Tính toán ngắn mạch khí cụ điện bảo vệ

CHƯƠNG 7
TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
- KHÍ CỤ ĐIỆN BẢO VỆ

1


7.1. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
Ngắn mạch là hiện tượng vì lý do nào đó mạch điện bị chập lại 1
điểm nào đó làm cho tổng trở nhỏ đi và dòng điện trong mạch tăng lên
đột ngột Hậu quả :
- Phá hỏng kết cấu của thiết bị điện, gây chạm chập cháy nổ.
- Làm nhiệt độ lên cao phá huỷ cách điện cũng gây ra cháy nổ phá
huỷ thiết bị.
Có nhiều dạng ngắn mạch :
- Ngắn mạch 3 pha.
- Ngắn mạch 2 pha.
- Ngắn mạch 1 pha chạm đất.
Thông thường, ngắn mạch 3 pha là nguy hiểm nhất ⇒ tính toán
ngắn mạch 3 pha để xác định khả năng cắt của thiết bị bảo vệ, kiểm
tra ổn định nhiệt của dây, kiểm tra độ bền điện động v.v...
2


7.1. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
1/ Dòng ngắn mạch tại ngõ ra của MBA trung / hạ thế :
với
- IN (A) dòng ngắn mạch
- Iđm (A) : dòng định mức thứ cấp MBA
- Sđm (KVA): công suất định mức của
MBA

- U20 : điện áp thứ cấp hở mạch của
MBA
U20 = 1,05 Ud (Ud : điện áp định
mức lưới hạ áp)
VD : Ud = 380V
U20 = 1,05. 380
= 399 ≈ 400 V

- UN(%) : điện áp ngắn mạch
phần trăm của MBA
tra
theo catalogue của MBA, hoặc
tham khảo theo bảng sau :
Sđm
(KVA)

UN(%)
MBA dầu MBA khô

50 ÷ 70

4

6

800 ÷ 3200

6

6

3


7.1. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
1/ Dòng ngắn mạch tại ngõ ra của MBA trung / hạ thế :
Ví dụ :
MBA dầu
22kV/0,4kV
Sđm = 400KVA

IN = ? KA

Thực tế, dòng ngắn mạch tại ngõ thứ cấp biến áp nhỏ hơn giá trị
tính ở trên, do ảnh hưởng của tổng trở phía trung theá.
4


7.1. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
2/ Dòng ngắn mạch tại các điểm trong mạng hạ thế :
Dòng ngắn mạch 3 pha tại 1 điểm trong mạng hạ thế được tính như
sau :

với :

U20 : điện áp không tải (hở mạch) của máy biến áp
ZT : tổng trở từ thượng nguồn đến điểm ngắn mạch.
a) R, X, Z của thượng nguồn trung thế MV tính về trung thế :
- SN(KVA) : công suất ngắn mạch tại
đầu trung thế (qui định theo quốc gia)

- U20(V): điện áp thứ cấp hở mạch

Ở VN : SN = 500MVA ⇒ Neáu U20 = 400 V ⇒ Ta coù :
Za = 0,32 (mΩ)
Xa = 0,318 (mΩ)
Ra = 0,032 (mΩ)
5


7.1. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
2/ Dòng ngắn mạch tại các điểm trong mạng hạ thế :
b) R, X, Z của Máy Biến Áp:

Sđm(KVA); U(V); PN(W); Iđm(A); Ztr, Rtr, Xtr (mΩ)
VD : cho MBA coù 320KVA; 22kV/0.4kV; coù UN(%)=4(%); PN =
3900W. Tính Ztr, Rtr và Xtr

6


7.1. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
2/ Dòng ngắn mạch tại các điểm trong mạng hạ thế :
c) R, X của CB (Circuit Breaker, máy cắt hạ áp, áptomat)
Với mỗi CB : Rcb ≈ 0
Xcb = 0,15 (mΩ)
d) Thanh cái (Tại tủ điện):
Rtc = 0
Xtc = 0,15 . L

X(mΩ); L(m): chiều dài thanh cái

e) Đường dây :

Dây đồng : R =

22,5
.L
S ph

22,5
Dây nhoâm : R =
.L
S ph

Sph < 50mm2 : X = 0
Sph ≥ 50mm2 : X = 0,08. L
R, X (mΩ);

L(m)

Sph(mm2)
7


7.1. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
3/ Phương pháp hợp thành
Dùng để tính nhanh (gần đúng) dòng ngắn mạch tại một điểm khi
đã biết dòng ngắn mạch tại thượng nguồn của nó

IN1 = 28kA

-IN1(kA): dòng NM tại thượng nguồn
-IN2(kA): dòng NM tại hạ nguồn.
-Up(V) : điện áp pha định mức
-Zs(mΩ) : tổng trở từ thượng nguồn
đến hạ nguồn
IN2 = ??

