Nghiên cứu sử dụng chống sét van để hạn chế quá điện áp nội bộ trên các đường dây siêu cao áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGÀNH : MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHỐNG SÉT VAN ĐỂ
HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ TRÊN CÁC
ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP

NGUYỄN HOÀNG VIỆT

Người hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN THỊ MINH CHƯỚC

Hà Nội - 2009


1

Mục lục

Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Lời mở đầu
Chơng 1: tổng quan về quá điện áp nội bộ
1.1. Khái niệm chung
1.2. Nguyên nhân phát sinh quá điện áp nội bộ
1.3. Các dạng quá điện áp nội bộ trong hệ thống điện

1.4. Cơ sở phơng pháp nghiên cứu quá địên áp trên đờng dây tải
điện
1.5. Một số phơng pháp hạn chế quá điện áp nội bộ
1.6. Kết luận
Chơng 2: Khảo sát quá điện áp khi đóng đờng dây không

Trang
2
3
5
7
7
8
9
18
21
24

tải

26

2.1. Mô hình và hệ phơng trình dòng, áp khi đóng đờng dây
không tải
2.2. Mô hình đơn giản hoá khi đóng đờng dây không tải
2.3. Kết luận
Chơng 3: Chơng trình mô phỏng quá trình quá độ điện từ

26
30

33

trong hệ thống điện AtP/Emtp

3.1. Giới thiệu chung về chơng trình ATP/EMTP
3.2. Xác suất xuất hiện quá điện áp thao tác trong ATP/EMTP
3.3. Một số điểm cần chú ý khi sử dụng chơng trình ATP/EMTP
3.4. Kết luận
Chơng 4: Sử dụng chống sét van để hạn chế quá điện áp
nội bộ

4.1. Giới thiệu chung về chống sét van
4.2. Mô phỏng đóng đờng dây không tải bằng chơng trình
ATP/EMTP
4.3. Mô phỏng dùng chống sét van để hạn chế quá điện áp nội bộ
bằng chơng trình ATP/EMTP
Kết luận chung
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
Tóm tắt luận văn

34
34
49
51
51
52
52
56
76

83
85

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


7

Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

Chơng 1
Tổng quan về quá điện áp nội bộ

1.1. Khái niệm chung:

Quá điện áp là tất cả các nhiễu loạn xếp chồng lên điện áp làm việc của
mạng điện [7]. Quá điện áp gồm hai loại: quá điện áp khí quyển (quá điện áp
sét) và quá điện áp nội bộ. Trong luận văn này, ngời viết chỉ tập trung nghiên
cứu quá điện áp nội bộ, không đề cập tới quá điện áp khí quyển, nên cụm từ
quá điện áp nói ở đây đợc hiểu là quá điện áp nội bộ.
Quá điện áp nội bộ xuất hiện khi có sự thay đổi đột ngột cấu trúc của
lới điện. Điều này thể hiện bằng sự xuất hiện của sóng quá điện áp hoặc của
một chuỗi các sóng cao tần không tuần hoàn hoặc dao động tắt dần. Trị số quá
điện áp là đại lợng ngẫu nhiên mang tính thống kê. Quá điện áp nội bộ phụ
thuộc vào dạng thao tác, đặc tính của mạng điện, của các thiết bị đóng cắt và
thời điểm đóng cắt... Chính vì vậy, khi lặp lại nhiều lần một thao tác, mỗi lần
đóng cắt có thể xuất hiện quá điện áp khác nhau.
Quá điện áp có ảnh hởng rất lớn đến độ bền cách điện của các phần tử
cũng nh toàn hệ thống điện. ở lới điện siêu cao áp và cực cao áp quá điện
áp nội bộ trở thành nguy cơ số một đối với cách điện của hệ thống điện vì ở

điện áp càng cao thì độ dự trữ an toàn của cách điện càng thấp. Bảng 1.1 cho
các trị số tính toán của quá điện áp nội bộ (biểu thị theo đơn vị tơng đối p.u),
các số liệu này là cơ sở để tính toán thiết kế cách điện [7]
Bảng 1.1: Trị số quá điện áp nội bộ
Điện áp định mức (kV)
Quá điện áp nội bộ tính toán (p.u)

110ữ220

330

500

750

1050

3

2,7

2,5

2,1

1,8

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009

Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

8

Trong nhiều trờng hợp thực tế, quá điện áp nội bộ đã vợt quá giới hạn
thiết kế nêu trên, do đó ở các hệ thống điện này bắt buộc phải có các thiết bị
bảo vệ chống quá điện áp nội bộ.
1.2. Nguyên nhân phát sinh quá điện áp nội bộ:

