Bài giảng Kỹ thuật cao áp - Chương 10: Quá điện áp trong hệ thống điện

hệ thống điện phóng điện gây hư
hỏng cách điện đường dây, thiết bị đóng cắt, thiết bị
bảo vệ, máy biến áp và gây mất ổn định hệ thống
điện.
 Sét đánh trực tiếp (ít khi) và gián tiếp (thường
xuyên)
7. Tác hại khi bị sét đánh
8. Phân bố điện áp vào đất khi bị sét đánh
9. Điện áp trên đối tượng bị sét đánh
V: điện áp trên đối tượng
I: dòng sét qua đối tượng
Io: dòng sét xuống đất (đánh trực 
tiếp xuống đất)
Z : tổng trở sóng của đối tượng
Zo: tổng trở khe sét (1000 
3000)
ZZ
Z
II
ZZIZI
constV
o
o
o
ooo
o
Dây truyền tải: 300  500
Dây nối đất: 100  150
Trụ điện thép: 10  50
* Tổng trở sóng
CLZ / 
* T/h: Sét đánh vào dây truyền tải
V = IoZ (do Z<<Zo)
= 10000  400 = 4000000 (V) = 4000 kV
Với: 
Io = 10 kA
Z = 400 : tổng trở sóng đường dây
 Gây phóng điện bề mặt trên chuỗi sứ cách điện
* T/h: Sét đánh vào giữa đường dây truyền tải
V = Io Z/2 
= 10000  400/2 = 2000000 (V) = 2000 kV
Nếu đường dây 110 kV có 11 bát sứ 10 inch (điện áp phóng 
điện xung 950 kV Gây phóng điện bề mặt trên chuỗi sứ 
cách điện
III. QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ
1. Nguồn gốc
• Ngắt điện dây truyền tải, cáp, tụ bù 
• Ngắt điện máy biến áp không tải, cuộn cảm
• Cấp điện dây truyền tải, tải điện cảm, điện dung
• Ngắt tải đột ngột
• Ngắn mạch và xử lý xong sự cố
• Hiện tượng cộng hưởng 
2. Đặc tính
• Dạng sóng xung quá điện áp nội bộ rất khác nhau (dao 
động hoặc có 1 cực)
– Có tần số cao
– Tắt dần có tần số hệ thống
– Xung điều hòa bậc cao 
• Giá trị có thể lớn gấp 6 lần điện áp định mức của hệ 
thống
• Thời gian quá điện áp: 1  10 ms
• Giá trị quá điện áp:
– Cấp điện máy biến áp: 2,4 p.u
– Cấp điện dây truyền tải: 1,4  2,0 p.u
2. Dạng xung quá điện áp nội bộ
3. Quá điện áp trên hệ thống EHV và UHV
 Giá trị quá điện áp: 2  3,3p.u (1200  2000kV đối 
với hệ thống 765kV)
 Yêu cầu: hạn chế giá trị quá điện áp < 2,5 p.u (giá trị 
lý tưởng là 2,0 p.u)
4. Các biện pháp điều khiển và giảm quá điện áp
 Cấp điện đường dây qua 1 hay nhiều bước thông qua 
điện trở 
 Điều khiển pha đóng CB thông qua cảm biến (sensor)
 Giải phóng nhanh điện tích dư trước khi đóng lại 
đường dây truyền tải dài
 Sử dụng chống sét van (lightning arrester)
IV. BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP DO 
SÉT ĐÁNH 
1) Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
a. Trạm biến áp
b. Đường dây
2) Bảo vệ chống sét lan truyền
a. Đường dây
b. Máy biến áp
c. Trạm biến áp
1. Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
a) Trạm biến áp
 Sử dụng hệ thống cột thu sét như hình sau:
 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (< 60 m)
Đường sinh dạng 
hyperbol
h
hx
rx
 Vật nằm phía dưới đường sinh được bảo vệ
 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao
o Nếu hai cột đặt cách nhau 1 khoảng a 7h, thì mọi điểm trên mặt
đất giữa hai cột sẽ không bị sét đánh
o Một vật có độ cao ho đặt giữa hai cột sẽ được bảo vệ nếu ho thỏa
điều kiện:
o Phạm vi bảo vệ phía ngoài hai cột được xác định như đối với mỗi
cột riêng lẻ
o Khu vực giữa hai cột được giới hạn bởi một cung tròn qua hai đỉnh
cột và đỉnh cột giả tưởng có độ cao ho
p
a
hho
7
Phạm vi bảo vệ 
