Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh CHƯƠNG VII TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 7.1 Khái niệm chung Việc lắp đặt điện yêu cầu bảo vệ chống ngắn mạch nơi có rẽ nhánh, tức nơi có thay đổi tiết diện dây dẫn Dòng ngắn mạch phải tính toán mức mạng điện nhằm xác đònh đặc tính thiết bò yêu cầu để chống lại ngắt dòng cố Lưu đồ Hình 7.1, trình bày thủ tục để xác đònh dòng điện ngắn mạch khác thông số xác đònh cho thiết bò bảo vệ khác Để chọn hiệu chỉnh thiết bò bảo vệ, hai giá trò dòng điện ngắn mạch cần xác đònh:  Dòng ngắn mạch cực đại sử dụng để kiểm tra: - Khả cắt máy cắt - Khả đóng mạch máy cắt - Khả chòu lực điện động hệ thống dây thiết bò đóng cắt Dòng ngắn mạch cực đại tương ứng với ngắn mạch vùng kề với đầu thiếát bò bảo vệ  Dòng ngắn mạch cực tiểu, cần thiết để lựa chọn đặc tuyến dòng thời gian cho thiết bò đóng cắt cầu chì, đặc biệt khi: - Dây cáp dài và/hoặc trở kháng nguồn tương đối lớn (các máy phát, UPS) - Bảo vệ tuổi thọ phụ thuộc vào việc vận hành thiết bò đóng cắt cầu chì, điều cần thiết hệ thống điện IT TN Lưu ý rằng, dòng điện ngắn mạch tối thiểu tương ứng với cố ngắn mạch điểm cuối đường dây bảo vệ thường ngắn mạch pha đất mạng điện áp thấp, pha pha mạng điện áp cao (không có dây trung tính), điều kiện vận hành thấp (ngắn mạch điểm cuối đường dây cấp điện dòng cung cấp từ thiết bò bảo vệ, máy biến áp vận hành hai nối kết…) Cần ý thêm với trường hợp nào, cho bất kỳø loại dòng điện ngắn mạch (cực tiểu hay cực đại), thiết bò bảo vệ phải cắt mạch cố khoảng thời gian tc mà thời gian tương ứng với ứng suất nhiệt mà cáp bảo vệ chòu được:  i2dt  k2S2 (Hình 7.2, 7.3, 7.4), S tiết diện cắt ngang vật dẫn k số tính toán sở hệ số hiệu chỉnh khác tùy thuộc vào phương pháp lắp đặt cáp, mạch nối Các dạng ngắn mạch Các dạng ngắn mạch :  Pha nối đất (chiếm 80% cố ngắn mạch)  Pha nối pha (chiếm 15% cố ngắn mạch) Đây loại ngắn mạch thường phát triển thành ngắn mạch ba pha  Ba pha (chỉ chiếm 5% cố ngắn mạch) Những dòng ngắn mạch khác trình bày Hình 7.5 Đối với lãnh vực cung cấp điện, thường quan tâm đến dạng ngắn mạch ba pha thường dạng ngắn mạch có dòng ngắn mạch lớn H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 94 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh Công suất ngắn mạch phía nguồn Công suất MBA cao/hạ áp Hệ số công suất Hệ số đồng thời Hệ số phát triển tương lai USC (%) Đặc điểm dây dẫn  Thanh dẫn: - Chiều dài - Chiều rộng - Bề dày  Cáp: - Loại cách điện - Số lõi - Chiều dài - Tiết diện  Môi trường - Nhiệt độ môi trường xung quanh - Phương pháp lắp đặt - Số mạch kề Dòng ngắn mạch đầu cực máy biến áp Khả cắt Giá trò cài đặt cấu nhả Dòng ngắn mạch ngõ máy cắt Khả cắt Giá trò cài đặt cấu nhả Khả cắt Dòng ngắn mạch đầu máy cắt cuối Khả cắt Giá trò phụ tải Giá trò cài đặt cấu nhà Dòng ngắn mạch cuối đường dây cung cấp Hình 7.1 Thủ tục tính toán dòng ngắn mạch thiết kế lắp đặt điện H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn Máy cắt phía hạ áp mạng phân phối Dòng ngắn mạch đầu máy cắt phụ Giá trò cài đặt cấu nhà Giá trò dòng tiêu thụ Giá trò điện áp rơi Máy cắt 95 Máy cắt phụ mạng phân phối Máy cắt mạch cuối mạng phân phối Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh Dòng điện thiết kế Đặc điểm I2t cáp Đặc tuyến thời gian dòng điện máy cắt Quá tải độ Hình 7.2 Đặc tuyến I2t vật dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Hình 7.3 Đặc tuyến bảo vệ sử dụng máy cắt Đặc điểm I2t cáp Quá tải độ Đặc tuyến thời gian dòng điện cầu chì Hình 7.4 Đặc tuyến bảo vệ sử dụng cầu chì a Ngắn mạch ba pha đối xứng, b Ngắn mạch hai pha không chạm đất, c Ngắn mạch hai pha chạm đất, d Ngắn mạch pha chạm đất Hình Các dạng ngắn mạch dòng điện chúng H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 96 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh Các đặc tính dòng ngắn mạch  Thời gian tồn (thoáng qua, độ lâu dài)  Nguyên nhân: - Cơ học (dây dẫn bò hư, chập điện