Hệ thống điện đợc xem nh một tổng thể gồm các phần tử điện trở R,
điện cảm L và điện dung C. Trong đó, điện cảm L và điện dung C là các phần
tử cấu thành mạch dao động và dẫn đến điện áp tăng cao trong nội bộ hệ
thống điện. Những dao động có tần số bằng hoặc tơng ứng với tần số nguồn
sẽ gây nên quá điện áp duy trì, do đợc nguồn tiếp sức nên chúng có thể tồn
tại lâu dài. Do đa số các điện cảm của hệ thống điện đều có lõi thép, đặc tính
từ hoá của chúng là không đờng thẳng nên quá trình dao động này phức tạp
và có nhiều dạng khác nhau.
Các thao tác đóng cắt trong hệ thống điện sẽ gây nên sự thay đổi tham
số mạch điện và làm xuất hiện các quá trình quá độ bằng dao động L C.
Những dao động này (thờng là dao động cao tần) sẽ gây nên quá điện áp quá
độ hoặc còn đợc gọi là quá điện áp thao tác.
1.3. các dạng quá điện áp nội bộ trong hệ thống điện:
1.3.1. Quá điện áp quá độ khi đóng điện vào đờng dây không tải [7]:
Khi đóng đờng dây không tải hoặc hở mạch đầu cuối, dòng điện trên
đờng dây là dòng điện dung. Dòng điện này khi đi qua điện kháng của nguồn
và của đờng dây sẽ gây tăng áp phía đờng dây. Vì độ lớn của dòng điện
dung tỷ lệ với chiều dài đờng dây nên khi đờng dây càng dài thì hậu quả
tăng áp càng nghiêm trọng. Trong trờng hợp đặc biệt, khi đờng dây có chiều
dài 1500 km thì điện áp đầu cuối hở mạch của đờng dây sẽ tăng vô cùng. Do
đờng dây dài là một mạch dao động nhiều tần số, xác định theo:

fk = (2k + 1).f0
f0 =

v
4l

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


9

Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

Trong đó:

v: tốc độ truyền sóng, có giá trị bằng tốc độ ánh sáng
l: chiều dài đờng dây
f0: tần số dao động cơ bản
Bảng 1.2: Giá trị tần số cơ bản theo chiều dài đờng dây

Chiều dài đờng dây l (km)

300

500

1000

1500

3000

Tần số dao động f0 (Hz)

250

150

75

50

25

Chiều dài 1500 km là chiều dài cộng hởng ở tần số công nghiệp còn chiều
dài 500 km là chiều dài cộng hởng ở tần số 3f (điều hoà bậc 3) của điện áp
xoay chiều trong hệ thống điện. ở các chiều dài trên hiện tợng cộng hởng
tần số sẽ gây nên quá điện áp.
Mặt khác, khi vận hành đờng dây không tải hoặc hở mạch đầu cuối thì
sẽ có sóng lan truyền dọc theo đờng dây từ đầu và bị suy yếu về phía cuối
đờng dây. Tại cuối đờng dây sóng sẽ phản xạ ngợc trở về. Sóng phản xạ
trở về đến đầu đờng dây tiếp tục bị phản xạ ngợc lại về cuối đờng dây.
Điện áp tại một số điểm trên đờng dây sẽ đạt cực đại sau một số lần truyền
và phản xạ của sóng. Từ quá trình truyền và phản xạ liên tiếp của sóng trên
đờng dây ta có thể xác định điện áp cực đại tại các điểm bất kỳ trên đờng
dây bằng cách cộng sóng tới và sóng phản xạ.
Dạng quá điện áp quá độ khi đóng đờng dây không tải sẽ đợc khảo
sát kỹ hơn ở các chơng sau.
1.3.2. Quá điện áp do chạm đất một pha bằng hồ quang trong hệ thống có
điểm trung tính cách điện [2]:

Trong hệ thống điện có điểm trung tính cách điện khi có phát sinh hồ
quang giữa pha với đất sẽ gây nên quá điện áp kéo dài và nếu hệ thống có tồn
tại các nơi cách điện xấu hoặc khi đờng dây đi qua vùng bụi sẽ dẫn đến các
hậu quả rất nghiêm trọng.

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


10

Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

Khi có ngắn mạch chạm đất, điện áp trên pha không có sự cố sẽ tăng
vọt tới mức điện áp dây. Do có tồn tại điện cảm và điện dung nên khi quá độ
từ trạng thái này sang trạng thái khác sẽ có dao động riêng và trong quá trình
quá độ điện áp sẽ tăng cao.
Xét sơ đồ thay thế đơn giản của hệ thống điện nh hình 1.1:
C

B
L

L

CAB

L

A

C

Hình 1.1: Sơ đồ thay thế của hệ thống điện khi có chạm đất một pha
Giả thiết chạm đất xảy ra trên pha A và tại thời điểm khi UA có trị số
cực đại âm. Tại thời điểm này trị số tức thời của điện áp pha B bằng 0,5Uph và
của điện áp giữa các pha UAB bằng 1,5Uph. ở trạng thái ổn định của ngắn mạch
chạm đất điện áp pha B sẽ đạt tới mức bằng điện áp giữa các pha tức là bằng
1,5Uph. Nhng để tiến tới trạng thái ổn định đó phải trải qua một quá trình quá
độ, quá trình này gồm hai giai đoạn.
ở giai đoạn đầu, ngay sau khi có chạm đất là quá trình phân phối lại
điện tích giữa các điện dung CB và CAB, lúc này chúng đợc ghép song song
với nhau. Điện áp trên các điện dung này đợc cân bằng ngay và đạt trị số:
U 0(1) =

0,5U phC + 1,5U phC AB
C + C AB

= 0,5U ph + kU ph với k =

C AB
C + C AB

Nh vậy, ngay lúc có chạm đất, điện áp trên các pha không có sự cố
(pha C tơng tự nh pha B) nhảy vọt từ trị số 0,5Uph đến U0(1) = 0,5Uph + kUph

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

11

Giai đoạn thứ hai là giai đoạn quá độ của điện áp từ trị số trên tới mức
điện áp giữa các pha UAB = 1,5Uph. Trong giai đoạn này điện áp dao động
quanh trị số ổn định với biên độ dao động:
Udđ(1) = UAB U0(1) = 1,5Uph (0,5Uph + kUph) = (1-k)Uph
và tần số dao động:
1 =

