Cộng hưởng sắt từ với máy biến áp đo lường trong hệ thống truyền tải điện

LƯƠNG THÀNH
Công ty Truyền tải điện 1

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng suy giảm chất lượng này. Trong các nguyên nhân phải kể đến: a) Chất lượng và thiết kế VT của hãng chế tạo; b) Vận hành VT ở trạng thái quá điện áp danh định; c) Ngắn mạch một trong các cuộn thứ cấp; d) Cộng hưởng sắt từ trong lưới…Trong bài viết này xin để cập nguyên nhân d).

Cộng hưởng sắt từ

Hiện tượng cộng hưởng sắt từ trong các biến điện áp (VT) xuất hiện do các sự kiện tạm thời gây ra như: các thao tác đóng cắt phụ tải hoặc do các sự có các thiết bị trung gian trong hệ thống. Các biến điện áp trong hệ thống điện hầu hết đều có công suất tiêu thụ danh định trong hệ thống đo lường rất bé (20VA, 30VA, 50VA;… 100VA và 200VA). Dòng điện của cuộn thứ nhất rất bé cỡ vài mA, với biến điện áp trong mạng trung áp và vài trăm mA với biến điện áp trong mạng cao áp. Với công suất danh định của biến điện áp rất bé nên chúng rất nhạy với các hiện tượng cộng hưởng sắt từ gây ra trong hệ thống, gây quá dòng cuộn dây nhất thứ và làm phát nóng cuộn dây nhất thứ - phá hỏng cách điện - phóng điện giữa các vòng dây - VT dẫn đến sự cố vĩnh cửu.

Mô phỏng cộng hưởng sắt từ

Sử dụng sơ đồ mô phỏng (hình 1) dùng máy cắt đóng mở đưa tụ Cw vào hệ thống 123kV thay đổi các giá trị tụ Cw, giá trị dòng và áp thực đo được của cuộn dây VT được vẽ trên hình 2.

Điện thế cộng hưởng sắt từ thay đổi theo sự thay đổi trị số tụ Cw và trị số điện áp hệ thống. Cho thay đổi giá trị số tụ Cw với các giá trị 100pF, 300pF, 500pF, 1 nF, 5nF, 10nF và thay đổi điện áp hệ thống với các trị số: 80%, 100%, 120% và 150%  Uđm (123/√3 kV). Sự phản hồi cộng hưởng sắt từ được xác định với việc mở máy cắt trong thời gian 0,5s , kết quả đo được thể hiện trên hình 3. Hình 3a khi máy cắt đang mở.

Nhìn vào hình 3b ta thấy khi đóng máy cắt bypass cho tụ điện thì điện áp và dòng điện cuộn sơ cấp của VT tăng lên rất nhiều (dòng điện 50mA tăng lên tới 2A, điện áp 110kV tăng lên 800kV). Với giá trị dòng và áp lớn như vậy, nếu duy trì hoặc lặp lại nhiều làn sẽ làm nóng và phá hỏng cách điện cuộn dây biến điện áp.

Cộng hưởng sắt từ

Cộng hưởng sắt từ là một nguồn tiềm năng của quá điện áp thoáng qua do việc đóng cắt một pha (ba pha) các phụ tải, do việc đứt cầu chì, do đứt dây dẫn… chúng đều có thể dẫn đến quá điện áp. Khi cộng hưởng sắt từ xuất hiện giữa các trở kháng kích từ của một biến áp và các hệ thống điện dung của sứ cách điện pha hoặc giữa các pha. Điện dung có thể đơn giản như chiều dài của cáp kết nối với cuộn dây không nối đất của một máy biến áp. Cộng hưởng sắt từ xảy ra khi một biến điện áp được nối song song với một tụ điện qua khe hở tiếp điểm của một máy cắt ở trạng thái mở. Cộng hưởng sắt từ thường được biết đến như một cộng hưởng nối tiếp.

Giải pháp giảm cộng hưởng sắt từ

Để giảm hiện tượng cộng hưởng sắt từ truyền vào VT thì phải làm giảm tốc độ di/dt truyền vào VT. Với các VT trung áp thực hiện bằng đầu nối mạch tam giác hở cho các cuộn thứ cấp. Với các biến điện áp cao áp thực hiện bằng việc sử dụng một cuộn cản bão hòa mắc song song với các cuộn thứ cấp của VT.

