Kỹ thuật cao áp - Chương 15 docx

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
1

Chơng XV

Quá điện áp khi cắt đờng dây
không tải v bộ tụ điện

Quá điện áp khi cắt đờng dây không tải và khi cắt điện dung có nhiều đặc
điểm giống với quá điện áp khi ngắn mạch chạm đất bằng hồ quang vì chúng đuều
có liên quan đến sự tích luỹ điện tích trên điện dung của hệ thống. ở đây sự cháy
lại của hồ quang xảy ra giữa các tiếp điểm của máy cắt điện dùng để cắt đờng dây
không tải ra khỏi nguồn. Quá điện áp có thể có trị số rất lớn đủ để phá hoại cách
điện đờng dây và có khi đốt cháy cả máy cắt điện.
Xét trờng hợp đơn giản đờng dây không tải dài
l là tổng trở sóng Z đợc
cắt ngay ở thanh góp của nguồn có công suất vô cùng lớn (hình 15-1).
Khi máy cắt còn đóng mạch thì qua nó có dòng điện điện dung của đờng
dây không tải, dòng điện này vợt trớc điện áp một góc 90
o
.
Khi cắt máy cắt điện, hồ quang giữa các tiếp điểm tắt lúc dòng điện qua trị số
không tức là lúc điện áp nguồn đạt trị số cực đại do đó có thể cho rằng khi hồ
quang tắt điện dung đờng dây đợc nạp tới mức điện áp

U
ph
và giả thiết

U
ph
.
Sau đó điện áp trên đờng dây giữ không đổi còn điện áp nguồn thì vẫn biến đổi
theo hình sin. Qua nửa chu kỳ, điện áp nguồn sẽ là
+
U
ph
và do đó điện áp đặt giữa
các tiếp điểm của máy cắt sẽ là
2U
ph
. Mặc dù trong thời gian tính từ lúc bắt đầu
nhảy máy cắt điện cho tới lúc này (khoảng thời gian một nửa chu kỳ hoặc lớn hơn
nhng không quá một chu kỳ tần số công nghiệp) các tiếp điểm của maý cắt đã cách
xa nhau, cách điện của khe hở đã tăng tới mức nhất định nhng cũng không loại trừ
khả năng khe hở bị chọc thủng và hồ quang cháy lại dới tác dụng của điện áp
2U
ph
.
Kết quả nghiên cứu về sự phục hồi cách điện giữa các tiếp điểm của máy cắt
cho thấy là sau nửa chu kỳ đối với loại máy cắt không khí mức cách điện đạt đợc
trị số không quá
2U
ph
còn đối với máy cắt dầu thì không quá U
ph
.
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
2

Nếu hồ quang chạy lại khi điện áp là
+
U
ph
thì đờng dây sẽ đợc nạp từ điện áp
U
ph
đến +U
ph
, nh vậy trên đờng dây sẽ có sóng điện áp 2U
ph
và sóng dòng điện
i
U
Z
ph
=
2
lan truyền tới phía cuối đờng
dây. Sự phân bố điện áp dọc theo đờng
dây cho trên hình 15-2a. Khi tới đầu
cuối hở mạch sóng điện áp sẽ phản xạ
cùng dấu nên đờng dây sẽ có điện áp
+

=
+

43UU U
ph ph ph
truyền về phía
nguồn ( hình 15-2b). Sóng dòng điện
khi tới đầu cuối đờng dây do phản xạ
ngợc dấu nên nên trên mọi nơi của
đờng dây mà sóng phản xạ đã về dòng
điện tổng sẽ bằng không (hình 15-2b). Nh vậy khi phản xạ trở về tới nguồn thì
dòng điện trong máy cắt có trị số không và hồ quang có thể tắt lần thứ hai.
Sau khi hồ quang tắt, điện áp trên
đờng dây giữ không đổi và bằng
3U
ph

còn điện áp nguồn lại tiếp tục biến thiên
theo hình sin. Sau nửa chu kỳ tần số công
nghiệp, điện áp nguồn đổi dấu và có trị số
U
ph
, do đó điện áp giữa các tiếp điểm
máy cắt có thể tăng tới mức
4U
ph
.
Nếu giả thiết tại thời điểm này hồ
quang cháy lại lần thứ hai thì đờng dây
lại đợc nạp điện từ điện áp
+
3U
ph

