Nghiên cứu quá điện áp và lựa chọn chống sét van ở lưới điện trung áp

ực hiện nối đất xà sứ trong phạm vi 5 khoảng cột đường dây trước khi vào trạm. + Xác suất xuất hiện các cú sét có biên độ lớn, giá trị này phụ thuộc khu vực địa lý (mật độ sét). + Chỉ tiêu chống sét của đường dây. Biên độ dòng điện phóng điện qua CSV là hàm số của phóng điện ngược trên cách điện đường dây và xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào đường dây. Xác suất sét đánh vòng càng cao thì biên độ và độ dốc đầu sóng của dòng qua CSV càng lớn. Đối với các trị số dòng điện phóng điện danh định tiêu chuẩn quy định trong tiêu chuẩn IEC 60099-1, kinh nghiệm vận hành cho thấy sẽ thu được mức độ bảo vệ chấp nhận được trong trường hợp xem xét sử dụng các khuyến nghị sau đây: + Dải điện áp I (từ 1kV đến 245kV): 5kA hoặc 10kA trong lưới điện có điện áp định mức thuộc dải I, khi khoảng cách giữa các bộ chống sét lắp đặt trên đường dây ngắn (dưới 5km), CSV lắp đặt tại MBA phân - 77 - phối chỉ cần chọn loại 5kA là đáp ứng yêu cầu bảo vệ, ngay cả trong trường hợp MBA nối trực tiếp với đường dây cột gỗ không thực hiện nối đất với xà (gỗ). Lưới điện có điện áp tới 72,5kV, CSV loại 5kA có thể sử dụng đối với trạm đặt tại nơi có mật độ sét thấp và có bố trí dây chống sét che chắn phía trên các đường dây vào trạm và thực hiện nối đất tốt tại chân cột. Đối với các công trình quan trọng, yêu cầu mức độ an toàn cao, hoặc tại các khu vực có mật độ sét hoặc điện trở suất đất lớn, lúc đó nên dùng CSV loại 10kA. Lưới điện có điện áp trên 72,5kV thông thường nên sử dụng CSV loại 10kA. +Dải điện áp II (trên 245kV): 10kA hoặc 20kA Với lưới điện có điện áp từ 245kV tới 420kV, CSV có dòng phóng điện danh định 10kV thông thường đã đáp ứng đủ yêu cầu bảo vệ. Với lưới điện có điện áp cao hơn 420kV, có thể cần thiết sử dụng loại CSV 20kA. Khả năng phóng điện thời gian dài (long duration) Trong trường hợp trạm biến áp có nối với đường dây tải điện, cáp điện chiều dài lớn hoặc phần tử điện dung lớn, CSV đặt trong trạm phải có khả năng thông thoát dòng điện và năng lượng do các sóng quá điện áp xuất hiện do thao tác đóng cắt trong lưới. Chống sét van loại “heavy duty” thường được sử dụng bảo vệ thiết bị có điện áp định mức thuộc dải II. Với thiết bị thuộc dải I, CSV loại “heavy duty” được sử dụng tại những trạm quan trọng, yêu cầu có ngưỡng bảo vệ thấp hoặc trong trường hợp có đường dây trên không, cáp chiều dài lớn hoặc bộ tụ kết nối vào thanh cái trạm. Đối với các trường hợp khác, ví dụ trường hợp đường dây ngắn (100km trở lại) thông thường sử dụng CSV loại 5 và 10kA là đáp ứng đủ yêu cầu. Cấp giải trừ áp suất Việc bố trí thiết bị giải trừ áp suất nhằm mục đích trong trường hợp CSV bị sự cố, dòng sự cố trong nội bộ CSV không gây tăng áp suất tới mức làm nổ cách điện bảo vệ bên ngoài của CSV. Vì thế dòng điện ngắn mạch chịu đựng của CSV không được nhỏ hơn giá trị dòng sự cố cực đại qua CSV tại điểm lắp đặt nó. - 78 - 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) Loại CSV (dòng phóng điện danh định) A Dòng điện ngắn mạch định mức A Dòng điện ngắn mạch giảm nhẹ A Dòng điện ngắn mạch trị số nhỏ,thời gian tồn tại 1s* A 20 000 hoặc 10 000 80 000 50 000 25 000 600 ± 200 20 000 hoặc 10 000 63 000 25 000 12 000 600 ± 200 20 000 hoặc 10 000 50 000 25 000 12 000 600 ± 200 20 000 hoặc 10 000 40 000 25 000 12 000 600 ± 200 20 000 hoặc 10 000 31 500 12 000 6 000 600 ± 200 20 000, 10 000 hoặc 5 000 20 000 12 000 6 000 600 ± 200 10 000 hoặc 5 000 16 000 6 000 3 000 600 ± 200 10 000, 5 000, 2 500 hoặc 1 500 10 000 6 000 3 000 600 ± 200 10 000, 5 000, 2 500 hoặc 1 500 5 000 3 000 1 500 600 ± 200 * Đối với CSV sử dụng trong hệ thống điện có trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang, có thể kéo dài thời gian thực hiện thí nghiệm ngắn mạch từ 1 giây lên tới 30 phút sau khi có sự hướng dẫn cụ thể từ phía nhà sản xuất. Khi đó dòng điện ngắn mạch sẽ được giảm xuống giá trị 50 ± 20A. Đối với thí nghiệm đặc biệt này, cần có sự thống nhất giữa nhà sản xuất và công ty điện về quy cách đối với mẫu và vấn đề xử lý kết quả thí nghiệm. 4.1.3. Lựa chọn CSV không khe hở sử dụng oxit kim loại 4.1.3.1. Thông số đặc tính của CSV không khe hở sử dụng oxit kim loại Tổng quát Thông số đặc tính cơ bản của CSV không khe hở oxit kim loại bao gồm: điện áp làm việc lâu dài, điện áp định mức, dòng điện phóng điện danh định và điện áp dư của CSV khi thông thoát dòng phóng điện danh định (xung 8/20 µs), xung dòng điện thao tác (xung có thời gian đầu sóng dài hơn 30µs nhưng không lớn hơn 100 - 79 - µs, thời gian đuôi sóng xấp xỉ bằng 2 lần thời gian đầu sóng) và xung dòng điện có đầu sóng dốc (xung 1±0,1µs/≤20µs). Với cùng điện áp làm việc lâu dài và điện áp định mức, CSV khác chủng loại nhau sẽ có các ngưỡng bảo vệ khác nhau. Ngoài ra các thông số khác có thể cần thiết sử dụng tới là: cấp phóng điện đường dây, cấp giải trừ áp suất, khả năng làm việc trong môi trường ô nhiễm, khả năng vệ sinh trên lưới (live washing) và các đặc tính cơ học khác. Điện áp làm việc lâu dài Điện áp làm việc lâu dài là trị số điện áp hiệu dụng cực đại cho phép đặt lâu dài lên các cực của CSV mà không làm cho nó bị hư hỏng. Điện áp định mức Điện áp định mức là giá trị điện áp hiệu dụng tần số công nghiệp được sử dụng trong khi thử nghiệm vận hành của CSV (operating duty test) trong khoảng thời gian 10s (xem chi tiết mục 2.8 trong tiêu chuẩn IEC 60099-4). Bên cạnh đó đây cũng là thông số tham chiếu sử dụng để xây dựng đường đặc tính Vôn giây tần số công nghiệp của CSV và xác định các yêu cầu đối với thử nghiệm phóng điện đường dây (line discharge test). Dòng điện phóng điện danh định Dòng điện phóng điện danh định được sử dụng để phân loại chống sét van, là tham số xác định các đặc tính bảo vệ và khả năng thông thoát năng lượng của nó. Ngƣỡng bảo vệ Ngưỡng bảo vệ sét của CSV là giá trị điện áp dư cực đại trên CSV khi thông thoát dòng phóng điện danh định, được sử dụng trong bảo vệ thiết bị trước các xung quá điện áp đầu sóng ngắn. Ngưỡng bảo vệ xung thao tác của CSV là giá trị điện áp dư cực đại trên CSV khi thông thoát dòng điện xung