[P1] 8 Trường Hợp Quá Điện Áp Gây Hại Nhiều Nhất Trong Hệ Thống Công Nghiệp

Những vấn đề về quá điện áp và cách ngăn chặn

Cách điện trong các hệ thống được cung cấp năng lượng liên tục bị căng thẳng. Hệ thống điện có nhiều loại nhiễu loạn mà không thể tránh khỏi tạo ra quá áp. Tuy nhiên, kỹ sư ứng dụng có nhiều nguyên tắc thiết kế hệ thống sẽ hạn chế đáng kể mức độ quá áp. Điều quan trọng cần lưu ý là hệ thống AC có nhiều loại quá áp không có trong hệ thống DC; do đó các hệ thống AC cần được xem xét cẩn thận hơn về vấn đề quá áp.

Nguồn quá áp

Có nhiều nguồn quá áp khác nhau có cường độ đủ lớn để gây hại đến cách điện của hệ thống phân phối điện xoay chiều công nghiệp. Trong bài viết này, cơ chế tạo ra quá áp nổi bật hơn sẽ được mô tả và đề xuất các biện pháp phòng ngừa.

Việc xử lí bao gồm:

1. Quá điện áp tĩnh
2. Tiếp xúc vật lý với hệ thống điện áp cao hơn
3. Hiệu ứng cộng hưởng trong các mạch điện dung cảm ứng nối tiếp
4. Ngắn mạch ngắt quãng lặp đi lặp lại
5. Chuyển mạch tăng vọt
6. Ngắt dòng điện cưỡng bức
7. Kết nối biến áp tự ngẫu
8. Chớp

Trong số này, hầu hết là kết quả của các tác động trực tiếp bên trong hệ thống điện. Ngược lại, sét (một nguồn quá áp nguy hiểm) được truyền tới hệ thống điện từ nhà máy điện của thiên nhiên ở các tầng trên.

Quá điện áp tĩnh

Cát hoặc bụi do gió thổi có thể trở nên tích điện cao và truyền điện áp tương đối cao tới các dây dẫn điện lộ ra trên không. Đai chuyển động chạy trên puli phi kim loại cũng có thể tạo ra điện áp cao bằng các phương tiện tĩnh, đến lượt nó, có thể được truyền tới dây dẫn của hệ thống điện nếu các khung bao bọc điện bị nối đất không đúng cách.

Ngoài việc nối đất cho hệ thống dịch vụ điện, điều quan trọng là các khung máy điện và tất cả các vỏ kim loại có chứa dây dẫn mạch điện phải được nối đất hiệu quả.

Tiếp xúc vật lý với hệ thống điện áp cao hơn

Nếu dây dẫn của mạch điện cao áp tiếp xúc với dây dẫn của mạch điện có hiệu điện thế thấp hơn thì điện thế như nhau ở cả hai đoạn mạch tại điểm tiếp xúc. Nếu mạch điện hạ áp không có trung tính nối đất, điện thế của nó sẽ tăng lên của hệ thống điện áp cao hoặc phóng điện bề mặt sẽ xảy ra.

Nếu hệ thống hạ áp được neo gần với điện thế đất bằng cách sử dụng trung tính nối đất kiên cố, các giá trị cao của dòng điện có thể chạy từ hệ thống cao áp, nhưng điện áp sẽ thấp hơn nhiều so với hệ thống trung tính cách ly.

Đôi khi xảy ra sự giao chéo giữa sơ cấp và thứ cấp trên các mạch điện trên không, và một vài trường hợp được biết là đã xảy ra sự cố xảy ra giữa sơ cấp và thứ cấp bên trong máy biến áp.

Hình 1 – Quá áp trên hệ thống không bao quanh 480V do tiếp xúc với hệ thống điện áp cao hơn

Hình 1 minh họa kiểu kết nối lỗi này. Nó có thể là nguyên nhân gây ra hiện tượng quá áp nguy hiểm trên các hệ thống điện áp thấp không có xung quanh.

