Nghiên cứu ảnh hưởng của phương thức nối đất trung tính đến việc lựa chọn cách điện trong lưới điện trung thế”

- 1 -

MỤC LỤC
L ......................................................................................................................... 3
CÁC T VIT TT ..................................................................................................................... 4
DANH MC CÁC BNG BIU ................................................................................................. 5
DANH MC CÁC HÌNH V ...................................................................................................... 6
M U ..................................................................................................................................... 8
U LÝ THUYT V N
TRUNG ÁP ............................................................................................................................... 11
1.1. PHÂN LOI QUÁ N ÁP TRONG I N TRUNG ÁP ................................................... 11
1.2. CH  NI T M TRUNG TÍNH VÀ VN  VN HÀNH I N TRUNG ÁP ..... 15
1.2.1 Mn ba pha i vt ............................. 16
1.2.2 Mn ba pha trung tính ni qua cun dp h quang ................... 22
1.2.3. Mn ba pha trung tính nn tr nh ....................... 25
1.2.4 Mn ba pha trung tính nn kháng nh ................... 26
1.2.5 Mn ba pha trung tính nt trc tip ..................................... 27
NG QUAN V V N ÁP DO CHT MT PHA
N TRUNG ÁP ............................................................................................. 31
2.1.  PHÁP TÍNH TOÁN TNG TR TH T KHÔNG CA NG DÂY TI N ... 31
2.1.1. Khái nin v tng tr trong h t pha ABC .................... 31
2.1.2. Ma trn tng tr ng hp có vt dn nc lp
 ........................................................................................................................ 35
2.1.3. Tính toán các phn t ca ma trn tng tr ABC + N ........................ 37


ABC
............................................................................................................. 44
2.2. CÁC  PHÁP TÍNH TOÁN QUÁ N ÁP DO S C CHM T MT PHA
TRONG I TRUNG ÁP .................................................................................................................. 47
i xng ............................................... 47

 gii h  h thn ... 50
NG VÀ TÍNH TOÁN QUÁ N ÁP DO NGN MCH CHM
T MT PHA  I TRUNG ÁP ...................................................................................... 57
3.1. GII THIU V PHN MM ATP-EMTP ................................................................................... 57
- 2 -

3.2. MÔ PHNG VÀ TÍNH TOÁN H S QUÁ ÁP CA MT XUT TUYN I TRUNG ÁP
BNG ATP/EMTP ............................................................................................................................... 61
 LA CHN CHNG SÉT VAN .......................................................... 66
4.1. TIÊU CHUN IEC 60099-5 V LA CHN VÀ S DNG CHNG SÉT VAN ......................... 66
4.1.1. Tng quan ............................................................................................ 66
4.1.2. La chn CSV có khe h s dn tr phi tuyn (SiC) ................. 71
4.1.3. La chn CSV không khe h s dng oxit kim loi ............................. 78
4.1.4. ng dng ca CSV .............................................................................. 86
4.2. NG DNG TIÊU CHUN IEC 60099-5 VÀO VIC LA CHN CHNG SÉT VAN CA
I N TRUNG ÁP ...................................................................................................................... 94
KT LUN VÀ KIN NGH ................................................................................................... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 106

- 3 -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Các kết quả tính toán trong
luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn
nào khác.

Hà Nội, tháng 11 năm 2010
Tác giả luận văn

Nguyễn Đoàn Quyết

- 4 -


CÁC TỪ VIẾT TẮT

ATP Alternative Transient Program
BIL Basic Impulse Level
CSV Chống sét van
CN Công nghiệp
COV Continuous Operating Voltage
DCS Dây chống sét
EMTP ElectroMagnetic Transient Program
IEC International Electrotechnical Commission
MBA Máy biến áp
MCOV Maximum Continuous Operating Voltage
NEMP Nuclear Electromagnetic Pulses
NNEMP Non-Nuclear Electromagnetic Pulses
TBA Trạm biến áp
TOV Temporary OverVoltage
TTT Thứ tự thuận
TTK Thứ tự không
QĐA Quá điện áp

- 5 -

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số nguyên nhân gây QĐA tạm thời, biên độ và thời gian tồn tại...... 14
Bảng 1.2 Dòng điện chạm đất cho phép của các đường dây tương ứng với các cấp

điện áp khác nhau ...................................................................................................... 22
Bảng 3.1. Thông số các phần tử lưới điện 35kV ....................................................... 61
Bảng 3.2. Hệ số quá điện áp tạm thời (TOV) theo vị trí điểm ngắn mạch chạm đất
dọc chiều dài đường dây ........................................................................................... 64
Bảng 3.3. Hệ số quá điện áp quá độ cực đại theo vị trí điểm ngắn mạch chạm đất
dọc chiều dài đường dây tương ứng với lưới điện đang xét ở trên ........................... 64
Bảng 4.1: Giá trị dòng điện quy định với thí nghiệm ngắn mạch CSV (thời gian tồn
tại ngắn mạch khoảng 1/6 chu kỳ điện áp tần số CN)............................................... 78
Bảng 4.2: Hằng số điện áp A cho một số dạng đường dây trên không ..................... 93

