Kỹ thuật cao áp - Chương 14 ppsx

Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
1

Phần IV


Chơng XIV

Quá điện áp nội bộ


Đ14 -1 Phơng thức tính nối đất điểm trung tính của hệ thống điện

Việc chọn phơng thức nối đất của điểm trung tính, xuất phát từ tình trạng của hệ
thống khi có chạm đất là một vấn để tổng quát vì nó phải xét đến rất nhiều yếu tố khác nhau
và có ảnh hởng đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong thiết kế cũng nh trong vận hành.
Hiện nay trong hệ thống điện có ba phơng thức nối đất của điểm trung tính:
Điểm trung tính trực tiếp nối đất.
Điểm trung tính không nối đất ( cách điện)
Điểm trung tính nối đất qua cuộn dây dập hồ quang ( nối đất cộng hởng).

Đ14-2. ảnh hởng của phơng thức nối đất điểm trung tính
đối với cách điện của hệ thống

Nối đất của điểm trung tính đề xuất các yêu cầu khác nhau đối với cách điện của hệ
thống do các nguyên nhân sau đây:
1. Sự khác nhau về trị số điện áp làm việc lớn nhất của thiết bị điện.
Xét hệ thống 3 pha đơn giản bị ngắn mạch chạm đất một pha ( hình 14-1). Sơ đồ đợc
cung cấp từ một

phía, trung tính
của máy biến áp
đều nối đất qua
tổng trở Z
1
và Z
2
.
Đờng dây có
điện dung đối với
đất C
0
( điện dung
thứ tự không) và
điện dung giữa
các pha C
AB,
C
BC
,
C
CA
. Tam giác
điện dung giữa các pha đợc biến thành hình sao, mỗi điện dung trong hình sao có trị số
bằng
CC
10
mà C
1
là điện dung tự thuận.

F
T
1

T
2









Hình 14-1
Sơ đồ hệ thống có ngắn mạch chạm đất một pha
Z
1
Z
2
Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
2

Để xác định điện áp trên các pha không có sự cố cũng nh dòng điện trong pha sự số,
đơn giản nhất là dùng phơng pháp các thanh phản hồi xứng.
Giả thiết khi nghiên cứu tình trạng ngắn mạch bỏ qua ảnh hởng của phụ tải thì các
sơ đồ thứ tụ thuận và nghịch đợc chấm dứt ở chỗ chạm đất nhng trong sơ đồ thứ tự không

thì phải tính cả hai máy biến áp vì các điểm trung tính của chúng đều có nối đất qua Z
1
, Z
2
.
Đoạn đờng dây trong sơ đồ của các thành phần thứ tự hình (14- 2) đợc vẽ ở dạng mạng
bốn cực gồm điện cảm phân bố và điện dung đối với đất. Khi đờng dây không dài (dới
200km), ảnh hởng của điện dung đờng dây trong các sơ đồ tứ tự thuận và nghịch thờng
rất bé và có thể bỏ qua.
Tổng trở của mạch thứ tự thuận gồm
điện kháng đồng bộ của máy phát
x
d
, điện
khoáng rò của máy biến áp
xx
TT1
=
và điện
kháng đờng dây
x
1
. Trong sơ đồ thứ tự
nghịch, máy phát đợc thay thế bởi điện
kháng rò của nó
xx
dd
'<
còn biến áp và đờng
dây đợc biểu thị bởi:

xxxxx
TTT21 21
=
=
;

Với sơ đồ nối dây của máy biến áp
nh trên hình 14-1 thì tổng trở thứ tự không
của nó có trị số gần bằng tổng trở thứ tự
thuận, và nếu hai máy biến áp có công suất
bằng nhau sẽ có:

xxxx
TTTT001
12
=
=
=

Đối với đờng dây, nh đã biết
xx
01
> và CC
01
<
thì tổng trở và các điểm trung tính
máy biến áp bé thì có thể bỏ qua điện dung đờng dây, do đó trong trờng hợp này tổng trở
của sơ đồ thứ tự không sẽ bằng:

(
)
(
)
X
xx Zx Z
xxZZ
TT
0
012
012
33
23 3
=
++ +
++ +

Trị số dòng điện ngắn mạch ở chỗ chạm đất bằng:

()
I
E
XXX
nm
A
+
=
++
1
120

3
(14-1)
Và dòng điện ngắn mạch ba pha có trị số:

()
I
E
X
nm
A
+
=
3
1
(14-2)
Để xác định dòng điện ở trạng thái ổn định, trong cả hai trờng hợp đều lấy
E
A
theo
trị số sức điện động đồng bộ
E
d
.

