Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác động lên cách điện Trạm biến áp 220 KV Thái Nguyên

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:97

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu tổng quan về các loại quá điện áp tác dụng lên cách điện của hệ thống điện 220 kV. Từ đó, phân tích và tính toán quá điện áp khí quyển và quá điện đóng cắt tác động lên cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên trong quá trình vận hành.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác động lên cách điện Trạm biến áp 220 KV Thái Nguyên

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGÔ BÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ TÁC ĐỘNG LÊN CÁCH ĐIỆN TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Mã ngành: 8 52 02 01 Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA TS. NGUYỄN ĐỨC TƯỜNG PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên - 2019
ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Ngô Bá Trình Sinh ngày 01 tháng 04 năm 1986 Học viên lớp cao học khóa 20 – Kỹ thuật điện – Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự chỉ dậy giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo và đặc biệt là thầy giáo hướng trực tiếp dẫn thực hiện luận văn tốt nghiệp TS. Nguyễn Đức Tường. Tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác động lên cách điện Trạm biến áp 220 KV Thái Nguyên”. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Ngoài các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng, thực nghiệm được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đức Tường là trung thực. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2019. Học viên Ngô Bá Trình
iii LỜI CẢM ƠN Sau một khoảng thời gian nghiên cứu và làm việc, được sự động viên giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Đức Tường luận văn với đề tài: “Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác động lên cách điện Trạm biến áp 220 KV Thái Nguyên” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Tường đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành được bản luận văn này. Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo Khoa Điện – Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu khoa học thực hiện luận văn. Toàn thể các học viên lớp Cao học Kỹ Thuật Điện khóa 20, đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. Mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên do trình độ và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế nên có thể luận văn vẫn còn gặp phải một vài thiếu sót. Tác giả rất mong rằng sẽ nhận được những đóng góp ý kiến từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2019. Học viên Ngô Bá Trình
iv MỤC LỤC ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ........................................... viii CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN..........................................................................................................6 I. GIỚI THIỆU CHUNG. .....................................................................................6 II. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN7 II.1. Quá điện áp tạm thời ................................................................................7 II.2. Quá điện áp quá độ ..................................................................................9 III. QUÁ ĐIỆN ÁP DO ĐÓNG ĐƯỜNG DÂY KHÔNG TẢI - HIỆU ỨNG FERRANTI ............................................................................................................10 IV. QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT .........................................................................................12 IV.1. Tham số của phóng điện sét .................................................................13 IV.2. Phân bố đỉnh và độ dốc đầu sóng dòng điện sét ..................................17 IV.3. Quá điện áp khí quyển trên đường dây tải điện ...................................18 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ......................................................................................21 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN VÀ ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN-SÓC SƠN ...................22 I. TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN ......................22 I.1. Vai trò của trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên .......................................22 I.2. Thông số máy biến áp .............................................................................25 I.3. Thông số kháng điện ...............................................................................26 I.4. Thông số tụ điện ......................................................................................27 I.5. Thông số chống sét van. ..........................................................................28 II. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN SÓC SƠN-THÁI NGUYÊN..29 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ......................................................................................30 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN-SÓC SƠN .................................................................................................................................31 VÀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN ...................................................31