hai vật dẫn vật thể dẫn điện khác dụng cụ hay động vật) - Quá điện áp nội hay điện áp khí - Hư hỏng cách điện nhiệt độ, độ ẩm hay môi trường ăn mòn  Vò trí: bên hay bên thiết bò bảng điện phân phối điện Hậu ngắn mạch Hậu ngắn mạch thay đổi phụ thuộc vào loại thời gian ngắn mạch, điểm xuất ngắn mạch mạng điện công suất ngắn mạch Các hậu bao gồm:  Xuất hồ quang điện vò trí ngắn mạch, điều dẫn đến: - Phá hủy cách điện - Kết dính vật dẫn - Cháy nguy hiểm đến tính mạng  Trên mạng điện bò ngắn mạch: - Xuất lực điện động làm: biến dạng góp, đứt dây dẫn - Tăng nhiệt gia tăng tổn thất nhiệt làm phá hủy cách điện  Trên mạch điện khác mạng mạng điện lân cận: - Sụt áp suốt thời gian xảy ngắn mạch (từ vài ms đến vài trăm ms) - Cắt phần mạng điện, phạm vi cắt phụ thuộc vào thiết kế mạng mức phân biệt thiết bò bảo vệ - Mất ổn đònh động và/hoặc đồng hóa máy phát - Các nhiễu loạn mạch điều khiển, mạch thò 7.2 Đánh giá dòng ngắn mạch Xét mạng điện đơn giản gồm có nguồn AC công suất không đổi, công tắc, trở kháng Zsc (đại diện cho tất điện trở R điện kháng X từ nguồn đến điểm ngắn mạch) trở kháng tải Zs (Hình 7.6) Khi công tắc đóng dòng điện thiết kế Is chạy qua mạch điện Khi ngắn mạch xảy A B, trở kháng không đáng kể hai điểm gây dòng điện ngắn mạch Isc lớn bò giới hạn trở kháng Zsc Z sc  R  X (7.1) Dòng điện Isc phát triển điều kiện độ phụ thuộc vào điện kháng X điện trở R cấu thành trở kháng Zsc Trong mạng điện phân phối, điện kháng X = L thường lớn điện trở R tỷ lệ R/X khoảng 0.1  0.3 Tỷ lệ R/X ngang cossc cho giá trò thấp: R (7.2) cos sc  R  X2 H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 97 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh Tuy nhiên, tỷ lệ R/X thay đổi theo hướng phụ thuộc vào khoảng cách điểm ngắn mạch máy phát thường điện kháng máy phát thấp điện kháng nối kết máy phát điểm ngắn mạch Hình 7.6 Sơ đồ mạch điện đơn giản Ngắn mạch xa máy phát Đây tình thường xảy Các dòng độ hệ việc áp điện áp ngang qua mạch điện trở – điện kháng Điện áp là: e = E sin (t + ) (7.3) Dòng điện i tổng hai thành phần: i = ia + idc (7.4)  Thành phần thứ ia dòng điện xoay chiều hình sin: ia = I sin (t+ ) E Với I dòng điện cực đại, I = Z sc (7.5)  góc lệch pha điện áp ngắn mạch điện áp không (zero)  Thành phần thứ hai idc dòng điện không chu kỳ: idc =  I sin  e R  t L (7.6) Giá trò ban đầu phụ thuộc vào  mức suy giảm tỷ lệ với tỷ số R/L Tại thời điểm bắt đầu ngắn mạch, i = theo đònh nghóa (dòng điện thiết kế Is không đáng kể) Do đó: i = ia + idc = Xuất ngắn mạch Hình 7.7 Dạng dòng ngắn mạch thành phần ngắn mạch xa máy phát H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 98 Giáo trình cung cấp điện  PGS.TS Quyền Huy Ánh R t L tỷ lệ nghòch với giảm dần thành phần không chu kỳ xác đònh tỷ Hệ số e số R/L R/X Để xác đònh dung lượng cắt cần thiết theo yêu cầu máy cắt lực điện động mà thiết bò phải có khả chòu đựng giá trò ip cần phải tính toán Giá trò suy từ giá trò hiệu dụng dòng điện ngắn mạch đối xứng Ia sử dụng phương trình: i p  K 2I a Với K hàm tỷ số R/X R/L, tra từ đường cong Hình 7.9 idc Hình 7.7 trình bày đồ thò tổng hợp i tổng đại số hai thành phần ia Hình 7.8 minh họa hai trường hợp biên việc phát triển dòng điện ngắn mạch, xem xét mạng đơn pha điện áp xoay chiều Thời điểm xuất ngắn mạch hay thời điểm đóng mạch, điều phản ánh qua điện áp mạng điện đặc trưng góc đóng  (xuất cố) Điện áp mô tả biểu thức: u = Esin(t+ ) (7.7) Dòng điện biến đổi theo biểu thức :  t E i = sin(t    )  sin(  )e L  Z  R (7.8) Với hai thành phần: thành phần xoay chiều có góc lệch pha  điện áp thành phần không chu kỳ giảm tới không t tiến tới vô b Không đối xứng a Đối xứng Hình 7.8 Đồ thò dạng dòng ngắn mạch hai trường hợp biên đối xứng không đối xứng Do đó, hai trường hợp biên xác đònh bởi:   = = cho đối xứng cân (Hình 7.8a) Dòng ngắn mạch xác đònh biểu thức: E i = sin (t) mà từ lúc khởi đầu có dạng trạng thái xác lập với giá trò Z đỉnh E/Z   = cho không