Phân tích Nguyên nhân Gây ra Sai Lỗi Bảo vệ Biến áp Đất
Trong hệ thống điện của Trung Quốc, lưới điện 6 kV, 10 kV và 35 kV thường sử dụng chế độ vận hành không nối đất điểm trung tính. Phía điện áp phân phối của các biến áp chính trong lưới thường được kết nối theo cấu hình tam giác, không cung cấp điểm trung tính để kết nối các điện trở nối đất. Khi xảy ra sự cố chạm đất một pha trong hệ thống không nối đất điểm trung tính, tam giác điện áp giữa các pha vẫn giữ được đối xứng, gây ảnh hưởng tối thiểu đến hoạt động của người dùng. Hơn nữa, khi dòng điện dung nhỏ (dưới 10 A), một số sự cố chạm đất tạm thời có thể tự tắt, điều này rất hiệu quả trong việc cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và giảm 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 tăng đáng kể (vượt quá 10 A). Trong điều kiện này, hồ quang đất không thể tắt một cách đáng tin cậy, dẫn đến các hậu quả sau:
Sự tắt và tái đốt hồ quang chạm đất một pha xen kẽ có thể tạo ra điện áp quá mức hồ quang-đất với biên độ lên đến 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 các điểm cách điện yếu và dẫn đến tổn thất lớn.
Hồ quang kéo dài làm ion hóa không khí xung quanh, làm suy giảm tính chất cách điện và 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 biến áp đo điện áp và thiết bị bảo vệ sét—có thể thậm chí gây nổ thiết bị bảo vệ sét. Những hậu quả này gây nguy hiểm nghiêm trọng cho tính toàn vẹn cách điện của thiết bị lưới và đe dọa an toàn vận hành của toàn bộ hệ thống điện.
Để ngăn chặn những sự cố như vậy và cung cấp đủ dòng điện và điện áp thứ tự không để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của bảo vệ chạm đất, cần phải tạo ra một điểm trung tính nhân tạo để có thể kết nối một điện trở nối đất. Nhu cầu này đã dẫn đến sự phát triển của biến áp nối đất (thường được gọi là "biến áp nối đất" hoặc "đơn vị nối đất"). Biến áp nối đất tạo ra một điểm trung tính nhân tạo với một điện trở nối đất, thường có điện trở rất thấp (thông thường dưới 5 ohm).
Ngoài ra, do đặc tính điện từ, biến áp nối đất có điện trở 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 nhánh lõi, hai phần cuộn dây được quấn theo hướng ngược nhau. Khi dòng điện thứ tự không bằng nhau chảy qua các cuộn dây này, chúng có điện trở thấp, dẫn đến giật điện áp thấp trên cuộn dây trong điều kiện thứ tự không.
Cụ thể, trong trường hợp xảy ra sự cố chạm đất, cuộn dây mang dòng điện thứ tự dương, âm và không. Nó có điện trở cao đối với dòng điện thứ tự dương và âm nhưng có điện trở thấp đối với dòng điện thứ tự không. Điều này là do, trong cùng một pha, hai cuộn dây được nối tiếp với cực tính ngược nhau; các lực điện động cảm ứng của chúng bằng nhau về giá trị nhưng ngược chiều, hiệu quả triệt tiêu lẫn nhau, do đó có điện trở thấp đối với dòng điện thứ tự không.
Trong nhiều ứng dụng, biến áp nối đất chỉ được sử dụng để cung cấp một điểm trung tính với một điện trở nối đất nhỏ và không cung cấp tải phụ trợ nào. Do đó, nhiều biến áp nối đất được thiết kế mà không có cuộn dây phụ. Trong quá trình vận hành bình thường của lưới, biến áp nối đất hoạt động cơ bản ở trạng thái không tải. Tuy nhiên, trong trường hợp xảy ra sự cố, nó chỉ mang dòng điện sự cố trong thời gian ngắn. Trong hệ thống nối đất điện trở thấp, khi xảy ra sự cố chạm đất một pha bên 10 kV, bảo vệ thứ tự không có độ nhạy cao nhanh chóng nhận biết và tạm thời cách ly đường dây có lỗi.