v I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ATP-EMTP VÀ MÔ ĐUN ATPDRAW............................................................................................................31 I.1. Ch-¬ng tr×nh ATP-EMTP ......................................................................31 II. MÔ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN SÓC SƠN ...............38 II.1. Giới thiệu ...............................................................................................38 II.2. Mô hình đường dây nghiên cứu quá điện áp đóng cắt ..........................38 II.3. Mô hình trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên ..........................................43 II.4. Cài đặt thông số chương trình ATPDraw. .............................................48 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ......................................................................................51 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP ĐÓNG CẮT ..........................................................................................52 I. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN ..................................52 I.1. Ảnh hưởng của dòng điện sét tới quá điện áp. ........................................52 I.2. Quá điện áp trên các pha tại đầu cực máy biến áp ..................................53 I.3. Quá điện áp trên đầu cực thiết bị điện trong trạm...................................56 I.4. Sự biến thiên của quá điện áp theo vị trí sét đánh ..................................57 I.5. Ảnh hưởng của máy biến áp đo lường kiểu tụ ........................................58 II. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP ĐÓNG CẮT ..................................59 II.1. Biến thiên của quá điện áp .....................................................................60 II.2. Phân bố điện áp theo phương pháp thống kê .........................................60 II.3. Phân bố của quá điện áp 2% dọc theo chiều dài đường dây .................62 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .....................................................................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................88
vi DANH MỤC HÌNH VẼ Nội dung hình Trang Hình 1. 1: a) Sơ đồ nguyên lý đóng đường dây dài không tải vào nguồn 10 điện áp xoay chiều; b) Sơ đồ thay thế hình  của đường dây L. Hình 1. 2: a) Sơ đồ vi phân chiều dài đường dây tải điện trên không (dx). 10 b) Sơ đồ thay thế tương đương hình  của vi phân dx. c Hình 1. 3: Biến thiên của dòng điện trong khe sét 15 Hình 1. 4: Sét đánh vào dây dẫn pha 18 Hình 1. 5: Sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét 19 Hình 2. 1: Sơ đồ nhất thứ của trạm 21 Hình 2. 2: Sơ đồ mạch vòng 220 kV 28 Hình 3. 1: Mô hình đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn. 38 Hình 3. 2: Mô hình nguồn 38 Hình 3. 3: Mô hình đường dây Thái Nguyên-Sóc Sơn 39 Hình 3. 4: Thông số đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn 42 Hình 3. 5: a. Mô hình máy cắt; b. Dữ liệu máy cắt. 42 Hình 3. 6: Mô hình trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên 44 Hình 3. 7: Mô hình cột điện 44 Hình 3. 8: Mô hình chuỗi sứ 45 Hình 3. 9: Mô hình nguồn sét 46 Hình 3. 10: Mô hình dây dẫn pha trong trạm biến áp 48 Hình 3. 11: Cài đặt thông số chương trình ATPDraw 49 Hình 4. 1: Điện áp đầu cực máy biến áp khi sét đánh vào đỉnh cột thứ 2 53 với dòng điện sét bằng 2 kA
vii Hình 4. 2: a. Biến thiên của điện áp trên đầu cực AT1 khi dòng điện sét bằng 31 kA 54 b. Cấu trúc cột điện của đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn Hình 4. 3: a. Biến thiên của quá điện áp trên đầu cực AT1 với I=50 kA; 55 b. Đỉnh điện áp trên 3 pha. Hình 4. 4: a. Biến thiên của quá điện áp trên đầu cực AT1 với I=100 kA; 55 b. Biến thiên của quá điện áp trên đầu cực AT1 với I=150 kA Hình 4. 5: a) Quá điện áp tác dụng lên các thiết bị điện trong trạm biến áp 56 b) Đỉnh xung điện áp Hình 4. 6: Ảnh hưởng của vị trí sét đánh tới tham số của quá điện áp trên AT1 a. Điện áp trên AT1 khi sét đánh tại đỉnh cột từ 1-5; 58 b. Biến thiên của điện áp đỉnh và thời gian đỉnh trên AT1 theo vị trí sét đánh. Hình 4. 7: Ảnh hưởng của máy biến áp kiểu tụ tới quá điện áp sét 59 Hình 4. 8: Điện áp 3 pha tại cuối đường dây tải điện 60 Hình 4. 9: a. Phương pháp phối hợp cách điện tiêu chuẩn 61 b.Phương pháp thống kê Hình 4. 10: Phân bố thống kê điện áp pha A tại thang góp Thái Nguyên 62 Hình 4. 11: Quá điện áp trên pha A tại thanh góp Thái Nguyên và thanh 63 góp Sóc Sơn