- 6 -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ đơn giản mạng điện 3 pha trung tính cách điện với đất .................. 16
Hình 1.2. Sơ đồ mạng điện 3 pha trung tính cách đất khi có sự cố chạm đất 1 pha . 17
Hình 1.3 Mạng điện 3 pha trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang ...................... 23
Hình 1.4. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện kháng ................................ 26
Hình 1.5. Sơ đồ mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp ................................. 27
Hình 2.1: Phân bố từ thông trên mạch vòng dòng điện pha A .................................. 31
Hình 2.2. Sơ đồ thay thế tương đương của ma trận tổng trở .................................... 35
Hình 2.3. Đường dây một pha hai dây dẫn đơn ....................................................... 39
Hình 2.4. Phân bố dòng điện một chiều trong đất ..................................................... 41
Hình 2.5. Phân bố cường độ điện trường của dòng điện xoay chiều khi đi vào đất . 41
Hình 2.6. Phân bố dòng điện xoay chiều trong đất ................................................... 42
Hình 2.7. Sơ đồ lưới điện 110/22 kV ........................................................................ 48
Hình 2.8. Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (TTT) và thứ tự không (TTK) ...................... 48
Hình 2.9. a)Biến thiên hệ số quá điện áp k theo tỉ số X
0
/X
1

với trường hợp R
1
/X
1
=R
= 0 .............................................................................................................................. 50
b) Quan hệ giữa tỉ số R
0
/X
1
và X
0
/X
1
khi giữ hệ số quá điện áp cố định khi R
1
=X
1
50
Hình 2.10. Sơ đồ lưới điện tại nút 1 .......................................................................... 51
Hình 2.11. Sơ đồ thay thế 3 pha lưới điện 110/22kV trong ATP/EMTP ................. 55
Hình 3.1. Tổng quan về các mô đun trong ATP/EMTP ........................................... 60
Hình 3.2. Sơ đồ xuất tuyến 35kV .............................................................................. 61
Hình 3.3. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tính cách điện trong ATP/EMTP ............... 61
Hình 3.4. Điện áp các pha tại đầu đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính cách
điện, ngắn mạch chạm đất pha A) ............................................................................. 62
Hình 3.5. Điện áp các pha tại cuối đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính cách
điện, ngắn mạch chạm đất pha A) ............................................................................. 62
Hình 3.6. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tính nối đất trực tiếp trong ATP/EMTP ..... 62
Hình 3.7. Điện áp các pha tại đầu đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính nối đất

trực tiếp, ngắn mạch chạm đất pha A) ...................................................................... 63
- 7 -

Hình 3.8. Điện áp các pha tại cuối đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính nối đất
trực tiếp, ngắn mạch chạm đất pha A) ...................................................................... 63
Hình 4.1. Quy trình kiểm tra và lựa chọn CSV ......................................................... 70
Hình 4.2. Truyền sóng trong trường hợp trạm không có lưới nối đất (trạm treo) .... 91
Hình 4.3. Truyền sóng trong trường hợp trạm có lưới nối đất .................................. 91
Hình 4.4. Sơ đồ một sợi của xuất tuyến 372 E8.3..................................................... 95
Hình 4.5. Sơ đồ thay thế trong ATP-EMTP của xuất tuyến 372 E8.3 ...................... 96
Hình 4.6. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn .................. 96
Hình 4.7. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp xa nhất (Quảng Châu 3)
................................................................................................................................... 97
Hình 4.8. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn (ngắn mạch
pha A tại Quảng Châu 3) ........................................................................................... 97
Hình 4.9. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp Quảng Châu 3 (ngắn
mạch pha A tại Quảng Châu 3) ................................................................................ 97
Hình 4.10. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn (ngắn mạch
pha A tại Liên Phương 4) ......................................................................................... 98
Hình 4.11. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp Liên Phương 4 (ngắn
mạch pha A tại Liên Phương 4) ............................................................................... 98


- 8 -

MỞ ĐẦU
M.1.Lý do chọn đề tài
Lưới điện phân phối của Việt Nam hiện chưa được đầu tư vốn tương xứng
với yêu cầu. Thông thường với các nước tiên tiến trên thế giới, nguồn vốn yêu cầu
đầu tư cho lưới điện phân phối chiếm khoảng 50% tổng vốn đầu tư cho toàn

ngành. Nước ta do điều kiện khó khăn về kinh tế, nền kinh tế nghèo nàn nhỏ lẻ, đi
lên từ sau chiến tranh cộng với bối cảnh vừa hòa nhập vào kinh tế thế giới, tốc độ
tăng trưởng phụ tải rất nhanh, thường xuyên xảy ra thiếu hụt điện năng nên nguồn
vốn thường ưu tiên tập trung phát triển nguồn điện cũng như lưới điện truyền tải.
Nguồn vốn đầu tư cho nguồn và lưới truyền tải của Việt Nam hiện chiếm khoảng
85% (60% cho nguồn và 25% cho lưới truyền tải), còn lại 15% là vốn đầu tư cho
lưới phân phối. Vấn đề này hiện nay đã và đang đặt ra rất nhiều bất cập mà ngành
điện cũng như các khách hàng của mình đang cùng phải đối mặt bao gồm: n
xung c tin cy không cao, chp, tn tht công sut, tn
thn, kh  ng hóa kém….Một vấn đề rất quan trọng cũng
chưa được quan tâm đúng mức đó là hiện tượng n áp xy i phân
phi. Việc lựa chọn CSV trong lưới điện này thường được chọn một cách đơn giản,
ít xem xét vị trí lắp đặt, chế độ điểm trung tính (trung tính cách điện, trung tính nối
đất hiệu quả, trung tính nối đất qua tổng trở), dẫn đến là CSV có thể bị quá áp khi
có sự cố chạm đất một pha. Nội dung bản luận văn này sẽ tập trung đi sâu nghiên
cứu mô phỏng hiện tượng QĐA trong lưới điện phân phối khi xảy ra ngắn mạch
một pha và tìm cách đề xuất một phương thức lựa chọn CSV hợp lý.
M.2.Lịch sử nghiên cứu
1. Luận văn thạc sĩ “Nghiên cu ng cc nt trung
n vic la chn trung th” - Nguyễn Thanh Hải –
ĐHBK Hà Nội -2009. Nội dung: nghiên cứu hệ số quá áp trong lưới điện trung áp
trong các tình huống xảy ra quá áp do sự cố phức tạp bao gồm ngắn mạch chạm đất,
đứt dây chạm đất và quá điện áp cộng hưởng. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh
- 9 -

