[Phần 2] 8 Trường Hợp Quá Điện Áp Gây Hại Trong Các Hệ Thống Công Nghiệp

Cập nhật 2023-09-07242

Tiếp theo phần 1 đã trình bày trước đây, B2bmart.vn sẽ tiếp tục chia sẻ thông tin đến bạn đọc về 4 trường hợp quá điện áp gây nguy hại. Hãy cùng đón xem nhé.

5. Chuyển mạch tăng vọt

Hoạt động chuyển mạch tạo thành những thay đổi đột ngột trong các thông số mạch và có thể là nguyên nhân gây ra quá áp mặc dù nói chung là trong thời gian ngắn và không vượt quá hai đến ba lần bình thường.  Điều quan trọng cần nhận ra là các bộ ngắt chuyển mạch xoay chiều bình thường cung cấp rất ít sự đối lập với dòng điện mạch trong quá trình dòng điện nhưng hoạt động để tăng cường độ điện môi nhanh chóng trong thời gian dòng điện bình thường bằng không và ngăn cản sự tái lập dòng điện trong nửa sau  xe đạp.

Kết quả của hành động này là không cần thiết năng lượng từ trường tích trữ trong điện cảm của mạch bị loại bỏ trong quá trình gián đoạn.  Sự gián đoạn diễn ra ở dòng điện bình thường bằng không, tại thời điểm đó năng lượng từ trường được lưu trữ bằng không.  Hiểu biết định tính về cơ chế tạo ra quá áp như vậy sẽ rất hữu ích.

Với các mối quan hệ vectơ được hiển thị trong hình, dòng điện trong mạch bị lỗi sẽ đi qua 0, tạo cơ hội cho bộ ngắt mạch ngắt nếu các tiếp điểm đã tách rời. Nếu dòng hiện tại bị gián đoạn tại điểm 0 này, điện thế của a’ có xu hướng quay trở lại ea trong khi điện thế của điểm b’ có xu hướng quay trở lại eb.

qua ap do ngat mach

Hình 8 – Quá áp do ngắt mạch ngắn mạch đường dây ở dòng điện 0

Chắc chắn sẽ có các hằng số điện dung cảm ứng gây ra sự trở lại này dưới dạng một dao động có tần số tương đối cao.  Điều này làm cho điện thế của các điểm a ‘và b’ vượt quá giá trị cuối cùng của chúng một lượng bằng nhau.  Trong ví dụ minh họa này, điện thế của điểm b’ sẽ chuyển động nhanh đến giá trị bằng 1,73 lần điện áp đỉnh bình thường theo chiều dương trong khi điện thế của điểm a’ sẽ chuyển động tương ứng đến 1,73 lần giá trị đỉnh bình thường theo chiều âm.

Một dạng khác của chuyển đổi quá độ phát triển quá áp chủ yếu trên máy sử dụng khi đóng tiếp điểm được minh họa trong Hình 9. Dưới đây được minh họa là cách bố trí khởi động máy biến áp tự động chu kỳ mở.  Người ta đã giả định rằng 65% điện áp đã được áp dụng trên kết nối khởi động và rôto máy đưa đến tốc độ gần đồng bộ. 

Sau đó, động cơ được ngắt kết nối khỏi chuẩn bị vòi khởi động để kết nối lại qua điện áp toàn đường.  Trong khoảng thời gian này, có thể điện áp được tạo ra bên trong động cơ đã giảm xuống còn 50% định mức và bị trượt lùi theo góc để lệch pha 180° so với hệ thống cung cấp.

Tại thời điểm này, hiệu điện thế xuất hiện trên mỗi tiếp điểm trong số ba tiếp điểm chuyển mạch đường dây là một lần rưỡi điện áp dây-trung tính bình thường như được chỉ ra bởi các mối quan hệ vectơ.  Giả sử rằng bộ chuyển mạch đường dây hiện đang đóng và cực 1 là cực đầu tiên tiếp xúc. 

Tiềm năng của đầu cuối động cơ R sẽ có xu hướng đột ngột giả định là điện thế tiềm năng ea nhưng hiện tượng vọt lố tạm thời không thể tránh khỏi sẽ mang nó về mức bình thường lên tới 250% so với mặt đất.  Điện thế của các đầu nối động cơ A và C sẽ có xu hướng được mang theo và chịu tác động tạm thời đến điện áp 325% đối với mặt đất trừ khi các tiếp điểm 2 và 3 đóng gần như cùng thời điểm với tiếp điểm 1.