viii DANH MỤC BẢNG Nội dung bảng Trang Bảng 1. 1: Tham số của phòng điện sét theo dữ liệu của Berger. 15 Bảng 1. 2: Tham số dẫn xuất của dòng điện sét 17 Bảng 4. 1: Xác suất xuất hiện dòng điện sét 43 Bảng 4. 2: Phân bố điện áp trên đường dây và thanh góp trạm biến áp 63
1 PHẦN MỞ ĐẦU Họ và tên học viên: Đơn vị công tác: Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – ĐH Thái Nguyên Ngành đào tạo: Kỹ thuật điện Khoá học: 2017 – 2019 TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ TÁC ĐỘNG LÊN CÁCH ĐIỆN TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN Mã ngành: 8520201 Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Tường 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu Ngày nay, các quốc gia trên thế ngày càng sử dụng rộng rãi các hệ thống điện cao áp, siêu cao áp và cực cao áp. Chi phí thiết kế cho các hệ thống điện này rất lớn do chi phí cho phần cách điện tỉ lệ thuận với cấp điện áp[1, 2]. Điều này đòi hỏi việc tính toán, lựa chọn và phối hợp cách điện phải phù hợp với cấp điện áp vận hành của hệ thống điện; vừa phải đảm bảo được hệ thống điện vận hành an toàn, tin cậy vừa phải có mức chi phí cho cách điện ở mức hợp lý[3]. Yêu cầu quan trọng của cách điện dùng trong hệ thống điện (các điện của thiết bị điện lực, cách điện của đường dây tải điện, cách điện của trạm biến áp) phải chịu được điện áp làm việc lâu dài (tần số công nghiệp), quá điện áp đóng cắt (switching overvoltages) lớn nhất, đồng thời cũng phải chịu được đa số các quá điện áp sét (lightning overvoltages) mà không gây ra bất kỳ sự cố nguy hiểm nào[4, 5, 6]. Do đó, việc phân tích, tính toán các loại quá điện áp xuất hiện trong hệ thống điện có cấp điện áp và cấu trúc cụ thể một cách chính xác là rất quan trọng trong việc thiết kế, phối hợp cách điện cũng như đánh giá khả năng vận hành của cách điện trong một hệ thống điện có sẵn. Ngoài ra, việc tính toán phân tích các loại quá điện áp quá độ trong hệ thống còn là cơ sở cho việc thiết kế các hệ thống bảo vệ chống sét, hệ thống bảo vệ và hạn chế quá điện áp nhằm giảm được chi phí thiết kế, chi phí vận hành cũng như đảm bảo cho hệ thống điện làm việc ổn định và tin cậy[7, 8].
2 Xuất phát từ các yêu cầu trên, trong nội dung nghiên cứu này tác giả đề xuất đề tài “Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác dụng lên cách điện Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên”, nhằm áp dụng các công cụ và phương pháp nghiên cứu hiện đại để phân tích và xác định các loại quá điện áp có khả năng xuất hiện trong trạm biến áp do các nguyên nhân khác nhau. Nội dung nghiên cứu của đề tài là cơ sở khoa học để lựa chọn, phối hợp cách điện cũng như đánh giá các tác động của các loại quá điện áp trong vận hành trạm biến áp 220 kV nói chung và trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên nói riêng. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2.1. Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu tổng quan về các loại quá điện áp tác dụng lên cách điện của hệ thống điện 220 kV. Từ đó, phân tích và tính toán quá điện áp khí quyển và quá điện đóng cắt tác động lên cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên trong quá trình vận hành. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu tổng quan về quá điện áp trong hệ thống điện và những ảnh hưởng của quá điện áp tới hệ thống điện. - Nghiên cứu, tính toán và phân tích độ lớn của quá điện áp khí quyển mà cách điện của trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên theo độ lớn và độ dốc của dòng điện sét. - Tính toán và phân tích độ lớn của quá điện áp đóng cắt tác dụng lên cách điện của trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên do quá trình thao tác đóng cắt đường dây Thái Nguyên-Sóc Sơn. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1. Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu một cách đầy đủ về những nguyên nhân, quy luật và độ lớn của quá điện áp khí quyển và quá điện áp đóng cắt trong hệ thống điện tiêu biểu. Kết quả nghiên cứu làm cơ sở cho việc nghiên cứu, đánh giá, lựa chọn và phối hợp cách điện trong hệ thống điện 220 kV nói riêng và mở rộng nghiên cứu cho các hệ thống điện ở các cấp điện áp khác. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn làm cơ sở cho việc phân tích và thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét và các phương án bảo vệ quá điện áp.
