IV. CHẾ ĐỘ NỐI ĐẤT ĐIỂM TRUNG TÍNH VÀ VẤN ĐỀ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
Điểm trung tính là điểm chung của ba cuộn dây nối hình sao. Việc lựa chọn phương thức làm việc của điểm trung tính xuất phát từ tình trạng của hệ thống khi có chạm đất một pha. Điểm trung tính có thể cách điện đối với đất, nối đất qua cuộn dập hồ quang hay nối đất trực tiếp.
Trong mỗi lưới điện, chế độ làm việc của điểm trung tính đóng một vai trò quan trọng. Nó quyết định tới trị số của dòng điện, điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch một pha và trị số của quá điện áp nội bộ, nghĩa là ảnh hưởng trực tiếp tới việc đảm bảo cung cấp điện ổn định cho khách hàng và chế tạo cách điện cho thiết bị. Do vậy, để đánh giá được những ưu nhược điểm của các lưới có chế độ làm việc của điểm trung tính khác nhau ta dựa chủ yếu vào trị số của dòng và áp trong chế độ ngắn mạch chạm đất một pha.
Chế độ làm việc của điểm trung tính còn phụ thuộc vào cấp điện áp, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến vốn đầu tư cho đường dây và thiết bị. Ở cấp điện áp cao nếu tiết kiệm được cách điện thì vốn đầu tư cho công trình giảm đi đáng kể. Sau đây ta sẽ xét đến từng chế độ làm việc của điểm trung tính trong hệ thống điện.
4.1. Mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất 4.1.1 Tình trạng làm việc bình thường.
Ta xét sơ đồ mạng điện đơn giản bao gồm máy biến áp (hình 1.1), đường dây và phụ tải, các phần tử trên là các phần tử có ba pha đối xứng. Mỗi pha của mạng điện đối với đất có một điện dung phân bố rải dọc theo chiều dài đường dây. Với điện áp không lớn và chiều dài đường dây ngắn, ta coi điện dung này tập trung ởgiữa đường dây và đối xứng giữa các pha. Giữa các pha cũng có điện dung, nhưng ta không xét ở đây vì chúng không ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của điểm trung tính.
Sơ đồ đơn giản mạng điện 3 pha trung tính cách điện với đất
Đồ thị véctơ của điện áp và dòng điện dung ở trạng thái làm việc bình thường. Ở chế độ làm việc bình thường ta có các biểu thức sau:
UA=UB=UC=Upha và lệchpha 1 góc 1200
IcA=IcB=IcC và lệch pha 1 góc 120 0
̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇
Qua các biểu thức trên thấy rằng, tổng dòng điện dung chạy trong đất và điện áp của điểm trung tính đều bằng không.
4.1.2. Khi có một pha chạm đất.
Sơ đồ mạng điện 3 pha trung tính cách đất khi có sự cố chạm đất 1 pha
Sơ đồ mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất có pha C chạm đất trực tiếp và đồ thị véc tơ biểu diễn điện áp, dòng điện dung của nó như hình trên. Dấu “ ’ ” phía trên để biểu thị cho chế độ chạm đất.
Gọi ̇ là sức điện động tổng hợp của mạng và X1,X2, X0 là các điện kháng tổng
hợp thứ tự thuận, nghịch và không của mạng đối với điểm chạm đất. Trị số điện áp các thành phần thứ tự tại điểm chạm đất một pha là:
{ ̇ ̇ ( ) ̇ ̇ ̇ ̇
Đối với mạng điện có trung tính cách điện với đất, điện kháng tổng hợp thứ tự không X0 có trị số rất lớn (coi như bằng vô cùng). Do vậy, lấy giới hạn các
biểu thức trên ta được: {
̇ ̇ ̇ ̇ ̇
Nghĩa là điện áp thứ tự thuận đúng bằng điện áp pha của mạng trước khi chạm đất : { ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ Mặt khác: ̇ ̇ ̇ ̇ Từ đó suy ra: ̇ ̇ ̇ Hoặc ̇ ̇ ̇ ̇ ̇
Từ các kết quả nhận được, có thể coi rằng tại chỗ chạm đất được đặt thêm một điện áp thứ tự không ̇ ̇ . Điện áp của các pha đối với đất là ̇ ̇ ̇ sẽ là tổng hình học của điện áp pha tương ứng trước khi chạm đất ̇ ̇ ̇ điện áp thứ tự không ̇ như sau: { ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ Từ đồ thị ta nhận được: √ √ Và góc lệch pha giữa chúng là : ( ̂ ) ̇ ̇
Với ̇ ̇ là dong điện dụng chạy trên pha A, pha B khi có sự cố chạm đất pha C.