1
3
.L.2(C + C AB )
2

=

1
3L(C + C AB )

Sự biến thiên của điện áp trên pha không sự cố đợc biểu thị bằng
phơng trình:
U(t)(1) = 1,5Uph (1 - k)Uph.cos1t.e-t
trong đó là hệ số tắt dần do có tổn hao trên dây dẫn và trong máy biến áp.
Điện áp này đạt trị số cực đại ở gần giữa chu kỳ của dao động tự do:
t=

T1
=
2 1

Vì tần số 1 lớn hơn rất nhiều so với tần số công nghiệp nên trong thời
gian này điện áp UAB biến đổi rất ít và xem nh vẫn giữ trị số 1,5Uph.
Đặt


= d sẽ tính đợc trị số cực đại của điện áp:
1

Umax(1) = 1,5Uph + (1 - k)Uph.e-d 1,5Uph + (1 - k)(1 - d)Uph
Nếu hiện tợng chạm đất có tính chất kim loại thì quá trình quá độ trên
sẽ kết thúc và quá điện áp trên pha không có sự cố dạng đỉnh ngắn với biên độ
khoảng (2,1 ữ 2,3)Uph. Trong thực tế, quá trình quá độ có thể kéo dài do hồ
quang tắt đi cháy lại nhiều lần làm cho điện áp trên các pha không bị sự cố
còn tăng cao hơn. Quá điện áp dạng này có đặc điểm sau:
- Dạng sóng là dạng dao động cao tần xếp chồng lên điện áp tần số
công nghiệp
- Thời gian tồn tại của quá điện áp bằng thời gian tồn tại của hồ quang.

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

12

Trong hệ thống điện có điểm trung tính cách điện với đất do hệ thống
bảo vệ rơle không cắt ngắn mạch chạm đất một pha nên thời gian tồn tại của
quá điện áp có thể kéo dài và rất nguy hiểm cho cách điện của hệ thống. Cũng
do thời gian tồn tại kéo dài và có thể lan truyền đi toàn hệ thống, gây nên
phóng điện ở bất kỳ vị trí nào có cách điện xấu.

1.3.3. Quá điện áp khi cắt đờng dây không tải và bộ tụ điện [2]:
Quá điện áp khi cắt đờng dây không tải và khi cắt điện dung có nhiều
điểm giống với quá điện áp khi ngắn mạch chạm đất bằng hồ quang vì chúng
đều 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 của đờng dây và có khi đốt cháy cả máy cắt điện.
Xét trờng hợp đơn giản, đờng dây không tải dài l có tổng trở sóng Z
đợc cắt ngay ở thanh góp của nguồn có công suất vô cùng lớn
Z
l

Hình 1.2: Sơ đồ cắt đờng dây không tải
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 900.
Khi cắt máy cắt điện, hồ quang giữa các tiếp điểm tắt lúc dòng điện đi
qua trị số không tức là lúc điện áp nguồn đạt trị số cực đạido đó có thể cho
rằng khi hồ quang tắt điện dung đờng dây đợc nạp tới mức điện áp Uph và
giả thiết là -Uph. Sau đó điện áp trên đờng dây giữ không đổi còn điện áp
nguồn vẫn biến đổi theo hình sin. Qua nửa chu kỳ, điện áp nguồn sẽ là +Uph và
do đó điện áp đặt giữa các tiếp điểm sẽ là 2Uph. Mặc dù trong thời gian tính từ
lúc bắt đầu nhảy máy cắt 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

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


13

Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

của máy 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 2Uph.
Nếu hồ quang cháy lại khi điện áp nguồn là +Uph thì đờng dây sẽ đợc
nạp từ điện áp Uph đến +Uph , nh vậy trên đờng dây sẽ có sóng điện áp 2Uph
và sóng dòng điện i =

2U ph
Z

lan truyền tới phía cuối đờng dây.
+Uph

a)

+Uph
i=0
2Uph
i=
Z

-Uph
+3Uph

+Uph

+Uph

b)

i=

2Uph
Z

i=0
+3Uph

-Uph
i=

c)

4Uph
Z
i=0

-Uph
-Uph

d)

i=

4Uph
Z

i=0

-Uph

-5Uph

Hình 1.3: Phân bố điện áp dọc theo đờng dây không tải tại các thời điểm
khác nhau
a) Sau khi hồ quang cháy lại lần I và trớc khi có phản xạ từ cuối đờng dây
b) Sau khi hồ quang cháy lại lần I 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) Sau khi hồ quang cháy lại lần II có phản xạ từ cuối đờng dây
Khi tới đầu cuối hở mạch sóng điện áp sẽ phản xạ cùng dấu nên đờng
dây sẽ có điện áp +4Uph Uph = 3Uph truyền về phía nguồn. Sóng dòng điện
khi tới đầu cuối đờng dây do phản xạ ngợc dấu nên trên mọi nơi của đờng

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

14

dây mà sóng phản xạ đã về thì dòng điện tổng bằng 0. Nh vậy khi phản xạ
trở về tới nguồn thì dòng điện trong máy cắt có trị số 0 và hồ quang có thể tắt
lần hai.
Sau khi hồ quang tắt, điện áp trên đờng dây giữ không đổi và bằng
3Uph 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 Uph, do đó điện áp
giữa các tiếp điểm máy cắt có thể tăng tới mức 4Uph. Nếu giả thiết tại thời
điểm này hồ quang cháy lại lần thứ hai thì đờng dây lại đợc nạp điện từ điện
áp +3Uph đến điện áp nguồn nghĩa là đến Uph. Trên đờng dây sẽ có sóng
điện áp -4Uph và sóng dòng điện i =

