Báo cáo nghiên cứu khoa học HIỆU QUẢ tác ĐỘNG của THIẾT bị tự ĐỘNG hạn CHẾ DÒNG điện NGẮN MẠCH

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

HIỆU QUẢ TÁC ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HẠN CHẾ
DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH
EFFECTIVE IMPACTS OF AUTOMATIC
FAULT CURRENT LIMITERS
Lê Thành Bắc
Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Bài báo trình bày về tính khả thi trong việc ứng dụng các thiết bị tự động hạn chế dòng
điện ngắn mạch trong lưới điện phân phối ở Việt Nam hiện nay. Đồng thời phân tích và so sánh
quá trình động học xảy ra trong quá trình quá độ khi có sự cố ngắn mạch ở lưới điện phân phối
đối với đường dây có lắp đặt và không lắp đặt thiết bị tự động hạn chế dòng. Các kết quả mô
phỏng nhận được bằng phần mềm chuyên dụng ATP cho thấy sự tác động tức thời và khả
năng linh hoạt cho phép thay đổi mức hạn chế dòng điện ngắn mạch trong lưới điện của thiết
bị tự động hạn chế dòng kiểu máy biến áp.
ABSTRACT
This paper presents a feasible application of automatic fault current limiters (FCL) to the
power distribution grid in Vietnam. In addition, it analyses and compares electromagnetic
transient results of two cases with/without automatic FCLs when short circuits occur in the
distribution network. The simulation of the transformer type automatic fault current limiters can
be obtained by specific Alternative Transients Program (ATP). The results indicate that the
automatic fault current limiters response is immediate and flexible, creating a change in the
short circuit of the transformer type automatic fault current limiters in the power grid.

1. Đặt vấn đề
Hiện nay, các thiết bị tự động hạn chế dòng điện ngắn mạch trên lưới điện phân
phối đã được lắp đặt trong hệ thống điện của nhiều nước trên thế giới. Các thiết bị này
cho phép tự động tăng nhanh tổng trở của đường dây khi có sự cố ngắn mạch xảy ra để
làm giảm biên độ của dòng ngắn mạch xung kích qua các máy ngắt, máy biến áp và các
thiết bị trên đường dây, đồng thời tự động trở về trạng thái ban đầu khi sự cố được loại

trừ. Lắp đặt các thiết bị này cho phép tăng hơn đáng kể dòng cắt so với giá trị dòng cắt
định mức của máy ngắt và dòng điện ngắn mạch tính toán của các máy biến áp lực mà
không cần phải thay nâng cấp mới lưới điện khi mà phụ tải phát triển thêm đáng kể. Bộ
tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp (TOY) là thiết bị cho phép tự động
hạn chế dòng ngắn mạch tác động nhanh gần như tức thời và có thể thay đổi dễ dàng
mức hạn chế dòng điện ngắn mạch trong phạm vi rộng. Cấu trúc đơn giản gồm mạch tụ
điện và máy biến áp nối song song (Hình 1,a), khi dòng trong lưới điện tăng lên đến giá
trị đặt của TOY thì tổng trở của thiết bị TOY tăng đột ngột làm giảm nhanh dòng trên
đường dây xuống lại. Trong chế độ làm việc bình thường của lưới điện thì máy biến áp
10


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

trong thiết bị TOY làm việc không tải và thiết bị tương ứng như một tụ điện bù dọc
trong hệ thống điện [1]. Hệ thống phân phối điện hiện nay của nước ta có phụ tải phát
triển với tốc độ tăng nhanh chóng tới khoảng 16% một năm, và liên tục trong những
năm gần đây theo đà phát triển kinh tế. Nếu lắp đặt thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn
mạch sẽ cho phép tiết kiệm đáng kể việc xây dựng mới các đường dây phân phối hay
chi phí đầu tư nâng cấp các thiết bị điện trong các lưới điện hiện nay.
Để tiến hành các bước nghiên cứu chi tiết tính kinh tế-kỹ thuật cho thiết kế, đầu
tư sản xuất và lắp đặt các thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch trong hệ thống phân
phối điện thì các nghiên cứu đánh giá hiệu quả tác động của thiết bị này là bước quan
trọng và cần thiết. Bài báo này đưa ra kết quả nghiên cứu, khảo sát hiệu quả tác động
tức thời của thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp trên đường dây
phân phối khi có sự cố ngắn mạch và có so sánh với phương án khi đường dây không có
lắp thiết bị này.
2. Ngắn mạch trên đường dây có lắp đặt TOY
Phân tích nhằm làm sáng tỏ quá trình động lực học trên đường dây khi xảy ra
ngắn mạch đột suất trong khoảng thời gian từ thời điểm xảy ra ngắn mạch đến thời điểm