trên mặt chiếu 
đứng
Phạm vi bảo vệ 
trên mặt chiếu 
bằng
* Cách xác định phạm vi bảo vệ của hai cột trên mặt chiếu bằng
 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau:
o Phạm vi bảo vệ phía ngoài hai cột giống như phạm vi bảo vệ của từng
cột riêng lẻ
o Phạm vi bảo vệ giữa hai cột được xác định bằng cách qua đỉnh cột thấp
(h2) vẽ một đường thẳng ngang, cắt đường sinh của phạm vi bảo vệ của
cột cao (h1) tại một điểm, điểm này được coi như là đỉnh của một cột
giả tưởng h’=h2. Khu vực bảo vệ giữa cột thấp h2 và h’ cách nhau a’
được xác định như giữa hai cột có độ cao bằng nhau
h’
 Phạm vi bảo vệ của hệ nhiều cột thu sét
o Khi công trình cần bảo vệ chiếm diện tích lớn sử dụng nhiều cột thu
sét
o Để xác định phạm vi bảo vệ, người ta chia hệ thống cột thu sét thành
từng nhóm ba hoặc bốn cột thu sét ở gần nhau
D
o Bên ngoài diện tích đa giác đi qua chân các cột, phạm vi bảo vệ được
xác định như trường hợp hai cột thu sét
o Các thiết bị có độ cao lớn nhất hx đặt trong diện tích đa giác sẽ được
bảo vệ nếu thỏa mãn điều kiện sau
p
D
hhx
8
 D càng lớn độ cao cần bảo 
vệ hx càng giảm
b) Đường dây
 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét có độ treo cao h 30 m
x
x
x
hh
hh
hb
 2,1
PP đơn giản
 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét có độ treo cao h > 30 m
 Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét
4
S
hho 
 DDDCS hhS 4
 Cách xác định phạm vi bảo vệ của dây chống sét
o Thực tế dây chống sét thường được dùng để bảo vệ các đường dây
cao áp
o Độ treo cao trung bình của DD thường nhỏ hơn 2h/3 không cần
xác định toàn bộ phạm vi bảo vệ, chỉ cần xác định góc bảo vệ là
đủ
o càng nhỏ thì xác suất sét đánh vào dây dẫn  càng nhỏ
o
gh 31 
 gh xác định khi hDD=(2/3)hDCS
Tăng giới hạn an toàn 
chọn = 20-25o
2. Bảo vệ chống sét lan truyền
a) Phương pháp
 Sử dụng thiết bị chống sét có đặc tính Volt-giây nằm thấp hơn đặc tính
Volt-giây của thiết bị cần bảo vệ
 Thiết bị chống sét phải có khả
năng tự dập tắt nhanh chóng
hồ quang kế tục của dòng điện
xoay chiều để khôi phục lại
trạng thái làm việc bình
thường cho hệ thống
 Thiết bị chống sét không được phóng điện khi có quá điện áp nội bộ
 Thiết bị chống sét phải có điện áp dư thấp hơn mức cách điện xung của
thiết bị cần bảo vệ
 Thiết bị chống sét lắp song song với thiết bị cần bảo vệ
 Sử dụng mỏ phóng điện (khe hở thanh) để bảo vệ sứ cách điện 
của đường dây và sứ xuyên
 Điện áp phóng điện đánh thủng khe hở bằng 80% điện áp phóng
điện của chuỗi sứ
b) Bảo vệ đường dây
* Mỏ phóng điện
 Cấu tạo đơn giản gồm 1 khe hở thanh
Ưu điểm:
Không dập tắt được hồ quang nên khi nó làm việc nếu dòng điện ngắn
mạch chạm đất của lưới điện lớn thì hồ quang sẽ không tự dập tắt và ngắn
mạch chạm đất kéo dài
 Điện áp phóng điện bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết và cực tính
 Hồ quang làm hư hỏng các cực
Nhược điểm:
Dùng bảo vệ đường dây trong các lưới có dòng ngắn mạch chạm đất bé (
lưới có trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang) hoặc
khi có phối hợp với thiết bị tự động đóng lại (TĐL) để bảo đảm cung cấp
điện liên tục
 Lắp đặt ở khu vực ít bị sét đánh và đường dây được bảo vệ bởi dây
chống sét có nối đất.
