Nghiên cứu giải pháp vận hành tách lưới để hạn chế dòng điện ngắn mạch trên lưới truyền tải điện việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM VĂN CHÍ

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP VẬN HÀNH TÁCH LƯỚI
ĐỂ HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH TRÊN LƯỚI
TRUYỀN TẢI ĐIỆN VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN – HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN ĐỨC CƯỜNG

HÀ NỘI - 2014


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
Chương 1: Vấn đề dòng điện ngắn mạch và các giải pháp hạn chế dòng điện
ngắn mạch ............................................................................................................ 10
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 10
1.1.1. Tổng quan về ngắn mạch..................................................................... 10
1.1.2. Định nghĩa ngắn mạch ......................................................................... 11
1.1.3. Phân loại ngắn mạch............................................................................ 11
1.1.4. Nguyên nhân ngắn mạch ..................................................................... 12

1.1.5. Hậu quả của ngắn mạch....................................................................... 12
1.1.6. Mục đích của tính toán ngắn mạch...................................................... 13
1.2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu ............................................. 13
1.2.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................... 13
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 19
1.3. Quy định hiện hành về dòng điện ngắn mạch ........................................... 25
1.3.1. Quy phạm trang bị điện ....................................................................... 25
1.3.2. Thông tư 12/2010/TT-BCT ................................................................. 26
1.4. Các giải pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch............................................. 26
1.4.1. Giải pháp phối hợp rơle bảo vệ ........................................................... 27
1.4.2. Giải pháp thay thế thiết bị ................................................................... 27
1.4.3. Giải pháp thay đổi trở kháng ............................................................... 28
1.4.5. Giải pháp lắp đặt bổ sung thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch ............... 31
1.4.6. Kinh nghiệm quốc tế ........................................................................... 33
Chương 2: Lưới điện truyền tải Việt Nam và vấn đề dòng ngắn mạch ngày càng
tăng ....................................................................................................................... 39
2.1. Hiện trạng lưới điện truyền tải ................................................................. 39
Phạm Văn Chí

1

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

2.1.1. Hiện trạng nguồn điện ......................................................................... 39
2.2.2. Lưới điện 500kV ................................................................................ 40
2.2.3. Lưới điện 220kV ................................................................................ 41
2.2. Quy hoạch phát triển nguồn và lưới điện truyền tải ................................ 42

2.2.1. Dự báo nhu cầu phụ tải hệ thống điện đến năm 2020 ........................ 42
2.2.2. Kế hoạch phát triển hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2013-2015 ... 43
2.2.3. Kế hoạch phát triển nguồn điện giai đoạn 2013-2015 ....................... 44
2.2.4. Kế hoạch phát triển lưới điện giai đoạn 2013-2015 ........................... 45
2.3. Vấn đề dòng điện ngắn mạch tăng cao ...................................................... 48
2.4. Các biện pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch đang áp dụng, đánh giá và đề
xuất giải pháp cho lưới truyền tải điện Việt Nam............................................. 48
2.4.1. Tách lưới để hạn chế dòng ngắn mạch ............................................... 48
2.4.2. Lắp kháng hạn chế dòng ngắn mạch .................................................. 50
2.4.3. Đánh giá chung về các biện pháp hạn chế dòng ngắn mạch đang được
áp dụng .......................................................................................................... 51
Chương 3: Tính toán đề xuất phương án vận hành tách lưới để hạn chế dòng
ngắn mạch trong lưới điện truyền tải Việt Nam giai đoạn 2013-2015 và năm
2020 ...................................................................................................................... 52
3.1. Công cụ tính toán, phương pháp mô phỏng các phần tử trong Hệ thống
điện.................................................................................................................... 52
3.1.1. Công cụ tính toán ............................................................................... 52
3.1.2. Mô phỏng các phần tử trong hệ thống điện ........................................ 54
3.1.3. Các nhóm lệnh của PSS/E để tính toán ngắn mạch............................ 61
3.2. Giả thuyết tính toán .................................................................................. 63

Phạm Văn Chí

2

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

3.3. Các trường hợp (phương án) tính toán ngắn mạch các năm 2013, 2014,
2015, 2020 ........................................................................................................ 63
3.4. Kết quả tính toán ........................................................................................ 65
3.4.1. Vận hành bình thường ......................................................................... 65
3.4.2. Vận hành tách thanh cái 220kV tất cả các trạm có dòng ngắn mạch
lớn hơn 40kA ................................................................................................. 66
3.4.3. Chuyển đổi đấu nối vào/ra 220kV các trạm có dòng ngắn mạch lớn
hơn 40kA nhằm giảm số ngăn lộ đường dây đến một điểm nút thanh cái .... 79
3.4.4. Đặt kháng 7.5Ohm hạn chế dòng ngắn mạch tại ngăn phân đoạn thanh
cái 220kV tất cả các trạm có dòng ngắn mạch lớn hơn 40kA....................... 90
3.5. Đề xuất phương án áp dụng ...................................................................... 98
Chương 4: Kết luận và kiến nghị ....................................................................... 101
4.1. Kết luận .................................................................................................... 101
4.2. Kiến nghị.................................................................................................. 102
Tài liệu tham khảo .............................................................................................. 103

