Chế độ Làm Việc Của điểm Trung Tính Trong Hệ Thống điện

L ời nói đầu

5. Chế độ làm việc của điểm trung tính trong hệ thống điện

Điểm trung tính là điểm chung của ba cuộn dây nối hình sao của máy phát hay máy biến áp. Điểm trung tính có thể cách điện đối với đất, nối đất qua cuộn dập hồ quang hay nối đất trực tiếp. Sau đây sẽ lần lượt nghiên cứu các tình trạng làm việc nói trên của điểm trung tính.

5.1. Mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất

5.1.1. Tình trạng làm việc bình thường

Trên (Hình 1-10) là sơ đồ mạng điện đơn giản gồm máy phát, đường dây và phụ tải. Mỗi pha của mạng điện đối với đất có một điện dung phân bố rải dọc theo chiều dài đường dây. Nhưng để đơn giản coi rằng điện dung này tập trung ở giữa đường dây.

Hình 1-10: Mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất

26

Giữa các pha với nhau cũng có điện dung, nhưng ở đây không xét vì chúng không ảnh hưởng đến phân tích tình trạng làm việc của điểm trung tính. ở đây chỉ xét đến dòng điện dung vì dòng điện phụ tải ba pha đối xứng không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của điểm trung tính, nhưng dòng điện dung lại ảnh hưởng đến dòng của máy phát điện.

Trên hình 1-10 là đồ thị véc tơ của điện áp và dòng điện dung ở trạng thái làm việc bình thường. Bình thường có:

| I•oCA| = |I•oCB| = |I• oCC| • I oC = I• oCA + I•oCB + I• oCC = 0 | U• A | = | U• B | = | UC • | = | U• pha | U• o = U• A + U• B + U• C = 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.

5.1.2. Khi có một pha chạm đất

Trên Hình 1-11a giới thiệu sơ đồ mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất có pha C chạm đất trực tiếp và độ thị véc tơ biểu diễn điện áp, dòng điện dung của nó. Khi pha C chạm đất trực tiếp, điện áp của nó đối với đất bằng không UC = 0, điện áp hai pha còn lại dịch chuyển đi một véc tơ - UC; tức là coi tại chỗ chạm đất có đặt thêm một điện áp -UC. Trên cơ sở đó có thể xây dựng được đồ thị véc tơ Hình 1-11b. Dễ dàng viết được các biểu thức:

U• ’A = U• A- U• C = U• AB

U• ’B = U• B - U• C = U• BC U• ’C = U• C - U• C = 0 U• ’AB= U• ’A - U• B = U• AB

27

Hình 1-11: Mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất khi pha C chạm đất trực tiếp

a- Sơ đồ mạng điện; b- Đồ thị véc tơ

Về dòng điện dung thì thay đổi như sau (H.1-12,b): Vì điện áp hai pha không sự cố tăng lên 3 lần, nên giá trị dòng điện dung của chúng cũng làm tăng 3 so với khi chưa chạm đất, tức là I’CB = 3 Io

CB, I’CA = 3 Io

CA; còn dòng điện dung pha chạm đất bằng không I’CC= 0. Dòng điện dung tại chỗ chạm đất sẽ là:

Véc tơ −I'C’C = I•’CA + I• ’CB

Về mô dun I’C = 3. 3 Io

CB = 3 Io CB

Giá trị dòng điện dung tại chỗ chạm đất khi chạm đất một pha được xác định theo công thức gần đúng sau đây:

Đường dây trên khôngđến 35 kV:

350

' U L

I C= d A;

Đường dây cáp điện ngầm:

10

' U L

I C= d A;

Trong đó: Ud - điện áp dây, kV

L - Chiều dài tổng các đường dây có nốiđiện với nhau, km Từ các phântích trên, có thể rút ra các kết luận sau:

1- Điện áp của pha chạm đất bằng không, điện áp của hai pha còn lại tăng lên

3 lần (bằng điện áp dây).

2- Từ đồ thị véc tơ ta thấy điện áp dây của mạng điện trước và sau khi chạm đất cả về trị số và góc pha không thay đổi.

