tính toán phân bổ dòng điện trở về trong lưới điện phân phối 22kv

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009

14
TÍNH TOÁN PHÂN BỐ DÒNG ĐIỆN TRỞ VỀ
TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22KV
CALCULATIONS OF DISTRIBUTION OF RETURN
CURRENT ON 22KV NETWORK

Lê Kim Hùng, Trần Vinh Tịnh
Đại học Đà Nẵng
Võ Như Quốc
Công ty Điện lực 3

TÓM TẮT
Lưới điện phân phối (LĐPP) 22kV tồn tại dưới hai dạng cấu trúc 3 pha 3 dây và 3 pha 4
dây, với cấu trúc lưới khác nhau này dẫn đến sự khác nhau về các thông số kỹ thuật trong các
chế độ vận hành của hệ thống điện (HTĐ) [1], như: thông số chỉnh định bảo vệ rơle, mức di
trung tính và khả năng bất đối xứng của máy biến áp (MBA) trạm nguồn 22kV, sự phân bố
dòng điện trở về, mức độ an toàn điện đối với con người và các giới hạn cho phép của điện trở
nối đất tại trạm biến áp (TBA) nguồn 22kV. Bài báo này nghiên cứu sự khác nhau về phân bố
dòng điện trở về (DĐTV) đối với từng cấu trúc lưới điện.
ABSTRACT

The 22kV distribution networks exist under two forms: three phase three wire and three
phase four wire, the two different configurations lead to different parameters during network
operation such as: relay protection systems, neutral point displacement, asymmetry of
transformers at 22kV substations, distribution of return current, human safety and allowable
limits on earthing resistances at 22kV substations. This acticle presents the differences on
return current distribution on each network configuration.

1. Đặt vấn đề

Hiện nay ở Việt Nam đang tồn tại dạng cấu trúc LĐPP 22kV với đặc điểm như sau:
a. LĐPP 22kV với cấu trúc 3 pha 3 dây: gồm 3 dây pha không có dây trung tính đi
theo lưới điện.
b. LĐPP 22kV với cấu trúc 3 pha 4 dây: gồm 3 dây pha và có dây trung tính đi
theo lưới điện tạo thành lưới điện 4 dây, cứ khoảng 200 - 250m được nối đất lặp
lại (NĐLL) 1 lần.
Khi có sự không đối xứng (KĐX) trong HTĐ sẽ xuất hiện DĐTV (là dòng điện
thứ tự không 3I
0
2. Dòng điện trở về đối với LĐPP 22kV 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây
) đi về nguồn, do có cấu trúc lưới điện khác nhau dẫn đến sự phân bố
DĐTV đối với mỗi cấu trúc lưới điện cũng khác nhau, điều này ảnh hưởng đến chế độ
bảo vệ rơle và mức độ an toàn điện đối với con người… Vì vậy bài báo trình bày cách
tính toán DĐTV đối với các dạng cấu trúc lưới trên.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009

15
2.1. Dòng điện trở về trong chế độ vận hành bình thường của LĐPP 22kV
2.1.1. Đối với cấu trúc lưới 3 pha 3 dây

a. Tính toán ở chế độ tải 3 pha đối xứng: Xét LĐPP 22kV 3 pha 3 dây với đất làm
dây trung tính đặc trưng cho mạch trở về như hình 1.
Ta có quan hệ dòng điện như sau:
CBAtttv
IIIII
•••••
++==
(1)
Ở chế độ vận hành tải 3 pha đối xứng, dòng điện I
tt

= 0 → I
tv
b. Tính toán ở chế độ tải 3 pha KĐX: Trong chế độ vận hành (CĐVH) KĐX, để
tính chế độ KĐX ta áp dụng phương pháp thành phần đối xứng (TPĐX) [2].
= 0, do vậy không
có DĐTV chạy trong đất.
Hệ thống dòng điện KĐX I
A
, I
B
, I
C
được phân tách thành 3 hệ thống TPĐX
TTT I
1
, TTN I
2
và TTK I
0
CBAtv
IIIII
•••••
++==
0
3
, trong đó: dòng điện TTK là hệ thống 3 dòng điện bằng nhau
và đồng pha, chạy trong 3 pha và cùng chạy trong dây trung tính (chạy trong đất), do đó
DĐTV chạy trong đất là .
Nếu biết giá trị hiệu dụng của dòng điện pha I
A