Phạm Văn Chí

3

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập, nghiên cứu tại Khoa Điện - Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội, dưới sự chỉ dẫn của các thầy cô và sự giúp đỡ các đồng
nghiệp bản luận văn cao học của tôi đến nay đã được hoàn thành. Với tất cả sự
kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành

tới:
-

TS. Nguyễn Đức Cường - Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành
luận văn;

-

Các thầy, cô Viện Điện, cán bộ Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng sau đại
học của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn
thành bản luận văn này;

-

Lãnh đạo và các đồng nghiệp trong Ban Kỹ thuật cũng như các Ban khác
của Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia đã luôn quan tâm, động viên
và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn.

Hà Nội, tháng 03 năm 2014
Học viên

Phạm Văn Chí

Phạm Văn Chí

4

Cao học KTĐ-2011B

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là sản phẩm của tôi và chưa từng được công bố
trước đây. Các thông tin cung như kết qủa tính toán được thực hiện trong luận
văn là chính xác, trung thực và đáng tin cậy.

Tác giả

Phạm Văn Chí

Phạm Văn Chí

5

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. HTĐ: Hệ thống điện.
2. TBA: Trạm biến áp.
3. MBA: Máy biến áp.
4. ĐD: Đường dây.
5. NMĐ: Nhà máy điện.
6. NMNĐ: Nhà máy nhiệt điện.
7. NMTĐ: Nhà máy thủy điện.
8. CĐXL: Chế độ xác lập.

9. CĐQĐ: Chế độ quá độ.

Phạm Văn Chí

6

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: Bảng thống kê các loại ngắn mạch, ký hiệu và xác suất xảy ra trên
lưới điện. .............................................................................................................. 11
Bảng 1-2 Dòng điện ngắn mạch và thời gian tối đa loại trừ ngắn mạch............. 26
Bảng 1-3 Tiêu chuẩn lựa chọn điện kháng máy biến áp của Công ty Điện lực
Tokyo ................................................................................................................... 38
Bảng 2-1 Tổng dung lượng TBA 500kV trên toàn quốc .................................... 40
Bảng 2-2 Tổng quy mô đường dây 500kV ......................................................... 41
Bảng 2-3 Tổng dung lượng TBA 220kV ............................................................. 41
Bảng 2-4 Tổng khối lượng đường dây 220kV ..................................................... 42
Bảng 2-5 Tổng quy mô xây dựng các công trình ĐD 500kV toàn quốc ............ 46
Bảng 2-6 Số lượng và quy mô XD các công trình TBA 220kV (MVA) ............. 47
Bảng 2-7 Tổng quy mô xây dựng các công trình ĐD 220kV toàn quốc ............ 48
Bảng 3-1 Kết quả tính toán số lượng MBA theo công suất MBA, mức dòng ngắn
mạch của một số trường hợp điển hình ................................................................ 62
Bảng 3-2 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2013 ............................................... 68
Bảng 3-3 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2014 ............................................... 70
Bảng 3-4 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2015 ............................................... 72
Bảng 3-5 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2020 ............................................... 77

Bảng 3-6 Kết quả trào lưu công suất ở chế độ bình thường năm 2013 ............... 80
Bảng 3-7 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2013 ............................................... 81
Bảng 3-8 Kết quả trào lưu công suất ở chế độ bình thường năm 2014 ............... 83
Bảng 3-9 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2014 ............................................... 85
Bảng 3-10 Kết quả trào lưu công suất ở chế độ bình thường năm 2015 ............. 85
Bảng 3-11 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2015 ............................................. 87
Bảng 3-12 Kết quả trào lưu công suất ở chế độ bình thường năm 2020 ............. 88
Bảng 3-13 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2020 ............................................. 89
Bảng 3-14 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2013 ............................................. 93
Bảng 3-15 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2014 ............................................. 94
Bảng 3-16 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2015 ............................................. 95
Bảng 3-17 Kết quả tính toán ngăn mạch năm 2020 ............................................. 96

Phạm Văn Chí

7

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1 Sơ đồ mạch điện 3 pha đơn giản ........................................................... 15
Hình 1-2 Sơ đồ tính toán ngắn mạch ba pha ....................................................... 15
Hình 1-3 Đồ thị biến thiên dòng điện khi xảy ra ngắn mạch ............................... 17
Hình 1-4 Đồ thị biến thiên của hệ số xung kích phụ tuộc vào Ta....................... 18
Hình 1-5 Giá trị xung kích lớn nhất nếu dòng ngắn mạch xuất phát từ 0........... 18
Hình 1-6 Phương án 1: Lắp ngăn phân đoạn mới có kháng điện phân đoạn song
song với ngăn phân đoạn hiện hữu; ..................................................................... 32

