Chương 6 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH I. KHÁI NIỆM VỀ NGẮN MẠCH 1. Khái niệm Phân tích ngắn mạch là một phần quan trọng trong giải tích hệ thống điện. Bài toán ngắn mạch bao gồm việc xác định điện áp tại các nút và dòng điện chạy trên các nhánh trong quá trình xảy ra ngắn mạch. Ngắn mạch trong hệ thống điện được chia thành ngắn mạch 3 pha đối xứng (balanced faults) và ngắn mạch không đối xứng (unbalanced faults). Ngắn mạch không đối xứng gồm ngắn mạch một dây chạm đất, ngắn mạch hai dây không chạm đất, ngắn mạch hai dây chạm đất. Các thông tin có được từ bài toán ngắn mạch sẽ phục vụ cho công việc chỉnh định rơle và chọn lựa thiết bị bảo vệ . Biên độ của dòng điện ngắn mạch phụ thuộc vào tổng trở của khép kín qua điểm xảy ra ngắn mạch và điện áp của mạng điện. Tổng trở trong bài toán ngắn mạch bao gồm cả tổng trở quá độ của các máy phát trong lưới (bao gốm thành phần siêu quá độ, quá độ và ở trạng thái tĩnh). Chính vì vậy một trong những vấn đề khó của bài toán ngắn mạch là thành lập ma trận tổng trở hay tổng daãn. Trong cung cấp điện ngắn mạch một pha chạm đất là ngắn mạch có xác suất xảy ra lớn nhất (khoảng 65%) và ngắn mạch ba pha có xác suất thấp nhất (khoảng 5%). Tuy nhiên, chúng ta cần phân tích hai dạng này bởi các ảnh hưởng của nó là đáng kể đến tình trạng làm việc của hệ thống điện. Mặc khác việc tính toán ngắn mạch một pha tương đối phức tạp hơn so với ngắn mạch ba pha, nên trong thực tế thiết kế người ta hay dùng kết quả của bài toán ngắn mạch ba pha đối xứng. Dạng sóng dòng điện ngắn mạch xảy ra trong hệ thống điện có dạng như hình 3.1. Từ dạng sóng hình 3.1 chúng ta thấy rằng dòng điện ngắn mạch bao gồm hai thành phần là thành phần không chu kỳ có dạng hàm mũ giảm dần và thành phần có chu kỳ không đổi (trong tính toán chúng được xem như có biên độ không đổi). Vì tính toán ngắn mạch chúng ta phải kể đến cả máy biến áp và máy phát trong lưới, nghĩa là chúng ta phải tính toán với nhiều cấp điện áp khác nhau. Điều này sẽ phức tạp khi tính trong hệ đơn vị có tên thông thường, do đó khi tính ngắn mạch t i Hình 6.1: Dạng sóng dòng điện ngắn mạch người ta thường qui đổi về cùng một cấp điện áp thông qua việc sử dụng hệ đơn vị tương đối (hệ đơn vị không tên). Nguyên nhân ngắn mạch: Nguyên nhân chung và chủ yếu của ngắn mạch là do cách điện bị hỏng. Lý do cách điện bị hỏng có thể lứ: bị già cõi khi làm việc lâu ngày, chịu tác động của nhiệt độ… Hậu quả của ngắn mạch: Phát nóng cục bộ rất nhanh, nhiệt độ cao, gây cháy nổ. Gây sụt áp lưới điện, ảnh hưởng đến năng suất làm việc của máy móc thiết bị Gây ra mất ổn định hệ thống điện do các máy phát bị mất cân bằng công suất, quay theo những vận tốc khác nhau. Mục đích tính toán ngắn mạch: Lựa chọn