thao tác, được sử dụng trong bảo vệ thiết bị trước các xung quá điện áp đầu sóng dài (so với xung sét). Cấp phóng điện đƣờng dây - 80 - Là chỉ số đặc trưng cho khả năng thông thoát năng lượng của CSV loại 10kA và 20kA khi chịu phóng điện từ phía đường dây truyền tải chiều dài lớn. Có 5 cấp phóng điện đường dây của CSV loại không khe hở theo tiêu chuẩn IEC 60099-4, trong đó chỉ số càng tăng thì khả năng thông thoát của CSV càng cao. Cấp giải trừ áp suất Là chỉ số đặc trưng cho khả năng chịu đựng của CSV đối với dòng sự cố bên trong mà không gây tăng áp suất quá mức dẫn tới gây phá hủy cách điện ngoài. Khả năng làm việc trong môi trƣờng ô nhiễm Đánh giá khả năng chịu đựng ô nhiễm của CSV bao gồm 3 nội dung sau đây: a> Cách điện ngoài phải có khả năng chịu đựng ô nhiễm mà không dẫn tới phóng điện bề mặt cách điện. Do đó cần kiểm tra theo tiêu chuẩn IEC 60507 hoặc đảm bảo thiết kế phù hợp theo tiêu chuẩn IEC 60815. b> CSV phải có khả năng chịu đựng với sự tăng nhiệt cục bộ do sự thay đổi phân bố điện áp do các hoạt động ô nhiễm trên bề mặt cách điện. Bên cạnh đó cần đánh giá ngưỡng ô nhiễm, tần suất và biên độ của các quá điện áp gây ra do sự cố và thao tác tự động đóng trở lại khi làm việc trong môi trường ô nhiễm. c> Khả năng chịu đựng phóng điện cục bộ phát sinh cho ô nhiễm làm thay đổi phân bố thế mà không làm hư hỏng các điện trở phi tuyến và các phần tử khác bên trong CSV. Khả năng vệ sinh trên lƣới (live washing) Kiểm tra khả năng vệ sinh CSV khi đang làm việc trên lưới mà không dẫn tới phóng điện bề mặt cách điện hoặc gây tăng nhiệt cục bộ của các điện trở phi tuyến lên quá ngưỡng cho phép của CSV. 4.1.3.2. Lựa chọn CSV không khe hở sử dụng oxit kim loại nối giữa pha và đất Điện áp làm việc lâu dài - 81 - Điện áp làm việc lâu dài của CSV được lựa chọn phải có giá trị cao hơn giá trị hiệu dụng cực đại của điện áp lưới điện tại nơi đấu nối, trong đó trị số điện áp hiệu dụng cực đại của lưới điện được nhân thêm một hệ số an toàn 1,05 do có tính tới khả năng tăng áp do tác dụng của các điện áp hài. Tổng quát, trị số điện áp làm việc lâu dài của CSV có thể lựa chọn theo các quy tắc sau đây: + Trong hệ thống điện có trang bị bảo vệ chống chạm đất, trị số này có thể chọn bằng hoặc cao hơn trị số cực đại của điện áp pha chia cho + Trong lưới điện có trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang và không trang bị bảo vệ chống chạm đất, chọn trị số bằng hoặc cao hơn trị số điện áp dây cực đại tại nơi đấu nối. Trường hợp trị số điện áp dây cực đại tại nơi đấu nối CSV không thể có được chính xác, có thể sử dụng trị số điện áp dây cực đại của lưới điện hoặc trị số điện áp định mức của thiết bị. Điện áp định mức Điện áp định mức của CSV được lựa chọn dựa trên quá điện áp tạm thời xảy ra tại nơi đấu CSV có xem xét tới biên độ và thời gian tồn tại của quá điện áp tạm thời. Điện áp định mức được biểu diễn dưới dạng đường đặc tính Vôn-giây ở tần số công nghiệp. Đường đặc tính này được chọn sao cho nó nằm trên hoàn toàn so với đường đặc tính của Vôn-giây của biên độ quá điện áp tạm thời cực đại với thời gian loại trừ sự cố, có tính toán tới hệ số dự phòng do ô nhiễm và khả năng vệ sinh trên lưới của CSV. Một số nguyên nhân gây ra quá điện áp tạm thời cần xem xét như sau: - Các sự cố ngắn mạch chạm đất: quá điện áp xảy ra trên một phần lớn của lưới điện, thời gian tồn tại phụ thuộc vào thời gian giải trừ sự cố, khoảng dưới 1s đối với lưới điện nối đất trực tiếp, vài chục giây với lưới điện nối đất qua cuộn dập hồ quang và có thể kéo dài tới hàng giờ trong lưới điện có trung tính cách điện. - Sa thải phụ tải: khi sa thải phụ tải có thể sẽ xảy ra quá điện áp ở điện cực phía nguồn cấp của máy cắt thực hiện thao tác đóng cắt. Biên độ quá áp phụ thuộc - 82 - vào tính chất phụ tải và công suất ngắn mạch của trạm biến áp nguồn. Trị số này đặc biệt cao trong trường hợp sa thải phụ tải hoàn toàn ở đầu cực bộ máy phát- MBA, tùy thuộc trị mức độ bão hòa từ và mức độ lồng tốc của rô to máy phát. Bội số quá áp do sa thải phụ tải thường không phải là hằng số trong thời gian tồn tại của nó, việc tính toán chính xác cần thiết phải sử dụng rất nhiều tham số. Tuy vậy có thể đưa ra một số trị số định hướng như sau: + Đối với hệ thống điện cỡ trung bình, khi mất tải đột ngột 100% có khả năng sẽ gây ra quá điện áp pha- đất với biên độ không lớn hơn 1,2 p.u. Thời gian tồn tại quá điện áp phụ thuộc vào hiệu quả làm việc của thiết bị tự động điều chỉnh điện áp, có thể kéo dài tới vài phút. + Với hệ thống điện cỡ lớn, hậu quả của mất tải 100% có thể gây ra quá điện áp với biên độ tới 1,5 p.u và thậm chí cao hơn khi xảy ra hiệu ứng Ferranti hay hiện tượng cộng hưởng. Thời gian tồn tại có thể kéo dài vài giây. + Đối với trường hợp mất tải đầu cực bộ máy phát- MBA, biên độ quá điện áp có thể tới 1,4 p.u với máy phát thủy điện và 1,5 p.u với máy phát nhiệt điện. Thời gian tồn tại vào khoảng 3 giây. Ngoài ra, trong một số trường hợp cần nghiên cứu hiện tượng quá điện áp tạm thời phát sinh do: + Hiện tưởng cộng hưởng (đóng đường dây không tải,…) + Hiệu ứng Ferranti (điện áp thay đổi dọc theo chiều dài đường dây dài cao áp và siêu cao áp) + Quá điện áp sóng hài, ví dụ đóng cắt máy biến áp. + Hiện tượng bị cấp nguồn ngược (backfeeding) với các MBA có các cuộn dây đấu chung (ví dụ trường hợp hai MBA giảm áp có cuộn thứ cấp mắc chung vào cùng một thanh cái và một MBA bị cắt nguồn phía sơ cấp do sự cố hoặc trường hợp MBA 3 pha tải thứ cấp không đối xứng bị cắt 1 pha) Bên cạnh đó cũng cần xem xét tới khả năng sự cố xếp chồng của các nguyên nhân gây quá áp tạm thời, chẳng hạn việc sa thải phụ tải nối tiếp do cắt ngắn mạch. - 83 - Trong những trường hợp như vậy, cần nghiên cứu chi tiết lượng phụ tải bị cắt ứng với các điểm ngắn mạch khác nhau và vị trí đặt của CSV. Đặc tính V-s điện áp định mức của CSV phải nằm hoàn toàn ở phía trên đường đặc tính biên độ cực đại của quá điện áp tạm thời với thời gian tồn tại của nó (nằm trong khoảng từ 0,1 s đến 100 s). Để thuận tiện trong việc so sánh với kết quả thu được từ thử nghiệm vận hành (operating duty test) (tiến hành trong 10s), người ta thực