Đăng ký thành viên

Áp dụng các thiết bị bảo vệ chống sét (thiết bị chống sét ôxit kim loại (MO)) là thiết yếu để vận hành an toàn các hệ thống điện. Bài viết giải thích cách sử dụng có mục tiêu các thiết bị chống sét MO, có tính đến sự phối hợp cách điện, cho phép hạ thấp các mức cách điện trên các thành phần riêng lẻ so với các yêu cầu thông thường. Khi đó, mức cách điện thấp hơn có thể dẫn đến cắt giảm chi phí hoặc mở cửa cho các ứng dụng mới của các thiết kế hiện có.

Thiết bị chống sét đảm bảo vận hành an toàn các hệ thống năng lượng và phải thiết kế và lắp đặt theo cách để chúng kiểm soát an toàn độ lớn của các quá điện áp tại các kết nối của thiết bị mà chúng bảo vệ. Ngày nay, có thể nói rằng thiết bị chống sét oxit kim loại (MO) là thiết bị tiên tiến nhất và có độ tin cậy cao. Hình 1 thể hiện các thiết kế chống sét và ứng dụng điển hình khác nhau.

Hình 1: Tổng quan về các ứng dụng có thể có của thiết bị chống sét MO trong mạng lưới điện

Tùy thuộc vào độ lớn của điện áp xuất hiện, có thể phân biệt cơ bản giữa hai vùng làm việc của thiết bị chống sét MO. Trong trường hợp điện áp liên tục và quá điện áp tạm thời, thiết bị phải đảm bảo tính ổn định trong vận hành, tức là thiết bị chống sét không được quá tải. Trong dải làm việc thứ hai, cấp bảo vệ của thiết bị chống sét sẽ hạn chế bất kỳ quá điện áp nào xảy ra.

Ngoài các điện áp xảy ra, cũng phải tính đến các đặc tính bảo vệ của thiết bị chống sét, chỉ áp dụng tại vị trí lắp đặt của nó. Ví dụ như, có sự giảm tác dụng bảo vệ khi khoảng cách tăng do hiện tượng sóng lan truyền. Có thể ước tính quá điện áp đại diện trên bất kỳ thiết bị nào cần bảo vệ chỉ bằng cách cân nhắc một số tham số: mức độ bảo vệ chống sét của thiết bị chống sét; độ dốc của điện áp quá mức do sét đánh; và thời gian truyền của quá điện áp do sét đánh trên tổng các khoảng cách.

Các cân nhắc liên quan đến tỷ lệ lỗi chấp nhận được cũng như những sai sót có thể xảy ra trong phân phối và tính toán thống kê diện tích bảo vệ của thiết bị chống sét dẫn đến việc phối hợp các điện áp chịu thử. Người ta lấy điện áp chịu thử cần thiết để vận hành an toàn bằng cách sử dụng hệ số an toàn nhằm bù cho bất kỳ độ lệch nào từ các điều kiện trong quá trình thử nghiệm sang các điều kiện thực tế trong mạng lưới điện. Việc chuyển đổi sang điện áp thử nghiệm và lựa chọn giá trị tiêu chuẩn cao hơn tiếp theo cuối cùng sẽ dẫn đến điện áp danh định, cùng nhau tạo ra mức cách điện danh định của một hệ thống. Ví dụ, Hình 2 cho thấy cấu trúc cơ bản của thiết bị chống sét oxit kim loại dựa trên thiết bị chống sét GIS có bộ cách ly tích hợp. Thiết bị ngắt kết nối rất hữu ích vì phải ngắt kết nối thiết bị chống sét trong quá trình thử nghiệm cao áp tại chỗ. Để đảm bảo chức năng, tất cả các thiết bị chống sét đều phải trải qua các thử nghiệm dạng mở rộng theo tiêu chuẩn IEC 60099-4, Phiên bản 3.0: Thiết bị chống xung sét - Phần 4: Thiết bị chống sét oxit kim loại không có khe hở dùng cho các hệ thống xoay chiều.

