ĐẶT VẤN ĐỀ Mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài ở một cấp điện áp nào đó và thường được lựa chọn dựa trên điện áp định mức của lưới điện mà thiết bị đó được đấu nối vào. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi lúc lại xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể là do các sự cố chạm đất, do thao tác, do sét. Trong đó quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị. Có ba yếu tố quan trọng như nhau có liên quan đến việc bảo vệ quá áp: thiết kế tổng quan lưới điện, cấp độ cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị (máy biến áp, bộ điều áp, dàn tụ bù,…) trên lưới, thiết bị bảo vệ (chống sét van, dây chống sét).
Khả năng cách điện của hệ thống cơ bản được xác định bởi đặc tính kỹ thuật của các bộ phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn,v.) cộng với cấu trúc, khoảng cách và tất cả các hệ số khác bao gồm trong việc thiết kế hệ thống. Cách điện của một hệ thống phải chịu được điện áp tần số nguồn liên tục trong nhiều năm với nhiều điều kiện khí quyển.Để đảm bảo tính hợp nhất dài hạn của hệ thống, phải thiết kế cho lưới điện chịu được điện áp cao hơn mức bình thường. Tuy nhiên, về mặt kinh tế cũng khó thực hiện được lưới điện có khả năng chịu được điện áp cao như khi có quá áp quá độ. Tương tự cấp cách điện của thiết bị phân phối được thiết kế để chịu được điện áp cao hơn bình thường một chút.
Phương pháp này có hiệu quả đến một mức nào đó, nhưng sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà không thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện BIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế. Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giới hạn lượng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu. Phương pháp này còn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì có thể dựa vào khả năng quá áp nhỏ hơn, và nói chung tạo ra một sơ đồ bảo vệ quá 7 áp tiết kiệm hơn. Các công ty Điện lực đương nhiên cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhưng đều phải tính đến ba yếu tố cơ bản là: phục vụ khách hàng, khả năng chịu đựng điện áp (đặc biệt là quá áp do sét) và yếu tố kinh tế.
Không thể thiết kế một lưới điện có thể đáp ứng được yêu cầu là mọi quá điện áp phải dưới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì như thế sẽ làm cho chi phí vượt quá mức. Do vậy, khi thiết kế một lưới điện, cũng như tính chọn thiết bị lắp đặt trên lưới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá áp, quy trình này dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng quá áp của các thiết bị. Muốn đạt được điều này phải đáp ứng hai bước sau đây: - Thiết kế lưới điện thích hợp để có thể kiểm soát và hạn chế tối thiểu các quá áp. - Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp.
Tổng hợp hai bước trên được gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách điện. Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện của thiết bị, do vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế được phối hợp lưới điện và việc lắp đặt thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lược nhằm mục đích hạn chế quá áp và tránh hoặc giảm thiểu các hư hỏng cách điện. Thiết kế được phối hợp bao gồm: - Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu quả. - Dùng dây, kim thu sét.
- Điều khiển góc thao tác các máy cắt. - Sử dụng các tụ điện xung. Các thiết bị bảo vệ bao gồm : - Khe hở phóng điện. - Các loại van chống sét.
Mục tiêu cơ bản của các bảo vệ quá áp trong hệ thống điện là tránh các hư hỏng cách điện, ngừng làm việc hoặc hư hỏng của thiết bị. CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN Cách điện thiết bị được chia ra làm hai loại: cách điện ngoài và cách điện trong. Vật liệu cách điện thông dụng được sử dụng ở các thiết bị điện hiện nay gồm: - Cách điện ngoài: không khí, gốm, thủy tinh, chất rắn. - Cách điện trong: dầu, SF6, mica, chân không.
Khi bị phóng điện, cách điện ngoài không giống như cách điện trong là bị phá hủy, bởi vì nói chung cách điện ngoài có tính tự phục hồi sau khi bị phóng điện. Ngoài ra, cách điện trong khi bị phóng điện xuyên thủng thường gây hậu quả hư hỏng nặng nề cho thiết bị và có thể hư hỏng vĩnh viễn. Các lý do nêu trên sẽ đưa đến các tiếp cận khác nhau trong bảo vệ quá áp cho cách điện trong và cách điện ngoài của thiết bị. Đối với bảo vệ cách điện ngoài, mục tiêu là tối thiểu số lượng phóng điện cách điện dự kiến với ràng buộc kinh tế.
Với hướng như vậy, nhiều cách tiếp cận tinh vi đã được phát triển nhằm cân nhắc giữa độ tin cậy của hệ thống, là yếu tố liên quan đến sự phóng điện cách điện, và chi phí. Do có nhiều thông số ngoại lai, chẳng hạn như cường độ chống sét và các thông số của đất được thống kê trong thiên nhiên, nên phương pháp được sử dụng là các phương pháp xác suất thống kê. Đối với bảo vệ cách điện trong các phương pháp quyết định được sử dụng với mục tiêu là thiết kế để phóng điện cách điện là không có. Các đặc tính được đơn giản hóa ở trên của cách điện trong và cách điện ngoài không phải luôn tách biệt rõ ràng ở một thiết bị điện.