, I
B
, I
C
có thể tính dòng điện
TTK I
0
I
gần đúng khi cosφ của phụ tải gần bằng 1 [2]:
2
0
= [I
A
2
+ I
B
2
+ I
C
2
- (I
A
I
B
- I
B
I
C
- I
A

I
C
* Với các MBA có cuộn dây đấu Y
)]/9 (2)
0
Công suất tác dụng tổn hao trên ĐTNĐ: ∆P
, với điểm trung tính nối đất thì trong trường hợp
KĐX, xuất hiện TPĐX dòng TTK chạy qua điện trở nối đất (ĐTNĐ). Kết quả là xuất
hiện tổn hao và điện áp trên điện trở đó, điện áp này có thể gây nguy hiểm cho con
người trong quá trình vận hành.
0
= (3I
0
)
2
.R
nđ
nđ
RIU .3
0
0
••
=∆
. Tổn hao điện áp trên
điện trở đất là: , trong quá trình vận hành điều kiện ∆U
0
< ∆U
cp
phải
được đảm bảo. Điều kiện an toàn U

tx
= 3I
0
. R
nđ
≤ U
txcp
.
Nhận xét
2.1.2. Đối với cấu trúc lưới 3 pha 4 dây
: Đối với cấu trúc 3 pha 3 dây, khi tải bất đối xứng càng lớn DĐTV càng lớn
dẫn đến mức di trung tính của MBA nguồn 22kV càng lớn và điện áp giáng trên ĐTNĐ
của trạm nguồn càng lớn nên tính không an toàn đối với con người càng cao.
a. Tính toán ở chế độ tải 3 pha đối xứng: Xét LĐPP 22kV 3 pha 4 dây (3 dây pha
Hình 1: LĐPP 22kV 3 pha 3 dây sử dụng đất làm dây trung tính.
I
A

I
B


I
C

Tải
R
nđnguồn

R

nđtải

I
tv

B B’
C
C’
A
A’
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009

16
và dây trung tính) như hình 2.
Ở CĐVH tải 3 pha đối xứng, dòng điện I
tt
= 0 → I
tv
b. Tính toán ở chế độ tải 3 pha
KĐX: Trong trường hợp này,
DĐTV được chia làm 2
phần, 1 phần đi trong dây
trung tính I
= 0, do vậy không có
DĐTV chạy trong dây trung tính và
đất.
tvtt
và 1 phần đi
trong đất I
tvđ

Dòng điện đi trong dây trung tính là:
[2].
21
21
0
3
uuNN
uumN
tvtt
ZZZ
ZZZ
II
++
++
=
(3)
Dòng điện đi trong đất là:

)1(33
21
21
00
uuNN
uumN
tvtttvd
ZZZ
ZZZ
IIII
++
++

−=−=
(4)
Trong đó: Z
mN
là tổng trở tương hỗ giữa mạch ”pha-đất” và mạch ”trung tính-đất”, Z
NN

là tổng trở mạch ”dây trung tính-đất”, Z
u1
là tổng trở nối đất của MBA nguồn, Z
u2
là
tổng trở nối đất của phụ tải hoặc lưới nhận điện.
Nhận xét
2.2. Dòng điện trở về trong chế độ sự cố của LĐPP 22kV
: Đối với cấu trúc 3 pha 4 dây, do có dây trung tính kết hợp với các cơ cấu
NĐLL nên DĐTV nguồn giảm đi dẫn đến mức di trung tính của MBA nguồn 22kV
giảm xuống, đồng thời điện áp giáng trên ĐTNĐ trạm nguồn 22kV giảm xuống, do vậy
cho phép mở rộng phạm vi cho phép của ĐTNĐ trạm nguồn (>0,5Ω) mà vẫn đảm bảo
tính an toàn cho con người.
Khi có sự cố ngắn mạch (NM) KĐX kèm chạm đất (NM 1 pha chạm đất N
(1)
và
NM 2 pha chạm đất N
(1,1)
2.2.1. Đối với cấu trúc lưới 3 pha 3 dây: Xét LĐPP 22kV 3 pha 3 dây với đất làm dây
trung tính đặc trưng cho mạch trở về như hình 3
), dòng điện sự cố chạm đất sẽ được phân ra giữa dây trung
tính và rất nhiều điểm NĐLL [3].
+ Ngắn mạch một pha chạm đất: Giả sử NM 1 pha chạm đất ở pha C như hình 4,

