• Thuật ngữ “medium voltage” “điện áp trung thế thường được sử dụng mạng phân phối có điện áp trên 1 kV và thường lên tới 52 kV (xem tiêu chuẩn IEC 601-01-28)
  • Trong chương này mạng phân phối vận hành ở mức điện áp 1.000 V hoặc thấp hơn được xem là mạng hạ thế, trong khi đó các hệ thống phân phối điện cần một cấp máy biến áp giảm áp để nuôi mạng hạ thể sẽ được xem là mạng trung thế.
  • Vì các lý do về kinh tế và kỹ thuật, điện áp định mức của mạng phân phối trung thế, như đã định nghĩa ở trên, ít khi vượt quá 35 kV.

Các đặc tính của mạng phân phối trung thế nguồn lưới quốc gia

Điện áp định mức và các mức cách điện liên quan

  • Điện áp định mức của một mạng điện hay của một thiết bị được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEC 60038 là “điện áp mà một mạng điện hoặc một thiết bị được thiết kế và là mức điện áp thỏa được các đặc tính vận hành”, Liên quan chặt chẽ tới điện áp định mức là “mức điện áp cao nhất đối với thiết bị”, nó liên quan tới mức cách điện ở tần số làm việc bình thường. Các đặc tính khác trong các số liệu về thiết bị sẽ được đối chiếu tới điện áp này.
  • Mức “điện áp cao nhất đối với thiết bị được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEC 60038 như sau:“Giá trị điện áp tối đa mà thiết bị có thể được sử dụng,  nó xảy ra ở điều kiện vận hành bình thường ở bất kỳ thời điểm nào và ở bất kỳ vị trí nào trên mạng điện. Không bao gồm điện áp quá độ, chẳng hạn như do đóng cắt và các thay đổi điện áp tạm thời.
  • Chú ý:
    • Mức điện áp cao nhất đối với thiết bị chỉ được chỉ ra đối với mang điện có điện áp định mức cao hơn 1000V. Cần phải hiểu rằng, đối với vài loại thiết bị đặc biệt, sự vận hành bình thường không thể đảm bảo khi điện áp tăng tới mức điện áp cao nhất đối với thiết bị. Ví dụ như các đặc trưng nhạy với điện áp như mất tụ bù, dòng từ hóa nhảy vọt của máy biến áp,… Trong những trường hợp chuẩn IEC chỉ rõ giới hạn điện áp có thể vận hành bình thường của các thiết bị.
    • Cần phải hiểu rằng các thiết bị được sử dụng trong mạng điện có điện áp định mức không quá 1,000 V chỉ được chỉ định theo điện áp định mức của mạng điện (cho cả vận hành và mức cách điện).
    • Định nghĩa điện áp cao nhất đối với thiết bị được cho trong tiêu chuẩn IEC 60038 tương tự với định nghĩa được cho trong tiêu chuẩn IEC 62271 điện áp danh định”. Tiêu chuẩn IEC 62271-1 liên quan tới thiết bị đóng cắt với mức điện áp trên 1,000 V.
  • Các giá trị trong hình dưới được lấy từ tiêu chuẩn IEC 60038, bảng này liệt kê những cấp tiêu chuẩn thường dùng phổ biến nhất của mạng phân phối trung thế và mối liên giữa điện áp định mức tới các giá trị chuẩn của “Điện áp cao nhất đối với thiết bị. Những hệ thống này thường là 3 dây trừ khi có những chỉ định khác. Các giá trị được cho là điện áp dây.
  • Các giá trị được cho trong trong ngoặc đơn được xem là không nên sử dụng. Người ta khuyến cáo rằng các giá trị này không nên sử dụng đối với những mạng điện mới sẽ được xây dựng trong tương lai.
  • Người ta khuyến cáo rằng ở vài quốc gia tỉ số giữa hai mức điện áp danh định liền kề không nên bé hơn 2.
  • Để đảm bảo bảo vệ một cách thích hợp thiết bị chống lại quá áp tần số công nghiệp ngắn hạn do tình trạng làm việc không bình thường, và quá áp quá độ do sét, đóng cắt, và do sự cố hệ thống,… Tất cả thiết bị trung thế phải được chỉ rõ có đủ mức cách điện danh định.

1

  • “Mức cách điện danh định” là một tập các giá trị xác định mức chịu đựng cách điện ở các điều kiện vận hành khác nhau. Đối với thiết bị trung thế, ngoài “điện áp cao nhất đối với thiết bị”, còn thêm mức chịu đựng xung sét và mức chịu đựng đối với xung tần số công nghiệp ngắn hạn.

Thiết bị đóng cắt

  • Hình được cho dưới đây liệt kê các giá trị thông thường của điện áp “chịu đựng” yêu cầu theo tiêu chuẩn IEC 62271-1. Việc chọn các giá trị giữa danh sách 1 và danh sách 2 trong bảng phụ thuộc vào mức độ bắt sét và quá áp do đóng cắt (1), loại nối đất trung tính, và loại thiết bị bảo vệ quá áp,…(đối với các chuẩn hướng dẫn tiếp theo nên xét theo IEC 60071).
  • Cũng cần ghi nhận rằng, ở các mức điện áp theo yêu cầu, quá áp do đóng cắt không được chú ý. Đó là vì quá áp do quá độ đóng cắt ít nguy hiểm hơn những mức điện áp sinh ra do hiện tượng sét.

