Nghiên cứu về vấn đề quá điện áp do sợ cố chạm đất một pha trong lưới điện trung áp và ảnh hưởng của nó đến việc lựa chọn chống sét van trong lưới trung áp

..
.....

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN ĐOÀN QUYẾT

NGHIÊN CỨU VỀ VẤN ĐỀ QUÁ ĐIỆN ÁP DO SỰ CỐ CHẠM ĐẤT MỘT
PHA TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN
VIỆC LỰA CHỌN CHỐNG SÉT VAN TRONG LƯỚI TRUNG ÁP

Chuyên ngành :

HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS. TS. TRẦN VĂN TỚP

Hà Nội – Năm 2010


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................................3 
CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................................................4 
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................................5 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................................6 
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................................8 
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN

TRUNG ÁP ...............................................................................................................................11 
1.1. PHÂN LOẠI QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ...................................................11 
1.2. CHẾ ĐỘ NỐI ĐẤT ĐIỂM TRUNG TÍNH VÀ VẤN ĐỀ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP .....15 

1.2.1 Mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất ............................. 16 
1.2.2 Mạng điện ba pha trung tính nối qua cuộn dập hồ quang ................... 22 
1.2.3. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện trở nhỏ ....................... 25 
1.2.4 Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện kháng nhỏ ................... 26 
1.2.5 Mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp ..................................... 27 
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ QUÁ ĐIỆN ÁP DO CHẠM ĐẤT MỘT PHA
TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP.............................................................................................31 
2.1. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỔNG TRỞ THỨ TỰ KHƠNG CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN...31 

2.1.1. Khái niệm cơ bản về tổng trở trong hệ tọa độ pha ABC .................... 31 
2.1.2. Ma trận tổng trở ABC trong trường hợp có vật dẫn nối đất độc lập
đi kèm........................................................................................................................ 35 
2.1.3. Tính tốn các phần tử của ma trận tổng trở ABC + N........................ 37 
2.1.4.Tính tốn ma trận tổng trở thứ tự thuận nghịch không từ ma trận
tổng trở ZABC ............................................................................................................. 44 
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN Q ĐIỆN ÁP DO SỰ CỐ CHẠM ĐẤT MỘT PHA
TRONG LƯỚI TRUNG ÁP ..................................................................................................................47 

2.2.1. Phương pháp các thành phần đối xứng............................................... 47 
2.2.2. Phương pháp số giải hệ phương trình vi phân mơ tả hệ thống điện... 50 
CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG VÀ TÍNH TỐN Q ĐIỆN ÁP DO NGẮN MẠCH CHẠM
ĐẤT MỘT PHA Ở LƯỚI TRUNG ÁP ......................................................................................58 
3.1. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ATP-EMTP...................................................................................58 

-1-

3.2. MƠ PHỎNG VÀ TÍNH TỐN HỆ SỐ Q ÁP CỦA MỘT XUẤT TUYẾN LƯỚI TRUNG ÁP
BẰNG ATP/EMTP ...............................................................................................................................62 

CHƯƠNG 4: VẤN ĐỀ LỰA CHỌN CHỐNG SÉT VAN ..........................................................67 
4.1. TIÊU CHUẨN IEC 60099-5 VỀ LỰA CHỌN VÀ SỬ DỤNG CHỐNG SÉT VAN .........................67 

4.1.1. Tổng quan ............................................................................................ 67 
4.1.2. Lựa chọn CSV có khe hở sử dụng điện trở phi tuyến (SiC)................. 72 
4.1.3. Lựa chọn CSV không khe hở sử dụng oxit kim loại............................. 79 
4.1.4. Ứng dụng của CSV .............................................................................. 86 
4.2. ỨNG DỤNG TIÊU CHUẨN IEC 60099-5 VÀO VIỆC LỰA CHỌN CHỐNG SÉT VAN CỦA
LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP......................................................................................................................95 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................................105 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................107 

-2-


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tơi. Các kết quả tính tốn 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

-3-

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

-4-


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.......................................................62 
Bảng 3.2. Hệ số quá điện áp tạm thời (TOV) theo vị trí điểm ngắn mạch chạm đất
dọc chiều dài đường dây ...........................................................................................65 
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 ...........................65 
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 

