Nghiên cứu hiện tượng quá điện áp trong hệ thống cáp dầu máy biến áp 500KV

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------o0o-------

MAI ANH VŨ

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯNG QUÁ ĐIỆN ÁP
TRONG HỆ THỐNG CÁP DẦU - MÁY BIẾN ÁP 500KV

CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH:
2.06.07

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07/2006


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Hồ Văn Nhật Chương

Cán bộ chấm nhận xét 1:…………………………………………………………………………………………………………

Cán bộ chấm nhận xét 2:…………………………………………………………………………………………………………

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày…………tháng…………năm………

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

TP. HCM, ngày…………tháng…………năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên:
Ngày, tháng, năm sinh:
Chuyên ngành:

Mai Anh Vũ
19-06-1974
Mạng và hệ thống điện

Phái: Nam
Nơi sinh: Quảng Ngãi
MSHV: 01804604

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HIỆN TƯNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ
THỐNG CÁP DẦU - MÁY BIẾN ÁP 500KV
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Giới thiệu về quá điện áp sét và quá điện áp thao tác, các số liệu về sét ở
Việt Nam.
2. Phân tích các chế độ vận hành của hệ thống cáp - máy biến áp, các đặc tính
kỹ thuật của máy biến áp và cáp dầu 500kV.
3. Tính toán quá điện áp cho hệ thống cáp dầu - máy biến áp 500kV bằng

phần mềm ATP, so sánh với kết quả thực nghiệm hệ thống cáp dầu - máy biến áp
500kV của Nhà máy thuỷ điện Ialy và đưa ra giải pháp khắc phục.
4. Kết luận.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
07 - 02 - 2006
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
07 - 07 - 2006
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
Tiến só HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

TS. Hồ Văn Nhật Chương
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.

TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH

Ngày
tháng
năm
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến cán bộ hướng dẫn: Tiến só
Hồ Văn Nhật Chương đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ cho tôi

hoàn thành bản luận văn này;
Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Điện - Điện Tử đã
tận tình giảng dạy, cung cấp cho tôi nhiều kiến thức về chuyên
môn;
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến Lãnh đạo Nhà máy
thủy điện Ialy và đồng nghiệp đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi
hoàn thành khóa học;
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến những người thân
trong gia đình, đặc biệt là vợ tôi đã chịu nhiều cực khổ lo lắng
cho gia đình để tôi yên tâm học tập và hoàn thành luận văn
này.
Tác giả
Mai Anh Vũ


Mục lục

MỤC LỤC
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP

5

1.1. GIỚI THIỆU

5

1.2. QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN

6

1.2.1. Sự hình thành điện tích trong đám mây

8

1.2.2. Thông số và đặc tính của phóng điện sét

9

1.2.3. Sóng quá điện áp sét

12

1.3. QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ
1.3.1. Quá điện áp đóng cắt

13
13

1.3.1.1. Nguồn gốc của quá điện áp đóng cắt

13

1.3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá điện áp đóng cắt

15

1.3.2. Quá điện áp tạm thời

15

1.3.2.1. Sa thải phụ tải

15

1.3.2.2. Hiệu ứng Ferranti

15

1.3.2.3. Sự cố chạm đất

16

1.3.2.4. Cộng hưởng sắt từ và cộng hưởng điều hoà

17

1.4. SƠ LƯT VỀ TÌNH HÌNH DÔNG SÉT TRÊN LÃNH THỔ
VIỆT NAM

18

1.4.1. Nguyên nhân hình thành dông sét ở Việt Nam

18

1.4.2. Số ngày dông

19

1.5. KẾT LUẬN

20


Mục lục

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ VẬN HÀNH VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT
CỦA HỆ THỐNG CÁP - MÁY BIẾN ÁP
2.1. GIỚI THIỆU

21
22

2.2. SƠ ĐỒ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG CÁP - MÁY BIẾN ÁP
TRONG MẠNG PHÂN PHỐI

22

2.2.1. Sơ đồ với thiết bị đóng cắt 3 pha

22

2.2.2. Sơ đồ với thiết bị đóng cắt bằng FCO

23

2.3. SƠ ĐỒ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG CÁP - MÁY BIẾN ÁP
TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN ÁP CAO
2.3.1. Sơ đồ sử dụng cáp lực liên lạc giữa hai trạm phân phối

