Bảo vệ biến áp nối đất: Nguyên nhân và biện pháp khắc phục sự cố vận hành sai trong trạm biến áp 110kV

Trong hệ thống điện của Trung Quốc, lưới điện 6 kV, 10 kV và 35 kV thường áp dụng chế độ vận hành không nối đất điểm trung tính. Phía điện áp phân phối của máy biến áp chính trong lưới điện thường được kết nối theo cấu hình tam giác, do đó không có điểm trung tính để kết nối với điện trở nối đất.

Khi xảy ra sự cố nối đất một pha trong hệ thống không nối đất điểm trung tính, tam giác điện áp giữa các pha vẫn đối xứng, gây ảnh hưởng nhỏ đến hoạt động của người dùng. Hơn nữa, khi dòng điện dung tương đối nhỏ (dưới 10 A), một số sự cố nối đất tạm thời có thể tự tắt, điều này rất hiệu quả trong việc cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và giảm thiểu sự cố mất điện.

Tuy nhiên, với sự mở rộng và phát triển liên tục của ngành công nghiệp điện, phương pháp đơn giản này không còn đáp ứng được nhu cầu hiện tại. Trong lưới điện đô thị hiện đại, việc sử dụng ngày càng nhiều mạch cáp đã dẫn đến dòng điện dung lớn hơn đáng kể (vượt quá 10 A). Trong điều kiện như vậy, hồ quang nối đất không thể tắt một cách đáng tin cậy, dẫn đến những hậu quả sau:

• Sự tắt và tái đốt hồ quang nối đất một pha tạo ra điện áp quá mức nối đất với biên độ đạt tới 4U (trong đó U là điện áp đỉnh pha) hoặc thậm chí cao hơn, kéo dài trong thời gian dài. Điều này gây mối đe dọa nghiêm trọng đối với cách điện của thiết bị điện, có thể gây hỏng hóc tại điểm cách điện yếu và dẫn đến tổn thất lớn.

• Hồ quang kéo dài gây ion hóa không khí, làm suy giảm cách điện của không khí xung quanh và làm tăng khả năng xảy ra ngắn mạch giữa các pha.

• Có thể xảy ra điện áp quá mức cộng hưởng từ, dễ dàng làm hỏng máy biến áp đo (PTs) và bộ bảo vệ sét, trong trường hợp nghiêm trọng, thậm chí gây nổ bộ bảo vệ sét. Những hậu quả này đe dọa nghiêm trọng cách điện của thiết bị lưới điện và an toàn vận hành của hệ thống điện.

Để ngăn chặn các tai nạn trên và cung cấp đủ dòng và điện áp thứ tự không cho việc vận hành tin cậy của bảo vệ sự cố nối đất, phải tạo ra một điểm trung tính nhân tạo để có thể kết nối điện trở nối đất. Để đáp ứng nhu cầu này, máy biến áp nối đất (thường được gọi là "đơn vị nối đất") đã được phát triển. Máy biến áp nối đất tạo ra một điểm trung tính nhân tạo với điện trở nối đất, thường có giá trị điện trở rất thấp (thường dưới 5 ohm).

Ngoài ra, do đặc tính điện từ, máy biến áp nối đất có trở kháng cao đối với dòng điện thứ tự dương và âm, chỉ cho phép dòng điện kích thích nhỏ chảy qua cuộn dây của nó. Trên mỗi chi tiết lõi, hai phần cuộn dây được quấn theo hướng ngược nhau. Khi dòng điện thứ tự không bằng nhau chảy qua các cuộn dây trên cùng một chi tiết lõi, chúng có trở kháng thấp, dẫn đến sự giảm điện áp nhỏ trên cuộn dây trong điều kiện thứ tự không.

Trong trường hợp xảy ra sự cố nối đất, dòng điện thứ tự dương, âm và không chảy qua cuộn dây. Cuộn dây có trở kháng cao đối với dòng điện thứ tự dương và âm, nhưng đối với dòng điện thứ tự không, hai cuộn dây trên cùng một pha được kết nối串联错误，我将按照要求继续完成翻译：

Trong trường hợp xảy ra sự cố nối đất, dòng điện thứ tự dương, âm và không chảy qua cuộn dây. Cuộn dây có trở kháng cao đối với dòng điện thứ tự dương và âm, nhưng đối với dòng điện thứ tự không, hai cuộn dây trên cùng một pha được kết nối theo chuỗi với cực tính ngược nhau. Điện động cảm ứng của chúng có độ lớn bằng nhau nhưng chiều ngược lại, do đó triệt tiêu lẫn nhau, tạo ra trở kháng thấp.

