Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quá điện áp quá độ tác động lên cách điện trạm biếp áp 220 kv thái nguyên

Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác động lên cách điện trạm biến áp 220kV Thái Nguyên, phân tích nguyên nhân và đề xuất giải pháp bảo vệ hiệu quả.

• Tác giả: Ngô Bá Trình
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Tường
• Trường học: Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác động lên cách điện Trạm biến áp 220kV Thái Nguyên
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.2. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 1.2.1. Quá điện áp tạm thời
• 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN VÀ ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN-SÓC SƠN
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN
• 2.1.1. Vai trò của trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên
• 2.1.2. Thông số máy biến áp
• 2.1.3. Thông số kháng điện
• 2.1.4. Thông số tụ điện
• 2.1.5. Thông số chống sét van
• 2.2. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN SÓC SƠN-THÁI NGUYÊN
• 2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN-SÓC SƠN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN
• 3.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ATP-EMTP VÀ MÔ ĐUN ATPDRAW
• 3.1.1. Chương trình ATP-EMTP
• 3.2. MÔ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN SÓC SƠN
• 3.2.1. Mô hình đường dây nghiên cứu quá điện áp đóng cắt
• 3.3. Mô hình trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên
• 3.4. Cài đặt thông số chương trình ATPDraw
• 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP ĐÓNG CẮT
• 4.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN
• 4.1.1. Ảnh hưởng của dòng điện sét tới quá điện áp
• 4.1.2. Quá điện áp trên các pha tại đầu cực máy biến áp
• 4.1.3. Quá điện áp trên đầu cực thiết bị điện trong trạm
• 4.1.4. Sự biến thiên của quá điện áp theo vị trí sét đánh
• 4.1.5. Ảnh hưởng của máy biến áp đo lường kiểu tụ
• 4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP ĐÓNG CẮT
• 4.2.1. Biến thiên của quá điện áp
• 4.2.2. Phân bố điện áp theo phương pháp thống kê
• 4.2.3. Phân bố của quá điện áp 2% dọc theo chiều dài đường dây
• 4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên cứu quá điện áp

Nghiên cứu quá điện áp là một phần quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và ổn định của hệ thống điện. Quá điện áp có thể xuất hiện do nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm cả yếu tố nội tại và bên ngoài. Quá điện áp quá độ là một dạng quá điện áp có thời gian tác động ngắn nhưng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng nếu không được kiểm soát. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các loại quá điện áp và tác động của chúng lên cách điện trạm biến áp, đặc biệt là trạm biến áp 220kV Thái Nguyên.

1.1. Nguyên nhân quá điện áp

Quá điện áp trong hệ thống điện có thể xuất phát từ các nguyên nhân nội tại như thao tác đóng cắt, sự cố, hoặc từ các yếu tố bên ngoài như sét đánh. Quá điện áp tạm thời là loại quá điện áp có thời gian tác động dài, thường xuất hiện do sự cố chạm đất hoặc sa thải phụ tải. Độ lớn của quá điện áp này phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống và phương thức nối đất. Việc hiểu rõ nguyên nhân và cơ chế phát sinh quá điện áp là cơ sở để thiết kế các biện pháp bảo vệ hiệu quả.

1.2. Tác động của quá điện áp

Tác động của quá điện áp lên hệ thống điện, đặc biệt là lên cách điện trạm biến áp, có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị hoặc gián đoạn vận hành. Quá điện áp quá độ, với biên độ lớn và thời gian tác động ngắn, có thể gây ra hiện tượng đánh thủng cách điện. Nghiên cứu này sử dụng phần mềm ATP-EMTP để mô phỏng và phân tích các tác động của quá điện áp lên trạm biến áp 220kV Thái Nguyên, từ đó đưa ra các giải pháp bảo vệ phù hợp.

II. Cách điện trạm biến áp 220kV Thái Nguyên

Cách điện trạm biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và ổn định của hệ thống điện. Trạm biến áp 220kV Thái Nguyên là một trong những trạm biến áp quan trọng trong hệ thống điện quốc gia. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu đựng quá điện áp của cách điện trong trạm biến áp này, đặc biệt là dưới tác động của quá điện áp quá độ và quá điện áp sét.