24
24

2.3.2. Sơ đồ cáp dầu - máy biến áp trong nhà máy thuỷ điện 25
2.4. THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA CÁP - MÁY BIẾN ÁP 500KV 26
2.4.1. Thông số kỹ thuật của máy biến áp 500kV
2.4.1.1. Thông số kỹ thuật của máy biến áp tự ngẫu

26
26

2.4.1.2. Thông số kỹ thuật của máy biến áp tăng áp
15,75/500kV

28

2.4.2. Thông số kỹ thuật của cáp lực 500kV

29

2.4.2.1. Thông số kỹ thuật của cáp lực XLPE

29

2.4.2.2. Thông số kỹ thuật của cáp dầu áp lực cao

30

2.5. KẾT LUẬN

33


Mục lục

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ TRONG ATP

34

3.1. TỔNG QUÁT VỀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ATP

34

3.1.1. Giới thiệu

34

3.1.2. Các chương trình con trợ giúp của ATP

35

3.1.3. Dữ liệu đầu vào của ATP

35

3.1.4. Các chương trình xử lý đầu ra của ATP

36

3.1.5. Các phần mềm sử dụng trong luận văn

37

3.2. MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP

38

3.2.1. Giới thiệu

38

3.2.1. Mô hình máy biến áp trong ATP

39

3.2.1.1. Mô hình BCTRAN

39

3.2.1.2. Mô hình STC

40

3.3. MÔ HÌNH CÁP

41

3.3.1. Mô hình thông số tập trung

41

3.3.2. Mô hình thông số rãi

43

3.3.2.1. Giới thiệu

43

3.3.2.2. Xác định các thông số của tổng trở và tổng dẫn

45

3.3.3. Các thông số cài đặt cho mô hình cáp trong ATP
3.4. MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY

48
50

3.4.1. Xác định ma trận tổng trở của đường dây

50

3.4.2. Xác định ma trận tổng dẫn của đường dây

52

3.4.3. Cài đặt các thông số cho mô hình đường daây trong ATP

52


Mục lục

3.5. MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN

53

3.5.1. Mô hình điện trở phi tuyến

53

3.5.2. Mô hình điện trở phi tuyến kết hợp điện cảm phi tuyến

54

3.5.3. Mô hình chống sét van của SCHMIDT

54

3.5.4. Mô hình của IEEE

55

CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG CÁP DẦU - MÁY BIẾN ÁP
500KV CỦA NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN IALY

4.1. GIỚI THIỆU

59
59

4.1.1. Sơ đồ nguyên lý điện

59

4.1.2. Các chế độ vận hành

61

4.1.2.1. Đóng điện không tải máy biến áp

61

4.1.2.2. Chế độ vận hành bình thường

61

4.1.2.3. Chế độ dự phòng

61

4.1.2.4. Các sự cố thường xảy ra

61

4.2. THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG CÁP DẦU - MÁY BIẾN ÁP 500KV

62

4.2.1. Giới thiệu

62

4.2.2. Sơ đồ thử nghiệm

63

4.2.3. Kết quả thử nghiệm

64

4.2.3. Nhận xét

65

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG
CÁP DẦU – MÁY BIẾN ÁP 500KV

66

5.1. GIỚI THIỆU

66

5.2. LỰA CHỌN MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

67


Mục lục

5.2.1. Mô hình sét

67

5.2.2. Mô hình máy biến áp

68

5.2.3. Mô hình đường dây trên không

68

5.2.4. Mô hình cáp dầu áp lực cao

69

5.2.5. Mô hình chống sét van

70

5.3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VỚI XUNG ĐIỆN ÁP THẤP

71

5.4. TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN

72

5.4.1. Trường hợp sét đánh vào dây dẫn

73

5.4.1.1. Xung dòng sét 1,2/50µs 20kA

73

5.4.1.2. Xung dòng sét 8/20µs 20kA

76

5.4.1.3. Tính toán quá điện áp khi thay đổi điện trở đất

78

5.4.1.4. Xung điện áp sét 1,2/50µs 1800kV

79

5.4.1.5. Nhận xét

81

5.4.2. Trường hợp sét đánh vào dây chống sét
5.5. TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP ĐÓNG CẮT

81
82

5.5.1. Giới thiệu

82

5.5.2. Mô hình các phần tử

82

5.5.3. Mô phỏng quá điện áp đóng cắt khi đóng đồng thời các pha 83
5.5.4. Mô phỏng quá điện áp đóng cắt khi cắt đồng thời các pha

