Quá áp (overvoltage) trên đường dây là gì?

Quá áp trong hệ thống điện được định nghĩa là sự gia tăng điện áp trong thời gian rất ngắn của hệ thống điện. Nó còn được gọi là quá độ điện áp hoặc tăng điện áp.

Quá điện áp trong hệ thống điện có thể được phân thành hai dạng là yếu tố bên trong hoặc yếu tố bên ngoài (thường là sét).

Quá áp có thể tồn tại dưới dạng nhất thời, tăng vọt điện áp hoặc vĩnh viễn, tùy thuộc vào thời gian của nó. Các loại quá áp chủ yếu bao gồm quá áp do sét và quá áp chuyển mạch. Quá áp do sét được coi là hiện tượng tự nhiên, trong khi quá áp chuyển mạch hình thành từ bên trong hệ thống, do sự cố gián đoạn hoặc kết nối không thích hợp ở các tiếp điểm của bộ ngắt mạch.

Một tia sét có thể mang điện áp 300 kV và dòng điện gần 30kA, có thể làm hỏng các thiết bị và cách điện. Vì vậy, điều quan trọng là phải thiết kế hệ thống điện sao cho quá điện áp dự kiến sẽ thấp hơn giá trị mà hệ thống có thể chịu được. Nhưng một hệ thống như vậy sẽ tốn kém và không thực tế. Cách tốt nhất là thiết kế hệ thống điện sao cho giảm thiểu thiệt hại tối thiểu do quá áp gây ra.

Nguyên nhân gây quá áp

1. Do chuyển mạch

• Chuyển mạch ở đường dây không tải: Phát sinh do hiện tượng sóng truyền và do đặt điện áp đột ngột trong đường dây ngay khi bộ ngắt mạch ở đầu gửi đóng lại. Sự phản xạ liên tiếp của sóng điện áp sẽ gây ra quá áp;
• Chuyển mạch ở đường dây có tải: Chúng ta hãy xem xét một đường dây có tải bị ngắt đột ngột dẫn đến điện áp là 2Z_ni trên công tắc. Trong đó i là giá trị ban đầu của dòng điện tại thời điểm mở đường dây và Z_n là trở kháng tự nhiên của đường dây. Nếu V_p là điện áp pha và V_s là điện áp trên công tắc thì giá trị lớn nhất của điện áp mà đường dây có thể phải chịu là:

V_m = V_p + V_skV

• Chuyển mạch phản ứng: Việc chuyển mạch phản ứng có thể làm cắt dòng điện, tức dòng điện bị ngắt trước khi dòng điện tự nhiên đạt đến 0. Việc cắt dòng điện dẫn đến việc tạo ra điện áp cao do sự chuyển giao năng lượng trong điện cảm (1/2 LI² ) thành điện dung (1/2 CV² ) qua các tiếp điểm của bộ ngắt mạch.
• Tự động đóng bộ ngắt mạch ở đường dây EHV dài: Tự động đóng ngắt ba pha tốc độ cao tạo ra sự gia tăng điện áp;
• Chỉ mở một pha do xảy ra lỗi chuyển mạch cáp bị TẮT – Trong hệ thống 3 pha, khi sự cố xảy ra trên một pha bất kỳ, thì điện áp pha của hai pha còn lại sẽ tăng lên vượt quá giá trị bình thường.

2. Do lỗi cách điện

Dạng hư hỏng cách điện phổ biến nhất là khi dây dẫn nối đất. Sự cố xảy ra khi không có cách điện giữa đường dây và đất. Vì vậy, phần dây dẫn được nối đất gây ra lỗi ngắn mạch.

3. Do phóng điện ngược

Sự tăng điện áp cao do mặt đất phóng điện hồ quang (phóng điện ngược) có thể làm hỏng thiết bị hệ thống điện một cách nghiêm trọng. Điện áp tạo ra do phóng điện ngược gần gấp 3 đến 4 lần điện áp tần số nguồn. Có thể tránh chạm đất bằng cách nối đất cho trung tính.

Điều này xảy ra khi có sự hiện diện của một hồ quang rời rạc trong sự cố đường dây nối đất thuộc hệ thống ba pha.

4. Do cộng hưởng

Trong hệ thống điện khi cảm kháng của mạch bằng điện kháng thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Tăng điện áp cao được tạo ra trong hệ thống điện do cộng hưởng trong đường dây tải điện. Hiện tượng cộng hưởng hiếm khi xảy ra vì điện dung rất nhỏ. Đối với cáp, hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra do thành phần sóng hài bậc 5.

