Các biện pháp bảo vệ chống sét được sử dụng cho máy biến áp phân phối H61 là gì?

Các biện pháp bảo vệ chống sét được sử dụng cho biến áp phân phối H61 là gì?

Nên lắp đặt bộ hạn chế sét trên phía điện áp cao của biến áp phân phối H61. Theo SDJ7–79 "Quy phạm Kỹ thuật Thiết kế Bảo vệ Quá áp cho Thiết bị Điện," phía điện áp cao của biến áp phân phối H61 nói chung nên được bảo vệ bằng bộ hạn chế sét. Dây nối đất của bộ hạn chế sét, điểm trung tính trên phía điện áp thấp của biến áp và vỏ kim loại của biến áp đều phải được kết nối lại với nhau và tiếp đất tại một điểm chung. Phương pháp này cũng được khuyến nghị trong DL/T620–1997 "Bảo vệ Quá áp và Điều phối Cách điện cho Hệ thống Điện xoay chiều," do Bộ Điện lực cũ ban hành.

Tuy nhiên, nghiên cứu rộng rãi và kinh nghiệm vận hành đã chỉ ra rằng, ngay cả khi chỉ lắp đặt bộ hạn chế sét trên phía điện áp cao, biến áp vẫn có thể bị hỏng dưới điều kiện xung sét. Trong các khu vực thông thường, tỷ lệ hỏng hằng năm khoảng 1%; trong các khu vực có tần suất sét cao, tỷ lệ này có thể đạt khoảng 5%; và trong các khu vực có nguy cơ sét cực kỳ nghiêm trọng với hơn 100 ngày sấm sét mỗi năm, tỷ lệ hỏng hằng năm có thể lên đến 50%. Nguyên nhân chính là do những hiện tượng "quá áp chuyển đổi thuận và ngược" do xung sét đi vào cuộn dây điện áp cao của biến áp phân phối. Cơ chế của những quá áp này như sau:

1. Quá áp Chuyển đổi Ngược
Khi xung sét xâm nhập từ phía điện áp cao 3–10 kV và làm cho bộ hạn chế sét hoạt động, dòng xung lớn sẽ chảy qua điện trở nối đất, tạo ra sự giảm điện áp. Sự giảm điện áp này xuất hiện tại điểm trung tính của cuộn dây điện áp thấp, nâng cao tiềm năng của nó. Nếu đường dây điện áp thấp tương đối dài, nó sẽ hoạt động như một trở kháng sóng tới đất. Dưới ảnh hưởng của tiềm năng điểm trung tính tăng cao, một dòng xung lớn sẽ chảy qua cuộn dây điện áp thấp. Các dòng xung ba pha bằng nhau về độ lớn và hướng, tạo ra một từ thông không thứ tự mạnh.

 Từ thông này gây ra một điện áp xung rất cao trong cuộn dây điện áp cao theo tỷ lệ số vòng của biến áp. Những điện áp xung ba pha này bằng nhau về độ lớn và hướng. Do cuộn dây điện áp cao thường được kết nối theo hình sao với điểm trung tính không nối đất, mặc dù có điện áp xung cao xuất hiện, nhưng không có dòng xung tương ứng chảy qua cuộn dây điện áp cao để cân bằng hiệu ứng từ hóa. Do đó, toàn bộ dòng xung trong cuộn dây điện áp thấp hoạt động như dòng từ hóa, tạo ra từ thông không thứ tự mạnh và gây ra tiềm năng cực kỳ cao trên phía điện áp cao. 

Do điện áp đầu cuối điện áp cao được giữ bởi điện áp dư của bộ hạn chế sét, điện áp xung này phân bố dọc theo cuộn dây, đạt mức tối đa tại điểm trung tính. Do đó, cách điện tại điểm trung tính dễ bị phá vỡ. Ngoài ra, độ dốc điện áp giữa các lớp và giữa các vòng tăng đáng kể, có thể gây ra sự hỏng cách điện ở các vị trí khác. Loại quá áp này bắt nguồn từ xung đi vào từ phía điện áp cao và được ghép điện từ trở lại cuộn dây điện áp cao thông qua cuộn dây điện áp thấp—được gọi phổ biến là "chuyển đổi ngược."