84

5.5.5. Nhận xét

85

5.6. MỘT SỐ GIẢI PHÁP XỬ LÝ QUÁ ĐIỆN ÁP

85


Mục lục

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN CHUNG

90

PHỤ LỤC

PL-1

PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN

PL-1

PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN KHÁC

PL-10

TÀI LIỆU THAM KHẢO


Tổng quan về đề tài

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Trong quá trình phát triển điện năng để đáp ứng cho nhu cầu phát triển chung
của nền kinh tế, việc phát triển các nguồn điện lớn như thuỷ điện, nhiệt điện và
sử dụng các hệ thống điện áp cao để truyền tải điện đi xa là một điều tất yếu và
thiết thực. Cách điện của các thiết bị điện chính trong hệ thống điện như máy
phát, máy biến áp, cáp lực,… không chỉ chịu tác dụng lâu dài của điện áp làm
việc mà còn phải chịu tác dụng trong một thời gian ngắn các hiện tượng quá
điện áp với biên độ điện áp lớn hơn gấp nhiều lần điện áp làm việc của thiết bị.
Quá điện áp trong hệ thống điện do hai hiện tượng chính gây ra đó là: quá điện
áp khí quyển và quá điện áp nội bộ.
-

Quá điện áp khí quyển: do phóng điện sét giữa đám mây dông và mặt
đất. Phóng điện sét gây nên sóng điện từ toả ra xung quanh với tốc độ
rất lớn tương đương tốc độ ánh sáng, thời gian xảy ra quá điện áp khí
quyển rất ngắn (10-6 đến 10-4 s) và có độ dốc rất lớn (1010 đến 1012
V/s). Sóng điện từ khi truyền dọc trên đường dây sẽ gây nên quá điện
áp cho các thiết bị điện trong hệ thống. Khi sét đánh trực tiếp vào dây
dẫn, trị số quá điện áp phụ thuộc vào biên độ của dòng điện sét có thể
lên đến hàng triệu hoặc hàng chục triệu volt, vượt quá nhiều lần cách
điện xung của thiết bị. Khi sét đánh gần đường dây sẽ gây nên quá
điện áp cảm ứng và có biên độ khoảng vài trăm ngàn volt, quá điện áp
cảm ứng này ít nguy hiểm hơn cho cách điện của thiết bị ở điện áp cao
(từ 110kV trở lên). Trong hệt thống dây dẫn trên không - cáp ngầm máy biến áp, quá điện áp sẽ lan truyền đến các điểm đấu nối giữa
đường dây và cáp ngầm, giữa cáp ngầm và máy biến áp. Thông

Trang 1


Tổng quan về đề tài

thường, tổng trở sóng của đường dây trên không vào khoảng 250Ω đến
400 Ω, tổng trở sóng của cáp ngầm vào khoảng 30Ω đến 40Ω nhỏ hơn
nhiều so với tổng trở sóng của đường dây. Chính vì vậy, khi sóng sét
truyền trên đường dây trên không đến vị trí đấu nối với cáp ngầm sẽ
phát sinh ra sóng phản xạ và sóng truyền qua, khi đường cáp ngầm
tương đối ngắn sẽ phát sinh hiện tượng phản xạ nhiều lần của sóng
điện áp tại các điểm đấu nối gây nên quá điện áp cho các thiết bị tại
vị trí đấu nối.
-

Quá điện áp nội bộ: xảy ra khi có sự thay đổi chế độ làm việc trong hệ

thống điện. Sự chuyển từ một chế độ làm việc này sang một chế độ
làm việc khác gắn liền với sự phân bố lại điện trường và từ trường tích
luỹ trong điện dung và điện cảm của mạch, kèm theo quá trình dao
động quá độ gây nên quá điện áp. Quá điện áp nội bộ phát sinh do
thao tác đóng cắt các phần tử trong hệ thống trong chế độ làm việc
bình thường (như đóng cắt đường dây hoặc máy biến áp không tải),
hoặc do các sự cố xảy ra trong hệ thống như chạm đất, ngắn mạch, đứt
dây… Quá điện áp nội bộ có thể chia thành hai nhóm chính: quá điện
áp thao tác và quá điện áp tạm thời. Đặc điểm của quá điện áp nội bộ
là thời gian duy trì tương đối lâu (từ vài trăm micro giây cho đến hàng
phút), do đó cũng có nguy hiểm lớn đối với cách điện của thiết bị, đặc
biệt là các thiết bị điện áp cao (từ 330kV đến 750kV) có mức cách
điện xung chỉ vào khoảng (2 ÷ 2,5)Up.