 Dùng để dự phòng cho thiết bị chống sét chính
Phạm vi ứng dụng:
* Sừng phóng điện
 Lắp trên đường dây, tại các chuỗi sứ
 Điện trở R hạn chế dòng
 Khi quá điện áp hồ quang hình thành tai khe hở hẹp (vị trí 1). Dưới
tác động của không khí bị ion hóa và hiệu ứng từ, hồ quang di
chuyển đến vị trí 2, 3 và bị tắt.
* Chống sét ống
Nguyên lý hoạt động:
Khi quá điện áp vượt quá giá trị tổng điện áp phóng điện của khe 
hở ngoài và trong, phóng điện tại các khe thoát nhanh dòng sét. 
Khi quá điện áp chấm dứt, hồ quang vẫn duy trì nung nóng 
chất
sinh khí sinh ra một lượng khí lớn làm tăng cao áp suất 
dập
tắt hồ quang
Điều kiện lắp chống sét ống
IN: Dòng ngắn mạch chạm đất
 Cấu tạo đơn giản
 Dễ lắp đặt 
 Có khả năng dập tắt hồ quang bằng khí tự sinh ra
Ưu điểm:
 Các nhược điểm trên hạn chế việc sử dụng rộng rãi chống sét ống 
thay bằng khe hở thanh kết hợp với thiết bị tự đóng lại để bảo vệ đường
dây
Hạn chế
 Chống sét ống chủ yếu dùng bảo vệ các đường dây không có
dây chống sét
Khó khăn lớn nhất là phải đảm bảo trị số dòng điện ngắn mạch chạm
đất tại điểm đặt chống sét nằm trong phạm vi giới hạn trên và dưới
của dòng điện cắt
Khi dùng nó trong hệ thống công suất nhỏ hoặc đặt chống sét ống với
mật độ quá dày sẽ không đảm bảo về yêu cầu giới hạn dưới của dòng
cắt
 Ngược lại nếu hệ thống công suất lớn sẽ có thể vượt quá trị
số giới hạn trên
 Chế độ vận hành hệ thống luôn thay đổi làm dòng ngắn mạch
khó đáp ứng yêu cầu trên
 Dập tắt hồ quang sau vài chu kỳ
* Chống sét van đường dây
Sét đánh vào cột 
hoặc dây CS nhưng 
điện trở nối đất cao 
 khả năng thoát sét 
kém phóng điện 
ngược máy cắt 
hoạt động
Phóng điện xuôi tần 
số công nghiệp 
máy cắt hoạt động
Dòng đi qua CSV vào 
dây dẫn đến CSV 
cột kế bên xuống 
đất không phóng 
điện ngược không 
hư sứ không gây 
quá điện áp lớn
c) Bảo vệ máy biến áp (thiết bị điện)
 Lắp khe hở thanh song song với 
sứ xuyên (ưu và nhược điểm 
trình bày ở phần trước)
 Lắp đặt chống sét van trước máy 
biến áp
Chống sét 
van
* Thiết bị bảo vệ
* Chống sét van SiC
 Bao gồm chuỗi khe hở ghép nối
tiếp với điện trở phi tuyến R được
chế tạo từ silicon carbide
 Khi xuất hiện quá điện áp thì các
khe hở phóng điện, điện áp tác
dụng lên phần tử van lớn làm cho R
giảm thấp tạo đường dẫn để
thoát sét (van mở)
 Khi hết sét, hồ quang vẫn tiếp tục
cháy nhưng điện áp đặt lên chống
sét van thấp nên R tăng cao trở lại
 hạn chế dòng điện và tạo điều
kiện để dập tắt hồ quang khi dòng
qua giá trị 0 cách điện giữa
đường dây và đất.
