Nghiên cứu và đề xuất giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN LONG ĐĂNG VƯƠNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
GIẢM DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƯỚI ĐIỆN
TRUYỀN TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN LONG ĐĂNG VƯƠNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
GIẢM DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƯỚI ĐIỆN
TRUYỀN TẢI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. HUỲNH CHÂU DUY
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1
TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
Chủ tịch
2
GS. TS. Lê Kim Hùng
Phản biện 1
3
PGS. TS. Lê Chí Kiên
Phản biện 2
4

PGS. TS. Ngô Cao Cường
Ủy viên
5
TS. Đoàn Thị Bằng
Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày 23 tháng 01năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên

: Nguyễn Long Đăng Vương

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh

: 20/07/78

Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành

: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV : 1441830045

I- Tên đề tài: Nghiên cứu và đề xuất giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới truyền tải
II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu tổng quan dòng điện ngắn mạch trên lưới điện truyền tải.
- Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải.
- Áp dụng các giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 23/01/2016
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/8/2016
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả
nghiên cứu được trình bày trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố ở bất

kỳ đâu.
Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn.
Tôi cũng xin cam đoan các nội dung tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy
đủ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Long Đăng Vương


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cám ơn Thầy TS. HUỲNH CHÂU DUY đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu cho quá trình thực hiện Luận văn này.
Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi các kiến thức quý báu trong quá trình học
tập giúp tôi đủ năng lực để thực hiện Luận văn này.
Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ21 đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện
Luận văn này.
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Khoa Cơ - Điện - Điện
tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi tôi đang công tác đã tạo
các điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện Luận văn này.
Nguyễn Long Đăng Vương


iii

TÓM TẮT
Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến Nghiên cứu và đề xuất giải pháp

giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải mà bao gồm các nội dung như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan về ngắn mạch trên lưới điện truyền tải
+ Chương 3: Nghiên cứu giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền
tải
+ Chương 4: Áp dụng giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


iv

ABSTRACT
The thesis presents issues relating to "Reduction of short-circuit current in
transmission power systems" that includes the following contents:
+ Chapter 1: Introduction
+ Chapter 2: Literature review for reducing of short-circuit current in
transmission power systems
+ Chapter 3: Proposals for reducing of short-circuit current in transmission
power systems
+ Chapter 4: Solution applying for reducing of short-circuit current in
transmission power systems
+ Chapter 5: Conclusions and future works


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI C M N ................................................................................................................. ii
TÓM TẮT...................................................................................................................... iii

ABSTRACT ...................................................................................................................iv
ANH M C CÁC HÌNH ........................................................................................... viii
ANH M C CÁC

NG .............................................................................................. x

Chương 1 .........................................................................................................................1
Giới thiệu chung ..............................................................................................................1
1.1. Giới thiệu ..............................................................................................................1
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .........................................................................2
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................3
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................. 3
1.5. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................3
1.6. Bố cục của luận văn .............................................................................................. 3
Chương 2 .........................................................................................................................5
Tổng quan về dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải .................................................5
2.1. Giới thiệu ..............................................................................................................5
2.2. Tương đương hệ thống điện ..................................................................................6
2.2.1. Xác định các thông số mạng hai cửa .............................................................. 8
2.2.2. Tổng trở tương đương từ thông số mạng hai cửa ........................................10
2.2.3. Mạch tương đương đường dây khi ngắn mạch ba pha qua tổng trở chạm ..11
2.3. Phân tích sự cố ba pha trên đường dây ............................................................... 12
2.3.1. Trước sự cố ..................................................................................................12
2.3.2. Khi có sự cố .................................................................................................13
2.3.3. Khi có sự cố nhưng không xét đến dòng tải.................................................14
2.4. Nguyên nhân dòng ngắn mạch tăng cao ............................................................. 15
2.5. Thông số ảnh hưởng đến sự tăng dòng ngắn mạch ............................................15
2.5.1. Khi ngắn mạch 3 pha (ngắn mạch đối xứng) ...............................................15
2.5.2. Khi ngắn mạch không đối xứng N(1), N(1,1), N(2) ....................................15
2.5.3. Điện kháng thứ tự nghịch (TTN) và thứ tự không (TTK) của các phần tử .16