-5-

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 thơng trên mạch vịng dịng 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 dịng điện một chiều trong đất.....................................................41 
Hình 2.5. Phân bố cường độ điện trường của dịng điện xoay chiều khi đi vào đất .41 
Hình 2.6. Phân bố dịng 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 khơng (TTK) ......................48 
Hình 2.9. a)Biến thiên hệ số q điện áp k theo tỉ số X0/X1 với trường hợp R1/X1=R
= 0..............................................................................................................................50 
b) Quan hệ giữa tỉ số R0/X1 và X0/X1 khi giữ hệ số quá điện áp cố định khi R1=X1 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 mơ đun trong ATP/EMTP ...........................................61 
Hình 3.2. Sơ đồ xuất tuyến 35kV..............................................................................62 
Hình 3.3. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tính cách điện trong ATP/EMTP...............62 
Hình 3.4. Điện áp các pha tại đầu đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính cách
điện, ngắn mạch chạm đất pha A).............................................................................63 
Hình 3.5. Điện áp các pha tại cuối đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính cách
điện, ngắn mạch chạm đất pha A).............................................................................63 
Hình 3.6. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tính nối đất trực tiếp trong ATP/EMTP.....63 

-6-

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) ......................................................................64 
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) ......................................................................64 
Hình 4.1. Quy trình kiểm tra và lựa chọn CSV.........................................................71 
Hình 4.2. Truyền sóng trong trường hợp trạm khơng có lưới nối đất (trạm treo) ....92 
Hình 4.3. Truyền sóng trong trường hợp trạm có lưới nối đất..................................92 
Hình 4.4. Sơ đồ một sợi của xuất tuyến 372 E8.3.....................................................96 
Hình 4.5. Sơ đồ thay thế trong ATP-EMTP của xuất tuyến 372 E8.3......................97 
Hình 4.6. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn ..................97 
Hình 4.7. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp xa nhất (Quảng Châu 3)
...................................................................................................................................98 
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)...........................................................................................98 
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) ................................................................................98 
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) .........................................................................................99 
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) ...............................................................................99 

-7-


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 tồn

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: lưới điện
xuống cấp, độ tin cậy không cao, chất lượng điện năng thấp, tổn thất công suất, tổn
thất điện năng lớn, khả năng tự động hóa kém….Một vấn đề rất quan trọng cũng
chưa được quan tâm đúng mức đó là hiện tượng quá điện áp xảy ra trong lưới phân
phối. 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 cứu ảnh hưởng của phương thức nối đất trung
tính đến việc lựa chọn cách điện trong lưới điện trung thế” - 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,

-8-


đứt dây chạm đất và quá điện áp cộng hưởng. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh
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 Lương 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 X0/X1 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 tượng, 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
- Mơ phỏng và tính tốn q 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

-9-


M.5.Phương 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 mơ phỏng

trên mơ 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: Mơ phỏng và tính tốn q 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 ln 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 Viện SĐH Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo của Bộ môn Hệ thống điện – Khoa
Điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 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 cịn hạn
chế, luận văn cịn nhiều thiếu sót và hạn chế, tác giả rất mong nhận được sự đánh
giá, góp ý của các thầy cơ giáo và các đồng nghiệp để hoàn chỉnh thêm nội dung
của luận văn.

- 10 -


CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP
TRONG LƯỚI 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: QĐA ngồi
và QĐA nội bộ
* QĐA ngoài: được phát sinh từ các nguyên nhân bên ngồi hệ thống điện,
tức biên độ của nó khơng phụ thuộc vào cấp điện áp của hệ thống. QĐA ngoài được
chia làm hai loại: QĐA sét và QĐA phát sinh do xung bức xạ hạt nhân (NEMPNuclear Electromagnetic Pulses) hoặc phi hạt 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 ngun 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 cơng trình điện và lân cận là mang cực tính âm [9]. Dưới góc độ q
điện áp, thơng số quan trọng nhất của phóng điện sét chính là hình dạng và biên độ
xung dịng điện sét. QĐA do sét gây ra cho đường dây tải điện thường xảy ra khi:
+ Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn

- 11 -


+ 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 dịng 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 ngun nhân bên ngồi cấu trúc lưới điện, do đó lưới điện trung
áp hồn tồn có khả năng phải nhận các cú sét có biên độ lớn và đầu sóng dốc.
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: QĐA quá độ và QĐA tạm thời .
- 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
dịng điện dung nhỏ (tụ điện, đường dây và cáp không tải), cắt dịng điện cảm nhỏ
(máy biến áp khơng tải, cuộn kháng), việc xuất hiện và đóng cắt loại trừ sự cố trong
hệ thống,…