Hình 1-7 Phương án 2: Lắp như PA1 và thêm kháng ngăn MBA .................... 32
Hình 1-8 Phương án 3: Lắp kháng phân đọan giữa các thanh cái 220kV hiện hữu
.............................................................................................................................. 32
Hình 1-9 Phương án 4: Lắp kháng tại ngăn phân đoạn hiện hữu, kèm dao nối tắt.
.............................................................................................................................. 32
Hình 1-10 Sơ đồ giàn thanh cái nhà máy thủy điện Turucui I và II ................... 33
Hình 1-11 Giá trị của dòng ngắn mạch theo trở kháng của kháng hạn chế ngắn
mạch ..................................................................................................................... 35
Hình 1-12 Sơ đồ đấu nối kháng hạn chế dòng ngắn mạch TBA 345kV Mogi das
Cruzes (Brazil) ..................................................................................................... 36
Hình 2-1 Cơ cấu nguồn điện toàn quốc .............................................................. 39
Hình 2-2 Cơ cấu nguồn điện khu vực miền Bắc ................................................. 39
Hình 2-3 Cơ cấu nguồn điện miền Nam ............................................................. 40
Hình 2-4 Vị trí đặt kháng tại trạm Phú Lâm ....................................................... 50
Hình 2-5 Vị trí đặt kháng tại thanh cái 220kV Phú Mỹ 1 ................................... 50
Hình 3-1 Sơ đồ tách lưới hệ thống điện miền Nam ............................................ 64
Hình 3-2 Sơ đồ tách thanh cái 220kV Hòa Bình ................................................ 67
Hình 3-3 Sơ đồ tách thanh cái 220kV Tao Đàn ................................................... 68
Hình 3-4 Sơ đồ tách thanh cái 220kV Thủ Đức, Hóc Môn, Cát Lái ................... 70
Hình 3-5 Sơ đồ kết lưới chuyển đấu nối tại Nhà Bè ............................................ 80
Hình 3-6 Sơ đồ chuyển đấu nối tại Nhà Bè và Thủ Đức ..................................... 83

Phạm Văn Chí

8

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

PHẦN MỞ ĐẦU
Hệ thống điện Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển nhanh nhằm đáp
ứng nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội của đất nước. Lưới truyền tải điện có
nhiệm vụ truyền tải lượng công suất lớn ở điện áp cao 220kV và 500kV. Phân bổ
không đồng đều của phụ tải giữa các vùng địa lý, thường tập trung cao tại các
trung tâm kinh tế, văn hóa, xã hội, trong khi lưới điện truyền tải thường được
thiết kế mạch vòng nhằm tăng độ tin cậy cung cấp điện dẫn đến tăng quy mô
nguồn điện - phụ tải điện sẽ làm tăng dòng ngắn mạch. Cùng với sự phát triển
của hệ thống điện, dòng ngắn mạch tăng cao sẽ xảy ra trên diện rộng, làm mất an
toàn vận hành của thiết bị nếu không có những giải pháp hợp lý.
Các bài toán quy hoạch điện hiện nay vẫn chưa giải quyết vấn đề dòng
điện ngắn mạch tăng cao trên lưới truyền tải. Đề tài "Nghiên cứu giải pháp vận
hành tách lưới để hạn chế dòng điện ngắn mạch trên lưới truyền tải điện
Việt Nam", nhằm nghiên cứu một cách tổng hợp các giải pháp để hạn chế dòng
điện ngắn mạch trên lưới Truyền tải điện. Các kết quả nghiên cứu của đề tài
nhằm đánh giá tình trạng dòng điện ngắn mạch tăng cao trên lưới Truyền tải điện
Việt Nam giai đoạn 2013 - 2015. Tính toán, đề xuất phương án vận hành để hạn
chế dòng điện ngắn mạch tăng cao trên lưới Truyền tải điện Việt Nam giai đoạn
2013-2015. Nghiên cứu các giải pháp có thể áp dụng để hạn chế dòng điện ngắn
mạch và đề xuất, kiến nghị các giải pháp cho tương lai.