đối xứng hay không cân (Hình 7.8b) H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 99 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh Dòng điện ngắn mạch xác đònh biểu thức: i=  t E [sin(t -) - sin e L ] Z R (7.9) Giá trò đỉnh ban đầu ip phụ thuộc vào , có nghóa phụ thuộc vào tỷ số cos = R/X mạch điện Hình Quan hệ hệ số K phụ thuộc vào R/X R/L Ngắn mạch gần máy phát Khi ngắn mạch xảy vùng lân cận máy phát cung cấp điện cho mạng điện, biến thiên trở kháng máy phát, ởû trường hợp quan trọng nhất, làm giảm dòng điện ngắn mạch Các điều kiện phát triển dòng độ phức tạp biến đổi sức điện động gây nên dòng ngắn mạch Để đơn giản hóa, sức điện động xem số điện kháng nội máy phát thay đổi Điện kháng phát triển giai đoạn:  Siêu độ (từ 10 – 20 ms ngắn mạch)  Quá độ (lên tới 500 ms)  Xác lập (sau 500 ms) Lưu ý trình tự nêu điện kháng đạt giá trò cao giai đoạn tiếp theo, có nghóa điện kháng siêu độ nhỏ điện kháng độ điện kháng độ lại nhỏ điện kháng xác lập Tác động điện kháng dẫn đến việc giảm từ từ dòng điện ngắn mạch tổng số thành phần (Hình 7.10):  thành phần xoay chiều (siêu độ, độ, xác lập)  Thành phần không chu kỳ sinh dòng mạch (cảm kháng) Thực tế thông tin phát triển dòng ngắn mạch không cần thiết Trong mạng hạ áp, tốc độ làm việc thiết bò đóng cắt, giá trò dòng ngắn mạch siêu độ ký hiệu I’’k biên độ đỉnh cực đại thành phần không chu kỳ ip cần thiết để xác đònh dung lượng cắt thiết bò bảo vệ lực điện động.Tuy nhiên mạng phân phối hạ áp ứng dụng cao áp dòng điện ngắn mạch độ thường sử dụng việc cắt xảy trước giai đoạn xác lập Đặc biệt trở nên hữu ích để sử dụng dòng cắt ngắn mạch, ký hiệu Ib nhằm xác đònh dung lượng cắt cắt mạch điện có thời gian trễ Ib giá trò dòng ngắn mạch thời điểm cắt có tác dụng, có nghóa theo thời gian t sau phát triển ngắn mạch Khi t = tmin, thời gian tmin (thời gian trễ tối thiểu) tổng số thời gian tác động tối thiểu rơle bảo vệ thời gian mở ngắn máy cắt hỗn hợp, có nghóa H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 100 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh thời gian ngắn xuất dòng ngắn mạch tách rời khởi đầu cực tiếp xúc thiết bò cắt mạch Lưu ý suy giảm điện kháng máy phát nhanh suy giảm thành phần không chu kỳ Đây tình xảy mà gây bảo hòa mạch tư øvà vấn đề ngắt mạch xuất vài chu kỳ xảy trước dòng vượt qua điểm không (zero) e) Siêu độ độ xác lập a Thành phần siêu độ, b Thành phần độ, c Thành phần xác lập, d Thành phần không chu kỳ, e Dạng dòng ngắn mạch tổng Hình 7.10 Các thành phần dòng ngắn mạch tổng Isc kết hợp thành phần Siêu độ Quá dộ Xác lập Hình 7.11 Dòng ngắn mạch gần máy phát 7.3 Các phương pháp đơn giản tính dòng ngắn mạch Isc Có hai phương pháp sử dụng để tính toán đơn giản dòng điện ngắn mạch mạng điện hình tia:  Phương pháp tổng trở chủ yếu dành riêng cho mạng có điện áp thấp, cho độ xác cao giá trò để dạy nó, tất đặc tính mạng điện điều tính toán  Phương pháp IEC 909 sử dụng chủ yếu cho mạng có điện áp cao độ xác tính giải tích Để đơn giản hoá việc tính toán ngắn mạch, cần có giả đònh sau: H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 101 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh  Mạng điện cho mạng hình tia với điện áp đònh mức từ điện áp thấp đến điện áp cao không vượt 230 kV, giới hạn qui đònh tiêu chuẩn IEC 909  Trong suốt trình ngắn mạch ba pha, dòng ngắn mạch giả đònh xảy đồng thời trì ba pha, ngắn mạch pha chạm đất trì pha chạm đất  Trong trình tồn dòng ngắn mạch điện áp sinh dòng điện trở kháng ngắn mạch không thay đổi đáng kể  Các điều chỉnh máy biến phận chuyển đổi đầu phân áp giả đònh đặt vò trí trung bình  Không tính đến điện trở hồ quang điện, điện dung dây, dòng điện tải, trở kháng thứ tự không Dưới đây, tập trung giới thiệu cách tính dòng ngắn mạch pha phương pháp tổng trở 7.4 Tính toán Isc sử dụng phương pháp tổng trở Ngắn mạch pha Dòng điện ngắn mạch Isc3 xác đònh theo biểu thức: Isc3= U/ Z sc (7.10) Với U điện áp dây, tương