- 1 -

MỤC LỤC
L 3
CÁC T VIT TT 4
DANH MC CÁC BNG BIU 5
DANH MC CÁC HÌNH V 6
M U 8
U LÝ THUYT V N
TRUNG ÁP 11
1.1. PHÂN LOI QUÁ N ÁP TRONG I N TRUNG ÁP 11
1.2. CH  NI T M TRUNG TÍNH VÀ VN  VN HÀNH I N TRUNG ÁP 15
1.2.1 Mn ba pha i vt 16
1.2.2 Mn ba pha trung tính ni qua cun dp h quang 22
1.2.3. Mn ba pha trung tính nn tr nh 25
1.2.4 Mn ba pha trung tính nn kháng nh 26
1.2.5 Mn ba pha trung tính nt trc tip 27
NG QUAN V V N ÁP DO CHT MT PHA
N TRUNG ÁP 31
2.1.  PHÁP TÍNH TOÁN TNG TR TH T KHÔNG CA NG DÂY TI N 31
2.1.1. Khái nin v tng tr trong h t pha ABC 31
2.1.2. Ma trn tng tr ng hp có vt dn nc lp
 35
2.1.3. Tính toán các phn t ca ma trn tng tr ABC + N 37


ABC
44
2.2. CÁC  PHÁP TÍNH TOÁN QUÁ N ÁP DO S C CHM T MT PHA
TRONG I TRUNG ÁP 47
i xng 47

Nguyễn Đoàn Quyết

- 4 - CÁC TỪ VIẾT TẮT

ATP
Alternative Transient Program
BIL
Basic Impulse Level
CSV
Chống sét van
CN
Công nghiệp
COV
Continuous Operating Voltage
DCS
Dây chống sét
EMTP
ElectroMagnetic Transient Program
IEC
International Electrotechnical Commission
MBA
Máy biến áp
MCOV
Maximum Continuous Operating Voltage
NEMP
Nuclear Electromagnetic Pulses
NNEMP

Hình 1.1. Sơ đồ đơn giản mạng điện 3 pha trung tính cách điện với đất 16
Hình 1.2. Sơ đồ mạng điện 3 pha trung tính cách đất khi có sự cố chạm đất 1 pha . 17
Hình 1.3 Mạng điện 3 pha trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang 23
Hình 1.4. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện kháng 26
Hình 1.5. Sơ đồ mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp 27
Hình 2.1: Phân bố từ thông trên mạch vòng dòng điện pha A 31
Hình 2.2. Sơ đồ thay thế tương đương của ma trận tổng trở 35
Hình 2.3. Đường dây một pha hai dây dẫn đơn 39
Hình 2.4. Phân bố dòng điện một chiều trong đất 41
Hình 2.5. Phân bố cường độ điện trường của dòng điện xoay chiều khi đi vào đất . 41
Hình 2.6. Phân bố dòng điện xoay chiều trong đất 42
Hình 2.7. Sơ đồ lưới điện 110/22 kV 48
Hình 2.8. Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (TTT) và thứ tự không (TTK) 48
Hình 2.9. a)Biến thiên hệ số quá điện áp k theo tỉ số X
0
/X
1
với trường hợp R
1
/X
1
=R
= 0 50
b) Quan hệ giữa tỉ số R
0
/X
1
và X
0
/X

Hình 4.8. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn (ngắn mạch
pha A tại Quảng Châu 3) 97
Hình 4.9. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp Quảng Châu 3 (ngắn
mạch pha A tại Quảng Châu 3) 97
Hình 4.10. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn (ngắn mạch
pha A tại Liên Phương 4) 98
Hình 4.11. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp Liên Phương 4 (ngắn
mạch pha A tại Liên Phương 4) 98 - 8 -