Phạm Văn Chí

9

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chương 1
Vấn đề dòng điện ngắn mạch và các giải pháp hạn chế
dòng điện ngắn mạch
1.1. Đặt vấn đề
1.1.1. Tổng quan về ngắn mạch
Trong hệ thống điện, các thiết bị điện, khí cụ điện cần đảm bảo làm việc
lâu dài ở chế độ bình thường, đồng thời phải chịu được những tác động lớn khi
có sự cố, trong đó có sự cố ngắn mạch. Khi xảy ra sự cố, hệ thống bảo vệ rơ le
làm việc phát hiện kịp thời, đưa tín hiệu tới các thiết bị đóng cắt, điều khiển đóng
cắt để cách ly sự cố, đảm bảo sự làm việc ổn định của hệ thống. Xác định dòng
ngắn mạch sẽ giúp cho việc lựa chọn đúng thông số các thiết bị điện, khí cụ điện,
đồng thời cài đặt chính xác cho hệ thống bảo vệ rơ le.
Chế độ của hệ thống điện thay đổi đột ngột sẽ làm phát sinh quá trình quá
độ điện từ, trong đó quá trình phát sinh do ngắn mạch là nguy hiểm nhất. Để tính
chọn các thiết bị điện và bảo vệ rơle cần phải xét đến quá trình quá độ khi:
- Ngắn mạch.
- Ngắn mạch kèm theo đứt dây.
- Cắt ngắn mạch bằng máy cắt điện.
Khi xảy ra ngắn mạch, tổng trở của hệ thống điện giảm, làm dòng điện
tăng lên, điện áp giảm xuống. Nếu không nhanh chóng cô lập điểm ngắn mạch
thì hệ thống sẽ chuyển sang chế độ ngắn mạch duy trì (xác lập).
Từ lúc xảy ra ngắn mạch cho đến khi cắt nó ra, trong hệ thống điện xảy ra
quá trình quá độ làm thay đổi dòng và áp. Dòng trong quá trình quá độ thường
gồm 2 thành phần: chu kỳ và không chu kỳ. Trường hợp hệ thống có đường dây
truyền tải điện áp đến 500 KV thì trong dòng ngắn mạch ngoài thành phần tần số
cơ bản còn các thành phần sóng hài bậc cao. Nếu đường dây có tụ bù dọc sẽ có
thêm thành phần sóng hài bậc thấp.

Phạm Văn Chí

10

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.1.2. Định nghĩa ngắn mạch
Ngắn mạch là hiện tượng các pha chập nhau, pha chập đất (hay pha
chập dây trung tính), khi đó tổng trở đẳng trị của hệ thống so với nguồn giảm
đi rất nhiều, dòng điện sẽ rất lớn gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng.
1.1.3. Phân loại ngắn mạch
Các loại ngắn mạch và xác suất xảy ra của từng loại được thống kê trong
bảng sau:
Bảng 1-1: Bảng thống kê các loại ngắn mạch, ký hiệu và xác suất xảy ra trên lưới điện.
STT
1

Loại ngắn mạch

Hình quy ước

Ngắn mạch ba pha

Ký hiệu

Xác suất

N (3)

5%

2

Ngắn mạch hai pha

N (2)
10%

3

N (1,1)

Ngắn mạch hai pha

20%

chạm đất
4

Ngắn mạch một pha

N (1)
65%

100%

Xác suất tổng số lần
ngắn mạch các loại

Nguồn: "Ngắn mạch trong hệ thống điện", GS.TS. Lã Văn Út

Ngắn mạch 3 pha có xác suất xảy ra ít nhất nhưng lại được quan tâm
nhiều nhất vì đó là ngắn mạch nặng nề nhất, ảnh hưởng nhiều đến chế độ hệ
thống, cũng là ngắn mạch dễ tính toán nhất. Tính toán các dạng ngắn mạch
khác đều dựa trên cơ sở đưa về cách tính ngắn mạch 3 pha.

Phạm Văn Chí

11

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.1.4. Nguyên nhân ngắn mạch
Nguyên nhân chủ yếu sinh ra ngắn mạch là do cách điện bị hỏng. Cách
điện hỏng có thể do sét đánh, quá điện áp nội bộ trong quá trình đóng mở mạch,
cách điện lâu ngày già cỗi, quá tuổi thọ, chịu tác động của cơ khí gây vỡ nát, bị
tác động của nhiệt độ phá hủy môi chất, xuất hiện điện trường mạnh làm phóng
điện chọc thủng vỏ bọc... Ngắn mạch cũng có thể do các nguyên nhân chủ quan
như thao tác nhầm, do thi công xây dựng công trình đào đúng cáp điện ngầm,
do chim đậu, cây đổ, thả diều, ...
1.1.5. Hậu quả của ngắn mạch
Khi ngắn mạch, dòng điện đột ngột tăng lên rất lớn, chạy trong các phần
tử của hệ thống điện. Tác dụng của dòng điện ngắn mạch có thể gây ra:
-

Sinh ra phát nóng cục bộ các phần có dòng ngắn mạch đi qua cho dù là

thời gian ngắn, gây cháy nổ.

-

Dòng xung kích lớn sinh ra lực động điện giữa các phần tử của thiết bị
điện, làm biến dạng hoặc gẫy vỡ các bộ phận, có thể làm hỏng khí cụ
điện.

-

Điện áp sụt có thể làm cho các động cơ ngừng quay, ảnh hưởng đến năng
suất làm việc của máy móc, thiết bị.

-

Có thể gây ra sự làm việc mất đồng bộ của máy phát điện trong hệ
thống do các máy phát mất cân bằng công suất và quay theo những vận
tốc khác nhau, gây mất ổn định hệ thống và nặng có thể gây tan rã hệ
thống.