2.5.4. Sơ đồ thay thế (song song, nối tiếp, . . .) ......................................................18


vi

CHƯ NG 3 ...................................................................................................................21
NGHIÊN CỨU GI I PHÁP GI M DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƯỚI ĐIỆN
TRUYỀN T I ...............................................................................................................21
3.1. Nguyên nhân tăng cao dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải ......................21
3.2. Giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải .................................21
3.2.1. Giải pháp sử dụng hệ thống truyền tải điện DC ...........................................21
3.2.2. Giải pháp sử dụng bộ DVR (Dynamic Voltage Restorer) ........................... 24
3.2.3. Giải pháp gỡ bỏ cuộn tam giác trong máy biến áp ......................................26
3.2.4. Giải pháp ứng dụng thiết bị điện tử công suất kết hợp thiết bị kháng hạn chế
dòng ngắn mạch .....................................................................................................26
3.2.5. Giải pháp sử dụng thiết bị điện tử công suất kết hợp thiết bị kháng hạn dòng
và tụ điện bù dọc ....................................................................................................27
3.3. Đánh giá và lựa chọn giải pháp ..........................................................................29
3.4. Lựa chọn kháng hạn dòng ngắn mạch ................................................................ 31
3.4.1. Giới thiệu......................................................................................................32
3.4.2. Các sơ đồ lắp kháng .....................................................................................32
3.4.3. Tính toán lựa chọn thông số kháng hạn dòng ..............................................34
3.5. Kiểm tra giá trị TRV và RRRV máy cắt ngăn lắp đặt kháng hạn chế dòng ngắn
mạch ........................................................................................................................... 35
3.6. Hạn chế TRV và RRRV cho máy cắt có lắp kháng hạn chế dòng ngắn mạch ...36
CHƯ NG 4 ...................................................................................................................38
ÁP D NG GI I PHÁP GI M DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN
T I.................................................................................................................................38
4.1. Giới thiệu ............................................................................................................38
4.2. Tính toán dòng điện ngắn mạch trên lưới điện truyền tải ...................................38

4.2.1. Thông số của lưới điện .................................................................................38
4.2.2. Trường hợp ngắn mạch 3 pha cân bằng .......................................................43
4.2.3. Trường hợp ngắn mạch một pha chạm đất ..................................................51
4.2.4. Trường hợp ngắn mạch 2 pha ......................................................................56
4.2.5. Trường hợp ngắn mạch 2 pha chạm đất .......................................................60
4.3. Áp dụng giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch ......................................................65
4.3.1. Giải pháp lắp đặt kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch ............................... 65


vii

4.3.2. Trường hợp ngắn mạch 3 pha cân bằng .......................................................67
4.3.3. Trường hợp ngắn mạch một pha chạm đất ..................................................72
4.3.4. Trường hợp ngắn mạch 2 pha ......................................................................77
4.3.5. Trường hợp ngắn mạch 2 pha chạm đất .......................................................81
CHƯ NG 5 ...................................................................................................................88
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯ NG LAI..............................................88
5.1. Kết luận ...............................................................................................................88
5.2. Hướng phát triển tương lai ..................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KH O ............................................................................................. 90


viii

ANH MỤC C C H NH
Hình 2.1. Đường dây khảo sát và tương đương hệ thống ...............................................7
Hình 2.2. Thông số mạng hai cửa tương đương .............................................................. 9
Hình 2.3. Sơ đồ tương đương hai cửa .............................................................................9
Hình 2.4. Mạng hai cửa đường dây sự cố......................................................................11
Hình 2.5. Hệ thống trước sự cố .....................................................................................12