đến
điện áp nguồn nghĩa là đến

U
ph
. Trên
đờng dây sẽ có sóng điện áp

U
ph
và
sóng dòng điện
i
U
Z
ph
=
4
.Hình 2b-2c
cho sự phân bố điện áp khi sóng truyền
về phía cuối đờng dây và hình 15-2d là
khi có phản xạ từ đầu cuối trở về.
Cũng nh lần trớc, sau thời gian
2
2

=
l
v
tính tứ lúc hồ quang cháy lại lần

thứ hai, dòng điện trong máy cắt sẽ qua
trị số không, hồ quang có thể tắt trong khi










Hình 15-1
Cắt đờng dây không tải

Hình 15-2
Phan bố điện áp dọc theo đờng dây không
tải tại các điểm khác nhau.
a) Sau khi hồ quang cháy lại lần 1 và
trớc khi có phản xạ từ cuối đờng dây.
b)Nh trên nhng đã có phản xạ từ cuối đờng
dây.
c) Sau khi hồ quang cháy lại lần II và trớc khi có
phản xạ từ cuối đờng dây.
d)Nh trên nhng đã có phản xạ từ cuối đờng
dây.

l
~
z
~
~
~
~
+U
hp
+U
hp
-U
hp
i
= 0

i
=

2U
hp
z

3U
hp
+U
hp
i
=

2U
hp
z

i
= 0

i
= 0

i
=

4U
hp
z

-U

hp
i
= 0

-U
hp
- 5U
hp
i
=

5U
hp
z

a)

b)

c)

d)

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
3

đờng dây vãn đợc nạp ở mức điện áp

5U
ph
. Trên hình 15-3 cho sự biến thiên
theo thời gian của điện áp nguồn, điện áp đầu đờng dây và của dòng điện trong
máy cắt điện.
Lập luận trên đây không hoàn toàn chính xác vì không chú ý đến sự giảm
điện áp nguồn trong thời gian truyền sóng khứ hối trên đờng dây, ở các đờng dây
dài sự giảm này rất đáng kể. Ví dụ khi đờng dây dài 300km thì trong khoảng thời
gian
2 2000


= s điện áp nguồn sẽ giảm tới mức 081, U
ph
do đó trị số cực đại quá
điện áp lần thứ nhất sẽ là
281, U
ph
mà không phải là 3U
ph
còn của lần thứ hai là
443, U
ph
mà không phải là 5U
ph
v.v
Nếu quá trình cháy lại hồ quang vẫn cứ tiếp diễn thì quá điện áp trên đờng
dây sẽ tăng liên tục. Điều đó không thể xảy ra vì các máy cắt có tốc độ phục hồi
cách điện lớn, do đó hồ quang thờng không xảy cháy lại quá một lần và nh vậy
quá điện áp trên đờng dây không vợt quá mức

3U
ph
.
Trong sơ đồ hình 15-1, do đờng
dây không tải đợc cắt ra khỏi nguồn có
công suất vô cùng lớn nên trong quá trình
cắt điện áp trên thanh góp giữ không đổi
và nh vậy sẽ không có quá điện áp ở
phía trạm.
Trong thực tế nguồn có công suất
giới hạn và có điện cảm xác định, điện
cảm này sẽ ảnh hởng đến trị số của quá
điện áp. Sơ đồ mạch đợc biểu thị nh ở
hình 15-4. Vì ở đầu đờng dây có điện
cảm
L
0
nên tình hình phản xạ ở đâu rất
phức tạp và tính toán sẽ khó khăn hơn
nhiều. Giả thiết hồ quang cháy lại lúc
điện áp nguồn có trị số
+U
ph
và trớc đó
đờng dây đợc nạp sẵn tới điện áp
U
0
,
có trị số bằng

U
ph
. Quá trình quá độ
trên đờng dây đợc xác định bởi điện áp:

()
Ut U t U
ph
=+cos

0

mà ảnh của nó ở dạng toán tử là:

()
Up
U
p
U
p
p
ph
=+
+
0
22



()

=
+
+
U
p
pp
ph
2
22
22


(15-1)















Hình 15-3
Cắt đờng dây không tải khỏi

nguồn có công suất vô cùng lớn.
a) điện áp nguồn; b) Điện áp đầu đờng dây;
c) Dòng điện trong máy cắt điện.

Hồ
quang
tắt
lần II

Hồ quang cháy
lại
lần II


Hồ
quang tắt
lần I

Hồ quang
tắt
lần II

Hồ quang cháy
lần I


U
ph

U
ph

t
t
t

5U
ph


3U
ph


2U
ph


4U
ph


2U
ph
c
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
4

Điện áp cuối đờng dây ở dạng toán tử sẽ là:

(
)
U
UpZ
pL shp Zchp
2
0
=
+
.