Các nguyên nhân khác

• Các tia sét gián tiếp như phóng điện sét ở gần đường dây dẫn đến quá áp cảm ứng điện từ;
• Các điều kiện khí quyển khác nhau dọc theo chiều dài đường dây sẽ gây ra hiện tượng quá áp;
• Quá áp được tạo ra do ma sát giữa các phần tử trong khí quyển như bụi, tuyết khô;
• Quá áp được tạo ra do sét đánh.

Các dạng quá áp

Hiện tượng quá áp trong hệ thống điện có thể được phân thành hai loại đó là hiện tượng quá áp nội bộ và quá áp bên ngoài.

Quá áp bên ngoài bắt nguồn từ các hiện tượng khí quyển, chủ yếu do sét do sét đánh trực tiếp hoặc gần đường dây gây quá áp cảm ứng điện, phóng điện bề mặt phía sau hoặc điện áp cảm ứng tĩnh điện.

Đối với dạng quá áp nội bộ được phân loại như sau:

1. Quá áp tạm thời

Theo Tiêu chuẩn IEEE 100-2000, quá áp tạm thời được định nghĩa là quá áp pha dao động với mặt đất hoặc pha-pha ở một vị trí nhất định trong khoảng thời gian tương đối dài (giây, thậm chí vài phút) và không được lấy dấu hoặc chỉ ở mức yếu.

Loại tạm thời này thường do lỗi (lỗi nối đất, lỗi một pha, v.v.), hoạt động chuyển mạch (hoặc ngắt kết nối đột ngột) hoặc do phi tuyến. Quá áp tạm thời có thể được phân biệt với các loại khác bằng biên độ, thời gian, tần số dao động.

Độ lớn của quá áp tạm thời có đặc trưng là thấp so với các dạng quá áp khác. Độ lớn thường chỉ cao hơn vài phần trăm đến 50% so với điện áp danh định ngoại trừ một số trường hợp như cộng hưởng phi tuyến có thể đạt tới 300-400%.

2. Quá áp chuyển mạch (chậm)

Quá áp chuyển mạch, như tên gọi của chính nó cho thấy là do hoạt động chuyển mạch trong hệ thống điện hoặc đôi khi có thể do lỗi. Đây là loại quá áp khá phổ biến vì các hoạt động đóng cắt được thực hiện thường xuyên trong hệ thống điện như một phần của quá trình thử nghiệm.

Do Hiệu ứng Ferranti, khi một đường dây dài không tải được sạc, điện áp ở đầu nhận sẽ tăng cao đáng kể gây ra quá áp cho hệ thống. Trường hợp tương tự cũng xảy ra trong máy biến áp khi quá áp có thể xảy ra khi phía sơ cấp của máy biến áp được bật.

3. Quá áp rất nhanh

Quá áp rất nhanh xảy ra do hồ quang ngắt và khởi động lại khi mở bộ ngắt kết nối. Nó có thể được gây ra bởi hoạt động chuyển mạch, lỗi trong trạm biến áp cách điện bằng khí (GIS) và một số điều kiện chiếu sáng nhất định. Trong GIS, bản thân hoạt động của trạm biến áp có thể gây ra quá áp vì sự phá vỡ nhanh chóng của khe hở khí và sự lan truyền không kiềm chế của xung điện cộng với tần số dao động cao (50 kHz-100 MHz).

Tuy nhiên, dòng điện quá độ chỉ nguy hiểm đối với thiết bị đặt gần bộ ngắt kết nối.

Bảo vệ quá áp

Có những phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để bảo vệ quá áp, tùy thuộc các đặc điểm cụ thể của từng dạng quá áp. Tất cả các phương pháp cần được xem xét về hiệu suất, chi phí, độ khó và chế độ hoạt động khi xác định phương pháp sử dụng.

1. Bộ chống sét

Gồm hoạt điện trở SiC cấu tạo và các khe hở tia lửa, được định vị trong lớp bọc sứ, và thường được đặt tên là “bộ chống tia lửa điện”. Quá áp có một giá trị điện áp khác nhau, đặc điểm phân biệt các thiết bị bảo vệ quá áp là khả năng tăng đột biến danh định của chúng và mức bảo vệ có thể đạt được.

2. SCR Crowbar

Các thyristor đặc trưng, ví dụ như SCR được sử dụng vì chúng có thể chuyển đổi dòng điện lớn và tiếp tục chờ xử lý điện tích đã bị cô lập. Thường thì thyristor có liên quan trở lại với một cầu chì giúp cách ly bộ điều chỉnh.

3. Kẹp điện áp

Trong hệ thống bảo vệ đơn giản nhất, có thể sử dụng một điốt Zener. Với điện áp điốt Zener được chọn ở mức cao hơn một chút so với điện áp đường dây đã xác định, dưới các tình huống bình thường, nó không dẫn điện. Nếu điện áp tăng quá lớn, thì nó sẽ bắt đầu dẫn điện.

Tham khảo & trình bày: Hội nghị IOP