2

Máy biến áp

  • Hình dưới được trích từ IEC 60076-3
  • Ý nghĩa của danh sách 1 và danh sách 2 tương tự với bảng số liệu của máy cắt, ví dụ việc lựa chọn loại phụ thuộc vào mức độ bắt sét,…

Các thành phần khác

  • Hiển nhiên rằng đặc tính cách điện những phần tử trung thế khác liên quan đến các thành phần chính của nó, ví dụ sứ cách điện bằng sứ hay bằng kính, cáp trung thế, dụng cụ của máy biến áp,…phải tương hợp với mức cách điện của máy biến áp và thiết bị đóng cắt nêu trên. Lịch kiểm tra những bộ phận này được cho trong các qui định IEC tương ứng.
  • Tiêu chuẩn của vài quốc gia cá biệt thường được hợp lý hóa để bao gồm chỉ một hoặc hai mức của điện áp, hoặc dòng điện, và mức sự cố,…
  • Chú thích tổng quát:
    • Tiêu chuẩn IEC được dùng cho ứng dụng trên toàn thế giới và thường bao gồm một dãy bao quát các mức điện áp và dòng điện.
    • Điều này phản ánh những ứng dụng khác nhau phù hợp với từng quốc gia có thời tiết khác nhau, có những ràng buộc về địa lý và kinh tế khác nhau.

3

Dòng ngắn mạch

  • Các giá trị chuẩn về dòng khả năng cắt ngắn mạch của máy cắt thường được cho bằng kilo-amps (kA).
  • Những giá trị này phù hợp với điều kiện ngắn mạch 3 pha, và được biểu diễn theo trị trung bình hiệu dụng của thành phần xoay chiều trong dòng điện trên mỗi pha của mạng 3 pha. Đối với máy cắt trong khoảng điện áp danh định được xét đến trong chương này, hình dưới cung cấp các trị định mức của dòng khả năng cắt ngắn mạch.

Tính dòng ngắn mạch

  • Những nguyên tắc tính dòng ngắn mạch trong mạng điện được trình bày trong tiêu chuẩn IEC 60909.
  • Việc tính dòng ngắn mạch ở các điểm khác nhau trong một mạng điện có thể trở thành một việc khó khăn khi mạng điện là phức tạp.

4

  • Sử dụng phần mềm chuyên dụng sẽ giúp việc tính toán được thực hiện nhanh chóng. Tiêu chuẩn tổng quát này có thể áp dụng cho tất cả mạng hình tia và mạng ô lưới, tần số 50 và 60 hz, lên đến 500 kV, rất chính xác và vừa phải.
  • Nó có thể được sử dụng để tính các dạng ngắn mạch kim loại khác nhau (đối xứng hoặc không đối xứng) xảy ra trong mạng điện:
    • Ngắn mạch 3 pha (tất cả 3 pha), thường là dạng cho dòng sự cố lớn nhất
    • Ngắn mạch hai pha (giữa hai pha), dòng điện nhỏ hơn sự cố 3 pha
    • Ngắn mạch hai pha chạm đất (giữa hai pha và đất)
    • Ngắn mạch một pha chạm đất (giữa một pha và đất), dạng thường xảy ra nhất (chiếm 80% trong tất cả các trường hợp). Khi một sự cố xảy ra, dòng ngắn mạch quá độ là một hàm theo thời gian và bao gồm hai thành phần (xem hình dưới).

6

  • Thành phần xoay chiều (AC), giảm dần tới giá trị xác lập của nó, gây ra bởi các loại máy điện quay khác nhau và là một hàm của tổ hợp các hằng số thời gian.
  • Thành phần một chiều (DC), giảm dần tới trị 0, gây ra bởi sự khởi động dòng điện và là một hàm theo tổng trở mạch.
  • Thực tế, các giá trị dòng ngắn mạch phải được xác định, nó rất hữu ích trong việc chọn các thiết bị trong mạng và trong bảo vệ hệ thống:
    • I”k: trị hiệu dụng (rms) của dòng điện thành phần đối xứng ban đầu
    • Ib: trị hiệu dụng của dòng điện thành phần đối xứng được ngắt nhờ thiết bị đóng cắt khi cực đầu tiên mở với tmin (khoảng trễ ngắn nhất).
    • Ik: trị hiệu dụng của dòng điện thành phần đối xứng ở trạng thái xác lập
    • Ip: giá trị dòng tức thời tối đa tại đỉnh đầu tiên.
    • IDC: giá trị dòng điện thành phần một chiều (DC)
  • Những dòng điện này được nhận dạng bởi chỉ số phụ 3, 2, 2E, 1, phụ thuộc vào loại ngắn mạch, ứng với 3 pha, hai pha không chạm đất, hai pha chạm đất, một pha chạm đất.
  • Phương pháp dựa trên lý thuyết xếp chồng Thevenin và phân tích thành các thành phần đối xứng sẽ được áp dụng tới điểm ngắn mạch và nguồn áp tương đương nhằm xác định dòng điện sự cố. Việc tính toán tiền hành theo 3 bước:
    • Xác định nguồn áp tương đương áp dụng cho điểm bị sự cố. Điện áp này trong trưng cho điện áp tồn tại ngay trước khi xảy ra sự cố và bằng điện áp định mức nhân cho một hệ số kể đến sự dao động của nguồn, đầu phân áp điều chỉnh dưới tải tự động và các trạng thái quá độ của các loại máy điện.
    • Tính tổng trở nhìn tới điểm bị sự cố của từng nhánh tới điểm bị sự cố. Đối với hệ thống thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch, không xét đến điện dung đường dây và tổng dẫn mắc song song, không xét các loại tải tĩnh.
    • Một khi điện áp và tổng trở được xác định xong, tiến hành tính các giá trị dòng ngắn mạch cực tiểu và cực đại. 
  • Các giá trị khác nhau của dòng sự cố tại điểm ngắn mạch được tính bằng cách sử dụng: 
    • Các biểu thức được cung cấp 
    • Luật về tổng dòng chạy trên các nhánh nối vào một nút:
      • I”k (xem hình dưới cách tính dòngI”k) hệ số chỉnh điện áp được xác định theo tiêu chuẩn; tổng hình học hoặc tổng đại số.
      • Ip = K.2.I”k, trong đó K nhỏ hơn 2, phụ thuộc vào tỉ số R/X của tổng trở thành phần thứ tự thuận đối với nhánh được cho; tổng trị đỉnh.
      • IE= μ.q.I”k, trong đó u và q nhỏ hơn 1, phụ thuộc vào các máy phát và động cơ, và khoảng trễ ngắt dòng nhỏ nhất; tổng đại số
      • Ik = I”k, khi sự cố ở cách xa máy phát
      • Ik = λ.Ir, đối với một máy phát, trong đó Ir là dòng định mức của máy phát và là hệ số phụ thuộc vào tình trạng bão hòa của cuộn cảm; tổng đại số.