các trang thiết bị điện phù hợp, chịu được dòng điện trong thời gian tồn tại ngắn mạch Tính toán hiệu chỉnh bảo vệ rơle Lựa chọn sơ đồ thích hợp làm giảm dòng ngắn mạch Lựa chọn thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch Những bài toán liên quan đến tính toán dòng ngắn mạch: Lựa chọn sơ đồ mạch cung cấp điện, nhà máy điện Lựa chọn thiết bị điện và dây dẫn Thiết kế chỉnh định bảo vệ rơle Tính toán quá điện áp trong hệ thống điện Tính toán nối đất Nghiên cứu ổn định hệ thống điện 2. Phân loại ngắn mạch Ngắn mạch gián tiếp: là ngắn mạch qua một điện trở trung gian, gồm điện trở do hồ quang điện và điện trở của các phần tử khác trên đường đi của dòng điện từ pha này đến pha khác hoặc từ pha đến đất. Điện trở hồ quang điện thay đổi theo thời gian, thường rất phức tạp và khó xác định chính xác. Theo thực nghiệm: I l R .1000  (6.1) trong đó: I - dòng ngắn mạch [A] l - chiều dài hồ quang điện [m] Ngắn mạch trực tiếp: là ngắn mạch qua một điện trở trung gian rất bé, có thể bỏ qua (còn được gọi là ngắn mạch kim loại). Ngắn mạch đối xứng: là dạng ngắn mạch vẫn duy trì được hệ thống dòng, áp 3 pha ở tình trạng đối xứng. Ngắn mạch không đối xứng: là dạng ngắn mạch làm cho hệ thống dòng, áp 3 pha mất đối xứng. - Không đối xứng ngang: khi sự cố xảy ra tại một điểm, mà tổng trở các pha tại điểm đó như nhau. - Không đối xứng dọc: khi sự cố xảy ra mà tổng trở các pha tại một điểm không như nhau. Sự cố phức tạp: là hiện tượng xuất hiện nhiều dạng ngắn mạch không đối xứng ngang, dọc trong hệ thống điện. Ví dụ: đứt dây kèm theo chạm đất, chạm đất hai pha tại hai điểm khác nhau trong hệ thống có trung tính cách đất. Ký hiệu và xác xuất xảy ra các dạng ngắn mạch Bảng 6.1 Các loại ngắn mạch II. MÔ HÌNH THAY THẾ CÁC PHẦN TỬ TRONG TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 1. Ngắn mạch tại thanh cái hạ áp MBA Ngắn mạch tại thanh cái MBA dùng để chọn CB hạ áp bảo vệ cho TBA. Trong một số trường hợp, kết quả ngắn mạch này dùng để tính toán phối hợp bảo vệ giữa CB hạ áp và cầu chì trung thế FCO bảo vệ cho MBA. Trong quá trinh tính toán, chỉ xét tổng trở MBA, bỏ qua các thành phần khác trong HT Hình 6.2 Sơ đồ tính ngắn mạch tại TC hạ áp Tổng trở MBA f fn f n BA I UU I U Z 1 1% 1 1 . 100 .  (6.2) Dòng ngắn mạch sơ cấp f nBA f n I UZ U I 1 % 1 1 . 100  (6.3) Dòng ngắn mạch thứ cấp f nf f n f f nn I UI I I U U II 2 %1 2 1 2 1 12 . 