Đăng ký thành viên

Các nguyên tắc cơ bản của phối hợp cách điện

Quá áp thoảng qua xuất hiện trong mọi hệ thống điện. Mặc dù có thể sử dụng các thiết bị chống sét để kiểm soát hiệu quả các dạng quá điện áp phổ biến nhất – cụ thể là do các thao tác đóng cắt – nhưng các xung quá điện áp do sét gây ra lại khó giảm thiểu hơn. Cách thức bảo vệ cách điện trong bất kỳ hệ thống điện nào về cơ bản là một vấn đề kinh tế. Rõ ràng là không hợp lý nếu chỉ thiết kế cách điện cho điện áp vận hành và chấp nhận bất kỳ xung quá điện áp nào có thể gây hỏng hóc cách điện. Ngược lại, cũng không khả thi nếu thiết kế cách điện để chịu mọi dạng quá điện áp thoảng qua, ngay cả khi điều này có thể thực hiện được. Do đó, một giải pháp trung gian yêu cầu mức đầu tư hợp lý vào cách điện và vào thiết bị bảo vệ thường là lựa chọn tối ưu. Tổ hợp đã lựa chọn cẩn thận giữa các vật cách điện và các thiết bị chống sét này gọi là phối hợp cách điện.

Phối hợp cách điện đã trở thành một thực hành kỹ thuật phát triển tốt và là nơi mà các đặc tính của hệ thống về mặt cách điện và chống sét giao thoa với nhau. Nhiệm vụ phối hợp giữa khả năng chịu đựng của cách điện với các mức tính năng mong muốn của hệ thống có thể khác nhau đáng kể tùy theo việc có sử dụng chống sét hay không. Nhiệm vụ phối hợp này, cũng như việc lựa chọn và bố trí các thiết bị chống sét, đôi khi có thể đơn giản nhưng cũng có những lúc phức tạp, đòi hỏi mô phỏng bằng máy tính. Tuy nhiên, để có một đánh giá sơ bộ tốt, có thể mô hình hóa tính năng của hệ thống bằng các công thức trong các tiêu chuẩn IEC 60071-1, IEC 60071-2 và IEC 60071-4. Các tiêu chuẩn này bao quát đến 99% những gì cần thiết để thực hiện một nghiên cứu phối hợp cách điện đối với xung quá điện áp do sét hoặc đóng cắt. Ngoài ra, các tiêu chuẩn IEEE 1313.1 và IEEE 1313.2 cũng là một nguồn tài liệu tuyệt vời khác giúp hiểu rõ hơn về thực hành kỹ thuật này trong khi một tài liệu tham khảo nhận đánh giá cao thứ ba là cuốn sách “Insulation Coordination of Power Systems” (Phối hợp cách điện trong các hệ thống điện) của Andrew Hileman (1999).

Bài viết này đánh giá về các nguyên tắc cơ bản. Mục tiêu là giúp các kỹ sư hệ thống điện quyết định có cần thực hiện một nghiên cứu toàn diện hay không và những lợi ích có thể đạt được.

Đặc tính cách điện

Mọi vật liệu cách điện đều có giới hạn chịu nhất định. Do không thể thiết kế cách điện để chịu mọi xung sét nên việc thiết kế và thử nghiệm các vật cách điện nhằm xác định mức điện áp gây phóng điện bề mặt của chúng.

Hình 1: Đặc tính chịu điện áp cách điện theo tiêu chuẩn IEC (Ảnh st)

Hình 2: Các loại cách điện (Ảnh st)

Cách điện có hai đặc tính cơ bản: khả năng chịu xung sét (LIWV) và khả năng chịu xung đóng cắt (SIWV), như biểu diễn đồ thị trong Hình 1. Việc thử nghiệm và xác nhận đặc tính LIWV của cách điện ngoài trời tự phục hồi luôn phải thực hiện trong các điều kiện khô. Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng chịu xung nhanh này chính là chiều dài trực tiếp thực tế giữa hai đầu nối của cách điện. Việc kiểm tra đặc tính SIWV của cách điện ngoài trời tự phục hồi cần thực hiện trong các điều kiện ướt, vì nó phụ thuộc vào đường rò hoặc chiều dài đường rò của cách điện khi bị ướt (là tổng chiều dài giữa hai đầu cực dọc theo bề mặt của tất cả các xiêm cách điện).