 Đặc tính V-A của phần tử điện trở phi tuyến
akVI 
Với:
I - dòng phóng điện qua 
phần tử điện trở
V - điện áp tác động lên 
phần tử 
k, a - hệ số phụ thuộc vào 
vật liệu và kích thước của 
phần tử 
 Dòng làm việc của chống sét van từ 5kA đến 10kA
 Đặc tính V-t và A-t của chống sét van
* Chống sét van ZnO
 Bao gồm các đĩa phi
tuyến R được chế tạo từ
oxít kẽm
 Hoạt động tương tự như
chống sét van SiC
 Tuy nhiên, vì không có
các khe hở nối tiếp nên
không tồn tại hồ quang
sau khi thoát dòng điện
sét
* So sánh chống sét van SiC và ZnO  Ưu điểm của CSV ZnO
so với CSV SiC:
o Đặc tính V-I bằng phẳng
 thoát nhanh dòng sét
o Dòng rò rất nhỏ ở điện
áp làm việc của hệ
thống cách ly đường
dây và đất mà không
cần các khe không khí
 nhỏ gọn, đơn giản
o Không khe KK 
Không xuất hiện hồ
quang
o Tốc độ gia tăng quá điện
áp trên CSV lớn
 Nhược điểm: tồn tại
dòng rò tổn hao điện
năng
Dòng rò 
nhỏ
Dòng hồ quang 
sau khi thoát 
sét lớn
 CSV ZnO thay thế CSV SiC
Dòng tăng 
nhanh theo 
điện áp
* Vị trí lắp đặt chống sét van
Chống sét van trung thế
d) Hình ảnh về chống sét van
Chống sét van cao thế
e) Bảo vệ trạm
 Sử dụng chống sét van chống sét lan truyền vào trạm
 Để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường cho CSV thì dòng đi
qua CSV không được lớn hơn dòng định mức của nó
 Dòng định mức của CSV: Im = 5-10 kA
 Nếu dòng qua CSV > Im có thể phá hủy CSV hoặc làm cho Udư
tăng cao ảnh hưởng đến cách điện của trạm
500 kV
* Xét trường hợp khi sét đánh lên đường dây cách xa trạm 1-2 km
 Sóng tới Ut do sét đánh truyền vào trạm theo đường dây có tổng trở
sóng Zdd
 Khi CSV làm việc, sơ đồ thay thế theo quy tắc Peterson cho phương
trình điện áp sau:
dd
dut
csvduddcsvt
Z
UU
IUZIU
2
2
 Sơ đồ thay thế theo qui tắc Peterson
- Đối với đường dây 110 kV ta có: u50% = 650 kV (mức cách điện xung 
của đường dây)
- CSV 110 kV có Udư = 335 kV tại 5 kA
- Zdd = 400 
kAkA
Z
UU
I
dd
dut
csv 54,2
400
33565022
CSV không hư
* Xét trường hợp khi sét đánh lên đường dây tại khu vực đầu trạm
 Sơ đồ thay thế
kA
R
U
II
c
du
scsv 3,63
10
367
100 
- CSV 110 kV có Udư = 367 kV tại 100 kA
-Rc = 10  (điện trở đất của cột)
-Is = 100 kA
Udư
Phá hủy CSV
Rc
 Nếu CSV không hư thì Udư tăng cao ảnh hưởng đến cách điện
của thiết bị cần bảo vệ
 Khi bảo vệ chống sét lan truyền vào trạm bằng CSV thì phải loại
trừ khả năng sét đánh vào khu vực đầu trạm
 Bảo vệ không cho sét đánh vào khu vực đầu trạm được gọi là bảo
vệ đoạn tới trạm
 Đối với đường dây cột thép và cột bê tông không treo dây
chống sét trên toàn tuyến thì chúng ta phải treo dây chống sét
trên chiều dài từ 1-2 km trên chiều dài đoạn tới trạm
 Đối với đường dây treo dây chống sét trên toàn tuyến, bảo vệ
đoạn tới trạm bằng các cách sau:
o Giảm góc bảo vệ ở khu vực đầu trạm ( 20o)
o Giảm điện trở nối đất Rc của cột
V. QUÁ TRÌNH SÓNG TRÊN ĐƯỜNG 
DÂY 
1. Sự truyền sóng điện từ trên đường dây không tổn 
hao
 Khi xảy ra hiện tượng quá điện áp, xuất hiện sóng điện từ tần
số cao lan truyền trên đường dây. Sóng điện từ có thể bị phản
xạ ngược, truyền đi, méo dạng và suy giảm cho đến khi tiêu tán
hoàn toàn năng lượng.