-

Khi ngắn mạch 1 pha hay 2 pha chạm đất sinh ra dòng thứ tự không làm
nhiễu các đường dây thông tin ở gần.

-

Nhiều phần tử của mạng điện bị cắt ra để loại trừ điểm ngắn mạch, làm
cho việc cung cấp điện bị gián đoạn.

Phạm Văn Chí

12

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.1.6. Mục đích của tính toán ngắn mạch
-

Tính toán ngắn mạch để lựa chọn trang thiết bị khi thiết kế, đảm bảo an
toàn vận hành dưới tác động nhiệt và cơ do dòng điện ngắn mạch gây ra.

-

Phục vụ cho tính toán hiệu chỉnh các thiết bị bảo vệ và tự động hóa
trong hệ thống điện nhằm loại trừ nhanh và chọn lọc các phần tử sự cố
ngắn mạch ra khỏi hệ thống điện.

-

Tính toán ngắn mạch để lựa chọn sơ đồ thích hợp làm giảm dòng ngắn
mạch.

-

Để lựa chọn thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch.

-

Nghiên cứu các hiện tượng khác về chế độ hệ thống điện như quá trình
quá độ điện cơ (phân tích ổn định), quá trình quá độ điện từ (hiện tượng
cộng hưởng, quá điện áp, ...)

1.2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
1.2.1. Cơ sở lý thuyết
1.2.1.1. Các khái niệm
Ngắn mạch: là một loại sự cố xảy ra trong hệ thống điện do hiện tượng
chạm chập giữa các pha không thuộc chế độ làm việc bình thường.
-

Trong hệ thống có trung tính nối đất (hay 4 dây) chạm chập một pha hay
nhiều pha với đất (hay với dây trung tính) cũng được gọi là ngắn mạch.

-

Trong hệ thống có trung tính cách điện hay nối đất qua thiết bị bù, hiện
tượng chạm chập một pha với đất được gọi là chạm đất. Dòng chạm đất
chủ yếu là do điện dung các pha với đất.
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.
Phạm Văn Chí

13

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Theo thực nghiệm:
R

1000.l

I

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.
1.2.1.2. Ngắn mạch ba pha ở xa máy phát
Xem xét mạch điện đơn giản nhất chỉ có một nhánh với điện trở, điện
kháng tập trung đối xứng và được cấp bằng nguồn điện công suất vô cùng lớn
(nguồn có điện áp đầu nguồn không đổi về biên độ).

Phạm Văn Chí

14

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

UA

R

L

R’

L’

UA

R

L

R’

L’

UB

R

L

R’

L’

UB

R

L

R’

L’

UC

R

L

R’

L’

UC

R

L

R’

L’

Hình 1-1 Sơ đồ mạch điện 3 pha đơn giản

R

L

R

i(t)

U(t)

L

i(t)

U(t)

Hình 1-2 Sơ đồ tính toán ngắn mạch ba pha

Đối với ngắn mạch 3 pha là loại ngắn mạch đối xứng, có điện áp và dòng
điện đều như nhau, chỉ lệch pha nhau 1200. Do vậy chỉ cần xét mạch đơn giản
với sơ đồ thay thế một pha, nguồn cấp có hình sin không đổi u(t) = Um.sin(ωt +
α).
Phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ của mạch như sau:
L

Phạm Văn Chí

di
 r.i  u
dt

(1-1)

15

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Dòng điện ngắn mạch i(t) là nghiệm của phương trình L

di

 r.i  u
dt

(1-1) trên gồm 2 thành phần: thành phần chu kỳ iCK(t) và thành phần tự do không
chu kỳ ia(t).
i(t) = iCK(t) + ia(t)

(1-2)

Trong đó:
Thành phần không chu kỳ ia(t) được xác định bằng ia(t) = C.e



t
Ta

Hằng số tích phân C: xác định từ điều kiện đầu, trước khi ngắn mạch xảy
ra.
Hằng số thời gian Ta 

L
đặc trưng cho tốc độ suy giảm của thành phần
R

dòng điện không chu kỳ.

Thành phần chu kỳ iCK(t) được xác định từ phương trình ngắn mạch duy
trì Zi = u(t) = Um.sin(ωt + α) ↔ r + jx = R + jωL = Um.sin(ωt + α). Suy ra
nghiệm của phương trình iCK(t) = ICKm.Sin(ωt + α - φN)

ICKm =

Um
: biên độ của dòng điện thành phần chu kỳ;
Z

Z  R 2  .L

2

φN = arctg(

 .L
R

): góc pha của tổng trở

di
Theo L  r.i  u
dt

(1-1) ta có i(t) = ICKm.Sin(ωt + α - φN) + C.e



t
Ta

Như vậy thành phần dòng điện ngắn mạch phi chu kỳ đạt giá trị cực đại
ngay ban đầu, sau đó tắt dần. Thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch dao động

tuần hoàn. Dòng ngắn mạch tổng biến thiên từ giá trị ban đầu và đạt tới giá trị
cực đại gọi là dòng xung kích.

