Tài liệu Kỹ thuật của Nhóm công tác chung (JWG) A3/A2/A1/B1.44 đề cập đến các hạn chế trong vận hành thiết bị cao áp do quá điện áp tạm thời (TOV - Temporary Overvoltage) thường xuyên. Tài liệu phân loại khoảng thời gian và sự lặp lại của TOV trong các mạng lưới điện. Đối với các thông số TOV điển hình, tuổi thọ cách điện của nhiều thiết bị khác nhau được đánh giá. Ngoài sự lão hóa cách điện do TOV gây ra, cần xem xét thêm các hạn chế khả dĩ khác đối với thiết bị. Trong các ứng dụng điển hình, điều kiện mạng lưới ít khắc nghiệt hơn so với quy định trong các tiêu chuẩn. Do đó, các TOV lặp lại thường có thể được kiểm soát. Tuy nhiên, đây không phải là quy luật chung. Người dùng cần xác minh các điều kiện mạng lưới cụ thể của mình để quản lý rủi ro tốt đối với các sự cố TOV lặp lại.
Giới thiệu
Mạng lưới phân phối và truyền tải đang tích hợp một lượng lớn các nguồn phát năng lượng tái tạo và trải qua những thay đổi trong hành vi của phụ tải. Những thay đổi này tác động đến mức điện áp trong lưới điện. Tại nhiều quốc gia, các quá điện áp tạm thời (TOV) ở tần số công nghiệp (ngắn hạn và dài hạn) thường xuyên được ghi nhận. Mặc dù thiết bị cao áp được thử nghiệm theo các tiêu chuẩn liên quan (ví dụ: chuỗi tiêu chuẩn IEC 62271), nhưng đối với loại quá điện áp này, không rõ liệu các TOV lặp lại hay TOV có khoảng thời gian kéo dài có được bao hàm trong các thử nghiệm hay không. Hơn nữa, ngày nay, điện áp làm việc lớn nhất, thường bằng với điện áp định mức, được sử dụng làm giá trị thiết kế quy chiếu cho nhiều thử nghiệm (ví dụ: quá điện áp có sườn thoải, quá điện áp có sườn dốc). Các TOV diễn ra thường xuyên với biên độ lớn hơn làm tăng xác suất của các thao tác đóng cắt và sự cố ngắn mạch tại thời điểm xảy ra TOV. Hậu quả là, các quá điện áp thử nghiệm được quy chiếu theo Um sẽ thấp hơn so với thực tế tại thời điểm xảy ra sự cố TOV (U > Um). Vì lý do này, cần xem xét chi tiết hơn các hạn chế khác nhau trong ứng dụng của nhiều thiết bị có thể phải chịu tác động của TOV.
Phân tích điều kiện mạng lưới và đặc điểm TOV
Các điều kiện mạng lưới có thể dẫn đến TOV tần số công nghiệp đã được liệt kê và phân loại theo một cách tiếp cận mới. "TOV tần số công nghiệp dài hạn" kéo dài hơn 2 giây và thường yêu cầu sự can thiệp thủ công hoặc tự động từ đơn vị điều hành hệ thống. Biên độ cực đại có thể vượt quá 5% - 10% so với Um. "TOV tần số công nghiệp ngắn hạn", thường nằm trong khoảng 0,2 giây đến 2 giây, phụ thuộc vào quá trình điều chỉnh và điều khiển tự động mức điện áp. Loại cuối cùng là TOV bắt nguồn từ một số hiện tượng cộng hưởng trong lưới điện. Việc so sánh các bộ quy tắc vận hành và đấu nối lưới điện khác nhau cho thấy chưa có một phương pháp tiếp cận thống nhất nào cho việc quy định TOV. Chúng phụ thuộc nhiều vào loại mạng lưới, chiến lược của từng quốc gia và các cấp điện áp. Cuộc khảo sát được thực hiện tại các Đơn vị vận hành lưới điện truyền tải (TSO) và phân phối (DSO) cho thấy TOV tần số công nghiệp dài hạn là một hiện tượng thực tế diễn ra ngày nay. Cho mục đích của tài liệu này, sự gia tăng điện áp trung bình hoặc điển hình được xác định là U = 1,05 Um.