Hình 14-2
Sơ đồ của thành phần thứ tự
của hệ thống hình 24-1
x
d
x
1T

x
1
x'
d
x
2T
x
2

x
0x1
x
0

x
0T2
3Z
1

3Z
2
2
0C

2
0C

~ E
P

Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
3

Nếu các tham số của hệ thống giữ không đổi thì tỷ số
() ( )
3
.
1
.
/
mnmn
II chỉ phụ thuộc vào
tổng trở nối tại điểm trung tính của các máy biến áp và có thể có trị số lớn hoặc bé hơn 1.
Trong hệ thống công suất lớn, điện kháng tổng đợc xác định chủ yếu bởi điện kháng của
máy biến áp, vì vậy điện kháng thứ tự thuận và nghịch sẽ bằng nhau
()
XX

12
còn điện
kháng thứ tự không
X
0
thì thớng lớn hơn
X
1
để giảm trị số dòng điện ngắn mạch một pha.
Với quan điểm đó, thờng nối đất điểm trung tính qua cuộn kháng có trị số lớn hoặc để
trung tính một số máy biến áp cách điện.
Để xác định điện áp trên các pha không có sự cố giả thiết điện áp phía cao áp của
máy biến áp
T
1
trong thời gian có ngắn mạch chạm đất giữ không đổi ( điện áp làm việc )
đồng thời bỏ qua mọi điện trở tác dụng.
Trên hình (14-3), tất cả các thành
phần điện áp của pha chạm đất sẽ cùng
phơng và ngợc chiều với véc tơ
U
A
'
còn ở
hai pha kia điện áp thứ tự cũng có cùng
phơng ấy
(
)
UU
Bo Co

''
, . Điện áp các thứ tự
thuận và nghịch sẽ suy từ pha A và lệch góc
120
o
.
Khi hệ thống có công suất lớn, do
XX
12
=
nên ở các pha không có sự cố có thể
viết đợc:

UU U
12 1
+=

Tổng điện áp giáng trên các pha này
sẽ có trị số:

(
)
()
(
)
01
10
10
1
.

10
23 XX
XXE
XX
I
UUU
Amn
+

===


UE
k
k
A
=

+
1
2
(11-3)
với
k
X
X
=
0
1

Cộng điện áp
U
với các điện áp
UU
BC
,
sẽ đợc điện áp tổng trên pha không có sự
cố và chúng có trị số bằng:

()
UU U U U U
BC ph
=== + +
''
,05
3
4
2
2
(11-4)
Trên hình 14-4 cho quan hệ của điện áp trên pha không có sự cố theo tỷ số
X
X
0
1
.

Hình 14-3
Sơ đồ Véctơ khi có ngắn mạch
chạm đất một pha.
U
A0
U
A1
U
A2

U
A

U
B

U
B0

U
B1

U
B2

U
U
U
C

U
C

U
B

U
C0

U
C1

U
C2

Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
4

Sơ đồ này bao gồm mọi phơng thức nối đất của điểm trung tính. Nếu trung tính của
tất cả các máy biến áp trong hệ thống đều đợc trực tiếp nối đất thì tỷ số

X
X
0
1
1 .
Khi chỉ số nối đất một số điểm trung tính máy biến áp thì điện kháng thứ tự không
tăng và điện áp trên pha không có sự cố tăng cao.
Điểm trung tính đợc gọi là " trực
tiếp nối đất" khi tỷ số
X
X
0
1
3 . Từ đờng
cong của hình vẽ cho thấy khi đó
UU
ph
= 125, . Nhng nếu trớc khi ngắn
mạch chạm đất điện áp làm việc cao hơn
định mức 5% thì trị số
dph
UUU 76,025,1.05,1 ==