3 3.2. Ý nghĩa thực tiễn - Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm chuyên dụng ATP-EMTP trong việc phân tích, tính toán các quá trình quá độ điện từ cho hệ thống điện phức tạp. - Xác định được độ lớn và sự biến thiên của quá điện áp khí quyển tại các điểm nút bất kỳ trong trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên do sét đánh vào đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn lan truyền vào trong trạm biến áp. - Nghiên cứu hành vi của quá điện áp đóng cắt xuất hiện khi thao tác đóng cắt đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn và xác định được độ lớn của quá điện áp lớn nhất lan truyền vào trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên. - Là cơ sở khoa học cho việc thiết kế cách điện và phối hợp cách điện trong trạm biến áp 220 kV hợp lý nhằm đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật cũng như giảm được chi phí thiết kế. - Là cơ sở khoa học để thiết kế, vận hành và đưa ra các giải pháp bảo vệ quá điện áp trên đường dây tải điện, trạm biến áp và đánh giá khả năng chịu đựng quá điện áp của cách điện trong vận hành, từ đó đề ra quy trình, kế hoạch vận hành đường dây và trạm biến áp nhằm đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện cũng như đảm bảo vận hành hệ thống ổn định và tin cậy. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu quá trình quá độ điện từ trường do sét đánh và do các thao tác đóng cắt (sự cố hoặc theo kế hoạch) đường dây tải điện trên không 220 kV Thái Nguyên- Sóc Sơn gây lên quá điện áp trong Trạm biến áp 220KV Thái Nguyên. Trong phạm vi của đề tài, tác giả nghiên cứu tổng quan về các nguyên nhân xuất hiện quá điện áp; nghiên cứu những ảnh hưởng của quá điện áp tới trang thiết bị điện cũng như vận hành hệ thống điện; nghiên cứu việc ứng dụng các kết quả phân tích, tính toán độ lớn của quá điện áp trong việc phối hợp cách điện trong trạm biến áp. Việc phân tích, tính toán độ lớn và quá trình biến thiên của quá điện áp được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng và tính toán trên đối tượng thực là đường dây tải điện và trạm biến áp 220 kV.
4 5. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm nội dung nghiên cứu về lý thuyết và tính toán, phân tích trên đối tượng thực bằng phân mềm ATP-EMTP. - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu hướng dẫn, các bộ tiêu chuẩn IEC, IEEE và bộ tiêu chuẩn Việt Nam thuộc phạm vi nghiên cứu. - Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu thực tế tại trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn. - Nội dung chính của đề tài dự kiến có các nội dung chính như sau: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về quá điện áp trong Hệ thống điện Chương 2: Giới thiệu tổng quan về trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn Chương 3: Mô phỏng trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn bằng phần mềm ATPDraw Chương 4: Kết quả mô phỏng quá điện áp khí quyển và quá điện áp đóng cắt trong trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên 6. Phương pháp nghiên cứu Ứng dụng phần mềm ATP-EMTP để phân tính, tính toán đối tượng thực tế. 7. Kế hoạch thực hiện Nội dung đề tài được thực hiện theo kế hoạc như sau: Thời gian Nội dung thực hiện 8/2018 - Thu thập tài liệu liên quan đến nội dung đề tài nghiên cứu - Viết Đề cương luận văn và bảo vệ Đề cương. 9/2018 - Tìm hiểu thực tế tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên, thu thập dữ liệu cần thiết về trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn. - Phân tích dữ liệu thu thập được.
5 10/2018- - Nghiên cứu lý thuyết về vấn đề quá điện áp trong Hệ thống 11/2018 điện và các tiêu chuẩn liên quan. - Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm ATP – EMTP. 12/2018- - Mô phỏng, phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu. 2/2019 - Viết thuyết minh luận văn 3/2019 - Hoàn thành thuyết minh luận văn và bảo vệ luận văn.