MỞ ĐẦU
M.1.Lý do chọn đề tài
Lưới điện phân phối của Việt Nam hiện chưa được đầu tư vốn tương xứng
với yêu cầu. Thông thường với các nước tiên tiến trên thế giới, nguồn vốn yêu cầu
đầu tư cho lưới điện phân phối chiếm khoảng 50% tổng vốn đầu tư cho toàn
ngành. Nước ta do điều kiện khó khăn về kinh tế, nền kinh tế nghèo nàn nhỏ lẻ, đi
lên từ sau chiến tranh cộng với bối cảnh vừa hòa nhập vào kinh tế thế giới, tốc độ
tăng trưởng phụ tải rất nhanh, thường xuyên xảy ra thiếu hụt điện năng nên nguồn
vốn thường ưu tiên tập trung phát triển nguồn điện cũng như lưới điện truyền tải.
Nguồn vốn đầu tư cho nguồn và lưới truyền tải của Việt Nam hiện chiếm khoảng
85% (60% cho nguồn và 25% cho lưới truyền tải), còn lại 15% là vốn đầu tư cho
lưới phân phối. Vấn đề này hiện nay đã và đang đặt ra rất nhiều bất cập mà ngành
điện cũng như các khách hàng của mình đang cùng phải đối mặt bao gồm: n
xung c tin cy không cao, chp, tn tht công sut, tn
thn, kh  ng hóa kém….Một vấn đề rất quan trọng cũng
chưa được quan tâm đúng mức đó là hiện tượng n áp xy i phân
phi. Việc lựa chọn CSV trong lưới điện này thường được chọn một cách đơn giản,
ít xem xét vị trí lắp đặt, chế độ điểm trung tính (trung tính cách điện, trung tính nối

kV điển hình với các chế độ nối đất trung điểm khác nhau bằng mô phỏng trên phần
mềm ATP/EMTP khi xảy ra sự cố chạm đất một pha và xem xét ứng dụng vào việc
lựa chọn CSV ở lưới điện trung áp.
M.4.Tóm tắt cơ bản các luận điểm và đóng góp mới của tác giả
- Nghiên cứu lý thuyết về các dạng quá điện áp có khả năng xuất hiện trong
lưới điện trung áp (bao gồm QĐA khí quyển, QĐA thao tác)
- Tổng quan về vấn đề quá điện áp do sự cố chạm đất một pha trong lưới
điện trung áp bao gồm dải biến thiên của hệ số quá áp cũng như các tham số chính
ảnh hưởng tới biên độ QĐA
- Mô phỏng và tính toán quá điện áp do sự cố chạm đất một pha bằng phần
mềm ATP/EMTP
- Xem xét quy trình lựa chọn CSV và ứng dụng vào lưới điện trung áp - 10 -

M.5.Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu các nội dung lý thuyết liên quan
tới vấn đề quá điện áp do sự cố ngắn mạch chạm đất một pha và sử dụng mô phỏng
trên mô hình máy tính để kiểm chứng.
Cấu trúc luận văn: Luận văn bao gồm 4 chương trình bày trên trang, bao
gồm:
Chương 1: Nghiên cứu lý thuyết về quá điện áp trong lưới điện trung áp
Chương 2: Tổng quan về vấn đề quá điện áp do chạm đất một pha trong lưới
điện trung áp
Chương 3: Mô phỏng và tính toán quá điện áp do ngắn mạch chạm đất một
pha ở lưới điện trung áp
Chương 4: Vấn đề lựa chọn Chống sét van

Để hoàn thành luận văn này, trước hết tác giả xin gửi lời tri ân sâu sắc tới gia

Electromagnetic Pulses).
- QĐA sét xuất hiện do các phóng điện từ các đám mây xuất hiện trong tầng
bình lưu của trái đất, nó là nguyên nhân gây ra gần 50% các sự cố ngắn mạch trên
các đường dây cấp điện áp từ 300kV trở lên [17]. Phóng điện sét thường có dạng
đơn cực bao gồm cực tính âm và cực tính dương. Cú sét cực tính dương thường chỉ
bao gồm một phóng điện sét thành phần với biên độ cực kì lớn, có thể đạt tới mức
250 kA. Ngược lại, cú sét cực tính âm thường gồm nhiều cú sét thành phần với biên
độ nhỏ hơn nhiều, vào khoảng 80 kA. Theo nghiên cứu, khoảng 90% các cú sét
đánh xuống công trình điện và lân cận là mang cực tính âm [9]. Dưới góc độ quá
điện áp, thông số quan trọng nhất của phóng điện sét chính là hình dạng và biên độ
xung dòng điện sét. QĐA do sét gây ra cho đường dây tải điện thường xảy ra khi:
+ Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn
- 12 -