ứng với điện áp không tải máy biến áp, thường cao từ ÷ % điện áp có tải ngang qua đầu cực Ví dụ mạng điện 380 V, điện áp dây 410 V, U = 237 V điện áp pha Do đó, việc tính toán dòng ngắn mạch yêu cầu tính toán trở kháng tương đương Zsc Đây tất trở kháng mà Isc chạy qua từ nguồn đến vò trí ngắn mạch, có nghóa trở kháng nguồn dây dẫn (Hình 7.12) Thật trở kháng thứ tự thuận pha:  R  Zsc=  ( X) (7.11) Ở :  R tổng thành phần điện trở nối tiếp, X tổng thành phần điện kháng nối tiếp Thông thường, ngắn mạch pha tạo dòng ngắn mạch cao Dòng ngắn mạch sơ đồ tương đương hệ thống ba pha bò giới hạn trở kháng pha điện áp pha trung tính mạng điện Ngắn mạch hai pha không chạm đất Đây dạng ngắn mạch hai pha, cung cấp điện áp dây U Trong trường hợp này, dòng điện ngắn mạch Isc2 nhỏ ngắn mạch pha xác đònh theo biểu thức: Isc2 = U  I sc3  0.86I SC3 Z sc (7.12) Ngắn mạch pha trung tính không chạm đất Đây dòng ngắn mạch pha trung tính, cung cấp điện áp pha V = U Dòng ngắn mạch Isc1 xác đònh theo biểu thức: H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 102 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh Isc1 = U/ Z SC  Z Ln (7.13) Ở : ZLn tổng trở dây trung tính Trong trường hợp đặc biệt ngắn mạch pha – trung tính, trở kháng thứ tự không nguồn nhỏ Zsc (ví dụ trở kháng thứ tự không đầu cực máy biến áp nối hình - zic zac máy phát trạng thái siêu độ) dòng ngắn mạch pha trung tính lớn dòng ngắn mạch pha Ngắn mạch pha đất (một hai pha) Loại ngắn mạch làm cho trở kháng thứ tự không Z(0) tham gia vào mạch Ngoại trừ có máy quay (trở kháng thứ tự không bò suy giảm), dòng ngắn mạch Isc(0) nhỏ ngắn mạch pha Việc tính toán Isc(0) cần thiết, tùy thuộc vào hệ trung tính (cách xếp hệ thống nối đất), để xác đònh ngưỡng cài đặt thành phần thứ tự không (điện áp cao) ngắn mạch chạm đất (điện áp thấp) thiết bò bảo vệ b Ngắn mạch hai pha a Ngắn mạch ba pha c Ngắn mạch pha trung tính d Ngắn mạch pha chạm đất Hình 7.12 Các dạng ngắn mạch 7.5 Xác đònh tổng trở ngắn mạch Việc xác đònh dòng ngắn mạch dựa sở tổng trở mạch điện mà dòng ngắn mạch qua Tổng trở tính toán tổng riêng rẽ điện trở điện kháng khác mạch cố từ nguồn cung cấp đến vò trí ngắn mạch (những số khoanh tròn sử dụng để quay thông tin quan trọng đọc ví dụ phần 7.7) Các trở kháng mạng điện a Trở kháng mạng điện phiá nguồn Trở kháng tương đương mạng phiá nguồn điện là:   Zup = U2 SSC (7.14) Với U (kV) điện áp dây không tải mạng điện, Ssc (MVA) công suất ngắn mạch phía nguồn H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 103 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh Điện trở điện kháng phía nguồn suy từ Rup/Zup (cho mạng điện áp cao): - Rup/Zup = 0.3 cho cấp điện áp kV - Rup/Zup = 0.2 cho cấp điện áp 20 kV - Rup/Zup = 0.1 cho cấp điện áp 150 kV -   Xup = 0.98 Zup cho cấp điện áp 20 kV, xấp xỉ Xup = Zup b Trở kháng nội máy biến Trở kháng tính toán sở điện áp ngắn mạch Usc tính theo phần trăm:   Z T  U SC U2 () Sn (7.15) Ở đây: U (V) điện áp dây không tải máy biến áp, Sn (VA) dung lượng máy biến áp, Usc điện áp ngắn mạch máy biến áp (%) tra Bảng 7.1   Nói chung Rt 700 mm2 hay nhỏ (< 60 mm2) đường cong trở kháng Zl xem trùng với đường tiệm cận Do đó, trở kháng cáp tính đến giới hạn sai số nhỏ 5.1% so với: Điện trở cáp có tiết diện ngang nhỏ 74mm2 Điện kháng cáp có tiết diện ngang lớn 660mm2 Hình 7.13 Sai số tính toán dòng ngắn mạch bỏ qua trở kháng Zup phía nguồn Hình 7.14 Trở kháng Zl cáp ba pha lõi đồng 200C Trở kháng máy điện quay a Các máy phát đồng Thường tổng trở máy phát đồng e cho dạng phần trăm Do đó:   Z e U2 () 100 S n (7.18) Với: U (V) điện áp dây không tải máy phát, Sn (VA) dung lượng máy phát  Giá trò R/X thấp vào khoảng từ 0.05 ÷ 0.1 cho mạng trung áp 0.1 ÷ 0.2 cho mạng hạ áp, trở kháng Z lấy gần với điện kháng X Các giá trò e trình bày Bảng 7.4 cho máy phát – tua bin có rôto cực ẩn máy phát thủy điện có cực lồi (tốc độ thấp) 11 Lưu ý điện kháng trạng thái xác lập vượt 