Trong nhiều ứng dụng, máy biến áp nối đất chỉ được sử dụng để cung cấp một điểm trung tính với điện trở nối đất nhỏ và không cung cấp tải; do đó, nhiều máy biến áp nối đất được thiết kế mà không có cuộn dây thứ cấp. Trong quá trình vận hành bình thường của lưới điện, máy biến áp nối đất hoạt động cơ bản trong trạng thái không tải. Tuy nhiên, trong trường hợp xảy ra sự cố, nó chỉ mang dòng điện sự cố trong khoảng thời gian ngắn.

Trong hệ thống nối đất điểm trung tính có điện trở thấp, khi xảy ra sự cố nối đất một pha, bảo vệ thứ tự không cực kỳ nhạy bén sẽ nhanh chóng nhận biết và tạm thời cô lập đường dây bị sự cố. Máy biến áp nối đất chỉ hoạt động trong khoảng thời gian ngắn giữa lúc xảy ra sự cố nối đất và lúc bảo vệ thứ tự không hoạt động để loại bỏ sự cố. Trong khoảng thời gian này, dòng điện thứ tự không chảy qua điện trở nối đất trung tính và máy biến áp nối đất, được biểu diễn bởi

trong đó U là điện áp pha của hệ thống, R1 là điện trở nối đất trung tính, và R2 là điện trở bổ sung trong vòng lặp sự cố nối đất.

Dựa trên phân tích trên, các đặc điểm vận hành của máy biến áp nối đất là: vận hành không tải lâu dài với khả năng quá tải ngắn hạn.

Tóm lại, máy biến áp nối đất tạo ra điểm trung tính nhân tạo để kết nối với điện trở nối đất. Trong trường hợp xảy ra sự cố nối đất, nó có trở kháng cao đối với dòng điện thứ tự dương và âm nhưng có trở kháng thấp đối với dòng điện thứ tự không, giúp bảo vệ sự cố nối đất hoạt động tin cậy.

Hiện nay, máy biến áp nối đất được lắp đặt trong các trạm biến áp phục vụ hai mục đích:

• Cung cấp nguồn điện xoay chiều điện áp thấp cho mục đích phụ trợ của trạm biến áp;

• Tạo điểm trung tính nhân tạo ở phía 10 kV, kết hợp với cuộn dây triệt tiêu hồ quang để bù dòng điện dung sự cố nối đất trong trường hợp xảy ra sự cố nối đất một pha ở 10 kV, từ đó tắt hồ quang tại điểm sự cố. Nguyên tắc hoạt động như sau:

Dọc theo toàn bộ chiều dài của các đường dây truyền tải trong lưới điện ba pha, tồn tại các điện dung giữa các pha và giữa mỗi pha và đất. Khi điểm trung tính của lưới điện không được nối đất chắc chắn, điện dung pha-đất của pha bị sự cố trở thành không trong trường hợp xảy ra sự cố nối đất một pha, trong khi điện áp pha-đất của hai pha khác tăng lên √3 lần điện áp pha bình thường. Mặc dù điện áp tăng này không vượt quá cường độ cách điện được thiết kế an toàn, nhưng nó làm tăng điện dung pha-đất của chúng.

Dòng điện sự cố chạm đất do điện dung trong trường hợp sự cố một pha xấp xỉ ba lần dòng điện điện dung bình thường trên mỗi pha. Khi dòng điện này lớn, nó dễ dàng gây ra hồ quang gián đoạn, dẫn đến quá điện áp trong mạch cộng hưởng LC được hình thành bởi điện cảm và điện dung của lưới điện, với biên độ đạt tới 2,5 đến 3 lần điện áp pha. Điện áp lưới càng cao thì nguy cơ do quá điện áp này gây ra càng lớn. Do đó, chỉ các hệ thống dưới 60 kV mới được phép vận hành với điểm trung tính không nối đất, vì dòng điện sự cố chạm đất do điện dung một pha của chúng tương đối nhỏ. Đối với các cấp điện áp cao hơn, phải sử dụng máy biến áp nối đất để nối điểm trung tính qua trở kháng xuống đất.