Hình 3: Phóng điện ngược (Ảnh st)

Phối hợp cách điện trạm biến áp cho xung sét

Các trạm biến áp phải chịu hai loại quá điện áp có thể gây căng thẳng cho cách điện. Các xung sét vẫn có thể xâm nhập gián tiếp ngay cả khi trạm đã che chắn tốt. Tất cả các trạm đều kết nối với phần còn lại của hệ thống thông qua các dây dẫn đến và đi trên không. Trong trường hợp các trạm biến áp cách điện bằng không khí, nếu sét đánh vào các đường dây này trong một hoặc hai khoảng cột từ trạm biến áp, xung sét có khả năng xâm nhập vào trạm dọc theo các dây dẫn.

Ngay cả các đường dây truyền tải đã che chắn tốt cũng có thể cho phép một xung điện tăng nhanh đi vào một trạm gần đó nếu xảy ra phóng điện ngược vào dây dẫn trong quá trình chuyển mạch hoặc xung sét (xem Hình 3). Tuy nhiên, do khả năng chịu cách điện cao trên các hệ thống có điện áp lớn hơn 245kV, nên các phóng điện ngược như vậy ít có khả năng xảy ra hơn nhiều so với các hệ thống dưới mức điện áp này. Hơn nữa, chúng hiếm khi xảy ra trên các hệ thống từ 500kV trở lên.

Các xung điện tăng nhanh trên một dây dẫn đến xác suất gây ra phóng điện bề mặt cách điện trong trạm nếu không có bộ chống sét. Biên độ của các xung điện đến này sẽ bằng với mức phóng điện bề mặt qua cách điện bị phóng điện ngược. Nếu công cụ giảm thiểu duy nhất là một thiết bị chống sét tại máy biến áp, thì nó sẽ bảo vệ máy biến áp nếu phối hợp đúng cách với cách điện của máy biến áp. Thiết bị chống sét này thậm chí có thể bảo vệ thiết bị ở phía xung ở một mức độ nào đó. Trong tình huống phối hợp kiểu này, khả năng phóng điện bề mặt xảy ra khá thấp trong suốt tuổi thọ dự kiến ​​của máy biến áp, có thể là 30-40 năm. Tuy nhiên, nếu một thiết bị chống sét đã lựa chọn đúng cách không đặt gần máy biến áp, thì chỉ cần một sự kiện như vậy là có thể phá hỏng một tài sản rất đắt tiền trong mạch điện.

Một phần quan trọng khác của kịch bản phối hợp này là trạng thái của máy cắt. Nếu máy cắt ở vị trí mở, nó sẽ trở thành một điểm cuối trên mạch. Vì các điểm cuối biểu thị sự thay đổi đáng kể về trở kháng, điện áp sẽ phản xạ và gây ra hiệu ứng tăng gấp đôi tại dao cắt. Hiệu ứng tăng gấp đôi điện áp này (tức là lý thuyết sóng lan truyền) có nhiều khả năng sẽ khiến cách điện của máy cắt phóng điện bề mặt, dẫn đến một đường dẫn khác để dòng điện chạy xuống đất.

Hiệu ứng tăng gấp đôi điện áp cũng có thể xảy ra nếu máy cắt mở trong quá trình vận hành để ngắt lỗi tần số điện trở lại cột điện. Vì sét đánh hiếm khi chỉ xảy ra một lần duy nhất, một lần đánh khác dọc theo đường đi ban đầu có thể tạo ra một xung sét thứ hai tăng nhanh xuống cùng một đường dây. Do hai tình huống máy cắt mở tiềm ẩn này, nên lắp đặt các bộ chống sét tại lối vào đường dây của trạm để loại bỏ hiện tượng tăng gấp đôi điện áp tại máy cắt vì hiện tượng này gần như chắc chắn sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện bề mặt trên cách điện của máy cắt.

Một biến số khác cần cân nhắc trong việc phối hợp trạm biến áp để chống sét là số lượng đường dây đến trạm. May mắn thay, nhiều đường dây hơn khiến việc phóng điện bề mặt qua cách điện tại trạm biến áp trở nên khó khăn hơn nhưng đồng thời cũng làm tăng khả năng xảy ra xung điện áp đến. Do đó, người ta sử dụng cả hai yếu tố trong các công thức để xác định sự phối hợp phù hợp.