Khi điểm trung tính không trực tiếp
nối đất thì điện áp trên pha không chạm đất
sẽ lớn hơn 0,8
U
d
vào khi X
0

thì tiến
tới giới hạn bằng điện áp dây. Khi điểm
trung tính hoàn toàn cách điện nối với đất
thì trị số
X
0
0<
( trong sơ đồ thành phần
thứ tự không điện dung C
0
giữ vai trò chủ
yếu), lúc này điện áp trên pha không có sự cố luôn lớn hơn điện áp dây và đặc biệt khi
X
X
0
1
2=
điện áp sẽ tăng vô cùng do có cộng hởng điện áp ( dung kháng thứ tự không có trị
số tuyệt đôí bằng tổng điện kháng thứ tự thuận và nghịch). Trừ trờng hợp đờng dây rất dài
còn trong các lới điện thông thờng thì không có điều kiện phát sinh cộng hởng vì dung
kháng lớn hơn nhiều so với trị số của
X
1
và do đó điện áp trên pha không có sự cố thờng
không vợt quá giới hạn 1,15U
d
.
Trờng hợp

X
0
=
ứng với phơng thức nối đất cộng hởng điểm trung tính, nếu xét
về mặt tăng điện áp trên pha không có sự cố thì trờng hợp này tơng đơng với khi điểm
trung tính cách điện đối với đất.
Trong các tính toán nên không xét đến điện trở tác dụng. Điều đó, đối với sơ đồ thứ
tự thuận và nghịch là hoàn toàn hợp lý vì trị số điện trở tác dụng không vợt quá 10% trị số
của điện kháng. Trong sơ đồ thứ tự không, do ảnh hởng của đất nên điện trở tác dụng có
thể có trị số lớn. Trên hình 14-5 cho quan hệ của điện áp trên pha không có sự cố theo
r
X
0
1













Hình 14-4
Quan hệ của điện áp trên pha không
có sự cố kho có ngắn mạch chạm đất

theo tỷ số
X
X
0
1

U
B
1
1
1
x
r

2
2
x
r

0
1
0
=
x
r
1
1
0
=
x

r
-7 -6 -5-4 -3 -2-1 0 1 2 3 4 5 6 7
5

4

3

2

1

0
1U
U

Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
5

ứng với các trị số khác nhau của điện kháng thứ tự không. Với
X
X
0
1
3= thì điện áp sẽ có trị
số lớn nhất khi
r
X

0
1
= 1 và đạt mức UUU
ph d
=
=
105132 08,., , .
Phơng thức nối đất của điểm trung
tính cũng ảnh hởng đến điều kiện làm việc
của máy cắt điện và điều kiện dập hồ quang
của chống sét van. Trong các chống sét van,
số tấm điện trở không đờng thẳng đợc
chọn theo trị số điện áp làm việc cho phép
lớn nhất và ở điện áp này năng lực thông qua
dòng điện xoay chiều không quá giới hạn
80A.
Trong hệ thống có điểm trung tính
trực tiếp nối đất, dòng điện xoay chiều cũng
nh số tấm điện trở không đờng thẳng đợc
tính theo điện áp 0,8U
d
, chống sét van dùng
trong trờng hợp này đợc gọi là chống sét
80% còn trong hệ thống có điểm trung tính
cách điện hoặc nối đất qua cuộn dây dập hồ
quang - sẽ tính theo mức điện áp 1,15U
d
và
gọi là chống sét 115%. Nh vậy trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất số tấm
điện trở không đờng thẳng và số khe hở phóng điện đợc giảm ssi 30% sơ với trong hệ

thống có điểm trung tính cách điện ( hoặc nối đất qua cuộn dây dập hồ quang) do đó giá
thành chống sét van cũng giảm đợc khoảng 30%.
2. Sự khác nhau về điện áp xung kích tác dụng lên cách điện thiết bị.
Điện áp xung kích tác dụng lên cách điện của trạm biến áp và nhà máy điện phụ
thuộc vào đặc tính của chống sét van và nh vậy cũng sẽ phụ thuộc vào phơng thức nối đất
của điểm trung tính. Trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất, trị số điện áp d
của chống sét van có thể giảm thấp khoảng 20ữ 30%, so với khi điểm trung tính cách điện
do đó điện áp thí nghiệm xung kích và mức cách điện xung kích cũng đợc giảm tơng ứng.
Ngoài ra trong các hệ thống này do cách điện của máy biến áp đợc thực hiện theo kiểu nối
đất cấp nên càng làm cho giá thành giảm đi rất nhiều.
3. Sự khác nhau về trị số quá điện áp nội bộ.

Trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất quá điện áp nội bộ đợc phát sinh
và duy trì dới tác dụng của điện áp pha còn trong hệ thống có điểm trung tính cách điện -
dới tác dụng của điện áp dây. Số liệu đo lờng và tính toán đều cho thấy, trị số quá điện áp
nội bộ trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất cũng đợc giảm khoảng 20ữ30%













Hình 14-5

Quan hệ của điện áp trên pha không có sự cố khi có
ngắn mạch chạm đất một pha theo
r
X
0
1
ứng với các trị
số khác nhau của
X
X
0
1

0 1 2 3 4 5 6
1,5
Chốn
g
sét 80%
x
0
/x
1
=
5
x
0
/x
1
=3
x

0
/x
1
=2
x
0
/x
1
=1
x
0
/x
1
=
1/2
x
0
/
x
1

1,4
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

6

so với khi điểm trung tính cách điện và do đó yêu cầu về mức cách điện xoay chiều cũng
đợc giảm thấp tơng ứng.
Tổng hợp ba nguyên nhân trên có thể đi đến nhận xét là mức cách điện trong hệ
thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất thấp hơn so với khi điểm trung tính cách điện
khoảng 20%. Tuy nhiên hiệu quả kinh tế do việc giảm thấp cách điện còn tuỳ thuộc vào cấp
điện áp định mức. ở các cấp điện áp định mức cao và siêu cao ( 150kV trở lên) vì giá thành
của máy biến áp và thiết bị điện tăng gần nh tỷ lệ với trị số điện áp thí nghiệm và trong giá
thành đó đầu t về cách điện chiếm phần quan trọng do đó nếu chọn theo phơng thức điểm
trung tính trực tiếp nối đất thì sẽ hạ giá thành đợc khoảng 20%. ở các cấp điện áp thấp
(3ữ35kV) do phần đầu t về cách điện chiếm tỷ lệ bé trong giá thành nên việc chọn điểm
trung tính trực tiếp nối đất để giảm điện áp thí nghiệm và mức cách điện sẽ không mang lại
hiệu quả kinh tế rõ rệt.


Đ14 -3. Lựa chọn phơng thức nối đất của điểm trung tính

Theo quan điểm vận hành thì nên chọn phơng thức điểm trung tính nối đất qua cuộn
dập hồ quang. Vì sự cố đờng dây phần lớn lại là ngắn mạch chạm đất một pha nên khi dùng
cuộn dập hồ quang thì sự cố sẽ đợc loại trừ nhanh chóng không cần phải cắt đờng dây và
do đó sẽ đảm bảo cung cấp điện liên tục. Ngoài ra khi dùng cuộn dập hồ quang thì nhiễu
loạn của đờng dây cao áp đối với đờng dây thông tin cũng đợc giảm nhẹ. Nhợc điểm
của việc dùng nó là hệ thống phải có mức cách điện cao hơn so với khi điểm trung tính trực
tiếp nối đất, nhng nên dùng các hệ thống điện từ 60kV trở xuống thì việc tăng mức cách
điện cũng không ảnh hởng nhiều đến giá thành, do đó đối với các hệ thống này dùng cuộn
dập hồ quang làg hợp lý về kinh tế kỹ thuật. ở các hệ thống có dòng điện ngắn mạch chạm
đất bé và điện áp làm việc không cao lắm, do hồ quang ngắn mạch chạm đất có thể tự dập tắt
nên không cần phải đặt cuộn dập hồ quang. Kinh nghiệm vận hành cho thấy, khi dòng điện
chạm đất đạt đợc yêu cầu sau đây thì điểm trung tính có thể đặt cách điện đối vơí đất:

Điện áp 6 ữ 10KV dòng điện chạm đất dới 30A.
Điện áp 20 ữ 35KV dòng điện chạm đất dới 10A.
Điện áp 40 ữ 35KV dòng điện chạm đất dới 5ữ10A.
Đối với điện áp máy phát, khi dòng điện chạm đất lớn hơn 5A cũng phải đặt cuộn dập
hồ quang tại điểm trung tính của máy điện vì dòng điện quá lớn sẽ đốt cháy lõi thép máy
điện.
Các hệ thống điện từ 220kV trở lên thờng đợc chọn theo phơng thức điểm trung
tính trực tiếp nối đất. Ưu điểm của phơng thức nối đất này đã đợc trình bày nhiều ở trên.
Các hệ thống này thờng có công suất lớn, đờng dây dài nên không thể dùng ph
ơng thức
điểm trung tính cách điện. Dòng điện điện dung lớn hàng trăm ampe khiến cho hồ quang
chạm đất có thể cháy lâu dài và dới tác dụng của gió và di chuyển do nhiệt, hồ quang sẽ
Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng

Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
7

lan ra các pha bên cạnh và chuyển thành ngắn mạch giữa các pha. Dùng phơng thức nối
đất qua cuộn dập hồ quang cũng không thích hợp vì khi có ngắn mạch chạm đất điện áp trên
pha không có sự cố tăng cao, vầng quang xuất hiện làm cho thành phần tác dụng của dòng
điện chạm đất tăng lên ( thành phần này không đợc bù bởi dòng điện điện cảm của cuộn
dập hồ quang) do đó hồ quang khó dập tắt và cuộn dập hồ quang sẽ không phát huy tác
dụng. Nh vậy đối với các hệ thống từ 220kV trở lên, chọn theo phơng thức điểm trung
tính trực tiếp nối đất là duy nhất hợp lý.
Vấn đề cha thống nhất hiện nay chủ yếu tập trung phơng thức nối đất điểm trung
tính của các hệ thống 110ữ150kV.
ở các nớc Đức, Nhật bản, Thuỵ điển, các hệ thống này đều nối đất qua cuộn dập hồ
quang. Hệ thống 154kV ở Đông bắc Trung quốc cũng dùng cuộn dập hồ quang, kinh
nghiệm vận hành cho thấy tác dụng của nó rất tốt: trong số 28 lần sự cố chạm đất từ 1952 tới
1955 trừ ba trờng hợp sự cố có tính chất lâu dài còn phần lớn đều đợc dập tắt nhanh

chóng.
Hệ thống 110ữ150 kV ở Liên xô phần lớn đều có điểm trung tính trực tiếp nối đất.
Lý do chủ yếu của việc chọn phơng thức nối đất này là các đờng dây đợc bảo vệ bằng
dây chống sét toàn tuyến mà phần đầu t vào dây chống sét không lớn (5 ữ 7%), cách điện
đờng dây đạt mức tơng đối cao nên số lần xảy ra chạm đất (do sét) không nhiều. Ngoài ra
do các đờng dây 110 ữ150kV thờng hoặc đi hai lộ hoặc theo mạng kín và có đặt thiết bị tự
động đóng lại (TĐL) nên đảm bảo cung cấp điện đợc liên tục. Nhng cũng ngay ở Liên xô
vẫn còn một số trờng hợp hệ thống 110kV dùng cuộn dập hồ quang. Các hệ thống này đi
trong vùng đất xấu, điện trở nối đất quá lớn nên hệ thống bảo vệ rơle không đảm bảo đợc
tính chọn lọc để cắt đ
ờng dây có sự cố
Tóm lại, việc lựa chọn phơng thức nối đất điểm trung tính của hệ thống 110ữ150kV
cho đến nay vẫn cha đợc khẳng định và thống nhất. Trong từng hoàn cảnh cụ thể phải tiến
hành phân tích về kỹ thuật mới có thể lựa chọn đợc phơng án hợp lý.