Hình 2.6. Hệ thống bị sự cố qua tổng trở chạm............................................................. 13
Hình 2.7. Hệ thống bị sự cố không xét đến dòng tải .....................................................14
Hình 3.1. Mô tả truyền sóng của MAXWELL .............................................................. 22
Hình 3.2. Giới hạn chiều dài ổn định nhiệt ...................................................................22
Hình 3.3. Sử dụng vỏ bọc bằng chì để kiểm soát trường điện cáp ngầm ......................23
Hình 3.4. nh hưởng tụ kí sinh đối với cáp ngầm ........................................................23
Hình 3.5. Giới hạn chiều dài khi truyền tải với cáp ngầm ............................................23
Hình 3.6. Truyền tải điện một chiều ..............................................................................24
Hình 3.7. Sơ đồ tính ngắn mạch được đơn giản hóa .....................................................24
Hình 3.8. Sơ đồ vectơ dòng và áp sự cố ........................................................................25
Hình 3.9. Sơ đồ tính ngắn mạch đơn giản hóa có lắp đặt bộ DVR ............................... 25
Hình 3.10. Sơ đồ vectơ dòng và áp sự cố khi có DVR..................................................26
Hình 3.11. Giải pháp ứng dụng thiết bị điện tử công suất kết hợp thiết bị kháng hạn
chế dòng ngắn mạch ......................................................................................................27
Hình 3.12. Giải pháp sử dụng thiết bị điện tử công suất kết hợp thiết bị kháng hạn
dòng và tụ điện bù dọc...................................................................................................28
Hình 3.13. Phương án 1: Lắp ngăn phân đoạn mới có kháng điện phân đoạn song song
với ngăn phân đoạn hiện hữu......................................................................................... 33
Hình 3.14. Phương án 2: Lắp như PA1 và thêm kháng ngăn máy biến áp .................33
Hình 3.15. Phương án 3: Lắp kháng phân đoạn giữa các thanh cái 220 kV hiện hữu ..33
Hình 3.16. Phương án 4: Lắp kháng tại ngăn phân đoạn hiện hữu, kèm dao nối tắt DS
.......................................................................................................................................34
Hình 3.17. Sử dụng 1 bộ tụ mắc shunt 1 bên cuộn kháng hạn dòng phía đường dây ...36
Hình 3.18. Sử dụng 1 bộ tụ mắc shunt 1 bên cuộn kháng hạn dòng phía máy cắt .......36
Hình 3.19. Sử dụng 2 bộ tụ mắc shunt 2 bên cuộn kháng hạn dòng ............................. 37


ix

Hình 3.20. Sử dụng 1 bộ tụ mắc song song (paralell) với cuộn kháng hạn dòng .........37

Hình 3.21. Sử dụng 1 bộ tụ (grading capacitor) mắc song song (paralell) với máy cắt 37
Hình 4.1. Sơ đồ lưới điện khảo sát ................................................................................40
Hình 4.2. Sơ đồ thay thế thứ tự thuận............................................................................41
Hình 4.3. Sơ đồ thay thế thứ tự không ..........................................................................41


x

ANH MỤC C C ẢNG
ảng 2.1. Giá trị trung bình x2 và x0 của máy điện đồng bộ .........................................17
ảng 4.2. Kết quả tính toán dòng ngắn mạch ............................................................... 65
ảng 4.3. Kết quả tính toán dòng ngắn mạch sau khi đã đặt thêm các kháng điện hạn
dòng trên các đường dây

4A,

D4B và D5 ......................................................................86

ảng 4.4. Kết quả hạn chế dòng ngắn mạch .................................................................87


1

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Giới thiệu
Hệ thống điện là một hệ thống được liên kết bởi các nhà máy điện và các lưới
điện. Trong thời gian gần đây, cùng với sự phát triển nhanh của nguồn và lưới điện
đáp ứng cho sự phát triển nhanh của phụ tải đã dẫn đến dòng ngắn mạch trong lưới
điện, đặc biệt là lưới điện truyền tải tăng cao làm ảnh hưởng xấu đến các phần tử trong

hệ thống điện ở chế độ sự cố. Vấn đề này đặt ra yêu cầu cao hơn trong quan hệ điện động lực học cũng như độ bền nhiệt của các phần tử trong hệ thống điện. Đồng thời,
yêu cầu cao về độ tin cậy của thiết bị đóng cắt và bảo vệ rơ le.