Cách điện của một thiết bị điện cụ thể là phức tạp.Ví dụ, trường hợp máy biến áp các dây quấn được ngâm trong dầu trong khi các đầu cực được đưa ra ngoài không khí qua các sứ xuyên (điện môi không khí). Khi xem xét khả năng chịu đựng của các thiết bị, không xem xét điện môi nào sẽ bị phóng điện trước. Mặc dù điều này là một phần trong quá trình thiết kế, mà nên đặt câu hỏi với điện áp nào, cách điện của bất cứ phần tử nào của thiết bị cũng sẽ bị phóng điện. KHÁI NIỆM VỀ SÉT Hầu hết các nguyên nhân gây ra quá áp đều có tính quá độ, chỉ kéo dài vài micrôgiây đến vài chu kỳ và có nguồn gốc từ hệ thống hay ngoài hệ thống.
Nguồn bên ngoài chủ yếu là dông sét, một hiện tượng khó dự đoán trước, tạo áp lực đối với các hệ thống. Các nguồn gốc bên trong chủ yếu do thao tác đóng cắt mạch điện và sự cố pha đất. Một nguồn phổ biến là đóng cắt cụm tụ điện nhưng những nguồn quá áp này ít gây áp lực cho thiết bị so với dông sét. Như vậy, mặc dù sóng xung có thể được phát sinh từ trong hệ thống (ví dụ do đóng cắt), nhưng rõ ràng dông sét vẫn là nguyên nhân chính có nguy cơ gây ra quá áp có hại cho hệ thống.
Dông sét là nguồn gốc chính của quá áp có hại trên lưới phân phối, nó có thể được sinh ra do sét đánh trực tiếp hay do cảm ứng. Xung điện áp sinh ra có thể thay đổi từ tăng tương đối nhỏ đến lớn gấp mấy lần điện áp pha đất bình thường nếu cấp cách điện của hệ thống cho phép. Khi sét đánh vào đường dây, một vùng rộng lớn sẽ bị ảnh hưởng xung quanh vị trí sét đánh, vì điện áp vượt hơn mức cách điện định mức của đường dây và hồ quang của dòng sét sẽ chạy xuống đất ngay lập tức. Đồng thời, các sóng điện sét cảm ứng trên dây dẫn sẽ lan truyền đi dọc theo đường dây.
Những sóng điện sét này gồm hai thành phần: điện áp và dòng điện. Biên độ điện áp bằng biên độ dòng điện nhân với trở kháng sóng của đường dây, trị số này nhỏ hơn điện áp phóng điện hồ quang của cách điện hệ thống. Các xung này lan truyền trên đường dây trên không với tốc độ của ánh sáng. Càng nắm được các đặc tính của sét thì việc lắp đặt các thiết bị bảo vệ càng hiệu quả.
Đây là một lĩnh vực mà các nhà khoa học đã có những bước nghiên cứu nhiều tiến triển và các kỹ sư thiết kế có thể phân những xung sét thành những dạng khác nhau dựa vào kích thước và phạm vi của xung quá điện áp. Một xung sét tiêu biểu có xung đầu sóng rất dốc, có nghĩa là điện áp của nó tăng với tỷ lệ cả triệu vôn trên một giây. Thực tế 15% các đỉnh của sét xảy ra dưới 1s. Xung đầu dốc được nối tiếp bởi một đuôi sóng ngắn, nghĩa là 10 sau khi điện áp đạt đỉnh thì thời gian mà sự cố điện áp đó giảm xuống còn một nửa giá trị điện áp đỉnh là trong khoảng thời gian.
Trong khi sét có điện áp vô cùng lớn thì dòng điện sét được đo đạt dựa trên ảnh hưởng của nó trên thiết bị. Các thiết bị nhạy sét như MOV sẽ cho dòng sét chạy qua. Chống sét van MOV có vật mang dòng điện với điện trở giảm rất thấp trong thời gian sét xảy ra. Các thành phần chủ yếu về đặc tính bảo vệ chống sét được thể hiện qua dòng xung phóng điện.
Nhiều thiết bị khoa học hiện đại được dùng để đo lường và ghi lại dòng sét, đã cho thấy phạm vi thay đổi rất rộng của giá trị dòng điện từ: 1000A đến 200kA cho thấy mức độ khó đoán của biên độ sét. Sự nghiên cứu phân tích cho thấy dòng chạy qua chống sét van MOV chỉ khoảng 1/10 tổng giá trị của dòng điện sét nhưng đặc biệt lưu ý là chỉ khoảng 5 số sét trên lưới điện phân phối vượt quá giá trị 10kA. Nhưng dòng điện sét chạy qua chống sét van MOV phân phối thường lớn hơn dòng chạy qua chống sét van trong trạm vì chúng được lắp đặt trên đường dây và không được che chắn nhiều. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN Chống sét van là thiết bị thường được bổ sung để bảo vệ quá áp.
Theo ANSI, chống sét van là một “Thiết bị bảo vệ để hạn chế điện áp trên thiết bị điện bằng cách phóng hay dẫn dòng điện xung theo mạch phân dòng”. Bên cạnh đó, dòng điện chạy qua chống sét van sẽ phải được ngắt càng nhanh càng tốt để tránh tác động nhầm của máy cắt (sự cố chạm đất) và trở về chế độ bình thường.