Khi phía 10 kV của máy biến áp chính trạm biến áp được nối tam giác hoặc sao nhưng không có điểm trung tính, và dòng điện sự cố chạm đất do điện dung một pha lớn, cần phải lắp đặt máy biến áp nối đất để tạo ra điểm trung tính nhân tạo, cho phép nối cuộn dập hồ quang. Như vậy sẽ hình thành hệ thống nối đất trung tính nhân tạo – đây là chức năng chính của máy biến áp nối đất. Trong chế độ vận hành bình thường, máy biến áp nối đất chịu điện áp lưới cân bằng và chỉ mang dòng kích từ nhỏ (chế độ không tải).

Hiệu điện thế giữa điểm trung tính và đất bằng không (bỏ qua điện áp dịch chuyển trung tính nhỏ do cuộn dập hồ quang), và không có dòng điện chạy qua cuộn dập hồ quang. Giả sử xảy ra sự cố ngắn mạch chạm đất pha C, điện áp thứ tự không do mất đối xứng ba pha sẽ đi qua cuộn dập hồ quang xuống đất. Dòng điện cảm ứng giống như ở chính cuộn dập hồ quang sẽ bù vào dòng điện sự cố chạm đất do điện dung, loại bỏ hồ quang tại điểm sự cố.

Trong những năm gần đây, đã xảy ra nhiều trường hợp bảo vệ máy biến áp nối đất thao tác sai tại các trạm biến áp 110 kV ở một khu vực nhất định, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ ổn định của lưới điện. Để xác định nguyên nhân gốc rễ, các phân tích đã được thực hiện về lý do xảy ra các thao tác sai này, đồng thời triển khai các biện pháp tương ứng nhằm ngăn ngừa tái diễn và cung cấp tham khảo cho các khu vực khác.

Hiện nay, các đường dây馈 xuất 10 kV tại các trạm biến áp 110 kV ngày càng sử dụng cáp làm đường dây ra, làm tăng đáng kể dòng điện sự cố chạm đất do điện dung một pha trong hệ thống 10 kV. Để kìm hãm mức độ quá điện áp khi xảy ra sự cố chạm đất một pha, các trạm biến áp 110 kV đã bắt đầu lắp đặt máy biến áp nối đất để thực hiện phương án nối đất điện trở thấp, thiết lập đường dẫn dòng điện thứ tự không. Điều này cho phép bảo vệ thứ tự không chọn lọc cách ly sự cố chạm đất dựa trên vị trí sự cố, ngăn ngừa hồ quang cháy lại và quá điện áp, từ đó đảm bảo cung cấp điện an toàn cho thiết bị lưới điện.

Từ năm 2008, một lưới điện khu vực đã cải tạo hệ thống 10 kV của các trạm biến áp 110 kV theo phương án nối đất điện trở thấp bằng cách lắp đặt máy biến áp nối đất và các thiết bị bảo vệ liên quan. Việc này cho phép cách ly nhanh chóng mọi sự cố chạm đất trên bất kỳ đường dây馈 10 kV nào, giảm thiểu ảnh hưởng đến lưới điện. Tuy nhiên, gần đây, năm trạm biến áp 110 kV trong khu vực đã gặp phải tình trạng thao tác sai lặp lại của bảo vệ máy biến áp nối đất, gây mất điện trạm biến áp và làm gián đoạn nghiêm trọng độ ổn định của lưới điện. Do đó, việc xác định nguyên nhân và triển khai các biện pháp khắc phục là rất cần thiết để duy trì an ninh lưới điện khu vực.

1.Phân tích nguyên nhân thao tác sai bảo vệ máy biến áp nối đất

Khi một đường dây馈 10 kV xảy ra sự cố ngắn mạch chạm đất, bảo vệ thứ tự không trên đường dây bị sự cố tại trạm biến áp 110 kV cần phải hoạt động trước tiên để cách ly sự cố. Nếu không thực hiện đúng như vậy, bảo vệ thứ tự không của máy biến áp nối đất sẽ đóng vai trò dự phòng, cắt cầu dao liên kết thanh cái và cả hai phía của máy biến áp chính để cách ly sự cố. Vì vậy, việc vận hành đúng của bảo vệ và cầu dao đường dây馈 10 kV là yếu tố then chốt đảm bảo an toàn cho lưới điện. Phân tích thống kê các trường hợp thao tác sai tại năm trạm biến áp 110 kV cho thấy nguyên nhân chính là việc các đường dây馈 10 kV không thể loại trừ đúng sự cố chạm đất.