o đó, cần thiết phải

nghiên cứu tìm giải pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch để nâng cao tính vận hành an
toàn của thiết bị đóng cắt và các phần tử trong hệ thống điện.
Bên cạnh đó, đề tài nghiên cứu này cũng hoàn toàn phù hợp với các cơ sở pháp
lý sau:
+ Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18/3/2016 của Thủ tướng Chính phủ phê
duyệt điều chỉnh quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét
đến năm 2030 (QHĐ 7 HC) [1] ;
+ Quyết định số 3134/QĐ-BCT, ngày 13/6/2014 của Bộ Công Thương về việc
phê duyệt kế hoạch đầu tư phát triển lưới điện truyền tải năm 2015, có xét đến năm
2019 (QĐ 3134) [2];
+ Các quyết định phê duyệt quy hoạch phát triển điện lực của các tỉnh, thành
phố [3];
+ Thông tư số 12/2010/TT-BCT ngày 15/4/2010 của Bộ Công Thương về việc
quy định hệ thống điện truyền tải (Thông tư 12/2010/TT-BCT) [4] ;
+ Thông tư số 39/2015/TT- CT ngày 18 tháng 11 năm 2015 của Bộ Công
Thương về việc quy định hệ thống điện phân phối (Thông tư 39/2015/TT-BCT) [5];
+ Quyết định số 216/QĐ-NPT ngày 22/3/2011 về việc phê duyệt đề cương chi
phí khảo sát, lập báo cáo nghiên cứu và đề xuất giải pháp tổng thể hạn chế dòng ngắn
mạch cho lưới điện truyền tải Việt Nam giai đoạn 10 năm (2011-2020) [6];


2

+ Công văn số 0187/NPT-KH-KT ngày 19/01/2011 của Tổng công ty truyền tải
điện quốc gia về việc lập giải pháp tổng thể hạn chế dòng ngắn mạch cho lưới điện

truyền tải [7];
+ Công văn số 1077/NPT-QLĐT ngày 05/04/2012 của Tổng công ty truyền tải
điện quốc gia về việc báo cáo giải pháp tổng thể hạn chế dòng ngắn mạch cho lưới
truyền tải [8];
+ Công văn số 704/EVNNPT-KT ngày 11/03/2013 của Tổng công ty truyền tải
điện quốc gia về việc báo cáo nghiên cứu giải pháp tổng thể hạn chế dòng ngắn mạch
cho lưới truyền tải điện giai đoạn 2011-2020 [9];
+ Công văn số 3281/EVNNPT-KT ngày 17/09/2013 của Tổng công ty truyền
tải điện quốc gia báo cáo nghiên cứu giải pháp tổng thể hạn chế dòng ngắn mạch cho
lưới truyền tải điện giai đoạn 2011-2020 [10];
+ Thông báo số 98/TB-EVN ngày 05/4/2016 của EVN kết luận của Phó Tổng
giám đốc Ngô Sơn Hải tại cuộc họp về đề án nghiên cứu và đề xuất giải pháp tổng thể
hạn chế dòng ngắn mạch cho lưới điện truyền tải Việt Nam giai đoạn 2011-2020 của
Tổng công ty truyền tải điện quốc gia [11];
+ Công văn số 1362/EVNNPT-KT+KH ngày 12/04/2016 của Tổng công ty
truyền tải điện quốc gia về việc thực hiện đề án nghiên cứu giải pháp tổng thể hạn chế
dòng ngắn mạch cho lưới truyền tải điện [12];
+ Công văn số 2934/EVNNPT-ĐTX

ngày 12/04/2016 của PTC4 về việc tiếp

tục hoàn thiện đề án nghiên cứu giải pháp tổng thể hạn chế dòng ngắn mạch cho lưới
truyền tải giai đoạn 2011-2020 [13];
+ Công văn số 1418/EVNNPT-KT-KH ngày 15/04/2016 của Tổng công ty
truyền tải điện quốc gia về việc thực hiện đề án nghiên cứu giải pháp tổng thể hạn chế
dòng ngắn mạch cho lưới truyền tải điện [14];
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu và đề xuất giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện
truyền tải” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Nghiên cứu tổng quan dòng điện ngắn mạch trên lưới điện truyền tải.

- Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện
truyền tải.


3

- Áp dụng các giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải.