Đặc trưng hóa

  • Có 2 loại thiết bị hệ thống dựa trên phản ứng của chúng khi sự cố xảy ra.
    • Thiết bị thụ động: Loại này bao gồm tất cả thiết bị, do nhiệm vụ, phải có khả năng tải được dùng làm việc bình thường và dòng ngắn mạch. Bao gồm cáp ngầm, đường dây trên không, thanh cái, dao cách ly, công tắc, máy biến áp, cuộn kháng và tụ điện mắc nối tiếp, các thiết bị đo lường của máy biến áp.

6

      • Đối với các phần tử này, khả năng chịu dòng ngắn mạch được định nghĩa dưới dạng:
        • Khả năng chịu lực điện động (“dòng đỉnh chịu đựng”; giá trị dòng định được biểu diễn bằng kA), đặc trưng bởi độ bền cơ chịu được lực điện động.
        • Khả năng chịu nhiệt (“dòng chịu đựng ngắn hạn”; trị hiệu dụng cho theo kA xảy ra trong khoảng giữa 0,5 và 3 giây, giá trị thường dùng là 1 giây), đặc trưng cho khả năng chịu nhiệt tối đa. 
    • Thiết bị tích cực: Loại này bao gồm tất cả thiết bị được thiết kế để cắt dòng ngắn mạch, ví dụ máy cắt và cầu chì. Thuộc tính này được biểu diễn bằng khả năng cắt và, nếu được yêu cầu, khả năng tạo dòng khi sự cố xảy ra .
      • Khả năng cắt (xem hình dưới): Đặc tính cơ bản của thiết bị cắt sự cố này là mức dòng lớn nhất (trị hiệu dụng tính bằng kA), đây là khả năng cắt dưới những điều kiện đặc biệt được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEC 62271-100, nó ứng với trị hiệu dụng của thành phần xoay chiều (AC) trong dòng ngắn mạch. Trong vài tiêu chuẩn khác, đây là trị hiệu dụng của tổng hai thành phần AC và DC, trường hợp này, đó là “dòng điện không đối xứng”. Khả năng cắt phụ thuộc vào những hệ số khác như:
        • Điện áp
        • Tỉ số RX của mạch bị ngắt
        • Tần số tự nhiên của mạng nguồn
        • Số lần thao tác cắt với dòng cực đại, ví dụ với chu kỳ: O – C/O – C/O (O = mở, C = đóng)

  • Việc xác định đặc tính khả năng cắt là tương đối phức tạp và không có gì đáng ngạc nhiên khi cùng một thiết bị có thể ấn định các khả năng cắt khác nhau phụ thuộc vào tiêu chuẩn được sử dụng để định nghĩa nó.
    • Khả năng tạo (chịu) dòng ngắn mạch:
      • Thông thường, đặc tính này được định nghĩa giống khả năng cắt vì một thiết bị nên có khả năng đóng ứng với dòng mà nó có khả năng cắt được. Đôi khi, khả năng tạo dòng cần phải cao hơn, ví dụ máy cắt bảo vệ máy phát điện.
      • Khả năng tạo dòng được định nghĩa theo trị đỉnh (tính bằng kA) vì đỉnh đầu tiên của dòng không đối xứng gây ra lực điện động là khắc nghiệt nhất. Ví dụ, theo tiêu chuẩn IEC 62271-100, một máy cắt dùng ở mạng điện tần số 50 Hz phải có khả năng vận hành ở trị đỉnh của khả năng tạo dòng bằng 2,5 lần dòng khả năng cắt tính theo trị hiệu dụng (2,6 lần đối với mạng 60 Hz).
      • Khả năng tạo dòng cũng được yêu cầu đối với cầu dao, và đôi khi với dao cách ly, mặc dù các thiết bị này không có khả năng cắt sự cố. 
    • Dòng khả năng cắt ngắn mạch kỳ vọng:
      • Vài thiết bị có khả năng giới hạn được dòng ngắn mạch sẽ bị ngắt.
      • Khả năng cắt của chúng được định nghĩa như dòng cắt kỳ vọng tối đa được tạo ra trong khoảng thời gian ngắn mạch trực tiếp qua các cực phía mạch nguồn của thiết bị. 

Những đặc tính đặc trưng của thiết bị

  • Những chức năng được cung cấp bởi các thiết bị ngắt mạch khác nhau và những ràng buộc chính của chúng được giới thiệu ở hình.