Khoảng cách tách biệt

Hình 4: Khoảng cách tách biệt (Ảnh st)

Khoảng cách tách biệt là một cân nhắc quan trọng khác khi nói đến việc bảo vệ các trạm biến áp và sự phối hợp cách điện của chúng. Các bộ chống sét sẽ giới hạn hoặc kẹp một xung điện tăng nhanh theo các đặc tính UI của riêng chúng ngay tại khu vực lân cận. Tuy nhiên, vì cách điện bảo vệ nằm xa bộ chống sét hơn, nên nó ngày càng ít được bảo vệ khỏi các xung điện tăng nhanh như mô tả ở trên. (Lưu ý: Không có vấn đề về khoảng cách tách biệt đối với các xung điện tăng chậm từ các nguồn chuyển mạch).

Sự bảo vệ suy giảm này một lần nữa là do tác động của sóng lan truyền và phản xạ. Vì lý do này, cần phải biết vị trí và khoảng cách giữa các điểm cách điện quan trọng trong trạm biến áp trước khi có thể hoàn thành nghiên cứu phối hợp cách điện phù hợp. Tất nhiên, người ta thường cân nhắc nhiều nhất đến khả năng cách điện không tự phục hồi của máy biến áp khi nói đến các vấn đề về khoảng cách tách biệt. Công thức để xác định khoảng cách xa nhất có thể giữa một bộ chống sét và máy biến áp mà nó bảo vệ có trong các tài liệu tham khảo ở trên cũng như trong IEC 60099-5. Điện áp hệ thống càng cao thì khoảng cách tách biệt càng ngắn vì tỷ lệ điện áp chịu đựng của máy biến áp với điện áp hệ thống bị giảm.

Phối hợp cách điện trạm biến áp cho các xung chuyển mạch

Các xung chuyển mạch chỉ đáng lo ngại ở các hệ thống 245kV trở lên vì biên độ của chúng đối với các hệ thống dưới mức đó thường không vượt quá 1,5pu điện áp pha-đất của hệ thống. Điều này là do thực tế điện dung, chiều dài và điện áp của đường dây không đủ cao để gây ra các xung điện khó khăn.

Có nhiều nguồn gây ra xung đóng cắt trán sóng thoai thoải ở các trạm biến áp và các máy cắt hoặc thiết bị chuyển mạch có liên quan đến mọi dạng xung điện như vậy. Quá điện áp chạm chập và quá điện áp giải trừ chạm chập tạo ra trong pha không chạm chập khi chạm chập khởi tạo lần đầu và khi thiết lập lại điện áp.

Hình 5: Mức điện áp 2%

Mức thống kê xung chuyển mạch, tức là điện áp 2% (xem Hình 5), dao động từ 1-2pu hay  trên mỗi đơn vị điện áp đỉnh pha-đất nếu giảm thiểu chúng bằng điện trở chèn trước hoặc bộ chống sét. Tuy nhiên, nếu không giảm thiểu chúng, mức của chúng có thể dễ dàng vượt quá 2,0pu. Khi giảm thiểu xung đóng điện và đóng điện lại, cần chú ý đến xung từ chối tải. Cần chú ý đặc biệt đến dòng điện cảm và điện dung chuyển mạch khi các máy cắt liên quan gặp phải hiện tượng sét đánh trước hoặc sét đánh lại. Trong trường hợp này, phạm vi điện áp 2% là 2 – 2,5pu.

Có hai phương pháp dùng trong thực hành phối hợp cách điện cho tình huống này. Phương pháp quyết định luận dùng riêng khi áp dụng cho cách điện không tự phục hồi. Khi phối hợp cách điện tự phục hồi, các phương pháp thống kê (còn gọi là xác suất) là phương pháp sử dụng phổ biến. Sự khác biệt cơ bản giữa các phương pháp này là phương pháp quyết định luận phối hợp các giá trị cực đại và cực tiểu tuyệt đối. Ví dụ, người ta phối hợp và so sánh điện áp dư cực đại của thiết bị chống sét đối với xung trán sóng thoai thoải với mức chịu đựng tối thiểu của xung đóng cắt máy biến áp. Khi sử dụng phương pháp thống kê để xác định tỷ lệ phóng điện bề mặt của 25 cách điện trụ tự phục hồi trong trạm biến áp, người ta sử dụng xác suất xảy ra phóng điện bề mặt và cường độ của xung trong phép tính. Kết quả là một phân bố xác suất đại diện cho tỷ lệ phóng điện bề mặt do xung đóng cắt tổng thể.