VD : Tính IN2 trên hình vẽ

* Chú ý : khi mạch cuối là đơn pha thì Zs phải tính cho cả 2 daây

8


7.2. KHÍ CỤ ĐIỆN BẢO VỆ

Khí cụ điện hạ áp: 401030

9


1. CẦU CHÌ (Fuse)
Cầu chì, cịn gọi là cầu chảy, mắc nối tiếp với mạch điện
cần bảo vệ. Khi có dịng điện lớn đi qua cầu chì bị nóng chảy
và cắt mạch điện.
1. Cấu tạo :
Gồm 3 phần chính : đế, vỏ và dây chảy
- Dây chảy là bộ phận chính làm bằng chì, thiếc, đồng, thau
bạc hay nikel.

- Cầu chì dạng hở thì khơng có vỏ. Cầu chì dạng hở và nửa
kín có thể thay dây chảy bởi người sử dụng.
- Vỏ cầu chì bằng nhựa, gốm, sứ hoặc thuỷ tinh. Cầu chì có
dịng định mức lớn cịn có chất nhồi trong vỏ để hạn chế hồ
quang.
Khí cụ điện hạ áp: 401030

10


1. CẦU CHÌ (Fuse)
Cầu chì, cịn gọi là cầu chảy, mắc nối tiếp với mạch điện cần bảo
vệ. Khi có dịng điện lớn đi qua cầu chì bị nóng chảy và cắt mạch
điện.
1. Cấu tạo :
Gồm 3 phần chính : đế, vỏ và dây chảy
- Dây chảy là bộ phận chính làm bằng chì, thiếc, đồng, thau bạc
hay nikel.
- Cầu chì dạng hở thì khơng có vỏ. Cầu chì dạng hở và nửa kín
có thể thay dây chảy bởi người sử dụng.
- Vỏ cầu chì bằng nhựa, gốm, sứ hoặc thuỷ tinh. Cầu chì có
dịng định mức lớn cịn có chất nhồi trong vỏ để hạn chế hồ quang.

- Cầu chì có nhiều dạng phân biệt theo kết nối giữa cầu chì và
đế cầu chì.
Khí cụ điện hạ áp: 401030

11

1. CẦU CHÌ (Fuse)

Khí cụ điện hạ áp: 401030

12


1. CẦU CHÌ (Fuse)
Cầu chì hạ áp được chế tạo theo tiêu chuẩn IEC 60269
2/ Phân loại và đặc tính cầu chì :
VD : loại gG, gM, aM, gD, gN, gU, gR, gS.
Chữ thứ nhất :
g (general) : cầu chì thơng dụng có phạm vi cắt tồn thang
a : cầu chì dự phịng hay cầu chì có phạm vi cắt phân thang
(partial range). Phạm vi cắt theo nhà sản xuất.

Khí cụ điện hạ áp: 401030

13


1. CẦU CHÌ (Fuse)
2/ Phân loại và đặc tính cầu chì :
Chữ thứ hai : liên quan chỉ cơng dụng
G (general)
thơng dụng
M (motor)
dùng cho động cơ
D (delay)
có trễ

N (Non-delay)
cắt nhanh
U (Utility)
dùng cho điện lực
S (Semiconductor)
dùng cho thiết bị bán dẫn
R (Radio)
dùng cho thiết bị vô tuyến.
3 loại thông dụng hiện nay là : gG, gM và aM

Khí cụ điện hạ áp: 401030

14


1. CẦU CHÌ (Fuse)
3/ Thơng số kỹ thuật :
a) Điện áp định mức Un(V) : VD : 230, 400, 500, 600 (V)
b) Dòng định mức In (A): là dòng mà cầu chì có thể dẫn trong
thời gian vơ hạn định mà khơng bị phá huỷ.
VD : dịng In của cầu chì gG : 2; 4; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32;
40; 50; 63; 80; 100; 125; 200; 250; 315; 400; 500; 630 (A)
c) Dịng khơng nóng chảy qui ước Inf (A) : là trị số mà tại đó cầu
chì có thể dẫn trong một thời gian ấn định tc (conventional)
d) Dịng nóng chảy qui ước If (A) : là trị số mà tại đó cầu chì sẽ
tác động trong một thời gian ấn định tc (conventional)
Khí cụ điện hạ áp: 401030

15

1. CẦU CHÌ (Fuse)
3/ Thơng số kỹ thuật :

Khí cụ điện hạ áp: 401030

16


1. CẦU CHÌ (Fuse)
3/ Thơng số kỹ thuật :

Khí cụ điện hạ áp: 401030

17


1. CẦU CHÌ (Fuse)
3/ Thơng số kỹ thuật :
e) Thời gian tiền hồ quang Tf(s) (Pre
arching time)
Là thời gian khi dịng điện đủ lớn
cho cầu chì chảy cho tới khi bắt đầu có
hồ quang.
f) Thời gian hồ quang Ta(s) : là thời
gian khi mới bắt đầu có hồ quang cho
đến khi hồ quang tắt hẳn.
g) Thời gian tác động Ttc(s) : là tổng
thời gian tf+ta

