
m
+
d
(11-26)
Nh vậy

max
lớn gấp hai lần từ thông lúc làm việc bình thờng cho nên lõi thép
bão hoà rất mạnh và dòng điện từ hoá i
0
trong quá trình quá độ sẽ lớn gấp hàng trăm
lần trị số dòng từ hoá xác lập I
0
. Giả sử lúc làm việc bình thờng I
0
= 5% I
đm
thì trong
trờng hợp đóng mạch nói trên, dòng điện quá độ bằng 100 I
0
= 5 I
đm
. Vì thời gian quá
độ rất ngắn (6 ữ 8 s) nên dòng quá độ không nguy hiểm đối với m.b.a, nhng nó có thể
làm cho bảo vệ rơle tác động cắt m.b.a ra khỏi lới điện. Vì vậy cần phải chú ý để tính
toán và chỉnh định rơle cho đúng.
11.5.2. Ngắn mạch đột nhiên
Chế độ ngắn mạch xác lập đã đợc nghiên cứu ở trên (bài 11-1 đến 11-4). Sau đây
ta xét quá trình quá độ từ khi bắt đầu xảy ra ngắn mạch cho tới khi thành lập chế độ
ngắn mạch xác lập. Trong quá trình quá độ nói trên, dòng điện sẽ rất lớn, có thể làm
hỏng m.b.a, vì vậy cần phải đợc chú ý đặc biệt.
Giả sử mạch thứ cấp của m.b.a vì lý do nào đó bị nối ngắn mạch nh ở hình 11-7a.
Cũng nh trờng hợp ngắn mạch xác lập, lõi thép m.b.a không bão hoà và mạch điện
thay thế nh ở hình 11-7b trong đó r
n
= r

1
+ r
,
2
và x
n
= x
1
+ x
,
2
= L
n
là những hằng số.
Phơng trình biểu thị quá trình quá độ
khi ngắn mạch đột nhiên mạch điện hình
11-7b có dạng:
dt
di
LirtU
n
nnnnm
+=+ )sin(
1

(11-27)
trong đó
n
- góc pha lúc xảy ra ngắn
mạch.

Giải phơng trình trên với điều kiện
ban đầu khi t = 0, i
n
= 0 ta đợc:








i
1n
i
2n
r
n
x
n
i
1n
u
1
u
1
a)
b)
H
ình 11-

7
. Sơ đồ m.b.a bị ngắn mạch
i
n
= i
,
n
+ i
,,
n
(11-28)
trong đó: i
,
n
là thành phần dòng điện ngắn mạch xác lập và i
,,
n
là thành phần dòng điện
ngắn mạch tự do.

)cos(2)cos(
)(
22
1
,
nnn
nn
m
n
tIt

Lr
U
i (11-29) +=+
+
=



t
L
r
nn
t
L
r
n
nn
m
n
n
n
n
n
eIe
Lr
U
i
(11-30)

=

+
= cos2.cos
)(
22
1
,,

Thay (11-29) và (11-30) vào (11-28) ta đợc:

t
L
r
nnnnn
n
n
eItIi

++= cos2)cos(2

(11-31)

132
Từ biểu thức (11-31) ta thấy rằng, ngắn mạch xảy ra bất lợi nhất khi
n
= 0. Khi đó
ta có:

t
L
r

nnn
n
n
eItIi

+= 2cos2


và dòng điện đó sẽ đạt tới trị số lớn nhất (hoặc trị số xung) sau thời gian


=t
, lúc đó:

xgn
x
r
nxg
kIeIi
n
n
.2)1(2 =+=


(11-32)
Dung lợng của m.b.a càng lớn thì trị số k
xg
càng lớn. Thờng trị số đó nằm trong
giới hạn k
xg

= 1,2 ữ 1,8.
Thí dụ, đối với m.b.a có dung lợng 1000 kVA với các số liệu u
n
% = 6,5; u
nr
% =
1,5; u
nx
% = 6,32 thì :

475,111 =+=+=

nx
nr
n
n
u
u
x
r
xg
eek


và dòng điện xung bằng:

7,22
%
100
2.2

**
===
xg
n
xgnxg
k
u
kIi

nghĩa là dòng điện xung gấp hơn hai mơi lần dòng điện định mức.
Khi ngắn mạch giữa các vòng dây bên trong m.b.a, dòng điện xung còn lớn hơn cả
trị số trên. Với trị số lớn nh vậy, dòng ngắn mạch làm cho dây quấn m.b.a nóng mãnh
liệt và bị cháy, đồng thời gây ra những lực cơ học lớn phá hoại kết cấu của dây quấn.
Để bảo vệ ngắn mạch bên ngoài m.b.a, ngời ta thờng dùng những rơle tác động
nhanh để tách chỗ sự cố ngắn mạch ra và dây quấn m.b.a không bị nóng đến mức
hỏng. Để bảo vệ ngắn mạch bên trong m.b.a, ngời ta thờng dùng rơle hơi để cắt
m.b.a ra khỏi lới điện.

