Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, đánh giá hệ thống bảo vệ quá điện áp nội bộ cho trạm biến áp 220 KV Thái Nguyên

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu hệ thống bảo vệ quá điện áp cho trạm biến áp là rất cần thiết. Bài luận văn này bước đầu đưa ra những đánh giá cho hệ thống bảo vệ quá áp cho trạm, trình bày phần mềm mô phỏng quá trình quá điện áp xảy ra trong trạm 220 kV Thái Nguyên.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, đánh giá hệ thống bảo vệ quá điện áp nội bộ cho trạm biến áp 220 KV Thái Nguyên

0 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN THỊ LAN HƢƠNG NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV THÁI NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN Cán bộ hướng dẫn: TS. NGUYỄN ĐỨC TƢỜNG Thái Nguyên, năm 2017
1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ CHO TRẠM BIẾN ÁP 220kV THÁI NGUYÊN HỌC VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Trần Thị Lan Hƣơng TS. Nguyễn Đức Tƣờng TRƯỞNG KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO TS .Đỗ Trung Hải TS.Đặng Danh Hoằng Thái Nguyên, năm 2017
i LỜI CAM ĐOAN Họ và tên: Trần Thị Lan Hƣơng Học viên: Lớp cao học K16- KTĐ, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. Nơi công tác: Điện lực Phú Lương - Công ty Điện lực Thái Nguyên. Tên đề tài luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu, đánh giá hệ thống bảo vệ quá điện áp nội bộ cho trạm biến áp 220 KV Thái Nguyên”. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện. Mã số: Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, em lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu, đánh giá hệ thống bảo vệ quá điện áp nội bộ cho trạm biến áp 220 KV Thái Nguyên”. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS. Nguyễn Đức Tƣờng và sự nỗ lực của bản thân, luận văn đã được hoàn thành. Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân em. Các số liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 16 tháng 06 năm 2017 Học viên thực hiện Trần Thị Lan Hƣơng
ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, em đã nhận được sự truyền đạt về kiến thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận của các giảng viên trong trường. Sự quan tâm rất lớn của nhà trường, khoa Điện, các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp. Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này. Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy TS. Nguyễn Đức Tƣờng và tập thể cán bộ giảng viên bộ môn Hệ thống điện. Hội đồng bảo vệ đề cương thạc sỹ khóa K16 – KTĐ đã cho những chỉ dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng, xong do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những chỉ dẫn từ các thầy, cô giáo và các bạn học để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tiễn. Xin chân thành cảm ơn! Học viên Trần Thị Lan Hƣơng
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... MỤC LỤC .................................................................................................................... DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ .............................................................................. DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................................................. LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ ....................................... 2 1.1. Nguyên nhân phát sinh quá điện áp trong hệ thống ................................................. 2 1.2. Quá điện áp phát sinh do đóng đường dây không tải ............................................... 2 1.3. QUÁ ĐIỆN ÁP DO CẮT BỘ TỤ ĐIỆN ................................................................. 6 1.4.Quá điện áp do tự động đóng lại đường dây ............................................................. 7 KẾT LUẬN ................................................................................................................... ERROR! B CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU TRẠM BIẾN ÁP 220KV THÁI NGUYÊN VÀ MỘT SỐ THIẾT BỊ BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP ........................................................ 