Chương 6: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH pptx

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
cbncbn
III .
*


Ví dụ :
Tính dòng ngắn mạch 3 pha tại điểm N2 như hình vẽ
Chọn cấp điện áp cơ bản là 10.5kV, S
cb
= 1000MVA
AC-95 có r
0
= 0.33, x

0
= 0.415. AC-50 có r
0
=0.64, x
0
=0.392
c. Tính ngắn mạch khi có 2 nguồn
Khi tính ngắn mạch trong hệ thống có 2 nguồn, ta dùng phép biến đổi tương đương.
Xét hệ thống có 2 nguồn E
1*
và E
2*
như hình vẽ
Có thể biến đổi sơ đồ trên thành sơ đồ một nguồn
Với các công thức sau:
*1
*1
1
Z
Y 
*2
*2
1
Z
Y 
*2*1*12
YYY 
*12
*12
1

Y
Z 
*2*1
*2*2*1*1
*12

YY
YYE
E



Ví dụ :
Tính dòng ngắn mạch 3 pha tại điểm N như hình vẽ
Chọn cấp điện áp cơ bản là 10.5kV, Scb = 100MVA