Bố trí khởi động chu kỳ kín chẳng hạn như  khởi động lò phản ứng hoặc khởi động máy biến áp tự động Korndörfer để giảm thiểu quá điện áp có thể được phát triển theo cách này.  Một trong những nguồn quá áp chuyển mạch nghiêm trọng nhất có liên quan đến sự tách biệt của hai phần hệ thống trở nên không đồng bộ và được tách ra khỏi nhau khi điện áp tạo ra trong hai phần lệch pha gần 180°. 

Các phần tử của trường hợp này được minh họa trong Hình 10, cho thấy một động cơ đồng bộ đã kéo lệch bước và điện áp tạo ra bên trong lệch pha 180° so với hệ thống. Hệ thống cung cấp chính ở bên trái được coi là đang hoạt động với trung tính nối đất và chứa điện trở nhỏ hơn nhiều so với mạch động cơ được hiển thị bên phải. Tất cả ba cực của bộ ngắt mạch đã được duy trì ở vị trí đóng cho đến thời điểm được chỉ ra bởi giản đồ vec tơ.

qua dien ap khi ngat dong co

Hình 10 – Quá điện áp có thể xảy ra khi ngắt động cơ đồng bộ trong các điều kiện ngoài bước.

Giả thiết rằng, trong quá trình vận hành kéo ra, dòng điện phản kháng khử từ bùng cháy trong cuộn dây stato động cơ đã làm cho điện áp bên trong tạo ra trước điện kháng thoáng qua trong động cơ bị giảm xuống 50% giá trị bình thường. Với hệ thống vectơ ở vị trí được hiển thị, dòng điện trong pha A đang đi qua 0, tạo cơ hội cho sự gián đoạn nếu các tiếp điểm đã tách rời. 

Nếu dòng điện trong dây dẫn pha A bị ngắt tại thời điểm này, điện thế của đầu nối pha A của động cơ (điểm a2) sẽ có xu hướng nhảy sang phải đến vị trí trạng thái ổn định mới EA.  Sự vọt lố tạm thời không thể tránh khỏi sẽ khiến tiềm năng của nó dao động một khoảng bằng với phía bên kia của điểm EA, như được thể hiện bằng đường chấm.  Tại điểm cực đại của chuyến du ngoạn tạm thời này, thế năng của điểm a2 sẽ đạt khoảng 3% lần so với đỉnh bình thường so với mặt đất theo chiều dương.

Các mạch của lò hồ quang có thể là nguồn gây ra quá áp khá nghiêm trọng nếu được tắt khi đang tiến hành trong lò.  Là phần tiếp điểm của máy cắt sơ cấp, dòng điện tại các điểm tiếp xúc của máy cắt có thể bị ép về 0 trong khi dòng điện vẫn tiếp tục chạy trong lò hồ quang.

Do đó bộ ngắt mạch hoàn thành việc ngắt dòng điện đường dây với dòng điện vẫn tiếp tục trong mạch thứ cấp.  Khi dòng điện bên trong lò giảm đi, điện thế trên hồ quang lò tăng theo đặc tính vôn-ampe nghịch đảo bình thường của hồ quang.  Điện áp hồ quang tăng dần khi dòng điện giảm dần và có thể dẫn đến giảm điện áp đáng kể khi hồ quang phụt ra.  Mặc dù điện áp này có thể không cao như đã đề cập ở cực dương lò hồ quang, nhưng nó vẫn có thể gấp nhiều lần điện áp làm việc bình thường và tôi sẽ được phản xạ về phía sơ cấp của máy biến áp theo tỷ số rẽ.

6. Ngắt dòng điện quá áp

Việc thảo luận về chuyển mạch quá áp cho đến nay được coi là gián đoạn chỉ ở dòng điện bình thường bằng không.  Thuật ngữ dòng điện cưỡng bức bằng không hoặc ngắt dòng điện bằng không được sử dụng để mô tả một cơ chế ngắt (có thể là cầu chì, công tắc, đoạn của dây dẫn nhỏ, v.v.) có đặc tính phát triển điện áp ngược lớn đối lập với dòng điện. 

Có thể buộc dòng điện về giá trị 0 tại một thời điểm hoàn toàn khác với dòng điện bình thường vốn có của mạch.  Nếu bất kỳ phần tử nào trong mạch điện có khả năng phát triển điện thế giảm cao trong quá trình dòng điện chạy qua, điện thế phát triển như vậy sẽ xuất hiện trên các dây dẫn mạch được kết nối.  Quá áp phát triển như vậy sẽ tồn tại cho đến khi năng lượng tích trữ trong các phần tử cảm ứng của mạch bị tiêu tán (dòng điện bằng 0 đã bị cưỡng bức).