2 =

4U ph
Z

. Cũng nh lần trớc, sau thời gian

2l
tính từ lúc hồ quang cháy lại lần hai, dòng điện trong máy cắt sẽ qua
v

trị số 0, hồ quang có thể tắt trong khi đờng dây vẫn đợc nạp ở mức điện áp
-5Uph.
Nếu quá trình cháy lại của hồ quang vẫn cứ tiếp diễn thì quá điện áp
trên đờng dây sẽ tăng liên tục. Điều đó không thể xảy ra và các máy cắt có
tốc độ phục hồi cách điện lớn, do đó hồ quang không cháy lại quá một lần và
nh vậy quá điện áp trên đờng dây không vợt quá mức 3Uph. Giá trị điện áp
lớn này có thể gây nguy hiểm cho tiếp điểm của máy cắt và cách điện của
đờng dây.
1.3.4. Quá điện áp khi chuyển mạch máy biến áp và kháng điện non
tải[4]:
Khi xem xét độ tin cậy của cách điện máy biến áp, kháng điện và lựa
chọn các thiết bị bảo vệ cho chúng có thể gặp một dạng quá điện áp quá độ
mà chỉ tác động lên các thành phần đó của lới: quá điện áp khi cắt và đóng
các máy biến áp và kháng điện non tải. Quá điện áp xuất hiện khi cắt các
thành phần điện cảm do kết quả "cắt" dòng hồ quang trong máy cắt, nghĩa là
đột ngột ngừng dòng điện trớc khi nó chuyển qua điểm không tự nhiên.

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009

15

Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

Do quán tính dòng từ của máy biến áp hay kháng điện bị cắt mạch,
dòng điện trong cuộn dây của nó không thể tức thời chấm dứt và sau khi hồ
quang tắt trong máy cắt nó phải đóng qua điện dung của bản thân máy biến áp
và điện dung các đoạn thanh cái nối từ máy cắt đến nó (bao gồm cả điện dung
của các thiết bị đấu nối). Xuất hiện quá trình dao động chuyển năng lợng từ
trờng của dòng điện trong các cuộn dây sang năng lợng điện trờng gọi là
tổng điện dung C. Khi đó năng lợng từ trờng dự trữ đầu tiên trong điện cảm
L của các cuộn dây:
i0

PL = i.Ldi

(1.1)

0

Trong đó: i0 - giá trị dòng điện trong cuộn dây vào thời điểm cắt dòng
trong máy cắt.
PC =

C.u 2
2

(1.2)

Với u là giá trị quá điện áp trên máy biến áp.
Nếu bỏ qua các tổn thất và cho là điện cảm của quá trình từ hoá máy
biến áp là đại lợng ổn định, ta nhận đợc công thức gần đúng để tính quá
điện áp u:
i0 2 L u 2 C
2 = 2
hay

u = io

L
C

(1.3)

Suy ra, giá trị quá điện áp khi cắt dòng điện cảm sẽ tỷ lệ với dòng điện
bị cắt i0 và đặc tính điện trở của mạch máy biến áp: z =

L
.
C

Dòng điện bị cắt là giá trị ngẫu nhiên, định luật phân bố nó chủ yếu xác
định bằng đặc tính cấu trúc của máy cắt. Đối với các máy cắt thì giá trị i0 có
thể nằm trong dải từ (5 ữ 10) A đến (40 ữ 60) A.

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

16

Đặc tính khác của máy cắt ảnh hởng đáng kể đối với dạng quá điện áp
kiểu này là vận tốc khôi phục độ cách điện giữa các tiếp điểm đang dời xa
nhau sau khi cắt dòng điện. Nếu nó nhỏ hơn vận tốc tăng điện áp thì hồ quang
lặp lại. Khác với trờng hợp cắt đờng dây non tải, lần bùng hồ quang lặp lại
dẫn đến sự hạn chế quá điện áp tại máy biến áp và càng chậm quá trình tăng
độ cách điện giữa các tiếp điểm thì bội số quá điện áp càng nhỏ. Điều này giải
thích bội số quá điện áp không lớn khi cắt mạch máy biến áp non tải bằng cầu
dao (trong trờng hợp thiểu số). Ngợc lại, khi cắt máy biến áp bằng máy cắt
chuyên dụng dành cho các lới có cấp điện áp lớn hơn cấp điện áp định mức
của cuộn dây đang chuyển mạch của máy biến áp, sẽ gây nguy hiểm cho cuộn
dây do quá điện áp sinh ra bởi sự tăng nhanh tốc độ cách điện của khoảng
cách phóng hồ quang.
Cần lu ý rằng, đặc tính của máy cắt cũng ảnh hởng lớn đến giá trị quá
điện áp khi cắt máy biến áp và kháng điện. Đó là phơng pháp phân bố điện
áp giữa các ngăn dập hồ quang nối tiếp nhau. Máy cắt sử dụng ở cấp điện áp
cao thờng đợc lắp ráp từ vài module nối tiếp. Đối với vận tốc lớn nhất tăng
độ cách điện trong máy cắt sau khi tắt hồ quang cần phải đảm bảo sao cho đa
phần điện áp bằng nhau đến mỗi module. Điều đó đạt đợc bằng cách đấu tụ
điện hay điện trở khoảng (60 ữ 200) k song song với từng khoảng cách dập
hồ quang. Dòng trong mạch từ hoá, chạy qua điện trở này đợc cắt bằng các
tiếp điểm phụ, đợc tách rời khỏi nhau sau các tiếp điểm chính. Sự có mặt của
các điện trở này làm giảm mạnh bội số quá điện áp ở máy biến áp khi cắt nó
bởi vì đặc tính điện trở của mạch máy biến áp Z tỏ ra cùng cỡ với giá trị điện
trở thuần này và xảy ra sự giảm dao động của quá trình chuyển đổi. Khi sử
dụng tụ để phân chia điện áp thì sự dao động nh vậy sẽ không xảy ra.
Nh vậy, quá điện áp khi cắt máy biến áp và kháng điện phụ thuộc vào
đặc tính thiết bị đợc cắt và vào đặc tính máy cắt.