Biến áp nối đất chỉ hoạt động trong khoảng thời gian ngắn giữa khi xảy ra sự cố và khi bảo vệ thứ tự không của đường dây hoạt động. Trong thời gian này, dòng điện thứ tự không chảy qua điện trở nối đất trung tính và biến áp nối đất, theo công thức: I_R = U / (R₁ + R₂), trong đó U là điện áp pha hệ thống, R₁ là điện trở nối đất trung tính, và R₂ là điện trở bổ sung trong vòng lặp sự cố chạm đất.
Dựa trên phân tích trên, các đặc trưng hoạt động của biến áp nối đất là: vận hành không tải lâu dài và quá tải ngắn hạn trong trường hợp sự cố.
Tóm lại, biến áp nối đất tạo ra một điểm trung tính nhân tạo để kết nối một điện trở nối đất. Trong trường hợp xảy ra sự cố chạm đất, nó có điện trở cao đối với dòng điện thứ tự dương và âm nhưng có điện trở thấp đối với dòng điện thứ tự không, do đó đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của bảo vệ chạm đất.
Hiện nay, biến áp nối đất được lắp đặt trong trạm biến áp phục vụ hai mục đích chính:
Cung cấp nguồn điện xoay chiều hạ thế cho sử dụng phụ trợ của trạm biến áp;
Tạo điểm trung tính nhân tạo bên 10 kV, khi kết hợp với cuộn dây triệt tiêu (cuộn dây Petersen), bù dòng điện dung chạm đất trong trường hợp xảy ra sự cố chạm đất một pha 10 kV, do đó tắt hồ quang tại điểm sự cố. Nguyên tắc hoạt động như sau:
Dọc theo toàn bộ chiều dài của các dây dẫn trong lưới điện ba pha, tồn tại điện dung giữa các pha và giữa mỗi pha và đất. Khi điểm trung tính của lưới không được nối đất chắc chắn, điện dung tới đất của pha bị sự cố trở thành không trong trường hợp xảy ra sự cố chạm đất một pha, trong khi điện áp của hai pha còn lại tăng lên √3 lần điện áp pha bình thường. Mặc dù điện áp tăng này vẫn nằm trong giới hạn thiết kế cách điện, nhưng nó làm tăng điện dung tới đất. Dòng điện dung chạm đất trong trường hợp sự cố một pha khoảng ba lần dòng điện dung pha bình thường. Khi dòng điện này trở nên lớn, nó dễ dàng duy trì hồ quang xen kẽ, kích thích dao động cộng hưởng trong mạch cảm-dung của lưới và tạo ra điện áp quá mức lên đến 2,5–3 lần điện áp pha. Điện áp lưới càng cao, rủi ro từ điện áp quá mức càng lớn. Do đó, chỉ có hệ thống dưới 60 kV mới có thể vận hành với điểm trung tính không được nối đất, vì dòng điện dung chạm đất một pha của chúng vẫn nhỏ. Đối với các hệ thống điện áp cao hơn, phải sử dụng biến áp nối đất để kết nối điểm trung tính thông qua điện trở.
Khi một bên của biến áp chính trạm điện (ví dụ, phía 10 kV) được kết nối theo hình tam giác hoặc sao mà không có điểm trung tính được đưa ra, và dòng điện dung đơn pha lớn, không có điểm trung tính nào có sẵn để nối đất. Trong những trường hợp như vậy, một biến áp nối đất được sử dụng để tạo ra một điểm trung tính nhân tạo, cho phép kết nối với cuộn kháng triệt hồ quang. Điểm trung tính nhân tạo này cho phép hệ thống bù dòng điện dung và dập tắt hồ quang tiếp đất - đây là vai trò cơ bản của biến áp nối đất.
Trong quá trình hoạt động bình thường, biến áp nối đất trải qua điện áp ba pha cân bằng và chỉ mang một dòng điện kích thích nhỏ, hoạt động gần như không tải. Hiệu điện thế giữa điểm trung tính và đất là không (bỏ qua hiệu điện thế dịch chuyển trung tính nhỏ từ cuộn kháng triệt hồ quang), và không có dòng điện nào chảy qua cuộn dây. Nếu, ví dụ, pha C gặp sự cố tiếp đất, điện áp thứ tự không (được tạo ra từ sự bất đối xứng) sẽ chảy qua cuộn kháng triệt hồ quang đến đất. Cuộn dây tạo ra dòng điện cảm ứng bù lại dòng điện dung gây ra sự cố tiếp đất, do đó loại bỏ hồ quang - chức năng giống như cuộn kháng triệt hồ quang độc lập.