Phạm Văn Chí

16

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

i(t)

ick(t)

ia(t)

Ickm

-Ickm

Hình 1-3 Đồ thị biến thiên dòng điện khi xảy ra ngắn mạch

Dòng điện ngắn mạch biến thiên đạt giá trị cực đại ở thời điểm T/2= 0,01
sec, được đặc trưng bởi hệ số xung kích kxk, xác định bởi:
K XK  1  e



0.01
Ta

Khi đó: ixk = kxk.ICKm
Tùy theo giá trị của Ta, hệ số xung kích nằm trong phạm vi: 1≤ kxk≤2
Mạch thuần trở L=0 thì kxk = 1; mạch thuần cảm R=0 thì kxk = 2

Phạm Văn Chí

17

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

He so xung kich phu thuoc Ta

Kxungkich

2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1

0.
00
0
0.
00
5
0.
01
0
0.
01
5
0.
02
0
0.
02
5
0.
03
0
0.
03
5
0.
04
0
0.
04

5
0.
05
0
0.
05
5
0.
06
0
0.
06
5
0.
07
0
0.
07
5
0.
08
0
0.
08
5
0.
09
0
0.
09

5
0.
10
0
0.
10
5
0.
11
0
0.
11
5
0.
12
0
0.
12
5

1

Ta, sec

Hình 1-4 Đồ thị biến thiên của hệ số xung kích phụ tuộc vào Ta

Giá trị xung kích của dòng ngắn mạch đạt giá trị cực đại nếu sự cố ngắn
mạch xảy ra khi dòng điện đi qua giá trị 0.

i(t)

ick(t)

ia(t)

Ickm

-Ickm

Hình 1-5 Giá trị xung kích lớn nhất nếu dòng ngắn mạch xuất phát từ 0

Giá trị xung kích của dòng ngắn mạch cần được quan tâm khi tính toán
kiểm tra tác dụng lực điện động của dòng điện lên các trang thiết bị.

Phạm Văn Chí

18

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch toàn phần:
2
I t  I CK
 I at2

Trong đó:

I CK 

I CKm
: Trị số hiệu dụng của thành phần dòng ngắn mạch chu kỳ;
2

Iat = ia(t): trị số hiệu dụng của thành phần bậc 0, lấy bằng trị số của thành
phần tự do ia(t) tại thời điểm tính toán t.
Trị số hiệu dụng lớn nhất của dòng ngắn mạch (Ixk), ứng với chu kỳ đầu
tiên (tại t = T/2 = 0.01 sec).
I xk  I CK 1  2.(k xk  1) 2

Vì 1 ≤ kxk ≤ 2 nên 1 

I xk
 3
I CK

Trị số hiệu dụng cực đại của dòng điện ngắn mạch toàn phần có ý nghĩa
ứng dụng quan trọng trong tính toán kiểm tra phát nóng thiết bị điện và dây dẫn
lúc sự cố.
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu
1.2.2.1. Mục đích tính toán ngắn mạch và yêu cầu đối với chúng
Khi thiết kế và vận hành các hệ thống điện, nhằm giải quyết nhiều vấn đề
kỹ thuật yêu cầu tiến hành hàng loạt các tính toán sơ bộ, trong đó có tính toán
ngắn mạch.
Tính toán ngắn mạch thường là những tính toán dòng, áp lúc xảy ra ngắn
mạch tại một số điểm hay một số nhánh của sơ đồ đang xét. Tùy thuộc mục đích
tính toán mà các đại lượng trên có thể được tính ở một thời điểm nào đó hay diễn
biến của chúng trong suốt cả quá trình quá độ. Những tính toán như vậy cần thiết

để giải quyết các vấn đề sau:
-

So sánh, đánh giá, lựa chọn sơ đồ nối điện.

Phạm Văn Chí

19

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-

Chọn các khí cụ, dây dẫn, thiết bị điện.

-

Thiết kế và chỉnh định các loại bảo vệ.

-

Nghiên cứu phụ tải, phân tích sự cố, xác định phân bố dòng...
Trong hệ thống điện phức tạp, việc tính toán ngắn mạch chính xác rất khó

khăn. Do vậy tùy thuộc yêu cầu tính toán trong thực tế thường sử dụng các giả
thiết đơn giản hóa để tính toán ngắn mạch.
Chẳng hạn để tính chọn máy cắt điện theo điều kiện làm việc khi ngắn