11-6. Quá điện áp trong m.b.a

Khi làm việc trong lới điện, m.b.a thờng chịu những điện áp xung kích, gọi là
quá điện áp, có trị số lớn gấp nhiều lần trị số điện áp định mức. Nguyên nhân dẫn đến
quá điện áp có thể là do thao tác đóng cắt các đờng dây, các máy điện hoặc do ngắn
mạch nối đất kèm theo hồ quang hoặc do sét đánh trên đờng dây, còn gọi là quá điện
áp khí quyển. Quá điện áp khí quyển là nguy hiểm hơn cả vì có trị số rất lớn, có thể
đến hàng triệu vôn.
Quá điện áp xảy ra trên một bộ phận nào đó của trạm biến áp với tốc độ gần bằng
tốc độ ánh sáng. Để bảo vệ các thiết bị trong trạm biến áp khi có sóng xung kích
truyền nhanh đến các thiết bị của trạm, ngời ta đặt những bộ chống sét có những khe
hở thích đáng để sau khi dẫn điện tích của sóng xung kích xuống đất không xảy ra hồ

quang ở khe hở dới tác dụng của điện áp làm việc của lới điện. Sau tác động của bộ
chống sét, điện áp của sóng xung kích giảm đi rất nhiều và các thiết bị đặt trong trạm
nh m.b.a chỉ còn chịu tác dụng của điện áp có trị số bằng 4 ữ 5 lần điện áp của lới
điện. Cũng cần chú ý rằng, khi sóng xung kích điện áp truyền từ đờng dây đến m.b.a,

133

134
U
C
V
do có sự thay đổi của tổng trở (tổng trở của
đờng dây nhỏ so với tổng trở của m.b.a) nên
sóng phản xạ điện áp có biên độ tăng gấp đôi
nh hình 11-8.
Sóng điện áp xung kích do khí quyển
thờng có dạng không chu kì với đầu sóng 0a
rất dốc và đuôi sóng bằng phẳng hơn (hình 11-
9). Thời gian tác dụng của sóng xung kích chỉ
vào khoảng vài phần triệu giây, nên đầu sóng
có thể coi nh một phần t chu kì của một sóng
điện áp chu kì có tần số rất cao (f = 10.000 ữ
50.000 Hz).
Dới đây ta xét tác dụng và hậu quả của
sóng điện áp xung kích đối với m.b.a và đa ra
phơng pháp bảo vệ cần thiết.
11.6.1. Mạch điện thay thế của m.b.a khi
có quá điện áp
Ta biết rằng, ngoài điện trở r và điện kháng
x

L
= .L, dây quấn m.b.a còn có dung kháng
x
C
=
fC

2
1
do có điện dung giữa các vòng dây








2
U
C
V
Hình 11-8. Sóng điện áp xung
kích tới và
p
hản x
ạ
ở đầu m.b.a
U
(kV)

a
4
00
2
00
r, L r, L
r, L r, L
C
,
q
C
,
d
A
X
a)
C
,
q
C
,
d
A
X
b)
Hình 11-10. Sơ đồ biểu thị dây quấn của m.b.a
khi có tác dụng của sóng điện áp xung kích
t (10
-6
s)

10
2
0
0
3
0
4
0
5
0
Hình 11-9. Sóng điện áp
xung kích do khí quyển
và giữa các dây quấn đối với đất (nh trình bày ở hình 11-10a). Trong hình 11-10, C
,
d

là điện dung giữa các vòng dây hoặc giữa các cuộn dây, C
,
q
là điện dung giữa các vòng
dây hoặc giữa các cuộn dây đối với đất. ở chế độ làm việc bình thờng với tần số f =
50 Hz của lới điện, các dung kháng x
C
kể trên rất lớn so với r và x
L
nên không có ảnh
hởng đáng kể đến sự làm việc của m.b.a và ta có mạch điện thay thế nh đã trình bày
ở chơng 10. Ngợc lại, khi xảy ra quá điện áp với tần số rất cao nh đã nói ở trên,
dung kháng x
C

rất nhỏ so với r và x
L
và có tác dụng quyết định. Lúc đó mạch điện thay
thế của m.b.a có dạng nh trình bày ở hình 11 - 10b và dây quấn của m.b.a đợc xem
nh mạch điện đồng nhất có tổng điện
dung dọc

=
,
1
1
d
d
C
C
và tổng điện
dung ngang
.