hưởng của các vấn đề trên đến việc lựa chọn cách điện nói chung và chưa đề cập tới
việc lựa chọn cụ thể của CSV.
2. Luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ứng dụng của nối đất trung tính qua tổng trở
nhỏ để giải quyết bài toán nối đất của các trạm biến áp 110/22 (35)kV ở Việt Nam”
- Nguyễn Lƣơng Mính - ĐHBK Đà Nẵng. Một trong những nội dung nghiên cứu

của Luận văn là về biến thiên hệ số quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch chạm
đất một pha trong lưới trung áp có các phương thức nối đất trung tính khác nhau,
biến thiên của hệ số quá điện áp theo tỉ số X
0
/X
1
tại điểm xảy ra sự cố dẫn tới làm
thay đổi hiệu quả của nối đất trung tính (tại TBA), luận văn đề xuất ý tưởng tiếp tục
nghiên cứu ứng dụng để giải quyết bài toán lựa chọn CSV tại các điểm khác nhau
trong lưới trung áp.
M.3.Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi
nghiên cứu
Nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu quá điện áp trên một lưới điện trung áp 35
kV điển hình với các chế độ nối đất trung điểm khác nhau bằng mô phỏng trên phần
mềm ATP/EMTP khi xảy ra sự cố chạm đất một pha và xem xét ứng dụng vào việc
lựa chọn CSV ở lưới điện trung áp.
M.4.Tóm tắt cơ bản các luận điểm và đóng góp mới của tác giả
- Nghiên cứu lý thuyết về các dạng quá điện áp có khả năng xuất hiện trong
lưới điện trung áp (bao gồm QĐA khí quyển, QĐA thao tác)
- Tổng quan về vấn đề quá điện áp do sự cố chạm đất một pha trong lưới
điện trung áp bao gồm dải biến thiên của hệ số quá áp cũng như các tham số chính
ảnh hưởng tới biên độ QĐA
- Mô phỏng và tính toán quá điện áp do sự cố chạm đất một pha bằng phần
mềm ATP/EMTP
- Xem xét quy trình lựa chọn CSV và ứng dụng vào lưới điện trung áp


- 10 -

M.5.Phƣơng pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu các nội dung lý thuyết liên quan
tới vấn đề quá điện áp do sự cố ngắn mạch chạm đất một pha và sử dụng mô phỏng
trên mô hình máy tính để kiểm chứng.
Cấu trúc luận văn: Luận văn bao gồm 4 chương trình bày trên trang, bao
gồm:
Chương 1: Nghiên cứu lý thuyết về quá điện áp trong lưới điện trung áp
Chương 2: Tổng quan về vấn đề quá điện áp do chạm đất một pha trong lưới
điện trung áp
Chương 3: Mô phỏng và tính toán quá điện áp do ngắn mạch chạm đất một
pha ở lưới điện trung áp
Chương 4: Vấn đề lựa chọn Chống sét van

Để hoàn thành luận văn này, trước hết tác giả xin gửi lời tri ân sâu sắc tới gia
đình và em trai đã luôn hết sức động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả
yên tâm tập trung nghiên cứu. Đồng thời tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành
và lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS. TS. Trần Văn Tớp,
người đã luôn chu đáo, tận tình và có những nhận xét góp ý, chỉ đạo kịp thời về nội
dung và tiến độ của luận văn. Cuối cùng, tác giả cũng không thể quên được những
nhận xét góp ý, tạo điều kiện thuận lợi và sự giúp đỡ tận tình của Ving
i hc Bách Khoa Hà Ni, các thầy cô giáo của B môn H thn  Khoa
n - i hc Bách Khoa Hà Ni và bạn bè đồng nghiệp trong quá trình
làm luận văn. Mặc dù đã hết sức cố gắng song do thời gian và khả năng còn hạn
chế, luận văn còn nhiều thiếu sót và hạn chế, tác giả rất mong nhận được sự đánh
giá, góp ý của các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để hoàn chỉnh thêm nội dung
của luận văn.

- 11 -

CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP
TRONG LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP

1.1. PHÂN LOẠI QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG
ÁP
Quá điện áp (QĐA) trong hệ thống điện là hiện tượng điện áp trong toàn hệ
thống hoặc một bộ phận của hệ thống tăng lên cao hơn trị số điện áp định mức của
một hoặc nhiều phần tử trong đó. Về cơ bản, các dạng QĐA ở lưới điện trung áp
cũng giống như ở các cấp điện áp cao khác. Chúng khác nhau chủ yếu ở biên độ,
dạng sóng, xác suất xuất hiện và mức độ thiệt hại do QĐA gây ra.
Căn cứ vào nguồn gốc phát sinh, QĐA được chia làm hai nhóm: ngoài
và ni b
* QĐA ngoài: được phát sinh từ các nguyên nhân bên ngoài hệ thống điện,
tức biên độ của nó không phụ thuộc vào cấp điện áp của hệ thống. QĐA ngoài được
chia làm hai loại: sét và phát sinh do xung bc x ht nhân (NEMP-
Nuclear Electromagnetic Pulses) hoc phi ht nhân (NNEMP- Non-nuclear
Electromagnetic Pulses).
- QĐA sét xuất hiện do các phóng điện từ các đám mây xuất hiện trong tầng
bình lưu của trái đất, nó là nguyên nhân gây ra gần 50% các sự cố ngắn mạch trên
các đường dây cấp điện áp từ 300kV trở lên [17]. Phóng điện sét thường có dạng
đơn cực bao gồm cực tính âm và cực tính dương. Cú sét cực tính dương thường chỉ
bao gồm một phóng điện sét thành phần với biên độ cực kì lớn, có thể đạt tới mức
250 kA. Ngược lại, cú sét cực tính âm thường gồm nhiều cú sét thành phần với biên
độ nhỏ hơn nhiều, vào khoảng 80 kA. Theo nghiên cứu, khoảng 90% các cú sét
đánh xuống công trình điện và lân cận là mang cực tính âm [9]. Dưới góc độ quá
điện áp, thông số quan trọng nhất của phóng điện sét chính là hình dạng và biên độ
xung dòng điện sét. QĐA do sét gây ra cho đường dây tải điện thường xảy ra khi:
+ Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn
- 12 -