Gần đây, đã xảy ra nhiều sự cố vận hành sai bảo vệ biến áp nối đất tại các trạm điện 110 kV ở một khu vực cụ thể,严重影响电网稳定性。为了查明根本原因，进行了分析，实施了纠正措施，并分享了经验教训，以防止再次发生并指导其他地区。
Với việc sử dụng ngày càng tăng của đường dây cáp trong mạng 10 kV của các trạm điện 110 kV, dòng điện dung đơn pha đã tăng đáng kể. Để hạn chế mức độ điện áp cao trong trường hợp sự cố tiếp đất, nhiều trạm điện 110 kV hiện nay lắp đặt biến áp nối đất để thực hiện tiếp đất điện trở thấp, tạo ra đường đi cho dòng điện thứ tự không. Điều này cho phép bảo vệ thứ tự không chọn lọc cách ly sự cố tiếp đất dựa trên vị trí, ngăn chặn sự tái phát sinh hồ quang và đảm bảo cung cấp điện an toàn.
Từ năm 2008, một khu vực cụ thể đã cải tạo hệ thống 10 kV của các trạm điện 110 kV sang tiếp đất điện trở thấp bằng cách lắp đặt biến áp nối đất và các thiết bị bảo vệ liên quan. Điều này cho phép cách ly nhanh chóng bất kỳ sự cố tiếp đất nào của đường dây 10 kV, giảm thiểu tác động lên lưới điện. Tuy nhiên, gần đây, năm trạm điện 110 kV trong khu vực đã gặp phải sự cố vận hành sai bảo vệ biến áp nối đất lặp đi lặp lại, gây ra mất điện và đe dọa ổn định lưới điện. Do đó, xác định nguyên nhân và triển khai giải pháp là rất cần thiết.
1. Phân tích nguyên nhân gây ra sự cố vận hành sai bảo vệ biến áp nối đất
Khi đường dây 10 kV gặp sự cố tiếp đất, bảo vệ thứ tự không của đường dây tại trạm điện 110 kV nên hoạt động đầu tiên để cách ly sự cố. Nếu nó không hoạt động, bảo vệ thứ tự không dự phòng của biến áp nối đất sẽ cắt cầu chì và cầu dao máy biến áp chính để chứa sự cố. Do đó, hoạt động chính xác của bảo vệ và cầu dao đường dây 10 kV là rất quan trọng. Phân tích thống kê về sự cố vận hành sai tại năm trạm điện cho thấy lỗi bảo vệ đường dây là nguyên nhân chính.
Bảo vệ thứ tự không của đường dây 10 kV hoạt động như sau: biến dòng thứ tự không lấy mẫu → bảo vệ khởi động → cầu dao cắt. Các thành phần chính là biến dòng thứ tự không, rơle bảo vệ và cầu dao. Phân tích tập trung vào các yếu tố này:
1.1 Lỗi biến dòng thứ tự không gây ra sự cố vận hành sai
Khi có sự cố tiếp đất, biến dòng thứ tự không của đường dây bị sự cố phát hiện dòng điện sự cố, kích hoạt bảo vệ của nó. Đồng thời, biến dòng thứ tự không của biến áp nối đất cũng nhận biết dòng điện. Để đảm bảo tính chọn lọc, cài đặt bảo vệ đường dây (ví dụ, 60 A, 1,0 s) thấp hơn so với cài đặt của biến áp nối đất (ví dụ, 75 A, 1,5 s để cắt cầu chì, 2,5 s để cắt máy biến áp chính). Tuy nhiên, lỗi biến dòng (ví dụ, -10% cho biến dòng của biến áp nối đất, +10% cho biến dòng của đường dây) có thể làm cho dòng điện thực tế gần như bằng nhau (67,5 A so với 66 A), chỉ dựa vào độ trễ thời gian. Điều này làm tăng nguy cơ vượt quá phạm vi bảo vệ của biến áp nối đất.