hiện quy đổi đặc tính V-s này về trị số biên độ quá áp tạm thời tương đương Ueq trong thời gian 10s: (4.1) Trong đó Ut-biên độ của quá điện áp tạm thời Tt-thời gian tồn tại quá điện áp tạm thời [s] Ueq-biên độ của quá điện áp tạm thời quy đổi trong thời gian 10s m-hệ số đặc trưng sự biến thiên điện áp tần số công nghiệp theo thời gian của CSV. Trị số này khác nhau với các CSV có thiết kế khác nhau và nằm trong khoảng từ 0,018 tới 0,022. Trường hợp không có trị số cụ thể, có thể lấy giá trị trung bình 0,02. Điện áp định mức của CSV phải lớn hơn trị số lớn nhất của quá điện áp tạm thời quy đổi tính toán ở trên. Chú ý: + Thông thường người ta sử dụng một phạm vi an toàn 5%-15% giữa điện áp định mức của CSV với trị số quá điện áp quy đổi để hạn chế sai số mắc phải trong việc tính toán biên độ quá áp tạm thời. + Trong trường hợp đường đặc tính bảo vệ của loại CSV được lựa chọn cao hơn so với yêu cầu, có thể cho phép lựa chọn loại có điện áp định mức thấp hơn trị số quá điện áp tạm thời 10s quy đổi với điều kiện CSV phải có khả năng thông thoát năng lượng phát sinh từ các loại quá điện áp xuất hiện trong lưới. Khi đó phải tính toán mô phỏng các tình huống vận hành của lưới để tính toán năng lượng thông - 84 - thoát qua CSV. Bên cạnh đó cần lưu ý tới đặc tính tản mác của đường đặc tính V-A của CSV. Dòng điện phóng điện danh định và cấp phóng điện đƣờng dây Dòng điện phóng điện danh định Dòng điện phóng điện danh định được lựa chọn căn cứ vào dòng điện phóng điện sét có khả năng xuất hiện tại CSV. Các nội dung cần nghiên cứu khi lựa chọn trị số dòng phóng điện danh định cho CSV loại không khe hở cũng tiến hành tương tự như đối với CSV có khe hở đã trình bày ở mục 2.2.2 và cũng có thể sử dụng các giá trị định hướng như vậy để lựa chọn loại CSV cần sử dụng. Khả năng thông thoát năng lƣợng CSV kiểu oxit kim loại phải có khả năng tản phần năng lượng phát sinh do các xung quá điện áp quá độ trong hệ thống điện. Các quá điện áp quá độ nguy hiểm nhất trong hệ thống điện phát sinh do các nguyên nhân sau đây: + Đóng và tự đóng lại đường dây tải điện khoảng cách lớn. + Hiện tượng phóng điện trở lại (restriking) khi cắt các bộ tụ điện hoặc các đường dây cáp. + Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn trên không có mức cách điện xung (BIL) lớn hoặc xảy ra phóng điện ngược gần với vị trí đặt CSV. Với các ngƣỡng bảo vệ đã biết của CSV, có thể ƣớc lƣợng đƣợc năng lƣợng mà CSV phải thông thoát bằng các công thức sau đây: + Đóng và tự đóng lại đường dây: (4.2) Trong đó W-năng lượng hấp thụ của CSV Ups-ngưỡng bảo vệ xung thao tác của CSV Ue-biên độ quá điện áp, được tính toán theo tiêu chuẩn IEC 60071-2 Z-tổng trở sóng của đường dây - 85 - TW-thời gian truyền sóng dọc đường dây (bằng chiều dài đường dây chia cho vận tốc truyền sóng trên dây) + Đóng cắt đường dây cáp và bộ tụ (4.3) Trong đó C-điện dung của bộ tụ hoặc đường dây cáp U0-giá trị đỉnh của điện áp pha lưới Ur-điện áp định mức hiệu dụng của CSV Phần năng lượng hấp thụ có thể tản song song qua các CSV đấu cùng pha với nhau. Tỉ lệ hấp thụ giữa các CSV cần thiết phải nghiên cứu tính toán cụ thể. + Phóng điện sét (4.4) Trong đó Upl-ngưỡng bảo vệ sét của CSV Uf-trị số điện áp phóng điện cực tính âm của cách điện đường dây Z-tổng trở sóng của đường dây N-số đường dây cùng nối vào CSV tại thời điểm CSV phóng điện Tl-thời gian tồn tại tương đương của phóng điện sét (bao gồm cú sét đầu tiên và các cú sét thành phần tiếp theo). Có thể sử dụng giá trị điển hình 3.10-4 s. Ngoài các nguyên nhân trình bày ở trên, một số ít trường hợp vận hành khác cũng có thể gây ra tình huống CSV phải thông thoát một lượng năng lượng lớn. Ví dụ tiêu biểu là việc chọn cầu chì có trị số dòng chảy cao hơn nhiều so với trị số yêu cầu bảo vệ của xuất tuyến hoặc việc chọn CSV có ngưỡng bảo vệ quá thấp. Cấp giải trừ áp suất CSV lựa chọn phải có trị số dòng chịu đựng ngắn mạch cao hơn trị số dòng ngắn mạch có khả năng xuất hiện tại điểm đấu CSV để bảo đảm khi sự cố, áp suất trong CSV không tăng quá mức dẫn tới nổ cách điện ngoài của nó. - 86 - 4.1.4. Ứng dụng của CSV 4.1.4.1. Bảo vệ chống các xung quá điện áp đầu sóng dài Vấn đề bảo vệ chống quá điện áp từ các xung thao tác thường chỉ được xem xét đối với các hệ thống điện có điện áp định mức thuộc dải II vì biên độ các quá điện áp này bằng và thậm chí cao hơn quá điện áp gây ra do sét. Trị số đại diện của quá điện áp thao tác tại thiết bị được bảo vệ bằng chống sét van bằng chính trị số ngưỡng bảo vệ xung thao tác của chống sét van đó do có thể bỏ qua hiệu ứng lan truyền sóng, trừ trường hợp với các đường dây tải điện. CSV không khe hở loại oxit kim loại thường rất hiệu quả khi bảo vệ chống các xung quá điện áp có thời gian đầu sóng dài trong khi với loại có khe hở, chỉ có tác dụng sau khi xung quá áp gây ra phóng điện chọc thủng khe hở cách điện. Nhìn chung việc giới hạn trị số quá điện áp pha-đất vào khoảng 2 lần trị số điện áp pha hiệu dụng là hoàn toàn có thể đối với CSV không khe hở, trong khi trị số này sẽ cao hơn đáng kể khi sử dụng CSV có khe hở. Điều đó có nghĩa rằng CSV oxit kim loại rất thích hợp để bảo vệ chống quá điện áp khi đóng và tự đóng lại đường dây tải điện cũng như khi cắt dòng điện điện cảm và điện dung trị số bé nhưng lại kém hiệu quả đối với quá điện áp phát sinh do sự cố ngắn mạch chạm đất và quá trình cắt giải trừ sự cố do biên độ quá điện áp quá thấp. Quá điện áp khi thao tác đóng và tự đóng lại đường dây tải điện thường làm phát sinh quá dòng cỡ 0,5-2kA qua CSV, trị số chính xác dòng điện này thường không cần thiết xác định chính xác do đặc tính phi tuyến rất mạnh của các điện trở oxit kim loại. Ngoài ra hiệu ứng dốc đầu sóng của sóng thao tác cũng có thể bỏ qua. CSV thường được mắc giữa đường dây pha và đất, và trong trường hợp sử dụng CSV loại oxit kim loại, trị số quá điện áp pha-pha thường vào khoảng 2 lần ngưỡng bảo vệ thao tác của CSV nối pha-đất. Quá điện áp pha-pha sẽ bao gồm 2 thành phần quá điện áp pha-đất và thường với tỉ lệ 1:1. Trong trường hợp cần giới hạn mức quá điện áp pha-pha xuống trị số nhỏ hơn nữa, sẽ cần thiết phải sử dụng thêm CSV mắc