Khi tính gần đúng. | ̇ |
Với C là điện dung các pha so với đất và B = b0 *l là điện dẫn phản kháng của
pha so với đất giá trị tuyệt đối của các pha lành đều bằng điện áp dây.
Ta thấy, điện áp hai pha không có sự cố tăng lên √ lần, nên giá trị dòng điện dung của chúng cũng tăng lên √ lần so với khi chưa chạm đất, tức là
√ ; √ còn dòng điện dung pha chạm đất bằng không . Dòng điện dung tại chỗ chạm đất sẽ là:
Giá trị dòng điện dung tại chỗ chạm đất khi chạm đất một pha được xác định theo công thức sau đây:
Đường dây trên không: ( ) Đường cáp ngầm: ( )
Trong đó: Ud là điện áp dây(kV)
L là chiều dài tổng các đường dây có nối điện với nhau(km). Kết luận:
- Khi xảy ra chạm đất một pha, cho phép lưới điện vận hành trong một khoảng thời gian nhất định (có thể kéo dài tới vài giờ) do điện áp dây không đổi và dòng chạm đất bé. Trong khoảng thời gian này, người ta có thể xác định điểm sự cốvà cô lập ra khỏi lưới.
Đây là một ưu điểm của lưới trung tính cách đất vì nó làm giảm đáng kể thời gian cắt điện của phụ tải, làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng.
- Do dòng chạm đất bé nên hạn chế dòng cảm ứng lớn lên các đường dây thông tin lân cận.
- Tuy nhiên, thực tế vận hành thì có thể đây chỉ là ưu điểm trên lý thuyết bởi lẽ khi xảy ra chạm đất một pha mà vẫn cho phép lưới điện tiếp tục làm việc
thì rất dễ xảy ra thêm sự cố trên pha khác tạo ra sự cố hai pha chạm đất với dòng chạm đất khá lớn. Như vậy, theo quan điểm này thì chưa thể coi lưới điện vận hành với trung tính không nối đất là tốt hơn vận hành nối đất về mặt ảnh hưởng cảm ứng.
- Không phải chi phí đầu tư vào việc nối đất làm việc của hệ thống.
- Do dòng chạm đất bé nên điện áp bước và điện áp tiếp xúc bé nên xét về an toàn điện thì lưới điện trung tính cách đất an toàn hơn lưới trung tính trực tiếp nối đất.
- Do khi chạm đất một pha tam giác điện áp dây không thay đổi nên lưới điện trung tính cách đất thích hợp cho sử dụng phụ tải ba pha đối xứng. Nếu sử dụng các máy biến áp một pha phải đấu vào hai dây pha nên thiết bị đóng cắt phải bố trí trên cả hai dây, điều này làm giảm tính kinh tế khi sử dụng các máy biến áp một pha và giải thích việc sử dụng rộng rãi máy biến áp ba pha trong lưới trung tính cách điện.Tuy nhiên, đối với các mạng điện này không cho phép làm việc lâu dài khi một pha chạm đất vì các lý do sau đây:
- Khi chạm đất một pha, điện áp hai pha còn lại tăng √ lần; do đó những chỗ cách điện yếu có thể bị chọc thủng và dẫn đến ngắn mạch giữa các pha. Để khắc phục nhược điểm này cách điện pha của mạng điện và các thiết bị điện đặt trong mạng phải thiết kế theo điện áp dây, tương ứng với việc tăng giá thành của thiết bị.