Cách bảo vệ hiệu quả nhất chống lại loại quá áp đó là nối đất của hệ thống điện áp thấp với trở kháng nối đất đủ thấp để chấp nhận dòng sự cố nối đất tối đa của hệ thống điện áp cao mà không làm sai lệch trung tính của điện áp thấp. hệ thống bằng một lượng nguy hiểm.

Một số sản phẩm tham khảo có tại B2bmart:

Hiệu ứng cộng hưởng trong các mạch điện dung cảm ứng nối tiếp

(Giới hạn đối với hệ thống AC)

Hệ thống AC không có trung tính thường bị quá áp bắt nguồn từ nguyên nhân này. Điều quan trọng là phải nhận ra rằng các hệ thống không có trung tính thực sự được kết hợp điện dung với mặt đất hơn là thực sự tách rời khỏi mặt đất.

Mọi hệ thống điện không bao quanh đều chứa các phần tử thiết yếu được trình bày trong sơ đồ Hình 2. Đặc tính điện của bất kỳ dây dẫn một pha nào so với mặt đất có thể được xác định bằng một mạch tương đương đơn giản hơn nhiều, như được chỉ ra trong bản phác thảo bên dưới của Hình 2.

Hình 2 – Thành phần nguyên tố của một hệ thống không bao quanh

Về mặt mạch tương đương đơn giản hơn này, có thể dễ dàng hiểu tác dụng của việc kết nối các loại trở kháng khác nhau giữa đường dây và đất như thể hiện trong Hình 3. Rõ ràng là kết nối của bất kỳ giá trị nào của điện trở hoặc điện dung giữa một đường dây và mặt đất không tạo ra quá áp nguy hiểm.

Điện thế trên pha mà trở kháng được kết nối giảm dần từ giá trị bình thường đến không. Điện thế chạm đất trên hai dây dẫn pha còn lại sẽ được tăng lên thành toàn dòng – đến giá trị đường dây tại thời điểm dây dẫn pha đầu tiên đã giảm điện thế xuống bằng không.

Điều này thể hiện quá áp chỉ 73%, không cao đến mức nguy hiểm và thông thường sẽ không tạo ra ảnh hưởng nguy hiểm trừ khi tiếp tục trong thời gian dài.

Quá điện áp cao nhất sẽ xảy ra khi hai điện trở này bằng nhau và tại thời điểm này, chúng có thể gấp mười lần bình thường. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là trên dải điện trở hai-một, sẽ tạo ra quá điện áp từ ba lần bình thường trở lên.

Hình 3 – Quá áp trên các hệ thống không có xung quanh do kết nối điện kháng cảm ứng cao giữa đường dây và mặt đất.

Sự kết nối không chủ ý của điện kháng cảm ứng giữa dây dẫn pha và đất có thể xảy ra theo một số cách, một số cách được minh họa trong Hình 4. Cuộn dây từ hoạt động của công tắc tơ khởi động có thể được nối đất một cách vô tình giữa pha và đất. ngắn mạch trong dây điều khiển đến trạm nút nhấn hoặc tuột tuốc nơ vít của người bảo trì.

Bất kỳ lúc nào giá trị điện kháng cảm ứng (được nối từ pha với đất) nằm trong vùng nguy hiểm được chỉ ra trong Hình 3, các quá điện áp nguy hiểm đối với đất sẽ được tạo ra và được truyền qua toàn bộ hệ thống dây dẫn kim loại của điện áp làm việc đó.

Quá điện áp xuất phát từ trường hợp này có thể được triệt tiêu hoàn toàn bằng một điện trở đất tương đối nhẹ trên trung tính của hệ thống điện.

Hình 4 – Ví dụ về kết nối điện trở cao không chủ ý giữa đường dây và mặt đất.

Một điện trở nối đất có cùng giá trị ohm với tổng điện trở điện dung nạp vào đất là đủ để loại bỏ quá áp gần như hoàn toàn. Rõ ràng là có lý do chính đáng để áp dụng nối đất trung tính của hệ thống điện với giá trị điện trở nối đất thấp hơn nhiều vì các lý do khác.