6 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN I. GIỚI THIỆU CHUNG. Quá điện áp (overvoltage) là điện áp giữa dây dẫn pha và đất (pha-đất), giữa dây dẫn pha với pha (pha-pha) hay dọc theo chiều dài của cách điện, có giá trị đỉnh lớn hơn biên độ của điện áp pha lớn nhất của hệ thống hay thiết bị điện. Quá điện áp trong hệ thống điện được phát sinh do các nguyên nhân nội tại như các thao tác đóng cắt, sự cố, sa thải phụ tải hay do cộng hưởng được gọi chung là quá điện áp nội bộ; quá điện áp phát sinh do các tác động từ bên ngoài như sét đánh được gọi là quá điện áp khí quyển hay quá điện áp sét. Độ lớn của quá điện áp thường lớn hơn điện áp làm việc lớn nhất cho phép của mạng lưới điện hay thiết bị điện, do vậy cần phải có các biện pháp hạn chế quá điện áp và bảo vệ chống lại các nguy cơ làm hư hỏng thiết bị điện hoặc rối loạn sự làm việc bình thường của hệ thống điện. Các quá điện áp nội bộ thông thường khó nhận biết và phát hiện. 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. Nhiều nước trên thế giới như Nga, Mỹ, Pháp...việc đo các quá điện áp nói chung và quá điện áp nội bộ nói riêng được thực hiện bằng các thiết bị có tên là "Thiết bị tự động đo ghi và phân tích xung quá điện áp“. Các thiết bị này được đặt trên thanh cái các trạm biến áp nhờ đó mà người ta có thể xác định được các dao động điện áp, mức độ quá điện áp. Từ đó có những phương thức vận hành và bảo vệ phù hợp để đảm bảo độ tin cậy cũng như an toàn cho việc truyền tải và cung cấp điện. Nước ta các công trình và đề tài nghiên cứu sâu về quá điện áp còn hạn chế. Cho đến nay chưa đầu tư các loại thiết bị để đo ghi quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ cũng như các phương tiện đo đạc khảo sát, theo dõi, phân loại và thống kê để đánh giá cụ thể về tỉ lệ sự cố, mức độ thiệt hại do quá điện áp nội bộ gây ra trong hệ thống điện. Khi thiết kế thiết bị điện, mạng lưới điện, trạm biến áp hay nhà máy điện, việc lựa chọn, phối hợp cách điện phù hợp để vận hành lâu dài là một trong các vấn đề
7 được quan tâm kỹ lưỡng đặc biệt là trong mạng điện truyền tải. Việc lựa chọn và phối hợp cách điện phải dựa vào đặc tính của cách điện (chủng loại, cường độ cách điện), mức độ quá điện áp phát sinh của hệ thống tác động lên cách điện (quá điện áp nội bộ, quá điện áp sét), đồng thời xem xét tới các vấn đề bảo vệ quá điện áp (chủng loại, số lượng, vị trí lắp đặt thiết bị bảo vệ) và điều kiện môi trường. Tiêu chí lựa chọn cách điện theo điện áp phải đảm bảo nguyên tắc là cường độ cách điện phải lớn hơn các loại quá điện nội bộ, đồng thời chịu được đa số quá điện áp sét (quá đ0iện áp khí quyển), còn một số ít quá điện áp sét có biên độ lớn phải sử dụng các thiết bị bảo vệ để hạn chế. Mặc dù toàn bộ cách điện đã được lựa chọn, phối hợp như trên, nhưng khi tăng số lần quá điện áp tác động lên cách điện thì cũng tăng tương ứng xác suất sự cố trên cách điện đó. Hiệu ứng tích luỹ là một trong những nguyên nhân đánh thủng cách điện. Mặc dù quá điện áp nội bộ thường nhỏ hơn nhiều so với điện áp đánh thủng tần số công nghiệp nhưng nó là nguyên nhân dẫn đến sự tiến triển các khuyết tật cục bộ của cách điện. Cùng với sự già hoá cách điện và tính chất tích luỹ các tác động như vậy, dần dần sẽ đánh thủng cách điện ngay cả khi quá điện áp nội bộ nhỏ hơn nhiều so với điện áp đánh thủng. II. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁPTRONG HỆ THỐNG ĐIỆN II.1. Quá điện áp tạm thời Quá áp tạm thời (Temporary Overvoltage_TOV) là quá điện áp ở tần số công nghiệp có thời gian tác động tương đối dài (từ 30 ms tới 3600 s).Quá điện áp tạm thời là một thông số quan trọng để lựa chọn chống sét van (ngoại trừ quá điện áp cộng hưởng và cộng hưởng từ). Quá điện áp tạm thời phát sinh do các nguyên nhân sau: - Sự cố chạm đất: khi có sự cố pha-đất sẽ gây ra quá điện áp trên các pha không sự cố (pha lành). Độ lớn của loại quá điện áp này phụ thuộc vào vị trí sự cố và phương thức nối đất điểm trung tính của hệ thống điện. Trong hệ thống có trung tính trực tiếp nối đất thì độ lớn của quá điện áp bằng khoảng 1,3 p.u. và thời gian quá áp (bao gồm cả thời gian giải trừ sự cố) thường nhỏ hơn 1 giây. Trong hệ thống có trung tính nối đất cộng hưởng (nối đất qua cuộn dập hồ quang) thì độ lớp của quá áp lớn hơn hoặc bằng 1,73 p.u. và tồn tại trong khoảng thời gian nhỏ hơn 10 giây.