giữa các dây dẫn pha với nhau. - 87 - 4.1.4.2. Bảo vệ chống quá điện áp sét Khái niệm chung Do độ dốc đầu sóng của quá điện áp sét thường rất lớn nên không thể bỏ qua hiệu ứng sóng truyền giữa CSV và thiết bị được bảo vệ. Vì thế điện áp tại thiết bị được bảo vệ thường cao hơn trị số điện áp dư của CSV, đôi khi nếu khoảng cách đủ xa, trị số này có thể vượt qua ngưỡng chịu đựng quá áp của thiết bị. Vì thế một nguyên tắc cơ bản khi bảo vệ chống quá áp bằng CSV là bảo đảm khoảng cách CSV-thiết bị càng ngắn càng tốt. Trường hợp giới hạn là CSV đặt ngay tại vị trí của thiết bị được bảo vệ. Tuy nhiên thông thường CSV cũng có thể được sử dụng để bảo vệ nhiều thiết bị khác xung quanh nó trong phạm vi bảo vệ của mình với điều kiện độ dốc đầu sóng quá điện áp sét tràn vào trạm được giới hạn ở mức cần thiết bằng cách bố trí các hệ thống chống sét cho trạm và các đường dây vào trạm. Yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới việc lựa chọn vị trí đặt của CSV trong trạm chính là vấn đề bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện và TBA. Ngay cả trong trường hợp đường dây không treo DCS thì việc bố trí bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho TBA vẫn hoàn toàn cần thiết để giảm thiểu xác suất xuất hiện các quá điện áp có biên độ rất lớn và đầu sóng rất dốc xâm nhập vào trạm do bị sét đánh trực tiếp. Theo các số liệu thống kê được, thì phần lớn các cú sét đánh xuống hệ thống điện là về phía các đường dây tải điện, làm phát sinh quá điện áp lan truyền theo đường dây đi về phía TBA. Nếu đường dây có treo DCS thì một phần sẽ tản vào đất qua hệ thống nối đất chân cột, phần sóng quá điện áp lan truyền dọc theo dây về trạm sẽ có biên độ và độ dốc giảm thiểu hơn nhiều so với trường hợp đường dây không treo DCS. Do đó điện áp dư trên CSV có biên độ thấp hơn và giảm thiểu nguy cơ gây quá áp trên đối tượng được bảo vệ trong trạm. Trường hợp trạm chỉ có một đường dây đến không treo DCS, thiết bị chống sét nên đặt càng gần thiết bị càng tốt. Đối với trạm có nhiều đường dây không treo DCS nối vào, biên độ và độ dốc sóng quá điện áp sẽ phân chia giữa các đường dây làm giảm mức độ nguy hiểm, tuy nhiên lại làm tăng xác suất sét đánh vào đường dây và quá điện áp biên độ cao lan truyền vào trạm. Ở đây cần lưu ý tính toán tới - 88 - trường hợp trong một số phương thức vận hành, một hoặc một số đường dây bị cắt ra khỏi lưới và có khả năng quá điện áp sét xuất hiện vào những thời điểm này. Khi đó có khả năng một số thiết bị bố trí tại đầu vào đường dây vào trạm hoặc một số thiết bị của trạm nằm ngoài phạm vi bảo vệ của CSV. Tất nhiên sét đánh vào đường dây tải điện bị cô lập thường ít khi gây ra nguy hiểm đối với cách điện cột của nó mà chủ yếu với cách điện của các thiết bị đi kèm như máy cắt, BU, BI phía đường dây. Trường hợp như vậy cần bố trí thêm các thiết bị chống sét ở đầu vào đường dây tương ứng. Do sóng quá điện áp lan truyền từ phía đường dây có treo DCS có biên độ và độ dốc suy giảm nên cho phép bố trí một khoảng cách nhất định từ thiết bị chống sét tới đối tượng bảo vệ. Đối với trạm có một đường dây tới, chỉ cần bố trí một bộ chống sét để bảo vệ cho tất cả các thiết bị trong đó cần ưu tiên bảo vệ MBA, có thể sử dụng công thức (4.7) để xác định khoảng cách cực đại từ thiết bị chống sét đến MBA. Trường hợp trạm có nhiều đường dây có treo DCS nối vào, không nhất thiết phải đặt mỗi MBA một bộ CSV mà có thể phối hợp các phạm vi bảo vệ của các CSV để giảm thiểu số lượng CSV sử dụng. Có thể sử dụng công thức (4.7) để xác định khoảng cách tối đa cho phép. Đối với các TBA có cấu hình phức tạp, cần thiết sử dụng các chương trình máy tính để mô phỏng tính toán lan truyền quá điện áp. Có hai phương pháp để tính toán bảo vệ chống sét của CSV: + Cho trước ngưỡng bảo vệ sét của CSV và khoảng cách CSV-thiết bị, xác định điện áp chịu đựng phối hợp xung sét của cách điện thiết bị. Trị số định mức điện áp chịu đựng xung sét của thiết bị cần có được tính toán bằng cách nhân giá trị trên với hệ số dự phòng lấy bằng 1,15. + Cho trước ngưỡng bảo vệ xung sét và điện áp chịu đựng phối hợp của thiết bị, xác định khoảng cách tối đa giữa CSV- thiết bị. Trị số điện áp chịu đựng phối hợp của thiết bị có được bằng cách lấy trị số định mức điện áp chịu đựng xung sét của thiết bị chia cho một hệ số 1,15. - 89 - Về nguyên tắc, cả hai phương pháp trên yêu cầu phải biết trước dạng xung quá điện áp xuất hiện tại đầu cực thiết bị và trị số điện áp chịu đựng tương ứng với dạng xung quá điện áp này, tuy nhiên, một cách gần đúng, giả thiết rằng các yêu cầu trên luôn được thỏa mãn trong các điều kiện sau đây: +Đối với CSV có khe hở: * Điện áp phóng điện chọc thủng đầu sóng gần bằng với điện áp chịu đựng với xung cắt (chopped) của sóng sét của đối tượng bảo vệ. Và/hoặc: * Điện áp phóng điện chọc thủng xung sét tiêu chuẩn và điện áp dư ứng với dòng phóng điện danh định gần bằng với điện áp chịu đựng xung sét của đối tượng bảo vệ. Với MBA cách điện bằng giấy tẩm dầu, cả hai phương pháp tính toán trên đều cho kết quả gần như nhau. Bên cạnh đó, các MBA lớn có điện dung đầu vào lớn cũng có tác dụng hạn chế độ dốc đầu sóng và do đó bỏ qua không xem xét tới. Trường hợp các thiết bị phía đường dây đầu vào trạm có mức điện áp chịu đựng xung cắt của sóng sét nhỏ hơn 15% điện áp xung toàn sóng thì cần thiết phải xem xét phối hợp cách điện bằng trị số phóng điện chọc thủng đầu sóng. Đối với trạm GIS, sự phản xạ và khúc xạ của sóng trong trạm làm giảm độ dốc đầu sóng và khiến CSV phóng điện ở trị số thấp hơn nhiều điện áp phóng điện đầu sóng. Do đó để đơn giản sẽ bỏ qua hiện tượng phóng điện đầu sóng của CSV. + Đối với CSV không khe hở: Điện áp dư ứng với dòng phóng điện danh định và/hoặc xung dòng điện cực dốc (steep current impulse) gần bằng với điện áp chịu đựng xung sét của thiết bị. Dòng phóng điện qua CSV khi sử dụng trị số quá điện áp đại diện (representative lightning overvoltage) để tính toán bảo vệ chống sét thường có thời gian đầu sóng gần với thời gian 1µs (steep current impulse) hơn là 8 µs (nominal discharge current). Do đó việc sử dụng trị số điện áp dư ứng với xung