- Trong thực tế sự cố chạm đất là không lý tưởng. Do đó, dòng điện dung sẽ sinh hồ quang gây hư hỏng vĩnh viễn cách điện.
- Với một trị số dòng điện dung nhất định, hồ quang có thể cháy lập loè. Do mạng điện là một mạch vòng dao động R-L-C, hiện tượng cháy lập loè dẫn đến quá điện áp cộng hưởng trên các pha không bị chạm đất, có thể tới 2,5 đến 3 lần điện áp pha định mức. Do đó, cách điện các pha không chạm đất dễ dàng bị chọc thủng, dẫn đến ngắn mạch giữa các pha, mặc dù cách điện đã được chế tạo theo điện áp dây. Hiện tượng chọc thủng cách điện này xảy ra với xác suất lớn khi dòng điện dung lớn hơn khoảng 5-10A. Vì vậy, khi mạng điện không có bảo vệ
rơ le cắt chạm đất một pha thì phải có thiết bị kiểm tra cách điện để phát hiện chạm đất một pha và kịp thời sửa chữa.
4.2. Mạng điện ba pha trung tính nối qua cuộn dập hồ quang
Cuộn dập hồ quang là cuộn cảm có thể thay đổi điện kháng bằng cách thay đổi số vòng dây hay khe hở của lõi thép. Ở tình trạng làm việc bình thường, giống như trường hợp trung tính cách điện với đất, tổng dòng điện dung chạy trong đất bằng và điện áp điểm trung tính bằng không. Do đó điện áp đặt lên cuộn dập hồ quang và dòng điện chạy qua nó cũng có trị số bằng không.
Khi xảy ra chạm đất pha A, điện áp điểm trung tính cũng là điện áp trên cuộn dập hồ quang, xuất hiện dòng điện mang tính cảm chạy trong cuộn dập hồ quang IL(chậm sau điện áp điểm trung tính 90
0
).
Xét trường hợp điện trở của cuộn Petersen rất nhỏ và chiều dài đường dây ngắn, thành phần tác dụng của dòng điện chạm đất không đáng kể. Dòng điện IL
sẽ cân bằng dòng điện dung của đường dây tại điểm chạm đất, nếu điều khiển điện kháng của cuộn dập hồ quang ở giá trị thích hợp thì dòng điện tại chỗ chạm đất có thể bằng không. Do vậy, nhờ cuộn kháng trên hồ quang tại chỗ chạm đất có thể bị dập tắt, không làm nguy hiểm đến cách điện của thiết bị.
Tuy nhiên, trong thực tế vận hành lưới điện, việc thay đổi phương thức cấp điện hoặc đóng cắt đường dây sẽ làm cho khoảng cách về đường dây thay đổi dẫn đến dòng điện dung tổng thay đổi. Do đó, việc điều khiển điện kháng của cuộn dập hồ quang để dòng điện tại chỗ chạm đất triệt tiêu là rất khó khăn và hầu như không thể thực hiện được do không thể xác định chính xác trị số | | điện dung tổng C và thực tế cuộn Petersen còn có một điện trở nào đó nên ILkhông thực sự vuông góc với IC. Hơn nữa việc bù đủ dòng điện dung còn
dẫn tới một nguy cơ nguy hiểm là dẫn tới phát sinh các quá điện áp do dao động cộng hưởng. Do đó thường điều chỉnh cuộn Petersen để còn lại một trị số nào đó để tránh cộng hưởng và tăng độ nhạy cho rơ le cảnh báo chạm đất cho nhân viên vận hành trạm biết kịp thời để có kếhoạch xử lý.