+ QĐA cảm ứng khi sét đánh xuống đất gần đường dây
+ Phóng điện ngược trên cách điện đường dây
Biên độ QĐA phụ thuộc vào tổng trở sóng của đường dây và trị số dòng điện

sét, có thể vượt trị số 1MV. Sóng QĐA này lan truyền dọc theo đường dây về trạm
biến áp và có thể gây phóng điện chọc thủng cách điện của các thiết bị. Vì thế vấn
đề bảo vệ chống QĐA do sét gây ra trước tiên cần xác định xác suất xuất hiện của
các dạng dòng điện sét cũng như cường độ hoạt động của giông sét tại khu vực
nghiên cứu.
- QĐA phát sinh do nguồn xung điện từ bức xạ hạt nhân hoặc không có
nguồn gốc hạt nhân (Nuclear Electromagnetic Pulses -NEMP, Non-nuclear
Electromagnetic Pulses -NNEMP). Các xung này có thời gian đầu sóng cực kì ngắn
(cỡ <10 ns) và biên độ hàng chục kA. Xác suất xuất hiện của QĐA điện từ rất nhỏ
vì thế thường được bỏ qua khi quy hoạch thiết kế hệ thống điện.
QĐA sét có nguyên nhân bên ngoài cấu trúc lưới điện, do đó n trung
áp hoàn toàn có kh phi nhn các cú  lu sóng dc.
Việc nghiên cứu bảo vệ chống quá điện áp liên quan tới xác định mật độ sét và xác
suất xuất hiện các cú sét biên độ lớn.
* QĐA nội bộ: QĐA nội bộ về cơ bản có liên hệ tới cấu trúc hệ thống điện
và các tham số khác của nó. QĐA nội bộ xuất hiện chủ yếu trong quá trình thực
hiện các thao tác đóng cắt hoặc do các sự cố. QĐA nội bộ được phân chia làm 2
nhóm chính, căn cứ vào thời gian tồn tại (từ vài trăm micro giây tới vài giây) và
dạng sóng:  và m thi .
- QĐA quá độ (Transient Overvoltage) có năng lượng lớn hơn nhiều so với
QĐA sét nhưng lại có biên độ thấp hơn và thời gian tồn tại ngắn (cỡ vài ms và ngắn
hơn), xuất hiện do một số nguyên nhân sau đây: đóng cắt đường dây truyền tải, cắt
dòng điện dung nhỏ (tụ điện, đường dây và cáp không tải), cắt dòng điện cảm nhỏ
(máy biến áp không tải, cuộn kháng), việc xuất hiện và đóng cắt loại trừ sự cố trong
hệ thống,…
- 13 -

- QĐA tạm thời (Temporary Overvoltage-TOV): là hiện tượng QĐA tần số
công nghiệp pha-đất hoặc pha-pha với thời gian tồn tại tương đối dài tại một vị trí
trong hệ thống điện. Nguyên nhân phát sinh QĐA tạm thời chủ yếu do hiệu ứng

Ferranti, sa thải phụ tải, sự cố chạm đất, bão hòa từ và cộng hưởng điều hòa. Biên
độ QĐA thường vào khoảng 1,2 ÷ 1,5 p.u. Tuy nhiên trong một số điều kiện nguy
hiểm có thể đạt tới 2 p.u, thậm chí 5 p.u trong trường hợp xảy ra cộng hưởng sắt từ
(ferroresonance) [11].
Với lưới điện trung áp, do vốn đầu tư cho cách điện chỉ chiếm một tỉ lệ nhỏ,
cách điện được chế tạo với mức dự trữ tương đối cao nên hầu như có khả năng chịu
được các xung QĐA thao tác (QĐA quá độ) trong quá trình vận hành. Vì thế khi
 i này, ta ch quan tâm ti lom thi, xut hin
 tn s công nghip [19][20][21]. (Trong [19], khi đề xuất bảng các mức cách
điện tiêu chuẩn cho thiết bị điện điện áp tới 245kV, chỉ đề cập tới trị số n áp chu
ng tn s CN ngn hn và trị số n áp chng v  n áp sét tiêu
chun mà không đề cập tới n áp chng xung thao tác. Tuy nhiên, trong [20]
đã đưa thêm bảng các hệ số hiệu chỉnh n áp chng xung thao tác về trị số
n áp chng tn s CN ngn hn để sử dụng trong các trường hợp cần thiết).
Bảng dưới tổng hợp một số nguyên nhân gây ra QĐA tạm thời cùng với biên
độ và thời gian tồn tại [17]








- 14 -

Bng 1.1. Mt s m th và thi gian tn
ti
Nguyên nhân Tham số chính
Biên độ

QĐA
Thời gian tồn
tại
Sự cố không đối
xứng
Tỉ số X
0
/X
1
1 - 1,7 p.u
Phụ thuộc
chế độ trung
tính
Sa thải phụ tải
- Công suất truyền tải
- Công suất ngắn mạch hệ thống
- Điện dung đường dây
- Thiết bị tự động điều chỉnh điện áp
1 - 1,6 p.u vài giây
Cấp nguồn ngược
(backfeeding)
- Điện dung đường dây hoặc cáp
- Công suất ngắn mạch của hệ thống
- Đáp ứng tần số của hệ thống
1 - 2 p.u vài giây
Cộng hưởng sắt từ
- Điện dung đường dây hoặc cáp
- Hiện tượng bão hòa từ của MBA
- Các thông số đặc tính của MBA
1 - 1,5 p.u lâu dài

