I. Đặt vấn đề
Trong hệ thống điện thì hệ thống điện tự dùng trong các trạm biến áp và các nhà máy điện có giá trị đầu tư rất bé nhưng lại có vai trò rất quan trọng với hệ thống. Cũng như trong lưới điện trung áp và hạ áp, hiện nay để bảo vệ sự cố mới chỉ có trang bị các bảo vệ quá dòng điện, không có bảo vệ chống sự cố hồ quang điện. Trong phạm vi từ máy cắt tới biến dòng của mỗi ngăn lộ lại nằm ngoài vùng của các bộ bảo vệ của chính ngăn lộ đó, khi sự cố hồ quang điện xảy ra trong vùng chết này thì bảo vệ ngăn lộ không tác động. Trong các sự cố thì các sự cố do phóng điện hồ quang điện trong phạm vi khu vực máy cắt chiếm tỷ lệ lớn. Khi hồ quang xuất hiện thì hệ thống điện tự dùng của chúng ta lại không có bảo vệ để loại sự cố kịp thời mà phải đợi đến khi sự cố phóng điện hồ quang phát triển lan tràn thành 2 pha hoặc 3 pha thì bảo vệ mới tác động cắt máy cắt tổng ra. Khi đó hậu quả đã gây thiệt hại nặng về thiết bị và mất điện tự dùng phục vụ cho trạm biến áp và nhà máy điện.
II. Đặc tính sự cố hồ quang điện
Sự cố hồ quang điện là một dạng giải thoát lớn năng lượng điện dưới dạng nhiệt sáng chói có cường độ mãnh liệt với các sóng ứng suất cao. Nhiệt độ phát sinh trong hồ quang có thể lên tới 20.0000C. Sự gia tăng mở rộng vùng nhiệt độ với khối lượng không khí là nguyên nhân tạo ra các các sóng áp suất với đầu sóng điện thế kèm âm thanh. Nhiệt độ tăng nhanh là nguyên nhân làm các bộ phận của cơ cấu đóng ngắt cháy thành tro trong thời gian vài miligiây. Áp suất hồ quang gia tăng làm mở tung các cánh cửa và vách ngăn của các tủ máy cắt, tủ hợp bộ. Chúng giải thoát năng lượng, gây suy giảm tuổi thọ thiết bị, gây cháy nổ thiết bị và nguy hiểm cho con người.
Hồ quang điện thường phát sinh từ sự cố hồ quang một pha với đất sau đó tiến triển mở rộng vùng thành sự cố 2 pha và 3 pha. Điều này lý giải tại sao không phát hiện sớm khi hồ quang mới hình thành thì sẽ có khả năng ngăn chặn được hậu quả do nó gây ra.
III. Công nghệ bảo vệ hồ quang điện
Với việc sử dụng công nghệ mới bao gồm các modern phát hiện hồ quang kèm hệ thống bảo vệ có chức năng phát hiện và gửi tín hiệu đi cắt máy cắt hoặc các áp tô mát thực hiện với thời gian từ khi phát hiện ra hồ quang và gửi tín hiệu truyền đi 1-2ms. Tùy thuộc vào đặc tính cơ cấu truyền động cắt của máy cắt và độ trễ của rơ le lệnh cắt thì tổng thời gian tới khi tách cô lập vùng sự cố với thời gian 5-7ms. Trong hệ thống bảo vệ này có các chức năng tự giám sát các trình tự với mức độ cao qua các cảnh báo hay chỉ thị hư hỏng. Ngoài chức năng phát hiện hồ quang, hệ thống còn đồng thời đo dòng điện của cả 3 pha và dòng điện dư. Việc phát hiện dòng điện dư rất quan trọng trong hệ thống nối đất điện trở thấp của lưới trung áp khi đó hồ quang có thể sớm được phát hiện dựa trên cơ sở dữ liệu của dòng điện dư và phát hiện thấy hồ quang. Với thực nghiệm tại phòng thí nghiệm với dòng điện hồ quang 250A và điện thế trên 1000V đã đủ điều kiện để duy trì sự cố hồ quang. Kết hợp giữa dòng điện dư và hồ quang xuất hiện là đủ cơ sở để cắt nguồn điện, ngăn chặn sự leo thang của sự cố hồ quang pha- pha.
Hình 3. Sơ đồ hệ thống bảo vệ hồ quang cho hệ thống điện dùng 2 thanh cái có máy cắt liên lạc.
Các sensor được kết nối với nhau qua cáp quang thành một mạch vòng, mỗi sensor sẽ được gán với một địa chỉ riêng, mỗi sensor có nhiệm vụ tại một vị trí (điểm) cố định trong phạm vi của hệ thống các thiết bị cần được bảo vệ và hay có khả năng xuất hiện hồ quang. Các sensor phát hiện hồ quang là loại có khả năng hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao tới 1250C. Mỗi sensor được kết nối thẳng với máy cắt tại vị trí được bảo vệ. Máy cắt và áp tô mát cũng được thiết kế bổ xung thêm các đầu để ghép nối mạch tín hiệu cho hệ thống bảo vệ này. Mức độ nhạy của các sensor được sử dụng cũng khác nhau phù hợp tùy thuộc vào mức độ quan trọng và vị trí lắp đặt của từng thiết bị. Hệ thống bảo vệ này cần được thiết kế đồng bộ cho hệ thống điện ngay từ khi thiết kế, sau khi lắp đặt để vận hành hệ thống phải được cài đặt thông số.
Hình 4. Sơ đồ đấu nối dây và cài đặt mạch cắt của hệ thống bảo vệ hồ quang cho hệ thống điện dùng 2 thanh cái có máy cắt liên lạc.
IV. Kết luận
Hồ quang điện là một hiện tượng thường thấy xuất hiện trong lưới điện, tác hại của nó có thể gây thương tích cho con người, gây hư hỏng nặng cho thiết bị và gây sự cố lưới điện. Bảo vệ hồ quang điện bằng sử dụng các sensor có độ nhạy cao kết hợp với hợp bộ bảo vệ hồ quang là một nguyên lý đã được chấp nhận và ứng dụng trong các lưới điện trung và hạ áp trên thế giới, ngăn chặn và giảm thiểu các tổn thất do hồ quang điện gây ra.
Việc ứng dụng thêm công nghệ bảo vệ mới nó sẽ ảnh hưởng tới quan niệm từ khâu thiết kế tới vận hành hệ thống điện tự dùng. Nên chăng chúng ta cũng cần xem xét nghiên cứu ứng dụng bổ xung thêm bảo vệ hồ quang điện để vận hành hệ thống điện tự dùng và trung áp được an toàn và kinh tế.
Tài liệu tham khảo
1. IEEE Standard 1584TM - 2002, “ IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations”,IEEE, 2002
2. Malmedal, K., Sen, P.K., “Arcing fault current and the criteria for setting ground fault relays in solidly-grounded low voltage systems”, IEEE Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference, 2000
3. Kay, Arvola, Kumpulainen: “Protection at the speed of light: Arc-Flash protection combining arc flash sensing and arc-resistant technologies”, IEEE, PCIC-2009-41
4. Kumpulainen, Arvola, Karri: “State of the art of arc flash protection methods”, Western Protective Relay Conference, Spokane, WA, USA, October, 2008.
5. J.R. Dunk-Jacobs, “The escalating arcing ground-fault phenomenon”, IEEE Transactions on industry applications, VOL. IA-22, NO.6, November/December 1986”
6. Buff, J., Zimmerman, K., “Application of existing technologies to reduce arc-flash hazards”, 60th Annual Conference for Protective Relay Engineers, 27-29 March, 2007, College Station, Texas.