Các Phát hiện Chính đối với các thiết bị được xem xét
Sự suy giảm tuổi thọ của cách điện thiết bị khi phải chịu điện áp liên tục U > Um có thể rất đáng kể đối với hầu hết các thiết bị được xem xét. Do đó, việc tăng điện áp liên tục và áp dụng các cấp điện áp mới không được khuyến nghị. Cần xem xét sự ảnh hưởng đến tuổi thọ của cách điện thiết bị khi tiếp xúc với TOV lặp lại. Chừng nào mức suy giảm tuổi thọ dự kiến là tối thiểu và có thể chấp nhận được từ góc độ quản lý tài sản, thì điều đó có thể được xem là kiểm soát được. Ngoài sự lão hóa cách điện, các ứng dụng đặc thù của từng thiết bị bổ sung cần được xem xét vì TOV có thể thu hẹp phạm vi ứng dụng của thiết bị đang đánh giá.
Máy biến dòng và máy biến áp đo lường (CT và VT)
TOV sẽ dẫn đến sự gia tăng dòng điện ngắn mạch. Người sử dụng cần xác minh xem mức dòng điện bị tăng lên có duy trì dưới các giá trị đã được thử nghiệm hay không. Hơn nữa, TOV làm tăng rủi ro kích hoạt các dao động cộng hưởng sắt từ (ferro-resonance) đối với máy biến điện áp (VT) kiểu cảm ứng. Việc ứng dụng các thiết kế có khe hở không khí hoặc có thêm các phần tử cản dịu (damping elements) cần được xác minh hoặc xem xét. Đặc biệt, đối với các ứng dụng tại Trạm biến áp cách điện bằng khí (GIS), nơi tỷ lệ điện dung không thuận lợi cho việc kích hoạt dao động cộng hưởng sắt từ, khả năng cản điện trở của VT là cực kỳ quan trọng. Cuối cùng, các VT kiểu cảm ứng thường được sử dụng để xả điện cho các phần mạng lưới bị ngắt kết nối mà không nối đất. TOV sẽ làm tăng lượng năng lượng cần được xả. Do đó, khả năng chịu đựng ứng suất nhiệt của VT phải được xác minh. Các máy biến áp đo lường công suất thấp (LPIT) không bị ảnh hưởng bởi các dao động cộng hưởng sắt từ. Việc phối hợp cách điện (dielectric insulation coordination) và mức độ lão hóa của chúng phải tuân theo các tiêu chí tương tự như CT và VT.
Máy phát điện trong các nhà máy điện
Trong điều kiện vận hành bình thường, rất khó có khả năng máy phát điện phải chịu TOV vì chúng thường phát ra công suất phản kháng để tự giảm điện áp về trong dải thiết kế. Nếu nhu cầu phụ tải cao hơn mức máy phát có thể cung cấp, TOV tại điểm đấu nối có thể bị vượt qua. Dẫu vậy, có thể giả định rằng đây là một sự kiện khẩn cấp hiếm gặp. Tuy nhiên, đối với các máy phát kết nối với lưới điện thông qua máy biến áp có bộ điều áp không tải (off-load tap-changer), hiện tượng lão hóa nhanh do TOV thường xuyên có thể xảy ra. Trong cấu hình này, điện áp kích từ của máy điện đồng bộ được sử dụng để điều khiển điện áp. TOV làm tăng tổn thất nhiệt, và sự thay đổi nhiệt độ diễn ra thường xuyên hơn sẽ đẩy nhanh quá trình lão hóa cơ và điện. Tốc độ của hiện tượng này phụ thuộc vào khoảng thời gian và tần suất của TOV.