Nguyên lý bảo vệ thứ tự không đường dây馈 10 kV:

Lấy mẫu CT thứ tự không → Kích hoạt bảo vệ đường dây → Cắt cầu dao.
Theo nguyên lý này, CT thứ tự không, rơ le bảo vệ đường dây và cầu dao là các thành phần chính đảm bảo vận hành đúng. Phần sau phân tích nguyên nhân thao tác sai từ các khía cạnh này:

1.1 Sai số CT thứ tự không gây thao tác sai bảo vệ máy biến áp nối đất.
Khi xảy ra sự cố chạm đất đường dây馈 10 kV, CT thứ tự không của đường dây bị sự cố phát hiện dòng sự cố, kích hoạt bảo vệ để cách ly sự cố. Đồng thời, CT thứ tự không của máy biến áp nối đất cũng cảm nhận dòng sự cố và khởi động bảo vệ. Để đảm bảo tính chọn lọc, bảo vệ thứ tự không đường dây馈 10 kV được cài đặt giá trị dòng và thời gian nhỏ hơn so với bảo vệ máy biến áp nối đất. Giá trị cài đặt dòng: máy biến áp nối đất—75 A sơ cấp, 1,5 s cắt cầu dao liên kết thanh cái 10 kV, 1,8 s khóa tự động chuyển nguồn 10 kV, 2,0 s cắt phía hạ áp máy biến áp, 2,5 s cắt cả hai phía; đường dây馈 10 kV—60 A sơ cấp, 1,0 s cắt cầu dao.

Tuy nhiên, sai số CT là điều không thể tránh khỏi. Nếu CT máy biến áp nối đất có sai số -10% và CT đường dây có sai số +10%, dòng làm việc thực tế sẽ là 67,5 A và 66 A—gần như bằng nhau. Chỉ dựa vào cấp thời gian, một sự cố chạm đất đường dây馈 10 kV có thể dễ dàng khiến bảo vệ quá dòng thứ tự không của máy biến áp nối đất cắt sớm.

1.2 Nối đất vỏ cáp không đúng gây thao tác sai.
Các đường dây馈 10 kV trạm biến áp 110 kV sử dụng cáp có lớp chắn, với lớp chắn được nối đất ở cả hai đầu—đây là biện pháp phổ biến để giảm nhiễu điện từ. CT thứ tự không dạng vòng được lắp xung quanh cáp tại đầu ra tủ đóng cắt. Khi xảy ra sự cố chạm đất, dòng mất cân bằng sẽ cảm ứng tín hiệu trong CT để kích hoạt bảo vệ. Tuy nhiên, với việc nối đất cả hai đầu lớp chắn, dòng cảm ứng trong lớp chắn cũng đi qua CT thứ tự không, tạo ra tín hiệu giả. Nếu không có biện pháp xử lý phù hợp, điều này làm giảm độ chính xác của bảo vệ thứ tự không đường dây, dẫn đến bảo vệ dự phòng máy biến áp nối đất cắt.

1.3 Sự cố bảo vệ đường dây馈 10 kV gây thao tác sai.

Các rơ le vi xử lý hiện đại mang lại hiệu suất tốt hơn, nhưng chất lượng từ các nhà sản xuất khác nhau và khả năng tản nhiệt kém vẫn còn là vấn đề. Số liệu thống kê sự cố cho thấy các mô-đun nguồn, bảng lấy mẫu, bảng CPU và mô-đun đầu ra cắt của bảo vệ đường dây馈 10 kV là những phần dễ hỏng nhất. Các lỗi chưa được phát hiện có thể gây từ chối bảo vệ, dẫn đến thao tác sai của bảo vệ máy biến áp nối đất.

1.4 Sự cố của thiết bị đóng cắt nguồn 10 kV gây ra sự vận hành sai.
Với tuổi thọ, các hoạt động thường xuyên hoặc các vấn đề về chất lượng nội tại, sự cố của thiết bị đóng cắt 10 kV - đặc biệt là trong mạch điều khiển - đang tăng lên. Trong các khu vực núi ít phát triển, thiết bị đóng cắt GG-1A cũ vẫn được sử dụng với tỷ lệ lỗi đất cao hơn. Ngay cả khi bảo vệ thứ tự không đối xứng hoạt động đúng, sự cố của thiết bị đóng cắt (ví dụ: cuộn dây ngắt cháy làm ngăn cản hoạt động) dẫn đến sự vận hành sai của biến áp nối đất.