đánh thủng khoảng cách phóng điện bởi tia lửa trong công tắc chân không (ИП) của bộ
TOY. Sau khi ИП bị đánh thủng thì máy biến áp trong thiết bị hạn chế dòng đặt trên
đường dây có thể coi như tương đương với mạch gồm r, LР tuyến tính (Hình 1,c). Mạch
điện thay thế tương đương bởi các phần tử phức để tính toán hệ thống khi làm việc bình
thường và quá độ khi có ngắn mạch phía sau TOY như hình.1,b. Phương trình trạng
thái biểu diễn quá trình quá độ hệ thống (Hình 1) khi ngắn mạch [2] là:
2 ⎞
⎛ 2
⎞
1
1 ⎛⎜ d 2u(t) 1 du(t)
d 3i(t) ⎛ 1 1 ⎞ d 2i(t) ⎛ 2
2 ⎞ di(t) ⎜ ω02 ω01 ⎟
2
⎟
⎜⎜ + ⎟⎟
⎜⎜ ω01 +
⎟
+
(
)
=
+
+
ω
(
)
+
+
ω

+
+
i
t
u
t
02
02
⎟
⎟
τс τ Р
τР ⎟⎠
τР dt
Lс ⎜⎝ dt2
dt3 ⎝ τс τР ⎠ dt2 ⎝
⎠ dt ⎜⎝ τс
⎠

Trong đó: τ с =

Lс
XC
1
; ω01 =
=ω
= ω αC
X Lс
LсC
Rс

τР =

LР
XC
1
; ω02 =
=ω
= ω αР .
XР
LР C
r

(1)

Với Rc, Lc, XLc là điện trở, điện cảm và điện kháng của hệ thống tới điểm ngắn
mạch (chưa kể TOY), C và XC là điện dung và điện kháng dung của bộ tụ trong TOY; r,
Lp và Xp là điện trở, điện cảm và điện kháng thay thế tương đương của máy biến áp
trong TOY khi công tắc chân không đã phóng điện; ω là tần số góc của áp nguồn; các
hệ số α c = X C / X Lc ; α p = X C / X p .

11


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

uф(t) iкз

TOY

Lc

Rc

iC
ip=iw1

a)

C
W1

N

W2
ИП
b)
U ф I кз

uTOY= uC

Lc

Rc

it

c)

jXTOY

jXLc

Rc

iC
ip

ut = U

m

sin[ ω ( t + t 0' ) + ψ

u

]

r

C
Lp

Hình.1. Sơ đồ nguyên lý biểu diễn một pha của đường dây truyền tải với bộ hạn chế dòng kiểu
máy biến áp (а), sơ đồ phức thay thế trong chế độ bình thường và trong chế độ khi sự cố ngắn mạch trên
đường dây (b) và sơ đồ thay thế để phân tích quá trình tác động của dòng điện sự cố sau khi công tắc
chân không ИП đã bị phóng điện đánh thủng (c).

Nghiệm của phương trình (1) cho ta dòng quá độ có tính chất dao động, tồn tại
cả thành phần chu kỳ và không chu kỳ [3]. Bởi vậy khi giải phương trình (1) đối với
dòng điện trên đường dây sau khi công tắc chân không ИП đã bị đánh thủng sẽ có dạng:

i(t ) = A1e

−

t

τ1

ở đây I mТОУ
2U ф
. XL =

+ A2 e

−

t

τ2

′
sin(ω ′t + ψ ′) + I mТОУ
. XL sin[ω (t + t 0 ) + ψ i ] ,

Rс + jX Lс +

(2)

(r + jX Р ) ⋅ (− jX C )
– là biên độ của dòng ngắn mạch xác

r + jX Р − jX C

lập trên đường dây khi có bộ hạn chế dòng ТОУ, trong biểu thức (2) thì:

ω ′ = ω012 + ω022 = ω (ω01 ω )2 + (ω02 ω )2 = ω α C + α Р ,

τ 1 ≈ (α C + α Р ) (α Р τ с + α C τ Р );

τ 2 ≈ 2(α C + α Р ) (α C τ с + α Р τ Р ) .

