Chương V TÍNH NGẮN MẠCH TRONG MẠNG ĐIỆN XNCN V.1. Mục tiêu, nhiệm vụ - Mục tiêu: giúp sinh viên nắm được: Khái niệm về ngắn mạch, các dạng ngắn mạch; Các thành phần dòng ngắn mạch 3 pha; Tính toán ngắn mạch 3 pha đối xứng sử dụng đường cong tính toán; Tính toán ngắn mạch trong mạng điện hạ áp (<1000V); Tính toán ngắn mạch không đối xứng; Ảnh hưởng của nhiệt lượng do dòng ngắn mạch gây nên; Tác dụng của lực điện động trong mạng 3 pha. - Nhiệm vụ của sinh viên: Lên lớp học lý thuyết đầy đủ. Tham gia thảo luận và làm bài tập. Học lý thuyết và làm đầy đủ các bài tập ở nhà. - Đánh giá: V.2. Quy định hình thức học cho mỗi nội dung nhỏ Nội dung Hình thức học 5.1 CÁC KHÁI NIỆM Giảng 5.2 QTQĐ KHI NGẮN MẠCH 3 PHA VÀ CÁC THÀNH PHẦN DÒNG NM Giảng 5.3 Tính toán ngắn mạch trong mạng điện cao áp Giảng 5.4 Tính ngắn mạch trong mạng điện áp thấp 5.5 Tính ngắn mạch không đối xứng Giảng, có bài tập trên lớp 5.6 Ảnh hưởng của lực điện động do dòng ngắn mạch gây nên Giảng 5.7 Ảnh hưởng của nhiệt lượng do dòng ngắn mạch gây nên Giảng V.3. Các nội dung cụ thể §5- 1. KHÁI NIỆM CHUNG Ngắn mạch là hiện tượng mạch điện bị nối tắt qua một tổng trở rất nhỏ (có thể coi bằng không). Cụ thể là: khi dây pha chạm dây trung tính, các pha chạm nhau trực tiếp hoặc chạm nhau thông qua đất. Trong hệ thống trung tính trực tiếp nối đất, chạm đất một pha là hiện tượng ngắn mạch. Trong hệ thống trung tính cách điện với đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang thì chạm đất một pha chỉ là sự cố nhẹ, dòng chạm đất không lớn. Trường hợp các pha đồng thời chạm đất là hiện tượng ngắn mạch thông qua đất, bất kể hệ thống có trung tính nối đất hay không. 5.1.1 Các loại ngắn mạch Hình 5.1. mô tả các dạng ngắn mạch có thể xảy ra trong mạng cung cấp điện xoay chiều 3 pha 4 dây. Hình 5.1. Các loại ngắn mạch Trong đó: - Ngắn mạch một pha: ký hiệu N (1) , là dạng ngắn mạch thường gặp, chiếm khoảng 65% tổng số lần xảy ra ngắn mạch. - Ngắn mạch hai pha: ký hiệu là N (2) , chiếm khoảng 10% tổng số lần xẩy ra ngắn mạch. - Ngắn mạch hai pha chạm đất: ký hiệu là N (1,1) , chiếm khoảng 20% tổng số lần xẩy ra ngắn mạch. - Ngắn mạch ba pha: ký hiệu N (3) , rất ít gặp trong thực tế, chỉ chiếm khoảng 5% tổng số lần xẩy ra ngắn mạch. Ngắn mạch 3 pha là loại ngắn mạch đơn giản nhất, ta gọi là ngắn mạch đối xứng. Ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất là ngắn mạch không đối xứng, lúc đó điện áp của các pha khác nhau do đó dòng điện cũng khác nhau. Ngoài các dạng kể trên, trong hệ thống cung cấp điện còn xảy ra hiện tượng đứt dây, đứt dây kèm ngắn mạch hoặc ngắn mạch tại nhiều điểm khác nhau, trong các pha khác nhau trong hệ thống cung cấp điện. 5.1.2 Nguyên nhân và tác hại của dòng ngắn mạch 5.1.2.1 Nguyên nhân Nguyên nhân sinh ra ngắn mạch trong hệ thống