ĐẶT VẤN ĐỀ Mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều đƣợc dự kiến đƣa vào vận hành lâu dài ở một cấp điện áp nào đó và thƣờng đƣợc lựa chọn dựa trên điện áp định mức của lƣới điện mà thiết bị đó đƣợc 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 nhƣ nhau có liên quan đến việc bảo vệ quá áp: thiết kế tổng quan lƣới điện, cấp độ cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị (máy biến áp, bộ điều áp, dàn tụ bù,…) trên lƣới, thiết bị bảo vệ (chống sét van, dây chống sét).
Khả năng cách điện của hệ thống cơ bản đƣợc 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 đƣợc 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 lƣới điện chịu đƣợc điện áp cao hơn mức bình thƣờng. Tuy nhiên, về mặt kinh tế cũng khó thực hiện đƣợc lƣới điện có khả năng chịu đƣợc điện áp cao nhƣ khi có quá áp quá độ. Tƣơng tự cấp cách điện của thiết bị phân phối đƣợc thiết kế để chịu đƣợc điện áp cao hơn bình thƣờng một chút.
Phƣơng pháp này có hiệu quả đến một mức nào đó, nhƣng sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà không thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện BIL cao hơn đƣợc nữa vì không khả thi về kinh tế. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 6 Luan van Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giới hạn lƣợng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đƣờng dây) phải chịu. Phƣơng 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 áp tiết kiệm hơn. Các công ty Điện lực đƣơng nhiên cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhƣng 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 lƣới điện có thể đáp ứng đƣợc yêu cầu là mọi quá điện áp phải dƣới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì nhƣ thế sẽ làm cho chi phí vƣợt quá mức. Do vậy, khi thiết kế một lƣới điện, cũng nhƣ tính chọn thiết bị lắp đặt trên lƣới 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 đƣợc điều này phải đáp ứng hai bƣớc sau đây: - Thiết kế lƣới 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 bƣớc trên đƣợc 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 đƣợc phối hợp lƣới điện và việc lắp đặt thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lƣợc nhằm mục đích hạn chế quá áp và tránh hoặc giảm thiểu các hƣ hỏng cách điện. Thiết kế đƣợc 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 : HVTH: Võ Thanh Âu Trang 7 Luan van Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh - 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 hƣ hỏng cách điện, ngừng làm việc hoặc hƣ hỏng của thiết bị. CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN Cách điện thiết bị đƣợc chia ra làm hai loại: cách điện ngoài và cách điện trong. Vật liệu cách điện thông dụng đƣợc 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 nhƣ 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 thƣờng gây hậu quả hƣ hỏng nặng nề cho thiết bị và có thể hƣ hỏng vĩnh viễn. Các lý do nêu trên sẽ đƣa 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 lƣợng phóng điện cách điện dự kiến với ràng buộc kinh tế.
Với hƣớng nhƣ vậy, nhiều cách tiếp cận tinh vi đã đƣợc 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 nhƣ cƣờng độ chống sét và các thông số của đất đƣợc thống kê trong thiên nhiên, nên phƣơng pháp đƣợc sử dụng là các phƣơng pháp xác suất thống kê. Đối với bảo vệ cách điện trong các phƣơng pháp quyết định đƣợc sử dụng với mục tiêu là thiết kế để phóng điện cách điện là không có. Các đặc tính đƣợc 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, trƣờng hợp máy biến áp các dây quấn đƣợc ngâm trong dầu trong khi các đầu cực đƣợc đƣa ra ngoài không khí qua các sứ xuyên (điện môi không khí). HVTH: Võ Thanh Âu Trang 8 Luan van Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Khi xem xét khả năng chịu đựng của các thiết bị, không xem xét điện môi nào sẽ bị phóng điện trƣớc. 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 tƣợng khó dự đoán trƣớc, 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 nhƣng những nguồn quá áp này ít gây áp lực cho thiết bị so với dông sét. Nhƣ vậy, mặc dù sóng xung có thể đƣợc phát sinh từ trong hệ thống (ví dụ do đóng cắt), nhƣng 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 lƣới phân phối, nó có thể đƣợc sinh ra do sét đánh trực tiếp hay do cảm ứng. Xung điện áp sinh ra có thể thay đổi từ tăng tƣơng đối nhỏ đến lớn gấp mấy lần điện áp pha đất bình thƣờng nếu cấp cách điện của hệ thống cho phép. Khi sét đánh vào đƣờng dây, một vùng rộng lớn sẽ bị ảnh hƣởng xung quanh vị trí sét đánh, vì điện áp vƣợt hơn mức cách điện định mức của đƣờng 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 đƣờng 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 đƣờng dây, trị số này nhỏ hơn điện áp phóng điện hồ quang của cách điện hệ thống. Các xung này lan truyền trên đƣờng dây trên không với tốc độ của ánh sáng. Càng nắm đƣợc 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 bƣớc nghiên cứu nhiều tiến triển và các kỹ sƣ thiết kế có thể phân những xung sét thành những dạng HVTH: Võ Thanh Âu Trang 9 Luan van Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh khác nhau dựa vào kích thƣớc 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 dƣới 1s. Xung đầu dốc đƣợc nối tiếp bởi một đuôi sóng ngắn, nghĩa là 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 đƣợc đo đạt dựa trên ảnh hƣởng của nó trên thiết bị. Các thiết bị nhạy sét nhƣ 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 đƣợc thể hiện qua dòng xung phóng điện.
Nhiều thiết bị khoa học hiện đại đƣợc dùng để đo lƣờng 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 nhƣng đặc biệt lƣu ý là chỉ khoảng 5 số sét trên lƣới điện phân phối vƣợt quá giá trị 10kA. Nhƣng dòng điện sét chạy qua chống sét van MOV phân phối thƣờng lớn hơn dòng chạy qua chống sét van trong trạm vì chúng đƣợc lắp đặt trên đƣờng dây và không đƣợc che chắn nhiều. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN Chống sét van là thiết bị thƣờng đƣợc bổ sung để bảo vệ quá áp.