8

Dòng định mức bình thường

  • Dòng định mức bình thường được định nghĩa là “trị hiệu dụng của dòng điện mà thiết bị có thể vận hành liên tục ở tần số định mức với nhiệt độ không tăng cao quá mức qui định ứng với tiêu chuẩn liên quan”. Những yêu cầu đối với dòng định mức bình thường của máy cắt được quyết định ở giai đoạn thiết kế trạm.
  • Dòng định mức bình thường ứng với các máy cắt trung thế thông dụng là 400 A.
  • Trong lĩnh vự công nghiệp và khu vực đô thị có mật độ tải trung bình, dòng định  mức của các mạch điện thường yêu cầu là 630 A, trong khi đó tại một trạm nguồn lớn cấp nguồn cho mạng trung thế, các máy cắt 800 A; 1,250 A; 1,600 A; 2,500 A và 4,000 A được liệt kê như các định mức chuẩn đối với máy cắt mạch đến máy biến áp, máy cắt phân đoạn và máy cắt kết dàn,…
  • Đối với máy biến áp trung/hạ có dòng định mức bình thường sơ cấp lên tới 60 A, một bộ kết hợp cầu dao – cầu chì có thể được sử dụng. Khi dòng sơ cấp cao hơn, bộ cầu dao – cầu chì thường không có đủ các tác động theo yêu cầu. Không có tiêu chuẩn IEC nào khuyến cáo về các giá trị dòng định mức của bộ cầu dao – cầu chì. Dòng định mức thật sự của một bộ được cho sẵn, nghĩa là một thiết bị đóng cắt và một cầu chì xác định, được nhà sản xuất cung cấp như là “tài liệu tham khảo cầu chì dòng định mức”. Những giá trị của dòng định mức được định nghĩa bằng cách xem xét những tham số của bộ kết hợp như:
    • Dòng nhiệt bình thường của cầu chì
    • Sự xuống hạng cần thiết của cầu chì do chúng được đặt trong tủ điện kín. Khi bộ kết hợp được dùng để bảo vệ máy biến áp, cần xem xét thêm các thông số  
  • Chúng chủ yếu là:
    • Dòng bình thường phía trung thế của máy biến áp
    • Yêu cầu quá tải có thể của máy biến áp
    • Dòng từ hóa nhảy vọt 
    • Công suất ngắn mạch phía trung thế
    • Dải điều chỉnh đầu phân áp
  • Các nhà sản xuất thường cung cấp một bảng áp dụng điện áp nguồn / công suất máy biến áp / cầu chì tham khảo” dựa trên mạng phân phối chuẩn và thông số máy biến áp. Khi sử dụng các bảng này phải rất cẩn thận nếu ứng dụng với các mạng điện không thông thường.
  • Trong sơ đồ như vậy, dao cắt tải nên được lắp phù hợp với thiết bị tác động, ví dụ với một role có khả năng tác động với mức dòng sự cố thấp. Dòng này phải bao trùm cả dòng cắt tối thiểu định mức của cầu chì trung thế. Theo đó, giá trị trung bình của dòng sự cố nào ngoài khả năng cắt của dao cắt tải sẽ được cắt bằng cầu chì, trong khi những dòng sự cố thấp hơn không thể cắt được bằng cầu chì sẽ được cắt bằng dao cắt tải. 

Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và cao độ đối với dòng định mức

  • Dòng định mức bình thường được ấn định đối với tất cả tất cả thiết bị điện và giới hạn trên được quyết định bởi độ tăng nhiệt độ cho phép gây ra do 12R (watts) tiêu tán trong dây dẫn, (trong đó I = dòng hiệu dụng tính bằng ampere và R = điện trở của dây dẫn (tính bằng ohms), cùng với nhiệt sinh ra bởi từ trễ và tổn thất do dòng xoáy trong động cơ, máy biến áp, vỏ thép,…cùng với tổn thất điện môi trong cáp và tụ điện.
  • Việc nhiệt độ tăng cao hơn nhiệt độ môi trường sẽ phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ nhiệt được tản ra môi trường chung quanh. Ví dụ, dòng điện lớn có thể đi qua cuộn dây của động cơ điện mà không gây nên quá nhiệt, đơn giản là vì một quạt làm mát được lắp ở trục của động cơ sẽ tản nhiệt với tốc độ bằng với tốc độ sinh nhiệt, và nhờ vậy nhiệt độ đạt giá trị ổn định dưới mức có thể gây nguy hiểm cách điện và làm cháy động cơ.
  • Dòng định mức được khuyến cáo theo IEC dựa trên nhiệt độ môi trường thường là nhiệt độ của vùng khí hậu có độ cao không quá 1000 mét, vì vậy những đại lượng này phụ thuộc vào chế độ làm mát tự nhiên do bức xạ và đối lưu không khí, máy sẽ bị quá nhiệt nếu nó vận hành ở vùng nhiệt đới và, hoặc ở cao độ hơn 1000 mét. Trường hợp này, thiết bị cần phải được xuống hạng, nghĩa là phải được ấn định giá trị dòng định mức bình thường thấp hơn so với giá trị thực.
  • Với trường hợp của máy biến áp sẽ được chỉ rõ trong IEC 60076-2. 

Các hệ thống nối đất

  • Nối đất và nổi đẳng thế với đất các thiết bị cần phải được xem xét cẩn thận, đặc biệt phải chú ý đến an toàn của tải phía hạ thế trong khi xảy ra ngắn mạch với đất phía trung thế.

Điện cực nối đất

  • Thông thường, nếu có thể về mặt vật lý, thích hợp hơn nên tách rời điện cực nối đất vỏ kim loại của thiết bị trung thế khỏi điện cực nối đất dùng cho dây trung tính hạ thế. Điều này thường thực hiện đối với mạng điện nông thôn, mạng này có điện với trạm cực nối đất dây trung tính hạ thể được lắp đặt cách một hoặc hai khoảng vượt so với trạm.
  • Trong hầu hết các trường hợp, giới hạn về không gian ở các trạm đô thị không cho phép thực hiện việc tách rời điện cực nối đất trung thế khỏi điện cực nối đất hạ thế đủ để tránh sự lan truyền điện áp tới mạng hạ thế và có thể gây nguy hiểm.