Như trên đã phân tích, việc điều khiển điện kháng của cuộn dập hồ quang đến một giá trị thích hợp theo sự thay đổi của dòng điện dung của đường dây là hết sức khó khăn. Do vậy, phải lựa chọn được một giá trị thích hợp để cuộn dập hồ qua phát huy được hiệu quả cao nhất. Khi Ic >IL , tức bù thiếu thì khi có một số
đường dây bị cắt, trị số IC - IL giảm có thể không đủ cho bảo vệ làm việc hoặc
dẫn đến tình trạng cộng hưởng. Ngược lại, khi Ic < IL (tức bù thừa) thì khi có
một số đường dây bị cắt sẽ làm tăng giá trị IC - IL, đồng nghĩa với việc rơ le
bảo vệ dễ dàng nhận biết được tình trạng chạm đất một pha trong mạng điện. Như vậy, trong mạng ba pha trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang thì cần phải điều chỉnh cuộn kháng sao cho Ic >IL.
Xét trường hợp điện trở của cuộn Petersen rất lớn và chiều dài đường dây dài, thành phần tác dụng của dòng điện chạm đất là đáng kể. Thông thường người ta cũng điều chỉnh sao cho điện cảm của kháng điện LK ở chế độ cộng
hưởng, nghĩa là:
Trong đó: LK là điện cảm của cuộn Petersen
Cđ là điện dung của pha chạm đất so với đất
Khi ấy dòng điện tại chỗ chạm đất chỉ còn thành phần tác dụng:
R0- điện trở tác dụng của cuộn Petersen.
Trong trường hợp này, dòng điện chạy qua chỗ chạm đất cũng có thể bé hơn trị số tự dập tắt của hồ quang nên hồ quang không phát sinh tại chỗ chạm đất. Vì vậy cuộn Petersen được nhiều nước trên thế giới sử dụng trong lưới trung
áp để hạn chế hậu quả của chạm đất một pha. Với các lưới trung áp có tổng chiều dài đường dây lớn hoặc lưới cao áp, trị số dòng điện tác dụng tại vị trí chạm đất có thể vượt quá ngưỡng tự dập tắt của hồ quang nên việc sử dụng cuộn Petersen không còn phát huy được tác dụng.
Kết luận:
- Do lưới điện này khống chế dòng chạm đất nên không cần thiết loại trừ ngay lập tức sự cố xảy ra nên phụ tải vẫn được cấp điện trong một khoảng thời gian nhất định. Nói chung xét về độ tin cậy cung cấp điện thì lưới điện này khá tốt nhờviệc tự động dập tắt hồ quang của cuộn dây. Tuy nhiên, tính hiệu quả hoàn toàn không thể đạt được do có khả năng xảy ra cộng hưởng.
- Do dòng chạm đất được khống chế ở trị số bé nên điện áp bước và điện áp tiếp xúc cũng ở trị số thấp tăng tính an toàn cho người và thiết bị.
- Cũng do dòng chạm đất bé nên ít ảnh hưởng đến đường dây thông tin. Ưu điểm này nổi bật hơn so với lưới trung tính cách điện với đất do số lần chuyển từchạm đất một pha sang ngắn mạch nhiều pha là ít hơn rất nhiều (vì có cuộn dập hồquang khống chế dòng chạm đất).Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm trên ta nhận thấy lưới điện có trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang có những hạn chế như sau:
- Cũng giống như lưới trung tính cách điện đối với đất, khi chạm đất một pha điện áp hai pha lành cũng tăng lên điện áp dây. Vì vậy, cách điện cũng phải chọn theo điện áp dây.
- Cuộn dập hồ quang trong lưới điện kiểu này thường phải điều chỉnh thường xuyên bằng tay hay tự động để thích nghi với cấu trúc lưới khi vận hành - điều này làm phức tạp, tốn kém trong công tác quản lý vận hành cũng như tăng chi phí đầu tư ban đầu.