 Hình 2: Sơ đồ cấu trúc của thiết bị chống sét GIS (1. Ống lót nhựa đúc, 2. Bộ phận tác dụng MO, 3. Thanh cách điện, 4. Mặt bích khí bảo trì, 5. Đĩa nổ, 6. Kết nối theo dõi, 8. Bánh răng cách ly) và ví dụ về thử nghiệm thiết bị chống sét

Phối hợp cách điện

Phối hợp cách điện là một trong những tiêu chí thiết kế thiết yếu đối với các hệ thống điện và các thành phần của chúng vì nó quyết định độ tin cậy cũng như tính khả dụng. Nhiệm vụ chính trong vấn đề này là xác định điện áp chịu thử phối hợp, phải tính chi tiết tất cả các ứng suất điện áp:

•  Điện áp vận hành liên tục;
• Quá điện áp không gián đoạn;
• Quá điện áp tăng chậm;
• Quá điện áp tăng nhanh;
• Quá điện áp tăng rất nhanh (ví dụ từ thao tác dao cách ly);
• Điện áp một chiều. 

Quá điện áp tăng nhanh (quá độ), đặc biệt là quá điện áp sét, có tầm quan trọng lớn nhất trong thiết kế cơ bản của tủ đóng cắt và các thành phần của chúng. Người ta có thể xác định điện áp chịu thử phối hợp tương ứng bằng cách sử dụng các phương pháp xác định hoặc thống kê, trong đó sử dụng nhiều nhất là phương pháp xác định thường. Phương pháp này sử dụng các điện áp chịu thử mà kinh nghiệm thao tác và tỷ lệ sai số đã biết. Trong bối cảnh này, việc hạn chế quá điện áp bằng cách sử dụng thiết bị chống sét đóng một vai trò nào đó.

Ví dụ, Hình 4 cho thấy một cách định tính sự giảm quá điện áp do sét đánh vào dây dẫn bằng cách bố trí thiết bị chống sét (SA1 & SA2) tại các điểm khác nhau trong GIS. Khi liên quan đến các thiết bị đóng cắt cách điện khí, phải tính đến các quá điện áp tăng rất nhanh. Khi thao tác các dao cách ly, các quá điện áp thường không lớn hơn 2,0 pu (1 pu = √2 × Us/√3), mặc dù đôi khi các quá điện áp 2,5 pu đôi khi xảy ra và trong một số trường hợp hiếm hoi, thậm chí là 3,0 pu. Do đó, mức quá điện áp tăng nhanh là thấp hơn đáng kể so với mức điện áp xung sét và do đó ít quan trọng hơn. Các quá điện áp tăng rất nhanh trong dải UHV trong khu vực của bản thân dao cách ly nối đóng vai trò đáng kể hơn.

Khi xác định điện áp chịu thử phối hợp, phải tính đến các yếu tố ảnh hưởng làm giảm độ bền cách điện trong suốt tuổi thọ dịch vụ của một hệ thống. Như đã thảo luận, người ta thực hiện điều này với một hệ số an toàn có tính đến các hiệu ứng lão hóa, các sai số có thể xảy ra trong chế tạo, độ không chính xác trong điện áp chịu thử và các yếu tố chưa biết khác. Cách điện trong sử dụng hệ số an toàn là 1,15. Người ta cũng có thể phải tính đến các ảnh hưởng của môi trường và áp dụng một hệ số an toàn bắt đầu từ 1,05 cho cách điện ngoài. Sau khi xác định các điện áp chịu thử yêu cầu, người thao tác có thể chỉ định mức cách điện yêu cầu. Nhìn chung, cần tham khảo các mức cách điện danh định dựa trên các quy định có liên quan, trong đó có các điện áp chịu thử và các mức thử nghiệm khác nhau cho từng điện áp.