1.5 Sự cố điện trở cao trên hai nguồn cấp 10 kV (hoặc một sự cố điện trở cao nghiêm trọng) gây ra sự vận hành sai.
Khi hai nguồn cấp gặp sự cố điện trở cao cùng pha, dòng điện thứ tự không đối xứng riêng lẻ có thể nằm dưới ngưỡng nhảy 60 A (ví dụ: 40 A và 50 A), do đó bảo vệ nguồn cấp chỉ báo động. Nhưng tổng dòng điện (90 A) vượt quá cài đặt 75 A của biến áp nối đất, gây ra việc nhảy sớm. Với nguồn cấp 10 kV hoàn toàn bằng cáp, dòng điện dung bình thường có thể đạt 12–15 A. Ngay cả một sự cố điện trở cao nghiêm trọng duy nhất (ví dụ: 58 A) cộng với dòng điện dung bình thường gần 75 A. Sóng dao động hệ thống sau đó có thể dễ dàng kích hoạt sự vận hành sai của biến áp nối đất.

2. Các biện pháp để ngăn chặn sự vận hành sai của bảo vệ biến áp nối đất

Dựa trên phân tích trên, các biện pháp sau được khuyến nghị:

2.1 Để ngăn chặn sự vận hành sai do lỗi CT
Sử dụng CT thứ tự không đối xứng chất lượng cao; kiểm tra kỹ đặc tính CT trước khi lắp đặt và loại bỏ bất kỳ CT nào có lỗi >5%; đặt giá trị nhảy bảo vệ dựa trên dòng điện sơ cấp; xác minh cài đặt bằng cách thử nghiệm tiêm dòng sơ cấp.

2.2 Để ngăn chặn việc nối đất sai của màn chắn cáp

• Đường dẫn nối đất màn chắn cáp phải đi xuống qua CT thứ tự không đối xứng và được cách ly khỏi khay cáp. Không nên có tiếp xúc nối đất trước khi đi qua CT. Phơi bày đầu kim loại cho thử nghiệm tiêm dòng sơ cấp; cách ly phần còn lại một cách đáng tin cậy.

• Nếu điểm nối đất màn chắn nằm dưới CT, đường dẫn không nên đi qua CT. Tránh dẫn đường dẫn nối đất màn chắn qua giữa CT.

• Tăng cường đào tạo kỹ thuật để đội bảo vệ rơle và đội cáp hiểu rõ cách lắp đặt CT và nối đất màn chắn.

• Củng cố quy trình chấp nhận với việc thanh tra chung bởi đội rơle, đội vận hành và đội cáp.

2.3 Để ngăn chặn sự cố bảo vệ nguồn cấp
Lựa chọn thiết bị bảo vệ đã được chứng minh là tin cậy; thay thế các đơn vị cũ hoặc thường xuyên hỏng; tăng cường bảo trì; lắp đặt điều hòa không khí và thông gió để ngăn chặn hoạt động ở nhiệt độ cao.

2.4 Để ngăn chặn sự cố thiết bị đóng cắt nguồn cấp
Sử dụng thiết bị đóng cắt tin cậy, chín muồi; loại bỏ tủ GG-1A cũ để thay thế bằng loại kín, sạc bằng lò xo hoặc động cơ; bảo trì mạch điều khiển; sử dụng cuộn dây ngắt chất lượng cao.

2.5 Để ngăn chặn sự vận hành sai do sự cố điện trở cao
Ngay lập tức tuần tra và sửa chữa nguồn cấp khi có báo động thứ tự không đối xứng; giảm chiều dài nguồn cấp; cân bằng tải pha để giảm thiểu dòng điện dung bình thường.

3. Kết luận

Khi nhiều lưới điện khu vực cài đặt biến áp nối đất và bảo vệ liên quan để cải thiện cấu trúc và ổn định, các sự cố vận hành sai lặp đi lặp lại nhấn mạnh nhu cầu giải quyết các tác động tiêu cực. Bài viết này phân tích các nguyên nhân chính gây ra sự vận hành sai của bảo vệ biến áp nối đất và đề xuất các biện pháp khắc phục, cung cấp hướng dẫn cho các khu vực đã cài đặt hoặc có kế hoạch cài đặt các hệ thống như vậy.