Hình 3 đã được tính toán trên cơ sở điện kháng cảm ứng là tuyến tính. Nếu điện trở này kết hợp với một lõi sắt mà trong chế độ hoạt động đang được coi là gặp bão hòa từ tính, thì hiệu suất sẽ hơi khác. Trong các điều kiện như vậy, điện kháng hiệu dụng của mạch cảm ứng có thể trở nên thấp hơn nhiều so với điện kháng không bão hòa và điện áp sẽ có xu hướng tự động dao động giữa các giới hạn điện áp, điều này làm cho điện kháng hiệu dụng phù hợp với giá trị điện dung-điện kháng.

Đặc tính hoạt động này đã được đặt tên là sự cộng hưởng. Điện áp tối đa được phát triển như vậy có thể không quá cao như được tạo ra bởi một lò phản ứng tuyến tính, nhưng vẫn có thể vượt quá hai hoặc ba lần bình thường. Hiện tượng quá áp đáng kể có thể gây ra bởi sự cộng hưởng khi điện trở không bão hòa gấp nhiều lần điện trở điện dung với đất.

Các dao động điện áp hệ thống này sẽ không xảy ra nếu trung tính của hệ thống điện được nối đất. Có thể đạt được sự tự do khỏi loại dao động điện áp cụ thể này ngay cả khi vận hành không có trung tính bằng cách sử dụng các máy biến điện thế có định mức điện áp dây-dòng và áp dụng điện trở ngắt trên cuộn dây thứ cấp như được mô tả trong Hình 5.

Hình 5 – Máy biến áp điện thế tam giác bị đứt nối đất-Y cho bộ chỉ thị nối đất hoặc máy dò điện áp thứ tự không

Máy hàn tụ điện nối tiếp đôi khi được áp dụng, đặc biệt trong trường hợp máy kích thước lớn vì khả năng giảm nhu cầu kVA và cải thiện hệ số công suất hoạt động về cơ bản là thống nhất.

Tuy nhiên, thợ hàn tụ điện nối tiếp có nguy cơ về điện áp nhất định đối với hệ thống cung cấp điện xoay chiều không có trung tính. Trong quá trình làm việc của thợ hàn, điện áp trên cả tụ nối tiếp và sơ cấp của máy biến áp hàn sẽ gấp vài lần điện áp dòng – dòng danh định. Các kết nối điện vật lý và các mối quan hệ điện áp vectơ liên quan được chỉ ra trong Hình 6 dưới đây.

Hình 6 – Quá áp trên các hệ thống không có xung quanh do tiếp xúc đất trên máy hàn tụ điện nối tiếp

Nếu sự cố chạm đất xảy ra tại điểm giao nhau giữa tụ điện nối tiếp và máy biến áp hàn (điểm P), vị trí của điện thế nối đất sẽ có xu hướng trở thành điểm nối này thay vì trung tâm của tam giác điện áp hệ thống xoay chiều.

Trong trường hợp được minh họa trong Hình 6, rõ ràng là điện thế của dây dẫn pha A có thể được nâng lên khoảng 2000V so với mặt đất, tức là khoảng bảy lần bình thường. Như trong các trường hợp khác, quá điện áp này được truyền tới tất cả các thiết bị được kết nối với nhau bằng kim loại ở điện áp hoạt động chung này.

Tất cả các nguy cơ quá áp điện dung cảm ứng cộng hưởng này có thể được loại bỏ bằng cách nối đất trung tính của hệ thống điện.

Ngắn mạch ngắt quãng lặp đi lặp lại

Quá áp đáng kể có thể phát triển trong các hệ thống công nghiệp xoay chiều không có xung quanh bằng các kết nối đứt quãng hoặc đứt quãng trên mặt đất. Đặc tính gián đoạn của đường dẫn ngắn mạch có thể là kết quả của:

• Rung động làm cho vật dẫn điện tiếp xúc không liên tục với mặt đất.
• Các hạt phân tán của kim loại dẫn điện nóng chảy thiết lập một cách không liên tục đường dẫn điện xuống đất
• Đánh thủng liên tiếp và bịt kín không gian ngăn cách giữa vật dẫn điện và đất.

Trong trường hợp cuối cùng liên quan đến sự phân cách cố định giữa dây dẫn và đất, điện áp đánh thủng tăng dần qua khe hở này là một yếu tố cần thiết trong việc hình thành quá điện áp nghiêm trọng.