Đặc tính của bộ chống sét và Phối hợp cách điện trạm biến áp

Các bộ chống sét là một phần cơ bản của sự phối hợp cách điện trong trạm biến áp. Người ta sử dụng chúng phổ biến để bảo vệ cách điện không tự phục hồi của các máy biến áp điện. Như đã nêu ở trên, việc phối hợp cách điện không tự phục hồi cần thực hiện bằng phương pháp quyết định luận. Điều này là do không có phương pháp thử nghiệm nào được chấp nhận có thể xác định khả năng phóng điện phá hoại trong các hệ thống cách điện dầu/giấy. Do đó, lựa chọn duy nhất là chấp nhận phương pháp quyết định luận.

Hình 6: Đặc tính bảo vệ của chống sét theo Tiêu chuẩn IEC (Ảnh st)

Các bộ chống sét sử dụng trong các trạm biến áp đặc trưng bởi ba điện áp liên quan đến phối hợp cách điện; điện áp hoạt động của bộ chống sét (U_c), mức bảo vệ xung sét (LIPL) và mức bảo vệ xung chuyển mạch (SIPL). Những điện áp này thể hiện trong Hình 6. Đối với cách điện không tự phục hồi, người ta thực hiện một phép so sánh quyết định luận. Sau khi xác định các đặc tính cách điện và bộ chống sét, người ta phối hợp chúng để đảm bảo có đủ biên độ an toàn. Biểu đồ biên độ bảo vệ so sánh này thể hiện trong Hình 7.

Hình 7: Tính toán biên độ bảo vệ của cách điện không tự phục hồi (Ảnh st)

Tác động của môi trường lên sự phối hợp cách điện

Điện áp phóng điện bề mặt cho khe hở không khí phụ thuộc vào hàm lượng ẩm và mật độ của không khí. Độ bền cách điện tăng theo độ ẩm tuyệt đối cho đến điểm mà sự ngưng tụ hình thành trên bề mặt cách điện. Vì độ bền cách điện giảm theo mật độ không khí giảm, nên ở độ cao 2.000m so với mực nước biển cần khoảng cách phóng điện dài hơn so với ở độ cao 100m. Tiêu chuẩn IEC 60-1 mô tả chi tiết về tác động của mật độ không khí và độ ẩm tuyệt đối cho các loại ứng suất điện áp khác nhau. Khi xác định điện áp chịu phối hợp, cần lưu ý rằng hầu hết các điều kiện bất lợi theo quan điểm về độ bền (tức là độ ẩm tuyệt đối thấp, áp suất không khí thấp và nhiệt độ cao) thường không xảy ra đồng thời. Ngoài ra, tại bất kỳ địa điểm nào, các hiệu chỉnh áp dụng cho các biến thể độ ẩm và nhiệt độ môi trường về cơ bản sẽ hủy lẫn nhau. Do đó, việc ước tính độ bền thường có thể dựa trên các điều kiện môi trường trung bình tại địa điểm đó.

Khi có nhiễm bẩn do muối hoặc ô nhiễm công nghiệp, phản ứng của cách điện ngoài trời đối với điện áp tần số công suất trở nên quan trọng và có thể quyết định đường rò hoặc khoảng cách đường rò dài hơn. Loại nhiễm bẩn này không ảnh hưởng xấu đến khả năng chịu sét và trán sóng dốc. Phóng điện bề mặt của cách điện thường xảy ra khi bề mặt bị nhiễm bẩn và bị ướt do mưa nhẹ, tuyết, sương hoặc sương mù mà không có bất kỳ tác động rửa trôi đáng kể nào đi kèm.

Phối hợp cách điện đường dây truyền tải

Phối hợp cách điện đường dây truyền tải cũng chia thành hai loại: xung sét và xung đóng cắt. Các phương pháp đánh giá tính năng dựa trên các mức quá điện áp do sét và đóng cắt dự kiến cũng như các mức cách điện tương ứng. Vì cách điện đường dây là tự phục hồi nên việc xác định tính năng của chúng thường sử dụng phương pháp thống kê. Các thông lệ cơ bản nêu trong phối hợp cách điện trạm biến áp cũng áp dụng cho phối hợp đường dây.