100% (vào thời điểm Isc < In) Mặc dù vậy, dòng ngắn mạch thường mang tính cảm thu hút hầu hết công suất phản kháng H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 106 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh mà hệ thống kích từ cung cấp, chế độ kích thích dòng đònh mức thường mang công suất tác dụng cung cấp tua-bin (cos từ 0.8 ÷1) Bảng 7.4 Giá trò điện kháng máy phát Điện kháng Loại máy Siêu độ (%) Quá độ (%) Xác lập (%) Máy phát cực lồi 10  20 15  25 150  230 Máy phát cực ẩn 15  25 25  35 70 120 b Các máy bù đồng động đồng Phản ứng máy suốt trình ngắn mạch tương tự phản ứng máy phát điện  Chúng sinh dòng điện mạng điện dòng điện phụ thuộc vào điện kháng chúng (theo tỷ lệ %), (Bảng 7.5) 12 c Các động điện không đồng Khi động điện không đồng bò cắt khỏi mạng điện, trì điện áp ngang qua đầu cực vài phần trăm giây  Do đó, động xem nguồn có khả cung cấp cho góp dòng điện lần tổng dòng điện đònh mức tất động điện trang bò 13 Bảng 7.5 Giá trò điện kháng động máy bù đồng Điện kháng Siêu độ (%) Quá độ (%) Xác lập (%) Động tốc độ cao 15 25 80 Động tốc độ thấp 35 50 100 Máy bù 25 40 160 Loại máy Các trở kháng khác a Máy ngắt điện  Các thiết bò (máy cắt, công tắt tơ với cuộn dây đóng cắt bên ngoài, rơle nhiệt trực tiếp ) có trở kháng cần tính đến tính toán ISC 14  Ví dụ máy cắt hạ áp giá trò điện kháng tiêu biểu 0.15m giá trò điện trở bỏ qua Đối với thiết bò đóng ngắt, phân biệt cần phải tính đến phụ thuộc vào tốc độ mở 15 Một vài thiết bò mở nhanh làm giảm đáng kể dòng ngắn mạch Đây trường hợp tác động nhanh, cho phép làm giảm kích cỡ máy cắt tác hại lực điện động ứng suất nhiệt phần quan tâm, trì xa mức cực đại lý thuyết   Các thiết bò khác máy cắt có thời gian trễ không mang lại lợi b Hồ quang ngắn mạch Dòng ngắn mạch thường qua cung hồ quang vò trí ngắn mạch Điện trở cung hồ quang xem xét hay biến đổi nhiều Sụt áp cung hồ quang thay đổi khoảng 100 ÷ 300 V Đối với mạng điện áp cao, sụt áp bỏ qua so với điện áp mạng điện cung hồ quang tác động giảm dòng ngắn mạch Tuy nhiên, mạng điện áp H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 107 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh thấp, xuất cung hồ quang dòng ngắn mạch thật bò giới hạn tới mức nhỏ so với giá trò tính toán (ngắn mạch lâu dài) điện áp thấp nhiều 16  Ví dụ, cung hồ quang sinh từ ngắn mạch vật dẫn hay góp làm giảm dòng ngắn mạch xảy từ 20 - 50% giảm lớn 50% cho điện áp đònh mức 440 V Tuy nhiên, tượng thuận lợi nhiều mạng điện áp thấp nơi xảy đến 90% cố, không cần phải ý xác đònh khả ngắt 10% cố xảy trình đóng thiết bò, tạo ngắn mạch liên tục mà hồ quang điện Hiện tượng hồ quang cần phải ý đến xác đònh dòng ngắn mạch cực tiểu c Các loại trở kháng khác Các phần tử khác bổ sung vào trở kháng bỏ qua Đây trường hợp thiết bò lọc họa tần cuộn cảm sử dụng để giới hạn dòng ngắn mạch Chúng phải kể đến tính toán, chẳng hạn như, máy biến dòng có cuộn dây sơ cấp với giá trò trở kháng thay đổi phụ thuộc vào công suất đònh mức loại kết cấu 7.6 Quan hệ tổng trở mức điện áp khác mạng điện Các trở kháng hàm điện áp Công suất ngắn mạch Ssc điểm cho trước mạng điện xác đònh theo biểu thức: S sc  U.I SC  U2 Z sc (7.19) Biểu thức có hàm ý Ssc bất biến điểm cho trước mạng điện điện áp U Trong biểu thức I SC  tất trở kháng tính toán phải quy mức điện áp 3Z SC vò trí ngắn mạch Điều dẫn đến vấn đề phức tạp thường tạo sai số tính toán cho mạng điện có hai nhiều mức điện áp Ví dụ, trở kháng đường dây cao áp phải nhân với bình phương hàm nghòch đảo tỷ số biến đổi tính ngắn mạch phía điện áp thấp máy biến áp 17  Z LV U  Z HV  LV  U HV    (7.20) Ở : ZLV tổng trở qui phía hạ áp tổng trở ZHV ; ULV, UHV điện áp hạ áp cao áp Một cách đơn giản để tránh gặp khó khăn phương pháp tính ngắn mạch hệ đơn vò tương đối đề nghò H Rich Tính ngắn mạch hệ đơn vò tương đối Đây phương pháp tính toán sử dụng nhằm thiết lập mối quan hệ trở kháng mức điện áp khác mạng điện Phương pháp tính