+ QĐA cảm ứng khi sét đánh xuống đất gần đường dây
+ Phóng điện ngược trên cách điện đường dây
Biên độ QĐA phụ thuộc vào tổng trở sóng của đường dây và trị số dòng điện
sét, có thể vượt trị số 1MV. Sóng QĐA này lan truyền dọc theo đường dây về trạm
biến áp và có thể gây phóng điện chọc thủng cách điện của các thiết bị. Vì thế vấn
đề bảo vệ chống QĐA do sét gây ra trước tiên cần xác định xác suất xuất hiện của
các dạng dòng điện sét cũng như cường độ hoạt động của giông sét tại khu vực
nghiên cứu.
- QĐA phát sinh do nguồn xung điện từ bức xạ hạt nhân hoặc không có
nguồn gốc hạt nhân (Nuclear Electromagnetic Pulses -NEMP, Non-nuclear
Electromagnetic Pulses -NNEMP). Các xung này có thời gian đầu sóng cực kì ngắn
(cỡ <10 ns) và biên độ hàng chục kA. Xác suất xuất hiện của QĐA điện từ rất nhỏ
vì thế thường được bỏ qua khi quy hoạch thiết kế hệ thống điện.
QĐA sét có nguyên nhân bên ngoài cấu trúc lưới điện, do đó n trung
áp hoàn toàn có kh phi nhn các cú  lu sóng dc.
Việc nghiên cứu bảo vệ chống quá điện áp liên quan tới xác định mật độ sét và xác

n áp chng tn s CN ngn hn để sử dụng trong các trường hợp cần thiết).
Bảng dưới tổng hợp một số nguyên nhân gây ra QĐA tạm thời cùng với biên
độ và thời gian tồn tại [17] - 14 -

Bng 1.1. Mt s m th và thi gian tn
ti
Nguyên nhân
Tham số chính
Biên độ
QĐA
Thời gian tồn
tại
Sự cố không đối
xứng
Tỉ số X
0
/X
1

1 - 1,7 p.u
Phụ thuộc

cứu loại trừ khi quy hoạch, thiết kế.
QĐA phát sinh do sa thải phụ tải phụ thuộc vào lượng công suất bị sa thải,
vào cấu hình của lưới điện và phản ứng của nguồn điện sau thời điểm sa thải (công
suất ngắn mạch nguồn, hiệu quả của thiết bị điều tốc, thiết bị tự động điều chỉnh
kích từ). Đôi khi sa thải phụ tải còn dẫn tới quá điện áp duy trì có biên độ lớn do
hiện tượng tăng áp cuối đường dây dài hở mạch (hiệu ứng Ferranti). Tuy nhiên các
hiện tượng trên chủ yếu tồn tại ở lưới điện cấp cao áp và siêu cao áp trừ trường hợp
có tồn tại các nguồn điện phân tán (thủy điện, nhiệt điện) trong lưới trung áp.
- 15 -

QĐA do cộng hưởng điều hòa và cộng hưởng sắt từ thường phát sinh khi
đóng cắt mạch điện có các phần tử điện dung lớn (đường dây, cáp, đường dây bù
dọc) và các phần tử điện cảm (MBA, cuộn kháng) có đặc tính từ hóa phi tuyến.
QĐA cộng hưởng điều hòa và cộng hưởng sắt từ có thể đạt trị số rất lớn và nó
thường được xem xét tính toán trong quá trình thiết kế để tránh xảy ra tình huống
này. Do đó QĐA loại này thường không được sử dụng làm cơ sở để lựa chọn cách
điện của CSV cũng như phối hợp cách điện của các thiết bị điện trong lưới [20].
Như vậy từ các phân tích đánh giá trên, khi nghiên cứu đánh giá biên độ của
QĐA tạm thời (TOV) trong lưới điện trung áp, ta chủ yếu quan tâm tới QĐA tạm
thời xuất hiện do sự cố ngắn mạch chạm đất một pha xuất hiện trên các pha lành của
lưới điện. Biên độ QĐA và thời gian tồn tại sự cố (từ lúc xuất hiện tới lúc giải trừ sự
cố), như đã thấy ở bảng 1.1, phụ thuộc vào tỉ số X
0
/X
1
, tức là phụ thuộc vào chế độ
nối đất điểm trung tính và phụ thuộc vào phương thức vận hành của lưới. Chính vì
vậy dưới đây ta đi vào nghiên cứu các chế độ nối đất khác nhau của trung tính lưới
điện trung áp cũng như một số đặc điểm vận hành của nó.
1.2. CHẾ ĐỘ NỐI ĐẤT ĐIỂM TRUNG TÍNH VÀ VẤN ĐỀ VẬN

cB
I
cC
A
B
C
O
U
A
U
B
U
C
I
cC
I
cB
I
cB

Hình 1.1.  n mn vt
Đồ thị véctơ của điện áp và dòng điện dung ở trạng thái làm việc bình
thường.
Ở chế độ làm việc bình thường ta có các biểu thức sau:
U
A
= U
B
= U
C




cCcBcAc
UUUU
(1.2)
Qua các biểu thức trên thấy rằng, tổng dòng điện dung chạy trong đất và điện
áp của điểm trung tính đều bằng không.