Sự cố không đối xứng trong lưới điện trung áp bao gồm sự cố ngắn mạch
không đối xứng (ngắn mạch chạm đất một pha, ngắn mạch hai pha, ngắn mạch hai
pha chạm đất) và đứt dây (một pha, hai pha). Tuy nhiên xác suất xảy ra của các
dạng sự cố không đối xứng này là không giống nhau. Chiếm tỉ lệ lớn nhất chính là
dạng sự cố ngắn mạch chạm đất một pha [10]. Đây chính là điểm khiến luận văn tập
trung nghiên cứu QĐA phát sinh do ngắn mạch chạm đất một pha. Hơn nữa sự cố
đứt dây thường có thể dẫn tới hiện tượng cộng hưởng sắt từ - thường được nghiên
cứu loại trừ khi quy hoạch, thiết kế.
QĐA phát sinh do sa thải phụ tải phụ thuộc vào lượng công suất bị sa thải,
vào cấu hình của lưới điện và phản ứng của nguồn điện sau thời điểm sa thải (công
suất ngắn mạch nguồn, hiệu quả của thiết bị điều tốc, thiết bị tự động điều chỉnh
kích từ). Đôi khi sa thải phụ tải còn dẫn tới quá điện áp duy trì có biên độ lớn do
hiện tượng tăng áp cuối đường dây dài hở mạch (hiệu ứng Ferranti). Tuy nhiên các
hiện tượng trên chủ yếu tồn tại ở lưới điện cấp cao áp và siêu cao áp trừ trường hợp
có tồn tại các nguồn điện phân tán (thủy điện, nhiệt điện) trong lưới trung áp.
- 15 -

QĐA do cộng hưởng điều hòa và cộng hưởng sắt từ thường phát sinh khi
đóng cắt mạch điện có các phần tử điện dung lớn (đường dây, cáp, đường dây bù
dọc) và các phần tử điện cảm (MBA, cuộn kháng) có đặc tính từ hóa phi tuyến.
QĐA cộng hưởng điều hòa và cộng hưởng sắt từ có thể đạt trị số rất lớn và nó
thường được xem xét tính toán trong quá trình thiết kế để tránh xảy ra tình huống
này. Do đó QĐA loại này thường không được sử dụng làm cơ sở để lựa chọn cách
điện của CSV cũng như phối hợp cách điện của các thiết bị điện trong lưới [20].
Như vậy từ các phân tích đánh giá trên, khi nghiên cứu đánh giá biên độ của
QĐA tạm thời (TOV) trong lưới điện trung áp, ta chủ yếu quan tâm tới QĐA tạm
thời xuất hiện do sự cố ngắn mạch chạm đất một pha xuất hiện trên các pha lành của
lưới điện. Biên độ QĐA và thời gian tồn tại sự cố (từ lúc xuất hiện tới lúc giải trừ sự
cố), như đã thấy ở bảng 1.1, phụ thuộc vào tỉ số X

0
/X
1
, tức là phụ thuộc vào chế độ
nối đất điểm trung tính và phụ thuộc vào phương thức vận hành của lưới. Chính vì
vậy dưới đây ta đi vào nghiên cứu các chế độ nối đất khác nhau của trung tính lưới
điện trung áp cũng như một số đặc điểm vận hành của nó.
1.2. CHẾ ĐỘ NỐI ĐẤT ĐIỂM TRUNG TÍNH VÀ VẤN ĐỀ VẬN
HÀNH LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
Điểm trung tính là điểm chung của ba cuộn dây nối hình sao. Việc lựa chọn
phương thức làm việc của điểm trung tính xuất phát từ tình trạng của hệ thống khi
có chạm đất một pha. Điểm trung tính có thể cách điện đối với đất, nối đất qua cuộn
dập hồ quang hay nối đất trực tiếp.
Trong mỗi lưới điện, chế độ làm việc của điểm trung tính đóng một vai trò
quan trọng. Nó quyết định tới trị số của dòng điện, điện áp khi xảy ra sự cố ngắn
mạch một pha và trị số của quá điện áp nội bộ, nghĩa là ảnh hưởng trực tiếp tới việc
đảm bảo cung cấp điện ổn định cho khách hàng và chế tạo cách điện cho thiết bị.
Do vậy, để đánh giá được những ưu nhược điểm của các lưới có chế độ làm việc
của điểm trung tính khác nhau ta dựa chủ yếu vào trị số của dòng và áp trong chế độ
ngắn mạch chạm đất một pha.
- 16 -

Chế độ làm việc của điểm trung tính còn phụ thuộc vào cấp điện áp, vì nó
ảnh hưởng trực tiếp đến vốn đầu tư cho đường dây và thiết bị. Ở cấp điện áp cao
nếu tiết kiệm được cách điện thì vốn đầu tư cho công trình giảm đi đáng kể. Sau đây
ta sẽ xét đến từng chế độ làm việc của điểm trung tính trong hệ thống điện.
1.2.1 Mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất

Ta xét sơ đồ mạng điện đơn giản bao gồm máy biến áp (hình 1.1), đường dây
và phụ tải, các phần tử trên là các phần tử có ba pha đối xứng. Mỗi pha của mạng

điện đối với đất có một điện dung phân bố rải dọc theo chiều dài đường dây. Với
điện áp không lớn và chiều dài đường dây ngắn, ta coi điện dung này tập trung ở
giữa đường dây và đối xứng giữa các pha. Giữa các pha cũng có điện dung, nhưng
ta không xét ở đây vì chúng không ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của điểm
trung tính.
I
cA
I
cB
I
cC
A
B
C
O
U
A
U
B
U
C
I
cC
I
cB
I
cB

Hình 1.1.  n mn vt
Đồ thị véctơ của điện áp và dòng điện dung ở trạng thái làm việc bình

thường.
Ở chế độ làm việc bình thường ta có các biểu thức sau:
U
A
= U
B
= U
C
= U
pha
và lệch nhau một góc 120
0

I
cA
= I
cB
= I
cC
và lệch pha nhau một góc 120
0


0
0




cCcBcAc

IIII
(1.1)
- 17 -


0
0




cCcBcAc
UUUU
(1.2)
Qua các biểu thức trên thấy rằng, tổng dòng điện dung chạy trong đất và điện
áp của điểm trung tính đều bằng không.