điện chủ yếu là do cách điện bị hư hỏng. Lý do cách điện bị hư hỏng có thể là: - thời gian vận hành lâu ngày, cách điện bị già hoá mà không phát hiện kịp thời thông qua các thí nghiệm định kỳ; - tác dụng của quá áp nội bộ hoặc do quá áp thiên nhiên làm phóng điện qua cách điện; - đào đất chạm phải cáp ngầm; - cành cây chạm vào đường dây, gió mạnh làm chạm chập dây dẫn; - do động vật: chim, chuột, rắn v.v nối tắt mạch điện; - các thao tác nhầm lẫn không đúng qui trình qui phạm gây phát sinh hồ quang giữa các pha hoặc pha với đất. 5.1.2.2 Tác hại Ngắn mạch là một sự cố rất nguy hiểm, ngắn mạch xẩy ra càng gần nguồn và thời gian càng kéo dài thì tác hại do nó gây ra càng lớn. Tác hại của dòng ngắn mạch có thể tóm tắt như sau: - Khi ngắn mạch, dòng ngắn mạch tăng lên rất lớn gây nên hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng lực điện động lớn hơn so với định mức rất nhiều lần có thể gây ra nổ, cháy thiết bị, phá huỷ kết cấu thiết bị, gây nguy hiểm cho con người; - Trong thời gian ngắn mạch, điện áp mạng giảm xuống ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của các thiết bị dùng điện. Nếu điểm ngắn mạch xảy ra càng gần nguồn, có thể dẫn tới hệ thống mất ổn định và tan rã (phá hoại sự làm việc đồng bộ của các máy phát điện nối vào hệ thống); - Gián đoạn cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ; - Khi ngắn mạch một pha, dòng ngắn mạch một pha gây nên từ trường không đối xứng làm nhiễu các đường dây thông tin. 5.1.3 Mục đích của việc tính ngắn mạch - Để có cơ sở cho kiểm tra các thiết bị đã chọn theo điều kiện ngắn mạch như: ổn định lực điện động, ổn định nhiệt, khả năng cắt v.v - Để có các biện pháp thích hợp từ khâu thiết kế, xây lắp đến vận hành mạng điện nhằm giảm sác xuất ngắn mạch, hạn chế dòng ngắn mạch; - Để có số liệu cho tính toán thiết kế bảo vệ rơle, điều khiển ổn định hệ thống điện. §5-2. QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ KHI NGẮN MẠCH 3 PHA VÀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA DÒNG NGẮN MẠCH Khi xảy ra ngắn mạch ba pha, diễn biến của quá trình quá độ chuyển từ trạng thái làm việc bình thường sang trạng thái ngắn mạch ổn định phụ thuộc vào nhiều yếu tố: vị trí điểm ngắn mạch, tính chất mạch điện, nguồn có bộ tự động điều chỉnh điện áp hay không?, Giả thiết, mô hình để khảo sát dạng ngắn mạch ba pha như sơ đồ hình 5.2. Hình 5.2. Ngắn mạch 3 pha đối xứng Trước khi ngắn mạch, mạng điện 3 pha đối xứng hoàn toàn. Giả sử ngắn mạch 3 pha xảy ra tại điểm N, xem như điểm ngắn mạch chia mạch điện thành hai phần, một phía có nguồn và một phía không có nguồn. Trên sơ đồ: - R, L và M: là điện trở, điện cảm và hỗ cảm của phần mạch điện phía có nguồn; - R’, L’ và M’: điện trở, điện cảm và hỗ cảm của phần mạch điện phía không có nguồn; Để đơn giản trong