8 - Sa thải phụ tải:khi cắt phụ tải, quá điện áp sẽ phát sinh, độ lớn của quá áp phụ thuộc vào cấu trúc của hệ thống sau khi cắt tải và đặc tính của nguồn (ví dụ như tốc độ hay điều chỉnh điện áp của máy phát ở thời điểm cắt tải).Ngay sau khi cắt tải, điện áp trên điện cực của máy cắt (phía nối với nguồn) sẽ tăng, mức độ tăng phụ thuộc vào tải và công suất ngắn mạch của xuất tuyến. Để xác định chính xác độ lớn của quá điện áp thì cần tính toán dựa trên cơ sở phân tích quá trình quá độ điện từ được thực hiện bằng máy tính hoặc ứng dụng chương trình ATP-EMTP. Tuy nhiên, trong tính toán thực dụng thì có thể áp dụng như sau: + Các đường dây có chiều dài trung bình, nếu cắt toàn bộ tải thì điện áp pha tăng tới 1,2 p.u. Thời gian quá áp phụ thuộc vào các thiết bị điều chỉnh điện áp trong mạng và có thể tới vài phút. + Các đường dây dài, nếu cắt toàn bộ tải thì điện áp pha có thể tăng tới 1,5 p.u. Thời gian quá áp tới vài giây. + Khi sa thải phụ tải của của máy biến áp tăng áp nối với máy phát thì quá áp tạm thời tăng tới 1,4 p.u đối với các máy phát tuabin và tới 1,5 p.u đối với các máy phát thủy điện. Thời gian quá áp khoảng 3 giây. - Cộng hưởng và cộng hưởng sắt từ: Trong hệ thống điện khi có sự thay đổi đột ngột về cấu trúc (như sa thải phụ tải, cắt máy biến áp 1 pha ở cuối đường dây hay cắt máy biến điện áp kiểu tụ đặt trên thanh góp của trạm biến áp) sẽ có sự tương tác giữa thành phần điện dung (của đường dây, cáp, tụ điện) và thành phần điện cảm (của máy biến áp, cuộn kháng song song) gây ra quá điện áp cộng hưởng hoặc cộng hưởng sắt từ. Độ lớn của quá điện áp này có thể lớn hơn 3,0 p.u. và tồn tại tới khi nó được giải trừ. - Đóng đường dây hoặc máy biến áp: Khi đóng đường dây hoặc máy biến không tải hoặc non tải có thể gây ra quá điện áp cộng hưởng. Trường hợp đóng máy biến áp sẽ xuất hiện dòng điện từ hóa lớn và thành phần hài đáng kể do đặc tính phi tuyến của lõi thép. Dòng điện tần số cao này sẽ tương tác với tần số của hệ thống gây ra quá điện áp cộng hưởng tác dụng lên cách điện dọc.