Hình 3: Ví dụ về sét đánh và đường cong quá điện áp trên một GIS 420kV

Ví dụ ứng dụng

1. Khái niệm về thiết bị chống sét hy sinh tại các đường dây điện trên không điện khí hóa đường sắt 16,7Hz

Vì các lý do chi phí và không gian, người ta thường lắp đặt đường dây điện đường sắt 110kV và đường dây trên không 380kV trên các cột chung. Trong trường hợp xảy ra bất kỳ sự cố ngắn mạch nào giữa các hệ thống này, hệ thống cấp điện đường sắt có thể bị hư hại nghiêm trọng vì hệ thống bảo vệ mạng lưới đường dây trên không 380kV chỉ nhận ra chạm chập sau khi đã xảy ra hư hại nghiêm trọng đối với mạng lưới điện chạy tàu 16,7Hz/110kV. Một cách để ngăn ngừa rủi ro này là sử dụng thiết bị chống sét hy sinh trên mạng lưới điện chạy tàu. Trong trường hợp chạm chập, chúng sẽ nhanh chóng hỏng và hy sinh có chủ ý để bảo vệ các thiết bị khác hoặc toàn bộ mạng lưới điện. Việc mất một thiết bị chống sét trong tình huống này là có thể chấp nhận được. Người ta định kích thước vỏ thiết bị chống sét trong ứng dụng này sao cho nó có thể mang dòng điện ngắn mạch trong thời gian phản ứng bảo vệ yêu cầu là khoảng 2 giây (xem Hình 4).

Hình 4: Thiết bị chống sét hy sinh có tăng khả năng chịu ngắn mạch

2. Thiết bị chống sét làm mát sâu (HCA) dùng cho các trạm biến tần HVDC

Thiết bị chống sét làm mát sâu (HCA) được phát triển đặc biệt để bảo vệ các van thyristor tại các trạm biến tần HVDC và đặc trưng bởi mức bảo vệ thấp hơn khoảng 10% và mức tản nhiệt cải thiện so với các thiết bị chống sét thông thường có vỏ bọc. Ở đây, người ta vận hành các varistor (điện trở phi tuyến) oxit kim loại (MOV) của HCA để có điện áp liên tục tương đương đặt vào trong dải dòng rò trên của đặc tính dòng điện-điện áp, dẫn đến mức tiêu thụ điện tăng cao. Vì cần tản nhiệt tốt ra môi trường để đảm bảo ổn định nhiệt, nên các HCA không có vỏ bọc và trang bị các phần tử làm mát bổ sung. Hình 6 cho thấy phần dưới của thiết bị chống sét HCA có các phần tử làm mát và các MOV được che chắn.

Hình 5: Phần dưới của cấu trúc bộ thiết bị chống sét HCA

Trong một số trường hợp nhất định, mức bảo vệ thấp hơn khoảng 10% của HCA so với thiết bị chống sét thông thường đặt trong vỏ có thể giúp giảm số lượng thyristor kết nối nối tiếp theo cùng một tỉ lệ về độ lớn và do đó góp phần tiết kiệm chi phí đáng kể.

3. Thu gọn đường dây

Áp dụng thiết bị chống sét đường dây (LSA) là một giải pháp đã được chứng minh trên toàn thế giới, đặc biệt là ở những khu vực có hoạt động sét trong khí quyển cao. Người ta sử dụng các LSA để tránh các gián đoạn ngắn trên đường dây trên không do quá điện áp tăng lên nhanh chóng. Hai loại thiết bị chống sét khác nhau mang tên NGLA (thiết bị chống sét đường dây không có khe hở) và các EGLA (thiết bị chống sét có khe hở ngoài) có một khe hở phóng điện nối tiếp ngoài. EGLA có ưu điểm là kết cấu nhẹ hơn nhưng phải định kích thước khe hở phóng điện sao cho nó phản ứng đáng tin cậy với quá điện áp tăng nhanh để ngăn ngừa vật cách điện phóng điện bề mặt. Hình 8 cho thấy một ví dụ về lắp đặt EGLA 245kV.

Hình 6: Đường dây xích EGLA 245kV với một vật cách điện và khe hở phóng điện bên ngoài mắc nối tiếp với hai thiết bị chống sét xung và các sừng phóng điện

Mặc dù người ta đã chứng minh hiệu quả của thiết bị chống sét đường dây trong các ứng dụng thực tế, nhưng chúng vẫn hiếm khi được tính đến khi thiết kế các đường dây trên không mới.