=
,
qq
CC
11.6.2. Sự phân bố điện áp dọc
dây quấn
Theo hình 11-10b, do có các điện
dung C
,
q
nên lúc sóng xung kích

truyền vào dây quấn, trong quá trình
nạp điện ban đầu, các điện tích phân
bố không đều trên các điện dung C
,
d

dọc dây quấn. Kết quả là điện áp rơi
trên các phần tử C
,
d
không đều nhau
và giảm dần từ đầu A đến đầu X của












dây quấn theo quy luật sau đây:
Nếu dây quấn nối đất:



sh

xsh
Uu
(11-33)
Ax
=
Nếu dây quấn không nối đất:



ch
xch
Uu
(11-34)
Ax
=
Trong đó: U
A
- biên độ của sóng điện áp xung kích;
d
q
C
C
=

với qui ớc chiều dài
dây quấn bằng một.
Đờng biểu diễn sự phân bố ban đầu của điện áp dọc dây quấn nh ở hình 11-11.
Ta thấy rằng khi = 0, với dây quấn nối đất thì điện áp sẽ phân bố đều dọc theo chiều
dài của dây quấn (u
x

= xU
A
), còn với dây quấn không nối đất thì sự phân bố điện áp
ban đầu dọc theo chiều dài của dây quấn là giống nhau (u
x
= U
A
). Nếu càng lớn, sự
phân bố điện áp ban đầu dọc theo chiều dài của dây quấn càng không đều, điện áp rơi
tập trung chủ yếu vào đầu của dây quấn. Khi > 5, sự phân bố điện áp ban đầu không
phụ thuộc vào vấn đề nối đất hay không nối đất của dây quấn.












= 0

135
Hình 11-11. Sự phân bố điện áp ban đầu dọc dây
q
uấn khi nối đất
(

a
)
và khi khôn
g
nối đất
(
b
)

U
A
= 0
1,0
= 5
= 10
0
0,2
0,40,6
0,8 1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
a)
X
A
1,0
U
A
= 1

0,8
= 5
0,6
0,4
0,2

= 10
0,6 0,4
1,0 0,8 0,2
0
A
X
b)
Để thấy rõ mức độ phân bố điện áp không đều, ta hãy xét gradien điện áp đối với
các trờng hợp dây quấn nối đất và trờng hợp dây quấn không nối đất:
Với dây quấn nối đất:



sh
xch
U
dx
du
A
x
=
(11-35)
Với dây quấn không nối đất:

ch
xsh
U
dx
du
A
x
=
(11-36)
Giả sử 3, thì ở đầu dây quấn (x = 1), th = cth = 1 nên trong cả hai trờng
hợp đều có:

A
x
x
U
dx
du

=
=1

Nh vậy, trong trờng hợp điện áp phân bố không đều, điện áp ban đầu ở cuộn dây
đầu tiên lớn gấp lần điện áp ban đầu trong trờng hợp điện áp phân bố đều. Vì vậy
phải tăng cờng cách điện của các vòng dây và các cuộn dây dẫn đầu tiên của dây
quấn.

U
U

136
Hình 11-12. Quá trình quá độ trong dây quấn m.b.a do sóng điện
áp xung kích: a). dây quấn nối đất; b. dây quấm không nối đất.
U
A
b)
3
X
A
2
1
U
A
a)
X
A