dòng điện cực dốc (steep current impulse) là hợp lý và trị số quá điện áp sẽ cao hơn khoảng - 90 - 5% so với khi dùng trị số điện áp dư ứng với xung dòng phóng điện danh định (8/20 µs). Phƣơng pháp đơn giản hóa để tính toán bảo vệ chống sét Đối với TBA ngoài trời Với các giả thiết nêu ra ở trên, trị số điện áp chịu đựng phối hợp xung sét của thiết bị có thể được tính toán từ công thức kinh nghiệm sau: (4.5) Trong đó là khoảng chiều dài đường dây trước khi vào trạm cho suất cắt bằng với suất sự cố cho phép, vế phải của phương trình trên được nhân với tỉ số A/N đặc trưng cho độ dốc của sóng quá điện áp đại diện (representative) truyền từ đường dây vào trạm. Ra-suất sự cố (số sự cố trên một đơn vị thời gian) cho phép của đối tượng bảo vệ. r-suất cắt của đường dây trên không (số lần cắt/năm/đơn vị chiều dài đường dây) ứng với từng loại cột trong khoảng 1km đầu tiên của đường dây trước khi vào trạm. A-trị số điện áp ứng với bảng 4.2 về chỉ tiêu chịu sét của đường dây trên không nối vào trạm N-số lượng ĐDK nối vào trạm (N=1 hoặc N=2) Ucw-trị số điện áp chịu đựng phối hợp đối với xung sét Upl-ngưỡng bảo vệ xung sét của CSV. Lt-tổng chiều dài d+d1+d2+dA Lsp-chiều dài khoảng cột Trị số suất sự cố cho phép thông thường của thiết bị vào khoảng 0,1%- 0,4%/năm. Đối với các đường dây ở lưới phân phối, suất cắt thường khá lớn so với trị số suất sự cố cho phép của thiết bị, tức là chiều dài đoạn dây Lf rất nhỏ do đó có thể bỏ qua và công thức tính toán trở thành - 91 - (4.6) Hình 4.2. Truyền sóng trong trƣờng hợp trạm không có lƣới nối đất (trạm treo) Hình 4.3. Truyền sóng trong trƣờng hợp trạm có lƣới nối đất Trong đó d-khoảng cách giữa điện cực cao áp của thiết bị được bảo vệ và điểm đấu của chống sét. d1-chiều dài thanh dẫn cao áp của chống sét d2-chiều dài dây dẫn nối đất dA-chiều dài chống sét Ze-tổng trở nối đất T-đối tượng bảo vệ U-sóng quá điện áp lan truyền vào trạm Lƣu ý: Công thức gần đúng trên biểu diễn sụt áp trong hệ đơn vị tương đối dựa trên chỉ tiêu chống sét của đường dây trên không nối với thiết bị, cấu hình trạm và suất sự cố cho phép. Hằng số A được xây dựng căn cứ vào những hiểu biết đã có về chỉ tiêu chịu sét của đường dây cũng như tác dụng của vầng quang trên đường - 92 - dây tải điện. Kết quả tính toán từ công thức tương đối phù hợp với các phạm vi bảo vệ theo kinh nghiệm vận hành đường dây và trạm. Công thức trên chỉ đúng trong các điều kiện đã chỉ ra trong mục 4.1.4.2, không áp dụng cho trƣờng hợp sóng quá điện áp có dạng khác dạng đã đề cập đến ở trên. Trường hợp đã biết trị số định mức điện áp chịu đựng phối hợp xung sét của thiết bị, phạm vi bảo vệ của chống sét được xác định dựa trên công thức sau: (4.7) Trong đó Lp-phạm vi bảo vệ Urw-điện áp định mức chịu đựng xung sét của thiết bị được bảo vệ Công thức trên cũng đề xuất khả năng tăng phạm vi bảo vệ của chống sét, khi các thông số của trạm đã xác định, có thể: -Tăng độ chênh lệch giữa trị số định mức điện áp chịu đựng xung sét của thiết bị và ngưỡng bảo vệ của chống sét. -Giảm suất cắt của đoạn đường dây dẫn vào trạm, tương ứng với việc tăng cường Lf , tức treo dây chống sét ở một số đoạn đường dây trước khi vào trạm và giảm điện trở nối đất chân cột. -Tăng suất sự cố cho phép với thiết bị. Bảng 4.3 trình bày một số kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của thiết bị chống sét trong đó các số liệu có gạch chân là các kết quả thường được sử dụng trong thực tế. Phạm vi bảo vệ 160m và 180m thường được sử dụng đối với các trạm có treo DCS ở một số đoạn trước trạm và sử dụng chống sét đặt ở MBA để bảo vệ chung cho các thiết bị phía đầu vào đường dây. - 93 - Bảng 4.2: Hằng số điện áp A cho một số dạng đƣờng dây trên không A kV Đƣờng dây phân phối (phóng điện pha-pha) +Có xà nối đất +Cột gỗ Đƣờng dây truyền tải (phóng điện pha-đất) +Dây đơn +Dây pha phân đôi +Dây pha phân bốn +Dây pha phân 6 và 8 900 2700 4500 7000 11000 17000 Đối với trạm GIS Với trạm biến áp kiểu kín (GIS), nhìn chung việc thực hiện bảo vệ chống quá điện áp sẽ thuận lợi hơn so với trạm biến áp ngoài trời do có tổng trở sóng nhỏ hơn nhiều so với đường dây trên không. Tuy nhiên để đưa ra những quy tắc chung nhằm ước lượng mức độ cải thiện về độ an toàn giữa trạm GIS và trạm ngoài trời là rất khó khăn. Nếu vẫn sử dụng công thức tính toán trên cho trạm ngoài trời sẽ dẫn tới kết quả tương đối “bi quan” so với cần thiết. Do đó có thể giảm giá trị A trong bảng 4.2 đi 2 lần để sử dụng tính toán với trạm GIS. Một quy tắc chung khi xem xét bảo vệ trạm GIS đó là phải bố trí chống sét van tại đầu đường dây nối vào trạm để bảo vệ trạm ngay cả trong trường hợp MC phía đường dây hở mạch. Ngoài ra có thể bố trí thêm CSV tại MBA trong trường hợp khoảng cách từ MBA tới CSV tại đầu vào quá xa hoặc có khả năng xảy ra quá điện áp tại MBA trong trường hợp CSV đầu vào bị cắt ra. Để tăng cường khả năng bảo vệ đối với các xung đầu sóng ngắn, cần bố trí thêm CSV trong trạm GIS để hạn chế tăng áp do truyền sóng trong đoạn giữa CSV đặt bên ngoài trạm và MBA. Khi tính toán phạm vi bảo vệ bằng công thức xấp xỉ ở trên và dẫn tới kết luận phải đặt thêm CSV trong trạm, lúc đó thay vì áp dụng, phải thực hiện tính toán lại cụ thể quá trình truyền sóng trong trạm để tính toán các thông số lựa chọn CSV. - 94 - Vấn đề bảo vệ chống quá điện áp trạm GIS với đầu sóng cực dốc thường không khả thi do xuất hiện các thành phần tần số cao và do hiện tượng trễ trong cơ chế dẫn điện của CSV oxit kim loại. Chống sét van loại có khe hở sẽ không phóng điện. Bảo vệ trạm kết nối bằng cáp Cũng tương tự như với trạm GIS, với cùng kích thước thì trạm kết nối bằng cáp dễ thực hiện bảo vệ chống quá điện áp hơn so với trạm ngoài trời. Tuy nhiên ở đây cũng không thể đưa ra các quy tắc định lượng tổng quát. CSV nên được lắp đặt ở các đầu nối ĐDK và cáp. Cũng có thể sử dụng công thức ước lượng với trạm ngoài trời ở trên để tính toán phạm vi bảo vệ “bi quan” của CSV. Trong trường hợp có nhiều hơn 1 đường dây nối vào trạm qua cáp tại thời điểm sét đánh thì các CSV này có đủ khả năng bảo vệ cho trạm. Nếu trong một số phương thức vận hành có khả năng đoạn cáp nối với trạm