Hoặc nối một điện trở song song với 2 đầu ra của cuộn thứ cấp VT, hoặc đấu nối một điện trở công suất vào 2 đầu mạch tam giác hở của các cuộn thứ cấp 3 của VT, hoặc lắp các thiết bị giảm cộng hưởng sắt từ cho các VT, với lưới 10kV lắp đặt các điện trở giảm tới hạn cao hoặc lắp đặt 1 bộ WX (giám sát cộng hưởng) cho 1 đến 2 bộ VT. Với mạng 35kV lắp đặt một bộ WX cho 2 đến 3 bộ VT.

Tác động cộng hưởng sắt từ với điện áp

Cộng hưởng sắt từ trong biến điện áp kiểu tụ

Cộng hưởng sắt từ có thể xảy ra trong mạch điện gồm có: Một tụ điện và một kháng kết hợp với một lõi sắt (một điện cảm phi tuyến tính). Một biến điện áp kiểu tụ với bộ chia tụ điện và biến áp trung gian với đặc tính từ hóa phi tuyến.

Cộng hưởng sắt từ có thể được khởi đầu nếu lõi thép của biến áp trung gian vì một lý do nào đó xảy ra làm bão hòa, như trong một thao tác đóng cắt trên lưới. Một dao động cộng hưởng, thông thường có tần số thấp hơn 50 Hz, sau đó có thể được bắt đầu, xếp chồng lên nhau trên điện áp tần số 50 Hz và có thể duy trì trong một thời gian dài nếu nó không giảm thì cộng hưởng sắt từ xuất hiện và gây nguy hiểm cho biến điện áp. Trong những trường hợp như vậy lõi thép của biến áp trung gian vận hành ở chế độ bão hòa no và dòng từ hóa là rất lớn gây sự cố VT.

Điện áp của cuộn thứ cấp và cấp chính xác của VT phụ thuộc vào giá trị của các tụ C1 và C2. Trong quá trình vận hành, nếu trên lưới có xuất hiện cộng hưởng sắt từ thì sẽ dẫn đến các tụ C1 và C2 bị quá dòng và quá áp. Trong đó, trường hợp VT bị quá dòng sẽ làm hỏng các tụ và làm thay đổi trị số tụ C1 và C2. Khi cộng hưởng sắt từ xuất hiện trong VT, nếu mạch thứ cấp không có mạch chống cộng hưởng sắt từ (hoặc có nhưng mạch vòng này bị hở) thì tụ điện C2 là phần tử đầu tiên bị quá áp, quá dòng và dẫn điện thay đổi trị số. Chỉ cần C2 thay đổi hơn 1% so với giá trị xuất xưởng VT đã phải tách ra khỏi vận hành.

Bảng 1. Biến điện áp kiểu tụ thay đổi điện dung do cộng hưởng sắt từ

Nguồn: ESS - NPT

Cộng hưởng sắt từ trong biến áp điện áp kiểu cảm ứng

Cộng hưởng sắt từ trong một biến điện áp kiểu tụ là một dao động nội bộ giữa các tụ điện và biến áp cảm ứng trung gian. Cộng hưởng sắt từ trong một biến áp điện áp kiểu cảm ứng là một dao động giữa máy biến điện áp cảm ứng và mạng điện. Dao động chỉ có thể xảy ra trong một mạng điện có trung tính cách điện. Dao động có thể xảy ra giữa điện dung của mạng điện và điện cảm phi tuyến tính trong các biến điện áp cảm ứng. Dao động có thể được kích hoạt bởi một sự thay đổi đột ngột trong mạng điện.

Để giảm cộng hưởng sắt từ trong một biến điện áp kiểu cảm ứng bằng việc nối một cuộn kháng đi qua 2 đầu của cuộn tam giác hở trong các cuộn dây thứ cấp 3 pha. Cuộn kháng thường có giá trị 50-60Ω, 200W.

Biến điện áp cảm ứng trong mạng cao áp: cao áp lưu giữ một điện dung rất lớn trong cáp (ví dụ 0.5μF/km). Nếu đường cáp này bị đứt thi năng lượng lưu giữ trong cáp sẽ phóng điện qua cuộn dây sơ cấp của máy biến điện áp. Cuộn dây VT sẽ bị nóng lên, hư hỏng cách điện, phóng điện giữa các vòng dây và sẽ dẫn đến hư hỏng VT.