9 - Hòa đồng bộ:Trong khi hòa đồng bộ có thể gây ra quá điện áp tác dụng lên cách điện dọc (tiếp điểm của thiết bị đóng cắt). Độ lớn của quá điện áp này thường bằng khoảng 2 lần điện áp pha và tồn tại trong khoảng vài giây đến vài phút. II.2. Quá điện áp quá độ Quá điện áp quá độ (Transient Overvoltages) tồn tại trong thời gian ngắn vài mini giây hoặc ngắn hơn, dao động hoặc không dao động và thường gây ra thiệt hại lớn. Quá điện áp quá độ được chia thành các loại như sau: - Quá điện áp đầu sóng ít dốc (Slow-Front Overvoltage_SFO): thường phát sinh do các thao tác đóng cắt (đóng đường dây, cáp, giải trừ sự cố ngắn mạch, sa thải phụ tải, cắt dòng điện điện dung hoặc dòng điện điện cảm). Quá điện áp là loại một chiều, với thời gian đầu sóng (thời gian đỉnh) từ 20 s đến 5000 s và thời gian sóng (thời gian nửa đỉnh) tới 20 ms. SFO phát sinh do các nguyên nhân như sau: Đóng hay đóng lặp lại đường dây tải điện trên không hoặc đường dây cáp gây ra quá điện áp trên cả 3 pha. Độ lớn của loại quá điện áp này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ cắt và khả năng dập tắt hồ quang của của máy cắt, bội số quá áp thường khoảng 2 p.u.. Loại quá điện áp này thường được gọi là quá điện áp đóng cắt (Swiching Overvoltagres). Sự cố hay giải trừ sự cố gây ra quá điện áp với bội số quá áp thường lớn hơn 2 p.u. và phụ thuộc chủ yếu vào phương thức nối đất của hệ thống điện. Trong trường hợp chung, bội số quá áp tính bằng (2k-1) p.u., trong đó k là hệ số nối đất. Sa thải phụ tải tạo ra điện áp cưỡng bức tác dụng lên các phía của tiếp điểm máy cắt. Quá điện áp loại này thường có giá trị lớn và phải được hạn chế bằng chống sét van. Cắt dòng điện điện cung hoặc dòng điện điện cảm sẽ gây lên quá điện áp tại vị trí đặt tụ điện, điện kháng cũng như gây quá điện áp tại cuối đường dây và máy biến áp. - Quá điện áp đầu sóng dốc(Fast-Front Overvoltage_FFO): quá điện áp đầu sóng dốc được phát sinh do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn pha của đường dây tải điện trên không; do phóng điện ngược từ xà, cột vào dây dẫn pha hoặc đánh gần đường dây hoặc thiết bị điện. FFO là loại điện áp một chiều biên độ lớn, thời gian đỉnh từ 0,1 s đến 20 s và thời gian nửa đỉnh tới 300 s.
10 - Quá áp đầu sóng rất dốc(Very Fast-Front Overvoltage_VFFO): là loại điện áp một chiều, thời gian đỉnh tới 0,1 s, có hoặc không có dao động ở tần số từ 30 kHz tới 100 MHz. Loại quá điện áp thường phát sinh trong trạm GIS (Gas Insulated Substations) do cắt ngắn mạch hay cắt động cơ, máy biến áp hoặc do sét đánh. III. QUÁ ĐIỆN ÁP DO ĐÓNG ĐƯỜNG DÂY KHÔNG TẢI - HIỆU ỨNG FERRANTI Hiệu ứng Ferranti trong hệ thống điện là hiện tượng tăng điện áp ở cuối đường dây tải điện có chiều dài lớn hoặc trên đường dây cáp so với điện áp tại đầu đường dây khi đóng đường dây không tải (hay non tải) vào nguồn điện hoặc khi sa thải phụ tải. Hiện tượng do quá trình nạp điện của điện dung đường dây qua điện kháng của đường dây gây ra[9, 10].Hiệu ứng Ferrati được quan sát lần đầu tiên vào năm 1887 do Sebastian Ziani de Ferranti khi nghiên cứu đường dây cáp của mạng điện phân phối ở cấp điện áp 10 kV. Khi đóng đường dây truyền tải vào nguồn điện áp uS=Umsint như Error! R eference source not found. S R L a) US S R0dx L0dx R0dx L0dx R b) uS G 0 C0d G0d C0dx Hình 1. 6: a) Sơ đồ nguyên lý đóng đường dây dài không tải vào nguồn điện áp xoay chiều; b) Sơ đồ thay thế hình  của đường dây L. - Xét vi phân chiều dài đường dây (dx) ta có sơ đồ như Error! Reference source n ot found.: x dx x+dx a) i i R0dx L0dx i dx x u b) u G0dx u dx C0dx x Hình 1. 7: a) Sơ đồ vi phân chiều dài đường dây tải điện trên không (dx). b) Sơ đồ thay thế tương đương hình  của vi phân dx. c