tính toán người ta giả thiết rằng: nguồn có công suất vô cùng lớn (điện áp trên đầu cực của nguồn không đổi về biên độ khi xảy ra ngắn mạch tức là coi như điện kháng trong của nguồn bằng không) như vậy khi xẩy ra ngắn mạch sức điện động của nguồn vẫn có dạng hình sin và không đổi. Khi đó, điện áp trước khi ngắn mạch có thể viết được như sau: ( ) α+ω= tSinUU mA ( ) 0 mB 120tSinUU −α+ω= (5.1) ( ) 0 mC 240tSinUU −α+ω= và dòng điện trước khi ngắn mạch cũng đối xứng: ( ) ϕ−α+ω= tSinIi mA ( ) ϕ−−α+ω= 0 mB 120tSinIi ( ) ϕ−−α+ω= 0 mC 240tSinIi (5.2) Vì ở chế độ ngắn mạch ba pha mạng điện là đối xứng, do đó có thể tách riêng từng pha để tính. Giả sử ta tách riêng pha A, sơ đồ mạch điện có được như trên hình 5.3. Hình 5.3 5.2.1 Xác định dòng ngắn mạch phía không nguồn Từ hình 5.3, viết phương trình Kiếc-hốp cho mạch vòng ở phía không nguồn dt id .M dt id .M dt id .LR.i0 C BA A ′ ′ + ′ ′ + ′ ′ + ′′ = (5.3)       ′ + ′ + ′ ′ + ′ ′ − ′ + ′′ = dt id dt id dt id .M dt id ).ML(R.i0 C BAA A (5.4) Vì mạng đối xứng nên: 0 dt id dt id dt id C BA = ′ + ′ + ′ (5.4) được viết lại: dt id ).ML(R.i0 A A ′ ′ − ′ + ′′ = (5.5) Nghiệm của phương trình (5.5) có dạng: T t )0(A t. ML R )0(AA e.ie.ii ′ − ′ − ′ ′ − == ′ (5.6) Trong đó: - R ML T ′ ′ − ′ = ′ : là hằng số thời gian tắt dần của mạch vòng ngắn mạch phía không có nguồn; - i A(0) : là trị số tức thời của dòng điện pha A tại thời điển xẩy ra ngắn mạch. 5.2.2 Xác định dòng ngắn mạch phía có nguồn Viết phương trình Kiếc-hốp cho mạch vòng ở phía có nguồn dt di .M dt di .M dt di .LR.IU C BA .AA +++= C A A B A di di di di i .R (L M). M. dt dt dt dt   = + − + + +  ÷   5.6) Tương tự trên: 0 dt di dt di dt di CBA =++ (5.6) được viết lại: dt di ).ML(R.i)t(SinU A Am −+=α+ω (5.7) Nghiệm của phương trình (5.7) có dạng: tdck T t N N m A iie.C)t(Sin. Z U i +=+ϕ−α+ω= − (5.8) Trong đó: - 222 N .)ML(RZ ω−+= là tổng trở của mạch vòng ngắn mạch phía có nguồn; - ϕ N là góc lệch pha giữa dòng ngắn mạch và điện áp; - R ML T − = là hằng số thời gian tắt dần của mạch vòng ngắn mạch phía có nguồn; - C: là hằng số tích phân được xác định theo các điều kiện đầu. Từ (5.8) thấy rằng dòng ngắn mạch bao gồm hai thành phần: - thành phần thứ nhất là thành phần chu kỳ, - thành phần thứ hai là thành phần không chu kỳ (gọi là thành phần tắt dần). Nếu gọi I Nm là biên độ của thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch thì: N m Nm Z U I = ( ) T t NNmA e.CtSinIi − +ϕ−α+ω= (5.9) Hằng số C có thể xác định được dựa theo luật Kirchhoff : ( ) ( ) NNmm SinISinIC ϕ−α−ϕ−α= Thay C vào (5.9) được biểu đầy đủ hai thành phần của dòng ngắn mạch pha A: ( ) ( ) ( ) [ ] T t NNmmNNmA e.SinISinItSinIi − ϕ−α−ϕ−α+ϕ−α+ω= (5.10) Quá trình quá độ của các thành phần dòng ngắn mạch được biểu diễn như hình 5.4. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 -6 -4 -2 0 2 4 6 x 10 4 Time (s) Ua, Ia 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -6 -4 -2 0 2 4 6 Time (s) Iabc ic ia ib Hình 5.4. Quá trình qua độ của dòng ngắn mạch 3 pha 5.2.3 Xác định giá trị lớn nhất của dòng điện ngắn mạch 5.2.3.1 Biểu diễn quá trình quá độ của dòng ngắn mạch Trong khi giải bài toán ngắn mạch, một mục tiêu đặt ra là hãy xác định giá trị lớn nhất của dòng điện ngắn mạch có thể xảy ra. Để đạt được điều này, ta giả định các trường hợp sau: Nếu ngắn mạch tại thời điểm dòng điện đang đi qua trị số không thì: ( ) 0SinIiii m)0(td)0(ck)0(A =ϕ−α=+= (5.11) Để đơn giản ta bỏ dấu (-)và dấu (+) trước số 0. Khi viết it (0) ta hiểu là trị số tức thời của dòng điện pha A tại thời điểm ngắn mạch. Theo (5.11) thì biểu thức (5.10) không còn thành phần (5.9) nên được viết lại: ( ) ( ) T t NNmNNmNA e.SinItSinIii − ϕ−α−ϕ−α+ω== (5.12) Để tìm giá trị dòng ngắn mạch cực đại theo theo t và α , ta đạo hàm riêng (5.12) theo t và α và cho bằng không, thu được hệ hai phương trình sau: 0)cos(.e)tcos(I i N T t NNm N =         ϕ−α−ϕ−α+ω= α∂ ∂ − (5.13) 0)(Sin.e. T 1 )tcos(I t i N T t NNm N =       ϕ−α−ϕ−α+ωω= ∂ ∂ − (5.14) Nhân hai vế của phương trình (5.13) với ω rồi trừ đi phương trình (5.14) : 0)(Sin.e. T 1 )cos(.e. ____________________________________ 0)(Sin.e. T 1 )tcos( 0)cos(.e.)tcos( N T t N T t N T t N N T t N =ϕ−α−ϕ−αω−       =ϕ−α−ϕ−α+ωω =ϕ−αω−ϕ−α+ωω − −− − − (5.15) suy ra: )(Sin)cos(.T. NN ϕ−α=ϕ−αω− )cos( )(Sin T N N ϕ−α ϕ−α =ω− )(tg R )ML.( N ϕ−α= −ω − )(tg R X N ϕ−α=− )(tg)(tg NN ϕ−α=ϕ− (5.16) Từ (5.16), nghĩa là α = 0 Kết luận: nếu ngắn mạch tại thời điểm dòng điện đang đi qua không và góc pha đầu của dòng điện bằng không (α = 0) thì dòng ngắn mạch toàn phần sẽ có giá trị lớn nhất. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 -4 -2 0 2 4 6 Time ia, ib, ic (ia0=0) [...]... cong tính toán ta được: I′′ = I′ ck( t =0) = 3,3 * * I*ck( t =0, 2s ) = 2,5 I*ck( t =∞ ) = 2,3 Dòng ngắn mạch trong nhánh này là: kA kA kA kA 5 Dòng ngắn mạch ba pha khi xẩy ra ngắn mạch tại N tại các thời điểm: t = 0s; t=0,2s; t = ∞ kA kA kA Dòng ngắn mạch xung kích: kA Trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch xung kích: kA §5- 4 TÍNH NGẮN MẠCH TRONG MẠNG ĐIỆN ÁP THẤP 5.4.1 Đặc điểm của tính ngắn mạch hạ áp Trong. .. chỉnh điện áp mới có tác dụng và dòng ngắn mạch tăng dần lên theo sự tăng của điện áp và đến ổn định §5- 3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG MẠNG ĐIỆN CAO ÁP 5.3.1 Những giả thiết cơ bản Việc xác định dòng ngắn mạch trong mạng điện phức tạp là một điều rất khó khăn và nhiều khi không thực hiện được Do đó để đơn giản trong tính toán người ta đưa ra các giả thiết cơ bản sau: - Trong quá trình tính. .. -2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Time 