13 2.1. VAI TRÒ CỦA TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN ............................... 13 2.1.1. Sơ đồ nối điện tự dùng của trạm ................................................................................. 15 2.1.2. Sơ đồ nối điện tự dùng một chiều ............................................................................... 16 2.2.Một số thiết bị bảo vệ quá điện áp .......................................................................... 21 2.2.1.Khe hở phóng điện ........................................................................................................ 21 2.2.2.Chống sét van có khe hở SiC ....................................................................................... 21 2.2.3.Chống sét van không khe ở ZnO ................................................................................. 25 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 30 CHƢƠNG 3: GIỚI THIỆU CHƢƠNG TRÌNH ATP-EMTP ................................ 32 3.1. - Tổng quan ............................................................................................................. 32 3.2. - Các modul của chương trình atp và khả năng ứng dụng ...................................... 32 3.2.1. Tổ hợp các modul trong ATP ...................................................................................... 33 3.2.2. Những modul mô phỏng của ATP .............................................................................. 35
iv 3.3. - Chương trình atpdraw ........................................................................................... 37 3.3.1. Phần tử đo lường (Probes & 3-phase)......................................................................... 37 3.3.2. Nhánh (Branches)......................................................................................................... 37 3.3.3. Đường dây trên không/cáp (Lines/Cables) ................................................................. 38 3.3.4. Chuyển mạch (Switches) ............................................................................................. 40 3.3.5. Nguồn (Sources)........................................................................................................... 41 3.3.6. Phần tử tần số (Frequency compornent) .................................................................... 42 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 43 CHƢƠNG 4: XÁC ĐỊNH ĐỘ LỚN CỦA QUÁ ĐIỆN ÁP VÀ CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ QUÁ ÁP ........................................................................................ 44 4.1. - Mô phỏng sơ đồ nguyên lý trạm biến áp bằng atpdraw ....................................... 44 4.1.1.Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp 220 Kv ......................................................................... 44 4.1.2.Mô hình trạm biến áp 220 kV trong ATPDraw .......................................................... 44 4.1.3.Cài đặt chương trình ATPDraw ................................................................................... 52 4.2. - Kết quả nghiên cứu ............................................................................................... 52 4.3. - Đánh giá vai trò của chống sét van đặt trong trạM .............................................. 59 4.3.1.Nhập thông số chống sét van........................................................................................ 59 4.3.2.Đặc tính V-A ................................................................................................................. 59 4.3.3.Kết quả phân tích .......................................................................................................... 61 4.4. - Các biện pháp khác hạn chế quá điện áp nội bộ................................................... 59 4.4.1.Giới thiệu chung ............................................................................................................ 62 4.4.2. Hạn chế quá điện áp nội bộ bằng việc lựa chọn thời điểm đóng máy cắt ................ 66 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 70 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN................................................... 71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 72
v DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ Số STT Ký hiệu Tên trang 1 Hình 1.1 Sơ đồ đóng đường dây không tải có chiều dài l 3 2 Hình 1.2 Sơ đồ thay thế của hình 1.1 3 3 Hình 1.3 Đường cong quá điện áp khi đóng đường dây không 5 4 Hình 1.4 Biến thiên của quá điện áp do đóng đường dây không tải 6 5 Hình 1.5 Tự đóng lặp lại đường dây 9 6 Hình 1.6 Quá trình quá độ do tự đóng lặp lại đường dây khi có kháng 10 7 Hình 2.1 Sơ đồ nhất thứ của trạm 13 8 Hình 2.2 Sơ đồ nối điện tự dùng của trạm 15 9 Hình 2.3 Sơ đồ nối điện tự dùng 1 chiều 16 10 Hình 2.4 Sơ đồ mắc khe hở hình sừng 21 11 Hình 2.5 Cấu tạo của CSV có khe hở SiC 22 12 Hình 2.6 Tấm điện trở phi tuyến SiC 23 13 Hình 2.7 Khe hở phóng điện 23 14 Hình 2.8 Chuỗi khe hở phóng điện 24 15 Hình 2.9 Điện trở phi tuyến của ZnO và SiC 27 16 Hình 3.1 Phần mềm tương hỗ với ATP 34 17 Hình 3.2 Phần mềm ATPDraw 35 18 Hình 3.3 Dữ liệu tạo bởi chương trình ATPDraw 35 19 Hình 4.1 Sơ đồ trạm biến áp 220 Kv 45 20 Hình 4.2 Mô hình mạch 45 21 Hình 4.3 Thông số nguồn điện áp 46 22 Hình 4.4 Nhánh đường dây 47 23 Hình 4.5 Thông số kỹ thuật đường dây trong mô hình ATPDraw 49 24 Hình 4.6 Thông số kỹ thuật đường dây trong mô hình ATPDraw 49
vi 25 Hình 4.7 Máy cắt điện Statistic Swich và swich time 3 pha 50 26 Hình 4.8 Thông số cho Statistic Switch khi đóng không đồng 50 27 Hình 4.9 Thông số swich time 3 pha 51 28 Hình 4.10 Thông số của Open Probe 51 29 Hình 4.11 Điện áp trên phía cuộn dây cao áp (220 kV) 54 30 Hình 4.12 Điện áp trên cuộn dây trung áp (110 kV) 54 31 Hình 4.13 Điện áp trên cuộn dây hạ áp (22 kV) 55 32 Hình 4.14 Điện áp trên cuộn dây máy biến điện áp TU-273 55 33 Hình 4.15 Điện áp trên TU-273 56 34 Hình 4.16 Điện áp trên phía cuộn dây cao áp (220 kV) 56 35 Hình 4.17 Điện áp trên phía cuộn dây trung áp (110 kV) 57 36 Hình 4.18 Điện áp trên phía cuộn dây hạ áp (22 kV) 57 37 Hình 4.19 Điện áp trên TU-273 58 38 Hình 4.20 Điện áp trên cuộn cao áp của AT1 (220 kV) 58 39 Hình 4.21 Thông số chống sét van 60 40 Hình 4.22 Bảng thông số U-I (V-A) trong ATPDraw 61 41 Hình 4.23 Đườngđặc tính U-I (V-A) trong ATPPDraw 61 42 Hình 4.24 Sự biến thiên của quá điện áp 62 43 Hình 4.25 Sơ đồ lắp đặt điên trở Shunt 66 44 Hình 4.26 Biểu đồ 3 pha 67 45 Hình 4.27 Vị trí điện áp cực tiểu của các pha 67 46 Hình 4.28 Thông số máy cắt phía Thái Nguyên 68 47 Hình 4.29 Thông số máy cắt phía Bắc Giang 68 48 Hình 4.30 Kết quả khảo sát điện áp trên đầu cực máy biến áp phía 220 kV 68 49 Hình 4.31 Kết quả khảo sát điện áp trên đầu cực máy biến áp phía 110 kV 69 50 Hình 4.32 Kết quả khảo sát điện áp trên đầu cực máy biến áp phía 22 kV 69
vii DANH MỤC BẢNG 1 Bảng 3.1 Khả năng mô phỏng của ATP 37 2 Bảng 3.2 Nhánh tuyến tính đơn R, L, C 1 pha và 3 pha 37 3 Bảng 3.3 Nhánh phi tuyến 38 4 Bảng 3.4 Thông số tập trung 38 5 Bảng 3.5 Thông số phân bố có tham số không phụ thuộc tần số 39 6 Bảng 3.6 Thông số phân bố có tham số không phụ thuộc tần số 39 7 Bảng 3.7 Chuyển mạch 40 8 Bảng 3.8 Nguồn điều khiển TACS 40 9 Bảng 3.9 Máy biến áp điện lực 41 10 Bảng 3.10 Phần tử tần số 42 11 Bảng 4.1 Điện áp lớn nhất tại các vị trí với xác xuất 2% 55 12 Bảng 4.2 Điện áp lớn nhất tại các vị trí với xác xuất 2% 57 13 Bảng 4.3 Điện áp lớn nhất tại các vị trí với xác xuất 2% 58 14 Bảng 4.4 Mức quá điện áp cho phép của các cấp điện áp khác nhau 63
viii DANH MỤC VIẾT TẮT Chú STT Chữ Viết Tắt Ý Nghĩa Thích 1 HTĐ Hệ thống điện 2 SVC Static Var Compensator 3 TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor 4 STATCOM Static Synchronous Compensator Flexible Alternating Current Transmission 5 FACTS Systems 6 MBA Máy Biến áp 7 EMTP Electro--Magnetic Transients Program 8 TĐL Tự động đóng lặp lại 9 MC Máy cắt