Dòng sự cố chạm đất 

  • Mức dòng sự cố chạm đất ở mạng trung thế thường (trừ khi có tính toán đến các hạn chế) có thể so sánh với dòng ngắn mạch 3 pha.
  • Dòng điện này chạy qua điện cực nối đất sẽ nâng điện áp tại đây tới giá trị trung trung thế, “đất ở xa” so với “đất ở xa” (thế của đất chung quanh điện cực sẽ bị tăng cao tới mức trun thế, “đất ở xa” có thế bằng 0). 
  • Ví dụ, dòng chạm đất 10,000 A chạy qua một điện cực nối đất có điện trở (thường rất thấp) 0,5 ohms sẽ làm tăng điện áp tới 5000 V.
  • Với điều kiện tất cả phần bằng kim loại trong trạm được nối” đẳng thế” (nối lại với nhau) rồi được nối tới điện cực nối đất ,điện cực này có dạng (hoặc được nối tới) một lưới gồm các dây dẫn đặt dưới sàn của trạm biến áp, bây giờ sẽ không xuất hiện nguy hiểm đối với người vì dạng nối đất này tạo thành “lồng” đẳng thế, nghĩa là tất cả phần dẫn điện, người trong trạm có cùng độ tăng điện áp.

Điện thế lan truyền

  • Nguy hiểm xảy ra như thế nào từ vấn đề được biết là điện thế lan truyền. Có thể nhận thấy điều này trong hình dưới, điểm trung tính của cuộn dây hạ thế trong máy biến áp Trung/Hạ cũng được nối tới điện cực nối đất chung của tram, vì vậy đây trung tính, cuộn dây pha hạ thế và tất cả dây pha cùng bị nâng điện áp lên theo điện áp của điện cực nối đất.

8

  • Cáp phân phối hạ thế đi ra khỏi trạm sẽ lan truyền điện áp này tới các hộ thụ của mạng. Cần chú ý rằng sẽ không xảy ra chọc thủng cách đi pha hoặc giữa pha và trung tính vì chúng được nâng lên cùng mức điện áp. Tuy nhiên có thể cách điện giữa pha và đất của cáp hoặc hoặc của trong mạng điện bị hư hỏng.
  • Các giải pháp
    • Bước đầu tiên nhằm cực tiểu hóa những nguy hiểm do điện giảm biên độ của dòng chạm đất phía trung thế. Điều này được thực hiện bằng cách nối đất trung thế qua điện trở hoặc cuộn kháng tại điểm đấu sao của máy biến áp được chọn nằm ở các trạm nguồn lớn.
  • Điện áp lan truyền khá lớn không thể hoàn toàn tránh được bằng cách này, tuy nhiên biện pháp sau đây có thể phù hợp với một vài quốc gia.
  • Nối đẳng thế mạng điện tại địa điểm khách hàng sẽ là thể bằng 0. Tuy nhiên, nếu mạng nổi đất này được nối bằng dây có tổng trở thấp điện cực nối đất của trạm, điều kiện đẳng thế xảy ra ở trạm cũng sẽ xảy ra ở mạng điện khách hàng.

Kết nối qua tổng trở thấp

  • Kết nối với tổng trở thấp được thực hiện đơn giản bằng cách nối dây trung tính tới mạng đẳng thể của khách hàng, kết quả là tạo rạ mạng nối đất TN (IEC 60364) như được trình bày trong sơ đồ A
  • Hệ thống nối đất TN thường liên quan tới một sơ đồ bảo vệ nối đất lặp lại nhiều lần, theo đó dây trung tính được nối đất nhiều lần dọc chiều dài cách khoảng đều nhau (mỗi 3 hoặc 4 cột của đường dây phối trên không) và tại vị trí đầu nối khách hàng. Có thể nhận thấy rằng mạng các dây trung tính tỏa ra từ trạm, mỗi dây được nối đất lặp lại theo các khoảng cách đều nhau cùng với điện trở nối đất của trạm tạo thành điện cực nối đất có điện trở thấp rất hiệu quả.
  • Sự phối hợp giữa nối đẳng thế và nối đất trạm qua điện trở thấp khiến khi xảy ra ngắn mạch chạm đất trực tiếp, mức quá điện áp được giảm thấp đáng kể và hạn chế được tình trạng nguy hiểm đối với cách điện pha – đất khi xảy ra dạng sự cố chạm đất trung thế như đã mô tả trên.

Hạn chế dòng chạm đất trung thế và điện trở nối đất của trạm

  • Hệ thống nối đất khác được sử dụng rộng rãi như trên sơ đồ C của hình dưới. Nó được xem là hệ thống TT, nối đất mạng khách hàng (được cách ly so với trạm) tạo thành đất ở xa.
  • Điều này có nghĩa là, mặc dù điện áp lan truyền không đặt lên cách điện pha-pha của thiết bị khách hàng, cách điện pha – trung tính của cả 3 pha sẽ bị quá áp.
  • Trường hợp này, biện pháp là làm giảm điện trở nối đất trạm, chẳng hạn như giá trị theo tiêu chuẩn không được vượt quá mức điện áp chịu đựng trong 5 giây giữa pha – đất của thiết bị mạng và thiết bị gia dụng phía hạ thế.