(15-2)
và ở đầu đờng dây:
(
)
U
UpZchp
pL shp Zchp
1
0
=
+



(15-3)
Dòng điện ở đầu đờng dây, cũng là dòng điện trong máy cắt điện, đợc xác

định theo:

(
)
I
Up
IL shp Zchp
1
0
=
+

(15-4)
Để tìm góc của điện áp ở cuối đờng dây dùng định lý phân tích và đặt
()
Hp p=+2
22

.


()
(
)
(
)
Hp PLshp Zchp p=+ +
0
22

Biểu thức (15-2) đợc viết lại ở dạng:

()
()
UUZ
Hp
pF p
ph2
=

Theo định lý phân tích có đợc:

()
()
()
Ut U Z
Hp
pF p
cp
ph
k
kk
k2
= (15-5)
với
p
k
là nghiệm của phơng trình:

()
()
()
F p p pL shp Zchp=+ + =
22
0
0


Hai nghiệm
pj
12,
=

tơng ứng với trị số ổn định của điện áp còn nghiệm
của phơng trình
pL shp Zchp
0
0


+
=
cho các tần số dao động riêng của đờng dây.
Thay trị số của
p
vào các phơng trình trên và bỏ qua các phép tính trung gian cuối
cùng đợc kết quả sau đây:

()

()
()
Ut A t U t
Ut A t U t
It
A
Z
t
U
Z
t
kk
k
kk k
k
k
kk
k
2
1
1
1
1
1
=
=
=

=

=

=




cos cos
cos .cos cos .cos
sin .sin .sin .sin



(15-6)
Với :
A
U
L
Z
ph
=
cos

sin


0







Hình 15-4
Sơ đồ tính toán khi cắt
đờng dây không tải
l

~
z
U
L
0

U
1

U
2

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
5


(
)
()
F
U
k
ph k
kk
k
k
=

+






22
22
22 2

cos
sin .

Hình 15-5 cho kết quả tính toán theo phơng pháp chính xác (phơng pháp
phản xạ nhiều lần) và theo phơng pháp gần đúng ( tính theo 15-6 với hai sóng điều
hoà) khi đờng dây dài 60km. Dòng điện qua trị số không ở thời điểm
l
2
, lúc này
hồ quang trong máy cắt điện tắt và đờng dây đợc tách ra khỏi nguồn. Điện áp ở
cuối đờng dây vẫn tiếp tục biến đổi theo đờng cong trên hình 15-5 trong khoảng
thời gian

bằng thời gian truyền sóng từ đầu đến cuối đờng dây. Do đó ở ví dụ
đang xét, quá điện áp ở đầu đờng dây đạt mức 2,4
U
ph
nhng ở cuối đờng dây có
thể tới 3,6
U
ph
nghĩa là quá mức 3U
ph
. Quá điện áp tăng cao là do điện cảm.




Do có điện cảm nên thời gian cháy của hồ quang kéo dài (
l

2
2>

), mặt khác tại thời
điểm
l = 2

sóng phản xạ từ cuối đờng dây trở về khi gặp điện cảm sẽ phản xạ
cùng dấu khiển cho điện áp
UU
12
, có những đỉnh nhảy vọt nh trên hình vẽ.
Trong tính toán trên cha xét đến sự tắt dần của các dao động riêng. Sự tắt
dần có thể làm cho quá điện áp giảm đi nhiều. Trờng hợp thanh góp có nhiều
đờng dây do hệ số phản xạ ở đầu đờng dây giám thấp nên quá điện áp có giảm đôi













Hình 15-6
Khả năng lớn nhất của qúa điện áp

ở đầu và cuối đờng dây không tải
(Tính toán với hai sóng điều hoà)
1- ở thanh góp ; 2- ở cuối đờng dây















Hình 15-5
Điện áp trên thanh góp
()
U
1
, điện áp
ở cuối đờng dây
()
U
2
và dòng điện
trong máy cắt điện

(
)
I
1
.
- Đờng dây không tải
(
)
lkmT
L
==60 0 5/,


- Đờng đậm nét - Tính theo phơng pháp
phản xạ nhiều lần;
-Đờng chấm - Tính theo phơng pháp gần đúng.
4,0
3,2
2,4
1,6
0,8
0 2 4 6 8 12
U/U
ph

T/

1
2
-1,0

0
-0,4
-0,8
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
3,2
3,6
4,0
U i
U
ph
U
ph
/
z
U
ph