Thiết bị đóng cắt (Switchgear)
Thông thường, máy cắt (circuit breakers) được thử nghiệm với các quá điện áp liên quan đến Ur, bằng hoặc cao hơn Um. Theo đó, các tiêu chuẩn thử nghiệm máy cắt không xem xét đến các ứng suất điện áp kép, chẳng hạn như sự xuất hiện của TOV đồng thời với Điện áp phục hồi quá độ (TRV - Transient Recovery Voltage) sau sự cố. Tài liệu này nhận thấy rằng các sự kiện TOV có thể kéo dài rất lâu, do đó, các hư hỏng tại thời điểm xảy ra TOV cần được đánh giá là có khả năng xảy ra. Trong trường hợp như vậy, giá trị quy chiếu cho thử nghiệm điện áp sẽ phải thay đổi từ Ur thành 1,05Um (điều chưa từng được định nghĩa trong bất kỳ tiêu chuẩn nào). Tuy nhiên, các máy cắt vẫn có khả năng thực hiện thao tác đóng cắt tại thời điểm xảy ra TOV nếu các thông số của mạng lưới/ứng dụng thấp hơn các giá trị đã được thử nghiệm theo tiêu chuẩn. Do đó, người dùng nên kiểm tra các thông số mạng lưới để so sánh với các điện áp đã thử nghiệm, đánh giá xem liệu máy cắt có khả năng phải chịu TOV dài hạn hay không. Các bước kiểm tra sau được xem là hợp lý:
- Biên độ dòng ngắn mạch thực tế nhỏ hơn Isc.
- Hệ số cực (pole factor) của mạng lưới nhỏ hơn 1.24 trong các hệ thống nối đất trực tiếp.
- Khoảng cách giữa các giá trị TRV, RRRV, PFRV thực tế và các giá trị thử nghiệm có phù hợp không?
- Kiểm tra xem hằng số thời gian của mạng lưới có thấp hơn giá trị thử nghiệm không (thường là 45 ms trong lưới Siêu cao áp - EHV).
- I''k1E nhỏ hơn ít nhất 5% so với I''k3 (trong trường hợp ngắn mạch định mức).
- Kiểm tra hệ số điện áp trong quá trình đóng cắt tải điện dung.
- Xem xét hiện tượng Ferranti đối với các đường dây trên không (OHL) có khoảng cách truyền tải dài hoặc OHL có các đoạn cáp ngầm.
- Các sự cố cấp từ máy biến áp có thể tạo ra TRV và RRRV rất cao.
- Xem xét việc áp dụng công nghệ đóng cắt có điều khiển cho máy biến áp và cuộn kháng.
Thường thì việc tham vấn từ các nhà sản xuất có thể giúp đánh giá khả năng thực hiện chức năng của máy cắt tại thời điểm có TOV. Các máy cắt thường xuyên được thử nghiệm với những bài kiểm tra riêng biệt theo yêu cầu của người dùng, và chúng nghiêm ngặt hơn nhiều so với các tiêu chuẩn quốc tế. Các dao cách ly GIS ở những cấu hình cũ đòi hỏi sự lưu ý đặc biệt vì TOV làm tăng Quá điện áp quá độ cực nhanh (VFTO - Very Fast Transient Overvoltage), biên độ này có thể vượt qua các giá trị thử nghiệm ban đầu. Người dùng nên xác minh thông số này nếu GIS có nguy cơ tiếp xúc với TOV. Một biện pháp khắc phục có thể là hạn chế dùng dao cách ly để đóng cắt các dòng điện dung nhỏ.
Cáp điện
Các mô hình lão hóa đối với cáp được sử dụng cho đến nay đã được nắm rõ và ứng dụng rộng rãi. Quy trình thử nghiệm được thực hiện trong giai đoạn tiền đánh giá cho thấy toàn bộ hệ thống cáp (cách điện, mối nối, đầu cáp) sẽ chỉ lão hóa không đáng kể (hoặc hoàn toàn không) do chịu tác động của TOV tần số công nghiệp, như đã xem xét trong tài liệu. Trong trường hợp cáp phải mang tải dòng điện định mức liên tục, có thể xem xét việc hạ định mức dòng điện xuống 0,5% hoặc áp dụng hệ số dòng điện cáp động (dynamic cable current rating).