I’
cA
I’
cB
I’
cC
A
B
C
O
O’
U
A

U
C
U’
A
U’
B
I’
cA
I’
cB
I’
cΣ
N
(1)
U
B

Hình 1.2.  mt khi có s c chm
t 1 pha
Sơ đồ mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất có pha C chạm đất
trực tiếp và đồ thị véc tơ biểu diễn điện áp, dòng điện dung của nó như hình 1.2.
Dấu “ ’ ” phía trên để biểu thị cho chế độ chạm đất.
Gọi 


là sức điện động tổng hợp của mạng và X
1
,X
2
, X

0
là các điện kháng
tổng hợp thứ tự thuận, nghịch và không của mạng đối với điểm chạm đất. Trị số
điện áp các thành phần thứ tự tại điểm chạm đất một pha là:

20
1
1 2 0
2
2
1 2 0
0
0
1 2 0
()
(1.3)
E X X
U
X X X
EX
U
X X X
EX
U
X X X































- 18 -

Đối với mạng điện có trung tính cách điện với đất, điện kháng tổng hợp thứ
tự không X
0

có trị số rất lớn (coi như bằng vô cùng). Do vậy, lấy giới hạn các biểu
thức trên ta được:

1
2
0
0 (1.4)
UE
U
UE
















Nghĩa là điện áp thứ tự thuận đúng bằng điện áp pha của mạng trước khi
chạm đất:

'

1
'
1
'
1
(1.5)
AA
BB
CC
UU
UU
UU



















Mặt khác:

' ' ' '
1 2 0
0
C C C C
U U U U
   
   
(1.6)

Từ đó suy ra:

''
01C C C
U U U


   
(1.7)
Hoặc:

' ' ' '
0 0 0 1A B C C C
U U U U U
   

     

(1.8)

Từ các kết quả nhận được, có thể coi rằng tại chỗ chạm đất được đặt thêm
một điện áp thứ tự không 





. Điện áp của các pha đối với đất 


,


,



- 19 -

sẽ là tổng hình học của điện áp pha tương ứng trước khi chạm đất 


,


,



và
điện áp thứ tự không 


như sau:

'
'
'
(1.9)
0
A A C
B B C
C
U U U
U U U
U



















Từ đồ thị ở hình 1.2, ta nhận được:
















(1.10)
Và góc lệch pha giữa chúng:












= 60°
Giá trị dòng điện chạm đất tại pha C:














(1.11)
Với
.
'
cA
I
,
.
'

cB
I
là dòng điện dung chạy trên pha A, pha B khi sự cố chạm đất
pha C.
Khi tính gần đúng:

.
'
c
I

= 3
cA
I
=
3
A
CU

=
BjU
A
3
=
03
0
lbjU
A

(1.12)

Với C là điện dung các pha so với đất và B =
lb .
0
là điện dẫn phản kháng
của pha so với đất B = C =
lb .
0
và giá trị tuyệt đối của các pha lành đều bằng điện
áp dây.
Ta thấy, điện áp hai pha không có sự cố tăng lên
3
lần, nên giá trị dòng
điện dung của chúng cũng tăng
3
lần so với khi chưa chạm đất, tức là
'
3
cA cA
II
;
'
3
cB cB
II
còn dòng điện dung pha chạm đất bằng không
'
0
cC
I 
. Dòng điện dung

tại chỗ chạm đất sẽ là:
- 20 -


''
'
c cA cB
I I I


(1.13)

'
0
33
c cA c
I I I


(1.14)
Giá trị dòng điện dung tại chỗ chạm đất khi chạm đất một pha được xác định
theo công thức sau đây:
Đường dây trên không:
'
. /350( )
cd
I U L A



Đường cáp ngầm:
'
. /10( )
cd
I U L A


.
Trong đó:U
d
–điện áp dây [kV]
L – chiều dài tổng các đường dây có nối điện với nhau [km]
Nhận xét:
- Điện áp của pha chạm đất bằng không, điện áp của hai pha còn lại tăng lên
3
lần (bằng điện áp dây).
- Điện áp dây của mạng điện không thay đổi, điện áp của điểm trung tính
tăng từ “không” đến điện áp pha.
Như vậy, điện áp làm việc lớn nhất trong thời gian dài cho phép của lưới
điện có trung tính cách điện với đất tăng cao bằng điện áp dây.
- Dòng điện dung của các pha không chạm đất tăng
3
lần, còn dòng điện
dung tại chỗ chạm đất tăng 3 lần so với dòng điện dung của một pha trước khi chạm
đất.
Kết luận:
- Khi xảy ra chạm đất một pha, cho phép lưới điện vận hành trong một
khoảng thời gian nhất định (có thể kéo dài tới vài giờ) do điện áp dây không đổi và
dòng chạm đất bé. Trong khoảng thời gian này, người ta có thể xác định điểm sự cố
và cô lập ra khỏi lưới.