2. Quá áp Chuyển đổi Thuận
Quá áp chuyển đổi thuận xảy ra khi xung sét xâm nhập qua đường dây điện áp thấp. Một dòng xung sau đó chảy qua cuộn dây điện áp thấp, gây ra một điện áp trong cuộn dây điện áp cao theo tỷ lệ số vòng, nâng cao tiềm năng tại điểm trung tính điện áp cao. Điều này cũng làm tăng độ dốc điện áp giữa các lớp và giữa các vòng. Quá trình này—khi xung từ phía điện áp thấp gây ra quá áp trên phía điện áp cao—được gọi là "chuyển đổi thuận." Các thử nghiệm cho thấy, khi xung 10 kV xâm nhập vào phía điện áp thấp và điện trở nối đất là 5 Ω, độ dốc điện áp giữa các lớp trong cuộn dây điện áp cao có thể vượt quá sức chịu đựng cách điện toàn sóng của cách điện giữa các lớp hơn 100%, không thể tránh khỏi sự hỏng cách điện.

Do đó, cũng nên lắp đặt bộ hạn chế sét van hoặc oxit kim loại thông thường trên phía điện áp thấp của biến áp phân phối H61. Trong phương án bảo vệ này, dây nối đất của cả bộ hạn chế sét điện áp cao và điện áp thấp, điểm trung tính điện áp thấp, và vỏ kim loại của biến áp đều được kết nối lại với nhau và tiếp đất tại một điểm (còn được gọi là "bốn điểm liên kết" hoặc "ba trong một nối đất").

Kinh nghiệm vận hành và nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, ngay cả đối với biến áp phân phối có cách điện tốt, sự hỏng do quá áp chuyển đổi thuận và ngược do sét vẫn xảy ra khi chỉ lắp đặt bộ hạn chế sét trên phía điện áp cao. Điều này là vì bộ hạn chế sét phía điện áp cao không thể kiềm chế quá áp chuyển đổi thuận hoặc ngược. Độ dốc điện áp giữa các lớp dưới những quá áp này tỷ lệ thuận với số vòng và phụ thuộc vào phân bố cuộn dây; sự hỏng cách điện có thể xảy ra ở đầu, giữa, hoặc cuối cuộn dây—but phần cuối là dễ bị tổn thương nhất. Việc lắp đặt bộ hạn chế sét trên phía điện áp thấp có thể giới hạn hiệu quả cả quá áp chuyển đổi thuận và ngược trong phạm vi an toàn.

Một phương pháp bảo vệ khác là nối đất riêng biệt cho phía điện áp cao và điện áp thấp. Trong cấu hình này, bộ hạn chế sét phía điện áp cao được nối đất độc lập, không lắp đặt bộ hạn chế sét trên phía điện áp thấp, và điểm trung tính điện áp thấp và vỏ biến áp được liên kết lại và nối đất riêng biệt so với hệ thống nối đất phía điện áp cao.

Phương pháp này tận dụng hiệu ứng suy giảm của đất đối với sóng sét để gần như loại bỏ hoàn toàn quá áp chuyển đổi ngược. Đối với quá áp chuyển đổi thuận, các tính toán cho thấy việc giảm điện trở nối đất phía điện áp thấp từ 10 Ω xuống 2.5 Ω có thể giảm quá áp chuyển đổi thuận phía điện áp cao khoảng 40%. Với xử lý thích hợp của điện cực nối đất phía điện áp thấp, quá áp chuyển đổi thuận có thể được loại bỏ hoàn toàn.

Phương án bảo vệ này đơn giản và kinh tế, mặc dù nó đặt ra yêu cầu cao hơn đối với điện trở tiếp đất điện áp thấp, mang lại giá trị thực tiễn nhất định cho việc ứng dụng rộng rãi.

Ngoài các phương pháp trên, các biện pháp bảo vệ sét khác cho máy biến áp phân phối bao gồm việc lắp cuộn dây cân bằng trên lõi máy biến áp để ức chế quá áp chuyển đổi theo chiều thuận và ngược, hoặc nhúng trực tiếp bộ chống sét oxit kim loại bên trong máy biến áp.