3
2
1
Vì ngoài điện dung C dây quấn còn có điện trở r và điện cảm L, toàn bộ dây quấn
là một mạch dao động nên sau sự phân bố điện áp ban đầu là một quá trình dao động
điện từ tần số cao. Do có tổn hao trên dây dẫn, tổn hao trong chất cách điện và trong
lõi thép nên dao động đó tắt dần và sự phân bố điện áp cuối cùng sẽ nh trên đờng 2
trên hình 11-12. Biên độ của dao động ở một điểm tuỳ ý trên dây quấn bằng hiệu số trị
số điện áp ban đầu và trị số điện áp lúc cuối cùng ở điểm đó. Đờng biểu diễn điện áp
cực đại của các điểm dọc dây quấn đối với đất là đờng 3 trên hình 11-12, còn đờng
nét đứt trên hình 11-12 là sự phân bố điện áp dọc dây quấn ở một thời điểm của quá
trình quá độ.
Từ hình 11-12 ta thấy rằng, trong quá trình quá độ dọc dây quấn có chỗ điện áp đối
với đất lớn hơn U
A
và ở dây quấn không nối đất điện áp gấp hai lần U
A
. Gradien điện
áp cũng rất lớn cả ở giữa và ở cuối dây quấn, vì vậy cần phải tăng cờng cách điện ở
đó.
11.6.3. Bảo vệ m.b.a khỏi quá điện áp
Do tác dụng của quá điện áp, cách điện của dây quấn m.b.a có thể bị xuyên thủng,
vì vậy cần phải có các biện pháp phòng ngừa. Thông thờng, các cuộn dây ở đầu và ở
cuối dây quấn đợc tăng cờng cách điện bằng cách quấn thêm nhiều lớp giấy cách
điện. Điểm trung tính (điểm cuối) của dây quấn của những m.b.a có điện áp bằng hoặc
lớn hơn 35 kV cũng thờng đợc nối đất.
Ngoài ra ngời ta còn dùng một số biện pháp khác có hiệu lực để bảo vệ m.b.a khỏi
quá điện áp bằng cách làm giảm hoặc triệt tiêu quá trình dao động điện từ nói trên.
Muốn vậy phải làm cho đờng phân bố điện áp ban đầu gần giống đờng phân bố điện

A
C
,
d
C
,
q
A
M
àn
chắn
C
mc
H
ình 11-13. Vành màn chắn và các vòng màn chắn ở đầu dây quấn
áp cuối cùng. Trên thực tế ngời ta chế tạo những điện dung màn chắn C
mc
nh trình
bày ở hình 11-13 sao cho các dòng điện qua chúng lúc nạp điện bằng hoặc gần bằng
các dòng điện đi qua các điện dung C
q
. Nh vậy dòng điện đi qua các điện dung dọc

dây quấn C
,
d
sẽ không đổi, do đó ngay lúc ban đầu điện áp đã phân bố đều hoặc gần
đều dọc dây quấn. Kết quả là biên độ của điện áp dao động sẽ rất nhỏ hoặc dao đông sẽ
không xảy ra. Các điện dung màn chắn thờng đợc chế tạo thành những vành hoặc
vòng kim loại, khuyết một đoạn để tránh trở thành những vòng ngắn mạch và nối với
dây quấn, đồng thời bọc cách điện. Vành điện dung đợc đặt giữa cuộn dây đầu tiên và
gông từ, còn các vòng điện dung thì ôm lấy các cuộn dây đầu tiên.
Câu hỏi
1. M.b.a làm việc với tải không đối xứng sẽ có những ảnh hởng xấu nh thế nào
đến tình trạng làm việc của máy?
2. Tổng trở từ hoá của thành phần thứ tự không z
m0
của tổ m.b.a ba pha và m.b.a ba
pha ba trụ trong hệ đơn vị tơng đối vào khoảng bao nhiêu? So sánh với trị số tổng trở
ngắn mạch z
n
.
3. Từ thông
t0
và từ thông
3
(xem chơng 9) của ba pha đều trùng pha với nhau
về thời gian và có thể khép mạch trong lõi thép của tổ m.b.a ba pha nhng ảnh hởng
của chúng đối với m.b.a khác nhau nh thế nào?
4. Phân tích trờng hợp ngắn mạch một pha của m.b.a nối Y/Y
0
vẽ ở hình 11-1c.
Vẽ đồ thị vectơ điện áp ứng với trờng hợp đó.

5. Quá dòng điện là gì? Tại sao có hiện tợng dòng điện i
0
tăng lên khi đóng m.b.a
không tải vào lới điện?
6. Quá điện áp là gì? Tại sao lúc quá điện áp các vòng dây đầu và cuối của dây
quấn CA lại chịu tác dụng của điện áp lớn? Các phơng pháp bảo vệ quá điện áp?
7. Tại sao khi ngắn mạch bên trong m.b.a dòng điện xung có trị số lớn hơn khi
ngắn mạch bên ngoài m.b.a?

137