9

  • Chú thích:
    • Đối với mạng TN-a và IT-a, vỏ dẫn điện của phía trung thế, hạ thế trong trạm biến áp và vỏ dẫn điện trong mạng điện khách hàng, cùng với trung tính phía hạ thế của máy biến áp được nối đất chung với nhau thông qua điện cực nối đất của trạm.
    • Đối với mạng TT-a và IT-5, vỏ dẫn điện của phía trung thế và hạ thế trong trạm biến áp, cùng với trung tính phía hạ thế của máy biến áp được nối đất chung với nhau thông qua điện cực nối đất của trạm.
    • Đối với mạng TT-b và IT-c, trung tính phía hạ thế của máy biến áp được nối đất riêng ngoài vùng phạm vi ảnh hưởng của điện cực nối đất trạm. Uw và Uws thường được cho theo tiêu chuẩn IEC 60364-4-44 có giá trị là Uo + 1200 V, trong đó do Uo là điện áp pha trung tính định mức của mạng hạ thế tương ứng.
  • Giá trị thực phù hợp với công ty điện lực quốc gia, mạng phân phối 20 kV, như sau:
    • Dòng sự cố chạm đất tối đa trên đường nối trung tính của đường dây phân phối trên không, hoặc hệ thống hỗn hợp (đường dây trên không và mạng cáp ngầm) là 300 A
    • Dòng sự cố chạm đất tối đa trên đường nối trung tính của mạng cáp ngầm là 1000 A Công thức cần sử dụng để tính giá trị điện trở nối đất lớn nhất Rs tại trạm nhằm đảm bảo không vượt quá điện áp chịu đựng của phía hạ thế là: Rs = (Uw-Uo)/Im tính bằng ohms (xem trường hợp C trên hình). Trong đó
      • Uw = Giá trị điện áp chịu đựng ngắn hạn ( 5s ) tiêu chuẩn thấp nhất (tính bằng vốn) của mạng khách hàng và thiết bị dân dụng = Uo+ 1200 V (IEC 60364-4-44)
      • Uo = điện áp pha trung tính (tính bằng vốn) tại điểm cấp nguồn cho khách hàng hạ thế.
      • Im = dòng chạm đất tối đa trên mạng trung thế (tính bằng A). Dòng điện Im này là tổng vectơ của dòng sự cố lớn nhất tại điểm nối trung tính và tông dòng dung không cân bằng của mạng điện.
    • Dạng thứ ba của hệ thống nối đất được gọi là mạng “IT” trong tiêu chuẩn IEC 60364 và thường được sử dụng ở nơi cần đảm bảo tính liên tục cung cấp điện cao, ví dụ bệnh viện, quá trình sản xuất liên tục. Nguyên tắc là nguồn cung cấp không được nối đất, thường là máy biến áp cách ly, cuộn dây thứ cấp không được nối đất hoặc nối đất qua điện trở khá lớn (khoảng 1000 ohm). Trường hợp này, sự cố hỏng cách điện chạm đất trên mạch hạ thế lấy nguồn từ cuộn dây thứ cấp sẽ có dòng bằng 0 hoặc có thể bỏ qua, điều này cho phép duy trì làm việc cho tới khi thuận tiện để cắt và tiến hành sửa chữa.
  • Sơ đồ B, D và F (Hình trên)
    • Sơ đồ này cho thấy các mạng IT có điện trở nối trên đường từ trung tính xuống đất (khoảng 1000 ohms).
    • Tuy nhiên, nếu các điện trở này bị bỏ đi, hệ thống hoàn toàn không nối đất, những chủ thích sau được áp dụng.
  • Sơ đồ B (Hình trên)
    • Tất cả dây pha và trung tính “trôi” so với đất, chúng chỉ liên kết với đất thông qua điện trở cách điện (thường có trị số trung bình) và điện dung (rất nhỏ) giữa các dây dẫn điện và phần kim loại được nối đất (ống dây, vv..).
    • Giả sử cách điện là hoàn hảo, tất cả dây pha và trung tính sẽ bị tăng thể do cảm ứng tĩnh điện tới mức gần với trị số của dây đẳng thế.
    • Thực tế, thường xảy ra do có rất nhiều đường dẫn rò xuống đất của tất cả dây dẫn điện trong mạng làm việc song song, hệ thống sẽ hoạt động tương tự trường hợp tồn tại điện trở trên đường nối trung tính với đất, có nghĩa tất cả dây dẫn sẽ bị tăng thế so với đất của trạm. Trường hợp này, quá điện áp đặt lên cách điện là nhỏ hoặc không tồn tại.
  • Sơ đồ D và F (Hình trên)
    • Trường hợp này, mức điện áp trung thế của hệ thống nối đất trạm (S/S) sẽ đặt lên dây pha và trung tính cách ly:
      • Thông qua điện dung giữa cuộn dây hạ thế và thùng dầu máy biến áp
      • Thông qua điện dung giữa các dây đẳng thế trong S/S và lõi của các phân phối hạ thế ra khỏi S/s (trạm)
      • Thông qua đường dẫn dòng rò trong cách điện, tùy từng trường hợp.
    • Tại các vị trí ngoài vùng ảnh hưởng của hệ thống nối đất S/S, điện dụng hệ thống tồn tại giữa các dây dẫn và đất có thế bằng không (điện dung giữa các lõi không liên quan – các lõi bị nâng lên cùng điện thế).
    • Kết quả về cơ bản là bộ phận áp bằng điện dung, mỗi “tụ điện” được mắc song song với một điện trở (đường dẫn rò).
    • Thông thường, điện dụng với đất của cáp và dây có bọc cách điện hạ thế lớn hơn, điện trở cách điện với đất nhỏ hơn những đại lượng này khi xét tại trạm (S/S ), vì vậy hầu hết độ tăng điện áp xảy ra tại trạm giữa thùng dầu máy biến áp và cuộn dây hạ thế.
    • Việc tăng thế trên mạng điện của khách hàng vì vậy không giống với vấn đề mức dòng chạm đất trung thế cần hạn chế như đã lưu ý trước đây.
    • Tất cả máy biến áp nối đất kiểu IT, trong đó điểm trung tính cách ly hoặc nổi đất qua tổng trở khá lớn, thường được cung cấp một thiết bị hạn chế quá áp, nó sẽ tự động nối trung tính trực tiếp xuống đất nếu xảy ra quá áp gần với mức điện áp chịu cách điện của mạng hạ thế.
    • Thêm vào các khả năng nêu trên, hiện tượng quá áp có thể xảy ra theo nhiều cách khác.
    • Loại sự cố chạm đất này rất hiếm, vì khi nó xảy ra một thiết bị cắt sự cố sẽ nhanh chóng phát hiện và cắt nguồn nếu mạng được thiết kế và lắp đặt đúng.
    • Sự an toàn trong tình trạng thế bị nâng cao phụ thuộc hoàn toàn vào việc thực hiên vùng đẳng thể thích hợp, về cơ bản thường là tạo nên một lưới có mặt lưới rộng gồm các thanh đồng trần nối lại với nhau và nối với các cọc đứng bảng đồng mạ thép.
    • Tiêu chuẩn về lưới đẳng thể được chú thích trong chương sau liên quan đến bảo vệ chống điện giật do chạm gián tiếp, cụ thể là: điện thế giữa hai nhân vỏ kim loại có thể được tiếp xúc đồng thời bởi những phần khác nhau trên cơ thể người phải không được vượt quá 50 V, trong vài trường hợp, khi khô ráo, hoặc 25 Vở điều kiện ẩm ướt.
    • Cần chú ý đặc biệt ở chung quanh vùng đẳng thể để tránh điện áp bước trên mặt đất có thể tăng lên tới mức nguy hiểm. Điều này liên quan tới việc nối đất an toàn hàng rào bao quanh.