0.1 0.12 0.14 0.16 Hì nh 5.5 các thành phần dòng ngắn mạch trong thời gian quá độ Mặt khác nếu coi mạch vòng ngắn mạch là thuần cảm (thông thường trong tính toán ngắn mạch hệ thống hay ở mạng điện áp cao người ta chỉ kể tới X và bỏ qua R khi R 3 thì dòng ngắn mạch trong nhánh đó được tính như sau: Ick ( t ) = Idm ∑ = I" = I ∞ X* tt dòng ngắn mạch không đổi trong thời gian ngắn mạch. .. kỳ là: I ck = I Nm 2 trong đó INm: là biên độ của thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch 5.2.3.4 Trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch xung kích Trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch xung kích là trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch toàn phần trong chu kỳ đầu tiên sau khi xẩy ra ngắn mạch : I xk = I 2 ( 0,01) + I′′ 2 td (5.19) Trong đó: I” là trị hiệu dụng của thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch trong chu kỳ đầu tiên... sát nhập các nguồn trong những trường hợp sau:  Nguồn có sức điện động không thay đổi khi ngắn mạch (nguồn có công suất vô cùng lớn hoặc X *tt từ nguồn đến điểm ngắn mạch lớn hơn 3) với nhánh nguồn có X*tt≤ 3 vì đường cong tính toán chỉ xây dựng cho các nguồn có sức điện động thay đổi trong quá trình ngắn mạch  Các nguồn nếu điện kháng tính toán từ mỗi một nguồn đến điểm ngắn mạch đều lớn hơn 3... của dòng ngắn mạch không thay đổi trong quá trình ngắn mạch) Những điều này không phù hợp vì với máy phát điện không có bộ tự động điều chỉnh điện áp, sức điện động của máy phát điện giảm dần trong quá trình ngắn mạch do tác dụng khử từ của phản ứng stator tăng lên nghĩa là từ thông tổng trong khe hở không khí giảm xuống, do đó biên độ và trị hiệu dụng của thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch cũng... dòng ngắn mạch nên không thể bỏ qua được Nếu không tính đến yếu tố này sẽ mắc phải một sai số lớn trong việc tính dòng ngắn mạch Điều đó dẫn tới việc chọn và kiểm tra thiết bị không chính xác Xí nghiệp công nghiệp thường được cung cấp từ lưới điện công suất lớn và ở xa nguồn Vì vậy khi tính ngắn mạch ở mạng điện áp thấp có thể xem nguồn có công suất vô cùng lớn Do đó thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch . NIỆM Giảng 5.2 QTQĐ KHI NGẮN MẠCH 3 PHA VÀ CÁC THÀNH PHẦN DÒNG NM Giảng 5.3 Tính toán ngắn mạch trong mạng điện cao áp Giảng 5.4 Tính ngắn mạch trong mạng điện áp thấp 5.5 Tính ngắn mạch không đối xứng Giảng,. ra ngắn mạch. Ngắn mạch 3 pha là loại ngắn mạch đơn giản nhất, ta gọi là ngắn mạch đối xứng. Ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất là ngắn mạch không đối xứng, lúc đó điện. V TÍNH NGẮN MẠCH TRONG MẠNG ĐIỆN XNCN V.1. Mục tiêu, nhiệm vụ - Mục tiêu: giúp sinh viên nắm được: Khái niệm về ngắn mạch, các dạng ngắn mạch; Các thành phần dòng ngắn mạch 3 pha; Tính toán ngắn