mạch cần xác định dòng ngắn mạch lớn nhất có thể có. Muốn vậy, người ta giả
thiết rằng ngắn mạch xảy ra lúc hệ thống điện có số lượng máy phát làm việc
nhiều nhất, dạng ngắn mạch gây nên dòng lớn nhất, ngắn mạch là trực tiếp, ngắn
mạch xảy ra ngay tại đầu cực máy cắt ...
Để giải quyết các vấn đề liên quan đến việc chọn lựa và chỉnh định thiết
bị bảo vệ rơle thường phải tìm dòng ngắn mạch nhỏ nhất. Lúc ấy tất nhiên cần
phải sử dụng những điều kiện tính toán hoàn toàn khác với những điều kiện nêu
trên.
1.2.2.2. Những giả thiết cơ bản
Khi xảy ra ngắn mạch sự cân bằng công suất từ điện, cơ điện bị phá hoại,
trong hệ thống điện đồng thời xảy ra nhiều yếu tố làm các thông số biến thiên
mạnh và ảnh hưởng tương hỗ nhau. Nếu kể đến tất cả những yếu tố ảnh hưởng,
thì việc tính toán ngắn mạch sẽ rất khó khăn. Do đó, trong thực tế người ta đưa ra
những giả thiết nhằm đơn giản hóa vấn đề để có thể tính toán.
Mỗi phương pháp tính toán ngắn mạch đều có những giả thiết riêng của
nó. Ở đây ta chỉ nêu ra các giả thiết cơ bản chung cho việc tính toán ngắn mạch.
-

Mạch từ không bão hòa: giả thiết này sẽ làm cho phương pháp phân tích
và tính toán ngắn mạch đơn giản rất nhiều, vì mạch điện trở thành tuyến
tính và có thể dùng nguyên lý xếp chồng để phân tích quá trình.

Phạm Văn Chí

20

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-

Bỏ qua dòng điện từ hóa của máy biến áp: ngoại trừ trường hợp máy biến
áp 3 pha 3 trụ nối Yo/Yo.

-

Hệ thống điện 3 pha là đối xứng: sự mất đối xứng chỉ xảy ra đối với từng
phần tử riêng biệt khi nó bị hư hỏng hoặc do cố ý có dự tính.

-

Bỏ qua dung dẫn của đường dây: giả thiết này không gây sai số lớn, ngoại
trừ trường hợp tính toán đường dây cao áp tải điện đi cực xa thì mới xét
đến dung dẫn của đường dây.

-

Bỏ qua điện trở tác dụng: nghĩa là sơ đồ tính toán có tính chất thuần
kháng. Giả thiết này dùng được khi ngắn mạch xảy ra ở các bộ phận điện
áp cao, ngoại trừ khi bắt buộc phải xét đến điện trở của hồ quang điện tại
chỗ ngắn mạch hoặc khi tính toán ngắn mạch trên đường dây cáp dài hay
đường dây trên không tiết diện bé. Ngoài ra lúc tính hằng số thời gian tắt
dần của dòng điện không chu kỳ cũng cần phải tính đến điện trở tác dụng.

-

Xét đến phụ tải một cách gần đúng: tùy thuộc giai đoạn cần xét trong quá
trình quá độ có thể xem gần đúng tất cả phụ tải như là một tổng trở không

đổi tập trung tại một nút chung.

-

Các máy phát điện đồng bộ không có dao động công suất: nghĩa là góc
lệch pha giữa sức điện động của các máy phát điện giữ nguyên không đổi
trong quá trình ngắn mạch. Nếu góc lệch pha giữa sức điện động của các
máy phát điện tăng lên thì dòng trong nhánh sự cố giảm xuống, sử dụng
giả thiết này sẽ làm cho việc tính toán đơn giản hơn và trị số dòng điện tại
chỗ ngắn mạch là lớn nhất. Giả thiết này không gây sai số lớn, nhất là khi
tính toán trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ (0,1÷0,2 sec).

1.2.2.3. Hệ đơn vị tương đối
Bất kỳ một đại lượng vật lý nào cũng có thể biểu diễn trong hệ đơn vị có
tên hoặc trong hệ đơn vị tương đối. Trị số trong đơn vị tương đối của một đại
lượng vật lý nào đó là tỷ số giữa nó với một đại lượng vật lý khác cùng thứ

Phạm Văn Chí

21

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

nguyên được chọn làm đơn vị đo lường. Đại lượng vật lý chọn làm đơn vị đo
lường được gọi đại lượng cơ bản.
Như vậy, muốn biểu diễn các đại lượng trong đơn vị tương đối trước hết
cần chọn các đại lượng cơ bản. Khi tính toán đối với hệ thống điện 3 pha người

ta dùng các đại lượng cơ bản sau:
Scb : công suất cơ bản 3 pha.
Ucb : điện áp dây cơ bản.
Icb : dòng điện cơ bản.
Zcb : tổng trở pha cơ bản.
tcb : thời gian cơ bản.
ωcb : tốc độ góc cơ bản.
Xét về ý nghĩa vật lý, các đại lượng cơ bản này có liên hệ với nhau qua
các biểu thức sau:
Scb =