1 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm vừa qua,bên cạnh sự phát triển với tốc độ cao của nền kinh tế thì nhu cầu tiêu thụ điện của nước ta cũng tăng trưởng không ngừng. Đặc biệt trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, từng bước hội nhập nền kinh tế khu vực và thế giới. Để đảm bảo cho việc cung cấp điện an toàn và ổn định điện áp đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội của cả nước, HTĐ Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên trực thuộc truyền tải điện Thái Nguyên – Công ty truyền tải điện I, đóng trên địa bàn phường Quan Triều – TP.Thái Nguyên – Tỉnh Thái Nguyên. Trạm đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phân phối điện miền Bắc. Nhiệm vụ chính của trạm là cung cấp điện cho khu công nghiệp Gang Thép Thái Nguyên, khu công nghiệp Sông Công và cho các nhu cầu kinh tế, chính trị, dân sinh các tỉnh phía Bắc như: Bắc Giang, Cao Bằng, Bắc Cạn, Tuyên Quang, Hà Giang,…Trạm nằm trong khu vực miền núi có mật độ sét cao, hệ thống đường dây phân phối phụ tải 35 kV dài, cũ nát nên suất sự cố lớn. Các sự cố này thường kèm theo dòng điện tăng lên khá cao và điện áp giảm thấp, gây hư hỏng thiết bị và có thể làm mất ổn định hệ thống. Các chế độ làm việc không bình thường làm cho điện áp và tần số lệch khỏi giới hạn cho phép. Nếu tình trạng kéo dài thì có thể xuất hiện sự cố lan rộng. Muốn duy trì hoạt động bình thường của hệ thống khi xuất hiện sự cố cần phải phát hiện càng nhanh càng tốt và cách ly nó ra khỏi phần tử bị hư hỏng. Nhờ vậy các phần tử còn lại mới duy trì được hoạt động bình thường và hạn chế được phần nào khi sự cố. Làm được điều này chính là hệ thống bảo vệ quá điện áp cho trạm. Vì vậy việc nghiên cứu hệ thống bảo vệ quá điện áp cho trạm biến áp là rất cần thiết. Bài luận văn này bước đầu đưa ra những đánh giá cho hệ thống bảo vệ quá áp cho trạm, trình bày phần mềm mô phỏng quá trình quá điện áp xảy ra trong trạm 220 kV Thái Nguyên. Tuy nhiên còn giới hạn về nhiều mặt, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót nên rất mong các Thầy, Cô đóng góp để nội dung bài luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo T.S Nguyễn Đức Tƣờng cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn. Kính chúc các Thầy, Cô mạnh khoẻ và Hạnh phúc!
2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ 1.1. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG Trong hệ thống điện có những nguyên nhân bất thường gây ra quá điện áp như: thao tác đóng cắt điện, khi giải trừ và khắc phục sự cố, đóng cắt điện theo kế hoạch, tự động đóng lại v.v... gây ra gọi là quá điện áp nội bộ. Ngoài ra, còn một nguyên nhân khác là do quá điện áp khí quyển gây ra do sét đánh trúng hoặc đánh gần các phần tử trong Hệ thống điện. Quá điện áp khí quyển thông thường có biên độ lớn hơn quá điện áp nội bộ có mức nguy hiểm hơn. Quá điện áp nội bộ được phát sinh và duy trì dưới tác dụng của nguồn xoay chiều, thường khó nhận biết và phát hiện vỡ trong các nhật ký vận hành khi ghi về các nguyên nhân sự cố thì quá điện áp nội bộ không được nhắc tới trong các nguyên nhân liệt kê. Hệ thống điện được xem như một tổng thể gồm các phần tử R, L, C hình thành mạch dao động. Khi trong hệ thống điện có các tác động làm thay đổi chế độ làm việc mới gây ra sự dao động năng lượng điện từ mà hậu quả của nó là gây ra quá điện áp nội bộ trong hệ thống điện, ví dụ như: xuất hiện hay khắc phục ngắn mạch, các quá trình quá độ khác nhau trong hệ thống điện, đứt dây dẫn hay các thao tác đóng cắt trong hệ thống điện gây nên sự thay đổi tham số trong mạch điện và làm xuất hiện các quá điện áp quá độ bằng dao động trong mạch L-C. Những dao động này gây nên quá điện áp nội bộ hay gọi là quá điện áp thao tác. Một số nguyên nhân chính dẫn đến quá áp nội bộ trong hệ thống điện: - Quá điện áp do chuyển mạch giữa các pha tác động lên các h điện giữa các pha. - Quá điện áp do chuyển mạch giữa các tiếp điểm, xuất hiện giữa các tiếp điểm đang mở của các thiết bị khi thao tác như máy cắt hay dao cách ly... - Quá điện áp do chuyển mạch pha, tác động nên cách điện của các thành phần dẫn điện đối với đất. - Quá điện áp khi cắt đường dây non tải. - Quá điện áp khi đóng đường dây hở mạch.