I’
cA
I’
cB
I’
cC
A
B
C
O
O’
U
A
U
C
U’
A
U’
B
I’
cA

2
2
1 2 0
0
0
1 2 0
()
(1.3)
E X X
U
X X X
EX
U
X X X
EX
U
X X X














U
UE
















Nghĩa là điện áp thứ tự thuận đúng bằng điện áp pha của mạng trước khi
chạm đất:

'
1
'
1
'
1
(1.5)
AA
BB

   
   
(1.6)

Từ đó suy ra:

''
01C C C
U U U


   
(1.7)
Hoặc:

' ' ' '
0 0 0 1A B C C C
U U U U U
   

     

(1.8)

Từ các kết quả nhận được, có thể coi rằng tại chỗ chạm đất được đặt thêm
một điện áp thứ tự không 





'
(1.9)
0
A A C
B B C
C
U U U
U U U
U


















Từ đồ thị ở hình 1.2, ta nhận được:
















(1.11)
Với
.
'
cA
I
,
.
'
cB
I
là dòng điện dung chạy trên pha A, pha B khi sự cố chạm đất
pha C.
Khi tính gần đúng:

.
'

áp dây.
Ta thấy, điện áp hai pha không có sự cố tăng lên
3
lần, nên giá trị dòng
điện dung của chúng cũng tăng
3
lần so với khi chưa chạm đất, tức là
'
3
cA cA
II
;
'
3
cB cB
II
còn dòng điện dung pha chạm đất bằng không
'
0
cC
I 
. Dòng điện dung
tại chỗ chạm đất sẽ là:
- 20 - ''
'
c cA cB
I I I

Trong đó:U
d
–điện áp dây [kV]
L – chiều dài tổng các đường dây có nối điện với nhau [km]
Nhận xét:
- Điện áp của pha chạm đất bằng không, điện áp của hai pha còn lại tăng lên
3
lần (bằng điện áp dây).
- Điện áp dây của mạng điện không thay đổi, điện áp của điểm trung tính
tăng từ “không” đến điện áp pha.
Như vậy, điện áp làm việc lớn nhất trong thời gian dài cho phép của lưới
điện có trung tính cách điện với đất tăng cao bằng điện áp dây.
- Dòng điện dung của các pha không chạm đất tăng
3
lần, còn dòng điện
dung tại chỗ chạm đất tăng 3 lần so với dòng điện dung của một pha trước khi chạm
đất.
Kết luận:
- Khi xảy ra chạm đất một pha, cho phép lưới điện vận hành trong một
khoảng thời gian nhất định (có thể kéo dài tới vài giờ) do điện áp dây không đổi và
dòng chạm đất bé. Trong khoảng thời gian này, người ta có thể xác định điểm sự cố
và cô lập ra khỏi lưới.
Đây là một ưu điểm của lưới trung tính cách đất vì nó làm giảm đáng kể thời
gian cắt điện của phụ tải, làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng.
- 21 -

- Do dòng chạm đất bé nên hạn chế dòng cảm ứng lớn lên các đường dây
thông tin lân cận.
- Tuy nhiên, thực tế vận hành thì có thể đây chỉ là ưu điểm trên lý thuyết bởi
lẽ khi xảy ra chạm đất một pha mà vẫn cho phép lưới điện tiếp tục làm việc thì rất

đến ngắn mạch giữa các pha, mặc dù cách điện đã được chế tạo theo điện áp dây.
Hiện tượng chọc thủng cách điện này xảy ra với xác suất lớn khi dòng điện dung
lớn hơn khoảng 5-10A. Vì vậy, khi mạng điện không có bảo vệ rơ le cắt chạm đất
một pha thì phải có thiết bị kiểm tra cách điện để phát hiện chạm đất một pha và kịp
thời sửa chữa.
Theo tính toán thực tế ta có các giá trị cho phép của dòng điện chạm đất và
thời gian làm việc tối đa cho phép của các mạng điện theo các cấp điện áp như bảng
1.2: [7]
Bng 1.2 n cht cho phép cng
vi các cn áp khác nhau
Cấp điện áp (kV)
3-6
10
15-
20
35
Dòng điện chạm đất cho phép
(A)
-
30
15
10 Thời gian làm việc tối đa (giờ)
2
1
0,5
0,5
1.2.2 Mạng điện ba pha trung tính nối qua cuộn dập hồ quang