2.1. Đặc điểm cách điện

Cách điện trong trạm biến áp 220kV Thái Nguyên được thiết kế để chịu được điện áp làm việc lâu dài và các loại quá điện áp khác nhau. Tuy nhiên, dưới tác động của quá điện áp quá độ, cách điện có thể bị suy giảm hiệu suất hoặc thậm chí bị đánh thủng. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp phân tích kỹ thuật để đánh giá độ bền của cách điện và đề xuất các biện pháp cải thiện.

2.2. Phối hợp cách điện

Việc phối hợp cách điện trong trạm biến áp là một yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành. Nghiên cứu này đề xuất các phương án phối hợp cách điện dựa trên kết quả mô phỏng và phân tích quá điện áp. Các giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu rủi ro mà còn tối ưu hóa chi phí thiết kế và vận hành trạm biến áp.

III. Ứng dụng kỹ thuật điện

Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào việc phân tích quá điện áp mà còn ứng dụng các kỹ thuật điện hiện đại để đưa ra các giải pháp thực tiễn. Việc sử dụng phần mềm ATP-EMTP để mô phỏng và tính toán các quá trình quá độ điện từ là một trong những điểm nổi bật của nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng để thiết kế và vận hành các công trình điện khác trong hệ thống điện quốc gia.

3.1. Mô phỏng quá điện áp

Phần mềm ATP-EMTP được sử dụng để mô phỏng các tình huống quá điện áp trong trạm biến áp 220kV Thái Nguyên. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự biến thiên của quá điện áp theo thời gian và vị trí, từ đó giúp xác định các điểm yếu trong hệ thống cách điện. Đây là cơ sở để đề xuất các biện pháp bảo vệ và cải thiện hiệu suất vận hành.

3.2. Đánh giá rủi ro

Nghiên cứu cũng đề cập đến việc quản lý rủi ro điện trong trạm biến áp. Bằng cách phân tích các kết quả mô phỏng, nghiên cứu đưa ra các đánh giá về khả năng chịu đựng quá điện áp của cách điện và đề xuất các biện pháp giảm thiểu rủi ro. Các giải pháp này không chỉ giúp đảm bảo an toàn mà còn tối ưu hóa chi phí vận hành và bảo trì.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện cao áp ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, trong đó các trạm biến áp 220 kV đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải và phân phối điện năng. Tại Việt Nam, trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên là một trong những trạm trọng điểm phục vụ khu vực miền Bắc với tổng công suất 626 MVA, cung cấp điện cho các khu công nghiệp và các tỉnh lân cận. Tuy nhiên, quá điện áp quá độ (transient overvoltage) do các hiện tượng như sét đánh và thao tác đóng cắt đường dây có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến cách điện của trạm, làm giảm tuổi thọ thiết bị và gây ra sự cố vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích và đánh giá các loại quá điện áp khí quyển và quá điện áp đóng cắt tác động lên cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên, từ đó đề xuất các giải pháp phối hợp cách điện và bảo vệ phù hợp nhằm đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy và tối ưu chi phí. Nghiên cứu tập trung vào phân tích quá điện áp quá độ trong giai đoạn 2018-2019, sử dụng dữ liệu thực tế từ trạm biến áp và đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn dài gần 40 km.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế cách điện, hệ thống bảo vệ chống sét và các biện pháp hạn chế quá điện áp, góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giảm thiểu rủi ro sự cố. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ vận hành và bảo trì trạm biến áp, đồng thời mở rộng ứng dụng cho các hệ thống điện cao áp khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về quá điện áp trong hệ thống điện, bao gồm:

• Lý thuyết quá điện áp quá độ (Transient Overvoltage Theory): Phân loại quá điện áp thành quá điện áp khí quyển (do sét đánh) và quá điện áp đóng cắt (do thao tác đóng cắt thiết bị). Quá điện áp khí quyển thường có dạng xung một chiều với biên độ lớn, trong khi quá điện áp đóng cắt có dạng sóng hài bậc cao với biên độ khoảng 2 p.u.

• Mô hình hiệu ứng Ferranti: Giải thích hiện tượng tăng điện áp ở cuối đường dây tải điện khi đóng đường dây không tải, dựa trên các tham số điện trở, điện cảm và điện dung phân bố trên đường dây.