Khí cụ điện hạ áp: 401030

18


1. CẦU CHÌ (Fuse)
4/ Tác động của cầu chì
a) Cầu chì loại g :
Trong thời gian qui ước Tc, cầu chì khơng chảy khi I ≤ Inf và cầu
chì chảy khi I ≥ If.
b) Cầu chì loại a :
- Khi I ≤ k1.In
cầu chì chưa
chảy trong thời gian xác định
trên đường cong quá tải

k0 = 1,5
k1 = 4
k2 = 6,3

- Khi k1.In ≤ I ≤ k2.In
cầu chì
có thể chảy trong thời gian
lớn hơn đặc tuyến tiền hồ
quang.
- Khi I ≥ k2.In
cầu chì tác
động trong vùng đặc tuyến
thời gian

Khí cụ điện hạ áp: 401030

19


1. CẦU CHÌ (Fuse)
5/ Cơng dụng của cầu chì
- Cầu chì chống quá tải kém, nên phải thường dùng kèm thêm
KCĐ bảo vệ khác (CB, rơle nhiệt ...)
- Sử dụng cầu chì gG mà khơng có KCĐ hạn dịng khác thì phải
tính cỡ dây tải điện lớn hơn 1 cỡ để tránh dịng q tải yếu kéo dài.
- Cầu chì aM chỉ bảo vệ ngắn mạch (If = 4 In), khơng có cơng
dụng bảo vệ q tải, nên bắt buộc phải dùng kèm với KCĐ bảo vệ
quá tải.
*Thực tế, mỗi loại cầu chì của hãng đều có bảng tham khảo đặc
tính để người dùng lựa chọn.

Khí cụ điện hạ áp: 401030

20


1. CẦU CHÌ (Fuse)
6/ Chọn cầu chì
a) Mạch thơng thường (sinh hoạt, chiếu sáng...)
Cầu chì được chọn theo 2 điều kiện :
Un ≥ U lđ
(Ulđ : điện áp lưới điện)
In ≥ Ilvmax
(Itt : dịng làm việc max của mạch điện)

Khí cụ điện hạ áp: 401030

21


1. CẦU CHÌ (Fuse)
6/ Chọn cầu chì
b) Mạch động cơ
- Bảo vệ 1 động cơ : chọn theo 2 điều kiện:

Với :
Iđm : dòng định mức của động cơ
Imm = Kmm.Iđm : dòng mở máy của động cơ (Kmm: hệ số mở máy)
α = 2,5
động cơ mở máy nhẹ hoặc không tải (máy bơm)
α = 1,6
động cơ mở máy nặng tải (cần cẩu, cầu trục, máy
nâng)
Khí cụ điện hạ áp: 401030

22


1. CẦU CHÌ (Fuse)
6/ Chọn cầu chì
b) Mạch động cơ
- Bảo vệ nhiều động cơ : chọn theo 2 điều kiện :

Với :

Itt : dịng tính tốn tổng của nhóm động cơ
Imm-max : dịng mở máy của động cơ có dịng mở máy lớn nhất
trong nhóm
(Ku.Iđm) : tương ứng với động cơ có dịng mở máy lớn nhất
α : tuỳ theo tính chất của động cơ lớn nhất nói trên.
*Chú ý : với cầu chì loại aM thì khơng cần kiểm tra điều kiện 2
Khí cụ điện hạ áp: 401030

23


5.1. CẦU CHÌ (Fuse)
BÀI TẬP
Cho sơ đồ mạch điện như hình vẽ, có số liệu như trong bảng sau. Tồn
bộ thiết bị được sử dụng điện áp 3pha 380V. Hãy tính tốn và lựa chọn cầu
chì bảo vệ cho 4 đoạn dây. Cho biết động cơ là loại mở máy non tải
CC1

Đ1

CC2

CC4

Đ2

CC3
Đ3
Động
cơ

Công suất
Pđm (KW)

Hiệu suất
η

Hệ số công
suất (cosϕ
ϕ)

Hệ số mở
máy
(Kmm)

Hệ số sử
dụng Ku

Đ1

50

0,9

0,85

2

1

Đ2

20

0,9

0,8

3,5

0,9

Đ3

8

0,8

0,75

6

0,85

Khí cụ điện hạ áp: 401030

24


2. MÁY CẮT HẠ THẾ (CB-Circuit Breaker)

CB là loại KCĐ bảo vệ thông dụng nhất trong hệ thống điện.
CB thường được sử dụng trong các mạch điện hạ áp có điện
áp định mức tới 660V xoay chiều và 330V một chiều, dịng điện
định mức tới 6000A.
Cơng dụng của CB là tự động cắt mạch điện khi có sự cố quá tải,
ngắn mạch (Các CB cơng nghiệp có thể tích hợp thêm chức năng
chống quá áp, thấp áp, chống dòng rò v.v...).
Ngồi ra CB cịn được dùng để đóng cắt khơng thường xuyên các
mạch điện làm việc ở chế độ định mức.

Khí cụ điện hạ áp: 401030

25