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tưởng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là:
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là lưới điện truyền tải.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là đề xuất các giải pháp giảm dòng ngắn mạch
trên lưới điện truyền tải. Đồng thời, tìm giải pháp hợp lý để hạn chế dòng ngắn mạch
cho lưới điện truyền tải của Việt Nam.
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài mang lại các ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau:
- Các giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải là cơ sở tính
toán các chế độ vận hành và sự cố hệ thống điện.
- Xác định được điện áp các nút, công suất truyền tải trên các đường dây ở các
chế độ vận hành của hệ thống
- Các giải pháp này cũng nhằm khắc phục các ảnh hưởng xấu của dòng ngắn
mạch đến các phần tử trong hệ thống điện.
- Ý nghĩa thực tiễn lớn nhất là giúp các cơ quan quản lý và vận hành lưới điện
vạch ra chiến lược quy hoạch, thiết kế và vận hành lưới điện an toàn, hiệu quả.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu về hiện trạng và quy hoạch phát triển của hệ thống điện.
- Nghiên cứu các giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải.
- Phân tích và lựa chọn giải pháp thích hợp để triển khai.
- Áp dụng các giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải.
1.6. Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn gồm 5 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan về ngắn mạch trên lưới điện
+ Chương 3: Nghiên cứu và đề xuất giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện
truyền tải


4

+ Chương 4: Áp dụng giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


5

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƯỚI ĐIỆN
TRUYỀN TẢI
2.1. Giới thiệu
Ngắn mạch trong hệ thống điện là không thể tránh khỏi, ngắn mạch xuất hiện từ các
yếu tố tự nhiên khách quan hoặc yếu tố vận hành chủ quan, ngắn mạch làm dòng điện tăng
cao và điện áp giảm thấp, các dạng ngắn mạch trong hệ thống điện gồm có ngắn mạch 1 pha
chạm đất, ngắn mạch 2 pha hoặc 2 pha chạm đất, ngắn mạch 3 pha, trong đó ngắn mạch 3 pha
là nguy hiểm nhất do thường gây ra dòng điện ngắn mạch là cao nhất.

òng ngắn mạch cao

có thể làm hỏng hóc các thiết bị như máy biến áp, thiết bị đóng cắt, đường dây trên không,
cáp ngầm.
òng ngắn mạch trong hệ thống điện có xu hướng tăng do nhiều nguồn điện mới đưa

vào vận hành và liên kết lưới điện tăng. òng ngắn mạch có thể vượt quá khả năng chịu đựng
của các thiết bị. Vì vậy, vấn đề tìm nguyên nhân và giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch trong
hệ thống điện ngày càng trở nên quan trọng và cấp bách.
Nghiên cứu và đề xuất giải pháp giảm dòng ngắn mạch cho lưới điện truyền tải nhằm
xem xét giải pháp tổng thể để hạn chế dòng ngắn mạch đang tăng quá cao. Từ đó, đưa ra tiến
trình thực hiện giải pháp tổng thể để đạt yêu cầu quy định tiêu chuẩn hoá về dòng điện ngắn
mạch cho thiết bị.
Đối với hệ thống điện Việt Nam từ quy hoạch điện VI đến quy hoạch điện VII và quy
hoạch điện VII điều chỉnh, dòng ngắn mạch tại các nút tập trung nguồn điện hoặc phụ tải lớn
có dòng ngắn mạch tăng nhanh. Theo báo cáo tổng kết của Tổng công ty truyền tải điện quốc
gia trong trường hợp vận hành các sơ đồ điện của các trạm điện đúng thiết kế thì dòng ngắn
mạch tại các nút này tăng quá giá trị dòng chịu đựng ngắn mạch định mức của thiết bị là 40kA
ở cấp 500kV và 220kV; 31,5kA ở cấp 110kV do ộ Công thương quy định. Thậm chí, hiện
nay tại một số trạm có dòng ngắn mạch lớn hơn 63kA.
òng ngắn mạch trong hệ thống điện có xu hướng tăng do:
+ Nhiều nguồn điện mới đưa vào vận hành;
+ Liên kết lưới điện tăng.
òng sự cố có thể vượt quá khả năng chịu đựng của các thiết bị. Vì vậy, vấn đề giảm
dòng ngắn mạch trong hệ thống điện ngày càng trở nên quan trọng và cần thiết.
Hầu hết, việc tính toán sự cố trong lưới điện truyền tải được thực hiện trong đơn vị
tương đối với ma trận tổng trở nút. Khi tính toán, thông thường giả thiết rằng dòng tải không
đáng kể so với dòng sự cố hay cho hở mạch tại các nút tải. Khi ấy:


6

V   Z I 

(2.1)