- 12 -


- 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
xem xét QĐA thao tác ở lưới này, ta chỉ quan tâm tới loại QĐA tạm thời, xuất hiện
ở tần số công nghiệp [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 điện áp chịu
đựng tần số CN ngắn hạn và trị số điện áp chịu đựng với xung điện áp sét tiêu
chuẩn mà không đề cập tới điện áp chịu đựng xung thao tác. Tuy nhiên, trong [20]
đã đưa thêm bảng các hệ số hiệu chỉnh điện áp chịu đựng xung thao tác về trị số
điện áp chịu đựng tần số CN ngắn hạn 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]

- 13 -


Bảng 1.1. Một số nguyên nhân gây QĐA tạm thời, biên độ và thời gian tồn
tại
Biên độ
QĐA

Thời gian tồn
tại

1 - 1,7 p.u

Phụ thuộc
chế độ trung
tính

Sa thải phụ tải

- Cơng 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 hịa từ của MBA
- Các thơng số đặc tính của MBA

1 - 1,5 p.u

lâu dài

Ngun nhân
Sự cố khơng đối
xứng

Tham số chính

Tỉ số X0/X1

Sự cố khơng 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). Đơi khi sa thải phụ tải cịn dẫn tới q 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.

- 14 -


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 hịa và cộng hưởng sắt từ có thể đạt trị số rất lớn và nó
thường được xem xét tính tốn trong quá trình thiết kế để tránh xảy ra tình huống
này. Do đó QĐA loại này thường khơng 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 X0/X1, 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 trị
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.

- 15 -


Chế độ làm việc của điểm trung tính cịn 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 cơng 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
a/ Tình trạng làm việc bình thường
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 khơng xét ở đây vì chúng khơng ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của điểm
trung tính.

Hình 1.1. Sơ đồ đơn giản mạng điện 3 pha trung tính cách điện với đất
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:
UA = UB = UC = Upha và lệch nhau một góc 1200
IcA = IcB = IcC và lệch pha nhau một góc 1200
•

•

•

•

I c 0 ∑ = I cA + I cB + I cC = 0

- 16 -

(1.1)


•

•

•

•

U c 0 ∑ = U cA + U cB + U cC = 0

(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 khơng.
b/ Khi có một pha chạm đất

Hình 1.2. Sơ đồ mạng điện 3 pha trung tính cách đất khi có sự cố chạm

đất 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 X1,X2, X0 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:

•
⎧•
E
⎪U1 = Σ ( X 2 + X 0 )
⎪
X1 + X 2 + X 0
⎪
•
⎪⎪ •
EΣ X 2
⎨U 2 = −
X1 + X 2 + X 0
⎪
•
⎪
EΣ X 0
⎪U• = −
⎪ 0
X1 + X 2 + X 0

⎪⎩

(1.3)

- 17 -


Đối với mạng điện có trung tính cách điện với đất, điện kháng tổng hợp thứ
tự khơng X0 có trị số rất lớn (coi như bằng vô cùng). Do vậy, lấy giới hạn các biểu
thức trên ta được:

•
⎧•
⎪U1 = EΣ
⎪ •
⎨U 2 = 0
⎪ •
•
⎪U 0 ≈ − EΣ
⎩

(1.4)

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

•
⎧ •'
⎪U A1 = U A
⎪⎪ •

•
'
=
U
U
⎨ B1
B
⎪ •
•
⎪U 'C1 = UC
⎪⎩

(1.5)

Mặt khác:
•

•

•

•

U ' C = U ' C1 + U ' C 2 + U ' C 0 = 0

(1.6)

Từ đó suy ra:
•

•

•

U 'C 0 = − U 'C 1 = − U C

(1.7)

Hoặc:
•

•

•

•

•

U ' A 0 = U ' B 0 = U ' C 0 = − U ' C1 = − U C

(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

- 18 -

,

,


sẽ là tổng hình học của điện áp pha tương ứng trước khi chạm đất

,

,

và

như sau:

điện áp thứ tự khơng

•
•
⎧ •'
⎪U A = U A −UC
⎪⎪ •
•
•
'
⎨U B = U B −UC
⎪ •
⎪U 'C = 0
⎪⎩

(1.9)

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 IcA , I cB ' là dòng điện dung chạy trên pha A, pha B khi sự cố chạm đất

pha C.
Khi tính gần đúng:
.