Một lựa chọn khác khi sử dụng các bộ chống sét đường dây là giảm khoảng cách cách điện. Với ứng dụng của chúng, các yêu cầu về khoảng cách và do đó là chiều cao và chiều rộng của kết cấu có thể giảm đáng kể, khiến chúng trở nên nhỏ gọn hơn nhiều. Điều này ngay lập tức làm giảm tác động đến môi trường của các dự án đường dây trên không mới. Hơn nữa, đối với các hệ thống hiện có, có thể tăng điện áp lên mức tiếp theo dọc theo tuyến đường dây mà không cần phải thay đổi đáng kể nhịp hoặc kết cấu. Ngoài ra, tăng công suất truyền tải bằng cách tăng cường độ dòng điện có thể gây ra sự giãn nở liên quan của dây dẫn. Một chuỗi EGLA ngắn hơn, bao gồm các vật cách điện trên đường dây trên không, có thể chống lại sự giãn nở đó để duy trì các khoảng cách tối thiểu yêu cầu.

4. Bảo vệ ở độ cao lớn

Trong trường hợp tủ đóng cắt nằm ở độ cao lớn, điều kiện khí quyển có thể dẫn đến các yếu tố hiệu chỉnh đòi hỏi mức cách điện của thành phần cao áp cao hơn đáng kể so với mức bình thường đối với điện áp đó. Điều này có thể yêu cầu áp dụng các thành phần cho mức điện áp cao hơn tiếp theo cùng với chi phí cao hơn liên quan. Việc sử dụng các bộ chống sét có mục tiêu trong những tình huống này có thể giúp giảm tới 40% chi phí. Thiết bị chống sét trong các ứng dụng như vậy gắn trực tiếp vào thiết bị được bảo vệ.

5. Giao diện tủ đóng cắt & GIS

Kinh nghiệm toàn cầu về tủ đóng cắt cao áp cách điện bằng khí (GIS) cho thấy độ tin cậy vận hành cao với tỷ lệ lỗi thấp. Trên thực tế, nhiều hệ thống đã đạt đến tuổi thọ dịch vụ hơn 50 năm mà không có bất kỳ sự gia tăng nào về tỷ lệ lỗi (xem Bảng 1).

Cùng với độ tin cậy cao của thiết bị chống sét MO, người ta có thể sử dụng kinh nghiệm này để thực hiện tối ưu hóa hệ thống hơn nữa. Quá điện áp sét chỉ có thể có hiệu quả trong các kết nối trực tiếp với các đường dây trên không và tại các trạm biến áp có các đường dây trên không kết nối. Các hệ thống cách điện khí có điện trở sóng thấp hơn so với các đường dây trên không và do đó, sóng điện áp đến có thể giảm xuống đáng kể.

Trở kháng sóng phụ thuộc vào các kích thước GIS. Sóng điện áp giảm truyền qua hệ thống và bị phản xạ và phá vỡ bởi những thay đổi về trở kháng đặc tính. Sóng phản xạ quay trở lại và phản xạ và khúc xạ lại (xem Hình 9). Sự xếp chồng của sóng tới và sóng ngược tạo nên các cực đại điện áp khác nhau dọc theo các phần của hệ thống lên đến cực đại lý thuyết tương ứng với gấp đôi sóng điện áp đến từ đường dây trên không. Do đó, người ta phải tính đến tác động của sóng lan truyền, bao gồm cả thiết bị chống sét MO trong quá trình thiết kế hệ thống.

Hình 7: Phát triển đường dây trên không về đường dây cách điện khí với các thiết bị chống sét lan truyền bên ngoài ( OHL: Đường dây trên không; GIL: Đường dây cách điện khí)

Kết luận

Các thiết bị chống sét oxit kim loại chất lượng cao là thiết yếu cho hoạt động an toàn của các hệ thống năng lượng AC và DC ngày nay. Đưa ra những lựa chọn thông minh và tính đến sự phối hợp cách điện cho phép tối ưu hóa mức bảo vệ đối với nhiều ứng dụng hệ thống điện, bằng cách đó giảm đáng kể chi phí.