Phân tích các biện pháp bảo vệ chống sét cho máy biến áp phân phối

Phân tích các biện pháp bảo vệ chống sét cho máy biến áp phân phối

Để ngăn chặn sự xâm nhập của xung sét và đảm bảo hoạt động an toàn của máy biến áp phân phối, bài viết này trình bày các biện pháp bảo vệ chống sét có thể áp dụng để tăng cường khả năng chịu đựng sét của chúng.

1. Các biện pháp bảo vệ chống sét cho máy biến áp phân phối

1.1 Cài đặt bộ chống sét trên phía điện áp cao (HV) của máy biến áp phân phối.
Theo SDJ7–79 Quy chuẩn kỹ thuật thiết kế bảo vệ quá áp cho thiết bị điện: “Phía điện áp cao (HV) của máy biến áp phân phối nên được bảo vệ bằng bộ chống sét. Dây nối đất của bộ chống sét, điểm trung tính của cuộn dây điện áp thấp (LV), và thùng máy biến áp phải được kết nối với nhau và nối đất.” Cấu hình này cũng được khuyến nghị trong DL/T620–1997 Bảo vệ quá áp và phối hợp cách điện cho hệ thống điện xoay chiều do cơ quan điện lực Trung Quốc ban hành.

Tuy nhiên, nghiên cứu rộng rãi và kinh nghiệm thực tế cho thấy rằng ngay cả khi chỉ có bộ chống sét phía HV, các sự cố máy biến áp vẫn xảy ra dưới tác động của xung sét. Trong các khu vực điển hình, tỷ lệ hỏng hóc hàng năm khoảng 1%; trong các khu vực có nhiều sét, tỷ lệ này có thể đạt khoảng 5%; và trong các khu vực có sấm sét cực kỳ nghiêm trọng (ví dụ: các khu vực có hơn 100 ngày sấm sét mỗi năm), tỷ lệ hỏng hóc hàng năm có thể lên đến khoảng 50%. Nguyên nhân chính là do các quá áp tạm thời theo chiều thuận và ngược khi xung sét xâm nhập vào cuộn dây HV.

• Quá áp biến đổi ngược:
  Khi một xung sét (3–10 kV) xâm nhập vào phía HV, bộ chống sét phóng điện, gây ra dòng xung lớn chảy qua điện trở nối đất, tạo ra giọt điện áp. Điện áp này nâng cao tiềm năng của điểm trung tính LV. Nếu đường dây LV dài, nó hoạt động như một trở kháng sóng đối với mặt đất. Do đó, một dòng xung lớn chảy qua cuộn dây LV. Vì ba pha dòng điện LV bằng nhau về độ lớn và hướng, chúng tạo ra từ thông không thứ tự mạnh, qua tỷ lệ vòng quấn của máy biến áp, gây ra các điện áp tạm thời cực kỳ cao trong cuộn dây HV. Vì cuộn dây HV được kết nối sao với điểm trung tính không nối đất, không có dòng xung tuần hoàn tồn tại ở phía HV để cân bằng từ thông. Do đó, toàn bộ dòng xung LV hoạt động như dòng từ hóa, tạo ra điện áp cảm ứng cao tại đầu trung tính HV—nơi cách điện dễ bị tổn thương nhất. Ngoài ra, các gradient điện áp giữa các vòng và lớp tăng đáng kể, gây nguy cơ hỏng cách điện ở các vị trí khác. Hiện tượng này—bắt đầu bởi một xung phía HV nhưng gây ra quá áp qua ghép từ điện từ phía LV—được gọi là biến đổi ngược.
• Quá áp biến đổi thuận:
  Khi một xung sét xâm nhập qua đường dây LV, dòng xung chảy qua cuộn dây LV, gây ra điện áp cao trong cuộn dây HV qua tỷ lệ vòng quấn. Điều này làm tăng đáng kể tiềm năng của điểm trung tính HV và tăng các gradient điện áp giữa các lớp và vòng. Quá trình này—khi một xung phía LV gây ra quá áp trên phía HV—được gọi là biến đổi thuận. Các thử nghiệm cho thấy, với xung 10 kV phía LV và điện trở nối đất 5 Ω, gradient điện áp giữa các lớp trong cuộn dây HV có thể vượt quá sức chịu đựng xung toàn sóng của máy biến áp hơn 100%, không thể tránh khỏi việc hỏng cách điện.