Các dạng kết nối lưới trung thế

Phụ thuộc vào loại mạng phân phối trung thế, các dạng kết nối sau đây thường được áp dụng.

Kết nối đường dây đơn

  • Trạm biến áp được cấp nguồn bởi đường dây rẽ nhánh đơn từ mạng phân phối trung thê (cáp ngâm hoặc trên không).
  • Thông thường, nguồn trung thế được nối vào một tủ điện có chứa dao cắt tải 1 bộ cầu dao – cầu chì và dao nổi đất, như trong hình dưới.

7

  • Ở vài quốc gia, một máy biến áp treo cột không có thiết bị đóng cắt trung thế hoặc cầu chì (tại cột) cũng tạo thành “trạm biến áp”. Loại cấp nguồn trung thế như vậy rất phổ biến ở vùng nông thôn.
  • Thiết bị đóng cắt và bảo vệ được đặt ở xa máy biến áp và thường máy cắt này điều khiển đường dây nguồn trục chính dạng đường dây trên không, đường dây này có nhiều nhánh rẽ nối vào để cấp nguồn cho các trạm khác.

Kết nối kiểu vòng kín

  • Tủ điện mạch vòng (Ring-main units (RMU)) thường được kết nối để tạo thành mạch vòng trung thế hoặc mạch phân phối liên kết nội bộ, theo đó các thanh cái của RMU chịu được toàn bộ dòng điện của mạch vòng hoặc dòng điện của đường dây liên kết (xem hình).

8

  • RMU gồm 3 bộ, được tích hợp lại tạo thành một khối, đó là:
    • 2 bộ đầu vào, mỗi bộ gồm một dao cắt tải / dao cách ly và dao nối đất
    • 1 bộ đầu ra và khối bảo vệ, chứa một dao cắt tải và cầu chì trung thế, hoặc một bộ dao cắt tải / cầu chì, hoặc một máy cắt và dao cách ly cùng dao nối đất riêng cho từng tủ.
  • Tất cả dao cắt tải và dao nối đất đều có dòng cắt ngắn mạch và dòng tạo ngắn mạch theo định mức. Kết nối này cung cấp cho người sử dụng hai nguồn, nhờ vậy giảm được tình trạng mất điện do hệ thống bị sự cố hoặc do những thao tác của công ty điện lực.
  • RMU được áp dụng chủ yếu đối với các mạng cấp nguồn trung thế dạng cáp ngầm ở khu vực đô thị.

Kết nối đường dây song song

  • Khi nguồn trung thế được nối tới bằng hai đường dây song song loại trên không hoặc cáp ngầm, xuất phát từ cùng một thanh cái của một trạm, thường một tủ điện đóng cắt trung thế tương tự RMU có thể được sử dụng.

10

  • Sự khác nhau về mặt vận hành chủ yếu ở đây so với một RMU là hai tủ đầu vào phải được liên động với nhau, nghĩa là tại một thời điểm, chỉ được phép đóng một cầu dao lộ vào, việc đóng cầu dạo này sẽ ngăn không cho đóng cái còn lại… Khi bị mất nguồn, cầu dao đầu vào đang đóng phải được mở ra và bấy giờ cầu dao đang mở có thể đóng lại được. Thứ tự này có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động. Loại tủ điện này đặc biệt được sử dụng trong mạng có mật độ tải trung bình và vùng đô thị phát triển nhanh và được cấp nguồn từ mạng trung thế cáp ngầm.