V
Zii  i
Ii

(2.2)
Ik  0, i 1, 2,... n , k  i

Trong đó:
Zii: phần tử thứ i trên của đường chéo của ma trận tổng trở nút, là tổng trở tương đương
Thevenin nhìn từ nút i vào hệ thống khi nút i bị sự cố. Điện áp tương đương Thevenin là điện
áp hở mạch tại nút i hay điện áp danh định trước sự cố. Thông thường, điện áp này được giả
sử bằng 1,0 đvtđ. Mặc dù, giá trị này có thể được điều chỉnh như mong muốn vì mạng là
tuyến tính. Tổng trở Zik trong ma trận Znút là một giá trị tổng trở phản ánh quan hệ giữa điện
áp tại nút i với dòng điện đổ vào nút k.
Ma trận tổng trở nút của mạng thứ tự nghịch và thứ tự không cũng được sử dụng trong
tính toán ngắn mạch trong lưới điện truyền tải. Thông thường, giả thiết rằng mạng thứ tự
nghịch giống như mạng thứ tự thuận, ngoại trừ các kháng trở máy phát. Như vậy, khi biết
được các mạng thứ tự, bằng việc sử dụng ma trận tổng trở nút hay biến đổi mạch tương đương
Thevenin, có thể tính toán được bất cứ dòng sự cố yêu cầu nào tại các nút truyền tải.
2.2. Tương đương hệ thống điện
Giả sử rằng cần tính toán bảo vệ cho một đường dây truyền tải hay một phần tử nào đó
trong hệ thống truyền tải. Mạng kết nối với phần tử là một mạng tích cực có chứa nguồn cũng
như các nhánh tải song song, tụ điện, cuộn kháng… Trong các mạng lớn, số phương trình mô
tả mạng điện tương đương với số nút. Trong nhiều trường hợp, yêu cầu biết thông tin tại bất
kì nút nào của mạng, cần phải giải số lượng lớn phương trình mô phỏng hệ thống.
Trong lĩnh vực bảo vệ, thông thường quan tâm đến ảnh hưởng của hệ thống lên phần
tử cần bảo vệ, nên cần thu gọn mạng đơn giản hơn để phục vụ cho yêu cầu tính toán bảo vệ.
Giả sử rằng khảo sát phần tử bảo vệ là đường dây hay máy biến áp trong nhánh nào đó nối
giữa hai nút của hệ thống. Khi ấy, xét đường dây truyền tải nối giữa hai nút trong hệ thống
điện. Giả thiết rằng cần biết dòng, áp tại vị trí hai đầu đường dây. Để xác định các giá trị này

cần tương đương hệ thống trừ đường dây đang khảo sát thành một mạng tương đương hai cửa
tích cực chứa nguồn và các tổng trở tương đương như hình 2.1.


7

IQ

IR
ZL

Maùng hai cửỷa tớch cửùc tuyeỏn
tớnh

V1 VR

V2 VQ
Hỡnh 2.1. ng dõy kho sỏt v tng ng h thng

Mng hỡnh 2.1 c mụ t bi phng trỡnh mng hai ca mch h nh sau:
V1 Z11

V2 Z 21

Z12 I1 VS 1

Z 22 I2 VS 2

(2.3)

hay

V ZI VS

(2.4)

Cỏc phn t trong ma trn tng tr Z c gi l cỏc thụng s mng h, ngha l
I1 0 hay I2 0 . Cỏc vộc-t in ỏp VS1 v VS 2 trong (2.3) l vộc-t in ỏp ngun, biu

din nh hng ca ngun trong h thng. Xỏc nh s tng ng hai ca ca h thng
khi thỏo ng dõy ra. Trong ú: V1 v V2 l in th cỏc nỳt 1 v 2 so vi nỳt gc. Cỏc dũng
in I1 v I2 l cỏc dũng in vo h thng ti cỏc nỳt 1 v 2. Trc ht, khi hai ca
mng tng ng h ngha l I1 I2 0 trong phng trỡnh (2.3).
Khi y:

V
V1
S1


V2 I1 I 2 0 VS 2

(2.5)