Tại các nhà máy thuỷ điện, thường sử dụng sơ đồ nối điện chính là sơ đồ ghép
khối máy phát - máy biến áp - trạm cắt trung gian - đường dây truyền tải. Tuy
nhiên do đặc điểm về địa hình và vị trí lắp đặt, phần lớn các nhà máy thuỷ điện

Trang 2


Tổng quan về đề tài

có trạm cắt ở xa, máy biến áp không đặt ở trạm cắt mà đặt ở gần máy phát,
truyền tải điện từ máy biến áp đến trạm cắt dùng bằng cáp lực cao áp đặt trong
hầm bê tông hoặc trong đất.
Do đặc điểm của nhà máy thuỷ điện là quá trình khởi động đưa máy phát hoà và
lưới cũng như tách máy phát ra khỏi lưới được thực hiện trong thời gian ngắn, do
đó ngoài chức năng vận hành ở phụ tải nền trong mùa mưa, nhà máy thuỷ điện
còn thực hiện chức năng vận hành phủ đỉnh phụ tải trong mừa khô. Vì vậy, tần

suất đóng cắt máy phát xảy ra nhiều sẽ gây nên quá điện áp nội bộ do thao tác.
Mặt khác trong mùa khô, thời gian dự phòng của nhà máy thuỷ điện rất nhiều,
đây cũng chính là thời gian làm việc không tải của máy biến áp, trong điều kiện
này quá điện áp nội bộ do cộng hưởng sẽ xảy ra nhiều. Đặc biệt là khi nhà máy
thuỷ điện được nối với đường dây truyền tải dài và điện áp cao, hiện tượng quá
điện áp do dao động trong hệ thống cũng thường xuyên xảy ra.
Trong sơ đồ ghép nối máy phát - máy biến áp - cáp lực - đường dây truyền tải,
khi vận hành ở chế độ phủ đỉnh phụ tải, thông thường chỉ thao tác để đưa và
hoặc tách máy phát ra khỏi khối, các thiết bị còn lại liên tục có điện (không tải
và có tải), lúc này do điện dung của cáp và điện cảm của máy biến áp sẽ hình
thành mạch dao động và tạo ra cộng hưởng điện áp, quá điện áp cộng hưởng sẽ
gây nguy hiểm cho cách điện của máy biến áp.
Xuất phát từ các lý do trên, nội dung của luận văn tập trung vào việc nghiên cứu
hiện tượng quá điện áp trong hệ thống cáp dầu - máy biến áp cao 500kV nhằm
đánh giá sự ảnh hưởng của quá điện áp đến tình trạng làm việc của thiết bị, đặc
biệt là tìm nguyên nhân hư hỏng các máy biến áp tăng áp 15,75/500kV của Nhà
máy thuỷ điện Ialy khi các máy biến áp này nối với đường cáp dầu áp lực cao ở
phía 500kV.

Trang 3


Tổng quan về đề tài

Ngày nay lónh vực công nghệ tin học máy tính phát triển mạnh, các công việc
tính toán thực hiện trên máy tính sẽ mất rất ít thời gian nhưng kết quả tương đối
chính xác. Hiện nay có rất nhiều phần mềm để mô phỏng, tính toán các hiện
tượng quá độ điện từ trong hệ thống điện và đã đem lại kết quả như mong muốn.
Trong đó phần mềm tính toán quá độ điện từ ATP (Alternative Transient
Program) rất nổi tiếng đã được các chuyên gia trên thế giới sử dụng để tính toán