bị hở mạch ở cuối hoặc chiều dài đoạn cáp dài hơn cỡ 5 lần trị số tính toán được bằng công thức (4.7) thì cần thiết bố trí thêm một CSV ở đầu cuối đoạn cáp đó. Với đoạn cáp nối với đường dây trên không qua trạm thì cũng cần áp dụng những nguyên tắc nêu trên. Bảo vệ cáp điện lực Nếu chiều dài đoạn cáp liên lạc giữa hai đường dây trên không dài hơn cỡ 5 lần giá trị tính toán được ở công thức (4.7) thì cần bố trí CSV ở cả hai đầu nối cáp. Đối với cáp có điện áp định mức từ 72,5kV trở lên, cần thiết treo DCS trong một số khoảng cột gần tới đoạn nối cáp (thông thường là 3 khoảng cột) và đảm bảo trị số điện trở nối đất chân cột bé. 4.2. ỨNG DỤNG TIÊU CHUẨN IEC 60099-5 VÀO VIỆC LỰA CHỌN CHỐNG SÉT VAN CỦA LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP Yêu cầu lựa chọn CSV trong lưới trung áp thường rút gọn về lựa chọn thông số sau đây: CSV có khe hở (SiC) - Điện áp định mức - 95 - Đặc tính bảo vệ (Điện áp chọc thủng với xung sét hoặc điện áp dư với dòng phóng điện danh định) CSV không khe hở (ZnO) - Điện áp làm việc cực đại lâu dài (MCOV) - Điện áp định mức (đặc tính V-s tần số công nghiệp) (kiểm tra theo TOV và tTOV) Sau khi chọn được CSV, cần kiểm tra phối hợp cách điện của thiết bị (BIL). Ở đây chỉ kiểm tra được cho trường hợp sơ đồ trạm đơn giản (1 MBA, 1 hoặc 2 lộ tới). Các trường hợp phức tạp hơn, thường yêu cầu mô phỏng cụ thể bằng chương trình máy tính (EMTP) Ví dụ xem xét một xuất tuyến của lưới điện tỉnh Hưng Yên Sơ đồ một sợi của xuất tuyến 372 từ trạm E8.3 (lƣới điện 22 kV, trung tính nối đất trực tiếp) Hình 4.4. Sơ đồ một sợi của xuất tuyến 372 E8.3 Sơ đồ thay thế của xuất tuyến 372 từ trạm E8.3 trong ATP-EMTP (lấy MBA nguồn tỉ số biến áp định mức 115kV/27,5kV) Liªn Ph•¬ng 4 633 AC70/0,46 320 An ChiÓu 1-LP 629 6x100 kVAr BTS UBND X· Thñ Sü ac50/1.17 Qu¶ng Ch©u 4 160 7 a c 50 /0. 63 4 24 ac50/0.06 ac50/0.03 M48/0.03 ac50/0.04 ac50/1.5 AC 50 /0. 01 ac50/1.312 ac 50 /0. 21 6 ac50/0.42 372 E8.3 CD1 10 CD665 CD640 Ph•¬ng Th«ng-PC Ph•¬ng §é-HN 180 Cty cÊp n•íc 5 180 Thèng NhÊt-TS 180 Lª b·i-TS 100 B·i GiÕng1 15 11 637A L§2 ac 50 /0. 14 ac 50 /0. 78 320 B.Ba Hµng-TS 320180 B.ThÊt Viªn-TS 160 Qu¶ng Ch©u 3 180 12 Qu¶ng Ch©u 2 §§ 66 5 ac 50 /1. 7 B·i GiÕng2 665A 180 18B CD1 100 661655 645 639 50 ac50/2.305 17 16 m 48 631 CDPT B.Hång Nam 180 Phè HiÕn 160 629 Qu¶ng ch©u 1 180 320 Hång Nam Ph•¬ng chiÓu ac 50 /0. 02 ac 50 /1. 08 3 ac 50 /0. 3 M48/0.015 180 B.Cèng V©n-PC 2x180 An ChiÓu 2-LP 320 ac50/0.08 627 §ay&May 250 4A BTS Hång Nam - 96 - Hình 4.5. Sơ đồ thay thế trong ATP-EMTP của xuất tuyến 372 E8.3  Ngắn mạch tại đầu xuất tuyến (trạm E8.3) Hệ số quá áp tại đầu nguồn Hình 4.6. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn BCT Y Y 661 AC120 655 AC120 645 AC120 639 A C 12 0 637A A C 12 0 A C 50 629 631 A C 12 0 5 A C 50 10 A C 50 11 AC50 16 AC50 A C 50 17 AC50 18B AC50 24 AC50 12 AC50 7 AC50 665A AC120 4A A C 50 C 50 B320 B C T Y B250BCT Y AC50 B180BCT Y 15 AC50 B100BCT Y A C 50 B100BC T Y AC50 B180BCT Y A C 50 B180BC T Y A C 50 B180BC T Y C 50 B320BC T Y AC50 B320BCT Y A C 50 B180BCT Y A C 50 B180BC T Y 633 C 50 B320BC T Y A C 50 B180BCT Y B180BCT Y A C 50 B160 B C T Y A C 50 B50BC T Y A C 50 B180 B C T Y B180BC T Y B180BC T Y A C 50 B160 B C T Y KT2 AC50 B160BCT Y B320BC T Y V V (f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :665AA v :665AB v :665AC 0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms] -30 -20 -10 0 10 20 30 40 [kV] - 97 - Hình 4.7. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp xa nhất (Quảng Châu 3) Nhận xét: Khi ngắn mạch chạm đất một pha tại đầu nguồn (pha A), điện áp các pha lành không vượt quá trị số điện áp pha cực đại  Ngắn mạch tại điểm xa nhất (phía cao áp trạm biến áp Quảng Châu 3) 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) 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) (f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :KT2A v :KT2B v :KT2C 0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms] -30 -20 -10 0 10 20 30 40 [kV] (f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :665AA v :665AB v :665AC 0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms] -30 -20 -10 0 10 20 30 [kV] (f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :KT2A v :KT2B v :KT2C 0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms] -30 -20 -10 0 1 20 30 40 [kV] - 98 -  Ngắn mạch tại một điểm trung gian trên xuất tuyến Ta chọn tính toán cho một chạm bất kỳ, chẳng hạn TBA Liên Phương 4 Hình 4.10. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn (ngắn mạch pha A tại Liên Phƣơng 4) Hình 4.11. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp Liên Phƣơng 4 (ngắn mạch pha A tại Liên Phƣơng 4) Nhận xét: TBA Biên độ điện áp pha lành (kV) Điện áp định mức (kV) Hệ số quá áp (p.u) E8.3 21,55 21,45 1,002 Quảng Châu 3 23,42 21,45 1,09 Liên Phương 4 22,12 21,45 1,03 Lƣu ý: Trị số định mức được so sánh với biên độ điện áp pha lành ở chế độ bình thường - Các pha lành tại trạm đầu nguồn không bị quá điện áp (f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :665AA v :665AB v :665AC 0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms] -30 -20 -10 0 10 20 30 [kV] (f ile luoi_hy .pl4; x-v ar t) v :633A v :633B v :633C 0 10 20 30 40 50 60 70 80[ms] -35 -25 -15 -5 5 15 25 [kV] - 99 - - Các pha lành tại trạm Quảng Châu 3 bị quá áp với hệ số 1,09 - Các pha lành tại trạm Liên Phương 4 bị quá áp với hệ số 1,03 Thời gian tồn tại quá điện áp trên các pha lành này phụ thuộc vào thời gian làm việc của bảo vệ chống ngắn mạch một pha. Thông thường, các xuất tuyến của lưới phân phối có dạng hình tia, bảo vệ của nó chủ yếu là loại quá dòng điện có thời gian phụ thuộc được phối hợp chọn lọc cho các phân đoạn của xuất tuyến, cùng với rơ le chống chạm đất độ nhạy cao. Rơ le quá dòng điện có thời gian phụ thuộc Các cấp chọn lọc thời gian dự phòng thường lấy ∆t= 0,4 - 0,5 giây với rơ le số. Do đó, với xuất tuyến có nhiều phân đoạn, thời gian cắt dự phòng sự cố có thể kéo dài. Ví dụ có 5 phân đoạn, thời gian để MC đầu nguồn cắt loại trừ sự cố có thể kéo dài tới t > 5. 