T phng trỡnh (2.5) nhn thy rng in ỏp ngun VS1 v VS 2 chớnh l cỏc giỏ tr
in ỏp mch h ti cỏc ca 1 v 2 khi ng dõy c thỏo b. Cỏc giỏ tr ny th hin nh
hng ca ngun trong h thng. Cú th xem õy nh l cỏc in ỏp Thevenin tng ng
v c xỏc nh t vic gii bi toỏn phõn b dũng cụng sut trong h thng khi thỏo b
ng dõy ra khi h thng.
Mt khỏc, trong trng hp khụng cú cỏc ngun trong h thng. Khi y:

VS1 VS 2 0

(2.6)


8
Mạng 2 cửa trở thành mạng thụ động và các thông số mạng hai cửa được xác định
bằng cách lần lượt bơm dòng vào mỗi cửa.
Trong điều kiện bơm nguồn vào, điện thế tại hai cửa được đo hoặc tính và so sánh với
dòng điện bơm vào. Các thông số mạng hai cửa là như sau:

V
Z11  1
I

(2.7)

1 I 2 0

V
Z12  1
I2
V
Z 21  2
I1

(2.8)
I1  0

(2.9)
I 2 0

V
Z 22  2
I

(2.10)

2 I1  0

2.2.1. Xác định các thông số mạng hai cửa
Thông số mạng hai cửa có thể được xác định từ các phương trình mô tả mạng điện.
Các phương trình có thể ở dạng tổng trở nút hay tổng dẫn nút.

o hệ thống điện thực tế có

nhiều nút, nhiều nhánh nên số lượng phương trình rất lớn và giải hệ phương trình cần sự hỗ
trợ của máy tính.

o các chương trình tính tóan ngắn mạch thường sử dụng ma trận tổng trở

nên người ta thường xác định thông số mạng hai cửa từ các phương trình ở dạng tổng trở nút.
Chúng ta mô tả mạng điện bằng ma trận tổng trở nút, để đơn giản, ta bỏ qua nguồn
điện thế:

  Z


V

Z
1
11
1i
  
...
 ...  ...


 ii
 Vi   Z i1 Z
 
 ...   ... ...
 k  Z
 k1 Z
 ki
V
...  ...
...
  

V
Z
 n   n1 Z ni


Z
1k
...
 ik

Z
...
 kk
Z
...

Z

nk

   I 
Z
1n
1
 
...   ... 
 in   I i 
Z
 
...   ... 
 kn  I k 
Z
...  ... 
  I 
Z
nn   n 

(2.11)

Giả sử rằng nhánh được khảo sát nối giữa nút i và k, dòng điện bơm vào mạng là

những dòng chảy ra mỗi đầu nhánh. Các dòng này ký hiệu là I1 và I2 ở phương trình (2.1).
Tất cả các dòng khác bằng không.

ùng các phương pháp toán học biến đổi và rút gọn hệ

phương trình (2.11) về dạng:
Vi   Z ii
 
Vk   Z ki

Z ik   Ii 
 
Z kk   Ik 

(2.12)


9
Nu chn nỳt i, k l 1 v 2 thỡ :
V1 Z 11

V2 Z 21

Z 12 I1

Z 22 I2

(2.13)

Lu ý rng ma trn (2.13) c xỏc nh khi nhỏnh ng dõy kho sỏt c thỏo ra

khi mng. S thay th tng ng nhỡn t hai nỳt i, k ca mng in cho bi hỡnh 2.2
khi khụng k ng dõy kho sỏt.
1
2

I1 0

I2 0

i

Ii
Maùng hai cửỷa tớch
cửùc

Z ik
k

Z S

Ii
Z ik

Ik

Z E

ZU

Ik

E S

EU

In 0
n

Hỡnh 2.2. Thụng s mng hai ca tng ng
Mt mng tng ng hai ca n gin nht ca h thng 3 nỳt, nỳt 1 (ca 1), nỳt 2
(ca 2), v nỳt tham chiu (nỳt gc) gm 3 tng tr tng ng nh trỡnh by trờn hỡnh 2.2
v v li hỡnh 2.3. Cỏc sc in ng tng trng cho nh hng ca cỏc ngun trong mng,
c xỏc nh khi tớnh toỏn h mch ti nỳt 1 v 2. Tng tr ZL trờn hỡnh 2.3 biu din tng
tr ng dõy kho sỏt. ZE c gi l tng tr tng ng mch ngoi.
R