quá độ điện từ trên nhiều hệ thống điện trên thế giới. Do đó để hỗ trợ cho việc
tính toán quá điện áp trong hệ thống cáp dầu - máy biến áp 500kV, đề tài ứng
dụng chương trình ATP để mô phỏng và tính toán quá điện áp.
Đề tài thực hiện gồm các chương như sau: Chương 1 trình bày tóm tắt về các
hiện tượng quá điện áp và số liệu tổng quát về dông sét ở Việt Nam; chương 2
trình bày đặc điểm vận hành của một số sơ đồ cáp lực - máy biến áp trong mạng
phân phối trung áp và mạng truyền tải cao áp, đặc tính kỹ thuật của một số loại
cáp lực và máy biến áp điện áp cao; chương 3 trình bày tóm tắt về chương trình
ATP dùng để mô phỏng các hiện tượng quá điện áp và các mô hình của các
phần tử trong hệ thống điện như máy biến áp, cáp, đường dây, chống sét… dùng
để mô phỏng quá điện áp trong chương trình ATP; chương 4 trình bày về các chế
độ vận hành của Nhà máy thuỷ điện Ialy và kết quả thử nghiệm quá điện áp ở
điện áp thấp cho hệ thống cáp dầu - máy biến áp 500kV tại Nhà máy thuỷ điện
Ialy; chương 5 trình bày về việc tính toán chi tiết các hiện tượng quá điện áp
trong hệ thống cáp lực - máy biến áp 500kV và giải pháp hạn chế quá điện áp;
chương 6 đưa ra các nhận xét, kết luận và đánh giá cho đề tài.

Trang 4


Chương 1: Tổng quan về quá điện áp

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP
1.1. GIỚI THIỆU
Ngày nay khi kinh tế ngày càng phát triển, chất lượng cuộc sống của con người
ngày càng cải thiện thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao. Trong các
dạng năng lượng hiện có, năng lượng điện đóng vai trò vô cùng quan trọng trong
việc thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế và đáp ứng nhu cầu sử dụng của con

người. Việc xây dựng các nhà máy điện có công suất lớn và sử dụng hệ thống
điện áp cao để truyền tải điện đi xa là một điều kiện tất yếu phải có vì những lợi
ích mà nó mang lại. Ở Việt Nam, nhờ có hệ thống truyền tải 500kV và các nhà
máy điện lớn như thuỷ điện Hoà Bình, thuỷ điện Ialy, nhiệt điện Phú Mỹ và sắp
đến là thuỷ điện Sơn La đã góp phần rất lớn cho sự phát triển kinh tế xã hội của
đất nước.
Song song với các lợi ích về kinh tế, hệ thống truyền tải điện áp cao còn đặt ra
một vấn đề về kỹ thuật tương đối phức tạp đó là phải đảm bảo cho các thiết bị
trong hệ thống vận hành một cách an toàn và hiệu quả trong điều kiện phải chịu
ảnh hưởng của nhiều yếu tố khách quan như thời tiết, khí hậu, địa hình…, hạn chế
thấp nhất các hư hỏng xảy ra cho thiết bị trong hệ thống.
Một trong các yếu tố có ảnh hưởng lớn đến hệ thống điện là quá điện áp, sự hình
thành và phát triển của các dạng sóng quá điện áp trong hệ thống điện đóng vai
trò quan trọng trong quá trình vận hành tổng thể của hệ thống. Quá điện áp được
xem là các tác nhân không mong muốn, gây ảnh hưởng đến tình trạng làm việc
bình thường của hệ thống điện. Việc tìm hiểu những đặc điểm của quá điện áp

Trang 5


Chương 1: Tổng quan về quá điện áp

trong hệ thống điện là công việc rất quan trọng của nhà kỹ thuật vì kết quả của
công việc đó sẽ góp phần làm giảm đi ảnh hưởng của quá điện áp.
Khi khảo sát quá điện áp, các thông số thường được quan tâm là: biên độ, hình
dạng, khoảng thời gian tồn tại, tần số xuất hiện. Việc khảo sát đòi hỏi không chỉ
thực hiện tại điểm xuất hiện quá điện áp mà còn phải thực hiện dọc theo hệ thống
nơi có sóng quá điện áp lan truyền.
Hiện tượng quá điện áp có ảnh hưởng đến chất lượng cung cấp điện, đến bảo vệ
đường dây truyền tải và các thiết bị điện trong hệ thống. Do đó, cần phải nghiên

cứu, phân loại các dạng quá điện áp, tìm hiểu các đặc điểm, tính chất và những
nguyên nhân chính gây nên hiện tượng này.
Các dạng quá điện áp xuất hiện trong hệ thống điện tổng quát có thể chia làm hai
loại:
-

Quá điện áp khí quyển: hình thành từ các nhiễu loạn bên ngoài hệ thống
điện, trong đó chủ yếu là do phóng điện sét gây ra.

-

Quá điện áp nội bộ: hình thành bên trong hệ thống điện do việc thay
đổi các điều kiện vận hành gây ra.