Đây là một ưu điểm của lưới trung tính cách đất vì nó làm giảm đáng kể thời
gian cắt điện của phụ tải, làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng.
- 21 -

- Do dòng chạm đất bé nên hạn chế dòng cảm ứng lớn lên các đường dây
thông tin lân cận.
- Tuy nhiên, thực tế vận hành thì có thể đây chỉ là ưu điểm trên lý thuyết bởi
lẽ khi xảy ra chạm đất một pha mà vẫn cho phép lưới điện tiếp tục làm việc thì rất
dễ xảy ra thêm sự cố trên pha khác tạo ra sự cố hai pha chạm đất với dòng chạm đất
khá lớn. Như vậy, theo quan điểm này thì chưa thể coi lưới điện vận hành với trung
tính không nối đất là tốt hơn vận hành nối đất về mặt ảnh hưởng cảm ứng.
- Không phải chi phí đầu tư vào việc nối đất làm việc của hệ thống.
- Do dòng chạm đất bé nên điện áp bước và điện áp tiếp xúc bé nên xét về an
toàn điện thì lưới điện trung tính cách đất an toàn hơn lưới trung tính trực tiếp nối
đất.
- Do khi chạm đất một pha tam giác điện áp dây không thay đổi nên lưới
điện trung tính cách đất thích hợp cho sử dụng phụ tải ba pha đối xứng. Nếu sử
dụng các máy biến áp một pha phải đấu vào hai dây pha nên thiết bị đóng cắt phải
bố trí trên cả hai dây, điều này làm giảm tính kinh tế khi sử dụng các máy biến áp
một pha và giải thích việc sử dụng rộng rãi máy biến áp ba pha trong lưới trung tính
cách điện.
Tuy nhiên, đối với các mạng điện này không cho phép làm việc lâu dài khi
một pha chạm đất vì các lý do sau đây:
- Khi chạm đất một pha, điện áp hai pha còn lại tăng
3
lần; do đó những
chỗ cách điện yếu có thể bị chọc thủng và dẫn đến ngắn mạch giữa các pha. Để
khắc phục nhược điểm này cách điện pha của mạng điện và các thiết bị điện đặt
trong mạng phải thiết kế theo điện áp dây, tương ứng với việc tăng giá thành của
thiết bị.

- Trong thực tế sự cố chạm đất là không lý tưởng. Do đó, dòng điện dung sẽ
sinh hồ quang gây hư hỏng vĩnh viễn cách điện.
- Với một trị số dòng điện dung nhất định, hồ quang có thể cháy lập loè. Do
mạng điện là một mạch vòng dao động R-L-C, hiện tượng cháy lập loè dẫn đến quá
- 22 -

điện áp cộng hưởng trên các pha không bị chạm đất, có thể tới 2,5 đến 3 lần điện áp
pha định mức. Do đó, cách điện các pha không chạm đất dễ dàng bị chọc thủng, dẫn
đến ngắn mạch giữa các pha, mặc dù cách điện đã được chế tạo theo điện áp dây.
Hiện tượng chọc thủng cách điện này xảy ra với xác suất lớn khi dòng điện dung
lớn hơn khoảng 5-10A. Vì vậy, khi mạng điện không có bảo vệ rơ le cắt chạm đất
một pha thì phải có thiết bị kiểm tra cách điện để phát hiện chạm đất một pha và kịp
thời sửa chữa.
Theo tính toán thực tế ta có các giá trị cho phép của dòng điện chạm đất và
thời gian làm việc tối đa cho phép của các mạng điện theo các cấp điện áp như bảng
1.2: [7]
Bng 1.2 n cht cho phép cng
vi các cn áp khác nhau
Cấp điện áp (kV) 3-6 10 15-
20
35
Dòng điện chạm đất cho phép
(A)
- 30 15 10


Thời gian làm việc tối đa (giờ) 2 1 0,5 0,5
1.2.2 Mạng điện ba pha trung tính nối qua cuộn dập hồ quang
Cuộn dập hồ quang là cuộn cảm có thể thay đổi điện kháng bằng cách thay
đổi số vòng dây hay khe hở của lõi thép.

Ở tình trạng làm việc bình thường, giống như trường hợp trung tính cách
điện với đất, tổng dòng điện dung chạy trong đất bằng và điện áp điểm trung tính
bằng không. Do đó điện áp đặt lên cuộn dập hồ quang và dòng điện chạy qua nó
cũng có trị số bằng không.
Khi xảy ra chạm đất pha A, điện áp điểm trung tính cũng là điện áp trên cuộn
dập hồ quang, xuất hiện dòng điện mang tính cảm chạy trong cuộn dập hồ quang
L
I

(chậm sau điện áp điểm trung tính 90
0
).
Xét trường hợp điện trở của cuộn Petersen rất nhỏ và chiều dài đường dây
ngắn, thành phần tác dụng của dòng điện chạm đất không đáng kể. Dòng điện
L
I
sẽ
- 23 -

cân bằng dòng điện dung của đường dây tại điểm chạm đất, nếu điều khiển điện
kháng của cuộn dập hồ quang ở giá trị thích hợp thì dòng điện tại chỗ chạm đất có
thể bằng không. Do vậy, nhờ cuộn kháng trên hồ quang tại chỗ chạm đất có thể bị
dập tắt, không làm nguy hiểm đến cách điện của thiết bị.
Tuy nhiên, trong thực tế vận hành lưới điện, việc thay đổi phương thức cấp
điện hoặc đóng cắt đường dây sẽ làm cho khoảng cách về đường dây thay đổi dẫn
đến dòng điện dung tổng thay đổi. Do đó, việc điều khiển điện kháng của cuộn dập
hồ quang để dòng điện tại chỗ chạm đất triệt tiêu là rất khó khăn và hầu như không
thể thực hiện được do không thể xác định chính xác trị số điện dung tổng C và thực
tế cuộn Petersen còn có một điện trở nào đó nên I
L

không thực sự vuông góc với I
C
.
Hơn nữa việc bù đủ dòng điện dung còn dẫn tới một nguy cơ nguy hiểm là dẫn tới
phát sinh các quá điện áp do dao động cộng hưởng. Do đó thường điều chỉnh cuộn
Petersen để còn lại một trị số







nào đó để tránh cộng hưởng và tăng độ nhạy
cho rơ le cảnh báo chạm đất cho nhân viên vận hành trạm biết kịp thời để có kế
hoạch xử lý. Sơ đồ mạng điện và đồ thị véc tơ dòng điện và điện áp điểm trung tính
được thể hiện trong hình vẽ 1.3.