4.3. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện trở nhỏ
Để hạn chế dòng điện ngắn mạch, người ta nối đất điểm trung tính qua điện trở Rđ. Do giảm được dòng điện ngắn mạch đối với đất nên giảm được tác động cơ, nhiệt của nó đối với các thiết bị và giảm tác động gây nhiễu với các đường
dây thông tin, đồng thời làm cho quá điện áp nội bộ trong mạng tắt dần nhanh hơn. Việc thực hiện nối đất qua điện trở còn có ưu điểm là thực hiện đơn giản. Song nhược điểm của nó là có tổn thất công suất trên điện trở và tác dụng hạn chế dòng điện ngắn mạch kém do trong các mạng điện cao áp các phần tử có điện kháng thường lớn hơn rất nhiều so với điện trở.
4.4. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện kháng nhỏ
Đặc điểm tương đối phức tạp của phương thức này là:
- Kết cấu điện kháng hạn chế XK phức tạp hơn nhiều so với điện trở.
- Hiệu quả chủ yếu của phương thức nối đất này là hạn chế dòng điện thứ tự không của mạng điện. Trong hệ thống điện việc nối đất điểm trung tính chỉ được thực hiện tại một số điểm trung tính của máy biến áp do yêu cầu về giảm dòng ngắn mạch một pha.
Khi thực hiện nối đất qua trở kháng cũng sẽ cho phép tăng được điện trở nối đất của toàn trạm biến áp ở những nơi có điện trở suất của đất lớn. Việc dập tắt hồqua của mạng điện này cũng tương tự như mạng điện có trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang, tuy nhiên hiệu quả của nó kém hơn.
Hình thức nối đất điểm trung tính qua điện trở hoặc điện kháng cùng có chung một mục đích giảm dòng ngắn mạch một pha. Do vậy ngoài những đặc điểm đã phân tích như trên, nó còn có các đặc điểm sau:
- Dòng chạm đất lớn (hàng trăm ampe) nên việc thực hiện bảo vệ rơ le thuận lợi như trong lưới trung tính nối đất trực tiếp. Mặc dù độ nhậy của bảo vệ kém hơn nhưng vẫn đủ để bảo vệ rơ le khởi động.
- Việc sử dụng cuộn điện kháng hay điện trở giúp ta có thể kiểm soát được dòng sự cố. Bảo vệ rơ le cảm nhận được và cắt ngắn mạch loại trừ sự cố sớm thì sốlượng hỏng hóc sẽ giảm và có lẽ sẽ được hạn chế (sự cố sẽ hạn chế không ảnh hưởng đến pha khác). Điều này sẽ hạn chế khả năng phá hủy bởi nhiệt của dòng sự cố, giảm chi phí sửa chữa, giảm tần suất hay kéo dài thời gian bảo quản máy cắt.
- Trong lưới điện kiểu này, khi một pha chạm đất thì điện áp của các pha lành có thể tăng lên bằng điện áp dây. Vì vậy, cách điện của hệ thống vẫn phải được thiết kế để chịu được điện áp dây.
- Do dòng chạm đất lớn nên bảo vệ rơ le sẽ tác động cắt sự cố làm gián đoạn cung cấp điện. Vì vậy, nếu xét về độ tin cậy cung cấp điện thì thấp hơn lưới trung tính cách đất.
- Lưới điện nối đất kiểu này có dòng chạm đất lớn so với lưới trung tính cách đất nên kém an toàn hơn, nhưng lại an toàn hơn so với lưới trung tính trực tiếp nối đất vì dòng chạm đất của nó bé hơn lưới trực tiếp nối đất.
- Cuộn dây thứ cấp của máy biến áp nguồn phải đấu Y0 hoặc phải có thiết bị
tạo trung tính giả, điều này gây khó khăn cho việc lựa chọn máy biến áp nguồn nguồn hoặc tăng chi phí đầu tư thiết bị tạo trung tính giả.