Máy biến áp
Nói chung, máy biến áp được thử nghiệm với các điện áp cao hơn rất nhiều so với mức điện áp xảy ra TOV. Do đó, có thể kỳ vọng rằng bản thân TOV sẽ không ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất điện môi (dielectric performance). Dù vậy, các sự cố TOV lặp lại thường xuyên, đặc biệt khi đi kèm với dòng điện khởi động (inrush currents) cao hơn, hiện tượng quá từ thông (overfluxing) của lõi thép và việc bộ điều áp hoạt động liên tục, có thể đẩy nhanh các quá trình lão hóa thiết bị. Sự phóng điện cục bộ (PD) ở cường độ cao hơn cũng có thể phát sinh. Cũng nên lưu ý rằng mức độ phát thải tiếng ồn từ máy biến áp tại thời điểm xảy ra TOV sẽ cao hơn, điều này có thể là rào cản lớn đối với một số khu vực đô thị. Máy biến áp được thử nghiệm cho các dòng ngắn mạch cụ thể. Cần ghi nhớ rằng dòng điện ngắn mạch sẽ bị đẩy lên cao hơn tại thời điểm xảy ra TOV.
Chống sét van (Surge arresters)
Ở điện áp vận hành 1,05Um, không có khả năng xảy ra tình trạng quá tải nhiệt đối với chống sét van. Trên thực tế, có thể có những khu vực của mạng lưới tạm thời vận hành ở mức điện áp 1,05Um và TOV do các sự cố chạm đất và/hoặc kịch bản sa thải phụ tải. Những trường hợp quá điện áp này bắt buộc phải được tính đến khi thiết kế và lựa chọn định mức (sizing) cho chống sét van. Lúc này, thiết bị chống sét cần hấp thụ một lượng năng lượng điện lớn hơn, điều này cần được đưa vào trong thiết kế cơ bản. Ở một số bộ phận của mạng lưới, việc đặt tải trước (preloading) lên chống sét van trước khi kiểm tra điện áp đã được giả định. Phương pháp thử nghiệm này có thể được ứng dụng trong các hệ thống chỉ mong đợi xảy ra các sự kiện đơn lẻ.
Khuyến nghị
Đối với người sử dụng – các thiết bị đã được xem xét và đánh giá thường có đủ khả năng chịu đựng các TOV lặp lại với mức rủi ro trong giới hạn chấp nhận được. Tuy nhiên, đây không phải là quy luật chung; các ứng dụng của thiết bị vẫn cần được rà soát dựa trên các yếu tố phụ thuộc và yêu cầu đã đề cập phía trên. Việc thu hút các nhà sản xuất và người dùng cuối cùng tham gia vào quá trình đánh giá có thể ngăn ngừa rủi ro tiềm ẩn mà không cần phải thực hiện bất kỳ biện pháp khắc phục vật lý nào.
Về khía cạnh tiêu chuẩn hóa – cần phải cập nhật lại định nghĩa về quá điện áp tạm thời trong các tiêu chuẩn phối hợp cách điện hiện hành. Cần phải nêu rõ ràng rằng các bài thử nghiệm tiêu chuẩn ngày nay chỉ bao quát được một vài ứng suất điện áp cơ bản. Việc vận hành liên tục hoặc lặp đi lặp lại ở các điều kiện TOV có thể dẫn đến sự lão hóa nhanh chóng của thiết bị và điều này phải được quy định minh bạch trong các tiêu chuẩn.
Đối diện với những thay đổi lớn về mặt cấu trúc trong các mạng lưới phân phối và truyền tải, giới hạn trong khả năng ứng dụng thiết bị gây ra bởi TOV lặp lại, như đã thảo luận trong tài liệu, có thể bị chồng lấn bởi các hiện tượng mới như việc gia tăng tỷ số ngắn mạch (short circuit ratio) hoặc các tương tác phi tần số công nghiệp giữa những thiết bị dùng giao diện điện tử công suất. Nỗ lực nhằm quản lý thỏa đáng các mạng lưới năng lượng ngày càng phức tạp dự kiến sẽ gia tăng trong tương lai. Nhờ có sự phức tạp đó, người sử dụng sẽ tiếp tục cần những hướng dẫn kỹ thuật chuyên sâu trong việc ứng dụng các trang thiết bị điện cao áp.
Viết bình luận
Các trường bắt buộc được đánh dấu *