 Quá trình truyền sóng điện từ trên đường dây kèm theo tổn hao
trên điện trở của đường dây (R), tổn hao dòng rò trên cách điện
đường dây và tổn hao vầng quang (G)
 Sơ đồ thay thế đường dây dài
x x+dx
 Hệ phương trình vi phân biểu diễn quá trình truyền sóng trên
đường dây
 Nếu đường dây không có tổn hao (R = 0, G = 0)
 Nghiệm tổng quát của hệ phương trình truyền sóng không có
tổn hao:
Trong đó:
f1: thành phần sóng tới
f2: thành phần sóng phản xạ
v: vận tốc truyền sóng
Z: tổng trở sóng của đường dây
CLZ / 
rr
c
LC
v

1
Tốc độ 
ánh sáng
Môi trường 
xung quanh
 Đối với đường dây trên không (r = 1, r = 1):
v = c = 3 108 (m/s)
mH
r
h
L
dd
dd /10
2
ln2 7 (Dây không phân pha) 
mF
r
hLc
C
dd
dd
/
2
ln2109
11
9
2
 
dd
dd
r
h
CLZ
2
ln60/ (Z  400 )
(Z không phụ thuộc chiều dài đường dây, phụ thuộc vào độ 
cao treo dây và bán kính dây dẫn
 Đối với cáp ngầm (r = 1, r  4):
v  c/2 = 1,5 108 (m/s)
Z = 5  40  (nhỏ hơn nhiều so với đường dây trên không 
do cáp có C lớn và L nhỏ 
up
2. Hiện tượng phản xạ và khúc xạ của sóng: qui tắc 
Peterson
 Giả sử có sóng tới ut lan truyền trong môi trường có tổng trở sóng
Z1. Đến điểm M, sóng chuyển sang môi trường có tổng trở Z2 Z1
 Khi sóng truyền sang môi trường mới thì nó sẽ xuất hiện thành
phần sóng khúc xạ uk đồng thời có thành phần sóng phản xạ up về
môi trường cũ
up
(Z1 >Z2)
 Phương trình điều kiện biên tại M:
kpt
kpt
iii
uuu
)3(
)2(
)1(
1
111
kpt
kptkpt
kpt
iZuu
iZiZiZiii
uuu
(up = - Z ip)
 kkt uZiu 12:31
2ut
Sơ đồ thay thế theo 
qui tắc Peterson
(0 Z2 )
 Từ sơ đồ, thành phần sóng khúc xạ được xác định:
 Từ sơ đồ, thành phần sóng phản xạ
 tttkp uuuuu  1
* Xét trường hợp Z2 = , đường dây hở mạch (không tải)
 tp
tk
uu
uuZ
11
222
 
Hiện tượng này gọi là phản
xạ dương áp toàn phần và
điện áp tại điểm cuối
đường dây tăng gấp đôi
Trường hợp này xảy ra khi sét đánh vào đường dây
dài không tải hoặc đóng cấp điện cho đường dây dài
không tải
* Xét trường hợp Z2 = 0, đường dây dài bị ngắn mạch chạm đất
 tp
k
uu
uZ
11
0002
 
Hiện tượng này gọi là phản
xạ âm áp toàn phần và điện
áp tại điểm cuối đường dây
bằng 0
Trường hợp này xảy ra khi sét đánh
vào đường dây gây phóng điện trên
sứ cách điện
* Xét trường hợp truyền sóng cuối đường dây có chống sét van
a) Khi chống sét van chưa phóng điện
 Sóng truyền từ Z1 đến Z2 = 
 Điện áp tại M tăng đến 2ut u2=2ut
b) Khi chống sét van phóng điện
 Đường cong u = 2ut cắt đặc tính Volt – giây của khe hở
phóng điện tại thời điểm nào thì CSV phóng điện tại thời
điểm đó
 Điện áp tác dụng lên CSV được xác định theo qui tắc
Peterson:
 u2(t) bây giờ thực chất là điện áp tác dụng lên điện trở phi
tuyến R của CSV được gọi là udư của CSV
 u2(t) được xác định theo phương pháp đồ thị
 )(2 12 tiZtutu csvt 
V-A của CSV
Sụt áp trên 
đường dây
Vế phảiV-t của 
khe hở