100  (6.4) Ví dụ Tính dòng ngắn mạch tại thanh cái thứ cấp của MBA 400KVA, 242/420V, u n % = 4% 2. Ngắn mạch tại 1 điểm trên lưới hạ thế a. Sơ đồ tính toán I n U 1f 0 Hình 6.2 Sơ đồ tính ngắn mạch tại tại một điểm trên lưới hạ áp b. Các giá trị tổng trở * Tổng trở hệ thống - quy đổi về thứ cấp MBA Tổng trở hệ thống được xác định dựa vào công suất ngắn mạch 3 pha – do nghành điện xác định n HT S U Z 2 2  , HTHT ZX  , HTHT XR 15.0 (6.5) Với U 2 : điện áp định mức thứ cấp Với S n : Công suất ngắn mạch hệ thống * Tổng trở máy phát - quy đổi về thứ cấp MBA Tổng trở máy phát được xác định dựa vào giá trị điện kháng siêu quá độ của máy phát MF dMF S U xX 2 2 ''  (6.6) Với U 2 : điện áp định mức thứ cấp của MBA S MF : Công suất định mức máy phát x’’ d : Điện kháng siêu quá độ – có trong lý lịch máy Hệ thống hay MF Máy biến áp Dây dẫn CB Thanh cái CB Dây dẫn Thanh cái CB Thanh cái CB HTHTHT jXRZ  BABABA jXRZ  ddd jXRZ  CBCB jXZ  TCTC jXZ  CBCB jXZ  ddd jXRZ  TCTC jXZ  CBCB jXZ  TCTC jXZ  CBCB jXZ  * Tổng trở MBA – quy về thứ cấp 2 2 3I P R n BA   (6.7) BA n BA S U U Z 2 2 % . 100  (6.8) ΔP n : Công suất tổn hao ngắn mạch U n % : Điện áp ngắn mạch % U 2 , I 2 : Điện áp , dòng điện định mức thứ cấp * Tổng trở dây dẫn Giá trị r 0 : F r   0 (6.9) Giá trị x 0 : Được cho theo nhà chế tạo + F < 50mm2 : x0 = 0 + Không cho số liệu : x 0 = 0.08mΏ/m * Tổng trở CB, thanh góp Tổng trở CB CBmx CB /15.0  (6.10) Tổng trở thanh góp mmx TG /15.0  (6.11) Ví dụ: Tính toán ngắn mạch tại các điểm N1, N2, N3 như hình vẽ III. TÍNH NGẮN MẠCH TRONG HỆ ĐƠN VỊ CÓ TÊN 1. Đặt vấn đề Hình 6.3 Sơ đồ tính ngắn mạch tại tại một điểm trên lưới hạ áp Khi ngắn mạch tại điểm trên hình vẽ, chúng ta thấy rằng: Các dòng ngắn mạch ở từng cấp điện áp thì khác nhau Các tổng trở của các phần tử ở từng cấp điện áp khác nhau thì khác nhau Do đó, để tính toán ngắn mạch tại một điểm trong hệ thống có nhiều cấp điện áp, một trong các biện pháp để tính toán là cần quy đổi các phần tử về 1 cấp điện áp chung. 2. Quy đổi các phần tử từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác Hình 6.4 Sơ đồ tính ngắn mạch tại tại một điểm trên lưới hạ áp Xét MBA có tỉ số biến áp định mức k, khi đó : k U U  2 1 (6.12) Khi đó, có thể quy đổi các đại lượng từ thứ cấp sang sơ cấp hoặc ngược lại theo các công thức sau: k I I /1 2 ' 2  (6.13) 2 2 ' 2 k Z Z  (6.14) Với I 2 , Z 2 dòng điện và tổng trở thứ cấp của MBA Với I 2’ , Z 2’ dòng điện và tổng trở thứ cấp của MBA đã được quy đổi về sơ cấp 3. Tính toán ngắn mạch Giả sử cần tính ngắn mạch trong hệ thống có nhiều cấp điện áp Bước 1 – Chọn 1 cấp điện áp trong các cấp điện áp- Ecb Bước 2 – Thành lập sơ đồ thay thế ở cấp điện áp đã chọn Hình 6.4 Sơ đồ tính ngắn mạch tại tại một điểm trên lưới hạ áp Bước 3 – Tính tổng trở tương đương tại vị trí ngắn mạch Bước 4 – Tính dòng ngắn mạch cơ bản cbtd cb nm Z E I   (6.15) Chú ý : Ecb, Inm-cb : giá trị pha Bước 5 – Quy đổi dòng ngắn mạch cơ bản về dòng ngắn mạch tại từng cấp điện áp Hình 6.5 Sơ đồ tính ngắn mạch tương đương MBA 1 MBA 2 E cb Z 1-cb Z 2-cb Z 3-cb Z 4-cb Z 5-cb E cb Z td-cb I nm-cb