3 - Quá điện áp khi tự đóng lặp lại hay tự động đóng nguồn dự phòng. - Quá điện áp khi cắt các tụ điện, các đường dây không tải và má y biến áp không tải. - Quá điện áp khi cắt các dòng điện ngắn mạch. - Quá điện áp khi cắt các dòng điện điện cảm nhỏ. 1.2. QUÁ ĐIỆN ÁP PHÁT SINH DO ĐÓNG ĐƢỜNG DÂY KHÔNG TẢI Quá trình quá độ xuất hiện khi đóng đường dây không tải vào thanh góp của nhà máy điện hoặc trạm biến áp: đường dây không tải chiều dài l. M B MC1 MC2 F~ A Hình 1.1. Sơ đồ đóng đƣờng dây không tải có chiều dài l Thao tác phổ biến nhất đóng đường dây không tải bằng máy cắt MC1, sau đó để hoà đồng bộ với hệ thống bằng máy cắt MC2. Khi đóng máy cắt MC1, xuất hiện quá trình quá độ điện từ trên đường dây gây nên quá điện áp trên đường dây. Trong trường hợp này để nghiên cứu quá trình quá độ ta có thể thay thế nhà máy điện hoặc hệ thống cùng máy biến áp bằng nguồn sức điện động xoay chiều có điện cảm bằng trong bằng Li và đường dây được thay thế bằng điện cảm trên đơn vị dài L và điện dung phân bố C như trên hình 1-2. e L u1(0,t u2(0,t (~ i ) ) t e L L.l/2 L.l/2 ) (~ i C.l t L ) e C ( t L p e) 1/p ( C p Hình 1.2. Sơ đồ thay thế của hình 1.1 )
4 Điện áp và dòng điện tại điểm l theo thời gian t có thể xác định được nhờ phương trình dòng áp viết cho một mắt xích:  u i  x  Ri  L t   i  Gu  C u  x t Có thể viết hệ phương trình dòng áp trên dưới dạng toán tử Laplat:  dU(p)  dx  R  pLIp     dI(p)  G  pCUp   dx d 2 U ( p)   (p) Up  với (p)  R  pLG  pC dx 2 Up, x   Ap e  γ p x  Bp e γ p x  Nghiệm của phương trình trên có dạng:  Ap   γ p x Bp  γ p x Ip, x   Zp  e  Zp  e  R  pL Trong đó: Zp   được gọi là tổng trở sóng dưới dạng toán tử G  pC Các hằng số tích phân A(p) và B(p) xác định từ điều kiện ban đầu: Từ tính toán trên ta thấy rằng điện áp và dòng điện trên đường dây tại một toạ độ l và thời gian t bất kỳ bao gồm hai thành phần sóng: Sóng từ đầu tới cuối đường dây (sóng tới ) Sóng ngược từ cuối đường dây trở về (sóng phản xạ) U(p, x ) = A (p)e γ p x + B(p)e γ p x ( ) ( )    tíi ph¶n x ¹ A (p) γ (p )x B(p) γ (p )x I(p, x ) = e + e Z(  p)  Z( p)  tíi ph¶n x ¹ Khi đóng đường dây không tải vào nguồn xoay chiều thỡ súng điện áp lan truyền dọc đường dây, tới cuối đường dây gặp tổng trở vô cùng lớn (đường dây hở mạch) sẽ cho sóng phản xạ lan truyên ngược trở lại. Quá trỡnh truyền súng, điện áp có thể bị suy yếu do trổn hao trên đường dây do R, G của đường dây cũng như