toán thường sử dụng để tính toán ngắn mạch trường hợp mạng điện có nhiều cấp điện áp khác không cần qui đổi trở kháng điện áp, nơi xuất điểm ngắn mạch Điều thực đại lượng tính toán : U, I, X Z đưa đại lượng tương đối sau chọn đại lượng Do tồn quan hệ : H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 108 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh I X S 3U U 3I (7.21) (7.22) nên thực tế cần chọn hai đại lượng Sb Ub, hai đại lượng lại xác đònh theo hai biểu thức nêu Về nguyên tắc, giá trò Sb Ub chọn tùy ý Tuy nhiên, để thuận tiện tính toán thường chọn Sb = Smax (Smax công suất đònh mức tổ máy phát hay biến áp có công suất lớn mạng điện), Ub = Un (Un điện áp dây đònh mức mạng điện) Do cấp điện áp mạng điện có quan hệ với qua tỉ số máy biến áp nên chọn Ubj cho cấp điện áp thứ j điện áp cấp điện áp thứ i xác đònh theo biểu thức Ubi = Kij Ubj Ở đây: Kij tỷ số biến áp máy biến áp liên lạc hai cấp điện áp i j Các trở kháng tương đối phần tử mạng điện xác đònh theo biểu thức: X X Rk  k (7.23) X bk Ở đây: Xk trở kháng phần tử thứ k tính hệ đơn vò có tên, Xbk trở kháng bản, XRk trở kháng tương đối phần tử thứ k Lưu ý phương pháp tính toán ngắn mạch hệ đơn vò tương đối thường sử dụng để tính ngắn mạch mạng cao áp nên thành phần điện trở Rk bỏ qua Sau tính toán tất trở kháng tương đối dòng điện ngắn mạch tương đối xác đònh theo biểu thức sau: (7.24) I RSC   X Rk Từ đó, suy dòng ngắn mạch ISC hệ đơn vò có tên điểm có cấp điện áp Ui thông qua dòng điện Ibi : 16 U bi I bi  (7.25) Sb ISC = IRSC Ibi (7.26) 7.7 Ví dụ tính toán Xét mạng điện 22 kV, cung cấp điện cho trạm phụ qua đường dây không dài km máy phát MVA nối song song, cung cấp điện cho góp trạm Hai máy biến áp 1000 kVA nối song song cung cấp điện cho góp điện áp thấp.Thanh góp cung cấp điện qua 20 đường dây cho 20 động điện có đường dây cung cấp điện cho động M Tất động điện có công suất đònh mức 50 kW, cáp nối kết đồng động vận hành xảy ngắn mạch (Hình 7.15) Tính dòng ngắn mạch ISC điểm sau:  Điểm A góp điện áp cao có trở kháng bỏ qua  Điểm B góp điện áp thấp khoảng cách 10 m từ máy biến áp  Điểm C góp tủ phân phối điện áp thấp  Điểm D đầu cực động M H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 109 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh Sau đó, dòng điện ngược động điện phải tính toán điểm C B, tính C D Mạng phía nguồn U1 = 22 kV, PSC = 500 MVA Đường dây không L cáp lõi đồng tiết diện 50 mm2, l =2 km Máy phát G MVA, Tổng trở e = 15% Hai máy biến áp 1000 kVA, 20/0,42kV, USC % = 5% Tủ phân phối hạ áp MDB Thanh góp, thanh, 400 mm2/ph, đồng, dài 10 m Đường dây liên kết 1: L1 Cáp lõi đơn/pha, 400 mm2, nhôm, phân bố mặt phẳng, dài 80m Tủ phân phối hạ áp phụ Đường dây liên kết Cáp pha, 35 mm2, đồng, dài 30 m Động 50 kW, e= 25% Hình 7.15 Sơ đồ tính giá trò Isc điểm A, B, C D Tính điện kháng X điện trở R với điện áp riêng chúng mạng điện, kết trình bày bảng 7.6 Tính dòng ngắn mạch điểm A, B, C D a Ngắn mạch A (thanh góp điện áp cao) Trở kháng " mạng điện + đường dây " nối song song với trở kháng máy phát, nhiên trở kháng máy phát lớn nhiều bỏ qua: XA = 0.78 + 0.8 = 1.58  RA = 0.88 = 0,88  ZA = R A2  X A2  1,81 ISCA = Với 20 x10 3 x1.81  6380 A RA  0,56 K = 1.2 (đường cong Hình 7.9) giá trò dòng đỉnh không đối xứng iSCA XA xác đònh sau: iSCA = 1.2 x x 6380  10826 A b Ngắn mạch B (các góp tủ phân phối điện áp thấp) Các điện kháng X điện trở R tính vùng điện áp cao phải qui mạng điện có điện áp thấp cách nhân với bình phương tỷ số điện áp Có nghóa là: (420/22000)2 = 0,364 10-3 Từ đó: XB = (XA 0,364 10-3).103 + (4,4 + 0,15 + 1,5) = 6,63 m H S ph m K thu t Tp HCM 17 feee.hcmute.edu.vn 110 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh RB = (RA 0,364 10-3).103 + 0,88= 1.20 m ZB= RB2  X B2  6,74 m ISCB = Với 420 x 6,74 x10 3  35978 A RB  0,18 K = 1,58 dòng đỉnh iSCB xác đònh sau: XB iSCB = 1,58x x35978 = 80156A Hơn nữa, hồ quang ngắn mạch xét đến (xem phần