Tổng điện áp rơi trên toàn bộ tiết diện của dây dẫn có thể gấp vài lần điện áp làm việc bình thường của đoạn mạch.  Trong khoảng thời gian quá áp này, cường độ của dòng điện đang giảm dần;  tuy nhiên, quá áp sẽ vẫn tồn tại cho đến khi cường độ dòng điện trở về giá trị 0.

Vì các vấn đề quá áp, công tắc tiếp điểm chân không ít được ứng dụng.  Công tắc chân không có xu hướng ngắt ngay lập tức hoàn toàn dòng điện mà bộ phận tiếp điểm.  Trừ khi các bộ khử quá áp thích hợp được kết hợp với một bộ ngắt như vậy, điện áp cao sẽ được phát triển nếu áp dụng trong các mạch cảm ứng. 

Các quá điện áp được tạo ra như vậy có thể đủ để phóng điện ra bên ngoài của công tắc chân không trừ khi một số phần khác của mạch bị hỏng ở điện áp thấp hơn.  Cầu chì hạn chế dòng điện tạo thành một ví dụ về bộ ngắt dòng cưỡng bức.  Chúng có đặc tính là có thể giảm dòng điện xuống giá trị 0 trước giá trị dòng điện bình thường.  Quá áp được phát triển trong quá trình hoạt động của một bộ ngắt mạch như vậy.

7. Kết nối biến áp tự ngẫu

Máy biến áp tự động để kết nối hai hệ thống điện có mức cách điện khác nhau nên tránh trong các hệ thống công nghiệp trừ khi cả hai đều được nối đất trung tính.  Mối liên kết chung bằng kim loại giữa hai hệ thống được tạo thành bởi các cuộn dây của máy biến áp tự động có xu hướng làm cho hệ thống điện áp thấp hơn gần giống như các điện áp tạm thời như mong đợi trên hệ thống điện áp cao hơn. 

Có một số trường hợp ngoại lệ và một ví dụ cụ thể sẽ dùng để minh họa bản chất.  Nếu một hệ thống được lên kế hoạch hoạt động ban đầu ở 2400 V và sau đó được chuyển đổi thành 4160 V với tất cả các thiết bị trong đó có mức cách điện tương ứng với tiềm năng hoạt động 4100 V, sẽ là thỏa đáng để sử dụng một bộ biến áp tự động phù hợp để kết nối hệ thống 2400V này với một hệ thống khác  Hệ thống 4160 V. 

Một biến thể bất thường của hoạt động của máy biến áp tự ngẫu gây ra quá áp hệ thống trong một số trường hợp được biểu diễn bằng máy biến áp có các cuộn dây kéo dài hoạt động trên hệ thống không có trung tính như được minh họa trong Hình 11.

Nếu hoạt động với điện áp đường dây hệ thống được ấn tượng trên một phần nhỏ của tổng cuộn dây, điện áp vectơ ở cuối phần mở rộng của cuộn dây sẽ như được minh họa trong Hình 11 vì vôn trên mỗi lượt phát triển trong phần mở rộng của cuộn dây sẽ giống hệt như vôn  mỗi lượt trong cuộn kích thích.

qua ap tren he thong khong co xung

Hình 11 – Quá áp trên các hệ thống không có xung quanh do kết nối đất trên phần kéo dài của cuộn dây của máy biến áp tự động.

Nếu phần cuối của phần mở rộng của cuộn dây vô tình được nối với đất hoặc phát triển ngắn mạch với đất, thì điểm của điện thế đất sẽ có xu hướng dịch chuyển ra khỏi tâm của tam giác điện áp đến điện thế của phần cực cuối của phần kéo dài chỉ bị kháng lại. bằng cách ghép nối hệ thống với điện dung nối đất cao.

Rõ ràng là kết quả của hành động này, sự hiện diện của bất kỳ cuộn dây kéo dài nào sẽ làm tăng tiềm năng của dây dẫn một pha lên hơn 173% điện thế hoạt động bình thường.

8. Chớp

Các quá điện áp cao nhất mà hệ thống điện công nghiệp phải chịu là do sét gây ra.  Việc hạn chế các quá áp này bằng các biện pháp bảo vệ thích hợp là điều cần thiết nếu tránh được các hỏng hóc thiết bị tốn kém và gián đoạn dịch vụ. Bản chất của quá áp Một tia sét tới trái đất biểu thị sự phóng điện của một tụ điện tích điện cao, một đám mây tạo thành một tấm, trái đất và không khí giữa chất điện môi.  Điện tích ban đầu được ước tính là cao tới 1 tỷ vôn và dòng điện đột quỵ cao tới 200.000 amp đã được đo.