5 do phát sinh vầng quang. Quá trình phản xạ nhiều lần của sóng tại hai đầu đường dây làm cho điện áp tại điểm bất kỳ trên đường dây tăng. Với các đường dây ngắn được đóng vào nguồn có sức điện động lớn (thời gian truyền sóng và hằng số thời gian nhỏ hơn rất nhiều nửa chu kỳ điện áp tần số công nghiệp), điện áp lớn nhất xuất hiện sau lần truyền sóng thứ nhất với điều kiện là đường dây được đóng vào nguồn tại thời điểm gần giá trị đỉnh của sức điện động nguồn. Từ hệ phương trỡnh trờn thực hiện biến đổi Laplace với điều kiện đầu: Ip, l   0; Up, l  Ip,0  shγp l Zp  Up, l   Up, l chγp l E(p)  U(p,0)  pLi I(p,0) Xác định được điện áp tại cuối đường dây hở mạch có dạng :  u (l, t )  A od cos t   A k e  t cos k t k k 1 Qua đó ta thấy, quá điện áp tại cuối đường dây hở mạch do đóng đường dây không tải bao gồm 2 thành phần, một là thành phần cưỡng bức được quyết định bởi sức điện động nguồn, thành phần thứ 2 là thành phần dao động tự do tần số cao hơn tần số nguồn (hài)gây ra bởi sự trao đổi năng lượng của các thành phần R, L, C của mạch dao động. Dạng của quá điện áp được biểu diễn trên hỡnh 1-3. Tuy nhiờn, độ lớn của quá điện áp phụ thuộc nhiều yếu tố như: cấp điện áp, cấu trúc mạch dao động, thời điểm đóng (góc đóng), độ trễ của các tiếp điểm máy cắt trên các pha… u/E 1m 1 0 3 8 3  - 1 0 6 2 t 1 0 - u(l,t) 2 - 3 Hình 1.3. Đƣờng cong quá điện áp khi đóng đƣờng dây không tải
6 1.3. QUÁ ĐIỆN ÁP DO CẮT BỘ TỤ ĐIỆN Xét trường hợp cắt điện dung tập trung, ví dụ bộ tụ điện C khỏi nguồn, điện áp trên tụ điện khi hồ quang trên máy cắt cháy lại U / L 2 E SHQ tăt HQ tắt HQ tắt e C 0 lÇn 1 lần 2 lần 3 90 270 450 HQ 0cháy HQ0 cháy 00 2 lần 1 /1 lần 2 UC 5 Hình 1.4. Biến thiên của quá điện áp do đóng đƣờng dây không tải Khi cắt sau khi tiết điểm bắt đầu rờihay nhau bộsau tụ một khoảng thời gian hồ quang xuất hiện giữa các tiếp điểm. Giả thiết dòng điện dung có giá trị đủ lớn để hồ quang chỉ có thể tắt vào thời điểm dòng điện đi qua trị số không. Trước khi cắt, điện áp trên tụ điện C bằng:   E  jX C  ω12 U E 2 jX L  jX C ω1  ω 2 C với 1  LC tần số dao động của mạch, L - điện cảm của nguồn. Thông thờng 1 lớn hơn nhiều tần số của nguồn  (UCE) Sau khi hồ quang bị cắt đứt, điện áp trên tụ điện không đổi, giữ nguyên giá trị lớn nhất:   E U C m Điện áp phục hồi trên máy cắt sau một nửa chu kỳ. e(t )  u c (t )  Em 1  cos ωt  sẽ đạt trị số 2Em Sau khi dòng điện bị cắt đứt độ bền điện của khe hở giữa hai tiếp điểm tăng dần với khoảng cách giữa chúng. Máy cắt khí nén với tốc độ di chuyển tiếp điểm nhanh và thổi mạnh có tốc độ tăng độ bền điện lớn hơn nhiều so với máy cắt dầu. Nếu trong quá trình các tiếp điện rời nhau mà điện áp phục hồi giữa chúng lớn hơn độ bền điện của khe hở, thì sẽ xảy ra phóng điện nghĩa là hồ quang cháy lại. Dòng