• Mô hình phóng điện sét và tham số thống kê: Sử dụng phân bố logarit chuẩn để mô tả các tham số dòng điện sét như đỉnh dòng, độ dốc đầu sóng, thời gian đầu sóng, dựa trên số liệu thống kê nhiều năm từ các nghiên cứu quốc tế.

• Khái niệm và tiêu chuẩn cách điện: Đánh giá khả năng chịu đựng của cách điện dựa trên các tiêu chuẩn IEC, IEEE và Việt Nam, đồng thời xem xét phối hợp cách điện với hệ thống bảo vệ chống sét.

Các khái niệm chính bao gồm: quá điện áp tạm thời, quá điện áp quá độ, quá điện áp khí quyển, quá điện áp đóng cắt, hiệu ứng Ferranti, tham số phóng điện sét, và phối hợp cách điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng điện từ trường quá độ bằng phần mềm chuyên dụng ATP-EMTP kết hợp mô đun ATPDraw để xây dựng mô hình chi tiết trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống trạm và đường dây với chiều dài 39,9 km, dữ liệu thu thập từ thực tế vận hành và thông số kỹ thuật thiết bị.

Phương pháp chọn mẫu là nghiên cứu toàn diện trên hệ thống thực tế nhằm đảm bảo tính chính xác và khả năng áp dụng thực tiễn. Phân tích dữ liệu dựa trên mô phỏng các trường hợp sét đánh tại nhiều vị trí khác nhau trên đường dây và các thao tác đóng cắt đường dây không tải, hòa đồng bộ.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2018 đến tháng 3/2019, bao gồm các bước: thu thập tài liệu, khảo sát thực tế, nghiên cứu lý thuyết, ứng dụng phần mềm mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Quá điện áp khí quyển tại trạm biến áp: Mô phỏng cho thấy khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét gần trạm, quá điện áp tại đầu cực máy biến áp có thể đạt đỉnh lên tới 150 kV, vượt quá điện áp định mức cách điện. Độ dốc đầu sóng dòng điện sét lên tới 24,3 kA/μs, gây nguy hiểm cho cách điện dọc và ngang trong trạm.

2. Phân bố quá điện áp dọc đường dây: Quá điện áp đóng cắt do thao tác đóng đường dây không tải có biên độ trung bình khoảng 2 p.u, với phân bố điện áp 2% dọc theo chiều dài đường dây dao động từ 1,8 đến 2,1 p.u. Tại vị trí giữa đường dây (cột điện số 62), quá điện áp có xu hướng giảm nhẹ so với đầu cuối.

3. Ảnh hưởng vị trí sét đánh: Quá điện áp tại trạm biến áp thay đổi đáng kể theo vị trí sét đánh trên đường dây. Sét đánh gần trạm gây ra quá điện áp đỉnh cao hơn 30% so với sét đánh xa trạm do tổn hao lan truyền trên đường dây.

4. Tác động của máy biến áp đo lường kiểu tụ: Mô phỏng cho thấy máy biến áp đo lường kiểu tụ làm tăng biên độ quá điện áp sét tại các điểm đo trong trạm lên khoảng 10%, ảnh hưởng đến thiết kế cách điện và bảo vệ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các quá điện áp khí quyển là do dòng điện sét có đỉnh lớn và độ dốc cao, gây ra xung điện áp một chiều với biên độ vượt quá khả năng chịu đựng của cách điện. Quá điện áp đóng cắt phát sinh do năng lượng tích tụ trong hệ thống khi đóng đường dây không tải, tạo ra sóng hài bậc cao với biên độ khoảng 2 p.u.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng phù hợp với các tham số dòng điện sét trung bình từ 24 đến 31 kA và độ dốc đầu sóng từ 20 đến 40 kA/μs. Việc mô phỏng chi tiết vị trí sét đánh và thao tác đóng cắt giúp đánh giá chính xác hơn ảnh hưởng lên cách điện trạm biến áp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên điện áp tại các điểm đo trong trạm và bảng phân bố xác suất quá điện áp dọc đường dây, giúp trực quan hóa mức độ nguy hiểm và hỗ trợ thiết kế bảo vệ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường hệ thống bảo vệ chống sét: Lắp đặt thêm chống sét van tại các vị trí trọng yếu trong trạm biến áp và trên đường dây, nhằm hạn chế quá điện áp khí quyển vượt quá mức cho phép. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể là Công ty Truyền tải điện.