1.2 Gắn đất vỏ cáp không đúng cách gây ra sự cố vận hành sai
Đường dây 10 kV sử dụng cáp có vỏ được gắn đất ở cả hai đầu - một phương pháp phổ biến để giảm nhiễu điện từ. Biến dòng thứ tự không thường là dạng vòng, được lắp quanh cáp tại điểm ra khỏi tủ phân phối. Khi có sự cố tiếp đất, dòng điện không cân bằng gây ra tín hiệu trong biến dòng. Tuy nhiên, nếu vỏ cáp được gắn đất ở cả hai đầu, dòng điện tuần hoàn qua vỏ cũng đi qua biến dòng, làm méo đo lường. Nếu không được lắp đặt đúng cách (ví dụ, dây nối đất của vỏ đi qua biến dòng đúng cách), bảo vệ đường dây có thể không hoạt động, dẫn đến vượt quá phạm vi bảo vệ của biến áp nối đất.
1.3 Sự cố bảo vệ đường dây gây ra sự cố vận hành sai
Mặc dù rơle dựa trên vi xử lý có hiệu suất cao, chất lượng sản phẩm vẫn thay đổi. Các lỗi phổ biến liên quan đến nguồn điện, lấy mẫu, CPU hoặc mô-đun xuất lệnh cắt. Nếu không phát hiện, chúng có thể gây ra từ chối bảo vệ, dẫn đến sự cố vận hành sai của biến áp nối đất.
1.4 Sự cố cầu dao đường dây gây ra sự cố vận hành sai
Cầu dao cũ, hoạt động thường xuyên hoặc chất lượng kém (đặc biệt là các loại GG-1A cũ ở vùng nông thôn) làm tăng tỷ lệ hỏng. Lỗi mạch điều khiển - đặc biệt là cuộn dây cắt cháy - ngăn chặn hoạt động của cầu dao ngay cả khi bảo vệ yêu cầu cắt, buộc bảo vệ dự phòng của biến áp nối đất phải hoạt động.
1.5 Sự cố tiếp đất điện trở cao trên một hoặc hai đường dây gây ra sự cố vận hành sai
Nếu hai đường dây cùng gặp sự cố tiếp đất điện trở cao trên cùng một pha, dòng điện thứ tự không riêng lẻ (ví dụ, 40 A và 50 A) có thể dưới ngưỡng kích hoạt của đường dây (60 A), nhưng tổng cộng (90 A) vượt quá cài đặt của biến áp nối đất (75 A), gây ra vượt quá phạm vi. Ngay cả một sự cố tiếp đất điện trở cao nghiêm trọng (ví dụ, 58 A) kết hợp với dòng điện dung thông thường (ví dụ, 12-15 A) có thể tiếp cận 75 A. Các nhiễu loạn hệ thống sau đó có thể kích hoạt sự cố vận hành sai.
2. Biện pháp khắc phục để ngăn ngừa sự cố vận hành sai
2.1 Xử lý lỗi biến dòng
Sử dụng biến dòng thứ tự không chất lượng cao; từ chối các đơn vị có lỗi >5% trong quá trình kiểm tra; đặt ngưỡng bảo vệ dựa trên giá trị sơ cấp; xác minh cài đặt thông qua thử nghiệm tiêm dòng sơ cấp.
2.2 Chỉnh sửa cách gắn đất vỏ cáp
Đưa dây nối đất đi xuống qua CT dòng điện không đối xứng và cách điện với khay cáp; tránh tiếp xúc trước CT.
Để đầu dây dẫn phơi bày để thử nghiệm; cách điện phần còn lại.
Nếu điểm nối đất của màn chắn dưới CT, không đưa nó đi qua CT. Tránh đặt điểm nối đất trong cửa sổ CT.
Huấn luyện bảo vệ và nhân viên cáp về việc lắp đặt đúng cách.
Áp dụng kiểm tra đồng kiểm bởi đội rơle, vận hành và cáp.
2.3 Ngăn chặn sự từ chối bảo vệ
Sử dụng rơle đã được chứng minh là đáng tin cậy; thay thế các đơn vị cũ hoặc hỏng; tăng cường bảo trì; lắp đặt hệ thống làm mát/ thông gió để ngăn quá nhiệt.