7 điện tiếp tục bị cắt đứt khi nó đi qua trị số không. Sau đó sự xuất hiện điện áp phục hồi lớn lại làm cho khe hở bị phóng điện và cứ tiếp diễn như thế. Điều này có nghĩa là thao tác cắt một bộ tụ điện khỏi nguồn gây một chuỗi đóng và cắt cho đến khi các tiếp điểm rời nhau hoàn toàn khi hồ quang không tiếp tục cháy nữa. Trường hợp khi hồ quang cháy lại xảy ra tại thời điểm điện áp nguồn có giá trị lớn nhất. Mạch dao động LC trong đó điện dung C được nạp đến điện áp -Em nối với nguồn điện sức điện động e(t)=Emsin(t+900). Trong mạch xuất hiện dao động với tần số: 1  LC >>=2f=314 rad/s Quá trình quá độ khi hồ quang cháy lại hoàn toàn tương tự quá trình tự động đóng lại do đó điện áp trên điện dung có thể tính theo công thức tương tự:   2 2   2     12     cos   sin1t  1  2 sint    e t U  sin   o u C (t )  E m 2 1 E m 12   1  k 1  2         2  2   sin   U o 1 2   A k 1  Trong đó: k  arctg 1   cos        12  2 Nếu cho =90 và coi : 0 1 12 u C (t )  Em cos t  2E m cos 1t duC ( t ) Dòng điện qua máy cắt : i( t )  C  CE m sin t  21CE m sin 1t dt Bởi vì 1>> nên biên độ thành phần tự do của dòng điện 21.C.Em lớn hơn nhiều biên độ thành phần cưỡng bức. Sau nửa chu kỳ dao động riêng t=T1/2=/1, điện áp đạt giá trị đỉnh. Vì điện áp nguồn trong khoảng thời gian này chưa thay đổi đáng kể: Umax  E m  2E m  3E m
8 Một cách gần đúng ta cho rằng vào thời điểm này dòng điện qua trị số không hồ quang trong máy cắt có thể bị dập tắt. Khi hồ quang tắt điện áp trên điện dung giữ giá trị 3Em. Sau một nửa chu kỳ tần số công nghiệp tiếp theo nữa điện áp nguồn thành -Em, điện áp giữa các tiếp điểm thành 4Em có thể làm hồ quang cháy lại lần nữa. Trong khoảng thời gian này xuất hiện dao động trong mạch với biên độ 4E m. Điện áp lớn nhất trên điện dung C đạt 5Em. Nếu như hồ quang cháy lại trong khoảng thời gian dài điện áp sẽ liên tục tăng. 1.4.QUÁ ĐIỆN ÁP DO TỰ ĐỘNG ĐÓNG LẠI ĐƢỜNG DÂY Trong hệ thống điện có khoảng 80-90% sự cố do hồ quang điện gây ra và nó có tính chất thoáng qua. Do vậy, việc sử dụng thiết bị tự động đóng lại (TĐL) sau khi sự cố đã tự loại trừ trong khoảng thời gian làm việc của TĐL: -Giới hạn dưới (~80%) thường gặp trong các lưới điện 6-110 kV - Giới hạn trên thường gặp đối với các đường dây trên không từ 220 kV trở lên. Những hư hỏng thoáng qua thường xảy ra do các nguyên nhân sau: - Sứ bị phóng điện bề mặt do sét đánh. - Do gió mạnh làm dây dẫn chạm nhau hoặc phóng điện trong không khí đến các vật bên cạnh. Khoảng 10-20% các trường hợp hư hỏng còn lại là sự cố duy trì hoặc bán duy trì. Như vậy đa số các trường hợp hư hỏng trên các đường dây tải điện trên không nếu sau khi cắt máy cắt ở hai đầu đường dây một khoảng thời gian đủ để cho môi tr- ường chỗ hư hỏng phục hồi tính chất cách điện ta đóng trở lại thì đường dây có thể tiếp tục làm việc bình thường, nhanh chóng khôi phục cung cấp điện, giữ vững chế độ đồng bộ và ổn định của hệ thống.