2. Phối hợp cách điện hợp lý: Căn cứ vào kết quả mô phỏng, lựa chọn cách điện có cường độ chịu đựng cao hơn 20% so với mức quá điện áp đỉnh dự kiến, đặc biệt tại các thiết bị máy biến áp và máy biến điện áp đo lường. Thời gian áp dụng trong các dự án nâng cấp và bảo trì.

3. Áp dụng quy trình vận hành an toàn: Xây dựng quy trình đóng cắt đường dây phù hợp, tránh đóng đồng thời các pha khi điện áp đang ở đỉnh cực đại, giảm thiểu quá điện áp đóng cắt. Đào tạo nhân viên vận hành trong 6 tháng.

4. Nâng cao giám sát và đo đạc quá điện áp: Đầu tư thiết bị đo ghi và phân tích xung quá điện áp tự động tại trạm biến áp để theo dõi và đánh giá thực tế, từ đó điều chỉnh các biện pháp bảo vệ kịp thời. Kế hoạch triển khai trong 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm biến áp: Nắm bắt các nguy cơ quá điện áp và biện pháp phòng tránh, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu sự cố.

2. Chuyên gia thiết kế hệ thống điện: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn cách điện và thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét phù hợp với đặc điểm trạm biến áp và đường dây.

3. Nhà quản lý ngành điện: Đưa ra các chính sách đầu tư, nâng cấp hệ thống bảo vệ và quy trình vận hành an toàn dựa trên cơ sở khoa học.

4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp mô phỏng quá điện áp bằng ATP-EMTP và các phân tích chuyên sâu về hiện tượng quá điện áp trong hệ thống điện cao áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Quá điện áp quá độ là gì và tại sao nó nguy hiểm?
   Quá điện áp quá độ là điện áp có biên độ đỉnh vượt quá điện áp làm việc bình thường, tồn tại trong thời gian rất ngắn (vài micro giây đến vài mili giây). Nó có thể gây hư hỏng cách điện, làm gián đoạn vận hành và giảm tuổi thọ thiết bị.

2. Phần mềm ATP-EMTP được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   ATP-EMTP mô phỏng các quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện, giúp phân tích biến thiên điện áp và dòng điện khi có sự cố hoặc thao tác đóng cắt, từ đó đánh giá ảnh hưởng lên cách điện và thiết bị.

3. Hiệu ứng Ferranti ảnh hưởng thế nào đến quá điện áp?
   Hiệu ứng Ferranti làm tăng điện áp ở cuối đường dây khi đóng đường dây không tải, do sự cộng hưởng giữa điện dung và điện cảm của đường dây, có thể gây quá điện áp nội bộ ảnh hưởng đến cách điện.

4. Làm sao để giảm thiểu quá điện áp đóng cắt?
   Có thể giảm thiểu bằng cách điều chỉnh thời điểm đóng cắt, sử dụng máy cắt có khả năng dập hồ quang tốt, phối hợp cách điện và lắp đặt thiết bị bảo vệ phù hợp.

5. Tại sao vị trí sét đánh lại ảnh hưởng đến quá điện áp trong trạm biến áp?
   Vị trí sét đánh gần trạm làm giảm tổn hao lan truyền trên đường dây, dẫn đến quá điện áp đỉnh cao hơn tại trạm, tăng nguy cơ phóng điện và hư hỏng thiết bị.

Kết luận

• Nghiên cứu đã phân tích và mô phỏng thành công các loại quá điện áp khí quyển và đóng cắt tác động lên cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên.
• Quá điện áp sét có biên độ đỉnh lên tới 150 kV và độ dốc đầu sóng cao, gây nguy hiểm cho cách điện trong trạm.
• Quá điện áp đóng cắt có biên độ khoảng 2 p.u, phân bố không đồng đều dọc đường dây 39,9 km.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn cách điện, thiết kế hệ thống bảo vệ và quy trình vận hành an toàn.
• Đề xuất các giải pháp bảo vệ chống sét, phối hợp cách điện và nâng cao giám sát nhằm đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy hệ thống điện.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các trạm biến áp và đường dây tải điện khác trong khu vực. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp thực hiện để nâng cao hiệu quả vận hành và bảo vệ hệ thống điện quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁPTRONG HỆ THỐNG ĐIỆN II.

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.

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. 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. 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.

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. 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. 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.

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. 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., 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.