Đột quỵ trực tiếp và xung điện cảm ứng 

Sét có thể tạo ra quá áp trên đường dây truyền tải bằng cách tác động trực tiếp vào đường dây hoặc bằng cảm ứng tĩnh điện từ một lần chạm đất trong vùng lân cận của đường dây.  Điện áp tối đa có thể xảy ra trên một đường dây bằng một hành trình trực tiếp là 15 triệu vôn và đối với một dòng điện cảm ứng là 500.000 vôn.  Các điện áp này xuất hiện giữa dây dẫn và đất.

Dạng sóng 

Mặc dù điện áp do sét tạo ra có cường độ lớn, nhưng thời gian của chúng rất ngắn.  Nó được đo bằng micro giây (phần triệu giây).  Thông thường, điện áp tăng rất nhanh (trong 1 đến 10psec) đến giá trị tối đa hoặc giá trị “crest,” và sau đó giảm chậm hơn, đạt 50% giá trị crest trong 20 đến 150 psec.  Như được minh họa trong Hình 12, hình dạng của điện áp hoặc dòng điện, xung do sét tạo ra (và những thứ được tạo ra nhân tạo cho mục đích thử nghiệm) thường được biểu thị bằng hai số.  

thuat ngu mo ta song dien ap va dong dien

Hình 12 – Các thuật ngữ được bổ sung để mô tả sóng điện áp và dòng điện

Số thứ nhất là thời gian từ “0 ảo” của mặt sóng đến khi sóng đạt đến giá trị đỉnh, trong khi số thứ hai là thời gian từ 0 ảo đến thời điểm điện áp hoặc dòng điện giảm xuống 50% của  giá trị đỉnh.  Điểm 0 ảo của mặt sóng là giao điểm với trục 0 của một đường thẳng vẽ qua các điểm ở mặt trước của sóng có giá trị đỉnh của sóng điện áp là 30% và 90% và đỉnh là 10% và 90%.  giá trị cho một làn sóng hiện tại.  Cả hai thời gian thường được biểu thị bằng micro giây.

Sóng di chuyển 

Sự tăng điện áp do sét tạo ra trên đường dây tải điện không xuất hiện đồng thời tại tất cả các điểm trên đường dây; thay vào đó, nó xuất hiện liên tiếp sau những khoảng thời gian khi khoảng cách từ điểm của nét vẽ tăng lên. Hơn nữa, cường độ và hình dạng (điện áp so với thời gian) của sự tăng vọt vẫn gần như giống nhau tại tất cả các điểm của một đường thẳng thống nhất nhưng chỉ đơn giản là bị dịch chuyển trong pha thời gian.

Bỏ qua mọi điện trở, có thể chứng tỏ rằng: 

  1. Sóng điện áp truyền dọc theo dây dẫn không thay đổi về độ lớn hoặc hình dạng với vận tốc bằng 1 /√LC fps, trong đó L là độ tự cảm tính bằng Henry trên mỗi foot đường dây và C là độ  điện dung tính bằng farads trên mỗi foot dòng.  
  2. Sóng dòng điện đi kèm với sóng điện áp và có cùng hình dạng, nghĩa là tại bất kỳ thời điểm nào tại bất kỳ điểm nào trên đường dây, cường độ dòng điện chạy trong vật dẫn tỷ lệ thuận với hiệu điện thế từ vật dẫn đến đất.  
  3. Hằng số tỉ lệ giữa dòng điện và điện áp được gọi là trở kháng tăng Z và bằng √LC ohms, trong đó L là độ tự cảm tính bằng henrys đối với bất kỳ đơn vị độ dài nào của đường dây và C là điện dung tính bằng farads đối với cùng độ dài đơn vị. Dòng điện tính bằng ampe bằng điện áp tính bằng vôn chia cho trở kháng tăng tính bằng ôm.  

Độ tự cảm và điện dung của đường dây trên không sao cho vận tốc của sóng dòng điện hoặc sóng điện áp (gọi là vận tốc truyền) bằng vận tốc ánh sáng trong không gian tự do, là 984 ft trên psec. Trong hầu hết các phép tính, số tròn 1000 được sử dụng.  Tốc độ lan truyền trong cáp thay đổi tùy theo cấu tạo của nó, nhưng giá trị điển hình là 600 ft trên psec.

B2bmart.vn đã giúp bạn đọc hiểu hơn những nguy hiểm do quá điện áp gây ra. Hy vọng những kiến thức này sẽ giúp mọi người có những phương pháo thích hợp khi thiết kế, lắp đạt hay sửa chữa dòng điện trong công nghiệp.

Hơn 10 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực về truyền động và tự động hóa. B2b team hy vọng qua những bài viết chia sẽ những kiến thức sưu tầm tổng hợp được cho người đọc có cái đẩy đủ hơn trong lĩnh vực mình quan tâm.

B2b Team