(3)
(4)

Các hệ số A1 , A2 và ψ ′ được xác định bằng giải tích theo dạng các điều kiện
đầu i (0) , uC (0) , iР (0) , lấy bằng với các giá trị cuối của thời điểm phóng điện công tắc
chân không ИП.
12


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

3. Giới thiệu phần mềm ATP và mô phỏng hiệu quả tác động của TOY
3.1. Tổng quan về phần mềm ATP

ATP là phần mềm chuyên dụng được viết để tính toán lưới điện có tần số công
nghiệp. Chương trình cho phép khảo sát các quá trình quá độ với các đại lượng điện
biến đổi theo thời gian như quá trình quá điện áp khi chuyển mạch cầu dao hay biến
thiên dòng điện quá độ khi sự cố trong mạch. Kết quả mô phỏng nhằm phục vụ quá
trình điều khiển và vận hành hệ thống cho tối ưu khi có các biến đổi của nguồn hay có
các sự cố khác.

Phần mềm ATP được xây dựng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn
(EMTP), sự ra đời của nó đánh dấu bằng kết quả công bố tại hội nghị của cục năng
lượng Mỹ tại Portland và nó được đưa vào khai thác thương mại hóa 1984. Từ đó ATP
được kế thừa tiếp tục phát triển nâng cấp thêm bởi Drs. W. scott Meyer, Tsuhusei Liu
và được một nhóm các nhà khoa học Canada và Mỹ. Cài đặt ATP từ một đĩa CD, muốn
khởi động ATP ta nhấp chuột vào biểu tượng ngoài Desktop hay vào start/ATP/ATP
Draw thì cửa sổ mạch sẽ xuất hiển thị, bao gồm các thành phần File, View, Edit, Tool,
Window, Help. Chương trình cho phép thiết lập cấu hình hệ thống với các thông số cần
khảo sát và tính toán khảo sát quá trình quá độ theo yêu cầu mỗi bài toán một cách đơn
giản và tiện lợi.
3.2. Ứng dụng phần mềm ATP để mô phỏng hiệu quả tác động của TOY

Việc mô phỏng quá trình quá độ trong mạch điện được thực hiện trên phần mềm
ATP bằng một mạch điện giả định (tương ứng với mạch điện tính toán) với các thông số
được lấy từ kết quả tính toán được của hệ thống phân phối và thiết bị hạn chế dòng sẽ
lắp đặt.
Xét ví dụ khảo sát quá trình quá độ khi đột nhiên xảy ra ngắn mạch trên một đường
dây phân phối với các thông số: U ф = 127 kV − là trị số điện áp pha của lưới điện phân
phối; Z đm = 60,33 Ω − Tổng trở định mức của phụ tải; I đm = 2 kA − dòng điện định mức
của đường dây; Rc = 0,178 Ω và X Lс = 3,56 Ω − Điện trở và điện kháng của hệ thống
đường dây đến điểm ngắn mạch N. Ta có trị số biên độ của dòng điện ngắn mạch trên
đường dây tại N khi không có lắp đặt bộ tự động hạn chế dòng sẽ là
I mкз = 2U ф X Lс = 2 ⋅127 3,56 = 50,44 kA . Bằng phương pháp xác định các thông số

của bộ tự động hạn chế dòng kiểu máy biến áp ТОУ [1] với nhiệm vụ yêu cầu mức hạn
кз
chế dòng điện ngắn mạch trên đường dây là β = I mТОУ
. XL I m . Ví dụ ở đây chọn β = 0,5

thì khi xét mạch như hình 1 có các tính toán sau:

-Trở kháng yêu cầu của ТОУ khi ngắn mạch (bỏ qua thành phần điện trở r):
XL
=
X ТОУ

2U ф
I

ТОУ
m. XL

− X Lc =

2U ф
κ∋

β ⋅ Im

− X Lc =

2U ф

β ⋅ 2U ф X Lс

⎛1
⎞
− X Lc = ⎜⎜ − 1⎟⎟ X Lc = 3,56 Ω
⎝β
⎠

(5)

13


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

- Điện áp trên lớn nhất đặt trên bộ ТОУ khi sự cố là:
U

XL
m ТОУ

= 2U ф − X Lc ⋅ β ⋅ I mκ ∋ = 2U ф − X Lc ⋅ β ⋅ 2U ф X Lс = 2 (1 − β )U ф = 89,79 kV

(6)

- Trở kháng cảm xác lập tương đương của máy biến áp trong bộ TOY khi sự cố [1]
là:
⎛1

X pXL =

XC ⋅ X

XL
ТОУ
XL
ТОУ

XC + X

=

⎞
− 1⎟⎟
α C (1 − β )
⎝β
⎠
=
⋅ X Lc = 1,78 Ω (khi α C = 1 );
⎛1
⎞ 1 − β (1 − α C )
+ X Lc ⎜⎜ − 1⎟⎟
⎝β
⎠

α C ⋅ X Lc ⋅ X Lc ⎜⎜
α C ⋅ X Lc

(7)

Từ các biểu thức (1) đến (7) nêu trên ta thiết lập mối quan hệ gồm: hệ số hạn chế
dòng β = (α Р − 1) (α Р + α C − 1) và trị số tương đối của điện áp cực đại trên tụ C so với
trị cực đại của điện áp nguồn là U m C = U mXLC U m ф = 1 − β .
XL

(8)

Các biểu thức (6) và (8) cần được kiểm tra độ chính xác qua các tính toán quá trình

quá độ khi t → ∞ . Quá trình động lực học khi sự cố ngắn mạch được biểu diễn qua kết
quả mô phỏng bằng phần mềm ATP nêu ở phần sau đây.
3.3. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm ATP và các nhận xét đánh giá

Khởi động phần mềm ATP [4], thiết lập cấu hình mạch điện (Hình 1), nhập các
thông số đường dây và thiết bị đã có ở trên và chạy chương trình mô phỏng cho ta kết
quả như sau.
b)

a)

Hình. 2. Các trị số tương đối của dòng điện ngắn mạch trên đường dây so với trị số cực đại của
dòng ngắn mạch xác lập khi không có ТОУ ( i кз ( t ) ) và khi có lắp đặt ТОУ ( i огр
кз ( t ) ), và trị tương đối
của điện áp trên ТОУ ( u Cкз ( t ) ). a- Khi

α p = 2, β = 0,5

; b – Khi

α p = 1, β = 0

(với ТОУ kiểu

cộng hưởng, tổng trở TOY sẽ tăng tới vô cùng lớn [1]).

Dựa trên kết quả mô phỏng thu được, ta có thể chia quá trình quá độ khi sự cố
ngắn mạch của hệ thống có lắp thiết bị tự động hạn chế dòng TOY thành 3 giai đoạn
sau:
14