28

3- Điện áp của điểm trung tính tăng từ không đến điện áp pha

4- Dòng điện dung của các pha chạm đất tăng 3 lần, còn dòng điện dung tại chỗ chạm đất tăng lên 3 lần so với dòng điện dung một pha trước khi chạm đất.

Vì điện áp dây không thay đổi và dòng điện dung chạm đất rất nhỏ so với dòng điện phụ tải nên mạng điện vẫn làm việc bình thường khi chạm đất một pha. Tuy vậy, đối với các mạng điện này không cho phép làm việc lâu dài khi một pha chạm đất vì những lý do sau đây:

1- Khi chạm đất một pha, điện áp hai pha còn lại tăng 3 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, đành rằng như thế giá thành của thiết bị tăng lên.

2- Dòng điện dung sẽ sinh hồ quang, có thể đốt cháy cách điện tại chỗ chạm đất và dẫn đến ngắn mạch giữa các pha.

3- 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 đó sẽ dẫn đến quá điện áp, có thể tới 2,5 3 lần điện áp 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. Với mạng điện trực tiếp nối với máy phát điện thì không cho phép làm việc một pha chạm đất kéo dài quá hai giờ.

Trong mạng điện (6 20) kV, dự trữ cách điện lớn, quá điện áp do hồ quang cháy lập loè không nguy hiểm. Tuy vậy, đối với chúng không để trung tính cách điện đối với đất khi dòng điện dung lớn quá 30 A. Còn mạng điện (20  35) kV có dự trữ cách điện kém hơn thì không để làm việc trung tính cách điện với đất khi dòng điện dung quá 10 A. Khi dòng điện dung vượt quá trị số kể trên thì phải đặt cuộn dây dập hồ quang tại điểm trung tính để giảm dòng điện dung tại chỗ chạm đất.

29

Cuộn dập hồ quang là cuộn cảm có lõi thép đặt trong một thùng chứa dầu máy biến áp (trông giống như máy biến áp điện lực một pha). Điện kháng của cuộn dập hồ quang được điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng dây hay khe hở của lõi thép.

Ở tình trạng làm việc bình thường, tổng dòng điện dung chạy trong đất và điện áp điểm trung tính bằng không. Do đó, điện áp đặt trên cuộn dập hồ quang bằng không và dòng điện qua nó cũng bằng không.

Khi chạm đất một pha chẳng hạn pha C (Hình 1-12a) điện áp điểm trung tính cũng là điện áp trên cuộn dập hồ quang tăng lên bằng điện áp pha, trong cuộn dập hồ quang xuất hiện dòng điện cảm IL (chậm sau điện áp trung tính 90o). Kết quả là tại chỗ chạm đất có dòng điện dung và dòng điện cảm ngược pha nhau (hình 1- 12b). Nếu điều chỉnh điện kháng của cuộn dập hồ quang thích hợp, dòng điện tại chỗ chạm đất bằng không.

Trong thực tế vận hành phải đóng cắt đường dây, dòng điện dung ICthay đổi, nên khó thực hiện được IL = IC. Mặt khác, phải điều chỉnh để còn lại một trị số I = IL - ICnào đó để cung cấp cho rơ le tác động báo tín hiệu cho nhân viên trực nhật biết và kịp thời sửa chữa.

Hình 1-12: Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua cuộn dây hồ quang có pha C chạm đất trực tiếp

a- Sơ đồ mạng điện; b- Đồ thị véc tơ

Giả sử mạng điện làm việc với toàn bộ đường dây mà hiệu chỉnh cuộn dập hồ quang sao cho IC > IL, tức là bù thiếu (I = IC - IL). Rõ ràng khi có một số đường dây cắt đi thì I giảm đi, không đảm bảo cho rơ le tác động nên có thể không nhận biết được tình trạng chạm đất một pha trong mạng. Ngược lại nếu chọn XL của cuộn dập hồ quang sao cho khi tất cả đường dây làm việc có IL > IC (tức là bù

30

thừa) và khi đó I2 = IL - IC. Khi có một số đường dây bị cắt sẽ làm tăng giá trị

I2, càng làm cho rơ le dễ tác động, dễ dàng phát hiện có chạm đất một pha.