IcΣ' = 3 I cA = 3ωCU A = 3 jUAB = 3 jU Ab0l ≈ 0

(1.12)

Với C là điện dung các pha so với đất và B = b0 .l là điện dẫn phản kháng
của pha so với đất B = ωC = b0 .l và giá trị tuyệt đối của các pha lành đều bằng điện
áp dây.
Ta thấy, điện áp hai pha khơng có sự cố tăng lên
điện dung của chúng cũng tăng

3 lần, nên giá trị dòng

'
3 lần so với khi chưa chạm đất, tức là IcA = 3IcA ;

'
IcB' = 3IcB còn dòng điện dung pha chạm đất bằng khơng I cC
= 0 . Dịng điện dung

tại chỗ chạm đất sẽ là:

- 19 -


'
'
I c' Σ = I cA
+ I cB

(1.13)

I c' Σ = 3I cA = 3I c 0

(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: I c' Σ = U d .L / 350( A)
Đường cáp ngầm: I c' Σ = U d .L / 10( A) .

Trong đó:Ud–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 “khơng” 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.
- Dịng điện dung của các pha khơng 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 khơng đổi và
dịng 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.

- 20 -


- 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 khơng nối đất là tốt hơn vận hành nối đất về mặt ảnh hưởng cảm ứng.
- Khơng 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
tồn điện thì lưới điện trung tính cách đất an tồn hơn lưới trung tính trực tiếp nối
đất.
- Do khi chạm đất một pha tam giác điện áp dây khơng 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 cịn 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, dịng điện dung sẽ
sinh hồ quang gây hư hỏng vĩnh viễn cách điện.
- Với một trị số dịng 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

- 21 -

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 khơng 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 khơng 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 tốn 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]
Bảng 1.2 Dòng điện chạm đất cho phép của các đường dây tương ứng
với các cấp điện áp khác nhau
Cấp điện áp (kV)

3-6

10

15-

35

Dòng điện chạm đất cho phép

-

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 dịng điện dung chạy trong đất bằng và điện áp điểm trung tính
bằng khơng. Do đó điện áp đặt lên cuộn dập hồ quang và dịng 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 dịng điện mang tính cảm chạy trong cuộn dập hồ quang IL
(chậm sau điện áp điểm trung tính 900).
Xét trường hợp điện trở của cuộn Petersen rất nhỏ và chiều dài đường dây
ngắn, thành phần tác dụng của dịng điện chạm đất khơng đáng kể. Dòng điện IL sẽ

- 22 -

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 dịng điện tại chỗ chạm đất có
thể bằng khơng. 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 dịng 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 khơng
thể thực hiện được do khơng thể xác định chính xác trị số điện dung tổng C và thực
tế cuộn Petersen cịn có một điện trở nào đó nên IL khơng thực sự vng góc với IC.
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 cịn 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 dịng điện và điện áp điểm trung tính
được thể hiện trong hỡnh v 1.3.
U
C
B
A
0

(1)

,

IcB

,

IcA

N
IL

Ic

,

Ic

a- Sơ đồ mạng điện

IL

b- Sơ đồ véc tơ điện áp
và dòng điện

Hỡnh 1.3 Mng in 3 pha trung tính nối đất qua cuộn dập hồ 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 IC> IL, tức bù thiếu thì khi có một số đường
dây bị cắt, trị số IC– IL giảm có thể khơng đủ cho bảo vệ làm việc hoặc dẫn đến tình
trạng cộng hưởng. Ngược lại, khi IL > IC (tức bù thừa) thì khi có một số đường dây
bị cắt sẽ làm tăng giá trị IC – IL, đồng nghĩa với việc rơ le bảo vệ dễ dàng nhận biết

- 23 -


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 IL > IC.
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 L K ở chế độ cộng hưởng, nghĩa
là:
LK = 1/3ω2Cđ

(1.15)

LK - điện cảm của cuộn Petersen.
Cđ - điện dung của pha chạm đất so với đất.
Khi ấy dòng điện tại chỗ chạm đất chỉ còn thành phần tác dụng:
IRđ = 3ER0ω2CĐ2

(1.16)

R0 - 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
q ngưỡng tự dập tắt của hồ quang nên việc sử dụng cuộn Petersen khơng cịn phát
huy được tác dụng.
Kết luận:

- Do lưới điện này khống chế dịng chạm đất nên khơng 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 hồn tồn
khơng thể đạt được do có khả năng xảy ra cộng hưởng.
- 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 tồn cho người và thiết bị.

- 24 -