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

- Giai đoạn đầu từ khi xuất hiện sự cố ngắn mạch (0 ÷ 0,01s): dòng trên đường
dây tăng lên đột ngột, đồng thời tăng điện áp rơi trên tụ C của TOY và làm tăng điện áp
đặt vào hai cực của công tắc chân không ИП, khi tăng đến điện áp phóng điện khe hở
của ИП (có thể điều chỉnh được) sẽ làm tăng nhanh tổng trở tương đương của TOY và
giảm tức thời dòng xung kích (dòng cực đại sau sự cố khoảng 0,01 s) [1,5].
- Giai đoạn tiếp theo (0,01 ÷ 0,1s): dòng điện ngắn mạch dao động với biên độ
giảm dần về dòng xác lập.
- Giai đoạn cuối (sau 0,1s): dòng điện ngắn mạch giảm tới bằng dòng xác lập
(bằng 0,5 lần dòng ngắn mạch xác lập I mk ∋ khi mạch không có TOY ở hình 2,b và bằng
gần 0 ở hình 2,b).
Kết quả mô phỏng trên hình 2,a cho thấy rằng đường dây khi không lắp đặt TOY
thì trị số dòng xung kích khi ngắn mạch sẽ bằng khoảng 1,8 lần biên độ dòng ngắn
mạch xác lập I mk ∋ nhưng khi lắp đặt TOY với α p = 2, β = 0,5 thì trị số của dòng điện
xung kích giảm xuống chỉ còn bằng khoảng 1,02 I mk ∋ . Nếu lắp đặt bộ hạn chế dòng có
tác động cộng hưởng (với α p = 1, β = 0 ) thì trị số dòng điện xung kích giảm chỉ còn
0,94 I mk ∋ (Hình 2,b). Tuy nhiên với TOY cộng hưởng tuy giảm thêm được trị số dòng
xung kích nhưng lại làm tăng đáng kể (khoảng 2 lần) trị số điện áp đặt vào bộ tụ điện
của TOY so với khi chọn TOY có α p = 2, β = 0,5 .
4. Kết luận

Quá trình quá độ qua mô phỏng bằng phần mềm ATP cho ta quan sát quá trình
động học và hiệu quả làm việc của ТОУ hạn chế đỉnh nhọn của dòng ngắn mạch xung
kích khi có sự cố ngắn mạch trên đường dây. Kết quả nghiên cứu nhận được đã cho thấy
khi tính toán lựa chọn các thông số β , α C và α Р theo các chế độ làm việc của lưới
điện cần phải xác định trên cơ sở đánh giá yêu cầu hạn chế dòng ngắn mạch xung kích
và điện áp trên tụ điện của bộ ТОУ trong quá trình quá độ.

Bộ tự động hạn chế dòng TOY tác động tức thời (xảy ra trong thời gian rất ngắn
cỡ 0,01s) cho phép nhanh chóng giảm dòng sự cố, đồng thời cho phép thay đổi linh hoạt
mức hạn chế dòng ngắn mạch theo yêu cầu kỹ thuật và trang thiết bị của từng đường
dây phân phối khi tính toán.
Nghiên cứu ứng dụng TOY là hướng phát triển hứa hẹn cho hiệu quả kinh tế-kỹ
thuật rất cao, tăng độ tin cậy cấp điện và cho phép giữ nguyên hầu hết thiệt bị cũ trên
lưới khi phụ tải phát triển thêm. Lắp đặt thêm TOY đặc biệt cần thiết bởi Việt Nam
đang còn là nước nghèo, lưới điện phân phối lớn, thiết bị cũ đang còn dùng rất nhiều,
kinh phí hàng năm cần để thay thế thiết bị và cải tạo lưới đang rất lớn.
15


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lê Thành Bắc, Thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp.-Tạp chí
Khoa học và Công Nghệ Đại học Đà Nẵng, №3-2008.
[2] Крючков И.П., Неклепаев Б.Н., Старшинов В.А., Пираторов М.В., Гусев
Ю.П., Пойдо А.И., Жуков В.В., Монаков В.К., Кузнецов Ю.П., Расчет
коротких замыканий и выбор электрооборудования, Учеб. Пособие для студ.
высш. учеб. заведений/ - М.: Изадательский центр «Академия», 2005 г.
[3] Yang Jie, Chen Xi Ying, Shao Jian Xiong, ANALYSIS OF SHORT CIRCUIT
CURRENT LEVEL OF THREE GORGES HYDROELECTRIC POWER PLANT
AND LIMITING MEASURES, Design Institute of Yangtze River Resource
Commission, Wuhan 430010 China, Power System Technology, 1997 №: 7.
[4] Vladimir Sokolovsky, Victor Meerovich, Istvan Vajda et al. Superconducting FCL:
Design and application. IEEE Trans. Application Superconduct, 2003, 13 (6):
2112-2115
[5] Александров Г.Н., Смоловик С.В. Переходные процессы в сетях с

резонансным токоограничивающим устройством. – Электричество PAH,
2002, № 1.

16