U
2

U
ph

U

1

U
ph
/
z
I
1

0,2 0,4 0,6 0,8

t
2

t
2
+


t





s

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

6

chút Nh vậy tính toán theo sơ đồ đơn giản trên sẽ cho trị số giới hạn của quá điện
áp.
Hình 15-6 cho kết quả tính toán (đờng cong) và kết quả đo lờng trên mô
hình (điểm) của quá điện áp ở đầu và cuối đờng dây khi cắt đờng dây không tải.
Kết quả đo trên mô hình luôn luôn thấp hơn so với kết quả tính toán, điều đó chủ
yếu là do sự tắt dần của dao động riêng mà trong tính toán không đề cập đến.
Trong thực tế không những chỉ chú ý đến trị số giới hạn có thể có của quá
điện áp mà còn chú ý cả đến xác suất xuất hiện của chúng. Xác suất ấy chỉ có thể
xác định dựa trên sự khảo sát trong hệ thống điện thực tế.
Kinh nghiệm vận hành cho thấy đối với loại máy cắt điện động tác nhanh thì
hồ quang có thể không cháy lại do cách điện khe hở đợc phục hồi nhanh chóng và
do đó khi cắt đờng dây không tải không xảy ra quá điện áp; nếu hồ quang cháy lại
thì quá điện áp cũng bé hơn nhiều so với kết quả tính toán trên vì lúc hồ quang cháy
lại điện áp nguồn thờng không ở trị số cực đại mà ở trị số bé hơn.
Bằng cách tổng hợp một số lớn số liệu thực nghiệm, viện nghiên cứu về
dòng điện một chiều ở Liên xô đã xây dựng đợc đờng cong về xác suất xuất hiện
quá điện áp theo độ lớn của nó (hình 15-7).Theo đờng cong ấy xác suất quá điện áp
ở phía cuối đờng dây vợt quá trị số
2,5
U
ph
chỉ có 2%. Trong khi vẽ đờng cong
đã sử dụng nhiều số liệu cl, khi mà các máy
cắt điện cha hoàn thiện, hồ quang trong nó
có thể cháy lại nhiều lần và gây nên quá
điện áp trị số lớn. Do đó có thể cho rằng
loại quá điện áp này có độ lớn khoảng 2
U

ph
.
Trị số này không gây nguy hiểm trực tiếp
đối với cách điện nhng nếu nó tác dụng
thờng xuyên thì cũng không có lợi. Đặc
biệt đối với các hệ thống có mức cách điện
giảm tới 2,5
U
ph
hoặc thấp hơn thì nó sẽ trở
thành nguy hiểm do đó trong thời gian gần
đây đã có các biện pháp để làm giảm trị số
quá điện áp.
Dùng loại máy cắt điện động tác nhanh kiểu mới có thể loại trừ hoàn toàn
quá điện áp khi cắt đờng dây không tải nhng quá điện áp do cắt máy biến áp
không tải lại tăng cao, do đó khi chế tạo máy cắt phải có những biện pháp dung hoà
các yêu cầu trên, để có đồng thời hạn chế cả hai loại quá điện áp. Sơ đồ nguyên lý
của loại máy này nh trên hình 15-8. Máy cắt có hai khoảng cắt, một trong chúng có
ghép điện trở song song. Việc cắt đợc thực hiện bởi tiếp điểm thứ nhất sau đó tiếp
điểm thứ hai sẽ tách ra. Trong lần cắt thứ nhất hồ quang tắt khi dòng điện qua trị số

Hình 15-7
Xác suất xuất hiện qúa điện áp
theo độ lớn của nó khi cắt đờng
dây không tải