0,5 = 2,5 giây. Rơ le chống chạm đất độ nhạy cao Thời gian làm việc từ 2 đến 3,5 giây [5] Chọn CSV cho trạm biến áp Quảng Châu 3 Nếu xét trường hợp điện áp đầu nguồn thay đổi trong khoảng (0,9 - 1,05)Uđm thì trị số điện áp trên pha lành tại trạm Quảng Châu 3 có thể đạt tới Umax= 1,05. 1,09. 21,45 = 24,55 (kV) trong khoảng thời gian tồn tại sự cố lấy bằng 2 giây.  Lựa chọn CSV có khe hở o Điện áp định mức của CSV có khe hở phải luôn luôn lớn hơn trị số điện áp cực đại tại điểm đặt CSV, do đó Uđm ≥ 24,55 / = 17,36(kV) o Lựa chọn dòng phóng điện danh định (loại 5kA hoặc 10kA): phụ thuộc trị số dòng sét (biên độ, dạng sóng cùng với xác suất xuất hiện, mật độ sét tại nơi đặt trạm) o Phối hợp cách điện với thiết bị trạm (chủ yếu là MBA- BIL): xác định khoảng cách tối đa từ CSV - MBA, tỉ số bảo vệ (protection ratio) (yêu cầu ≥ 1,2 [12]) - 100 -  Lựa chọn CSV không khe hở o Điện áp làm việc cực đại lâu dài (MCOV) Uc ≥ 1,05. 21,45/ = 15,93 (kV) o Quá điện áp tạm thời (TOV) quy đổi về thời gian 10s theo công thức (4.1) ta có: o Lựa chọn dòng phóng điện danh định (loại 5kA hoặc 10kA): phụ thuộc trị số dòng sét (biên độ, dạng sóng cùng với xác suất xuất hiện, mật độ sét tại nơi đặt trạm) o Phối hợp cách điện với thiết bị trạm (chủ yếu là MBA- BIL): xác định khoảng cách tối đa từ CSV - MBA, tỉ số bảo vệ (protection ratio) (yêu cầu ≥ 1,2 [12]) Trị số điện áp định mức của CSV được chọn phải thỏa mãn (kV) Từ các kết quả tính toán nêu trên ta có thể lựa chọn các CSV do Siemens sản xuất có thông số như sau: CSV có khe hở: 3EG4 180-0A hoặc 3EG4 180-0B Điện áp định mức Điện áp phóng điện chọc thủng xung sét tiêu chuẩn Điện áp dƣ với dòng phóng điện 5kA kV kV kV 18 60 60 CSV không khe hở: 3EH2 220 Điện áp định mức MCOV Điện áp dƣ với dòng phóng điện 5kA (8/20) kV kV kV 22 17,5 72 - 101 - Lựa chọn CSV cho TBA Liên Phƣơng 4 Nếu xét trường hợp điện áp đầu nguồn thay đổi trong khoảng (0,9 - 1,05)Uđm thì trị số điện áp trên pha lành tại trạm Liên Phương 4 có thể đạt tới Umax= 1,05. 1,03. 21,45 = 23,20 (kV) trong khoảng thời gian tồn tại sự cố tạm lấy bằng 1 giây.  Lựa chọn CSV có khe hở o Điện áp định mức của CSV có khe hở phải luôn luôn lớn hơn trị số điện áp cực đại tại điểm đặt CSV, do đó Uđm ≥ 23,20 / = 16,40(kV) o Lựa chọn dòng phóng điện danh định (loại 5kA hoặc 10kA): phụ thuộc trị số dòng sét (biên độ, dạng sóng cùng với xác suất xuất hiện, mật độ sét tại nơi đặt trạm) o Phối hợp cách điện với thiết bị trạm (chủ yếu là MBA- BIL): xác định khoảng cách tối đa từ CSV - MBA, tỉ số bảo vệ (protection ratio) (yêu cầu ≥ 1,2 [12])  Lựa chọn CSV không khe hở o Điện áp làm việc cực đại lâu dài (MCOV) Uc ≥ 1,05. 21,45/ = 15,93 (kV) o Quá điện áp tạm thời (TOV) quy đổi về thời gian 10s theo công thức (4.1) ta có: o Lựa chọn dòng phóng điện danh định (loại 5kA hoặc 10kA): phụ thuộc trị số dòng sét (biên độ, dạng sóng cùng với xác suất xuất hiện, mật độ sét tại nơi đặt trạm) o Phối hợp cách điện với thiết bị trạm (chủ yếu là MBA- BIL): xác định khoảng cách tối đa từ CSV - MBA, tỉ số bảo vệ (protection ratio) (yêu cầu ≥ 1,2 [12]) - 102 - Trị số điện áp định mức của CSV được chọn phải thỏa mãn (kV) Từ các kết quả tính toán nêu trên ta có thể lựa chọn các CSV do GE sản xuất có thông số như sau: [16] CSV không khe hở: 3EH2 220 Điện áp định mức MCOV Điện áp dƣ với dòng phóng điện 5kA (8/20) kV kV kV 21 17 47,6 Lựa chọn CSV cho TBA đầu nguồn Như đã thấy, điện áp trên pha lành tại TBA đầu nguồn không vượt qua trị số điện áp pha cực đại, do đó CSV sẽ được chọn theo điện áp pha cực đại trong chế độ bình thường.  Lựa chọn CSV có khe hở Chọn loại 3EG4 180-0A hoặc 3EG4 180-0B Điện áp định mức Điện áp phóng điện chọc thủng xung sét tiêu chuẩn Điện áp dƣ với dòng phóng điện 5kA kV kV kV 18 60 60  Lựa chọn CSV không khe hở 3EH2 220 Điện áp định mức MCOV Điện áp dƣ với dòng phóng điện 5kA kV kV kV 18 17,5 72 Sau khi lựa chọn xong CSV, ta cần thiết phải kiểm tra phối hợp cách điện xung sét với thiết bị của trạm để đảm bảo CSV có khả năng bảo vệ thiết bị ở một xác suất tin cậy chấp nhận được. - 103 - Nhận xét o Nhìn chung yêu cầu lựa chọn CSV đối với các TBA đầu nguồn nhẹ hơn so với các trạm ở xa nguồn. Mức cách điện lựa chọn tại trạm đầu nguồn giảm nhẹ so với trạm phía cuối nguồn nhiều hay ít phụ thuộc vào mức độ quá áp tạm thời trong các tình huống sự cố (TOV) và yêu cầu phối hợp cách điện với các thiết bị trong TBA. o Như trên đã thấy: hệ số quá điện áp trên pha lành phụ thuộc rất nhiều vào chủng loại dây, chiều dài tuyến dây, thông số MBA, chế độ nối đất trung tính và cấu trúc lưới. Do đó khi tính toán hệ số quá điện áp để lựa chọn cách điện, cần thiết phải tính toán hết các thông số này. Đây là vấn đề tương đối khó thực hiện và thường bị bỏ qua trong thực tế thiết kế quy hoạch. Điều này có lẽ cũng giải thích việc “Quyết định số 1867 NL/KHKT ngày 12 tháng 9 năm 1994 về ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật lƣới trung thế 22kV, Hà Nội” quy định lưới điện 22kV thực hiện trung tính nối đất trực tiếp nhưng cách điện được lựa chọn theo điện áp dây. Tuy vậy, với việc lựa chọn CSV, không nhất thiết việc lựa chọn trị số điện áp định mức cao sẽ đảm bảo CSV làm việc an toàn tin cậy. Bởi vì khi điện áp định mức của CSV được nâng cao, đặc tính bảo vệ của nó cũng tương ứng được nâng cao thêm, tương ứng làm giảm hệ số bảo vệ và dẫn tới QĐA do xung dòng điện sét tại thiết bị có thể vượt quá ngưỡng chịu đựng của nó. - 104 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Lưới trung áp là một khâu trung gian của quá trình truyền tải điện năng từ nơi sản xuất đến hộ sử dụng, có vai trò đặc biệt quan trọng quyết định đến chất lượng điện năng mà người tiêu dùng thụ hưởng. Tuy nhiên, do đặc điểm của nước ta còn khó khăn về kinh tế, vốn đầu tư cho lưới điện còn hạn chế, tốc độ tăng trưởng phụ tải cũng như yêu cầu về chất lượng điện năng lại tăng trưởng quá nhanh nên vấn đề ưu tiên đầu tư phát triển nâng cấp lưới điện trung áp còn nhiều hạn chế. Nhiều yêu cầu nâng cao chất lượng điện áp, độ tin cậy, khả năng bảo vệ, tự động hóa lưới điện còn chưa được quan tâm đúng mức. Một loạt vấn đề kinh tế kỹ thuật với lưới trung