1.2. QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN
Quá điện áp khí quyển hình thành do phóng điện sét gây ra, theo lý thuyết tổng
quát, sét được tạo thành từ sự phóng điện trong thiên nhiên để giữ vững sự cân
bằng động giữa tầng điện ly tích điện âm và bề mặt quả đất tích điện dương. Khi
một khu vực chịu ảnh hưởng của thời tiết xấu sẽ có những luồng điện tích âm di
chuyển xuống dưới mặt đất từ các đám mây trung hoà với các luồng điện tích
dương đi lên từ mặt đất hình thành nên phóng điện sét.

Trang 6


Chương 1: Tổng quan về quá điện áp

Trong suốt cơn dông, các điện tích dương và điện tích âm bị các luồng không khí
mãnh liệt tách rời nhau hình thành tinh thể băng ở tầng trên cùng của đám mây
và mưa sẽ xảy ra ở vùng thấp nhất của đám mây. Kết quả quan trắc cho thấy

phần dưới của đám mây dông chủ yếu tích điện âm và có tầng rộng hơn, bên trên
đám mây tích điện điện dương. Khi xảy ra các quá trình tích luỹ điện tích riêng
biệt trong cùng một đám mây, điện thế giữa các tâm vùng ngày càng gia tăng kéo
theo điện trường dọc theo chiều dài đám mây cũng sẽ lớn lên. Điện thế chênh
lệch giữa hai phân vùng điện tích chính trong khoảng từ 100MV đến 1000MV,
trong đó một phần điện tích được phóng thích thông qua phóng điện sét xuống
đất, phần còn lại được giải phóng thông qua phóng điện giữa các đám mây dông
tích điện trái dấu. Độ cao của các đám mây dông lưỡng cực so với mặt đất vào
khoảng 5km đối với vùng nhiệt đới.

Hình 1.1. Sự tích điện trong đám mây

Trang 7


Chương 1: Tổng quan về quá điện áp

1.2.1. Sự hình thành điện tích trong đám mây
Đám mây có điện thế khoảng 107 đến 108V và mức năng lượng điện từ nằm trong
khoảng từ 100V/cm trong đám mây lên đến 10kV/cm tại điểm phóng điện đầu
tiên. Năng lượng liên kết với sự phóng điện của đám mây có thể lên đến 250kWh
ở trên cùng của đám mây tích điện dương và ở đáy đám mây tích điện âm.
Theo lý thuyết Simpson, sự hình thành điện tích của đám mây ở ba vùng chủ yếu
(hình 1.2):
-

Dưới vùng A: chuyển động của khí quyển trên 800cm/s và không có
những giọt mưa.

-

Trong vùng A: tốc độ không khí đủ cao để phá vỡ giọt mưa tạo thành
những bụi nước tích điện dương trong đám mây và điện tích âm trong
khí quyển. Những bụi nước được tăng tốc bằng tốc độ khí quyển, những
giọt nước tích điện dương kết hợp lại với nhau và rơi xuống.

-

Vùng B: tích điện âm do dòng điện khí quyển

Hình 1.2. Mô hình đám mây theo lý thuyết Simpson

Trang 8


Chương 1: Tổng quan về quá điện áp

1.2.2. Thông số và đặc tính của phóng điện sét
Sét là dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách dài. Kênh sét đầu
tiên được thiết lập bởi quá trình phóng điện từng đợt và còn gọi là phóng điện
tiên đạo (leader stroke). Tia tiên đạo được hình thành ban đầu bởi sự đánh thủng
giữa các giọt nước đã bị phân cực ở dưới đáy của đám mây gây nên do điện
trường cao hoặc sự phóng điện giữa một khối điện tích âm ở phân dưới của đám
mây và một hốc điện tích dương ở bên dưới nó.

Hình 1.3. Các giai đoạn phát triển của tia tiên đạo
Khi tia tiên đạo xuất phát từ đám mây đi xuống bên dưới mặt đất sẽ xuất hiện
một tia tiên đạo khác - gọi là tiên đạo ngược bắt đầu từ mặt đất đi lên trước khi
tiên đạo của mây dông tiến xuống đất. Tia tiên đạo ngược gặp tia hướng xuống
tại điểm thích hợp trong không gian mở đầu cho giai đoạn phóng điện chủ yếu. Ở

điểm chạm đất, một xung dòng điện vào khoảng 10kA đến 250kA xuất hiện gây

Trang 9


Chương 1: Tổng quan về quá điện áp

ra các hư hỏng do phỏng điện sét. Vận tốc của phóng điện ngược rất cao, có thể
đạt đến một nửa tốc độ ánh sáng và nhanh gấp hàng trăm lần tốc độ phát triển
của dòng tiên đạo. Nhiệt độ trong khe sét có thể lên đến 20.0000C gây giản nở
không khí đột ngột tạo thành tiếng nổ lớn gọi là sấm. Xung dòng sét tăng nhanh
đến giá trị đỉnh trong vài µs và giảm nhanh trong khoảng thời gian từ 10µs đến
vài trăm µs.