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


17

Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

1.3.5. Quá điện áp cộng hởng [2]:
Hệ thống điện gồm rất nhiều phần tử có khả năng tích luỹ năng lợng
nh điện cảm và điện dung, do đó có thể phát sinh hiện tợng cộng hởng. ở
tình trạng làm việc bình thờng các mạch dao động này đợc nối tắt bởi phụ
tải nên dao động không thể phát triển, nhng khi có sự cố hoặc trong một số
trờng hợp cụ thể, phần mạch dao động này đợc tách ra khỏi phụ tải, dao
động sẽ phát triển và gây nên quá điện áp. Quá điện áp cộng hởng thờng tồn
tại lâu dài và có tần số cộng hởng bằng hoặc là bội số của tần số công
nghiệp. Theo tần số cộng hởng có thể phân loại:
+ Cộng hởng tần số công nghiệp: Dây dẫn một pha bị đứt và đoạn dây
phía nguồn bị chạm đất trong hệ thống điện có điểm trung tính cách điện, đứt
một dây dẫn trong hệ thống điện có điểm trung tính nối đất trực tiếp
+ Cộng hởng cao tần: thờng ở tần số 2, 5( là tần số công
nghiệp)
+ Cộng hởng tần số thấp: thờng xảy ra ở tần số


3

(khoảng 17 Hz) và

chỉ trong các mạch có tham số L - C rất lớn.

+ Cộng hởng tham số phát sinh trong các mạch có tham số L hoặc C
thay đổi.
Trong luận văn này, ngời viết chỉ tập trung nghiên cứu dạng quá điện
áp khi đóng đờng dây không tải nên ở các chơng sau sẽ khảo sát chi tiết
dạng quá điện áp này.

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


18

Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

1.4. Cơ sở phơng pháp nghiên cứu quá địên áp trên đờng dây tải
điện [1]:

Xét mô hình đờng dây dùng tham số phân bố:
i+ i dx
x

Rdx

u+ u dx
x

ldx

gdx

cdx

u

dx

Hình 1.4: Mô hình đờng dây dùng tham số phân bố
Các tham số:
- R: Điện trở tác dụng của dây dẫn ứng với đơn vị dài
- L: Điện cảm đơn vị dài của đờng dây
- G: Điện dẫn rò ứng với đơn vị dài của đờng dây
- C: Điện dung đối với đất ứng với đơn vị dài của đờng dây
Khi không xét phóng điện vầng quang thì các tham số trên là hằng số
và các phơng trình vi phân sẽ có hệ số hằng.
Theo định luật Kirchoff II cho mạch vòng, ta có thể viết:
u+

u
i
.dx u R.i.dx L. .dx = 0
x
t

(1.4)

Giản ớc phơng trình ta có:
u
i
= R.i + L.
t
x

(1.5)

Theo định luật Kirchoff I cho điểm nút ở cuối đờng dây, ta có thể viết:
i+

i
u
.dx i G.u.dx C. .dx = 0
x
t

(1.6)

Giản ớc phơng trình ta có:
i
u
= G.u + C.
t
x

(1.7)

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

19

ở chế độ xác lập ta thay toán tử phức


= j , thay vào phơng trình
t

(1.5), (1.7) ta đợc hệ phơng trình:
U&
&
&
x = R.I + j.L.I
&
I = G.U&+ j.C.U&
x

(1.8)

Tiếp tục vi phân hệ phơng trình trên ta đợc:
2U& 2 &
x 2 = .U
2&
I = 2 .I&
x 2

Trong đó:

(1.9)

= ( R + jL).(G + jC ) = + j là hệ số truyền sóng

: Hệ số tắt dần
: Hệ số biến đổi pha
Phơng trình vi phân trên cho dạng nghiệm tổng quát:
U&x = K&1.ex + K&2 .e x

[

1 & x & x
I&x =
K1.e K 2 .e
&
ZC

]

(1.10)

Trong đó:
+ K&1 , K&2 là các hằng số dạng phức đợc xác định từ các điều
kiện bờ;
R + j L
+ ZC là tổng trở sóng của đờng dây Z&C =

G + j C

Để xác định giá trị dòng điện và điện áp ở vị trí bất kỳ trên đờng dây,
ta cho toạ độ x tính từ đầu cuối đờng dây và tại đó cho trớc các giá trị U2, I2:
U&2 = K&1 + K&2