11 Trong đó: R0, G0, L0, C0 là điện trở, điện dẫn, điện cảm và điện dung phân bố (trên đơn vị dài). Từ sơ đồ thay thế tương đương viết hệ phương trình vi phân mô tả mạch như sau:  u(x, t) i(x, t)    R 0 .i(x, t)  L0 . (1.1)  x t   i(x, t)  G .u(x, t)  C . u(x, t) (1.2)   x 0 0 t Hệ phương trình có thể viết dưới dạng toán tử Laplace sẽ là:  U(x, p)     R 0  pL0  .I  x, p  (1.1')  x   I(x, p)   G  pC  .U  x, p  (1.2 ')   x 0 0 Nghiệm của hệ phương trình có dạng: U(x, p)  A(p).e  (p)x  B(p).e  (p)x (1.3) A(p)  (p)x B(p)  (p)x I(x, p)  .e  .e (1.4) ZS (p) ZS (p) Điện áp và dòng điện tại cuối đường dây (x=l) có dạng:  U( , p)  A(p).e  (p)  B(p).e  (p) (1.5)   A(p)  (p) B(p)  (p) I( , p)  Z (p) e  e (1.6)  S ZS (p)  1  A(p)   U( , p)  I( , p).ZS (p) .e  (p)  2   B(p)  1  U( , p)  I( , p).Z (p) .e  (p)   2 S Thay A(p) và B(p) vào phương trình (1.5) và (1.6) sẽ xác định được quan hệ giữa điện áp, dòng điện ở đầu đường dây và cuối đường dây như sau:  US  U R .cosh(  )  I R .ZS.sinh(  )  IS  I R .cosh(  )  U R .YS.sinh(  ) Trong đó: Z = R + jL là tổng trở của đường dây trên đơn vị dài; Y = G + jC là tổng dẫn của đường dây trên đơn vị dài; l là chiều dài của đường dây;
12 US, IS là điện áp và dòng điện ở đầu đường dây (đầu phát); UR, IR là điện áp và dòng điện ở cuối đường dây (đầu nhận);   Z.Y  (R  jL)(G  jC) là hệ số truyền sóng; Z (R  jL) ZS   là tổng trở sóng của đường dây, Y (G  jC) 1 YS  ;   2f ; ZS Chú ý: tại đầu đường dây x=0; U(X) = US và tại cuối đường dây U(l) = UR Điện áp tại cuối đường dây hở mạch (IR=0) sẽ là: US US U R0  hay U R0  cosh(  ) cosh(  ) Như vậy điện áp tại cuối đường dây hở mạch tăng hơn so với đầu đường dây một lượng: U  U R  US Hiện tượng tăng điện áp này được gọi là hiệu ứng Ferranti. IV. QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT Sét đánh vào đường dây tải điện trên không (DZK) là nguyên nhân chính gây ra quá điện áp quá độ trong hệ thống điện. Quá điện áp phát sinh do nguyên nhân này thường được gọi là quá điện áp sét (Lightning Overvoltages) hay quá điện áp khí quyển (Atmospheric overvoltages). Biên độ và độ dốc đầu sóng của điện áp lớn (độ dốc đầu sóng rất dốc) gây nguy hiểm cho cách điện ngang và cách điện dọc của hệ thống, có thể gây sự cố ngắn mạch làm gián đoạn cung cấp điện, giảm độ tin cậy và gây mất ổn định hệ thống. Do đó, khi thiết kế đường dây tải điện, trạm biến áp và các thiết bị bảo vệ cần nghiên cứu kỹ lưỡng về quá điện áp sét [11, 12]. Quá điện áp sét trên đường dây tải điện là do sét đánh trực tiếp vào đường dây (sét đánh vào dây chống sét, đỉnh cột hoặc đánh vào dây dẫn pha). Quá điện áp lan truyền dọc đường dây và có thể gây lên phóng điện trên cách điện đường dây. Đặc điểm của quá điện áp do sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét gây lên phóng điện ngược vào dây dẫn pha thường có độ dốc rất lớn. Trong trường hợp vị trí bị sét đánh