các TPĐX của dòng điện các pha như sau:
021
)1(
0
)1(
2
)1(
1
ZZZ
E
III
ccc
++
===
•
•••
(5)
021
)1(
0
)1(
2
)1(
1
)1(
3
ZZZ
E
IIII
cccc

++
=++=
•
••••
(6)
0
)1()1(
==
••
ba
II

Dòng điện đi trong đất trở về nguồn là:
Tải
R
nđnguồn
R
nđtải
I
tv

A A’
B B’
C
C’
Hình 3: LĐPP 22kV 3 pha 3 dây sử dụng đất làm
dây trung tính.
Tải
R
nđnguồn

R
nđtải

I
tvđ

A A’
B
B’
’
C
C’
I
tvtt

R
nđll
R
nđll

Hình 2: LĐPP 22kV 3 pha 4 dây có cơ cấu NĐLL.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009

17

021
)1(
0
)1(
3

3
ZZZ
E
III
cntv
++
===
•
•••
(7)
Dòng điện NM 1 pha I
N
(1)
02
2
)1,1(
1
)1,1(
0
02
0
)1,1(
1
)1,1(
2
02
02
1
)1,1(
1

ZZ
Z
II
ZZ
Z
II
ZZ
ZZ
Z
E
I
aa
aa
a
+
−=
+
−=
+
+
=
••
••
•
•
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như dung lượng và trở
kháng của MBA, vị trí điểm ngắn mạch, điện trở tại chỗ NM... nhưng nhìn chung là rất
lớn, có thể đạt tới hàng chục kA [3].
+ Ngắn mạch hai pha chạm đất: Giả sử NM 2 pha chạm đất ở pha B và C, các
TPĐX của dòng điện sự cố như sau:

(8)
Thay Z
2
= Z
1








+
−
−=








+
−
−=
=
•
•

•
•
•
01
01
1
)1,1(
01
01
2
1
)1,1(
)1,1(
2
2
0
ZZ
ZZ
a
X
E
I
ZZ
ZZ
a
X
E
I
I
c

b
a
vào các biểu trên và biến đổi ta có:
(9)
Dòng điện đi trong đất trở về nguồn là:
01
)1,1(
0
)1,1(
2
3
3
ZZ
E
III
antv
+
===
•
•••
(10)
2.2.2. Đối với cấu trúc lưới 3 pha 4
dây: Xét LĐPP 22kV 3 pha 4 dây
với cơ cấu NĐLL dây trung tính
như hình 4.
Khi xảy ra sự cố NM 1 pha
và 2 pha kèm chạm đất cũng giống
như trường hợp cấu trúc lưới 3 pha
3 dây, DĐTV nguồn (dòng TTK) sẽ
phân thành 2 phần, 1 phần đi trên

dây trung tính và 1 phần đi trong đất
qua các cơ cấu NĐLL của dây trung tính.
Đối với mạng 3 pha 4 dây, một phần dòng TTK đi qua dây trung tính (dây đất),
do đó dòng chạy qua đất bị giảm đi. Hệ số giảm tương ứng bằng: f = 1 - Z
1E
/Z
E
. Tương
tự thành phần dòng TTK chạy qua đất bằng: 1 - f = Z
1E
/Z
E
[4], trong đó: Z
1E
là tổng trở
tương hỗ giữa dây dẫn và dây đất, Z
E
là tổng trở TTK của dây đất.
Nhận xét: Với cấu trúc lưới 3 pha 4 dây, khi sự cố chạm đất dòng TTK đi một phần trên
dây trung tính và một phần đi trong đất. Dòng TTK trên dây trung tính lúc này bằng
dòng TTK tổng nhân với hệ số phân dòng, hệ số phân dòng này phụ thuộc vào giá trị
ĐTNĐ và số lần NĐLL. Hệ số này nhỏ hơn 1, nên dòng TTK trên dây trung tính giảm
dẫn đến độ nhạy bảo vệ rơle giảm nếu bố trí biến dòng điện trên dây trung tính.
Tải
R
nđnguồn