Tổng của tỷ lệ phóng điện bề mặt ngược (BFR) và tỷ lệ hỏng lớp bảo vệ (SFR) xác định tỷ lệ phóng điện bề mặt (FOR) biểu thị bằng số lần phóng điện bề mặt/100km/năm. Tỷ lệ phóng điện bề mặt ngược là nguyên nhân quan trọng nhất gây ra mất điện trên các đường dây truyền tải. Trong khi xung điện tăng nhanh liên quan đến phóng điện ngược hiếm khi đến được trạm biến áp do hiệu ứng phóng điện vầng quang, dòng điện chạm chập và thao tác của máy cắt có thể cảm nhận trên toàn bộ chiều dài của hệ thống. Nhiều khi, có thể cảm nhận một xung đóng cắt ngay lập tức sau bất kỳ lần phóng điện bề mặt nào do sét đánh.

Một biến số quan trọng khác thường liên quan đến phối hợp phóng điện bề mặt do sét là độ cao của hệ thống. CFO của một cách điện đường dây có thể giảm tới 20% ở độ cao lớn hơn bởi vì các đường dây truyền tải thường đi qua độ cao lớn nên phải cân nhắc đến yếu tố này. Đối với các độ cao lớn hơn, các vật cách điện có thể cần kéo dài hoặc lắp thiết bị chống sét. Cả hai đều là những phương tiện giảm thiểu tuyệt vời.

Các nghiên cứu xung đóng cắt chỉ cần cân nhắc đối với các đường dây vượt quá 245kV. Đối với các đường dây dưới mức này, biên độ xung chuyển mạch thường không gây quá tải cho các cấu hình cách điện thông thường nhưng đối với các mức trên 245kV, ứng suất có thể rất đáng kể.

Tỷ lệ phóng điện bề mặt xung đóng cắt (SSFOR) có thể xác định bằng cách tích hợp số của mối quan hệ Ứng suất-Độ bền. Trong trường hợp này, ứng suất là điện áp xung đóng cắt hoặc quá điện áp chuyển mạch (SOV) định lượng bằng phân bố xác suất. Độ bền là điện áp chịu xung đóng cắt (CFO). Tiêu chuẩn IEC 60071-2 định nghĩa chi tiết về quy trình này. Nếu sử dụng các thiết bị chống sét để giảm SSFOR, cần sửa đổi phương pháp đánh giá để phù hợp với sự thay đổi trong SOV vì nó sẽ không còn là phân bố chuẩn nữa mà thay vào đó là một hàm phân bố bị cắt cụt.

Phối hợp cách điện các hệ thống phân phối

Việc thực hành phối hợp cách điện hệ thống phân phối còn hạn chế. Tuy nhiên, vẫn có một số thực hành có tính quyết định luận cụ thể khá quan trọng. Lề tính toán bảo vệ cho một số cấu hình hệ thống có thể xác định khi nào nên và không nên sử dụng thiết bị chống sét. Ví dụ, trên các mạch điện ngầm dưới đất nơi điện áp tăng gấp đôi là phổ biến, một lề tính toán bảo vệ có thể cho thấy rằng chỉ áp dụng một thiết bị chống sét tại cột chuyển tiếp cho các hệ thống trên 25kV có thể là thiết yếu. Khi điều này xảy ra, người ta khuyến cáo thiết bị chống sét điểm mở để giảm nguy cơ rủi ro hỏng cáp.

Trên các hệ thống phân phối đấu tam giác, việc kiểm tra kỹ lề bảo vệ nhiều khi có thể cho thấy lề bảo vệ nhỏ so với các hệ thống nối đất tốt. Thực tế, điều này là do việc áp dụng các thiết bị chống sét có điện áp danh định cao hơn cho các mạch điện này nhằm cung cấp khả năng chịu quá điện áp lớn hơn. Bằng cách tăng điện áp vận hành của thiết bị chống sét, điện áp kẹp cũng tăng theo và lề giữa biên độ đường cong chịu đựng của máy biến áp và đường cong kẹp của thiết bị chống sét giảm xuống.

Một yếu tố khác có thể ảnh hưởng đáng kể đến phối hợp cách điện trong các hệ thống phân phối là các đoạn dây nối trên các thiết bị chống sét. Dây nối dài có thể khiến cho thiết bị chống sét mất khả năng hiệu quả bảo vệ của vật cách điện không tự phục hồi trên thiết bị phân phối.

Kết luận

Trong khi một số biến số có thể liên quan đến kỹ thuật phối hợp cách điện và có thể làm cho nhiệm vụ này trở nên khá phức tạp, việc tối ưu hóa ứng dụng thiết bị chống sét có thể giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cách điện cho mọi loại hệ thống.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “INMR”, tháng 11/2024