Tóm lại, trong lưới điện ba pha có trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang, cần phải bù thừa IL> IC.

5.3. Mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp

Các mạng điện từ 110 kV trở lên đều có trung tính trực tiếp nối đất vì các lý do sau đây:

1. Dòng điện dung của chúng rất lớn do điện áp cao và chiều dài đường dây lớn;

2. Cách điện pha phải thiết kế theo điện áp dây nếu trung tính cách điện. Đối với mạng điện 110 kV trở lên, tăng cường cách điện như thế sẽ không kinh tế. Khi trung tính trực tiếp nối đất, cách điện chỉ cần thiết kế theo điện áp pha vì ở bất kỳ chế độ nào (bình thường hay chạm đất) điện áp các dây dẫn đều không vượt quá điệnáp pha. Như vậy, đầu tư cho cách điện sẽ giảm đi.

Tuy vậy, mạng điện ba pha trung tính trực tiếp nối đất có những nhược điểm sau:

1. Chạm đất một pha là ngắn mạch, dòng điện rất lớn, rơ le sẽ tác động cắt nhanh đường dây bị sự cố, hộ tiêu thụ mất điện. Để nâng cao đặc tính làm việc của mạng điện, nên dùng thiết bị tự động đóng lại các đường dây đã bị cắt ra khi sự cố, vì phần lớn các sự cố chạm đất 1 pha có tính chất thoáng qua.

2. Dòng điện chạm đất một pha lớn, nên thiết bị nối đất phức tạp và đắt tiền hơn. 3. Dòng chạm đất một pha có thể lớn hơn 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 kháng nhỏ (Hình 1-13).

Mạng điện ba pha điện áp trên 1000V trung tính nối đất trực tiếp (hay qua kháng điện nhỏ) gọi là mạng điện có dòng điện chạm đất lớn.

31

Cuối cùng cần nói thêm rằng mạng điện ba pha điện áp dưới 500 V (380/220V hay 220/127V) đều làm việc với trung tính trực tiếp nối đất không phải vì nguyên nhân tiết kiệm cách điện vì cách điện của mạng này rất rẻ, mà xuất phát từ an toàn cho người.

Đây là mạng điện sinh hoạt, xác suất người chạm phải điện tương đối lớn. Nếu trung tính của mạng này cách điện với đất, khi một pha chạm đất tình trạng này sẽ kéo dài, người chạm phải dây dẫn hai pha kia, phải chịu điện áp dây rất nguy hiểm

Hình 1-14: Sơ đồ mạng điện ba pha điện áp 380/220V và 220 V/127 V

Đối với mạng điện dưới 500V, ngoài chế độ điểm trung tính nối đất trực tiếp, cần phải có dây trung tính để sử dụng được điện áp pha (Hình 1-14). Sử dụng điện áp pha cũng xuất phát từ vấn đề an toàn cho người và thiết bị dùng điện.

Hình 1-13: Mạng điện ba pha trung tính trực tiếp nối đất

a- Trung tính nối đất trực tiếp;

32

CHƯƠNG 2

SƠ ĐỒ NỐI ĐIỆN CỦA NHÀMÁY ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP

1. Sơ lược về sơ đồ nối điện nhà máy điện và trạm biến áp

1.1. Khái niệm chung

Sơ đồ nối điện nhà máy điện và tr¹m biến áp là sơ đồ biểu thị các phần tử của chúng theo đúng thứ tự sắp xếp trong thực tế.

1.2. Các loại sơđồ nối dây

1.2.1. Sơ đồ nhất thứ

- Mạch nhất thứ biểu diễn các mạch điện chính của các trang bị điện, truyền tải năng lượng điện từ phía nguồn đến nơi tiêu thụ điện.