Hình 1.3 Mn 3 pha trung tính nt qua cun dp h quang
Như trên đã phân tích, việc điều khiển điện kháng của cuộn dập hồ quang
đến một giá trị thích hợp theo sự thay đổi của dòng điện dung của đường dây là hết
sức khó khăn. Do vậy, phải lựa chọn được một giá trị thích hợp để cuộn dập hồ qua
phát huy được hiệu quả cao nhất. Khi I
C
> I
L
, tức bù thiếu thì khi có một số đường
dây bị cắt, trị số I
C
– I

L
giảm có thể không đủ cho bảo vệ làm việc hoặc dẫn đến tình
trạng cộng hưởng. Ngược lại, khi I
L
> I
C
(tức bù thừa) thì khi có một số đường dây
bị cắt sẽ làm tăng giá trị I
C
– I
L
, đồng nghĩa với việc rơ le bảo vệ dễ dàng nhận biết
(1)
N
c
,
I
A
B
C
I
,
cA
I
,
cB
0
a- S¬ ®å m¹ng ®iÖn b- S¬ ®å vÐc t¬ ®iÖn ¸p
vµ dßng ®iÖn
L

I
U
I
L
I
c
- 24 -

được tình trạng chạm đất một pha trong mạng điện. Như vậy, trong mạng ba pha
trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang thì cần phải điều chỉnh cuộn kháng sao
cho I
L
> I
C
.
Xét trường hợp điện trở của cuộn Petersen rất lớn và chiều dài đường dây
dài, thành phần tác dụng của dòng điện chạm đất là đáng kể. Thông thường người ta
cũng điều chỉnh sao cho điện cảm của kháng điện
K
L
ở chế độ cộng hưởng, nghĩa
là:
L
K
= 1/3ω
2
C
đ
(1.15)
L

K
- điện cảm của cuộn Petersen.
C
đ
- điện dung của pha chạm đất so với đất.
Khi ấy dòng điện tại chỗ chạm đất chỉ còn thành phần tác dụng:
I
Rđ
= 3ER
0
ω
2
C
Đ
2
(1.16)
R
0
- điện trở tác dụng của cuộn Petersen.
Trong trường hợp này, dòng điện chạy qua chỗ chạm đất cũng có thể bé hơn
trị số tự dập tắt của hồ quang nên hồ quang không phát sinh tại chỗ chạm đất. Vì
vậy cuộn Petersen được nhiều nước trên thế giới sử dụng trong lưới trung áp để hạn
chế hậu quả của chạm đất một pha. Với các lưới trung áp có tổng chiều dài đường
dây lớn hoặc lưới cao áp, trị số dòng điện tác dụng tại vị trí chạm đất có thể vượt
quá ngưỡng tự dập tắt của hồ quang nên việc sử dụng cuộn Petersen không còn phát
huy được tác dụng.
Kết luận:
- Do lưới điện này khống chế dòng chạm đất nên không cần thiết loại trừ
ngay lập tức sự cố xảy ra nên phụ tải vẫn được cấp điện trong một khoảng thời gian
nhất định. Nói chung xét về độ tin cậy cung cấp điện thì lưới điện này khá tốt nhờ

việc tự động dập tắt hồ quang của cuộn dây. Tuy nhiên, tính hiệu quả hoàn toàn
không thể đạt được do có khả năng xảy ra cộng hưởng.
- 25 -

- Do dòng chạm đất được khống chế ở trị số bé nên điện áp bước và điện áp
tiếp xúc cũng ở trị số thấp tăng tính an toàn cho người và thiết bị.
- Cũng do dòng chạm đất bé nên ít ảnh hưởng đến đường dây thông tin. Ưu
điểm này nổi bật hơn so với lưới trung tính cách điện với đất do số lần chuyển từ
chạm đất một pha sang ngắn mạch nhiều pha là ít hơn rất nhiều (vì có cuộn dập hồ
quang khống chế dòng chạm đất).
Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm trên ta nhận thấy lưới điện có trung tính nối
đất qua cuộn dập hồ quang có những hạn chế như sau:
- Cũng giống như lưới trung tính cách điện đối với đất, khi chạm đất một pha
điện áp hai pha lành cũng tăng lên điện áp dây. Vì vậy, cách điện cũng phải chọn
theo điện áp dây.
- Cuộn dập hồ quang trong lưới điện kiểu này thường phải điều chỉnh thường
xuyên bằng tay hay tự động để thích nghi với cấu trúc lưới khi vận hành - điều này
làm phức tạp, tốn kém trong công tác quản lý vận hành cũng như tăng chi phí đầu tư
ban đầu.
1.2.3. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện trở nhỏ
Để hạn chế dòng điện ngắn mạch, người ta nối đất điểm trung tính qua điện
trở R
đ
. Do giảm được dòng điện ngắn mạch đối với đất nên giảm được tác động cơ,
nhiệt của nó đối với các thiết bị và giảm tác động gây nhiễu với các đường dây
thông tin, đồng thời làm cho quá điện áp nội bộ trong mạng tắt dần nhanh hơn. Việc
thực hiện nối đất qua điện trở còn có ưu điểm là thực hiện đơn giản. Song nhược
điểm của nó là có tổn thất công suất trên điện trở và tác dụng hạn chế dòng điện
ngắn mạch kém do trong các mạng điện cao áp các phần tử có điện kháng thường
lớn hơn rất nhiều so với điện trở.