hồ quang ngắn mạch giảm xuống với giá trò cực đại 17989A giá trò cực tiểu 7196A 16 ) ISCB Bảng 7.6 Giá trò điện trở điện kháng tổng điểm ngắn mạch tính toán Thứ tự 20 kV Hệ thống Đường dây không Máy phát Tính toán Chỉ số vòng tròn phần giải thích phần trình bày nêu  Zup = (22)2/500  Xup = 0.98 Zup  Xco = 0.4 x 0,022 x 2000 50 15 (20 x10 ) x XG  100 10 Rco  Kết X() 0.78 0.8 60 RG = 0.1 Xg Ngắn mạch A 410 V Máy biến áp Máy cắt 6.Thanh dẫn (3 x 400 mm2) Ngắn mạch B Máy cắt Cáp đơn (3x400 mm2/pha) Ngắn mạch C Máy cắt 10 Cáp pha (35 mm2) 1.58 X (m) ZT  420 x x x10 3 100 1000.10 XT = ZT RT = 0.2 XT XCB = 0.15 XB = 0.15 x 10 RB  0,0220 x 4.4 0.88  10 x 400 80 x10 3x 400 30 10 35 Ngắn mạch D H S ph m K thu t Tp HCM 0.15 1.5  0.0 6.63 0.15 12 XCB = 0.15 XL2 = 0.08 x 30 RL2 = 0.022 x 0.88 R (m)  XCB = 0.15 Xc1 = 0.15 x80 Rc1  0,036 x 0 0.88   R() 2.4   18.78 0.15 2.4 3.6 18.86 21.33 feee.hcmute.edu.vn 1.20 22.46 111 Giáo trình cung cấp điện 11 Động 50 kV PGS.TS Quyền Huy Ánh XM  25 420 x 10 3 100 50 x10 881 RM = 0.2 XM 176 c Ngắn mạch C (các góp tủ phân phối điện áp thấp) Các điện trở điện kháng máy cắt cáp phải cộng vào XB RøB XC = (XB+ 0,15+ 12) = 18,78 m RC = (RB+ 2,4) = 3,6 m Những giá trò làm rõ tính quan trọng việc giới hạn dòng Isc cáp Z C  R C2  X C2 =19,12 m I SCC  Với 420 x 19,12 x 10 3 = 12683A Rc = 0,19 K = 1.55 dòng đỉnh iSCC xác đònh sau: XC iSCC = 1,55 12683 = 27797A d Ngắn mạch D (động điện áp thấp) Các điện trở điện kháng máy cắt cáp phải cộng vào XC RC XD = (XC+ 0.15+ 2.4) = 21.33 m RD = (Rc+ 18.86) = 22.46 m Z D  R 2D  X 2D = 30.97 m I SCD  Với 420 x 30.97 x 10 3 = 7830A RD = 1,05 với K = 1,05 dòng đỉnh iSCD xác đònh sau: XD iSCD = x1,05x7830 = 11625A e Các dòng điện ngược động điện Thường xem xét cách đơn giản động máy phát độc lập, cung cấp đến điểm ngắn mạch dòng điện “ngược”, dòng xếp chồng lên dòng điện ngắn mạch mạng điện - Ngắn mạch C Dòng điện động tạo tính toán sở trở kháng động điện cáp: XM = (881+2.4) = 883,4 m RM = (176 + 18,86) = 194,9 m Do đó: ZM = 904,6m 420 = 268A IM = x 904.6 x 10 3 Đối với 20 động thì: IMC = 5360A Thay thực tính toán trên, xác đònh dòng điện cung cấp tất động điện lần dòng điện đònh mức chúng (95 A) 13 , có nghóa là: x 95 x 20 = 5700 A Con số gần với giá trò IMC (5360A) H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 112 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh Trên sở R/X = 0.22 với K = 1.5 dòng đỉnh iMC = 1.5 5360 = 11369A Kết dòng điện ngắn mạch (siêu độ) ISCC góp điện áp thấp gia tăng từ 12683A đến 18043A iSCC gia tăng từ 27797A đến 39166A - Ngắn mạch D Trở kháng tính đến 1/19 ZM cộng với trở kháng cáp 881 XMD = ( +2.4) = 48,8 m 19 176 RMD = ( +18.86) = 28,1 m 19 Do đó: ZMD = 56,3 m 420 = 4307A IMD = x 56,3 x 10 3 Với R/X = 0,56 K = 1,2 dòng đỉnh iSCD xác đònh sau: iSCD = 1,2 4307 = 7308A Dòng ngắn mạch tổng D: ISCD = 7830 + 4307 = 12137A Dòng đỉnh tổng D: iSCD = 11625 + 7308 =18933A - Ngắn mạch B Khi ngắn mạch B, dòng điện động cung cấp tính toán dựa sở trở kháng động cáp: XM = (881+2.4+12) = 895.4m RM = (176+18.86+2.4) = 197.3 m Do đó: ZM = 916,9 m 420 = 264A IM = x 916.9 x 10 3 Đối với 20 động điện IMB = 5280A Sử dụng tỷ số R/X = 0.22, suy K= 1.5 dòng đỉnh iMB = 1.5 x x 5280 = 11199A Kết dòng điện ngắn mạch (siêu độ) ISCB tủ phân phối điện áp thấp gia tăng từ 35978A lên đến 41258 A dòng đỉnh iSCB từ 80156A đến 91355A Tuy nhiên, đề cập trên, hồ quang ngắn mạch xem xét iSCB bò hạ xuống 18271A đến 45667A - Ngắn mạch A (phía điện áp cao) Dòng ngược động điện A tính toán cách nhân giá trò B với tỷ số biến đổi điện áp cao/điện áp thấp 17 , có nghóa là: 420 5280 x =100 A 22 x 10 3 Con số so sánh với 6380A tính trước không đáng kể H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 113 [...]...Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh Điện trở và điện kháng phía nguồn có thể được suy ra từ Rup/Zup (cho mạng điện áp cao): - Rup/Zup = 0.3 cho cấp điện áp 6 kV - Rup/Zup = 0.2 cho cấp điện áp 20 kV - Rup/Zup = 0.1 cho cấp điện áp 150 kV -   Xup = 0.98 Zup cho cấp điện áp 20 kV, do đó xấp xỉ Xup = Zup b Trở kháng nội của máy biến thế Trở kháng có thể được tính toán trên cơ sở của điện áp ngắn... song, cung cấp điện cho các thanh góp của trạm này Hai máy biến áp 1000 kVA được nối song song cung cấp điện cho thanh góp điện áp thấp.Thanh góp này cung cấp điện qua 20 đường dây cho 20 động cơ điện trong đó có một đường dây cung cấp điện cho động cơ M Tất cả các động cơ điện có công suất đònh mức 50 kW, các cáp nối kết là đồng nhất và các động cơ đang vận hành khi xảy ra ngắn mạch (Hình 7. 15) Tính... dòng điện ngắn mạch tương đối có thể xác đònh theo biểu thức sau: 1 (7. 24) I RSC   X Rk Từ đó, có thể suy ra dòng ngắn mạch ISC trong hệ đơn vò có tên tại điểm có cấp điện áp Ui thông qua dòng điện cơ bản Ibi : 16 U bi I bi  (7. 25) 3 Sb ISC = IRSC Ibi (7. 26) 7. 7 Ví dụ tính toán Xét mạng điện 22 kV, cung cấp điện cho trạm phụ qua đường dây trên không dài 2 km và một máy phát 1 MVA nối song song, cung. .. Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh mà hệ thống kích từ có thể cung cấp, ngay cả ở chế độ quá kích thích trong khi dòng đònh mức thì thường mang công suất tác dụng được cung cấp bởi tua-bin (cos từ 0.8 ÷1) Bảng 7. 4 Giá trò điện kháng các máy phát Điện kháng Loại máy Siêu quá độ (%) Quá độ (%) Xác lập (%) Máy phát cực lồi 10  20 15  25 150  230 Máy phát cực ẩn 15  25 25  35 70 120 b... công suất lớn nhất trong mạng điện) , Ub = Un (Un là điện áp dây đònh mức của mạng điện) Do các cấp điện áp trong mạng điện có quan hệ với nhau qua tỉ số của máy biến áp nên khi đã chọn Ubj cho cấp điện áp thứ j thì mặc nhiên điện áp cơ bản của cấp điện áp thứ i được xác đònh theo biểu thức Ubi = Kij Ubj Ở đây: Kij là tỷ số biến áp của máy biến áp liên lạc giữa hai cấp điện áp i và j Các trở kháng tương... xác đònh được dòng điện cung cấp bởi tất cả các động cơ điện bằng 3 lần dòng điện đònh mức của chúng (95 A) 13 , có nghóa là: 3 x 95 x 20 = 570 0 A Con số này rất gần với giá trò của IMC (5360A) H S ph m K thu t Tp HCM feee.hcmute.edu.vn 112 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh Trên cơ sở của R/X = 0.22 với K = 1.5 thì dòng đỉnh iMC = 1.5 2 5360 = 11369A Kết quả là dòng điện ngắn mạch (siêu... qui về mạng điện có điện áp thấp bằng cách nhân với bình phương của tỷ số điện áp Có nghóa là: (420/22000)2 = 0,364 10-3 Từ đó: XB = (XA 0,364 10-3).103 + (4,4 + 0,15 + 1,5) = 6,63 m H S ph m K thu t Tp HCM 17 feee.hcmute.edu.vn 110 Giáo trình cung cấp điện PGS.TS Quyền Huy Ánh RB = (RA 0,364 10-3).103 + 0,88= 1.20 m ZB= RB2  X B2  6 ,74 m ISCB = Với 420 3 x 6 ,74 x10 3  35 978 A RB  0,18 thì... 0 0 0.88   R() 2.4   18 .78 0.15 2.4 3.6 18.86 21.33 feee.hcmute.edu.vn 1.20 22.46 111 Giáo trình cung cấp điện 11 Động cơ 50 kV PGS.TS Quyền Huy Ánh XM  25 420 2 x 10 3 3 100 50 x10 881 RM = 0.2 XM 176 c Ngắn mạch tại C (các thanh góp của tủ phân phối điện áp thấp) Các điện trở và điện kháng của máy cắt và cáp phải được cộng vào XB và RøB XC = (XB+ 0,15+ 12) = 18 ,78 m và RC = (RB+ 2,4) = 3,6... 12683 = 277 97A d Ngắn mạch tại D (động cơ điện áp thấp) Các điện trở và điện kháng của máy cắt và các cáp phải được cộng vào XC và RC XD = (XC+ 0.15+ 2.4) = 21.33 m RD = (Rc+ 18.86) = 22.46 m Z D  R 2D  X 2D = 30. 97 m I SCD  Với 420 3 x 30. 97 x 10 3 = 78 30A RD = 1,05 với K = 1,05 và do đó dòng đỉnh iSCD được xác đònh như sau: XD iSCD = 2 x1,05x7830 = 11625A e Các dòng điện ngược của động cơ điện. .. các máy phát điện  Chúng sinh ra dòng điện trong mạng điện và dòng điện này phụ thuộc vào điện kháng của chúng (theo tỷ lệ %), (Bảng 7. 5) 12 c Các động cơ điện không đồng bộ Khi các động cơ điện không đồng bộ bò cắt khỏi mạng điện, nó duy trì một điện áp ngang qua các đầu cực trong một vài phần trăm giây  Do đó, các động cơ này có thể được xem như một nguồn duy nhất có khả năng cung cấp cho các thanh