Hình 1.4. Số lần phóng điện sét

Hình 1.5. Phân phối tích luỹ trị đỉnh dòng
điện sét
1- Theo uỷ ban AIEE (1950)
2- Theo Anderson (1968)
Hình 1.6. Tỉ lệ gia tăng trị số dòng điện sét
3- Theo CIGRE (1972)
1- Bergen: 43 bảng ghi trên đỉnh tháp
2- Norinder: đo thông qua từ trường
3- McEachron: đo bằng CRO ở toà nhà
Empire State (Mỹ)

Trang 10

Chương 1: Tổng quan về quá điện áp

Hình 1.7. Thời gian đạt trị đỉnh
của dòng điện sét
2- Theo McEachron (1941)
3- Theo Anderson (1968)

Hình 1.8. Thời gian đầu sóng và
đuôi sóng của dòng điện sét

Thông số và đặc tính của dòng điện sét bao gồm biên độ dòng sét, tỉ lệ tăng, xác
suất phân bố và dạng sóng. Hình 1.9 thể hiện các dạng sóng dòng điện sét.

Hình 1.9. Các dạng dòng điện sét

Trang 11


Chương 1: Tổng quan về quá điện áp

1.2.3. Sóng quá điện áp sét
Khi sét đánh trực tiếp vào dây dẫn hoặc dây chống sét, xung điện áp sinh ra thay
đổi trong phạm vi rộng và lớn gấp nhiều lần điện áp pha - đất của đường dây.
Sóng quá điện áp lan truyền về hai phía của đường dây, biên độ sóng điện áp sét
ở điểm phóng điện là:
U=

1
IZ 0
2

(1.1)

Trong đó: Z0 là tổng trở sóng của đường dây có giá trị từ 1000 đến 3000Ω
Tốc độ lan truyền của sóng quá điện áp bằng tốc độ ánh sáng, một xung sét tiêu
biểu có đầu sóng rất dốc, nghóa là điện áp của nó tăng rất nhanh có thể lên đến
hàng triệu vôn trên giây. Xung đầu dốc được nối tiếp bằng một đuôi sóng ngắn,
tức là sau khi điện áp đạt đỉnh thì thời gian điện áp đó giảm xuống còn một nửa
giá trị điện áp đỉnh trong khoảng 200µs và triệt tiêu trong khoảng thời gian
1000µs. Trong công thức (1.1) sóng quá điện áp sét có dạng giống với dòng điện
sét, tuy nhiên trong thực tế, hình dạng và biên độ của sóng quá điện áp có thay
đổi do sự phản xạ của chúng tại những điểm tiếp giáp giữa các môi trường truyền
sóng khác nhau (ví dụ như điểm đấu nối giữa đường dây trên không và cáp).

Hình 1.10. Các dạng sóng quá điện áp trên đường dây
truyền tải không có dây chống sét

Trang 12


Chương 1: Tổng quan về quá điện áp

1.3. QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ
Quá điện áp nội bộ do các nguyên nhân nội tại của hệ thống điện gây ra như do
thao tác đóng cắt thiết bị trong hệ thống, do sự cố chạm đất một pha hoặc 3 pha,
do cộng hưởng… Các quá trình thay đổi trên sẽ làm phân bố lại từ trường và điện
trường tích luỹ trong các điện dung và điện cảm của mạch, kèm theo quá trình
dao động quá độ gây nên quá điện áp. Trị số cực đại của quá điện áp nội bộ được
đặc trưng bởi bội số của biên độ điện áp pha định mức. Thời gian duy trì của quá
điện áp thay đổi trong phạm vi tương đối rộng (từ vài trăm micro giây đến hàng

giây và có khi đến hàng phút).
Quá điện áp nội bộ có thể chia làm các dạng như sau:
-