2.4 Ngăn chặn sự từ chối đóng cắt
Sử dụng máy cắt đáng tin cậy, hiện đại (ví dụ, loại nén lò xo hoặc động cơ); loại bỏ tủ GG-1A cũ; bảo dưỡng mạch điều khiển; sử dụng cuộn từ chất lượng cao.
2.5 Giảm thiểu rủi ro do lỗi điện trở cao
Khảo sát và giải quyết kịp thời khi có báo động nối đất; giảm chiều dài đường dây; cân bằng tải pha để giảm dòng điện dung bình thường.
3. Kết luận
Mặc dù biến áp nối đất cải thiện cấu trúc và ổn định lưới điện, nhưng các sự cố tái diễn chỉ ra những rủi ro tiềm ẩn. Bài viết này phân tích các nguyên nhân chính và đề xuất các giải pháp thực tế để hướng dẫn các khu vực đã lắp đặt hoặc có kế hoạch lắp đặt biến áp nối đất.
Biến áp nối đất kiểu zigzag (loại Z)
Trong mạng phân phối 35 kV và 66 kV, các cuộn dây biến áp thường được kết nối wye với điểm trung tính sẵn có, không cần biến áp nối đất. Tuy nhiên, trong mạng 6 kV và 10 kV, các biến áp kết nối delta thiếu điểm trung tính, đòi hỏi một biến áp nối đất để cung cấp điểm trung tính—chủ yếu cho việc kết nối cuộn triệt hồ quang.
Biến áp nối đất sử dụng kết nối cuộn dây kiểu zigzag (loại Z): mỗi cuộn dây pha được chia thành hai chi tiết trên hai chân sắt. Các dòng từ không đối xứng từ hai cuộn dây triệt tiêu nhau, dẫn đến trở kháng không đối xứng rất thấp (thường <10 Ω), tổn thất không tải thấp, và sử dụng hơn 90% công suất định mức. Trái lại, các biến áp thông thường có trở kháng không đối xứng cao hơn nhiều, hạn chế công suất cuộn triệt hồ quang ≤20% công suất biến áp. Do đó, biến áp loại Z là tối ưu cho ứng dụng nối đất.
Khi điện áp không cân bằng của hệ thống lớn, cuộn dây Z cân bằng đủ cho đo lường. Trong các hệ thống ít không cân bằng (ví dụ, mạng cáp hoàn toàn), điểm trung tính được thiết kế để tạo ra điện áp không cân bằng 30–70 V cho nhu cầu đo lường.
Biến áp nối đất cũng có thể cung cấp phụ tải thứ cấp, đóng vai trò như biến áp dịch vụ trạm. Trong trường hợp này, công suất định mức chính bằng tổng công suất cuộn triệt hồ quang và công suất phụ tải thứ cấp.
Chức năng chính của biến áp nối đất là cung cấp dòng bù lỗi nối đất.
Hình 1 và Hình 2 cho thấy hai kết nối biến áp nối đất kiểu Z phổ biến: ZNyn11 và ZNyn1. Nguyên lý của trở kháng không đối xung thấp như sau: mỗi chân sắt chứa hai cuộn dây giống hệt nhau được kết nối với các điện áp pha khác nhau. Dưới điện áp dãy thuận hoặc dãy nghịch, lực từ (MMF) trên mỗi chân sắt là tổng vector của hai MMF pha. Ba MMF chân sắt cân bằng và cách nhau 120°, tạo thành đường dẫn từ có độ từ chối thấp, mật độ từ trường cao, điện áp cảm ứng cao, và do đó trở kháng từ hóa cao.
Dưới điện áp không đối xứng, hai cuộn dây trên mỗi chân sắt tạo ra MMF bằng nhau nhưng ngược chiều, dẫn đến tổng MMF ròng trên mỗi chân sắt bằng không. Không có dòng từ không đối xứng nào chảy trong lõi; thay vào đó, nó lưu thông qua vỏ và môi trường xung quanh, gặp phải độ từ chối cao. Do đó, dòng từ và trở kháng không đối xứng rất thấp.