9 E1 M M E2 L1 L2 ~ C1 C2 ~ a) 1 b) U t U0 H 2 TT Um Cắt Đóng DL ax Hình 1.5. Tự đóng lặp lại đƣờng dây a. Sơ đồ nguyên lý của đƣờng dây. b. Đồ thị biến thiên điện áp đƣờng dây. Quá trình TĐL có thể chia thành các giai đoạn sau: - Cắt đường dây bằng máy cắt gần chỗ ngắn mạch hơn MC2, dẫn đến trạng thái cấp dòng điện ngắn mạch từ một hướng. - Cắt các pha không hư hỏng của đường dây bằng MC1, nghĩa là cắt dòng điện điện dung khi nó đi qua trị số không tương ứng với điện áp cực đại trên các pha tương ứng. - Đóng lại đường dây bằng MC1. - Đóng MC2 để khôi phục tình trạng làm việc bình thường của mạng điện. - Sau khi cắt máy cắt MC2 điện áp trên các pha không bị hư hỏng ở đầu đường dây và cuối đường dây khác nhau và khác sức điện động của nguồn do hiệu ứng điện dung và ngắn mạch trên pha bị hư hỏng (không đối xứng). - Sau khi cắt máy cắt MC1 điện tích trên pha bị hư hỏng sẽ truyền xuống đất qua hồ quang tại chỗ hư hỏng, còn trên các pha không hư hỏng điện áp sẽ san đều. Điện tích của các pha không hư hỏng nếu không có thiết bị bù dọc sẽ truyền chậm xuống đất qua điện dẫn chủ yếu do bề mặt sứ bị bẩn bụi. - Trong điều kiện thời tiết khô ráo, với thời gian tự động đóng lại tTĐL=0,4 s điện áp của các điện tích còn lại bằng 60-70% trị số ban đầu.
10 - Điện áp lớn nhất xuất hiện trong trường hợp đóng lại đường dây không tải bằng máy cắt MC1. - Điện áp quá độ có thể xác định bằng phương pháp xếp chồng, nghĩa là cộng điện áp khi đóng đườngđường dây không tải và điện áp tự phóng điện của đường dây qua điện cảm của nguồn ở điện áp U0 - Thành phần điện áp thứ hai được tính qua các thành phần nếu ta thay Em=U0 và =0 2k 1 2k  2 Điện áp quá độ được tính như sau: 2   2 U     u (l, t )  A od sint     A k e  k t  sin   o    cos   sink t   k  k 1  Ak   k   U   sin   o   Trong đó: k  arctg k  Ak   cos       Nếu góc đóng  nằm khoảng từ 0 đến 1800 dấu của U0 và sức điện động của nguồn ngược nhau, còn trong khoảng từ 180 đến 3600, U0 và sức điện động của nguồn cùng dấu. Quá trình dao động tắt rất chậm và trong khoảng thời gian tTĐL không kịp kết e thúc. 1, u t/ 0(u 1 2 4 0- e 3 5 ) T 2,  1, 1, 0 u 1 2 3 4 5 00 t/ - - 1,3, T 2,2, I V V 00 II V 01, I II I X 0 I V gi¶ thiÕt UIoEm II t/ 00 1 2 3 4 X 5 T dây khi có Hình 1.6. Quá trình quá độ do tự đóng lặp lại đƣờng Vì tần số 1 và  có trị số gần nhau, điện áp kháng điệnđiểm máy cắt có dạng giữa tiếp