R
nđtải
I

tvđ

A A’
B B’
C C’
I
tvtt

R
nđll
R
nđll

Hình 4: LĐPP 22kV 3 pha 4 dây với cơ cấu
nối đất lặp lại dây trung tính.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009

18
3. Tính toán phân bố DĐTV (3I
0
Xét mạch điện như
hình 5, với: A, B, C là 3
pha nguồn cung cấp; Z
) qua các cơ cấu nối đất lặp lại
a
,
Z
b
, Z
c

là tải 3 pha; Z
d
là
tổng trở của đường dây;
Z
n
là tổng trở của dây
trung tính; R
nđnguồn
là
điện trở nối đất của trạm
nguồn; R
nđtải
là điện trở
nối đất của TBA phụ tải;
R
nđll
là điện trở NĐLL
của dây trung tính.
Trong chế độ xác lập và chế độ sự cố chạm đất của lưới điện, DĐTV sẽ xuất
hiện khi CĐVH của HTĐ là KĐX và khi phụ tải đấu sao có trung tính nối đất hoặc có
dây trung tính. Khi đó DĐTV 3I
0
(dòng điện TTK) sẽ đi theo đất hoặc đi theo dây trung
tính và đi qua các cơ cấu NĐLL trở về nguồn.
Để tính toán dòng điện trở về 3I
0
, có các phương pháp tính toán như: phương
pháp TPĐX, phương pháp giải tích tổ hợp mạng điện, phương pháp tọa độ pha…
Sau khi tính được DĐTV 3I

0
3.1. Sơ đồ tính toán phân bố dòng điện trở về
ta sẽ tính toán sự phân bố DĐTV qua các cơ cấu
NĐLL bằng thuật toán Simulink trên chương trình MATLAB, kết quả sẽ trình bày ở
mục sau.
Từ hình 6 thiết lập
được sơ đồ tính toán phân bố
DĐTV đối với LĐPP 22kV 3
pha 4 dây, dây trung tính được
NĐLL với khoảng cách
NĐLL từ 200 ÷ 250 mét như
hình 6.
Sơ đồ thay thế
tính toán như hình 7.
Trong đó: Z
dtt
là tổng
trở của dây trung tính,
R
nđnguồn
là ĐTNĐ của
trạm nguồn 22kV, R
nđtải

là ĐTNĐ của TBA phụ
tải, R
nđll
là điện trở NĐLL của dây trung tính, R
đ
= R

đ0
.l là điện trở thay thế của đất như
dây về của dòng điện, R
đ0
là điện trở suất của đất = 0,05 ÷ 0,1 Ω/km [2].
U
A

U
B

U
C

A
B
C
O
a
b
c
o
Z
a

Z
b

Z
c

N
1
N
2

Z
d
= r
d
+ jx
d

Z
n
= r
n
+ jx
n

Hình 5: Sơ đồ mạch điện 3 pha 4 dây điển hình
3I
0

R
nđnguồn
R
nđll
R
nđll

R
nđtải

O o
R
nđtải

R
nđnguồn

Z
n
= r
n
+ jx
n

Hình 6: Sơ đồ mô tả tính toán.
R
nđll
R
nđll

3I
0

3I
0

R

nđtải
R
nđnguồn

Z
dtt

R
nđll
R
nđll

3I
0

3I
0

Z
dtt
Z
dtt

Hình 7: Sơ đồ tính toán phân bố dòng điện trở về
3I
02

3I
01
3I

03

3I
04

3I
05

3I
06

3I
07

R
đ
R
đ
R
đ