tế cuộn Petersen còn có một điện trở nào đó nên I
L
không thực sự vuông góc với I
C
.
Hơn nữa việc bù đủ dòng điện dung còn dẫn tới một nguy cơ nguy hiểm là dẫn tới
phát sinh các quá điện áp do dao động cộng hưởng. Do đó thường điều chỉnh cuộn
Petersen để còn lại một trị số







nào đó để tránh cộng hưởng và tăng độ nhạy
cho rơ le cảnh báo chạm đất cho nhân viên vận hành trạm biết kịp thời để có kế
hoạch xử lý. Sơ đồ mạng điện và đồ thị véc tơ dòng điện và điện áp điểm trung tính
được thể hiện trong hình vẽ 1.3.

Hình 1.3 Mn 3 pha trung tính nt qua cun dp h quang
Như trên đã phân tích, việc điều khiển điện kháng của cuộn dập hồ quang
đến một giá trị thích hợp theo sự thay đổi của dòng điện dung của đường dây là hết
sức khó khăn. Do vậy, phải lựa chọn được một giá trị thích hợp để cuộn dập hồ qua
phát huy được hiệu quả cao nhất. Khi I
C
> I
L
, tức bù thiếu thì khi có một số đường
dây bị cắt, trị số I

vµ dßng ®iÖn
L
I
U
I
L
I
c
- 24 -

được tình trạng chạm đất một pha trong mạng điện. Như vậy, trong mạng ba pha
trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang thì cần phải điều chỉnh cuộn kháng sao
cho I
L
> I
C
.
Xét trường hợp điện trở của cuộn Petersen rất lớn và chiều dài đường dây
dài, thành phần tác dụng của dòng điện chạm đất là đáng kể. Thông thường người ta
cũng điều chỉnh sao cho điện cảm của kháng điện
K
L
ở chế độ cộng hưởng, nghĩa
là:
L
K
= 1/3ω
2
C
đ

ngay lập tức sự cố xảy ra nên phụ tải vẫn được cấp điện trong một khoảng thời gian
nhất định. Nói chung xét về độ tin cậy cung cấp điện thì lưới điện này khá tốt nhờ
việc tự động dập tắt hồ quang của cuộn dây. Tuy nhiên, tính hiệu quả hoàn toàn
không thể đạt được do có khả năng xảy ra cộng hưởng.
- 25 -

- Do dòng chạm đất được khống chế ở trị số bé nên điện áp bước và điện áp
tiếp xúc cũng ở trị số thấp tăng tính an toàn cho người và thiết bị.
- Cũng do dòng chạm đất bé nên ít ảnh hưởng đến đường dây thông tin. Ưu
điểm này nổi bật hơn so với lưới trung tính cách điện với đất do số lần chuyển từ
chạm đất một pha sang ngắn mạch nhiều pha là ít hơn rất nhiều (vì có cuộn dập hồ
quang khống chế dòng chạm đất).
Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm trên ta nhận thấy lưới điện có trung tính nối
đất qua cuộn dập hồ quang có những hạn chế như sau:
- Cũng giống như lưới trung tính cách điện đối với đất, khi chạm đất một pha
điện áp hai pha lành cũng tăng lên điện áp dây. Vì vậy, cách điện cũng phải chọn
theo điện áp dây.
- Cuộn dập hồ quang trong lưới điện kiểu này thường phải điều chỉnh thường
xuyên bằng tay hay tự động để thích nghi với cấu trúc lưới khi vận hành - điều này
làm phức tạp, tốn kém trong công tác quản lý vận hành cũng như tăng chi phí đầu tư
ban đầu.
1.2.3. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện trở nhỏ
Để hạn chế dòng điện ngắn mạch, người ta nối đất điểm trung tính qua điện
trở R
đ
. Do giảm được dòng điện ngắn mạch đối với đất nên giảm được tác động cơ,
nhiệt của nó đối với các thiết bị và giảm tác động gây nhiễu với các đường dây
thông tin, đồng thời làm cho quá điện áp nội bộ trong mạng tắt dần nhanh hơn. Việc
thực hiện nối đất qua điện trở còn có ưu điểm là thực hiện đơn giản. Song nhược
điểm của nó là có tổn thất công suất trên điện trở và tác dụng hạn chế dòng điện