- Sơ đồ nhất thứ có 2 loại:

Sơ đồ một sợi: là sơ đồ chỉ vẽ 1 pha đểbiểu thị sự liên hệ các trang bị điện. Do đó sơ đồđơn giản, trên sơ đồ chỉ biểu thị các trang bị điện chủ yếu như: Máy phát điện, máy biến áp lực, động cơ điện, thanh góp, đường dây tải điện trên không, đường dây cáp điện lực, máy cắt điện và dao cách ly, máy biến dòng điện, máy biến điện áp... Sơ đồ nhất thứ loại một sợi là sơ đồ thường dùng khi chọn thiết bị dùng trong vận hành như hình vẽ (Hình 2-1)

Sơ đồ 3 sợi: Sơ đồ 3 sợi (dây) được dùng để biểu thị cho cả 3 pha như hình vẽ (Hình 2-2)

33 1.2.2. Sơ đồ nhị thứ

Sơ đồ nối dây nhị thứ là hình vẽ biểu thị các thiết bị đo lường, kiểm tra, điều khiển, bảo vệ... gọi là sơ đồ nhị thứ.

Nguồn cung cấp cho mạch nhị thứ là các máy biến dòng điện và máy biến điện áp, hoặc từ nguồn một chiều như sơ đồ hình 2-1 và sơ đồ hình 2-2.

* Sơ đồ bảo vệ

Khi vận hành hệ thống điện như: nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây tải điện, có thể xảy ra hư hỏng là trạng thái làm việc không bình thường làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc bình thường của hệ thống. Đồng thời khi quá tải sẽ làm cho cách điện của các thiết bị điện chóng bị già cỗi, khi tần số và điện áp giảm thấp thì hiệu suất của máy công cụ sẽ giảm đi. Nếu tần số giảm xuống còn 48Hz sẽ gây sự cố, nếu điện áp giảm xuống còn 49% Uđm thì các động cơ điện sẽ ngừng quay. Khi xảy ra chạm chập sẽ gây ngắn mạch... Những tình trạng hư hỏng trên nếu dùng cầu chì bảo vệ thì đơn giản rẻ tiền, nhưng khi công suất, điện áp của hệ thống tăng lên thì cầu chì bảo vệ không đáp ứng được. Vì vậy phải dùng bảo vệ khác, đó là bảovệ bằng rơ le (gọi tắt là bảo vệ rơ le).

Nhiệm vụ của rơ le là phát hiện sự cố và tác động khi xảy ra hiện tượng không bình thường và ngắn mạch. Ngoài rơ le bảo vệ còn phối hợp với các thiết bị khác để phục hồi nhanh sự cố. Như tự động đóng nguồn dự phòng (TĐD) và tự động đóng lại đường dây (TĐL) một lần hoặc hai lần.

Ví dụ: Sơ đồ bảo vệ cắt nhanh đường dây (Hình 2-3)

Khi có ngắn mạch tại N thì IN >> ILVBT qua BI xuất hiện dòng IR đi vào cuộn dây của rơ le dòng điện (RI) làm cho tiếp điểm của RI đóng lại đưa nguồn điện một chiều đi cắt máy cắt (MC) loại đường dây bị sự cố ra khỏi lưới.

34

Hình 2-3. Sơ đồ bảo vệ cắt nhanh đường dây

* Sơ đồ đo lường

Dùng để đo và ghi lại những thông số vận hành của hệ thống điện như: điện áp, dòng điện, tần số, công suất, điện năng tác dụng, điện năng phản kháng... Thông qua thiết bị đo lường giúp cho các trung tâm điều khiển các thiết bị vận hành đúng chế độ định mức.

* Sơ đồ điều khiển

Sơ đồ điều khiển đóng vai trò quan trọng thường được đặt ở phòng trung tâm điều độ của nhà máy điện và trạm biến áp. Mạch điều khiển có tác dụng là thay đổi các thông số làm việc của các thiết bị điện ở các chế độ vận hành. Sơ đồ điều khiển thường sử dụng nguồn một chiều và nguồn xoay chiều có cấp điện áp 110V, 220V và 380V.

* Sơđồ tín hiệu

Trong nhà máy điện và trạm biến áp người ta thường sử dụng các loại tín hiệu chính sau đây:

- Tín hiệu chỉ vị trí các thiết bị điện đóng hay mở của máy cắt điện, dao cách