Z L

I1
Z S

E



IS

Q

1

V1 VR

Z E

I2
2

V2 VQ

ZU
IU

E


U

S

Hỡnh 2.3. S tng ng hai ca
Cỏc thụng s mng hai ca c xỏc nh khi thỏo ng dõy ra khi h thng:
+ u tiờn ta tớnh in ỏp ti cỏc nỳt trong tỡnh trng h mch ng dõy (nh hng ca
ngun khi I1 I 2 0 ):


10

I 


  E
E s  E
E
U
U
 s
S Z
E Z
U

Z
Z

(2.14)

Trong đó:

 Z
S Z
E Z
U
Z

(2.15)

Điện áp tại các nút 1 và 2 như sau:

 R  1 Z
E Z

U
  V
V
1

      
V2  VQ  Z   Z U

 S  E
S
Z


E Z
S E
 
Z
 U 

(2.16)

+ Xem xét các thông số mạng hai cửa khi hở mạch đường dây và nối tắt các sức điện động.
Cho I1  1 đơn vị và I2  0 , tìm được cột đầu của ma trận tổng trở:


 11  V1
Z
I1



  V2
Z
21
I1



 S Z
E Z
 U
Z

Z

(2.17)



 SZ
U
Z

Z

(2.18)

I2 0

I2 0

Cho I1  0 và I2  1 , tìm được cột thứ hai của ma trận tổng trở:


 12  V1
Z
I 2

  V2
Z
22
I
2



 SZ
U
Z

Z

(2.19)



 (Z
 Z
 )
Z
U

E
S
Z


(2.20)

I1  0

I1 0

2.2.2. Tổng trở tương đương từ thông số mạng hai cửa
Thông số mạng hai cửa có thể được xác định từ việc đơn giản hoá ma trận tổng trở nút
mô tả mạng như biểu thức (2.12). Để xác định các tổng trở và nguồn trong mạng tương
đương 2 cửa, dựa vào các phương trình trên và nhận được:

Z Z  Z 12 Z 21
Z S  11 22
Z 22  Z 21

(2.21)

Z Z  Z 12 Z 21
Z U  11 22
Z 11  Z 12

(2.22)

Z Z  Z 12 Z 21 Z 11 Z 22  Z 12 Z 21
Z S  11 22


Z 12
Z 21

(2.23)

 E S  1 Z S  Z E
   

EU  Z E   ZU

 Z S  VR 
 
Z U  Z E  VQ 

(2.24)


11

Thay Z S , ZU , và Z E trong biểu thức (2.24) bởi các biểu thức (2.21), (2.22) và (2.23),
ta sẽ nhận được ES và EU theo các thông số mạng hai cửa. Chú ý rằng VR và VQ là các điện
thế đo được so với nút gốc khi hở mạch đường dây.
2.2.3. Mạch tương đương đường dây khi ngắn mạch ba pha qua tổng trở chạm Z N

IR

hZ L

IN

I1

Z N

Maïng hai cöûa
tích cöïc

V1  VR

IQ

1  hZ L

VR

I2
V2  VQ

Hình 2.4. Mạng hai cửa đường dây sự cố
Hình 2.4 biểu diễn mạng thứ tự thuận khi đường dây xảy ra sự cố qua tổng trở chạm
trung gian Z N được dùng để tính ngắn mạch 3 pha. Sơ đồ thứ tự nghịch và thứ tự không cũng
có thể được thành lập để tính ngắn mạch bất đối xứng ở phần sau và h là tỉ lệ khoảng cách từ
đầu đường dây tới chỗ sự cố so với chiều dài đường dây.
Từ sơ đồ:

V
IN I R  IQ  N  VN  Z N I R  IQ 
Z N

(2.25)

V  VN
IR  I 1 1
 V1  Z N  hZ L IR  Z N IQ
hZ L

(2.26)

V  VN
IQ  I 2 2
 V2  Z N  1  hZ L IQ  Z N IR
1  hZ L

(2.27)

Thay thế các giá trị này vào biểu thức (2.1), khi ấy:

VS 1  Z 11  hZ L  Z N
 


VS 2   Z 21  Z N

  IR 
Z 12  Z N
 
Z 22  1  hZ L  Z N  IQ 

Giải các phương trình tìm dòng điện ở mỗi đầu đường dây:

(2.28)