MBA 1 MBA 2 I nm1 I nm2 I nm3 Ví dụ : Tính dòng ngắn mạch 3 pha tại điểm N1 và N2 như hình vẽ Chọn cấp điện áp cơ bản là 10.5kV AC-95 có r0 = 0.33, x0 = 0.415. AC-50 có r0 =0.64, x0 =0.392 III. Tính ngắn mạch trong hệ đơn vị tương đối 1. Khái niệm Khi tính toán qui đổi về hệ đơn vị tương đối chúng ta phải chọn các đại lượng cơ bản như điện áp cơ bản U cb , công suất cơ bản S cb . Từ hai giá trị cơ bản này chúng ta tính các giá trị dòng điện và điện kháng cơ bản như sau: cb cb cb U S I 3  cb cb cb I S X 3  Trong tính toán chúng ta thường chọn giá trị của công suất cơ bản là các giá trị đơn giản cho việc tính toán (10MVA, 100MVA, 1000MVA,…), còn điện áp cơ bản thường được chọn bằng giá trị điện áp định mức trung bình của mạng có cấp điện áp phổ biến. Từ đây chúng ta qui đổi các đại lượng về hệ đơn vị tương đối như sau: (trong giáo trình này chúng ta qui ước các đại lượng trong hệ đơn vị tương đối đều có dấu * ở trên góc phải của ký hiệu đại lượng) X U S X X X S S S I I I U E E U U U cb cb cbcbcbcbcb 2 ***** ;;;;  Trong một số trường hợp cụ thể các giá trị điện kháng trong hệ đơn vị tương đối được tính như sau: 115/10.5 kV ~ P n = 950MVA AC-95, l=70km AC-50, l=5.3km S dm = 6.3MVA U k %= 10.5 % Hệ thống HTn cb ht S S X   * Máy phát điện: MF cb dMF S S XX " *  Trong đó X ” d là điện kháng siêu quá độ dọc trục Máy biến áp: BA cbN BA S SU Z 100 % *  2 * BA cbN BA S SP R   U N % là điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp ba pha hai cuộn dây. Đường dây: 2 0* . d cb dd U S lrR  2 0* . d cb dd U S lxX  Kháng điện: dmK cb K K I I X X 100 % *  trong đó, X K % và I dmK là điện kháng % và dòng điện định mức của kháng điện. b. Các bước tính toán ngắn mạch trong hệ đơn vị tương đối Bước 1 : Chọn hệ đơn vị cơ bản Bước 2 : Tính toán giá trị điện áp hệ thống hay máy phát trong hệ đơn vị tương đối Bước 3 : Tính toán các giá trị tổng trở trong hệ đơn vị tương đối Bước 4 : Tính giá trị tổng trở tương đối từ vị trí ngắn mạch tới nguồn ( hệ thống hay máy phát) Bước 5 : Dòng ngắn mạch tương đối * * * Z E I n  Bước 5 : Dòng ngắn mạch ở một hệ đơn vị cơ bản . Chương 6 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH I. KHÁI NIỆM VỀ NGẮN MẠCH 1. Khái niệm Phân tích ngắn mạch là một phần quan trọng trong giải tích hệ thống điện. Bài toán ngắn mạch bao gồm việc. xảy ra ngắn mạch. Ngắn mạch trong hệ thống điện được chia thành ngắn mạch 3 pha đối xứng (balanced faults) và ngắn mạch không đối xứng (unbalanced faults). Ngắn mạch không đối xứng gồm ngắn mạch. và xác xuất xảy ra các dạng ngắn mạch Bảng 6.1 Các loại ngắn mạch II. MÔ HÌNH THAY THẾ CÁC PHẦN TỬ TRONG TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 1. Ngắn mạch tại thanh cái hạ áp MBA Ngắn mạch tại thanh cái MBA dùng