- Do lưới điện này là lưới ba pha, ba dây nên chỉ cấp điện cho các phụ tải ba pha hoặc một pha sử dụng điện áp dây.
4.5. Mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp
Dòng chạm đất khi pha A chạm đất là: ̇
Điện áp các pha: , ̇ ̇ ( ) Tỉ số ( )
có trị số bé hơn 1. Vì vậy, nếu X0 > X1 ta có các giá trị của ̇ ̇ , ̇ ̇ .
Nếu X0 > X1 ta có các giá trị của ̇ ̇ , ̇ ̇ .
Khi
thì điện áp ̇ luôn có giá trị lớn hơn 0.8Ud, tức là lúc đó ta có
hệ thống đã đạt tới nối đất hiệu quả.
Thực tế các hệ thống, với 1km đường dây X0 > X1 nên khi chiều dài đường
dây tăng thì tỷ
sốcũng tăng và có thể vượt quá giá trị , có nghĩa là lúc này nối đất trực tiếp không phải là nối đất hiệu quả (ngay cả khi điện trở nối đất bằng 0) và không thể chọn cách điện của thiết bị theo điện áp pha được.
Ngày nay ở Việt Nam cũng như trên thế giới, phương thức nối đất trực tiếp được nhiều nước áp dụng không chỉ cho những cấp điện áp cao (U ≥ 110kV) mà còn được áp dụng cho các lưới điện trung thế bởi những hiệu quả rõ rệt mà trong thực tế vận hành đã chứng minh được điều đó.Ở lưới điện có trung tính cách đất, khi xảy ra chạm đất một pha sẽ sinh ra hiện tượng hồ quang cháy lập loè không ổn định, hiện tượng này là nguyên nhân dẫn đến quá điện áp, có thể lên đến 2,5-3 lần điện áp định mức. Trong mạng điện 6-20kV, dự trữ cách điện lớn, vì vậy quá điện áp do hồ quang cháy lập loè không nguy hiểm. Tuy nhiên với lưới điện 20-35kV có dự trữ cách điện thấp hơn thì quá điện áp có thể làm phá hỏng cách điện ở những vị trí yếu gây nên sự cố ngắn mạch hai pha hoặc ba pha rất nguy hiểm.Các mạng điện có cấp điện áp từ 110kV trở lên đều có trung tính nối đất trực tiếp vì các lý do sau đây:
- Dòng điện dung của nó lớn do điện áp cao và chiều dài đường dây lớn và hiện tượng hồ quang cháy sẽ gây nguy hiểm đến các pha bên cạnh. Mặt khác, dòng chạm đất có thành phần tác dụng không được cuộn dập hồ quang triệt tiêu, do vậy hồ quang khó dập tắt và cuộn dập hồ quang sẽ không còn tác dụng.
pha trong chế độ vận hành bình thường cũng như chế độ sự cố. Đối với mạng điện từ 110kV trở lên, cách điện của đường dây và thiết bị thiết kế ở mức điện áp dây là không kinh tế.Tuy vậy, mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp cũng có những nhược điểm sau:
- Khi xảy ra chạm đất một pha là ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch một pha là rất lớn, rơ le bảo vệ đường dây sẽ tác động cắt đường dây sự cố, làm gián đoạn cấp điện cho phụ tải. Để nâng cao hiệu quả làm việc của mạng điện, nên dùng các bảo vệ theo từng pha hoặc phải trang bị tự động đóng lại cho đường dây vì trong thực tế vận hành phần lớn các sự cố là ngắn mạch một pha và có tính chất thoáng qua.
- Dòng điện ngắn mạch một pha lớn nên thiết bị nối đất phức tạp và đắt tiền. - Dòng ngắn mạch một pha có những trường hợp còn lớn hơn cả dòng ngắn mạch ba pha. Để hạn chế nó phải tăng điện kháng thứ tự không bằng cách không nối đất trung điểm một vài máy biến áp của hệ thống hay nối đất trung tính qua điện trở hoặc điện kháng.