Quá điện áp đóng cắt

-

Quá điện áp tạm thời

1.3.1. Quá điện áp đóng cắt
Quá điện áp đóng cắt là hiện tượng quá độ xảy ra trong quá trình đóng cắt các
thiết bị trong hệ thống điện, quá điện áp phát sinh bên trong hệ thống phụ thuộc
vào điện áp vận hành và gia tăng theo cấp điện áp vận hành. Vì vậy, khi điện áp
hệ thống truyền tải càng cao thì quá điện áp đóng cắt có biên độ càng lớn. Trong
các hệ thống siêu cao áp và cực cao áp, cách điện của thiết bị được chọn theo quá
điện áp đóng cắt. Theo khuyến cáo của IEC, tất cả các thiết bị vận hành ở cấp
điện áp lớn hơn 300kV cần được thử nghiệm bằng xung đóng cắt. Do đó, quá
điện áp đóng cắt trở thành tiêu chuẩn lựa chọn cách điện trong hệ thống siêu cao
áp vì có biên độ xung lớn và thời gian tồn tại lâu (từ 50µs đến 500 µs).
1.3.1.1. Nguồn gốc của quá điện áp đóng cắt
Có nhiều nguyên nhân tạo nên quá điện áp đóng cắt như: các thao tác vận hành
đóng cắt đưa một thiết bị ra khỏi chế độ vận hành hoặc đưa thiết bị vào vận hành.

Trang 13


Chương 1: Tổng quan về quá điện áp

Trong các nhà máy điện, các thao tác vận hành máy phát điện thường thực hiện

theo đồ thị của phụ tải ngày, do đó tần suất đóng cắt thiết bị tương đối cao và các
thiết bị thường xuyên chịu quá điện áp đóng cắt. Các thao tác đóng cắt có thể là:
1. Đóng nguồn vào đường dây truyền tải hoặc cáp hở mạch ở đầu nhận
hoặc ở cuối đường dây có máy biến áp vận hành không tải
2. Cắt nguồn ra khỏi đường dây
3. Đóng cắt thiết bị trong quá trình xử lý sự cố
Một số dạng sóng quá điện áp đóng cắt được thể hiện như hình 1.11

Hình 1.11. Một số dạng quá điện áp đóng cắt
a. Điện áp sau khi khử sự cố
b. Điện áp lúc bắt đầu sự cố
c. Quá điện áp tại cuối đường dây sau khi khử sự cố
d. Sóng trên đường dây dài
e. Quá điện áp tại cuối đường dây truyền tải dài

Trang 14


Chương 1: Tổng quan về quá điện áp

1.3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá điện áp đóng cắt
Quá điện áp đóng cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm: chiều dài đường dây,
tổng trở đường dây, góc tải và vị trí đặt các thiết bị bù, đặc tính của máy cắt, cấu
trúc nguồn và sự tồn tại điện tích dư trên đường dây.
Có hai phương pháp thường dùng để hạn chế quá điện áp đóng cắt là: đóng mạch
tạm thời qua điện trở và điều khiển máy cắt vào lúc điện áp tức thời bằng không.
1.3.2. Quá điện áp tạm thời
Quá điện áp tạm thời (quá điện áp duy trì liên tục) có thời gian tồn tại khá lâu từ
vài chu kỳ cho đến vài giây. Quá điện áp tạm thời là các dao động không suy
giảm hoặc suy giảm không đáng kể ở tần số xấp xỉ tần số hệ thống. Các nguyên

nhân phát sinh quá điện áp tạm thời là: sa thải phụ tải, hiệu ứng Ferranti, sự cố
chạm đất, cộng hưởng sắt từ và cộng hưởng điều hoà.
1.3.2.1. Sa thải phụ tải
Khi một đường dây hoặc một tải cảm lớn được cấp nguồn từ nhà máy điện, vì lý
do nào đó, phụ tải bị cắt ra khỏi thanh cái máy phát, lúc này tốc độ của máy phát
tăng lên (còn gọi là lồng tốc) làm cho điện áp thanh cái tăng lên theo. Biên độ
của quá điện áp được xác định gần đúng như sau:
V =E

XC
XC − XS

(1.2)

Trong đó: E là điện áp tương đương của trạm; XS là điện kháng quá độ của máy
phát và máy biến áp (được xem là hằng số trong suốt quá trình quá độ); XC là
dung kháng tương đương của hệ thống.
1.3.2.2. Hiệu ứng Ferranti
Trên đường dây dài không có bù, điện áp cuối đường dây sẽ tăng lên và có thể
được tính xấp xỉ theo công thức:

Trang 15