Vài dạng vận hành của mạng phân phối trung thế

Đường dây trên không

  • Gió ở mức trung bình, đóng băng,…có thể là nguyên nhân khiến đường dây trên không tiếp xúc với nhau, ví vậy sẽ gây nên ngắn mạch thoáng qua (nghĩa là không lâu dài ). Sự cố cách điện do vỡ sứ ceramic hoặc sứ thủy tinh gây ra bởi bụi không khí có nhiều cát đá,… hoặc do ô nhiễm nặng trên bề mặt sử, có thể gây ra ngắn mạch với đất.
  • Nhiều trong các sự cố nêu trên thuộc dạng tự loại trừ. Ví dụ, ở điều kiện khô ráo, phần cách điện bị vỡ có thể vẫn duy trì tình trạng làm việc bình thường, nhưng khi có mưa bão, chúng gây nên phóng điện với đất. Ngoài ra, các bề mặt sứ bị ô nhiễm thường gây nên phóng điện với đất chỉ trong điều kiện ẩm ướt.
  • Sự di chuyển của dòng sự cố luôn có dạng hồ quang điện, nhiệt sinh ra rất lớn sấy khô phần mạch có dòng phóng điện đi qua, và có thể đạt tới mức phục hồi được cách điện.
  • Trong khi đó, thiết bị bảo vệ thường ” đứt hoặc máy cắt ngắt sự cố, nghĩa là cầu chì đứt hoặc ngắt sự cố.
  • Kinh nghiệm thực tế cho thấy trong đa số các trường hợp, nguồn cung cấp có thể được phục hồi thành công bằng cách thay cầu chì hoặc đóng trở lại máy cắt. Vì lý do này, có thể xem xét việc nâng cao tính đảm bảo liên tục cấp điện của đường dây trên không trung thế bằng cách áp dụng sơ đồ tự đóng lại máy cắt phía nguồn của mạch liên quan.
  • Những sơ đồ tự động này cho phép một số lại đầu tiên không thành công bằng cách chỉnh thời gian trễ giữa các lần đóng lại liền kề (nhằm đảm bảo hết thời gian khử ion của không khí tại chỗ sự cố) trước khi máy cắt bị khóa ở lần tác động cuối nếu các lần đóng lại không thành công (thường là 3 lần ).
  • Những cải tiến nhằm nâng cao tính liên tục cấp điện được thực hiện bằng cách điều khiển từ xa các dao cách ly phân vùng và dao cách ly tự động, những thiết bị này liên kết tác động với máy cắt tự đóng lại.
  • Sơ đồ cuối này được minh họa với chuỗi tác động cuối ở hình dưới.
  • Nguyên tắc hoạt động như sau: sau hai lần tự đóng lại nếu máy cắt vẫn cắt ra, sự cố là lâu dài, có hai khả năng:
    • Sự cố xảy ra trên phần mạch phía sau của dao cách ly tự động đường dây. đường dây bị mất điện, dao này được mở ra để cách ly phần mạch bị sự cố khỏi hệ thống trước khi mạch tự động lại tác động lên thứ ba (lần cuối).
    • Sự cố ở phía trước của dao cách ly tự động đường dây và máy cắt sẽ đóng lại lần thứ ba, sau đó nó sẽ cắt ra và bị khóa. 
  • Mặc dù những biện pháp này cải tiến một cách đáng kể độ tin cậy cấp điện của đường dây trung thế trên không, khách hàng vẫn phải tự trang bị các công cụ để đối phó với ảnh hưởng của việc ngắt điện tạm thời (giữa các lần tự đóng lại) ở những nơi có tải cần cấp điện liên tục, ví dụ:
    • Nguồn dụ phòng khẩn cấp đảm bảo không giám đoạn cấp điện
    • Đèn không cần làm nguội trước khi mồi trở lại (“tái khởi động nóng”).

9

Mạng cáp ngầm

  • Sự cố trên mạng cáp ngầm đôi khi có cáp hoặc do việc lắp đặt cáp của công nhân đào đất bằng rìu, khoan bằng khí nén và máy đào ngành công cộng khác.
  • Sự cố cách điện thỉnh thoảng xảy ra trong các tại những điểm trên mạng trung thế mà tại đó đường dây vào mạng cáp ngầm. Quá điện áp trường hợp này thường có nguồn gốc và ảnh hưởng của sóng điện từ phản xạ tới hộp nối (nơi tổng trợ tự nhiên của mạch thay đổi đột ngột) có thể gây ứng suất quá lớn lên dân tới hỏng hóc. Thiết bị bảo vệ quá áp, chẳng hạn như chống sét van, thường được lắp tại vị trí này.
  • Sự cố trên mạng cáp ngầm thường ít hơn so với đường dây trên không (O/H), nhưng thường đây là sự cố lâu dài cần nhiều thời gian để xác định vị trí và sửa chữa hơn so với đường dây trên không.
  • Ở nơi xảy ra sự cố cáp là mạng vòng kín, nguồn cung cấp sẽ nhanh chóng được phục hồi cho tất cả khách hàng khi phần cáp bị sự cố được xác định. Tuy nhiên, nếu sự cố xảy ra trên mạnh hình tia, thời gian trễ chờ định vị sự cố và tiến hành sửa chữa có thể mất nhiều giờ và sẽ ảnh hưởng tới khách hàng phía sau chỗ bị sự cố. Trong vài trường hợp, nếu tính liên tục cấp điện là rất cần thiết đối với toàn bộ hoặc ở một phần mạng điện, cần phải lắp nguồn dự phòng.

Điều khiển từ xa của mạng trung thế

  • Điều khiển từ xa đường dây trung thế làm giảm một cách hữu hiệu thời gian mất điện khi cáp bị sự cố bằng cách cung cấp một phương pháp hiệu quả và nhanh đối với mạng có cấu hình vòng kín. Điều này được thực hiện bằng các dao cắt vận hành bằng động cơ được lắp ở vài trạm dọc mạch vòng với bộ điều khiển từ xa. Trạm được điều khiển từ xa sẽ luôn được khởi động thông qua thao tác điều khiển từ xa trong khi những trạm khác có thể phải chờ các thao tác bằng tay lâu hơn.

Trích: Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC – Bản chính sửa 2019

Hãy chia sẻ, nếu bạn cảm thấy bài viết có ích cho bạn bè !