& K&1 K&2

I 2 = Z&
C


Giải hệ phơng trình trên ta đợc:

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

1
K&1 = (U&2 + I&2 .Z&C )
2
1
K&2 = (U&2 I&2 .Z&C )
2

20

(1.11)

Thay vào hệ phơng trình (1.10) ta có:
x
x
x
x
1
& ).ex + 1 (U& I&.Z& ).e x = U&. e + e + I&.Z& . e e
U&x = (U&2 + I&

Z
.
2
2
2
2
2
C
C
C
2
2
2
2
x
x
x
x
&
1
& ).ex 1 (U& I&.Z& ).e x = I&. e + e + U 2 . e e
I&x =
Z
(U&2 + I&
.
2
2
2
2
C

C
2.Z&C
2.Z&C
2
2
Z&C

(1.12)

Chuyển (1.12) sang dạng lợng giác với các quan hệ:
shx =

ex e x
ex + e x
; chx =
2
2

ta có giá trị dòng điện và điện áp ở vị trí bất kỳ trên đờng dây:
&
U&x = U&2 .chx + I&
2 .Z C .shx

& &
U&2
I x = I 2 .chx + Z& .shx
C


(1.13)

Hệ phơng trình (1.5), (1.7) còn có thể giải bằng cách chuyển sang
dạng toán tử:
dU ( x, p)
= R.I ( x, p) + pL.I ( x, p ) = Z ( p ).I ( x, p)
dx

dI ( x, p) = G.U ( x, p) + pC.U ( x, p) = Y ( p ).U ( x, p )
dx

(1.14)

Giả sử ở cuối đờng dây, nơi x = l, có tải Z2(p), ta có các biên kiện ở hai
đầu đờng dây:
U (0, p ) = U1 ( p)

U (l , p ) = Z 2 ( p ).I (l , p)

(1.15)

Ta có dạng nghiệm của (1.14):
U ( x, p ) = U1 ( p ).ch ( p ) x Z C ( p ).I1 ( p).sh ( p ) x

sh ( p ) x

I ( x, p ) = U1 ( p ). Z ( p ) + I1 ( p ).ch ( p ) x
C


Trong đó: ( p) = Z ( p).Y ( p) ; Z C ( p) =

(1.16)

Z ( p)
Y ( p)

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


21

Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

Xét vị trí x = l và áp dụng biên kiện (1.15) ta có hệ:
U 2 ( p ) = U1.chl Z C .I1.shl

shl
U 2 ( p )
Z = U1. Z + I1.chl
C
2

Ta có:
I1 ( p ) =

U1 Z C .chl + Z 2 .shl
.
Z C Z 2 .chl + Z C .shl

Thay biểu thức của I1(p) vào (1.16), ta tìm đợc giá trị dòng điện, điện

áp tại bất kỳ điểm nào theo chiều dài đờng dây:
Z 2 ( p ).ch (l x) + Z C ( p ).sh (l x)

U ( x, p ) = U1 ( p ).
Z 2 ( p ).chl + Z C ( p ).shl


I ( x, p ) = U1 ( p ) . Z 2 ( p ).sh (l x) + Z C ( p ).ch (l x)
Z C ( p)
Z 2 ( p ).chl + Z C ( p ).shl


(1.17)

1.5. Một số phơng pháp hạn chế quá điện áp nội bộ:
1.5.1. Sử dụng tụ bù dọc:
Tụ bù dọc là các bộ tụ điện đợc phân bố đều dọc theo chiều dài đờng
dây. Bộ tụ điện mắc vào đờng dây có tác dụng giảm bớt điện cảm của đờng
dây.

Cbù
C

l

R
C

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý của đờng dây có lắp tụ bù dọc
Với các đờng dây siêu cao áp, cực cao áp sử dụng tụ bù dọc nhằm

nâng cao khả năng chuyên tải của đờng dây. Tuy nhiên nó còn phát huy tác
dụng trong việc giảm quá điện áp trong trờng hợp đờng dây vận hành không
tải và hở mạch ở cuối. Nguyên nhân gây nên quá điện áp khi đóng đờng dây
không tải và hở mạch ở cuối là do dòng điện điện dung đi qua điện cảm của

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


22

Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

đờng dây. Ngợc lại khi dòng điện này đi qua điện dung thì sẽ tạo nên sự tụt
áp [7].
Bên cạnh những hiệu quả đem lại đối với hệ thống điện thì tụ bù dọc
còn làm thông số của đờng dây bị thay đổi, nó cũng có thể gây ra cộng
hởng tần số thấp, ảnh hởng đến hệ thống bảo vệ (do có dòng điện dung nên
có thể làm rơle tác động sai)Ngoài ra việc xác định vị trí đặt tụ bù cũng
quyết định tới hiệu quả bù, phân bố điện áp dọc đờng dây, phơng thức bảo
vệ, bảo trì và bảo dỡng bộ tụ.
1.5.2. Sử dụng kháng bù ngang:

l
lbù

C

R
C

lbù

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý của đờng dây có lắp kháng bù ngang
Nguyên nhân của sự tăng áp trên đờng dây là do dòng điện dung khi
chảy qua điện kháng đờng dây gây nên. Để giảm quá điện áp sẽ phải dùng
kháng bù ngang để tiêu thụ công suất phản kháng do điện dung đờng dây sản
sinh ra và do đó làm giảm trị số dòng điện điện dung [7].
Trên hình 1.6 ta thấy khi mắc kháng bù ngang vào đờng dây thì điện
kháng này mắc song song với các điện dung thay thế dung dẫn của đờng dây,
nó có tác dụng hạn chế điện dung này, làm cho dung dẫn của đờng dây giảm
đi đáng kể hay nói cách khác là nó làm thay đổi thông số của đờng dây. Vì
vậy, quá điện áp đợc hạn chế.
Việc xác định số lợng và vị trí bù ngang trên đờng dây có ý nghĩa rất
quan trọng vì vị trí bù có ảnh hởng đến hiệu quả giảm áp của kháng bù
ngang.