1.2 Cài đặt bộ chống sét van truyền thống hoặc bộ chống sét oxit kim loại trên phía LV.
Trong cấu hình này, dây nối đất của cả bộ chống sét HV và LV, điểm trung tính LV, và thùng máy biến áp đều được kết nối với nhau và nối đất (thường được gọi là “ba điểm nối” hoặc “nối đất ba trong một”).

Dữ liệu thực tế và nghiên cứu thí nghiệm xác nhận rằng ngay cả với máy biến áp có cách điện tốt, chỉ có bộ chống sét phía HV không đủ để ngăn chặn thiệt hại do quá áp biến đổi thuận hoặc ngược. Bộ chống sét HV không cung cấp bảo vệ chống lại các xung tạm thời nội bộ. Các gradient điện áp giữa các lớp và vòng tỷ lệ thuận với số vòng quấn và phụ thuộc vào hình học cuộn dây—các sự cố có thể xảy ra ở đầu, giữa, hoặc cuối cuộn dây, với đầu cuối là nơi dễ bị tổn thương nhất. Việc thêm bộ chống sét phía LV hiệu quả hạn chế cả quá áp biến đổi thuận và ngược.

1.3 Nối đất riêng biệt cho phía HV và LV.
Trong phương pháp này, bộ chống sét HV được nối đất độc lập, trong khi điểm trung tính LV và thùng máy biến áp được kết nối và nối đất riêng biệt (không có bộ chống sét LV).

Nghiên cứu cho thấy phương pháp này tận dụng sự suy giảm của đất để hầu như loại bỏ quá áp biến đổi ngược. Đối với biến đổi thuận, các tính toán cho thấy việc giảm điện trở nối đất phía LV từ 10 Ω xuống 2.5 Ω có thể giảm quá áp phía HV khoảng 40%. Với xử lý thích hợp của hệ thống nối đất phía LV, quá áp biến đổi thuận có thể được giảm thiểu hiệu quả. Giải pháp này đơn giản và tiết kiệm chi phí, mặc dù đòi hỏi điện trở nối đất phía LV thấp, mang lại giá trị thực tiễn đáng kể.

Ngoài các biện pháp nêu trên, các biện pháp khác bao gồm cài đặt cuộn dây cân bằng trên lõi máy biến áp để ức chế quá áp biến đổi hoặc nhúng varistor oxit kim loại (MOVs) bên trong máy biến áp.

2. Áp dụng các biện pháp bảo vệ chống sét

Phân tích trên cho thấy rằng mỗi phương pháp bảo vệ có đặc điểm riêng. Các vùng cần chọn chiến lược phù hợp dựa trên cường độ sấm sét địa phương (đo bằng số ngày sấm sét mỗi năm):

• Khu vực ít sét (ví dụ: đồng bằng): Bộ bảo vệ bên HV là đủ do tỷ lệ hỏng hàng năm thấp.
• Khu vực có mức độ sét trung bình: Cài đặt bộ bảo vệ ở cả hai bên HV và LV.
• Khu vực nhiều sét: Các biện pháp đơn lẻ thường không đủ. Đề xuất phương pháp toàn diện: Bộ bảo vệ HV với hệ thống tiếp đất độc lập, cộng với bộ bảo vệ LV được kết nối, dây trung tính LV và thùng chứa kết nối với hệ thống tiếp đất riêng biệt.
• Khu vực sét nghiêm trọng (đặc biệt là nơi tỷ lệ hỏng hàng năm vẫn cao mặc dù đã áp dụng các biện pháp toàn diện): Sau khi đánh giá kỹ thuật và kinh tế, hãy xem xét các giải pháp tiên tiến như cuộn cân bằng gắn lõi (tức là máy biến áp chống sét mới) hoặc bộ bảo vệ sét mangan oxit được lắp đặt bên trong.

3. Kết luận

Các phương pháp bảo vệ sét cho máy biến áp phân phối rất đa dạng, và điều kiện tại địa điểm khác nhau đáng kể giữa các khu vực. Bằng cách lựa chọn các phương án bảo vệ dựa trên điều kiện địa phương, và bằng cách tăng cường quản lý vận hành, các công ty điện lực có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu đựng sét và độ tin cậy của máy biến áp phân phối.