Các điều kiện sự cố chạm đất không liên tục trên hệ thống điện áp thấp không có trung tính đã được quan sát để tạo ra quá điện áp năm hoặc sáu lần bình thường khá phổ biến. Một trường hợp bất thường liên quan đến một hệ thống không bao quanh 480V. Điện thế nối đất vượt quá 1200V được đo trên một vôn kế thử nghiệm. Nguồn gốc của sự cố cuối cùng đã được tìm ra từ một lỗi nối đất không liên tục trong một máy biến áp tự động khởi động động cơ.

Khoảng hai giờ trôi qua khi nguồn đang được định vị, trong khoảng thời gian đó, từ 40 đến 50 động cơ bị hỏng.

Trong Hình 7, tại A được chỉ ra dạng điện áp vectơ của hệ thống xoay chiều ba pha vì nó sẽ hoạt động trong các điều kiện cân bằng bình thường.  Các vectơ điện áp Ea, Ep và Ec quay quanh trung tính với tốc độ đồng bộ. Trung tính điện là một điểm đối xứng trung tâm và không đổi ở điện thế mặt đất nếu các điện áp pha riêng lẻ là sóng hình sin tần số cơ bản thuần túy.  

Hình 7 – Quá áp trên các hệ thống không có xung quanh do tiếp xúc tức thời lặp đi lặp lại giữa một đường dây và mặt đất.

Nếu dây dẫn pha A được nối đất, tam giác điện áp của hệ thống sẽ bị dịch chuyển như minh họa trong B. Tại vị trí pha được minh họa trong B, điện áp pha A ở giá trị lớn nhất tại đó tức thời dòng điện nạp xuống đất (90° trước điện áp) đang đi qua không.  Trong trường hợp ngắn mạch chứa một khe hở nhỏ hoặc một hồ quang, dòng điện hồ quang sẽ bị dập tắt tại thời điểm này. Lưu ý rằng điện tích bị mắc kẹt trên điện dung nối đất sẽ có xu hướng duy trì tam giác điện áp ở cùng một vị trí dịch chuyển. 

Nói cách khác, điện thế của trung tính (so với mặt đất) sẽ có xu hướng duy trì ở điện thế DO bằng với giá trị đỉnh của sóng điện áp a-c.  Tất cả điều này chỉ đơn thuần nói rằng sẽ có rất ít xu hướng cho bất kỳ điện áp nào xuất hiện lại qua khe hở trong mạch ngắn ngay sau giá trị 0 hiện tại xảy ra tại B. Tuy nhiên, trong nửa chu kỳ tiếp theo, điện áp được tạo ra xoay chiều sẽ đảo ngược các cực của chúng (  vectơ quay 180°), điều này sẽ làm cho dạng điện áp vectơ ba pha giả định vị trí được hiển thị ở phần trên của C.

Chắc chắn sẽ có một số điện kháng của hệ thống trong dây dẫn pha A với điểm ngắn mạch trên mặt đất, điều này sẽ dẫn đến dao động của điện thế dây dẫn pha A giữa +2 và -2 ở tần số có thể là 20 đến 100 lần bình thường.  Nếu đoạn ngắn mạch bao gồm một liên kết kim loại rắn, thì dao động này sẽ giảm dần về 0, để lại dây dẫn pha A ở điện thế mặt đất. 

Lưu ý rằng liên quan đến dao động nhất thời tần số cao này sẽ là một dòng điện nạp chuyển tiếp tương ứng xuống đất.  Dòng điện nạp nhất thời xuống đất, hoặc dòng điện khởi động lại, sẽ lại đạt đến giá trị 0 khi điện áp hệ thống dao động ở mức cực đại theo chiều âm, như được thể hiện trong phần dưới của C.

1. Chuyển mạch tăng vọt
2. Ngắt dòng điện cưỡng bức
3. Kết nối biến áp tự ngẫu
4. Chớp

B2bmart.vn vừa giới thiệu tới bạn đọc một số thông tin cần thiết về sự cố do quá điện áp. Hãy cùng đón xem phần tiếp theo của vấn đề này nhé.