áp rất cần đầu tư nghiên cứu để có những hiểu biết cơ bản và đề xuất những hướng thực hiện hợp lý. Vấn đề QĐA trong lưới điện trung áp cũng là vấn đề rất quan trọng vì nó ảnh hưởng tới việc lựa chọn mức cách điện cho thiết bị và việc phối hợp cách điện giữa các thiết bị với nhau. Việc lựa chọn CSV ở lưới này thường thực hiện đơn giản, ít quan tâm xem xét tới các yếu tố ảnh hưởng tới CSV trong quá trình làm việc dẫn tới trong một số tình huống vận hành, CSV có thể bị quá áp và dẫn tới bị phá hủy hoàn toàn. Luận văn đã tập trung nghiên cứu các dạng QĐA trong lưới điện trung áp, các trường hợp gây xuất hiện QĐA nguy hiểm với thiết bị, cũng như nghiên cứu quy trình lựa chọn CSV được đề xuất trong IEC 60099-5 để đề xuất các phương thức thực hiện khi xem xét lựa chọn CSV trong khi quy hoạch thiết kế lưới điện trung áp. Quy trình lựa chọn CSV là một bài toán phối hợp kinh tế-kỹ thuật và có thể phải thực hiện một quy trình gồm nhiều bước lặp lại để tìm ra một mức cách điện hợp lý tại điểm xét. Do một số ưu điểm của mình, CSV loại có khe hở vẫn tiếp tục được sử dụng trong lưới trung áp song song với việc áp dụng ngày càng rộng rãi CSV loại không khe hở. Chính vì vậy quy trình lựa chọn này cần phân biệt với hai loại CSV trên. Trị số điện áp định mức lựa chọn cho CSV loại có khe hở phải luôn cao hơn trị số điện áp đặt lên nó trong mọi tình huống vận hành với điện áp tần số CN. Tuy nhiên, với CSV không khe hở, trị số điện áp định mức này biểu hiện dưới - 105 - dạng một đường đặc tính Vôn-giây tần số CN đặc trưng cho mức độ chịu quá áp tạm thời của các đĩa điện trở của CSV không khe hở và khả năng tản nhiệt của nó. CSV sau khi lựa chọn trị số điện áp định mức, cần thiết chọn trị số điện áp chịu đựng phối hợp làm việc với các sóng QĐA xuất hiện tại điểm đặt. QĐA cần quan tâm xem xét với lưới trung áp là QĐA khí quyển (sét) và QĐA tạm thời (TOV). TOV đặc trưng bởi hệ số QĐA và thời gian tồn tại (tính từ lúc phát sinh tới lúc sự cố được giải trừ). Do điều kiện khả năng và thời gian còn hạn chế nên luận văn chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của QĐA tạm thời gây ra do sự cố ngắn mạch chạm đất một pha. Đây là dạng sự cố có xác suất xảy ra nhiều nhất trong lưới trung áp, hệ số quá áp của nó phụ thuộc vào tỉ số X0/X1 và là dạng sự cố gây ra mức độ quá áp TOV nhỏ nhất trong các nguyên nhân gây ra TOV (sự cố không đối xứng, sa thải phụ tải, backfeeding, hiệu ứng Ferranti, phản ứng của thiết bị điều tốc, điều áp, cộng hưởng điều hòa, cộng hưởng sắt từ). Chính vì vậy thông số CSV lựa chọn theo hệ số quá áp do chạm đất một pha được xem như trị số giới hạn dưới của thông số lựa chọn cho CSV. Hướng nghiên cứu sắp tới của đề tài là mở rộng nghiên cứu mô phỏng quá áp cho các trường hợp gây ra TOV vừa kể ở trên, bao gồm các dạng sự cố không đối xứng phức tạp khác, backfeeding, cộng hưởng điều hòa, cộng hưởng sắt từ, phản ứng của thiết bị điều tốc, điều áp trong trường hợp có sự tham gia của nguồn phân tán (thủy, nhiệt điện) trong lưới trung áp. Với mong muốn hoàn chỉnh nội dung đề tài, tác giả mong được sự nhận xét góp ý của các thầy cô, các đồng nghiệp để bổ sung hoàn thiện cũng như chỉnh sửa các phần nội dung còn chưa chính xác, còn hạn chế và nâng cao hiểu biết các kiến thức trong lĩnh vực chuyên môn ngành điện. - 106 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Bách (2000), “Lƣới điện và Hệ thống điện (Tập 1)”, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [2] Nguyễn Thị Minh Chước (2001), “Hƣớng dẫn thiết kế tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp”, Hà Nội. [3] Nguyễn Văn Đạm (2004), “Mạng lƣới điện (tập 1)”, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [4] Võ Viết Đạn (1972), “Giáo trình Kỹ thuật điện cao áp”, Khoa Đại học Tại chức – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. [5] Trần Đình Long (2000), “Bảo vệ các Hệ thống điện”, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [6] Ngô Hồng Quang (2002), “Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến 500kV”, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [7] Đào Quang Thạch, Phạm Văn Hòa (2007), “Phần điện trong Nhà máy điện và Trạm biến áp”, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [8] Bùi Ngọc Thư (2007), “Mạng cung cấp và phân phối điện”, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [9] Trần Văn Tớp (2002), “Kỹ thuật điện cao áp- Quá điện áp và bảo vệ chống quá điện áp”, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [10] Lã Văn Út (2000), “Ngắn mạch trong Hệ thống điện”, NXB Khoa học và Kỹ thuật. Tiếng Anh [11] ABB Distribution Transformer Guide (2002). [12] ANSI C62.22-1997, “IEEE guide for application of metal-oxide surge arresters for Alternating-Current systems”. [13] Canadian-American EMTP User Group, “EMTP Rule Book”. - 107 - [14] Central Station Engineers of the Westinghouse Electric Coorporation (1964), “Electrical Transmission and Distribution Reference Book”. [15] Hermann W. Dommel (1987), “EMTP Theory Book”. [16] GE Arresters, “Tranquell® Surge Arresters: Product Selection and Application Guide”. [17] A. Haddad, D.F. Warne (2004), IEE Power and Energy Series 40, “Advances in High Voltage Engineering” [18] John Horak , “Zero sequence Impedance of Overhead Transmission Lines”, Basler Electric. [19] IEC 60071-1(1993), “Insulation Coordination- Part 1: Definitions, Principles and Rules”. [20] IEC 60071-2(1996), “Insulation Coordination- Part 2: Application Guide”. [21] IEC 60099-4 (2004), “Surge Arresters – Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for A.C. systems”. [22] IEC 60099-5 (2000), “Surge Arresters – Part 5: Selection and application recommendations”. [23] N. McDonagh et al. PAC World Dublin (2010), “Testing of EST’s 20kV faulted phase earthing system”, MIEI, MIET, ESBI, Ireland. [24] Siemens (2002), “Medium Voltage Equipment – Selection and Ordering Data: Surge Arrester”. [25] Juergen Schlabbach, Karl-Heinz Rofalski (2008), “Power System Engineering- Planning, Design and Operation of Power Systems and Equipment”, Wiley-VCH. [26] Hans Kritian Høidalen (2002), “ATPDraw Manual 3.5”