4
3
2
1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
U
2

U
1

k=

U

U
ph

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
7

không nhng đờng dây vẫn đợc nối với nguồn qua điện trở R. Vì vậy khi điện áp
nguồn biến đổi thì điện tích trên đờng dây sẽ
thay đổi và một phần sẽ đợc trả về nguồn,
thành phần tác dụng lên dòng điện qua trị số
không không phải là điện áp có trị số cực đại
và khi hồ quang tắt ở lần cắt thứ hai thì điện
áp trên đờng dây thấp hơn nhiều so với trị số
U
ph
. Điều đó sẽ làm giảm xác suất cháy lại
của hồ quang và có cháy lại thì quá điện áp
cũng bé đi nhiều. Hiệu quả giảm quá điện áp
tốt nhất là khi trị số R bằng dung kháng của đờng dây tức là khi dòng điện lệch pha
với điện áp khoảng 45
o
.
Thực nghiệm cho thấy khi khi dùng loại máy cắt này có thể giảm trị số quá
điện áp tới mức 2,5
U
ph
. và nh vậy sẽ không còn nguy hiểm ngay cả với các hệ
thống có cách điện giảm nhẹ. Tuy nhiên nó vẫn cha đợc sử dụng rộng rãi vì kết
cấu phức tạp, đắt tiền.
Hiện nay đã chú ý đến tác dụng của chống sét van trong việc giới hạn loại
quá điện áp này. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu đặt chống sét van trên đờng
dây (cuối đờng dây) thì có khả năng hạn chế quá điện áp ở phía cuối và cả ở đầu
đờng dây. Nh trong chơng XX đã nhấn mạnh là khi dùng chống sét van bảo vệ
chống quá điện áp nội bộ thì phải kiếm tra năng lực thông qua dòng điện để đảm
bảo điều kiện làm việc bình th thờng của nó.
Về độ lớn của dòng điện, nếu chống sét van giới hạn quá điện áp tới mức

2
U
ph
. thì trong hệ thống 220kV dòng điện qua chống sét van sẽ có trị số bằng
U
Z
kA
qa
==
220 2
3400
045
.
.
, (
Z
tổng trở sóng của đờng dây), nh vậy bé hơn nhiều so
với khi có quá điện áp khí quyển.
Thời gian kéo dài của dòng điện có trị số bằng CR
c
, tức là bằng tích số của
điện dung đờng dây với điện trở của bản thân chống sét van. Điện dung mỗi pha
đờng dây khoảng
1 100

F
km
/
còn điện trở R
cv

loại 220kV ở điện áp 2U
ph
. khoảng
300, do đó thời gian tồn tại của dòng điện khi đờng dây dài 100s, thời gian này
rất lớn so với của quá điện áp khí quyển. Vì vậy tuy biên độ dòng điện không lớn
nhng năng lợng phát nóng trong điện trở làm việc của chống sét van có thể lớn
quá mức cho phép và chống sét có thể bị h hỏng. Nh vậy dùng chống sét van chỉ
có thể hạn chế quá điện áp khi cắt đờng dây(không tải) có chiều dài không quá
200km. Nếu đờng dây dài hơn phải dùng loại chống sét đặc biệt có năng lực thông
qua dòng điện tốt hơn.







Hình 15-7
Sơ đồ nguyên lý của loại
máy cắt kiểu mới.
R
1 2
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
8

Còn một khả năng khác để giới hạn loại quá điện áp này là việc dùng máy
biến áp đo lờng ghép vào đờng dây bị cắt. Khi điện áp tăng cao do lõi thép của
máy biến áp bị bảo hoà, điện cảm của nó giảm thấp sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho

việc tản điện tích d trên đờng dây xuống đất khiến cho độ lớn của quá điện áp
đợc giảm đi nhiều.
Bây giờ xét loại quá điện áp khi cắt bộ tụ điện (hình 15-9) ra khỏi nguồn có
điện cảm
L
0
. Cũng tơng tự nh khi cắt đờng dây không tải, dòng điện điện dung
qua trị số không khi điện áp trên tụ điện có trị số
cực đại Do đó hồ quang có khả năng cháy lại,
sẽ gây dao động với biên độ 2
U
ph
Trong quá
trình dao động, điện áp trên bộ tụ điện đạt mức
3
U
ph
., khi đó dòng điện lại qua trị số không và
hồ quang có thể bị dập tắt. Nếu hồ quang cháy lại
lần nữa thì điện áp trên tụ điện có thể đạt đợc
mức 5
U
ph

Sự khác nhau giữa trờng hợp này với khi
cắt đờng dây không tải là ở chỗ dao động riêng trong mạch chỉ có một tần số

0
0
1

=
LC
.
Trong thực tế, tụ điện không phải chỉ dùng đơn chiếc đây là do nhiều tụ điện
đợc ghép nối tiếp song song theo yêu cầu của điện áp làm việc và của công suất;;
từng chiếc đều đợc bảo vệ bằng cầu chì nên không thể xẩy ra ngắn mạch toàn bộ.
Điều đó cho phép sử dụng các loại máy cắt có kết cấu gọn nhẹ, động tác nhanh để
có thể đạt đợc tốc độ phục hồi cách điện cao. Do đó ki dùng loại máy cắt chuyên
dùng này thì có thể loại trừ đợc khả năng cháy lại của hồ quang và giới hạn độ lớn
của quá điện áp không quá mức 2
U
ph










Hình 15-9
Sơ đồ cắt bộ tụ điện
~
L
0
C