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


23

Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

1.5.3. Sử dụng máy cắt điện tác động nhanh kiểu mới [2]:

R

1

2

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của loại máy cắt kiểu mới
Sử dụng loại máy cắt tác động nhanh kiểu mới có thể loại trừ hoặc hạn
chế quá điện áp khi cắt đờng dây không tải. Máy cắt loại này 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 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 đợc trả về nguồn. Do có thành phần tác
dụng nên dòng điện qua trị số không không phải là khi 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 Uph. Điều đó sẽ làm giảm xác suất cháy lại của hồ quang và
dù 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 450.
Tuy nhiên, máy cắt loại này vẫn cha đợc sử dụng rộng rãi vì kết cấu
phức tạp và đắt tiền. Việc có thêm điện trở làm cho cấu tạo của máy cắt và hệ
thống điều khiển nó trở nên cồng kềnh, phức tạp. Mặt khác, việc lựa chọn giá
trị điện trở R cũng không tuyệt đối chính xác để nâng cao hiệu quả hạn chế
quá điện áp. Vì công nghệ phức tạp nên chi phí và mức độ h hỏng cao. Vì
vậy, khi sử dụng phơng pháp này thì độ tin cậy của toàn hệ thống điện sẽ
giảm xuống.

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

24

1.5.4. Sử dụng chống sét van:
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu lắp chống sét van ở một số vị trí
thích hợp trên đờng dây (đặc biệt là các vị trí ở cuối đờng dây) thì có khả
năng hạn chế quá điện áp ở phía cuối và cả ở đầu đờng dây.
Khi xảy ra quá điện áp trên đờng dây thì giá trị điện trở phi tuyến
trong chống sét van đột ngột giảm và dòng điện sẽ đi xuống đất, ở thời điểm
này dòng điện qua chống sét van rất lớn nhng điện áp tại điểm nút đó đợc
duy trì bằng điện áp d của chống sét van. Khi các xung quá điện áp đợc tiêu
tán thì chống sét van trở lại là một thiết bị có điện trở cao và lúc này dòng
điện qua chống sét van rất nhỏ, có thể coi là dòng điện rò của đờng dây.
Khi sử dụng chống sét van để bảo vệ chống quá điện áp nội bộ thì phải
kiểm tra năng lực thông thoát dòng điện qua chống sét van để đảm bảo điều
kiện làm việc bình thờng của nó [2].
1.6. Kết luận:

Nh vậy, trong chơng 1 ngời viết đã trình bày khái niệm, nguyên
nhân phát sinh và các dạng quá điện áp nội bộ thờng gặp trong vận hành hệ
thống điện. Do ngời viết tập trung nghiên cứu dạng quá điện áp khi đóng
đờng dây không tải nên ở các chơng sau sẽ khảo sát chi tiết dạng quá điện
áp này.
Cơ sở toán học khi nghiên cứu quá điện áp nội bộ trên đờng dây là
phơng pháp lập và giải hệ phơng trình vi phân với các dữ kiện ban đầu khác
nhau dựa trên mô hình mô phỏng đờng dây. Việc tính toán và mô phỏng khi
nghiên cứu quá điện áp trên đờng dây ở các chơng sau cũng sẽ dựa trên cơ
sở toán học này.
Các phơng pháp hạn chế quá điện áp nội bộ đợc giới thiệu trong
chơng 1 là các phơng pháp cơ bản, thờng đợc áp dụng trong thực tế. Mỗi
phơng pháp trên có u, nhợc điểm và điều kiện áp dụng trong các trờng
hợp quá điện áp nội bộ khác nhau. Trong luận văn này, ngời viết chỉ tập

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


Chơng 1: Tổng quan về quá điện áp nội bộ

25

trung nghiên cứu sử dụng chống sét van để hạn chế quá điện áp khi đóng
đờng dây không tải nên ở các chơng sau sẽ xem xét chi tiết phơng pháp
này.

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


Chơng 2: Khảo sát quá điện áp khi đóng đờng dây không tải

26

Chơng 2
Khảo sát quá điện áp khi đóng
đờng dây không tải

2.1. Mô hình và Hệ phơng trình dòng, áp khi đóng đờng dây
không tải:

Để nghiên cứu quá trình quá độ xuất hiện khi đóng đờng dây không tải
có chiều dài l vào thanh cái của nhà máy điện hoặc trạm biến áp ta có thể xét
sơ đồ nh hình 2.1:
MF

e(t)

Mba

Lu

u1(0,t)

u2(0,t)

Hình 2.1: Đóng đờng dây không tải vào nguồn điện e(t) = Emsin (t + )
Thay thế hệ thống cung cấp điện cho thanh cái bằng một nguồn sức
điện động e(t) có điện cảm Lu.
Hệ phơng trình vi phân dòng điện và điện áp của đờng dây dài với
các thông số rải R, G, L, C nh đã trình bày trong chơng 1:
i
u
= R.i + L.
x
t


i
= G.u + C. u
x
t

(2.1)

Với các điều kiện biên nhất định ta sẽ giải đợc hệ phơng trình trên và

biết đợc dạng điện áp tại điểm bất kỳ trên đờng dây.