Trong các trạm biến áp truyền tải vẫn còn có các thiết bị trung áp, các VT trung áp hầu hết vẫn là loại cảm ứng như biến điện áp 35 kV, 10 kV: Cộng hưởng sắt từ xảy ra giữa điện cảm của VT với điện dung của thanh cái, giữa điện cảm của VT với điện dung của đường dây, giữa điện cảm của VT với điện dung của đường dây khi có chạm đất 1 pha hồ quang chập chờn… Hiện tượng VT 35 kV, VT 10kV đang vận hành cũng đột ngột bị hư hỏng do cộng hưởng sắt từ gây ra làm nhiều nhà quản lý ngỡ ngàng và khó hiểu. Ví dụ như sự cố nó biến điện áp 35 kV C32 hồi 18h14 phút ngày 14.5.2011 tại 110 kV Vĩnh Linh: do lưới 35 kV bị chạm đất nhiều lần phóng điện hồ quang chập chờn pha - đất tạo ra điện dung lớn nên VT C32 bị cộng hưởng sắt từ làm nóng cuộn dây sơ cấp và dẫn đến phóng điện giữa các vòng dây, cuối cùng là nổ VT (xem hình 6a và 6b).

Kết luận

Cộng hưởng sắt từ có tác động trực tiếp gây suy giảm chất lượng và phá hỏng VT. Để giảm tác động của nó với hệ thống phải thực hiện giám sát và giảm thiểu ở tất cả các điểm nút của hệ thống. Cần có quy định lắp đặt thiết bị giám sát kiểm tra cộng hưởng sắt từ. Cần có quy định cho các phụ tải trước khi được đấu vào hệ thống về cấp độ phát sinh cộng hưởng sắt từ cho hệ thống. Cần có quy định thống nhất về cấu tạo của các biến điện áp kiểu tụ (về kháng cản dịu, kháng bù thành phần điện dung, kháng chống cộng hưởng sắt từ…) cũng như quy định các thử nghiệm về cộng hưởng sắt từ đối với biến điện áp. Cần có quy định về thông số của kháng hay điện trở mắc vào 2 đầu cuộn tam giác hở cho VT kiểu cảm ứng? Cần quy định về việc có lắp VT kiểu cảm ứng với các đường cao áp hay không? Cần có quy định riêng cho các VT lắp đặt tại các trạm cho các phụ tải nhu dàn tụ, máy hàn công nghiệp, lò nấu quặng, lò nung thép…

Với các VT 35 kV, 10 kV cần có quy định VT phải có khả năng chịu được trong thời gian lưới bị chạm đất 1 pha có hồ quang chập chờn, chịu được sự tăng áp cộng hưởng sắt từ giữa điện dung của mạng với tất cả các VT khác, không tạo ra mạch cộng hưởng với thanh cái và với các VT khác cũng như không tham gia vào quá trình cộng hưởng với đường dây khi có chiều dài lớn hơn…

Các dao động điện nói chung và các cộng hưởng sắt từ nói riêng vẫn thường xảy ra trong hệ thống điện, nên chăng chúng ta cũng cần có các giải pháp chuyên sâu và hữu hiệu hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. H.W. Dommel, "Electromagnetic Transients Program", ReferenceManual (EMTP) Theory Book.

2.  PH. Ferracci, "Ferroresonance", Cahiers Techniques Schneider, Collection Technique Groupe Schneider

3. M. Val Escudero, I. Dudurych, M.A. Redferm, "Characterization of Ferroresonant Modes in HV Substation with CB Grading Capactiors".

4. W. Piasecki, M. Florkowski, M. Fulczyk, P. Mahonen, M. Luto, W.Nowak, "Ferroresonance Involving Voltage Transformers in Medium Voltage Networks".

5. M. Graovac, R. Iravani, X. Wang, R.D. McTaggart, " Fast Ferroresonance Suppression of Coupling Capacitor Voltage Transfomers".

6. M. Sanaye-Pasand, R. Aghazadeh, H. Mohseni, "Ferroresonance Occurrence during Energization of Capacitive Voltage Substations".

7. M. Stosur, W. Piasecki, M. Florkowski, M. Fulczyk, B. Lewandowski, " Ferroresonance study for a HV inductive voltage transfomer using ATP-EMTP", European EMTP-ATP Conference.

8. Gao Qiang, Lai Tianyu, Lao Qingbo, Study on features of ferromagnetic resonance of 110kV substation and its eliminating method, CIRED 1997.

9. R.G.Andrei, P.E.B.R.Halley, P.E.: Voltage transformer ferroresonance from an energy transfer standpoint.

10. 4 CIGRE 1990, Paper 22-210 The origin, effect and estimation of transient overvoltage.

11. Và các tại liệu của các nhà sản xuất.

NangluongVietnam.vn