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


27

Chơng 2: Khảo sát quá điện áp khi đóng đờng dây không tải

Do trên đờng dây tải điện các thông số R và G rất nhỏ so với L và C
nên để đơn giản trong tính toán ta bỏ qua hai thông số R và G, coi đờng dây
là không tổn hao. Khi đó hệ phơng trình (2.1) trở thành:
i
u
x = L. t

i = C. u
x
t

(2.2)

Ta có thể viết hệ phơng trình (2.2) dới dạng toán tử:
2U& 2 &
x 2 = .U
2&
I = 2 .I&
x 2

Trong đó:

= ( R + p.L).(G + p.C ) = p. L.C =
v=

p
là hệ số truyền sóng
v

1
là vận tốc truyền sóng
L.C

Z C ( p) =

R + pL
L
=
là tổng trở sóng
G + pC
C

Khi đó các ẩn trong hệ phơng trình (1.17) sẽ đợc thay thế nh sau:
l
v

l = p = p.
(l x) = p

(l x)
= p.( x )

v

l
v

Với: = : thời gian truyền sóng dọc theo đờng dây có chiều dài l
x =

x
: thời gian truyền sóng dọc theo đờng dây có chiều dài x
v

- x: thời gian truyền sóng phản xạ từ cuối đờng dây tới điểm xét
Thay vào hệ phơng trình (1.17) ta đợc:

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


Chơng 2: Khảo sát quá điện áp khi đóng đờng dây không tải
Z 2 ( p).chp( x ) + Z C ( p).shp( x )

U ( x, p) = U1 ( p ).
Z 2 ( p ).chp + Z C ( p).shp


I ( x, p ) = U1 ( p) . Z 2 ( p).shp( x ) + Z C ( p ).chp( x )

Z C ( p)
Z 2 ( p).chp + Z C ( p).shp

28

(2.3)

2.1.1. Trờng hợp đóng đờng dây vào nguồn một chiều:
Đóng đờng dây vào nguồn một chiều E (u = E) thì phơng trình dòng,
áp (2.3) sẽ là:
Z 2 ( p ).chp( x ) + Z C ( p ).shp ( x )

U ( x, p ) = E ( p ).
Z 2 ( p ).chp + Z C ( p ).shp


I ( x, p ) = E ( p ) . Z 2 ( p ).shp( x ) + Z C ( p ).chp( x )

ZC ( p)
Z 2 ( p).chp + Z C ( p ).shp

Nếu đóng đờng dây không tải thì Z2(p) = , khi đó ta có:
chp( x )

U ( x, p ) = E ( p ). chp


I ( x, p ) = E ( p ) . shp( x )

Z C ( p)
chp

Trong trờng hợp này, điện áp cực đại xuất hiện tại điểm cuối đờng

dây. Giá trị của nó có thể tính đợc dựa vào đờng cong điện áp quá độ u (l, t)
và đợc viết bằng phép toán nh sau:
U (l , p) =

Trong đó: B =

E ( p)
chp + pBshp

(2.4)

l
Lu
L
; = = l. LC ; Z =
v
Z
C

2.1.2. Trờng hợp đóng đờng dây vào nguồn xoay chiều:
Nguồn xoay chiều: e(t) = Emsin(t + ) = Em(cos.sint + sin.cost)
Chuyển nguồn trên sang dạng ảnh Laplace, ta có:
E ( p ) = Em (cos


p +
2

2

+ sin

p
)
p + 2
2

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009


29

Chơng 2: Khảo sát quá điện áp khi đóng đờng dây không tải

Xét trờng hợp đóng đờng dây đúng vào thời điểm suất điện động của
nguồn đạt giá trị cực đại ( = 900). Từ (2.4) ta có công thức xác định điện áp
cuối đờng dây trong trờng hợp này là:
U (l , p ) =

1
Em
p2
2
2
p p + chp + pBshp

(2.5)

Để tìm ảnh gốc của điện áp ở cuối đờng dây ta dùng định lý tích phân
Hevixaid [5]. Ta đặt:

H(p) = p2
F(p) = (p2 + 2).(chp + pB.shp)
Khi đó, (2.5) trở thành:
U (l , p ) =

Em H ( p )
.
p F ( p)

Theo định lý tích phân Hevixaid ta có:
U (l , t ) = Em
k =1

H ( pk ) p k .t
.e
pk .F ' ( pk )

Với pk là nghiệm của phơng trình F(p) = (p2 + 2).(chp + pB.shp) = 0
( p 2 + 2 ) = 0

chp + p.B.shp = 0

Phơng trình (p2 + 2) = 0 cho cặp nghiệm p1,2 = j ứng với trị số ổn
định của điện áp
Phơng trình (chp + pB.shp) = 0 cho các nghiệm là các tần số dao
động riêng của đờng dây.
Từ đó, điện áp cuối đờng dây có dạng:


U (l , t ) = Acb . cos t Ak .e k .t . cos k t

(2.6)

k =1

Trong đó:

Acb =

Em
: biên độ của thành phần cỡng bức
cos B sin

Học viên: Nguyễn Hoàng Việt Lớp Cao học KTĐ 2007 - 2009