3 Ucb. Icb;

Zcb =

U cb
;
3.I cb

tcb =

1
 cb

Do đó ta chỉ có thể chọn tùy ý một số đại lượng cơ bản, các đại lượng cơ
bản còn lại được tính từ các biểu thức trên. Thông thường chọn trước Scb , Ucb và
ωcb.
Khi đã chọn các đại lượng cơ bản thì các đại lượng trong đơn vị tương đối
được tính từ các đại lượng thực như sau:
E

U cb
S

S cb

; U *( cb) 

S*( cb)

; I *( cb)

Z*( cb) 

Phạm Văn Chí

U
U cb
I

I cb

E*( cb) 

3.I cb
S
Z
 Z.
 Z . cb2
Z cb
U cb

U cb

22

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

E*(cb) đọc là E tương đối cơ bản (tức là sức điện động E trong hệ đơn vị
tương đối với lượng cơ bản là Ucb). Sau này khi ý nghĩa đã rõ ràng và sử dụng
quen thuộc thì có thể bỏ dấu (*) và (cb).
* Một số tính chất của hệ đơn vị tương đối:
-

Các đại lượng cơ bản dùng làm đơn vị đo lường cho các đại lượng toàn
phần cũng đồng thời dùng cho các thành phần của chúng.
Ví dụ: Scb dùng làm đơn vị đo lường chung cho S, P, Q; Zcb - cho Z, R, X.

-

Trong đơn vị tương đối điện áp pha và điện áp dây bằng nhau, công suất 3
pha và công suất 1 pha cũng bằng nhau.

-

Một đại lượng thực có thể có giá trị trong đơn vị tương đối khác nhau tùy
thuộc vào lượng cơ bản và ngược lại cùng một giá trị trong đơn vị tương
đối có thể tương ứng với nhiều đại lượng thực khác nhau.

-

Đại lượng trong đơn vị tương đối có thể được biểu diễn theo phần trăm, ví
dụ như ở kháng điện, máy biến áp...
X k %  100. X *( đm)  X k .
X B %  X B.

3.I đm
.100
U đm

3.I đm
.100  U N %
U đm

* Tính quy đổi đại lượng trong hệ đơn vị tương đối
-

Một đại lượng trong đơn vị tương đối là A*(cb1) với lượng cơ bản là Acb1 có
thể tính đổi thành A*(cb2) tương ứng với lượng cơ bản là Acb2 theo biểu
thức sau:
At = A*(cb1) * Acb1 = A*(cb2) * Acb2
Ví dụ, đã cho E*(cb1), Z*(cb1) ứng với các lượng cơ bản (Scb1, Ucb1, Icb1) cần
tính đổi sang hệ đơn vị tương đối ứng với các lượng cơ bản (Scb2, Ucb2,
Icb2):
E*( cb2 )  E*( cb1) .

Phạm Văn Chí

23

U cb1
U cb2

Cao học KTĐ-2011B


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Z*( cb2)

I cb2 U cb1
Scb2 U cb2 1
 Z*(cb1) .
.
 Z*(cb1) .
.
I cb1 U cb2
Scb1 U cb2 2

- Nếu tính đổi các tham số ứng với lượng định mức (Sđm, Uđm, Iđm) thành
giá trị ứng với lượng cơ bản (Scb, Ucb, Icb) thì:
E*( cb)  E*( đm ) .

Z*(cb)

-

U đm
U cb

2
I cb U đm
Scb U đm
 Z*( đm) .
.
 Z*( đm) .
.
I đm U cb
Sđm U cb2

Khi chọn Ucb = Uđm ta có các biểu thức đơn giản sau:
E*( cb)  E*( đm )
Z *( cb)  Z *( đm ) .

I cb
S
 Z *( đm ) . cb
I đm
S đm

* Chọn các đại lượng cơ bản
-

Thực tế trị số định mức của các thiết bị ở cùng một cấp điện áp cũng
không giống nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau đó không nhiều (trong
khoảng ± 10%), ví dụ điện áp định mức của máy phát điện là 11kV, máy
biến áp - 10,5kV, kháng điện - 10kV. Do đó trong tính toán gần đúng ta
có thể xem điện áp định mức Uđm của các thiết bị ở cùng một cấp điện áp
là như nhau và bằng giá trị trung bình Utb của cấp điện áp đó. Theo qui

ước có các Utb sau [kV]: 500; 330; 230; 154; 115; 37; 20; 15,75; 13,8;
10,5; 6,3; 3,15; 0,525

-

Khi tính toán gần đúng người ta chọn Ucb = Uđm = Utb, riêng đối với kháng
điện nên tính chính xác với lượng định mức của nó vì giá trị điện kháng
của kháng điện chiếm phần lớn trong điện kháng tổng của sơ đồ, nhất là
đối với những trường hợp kháng điện làm việc ở điện áp khác với cấp
điện áp định mức của nó (ví dụ, kháng điện 10kV làm việc ở cấp 6kV).

-

Nói chung các đại lượng cơ bản nên chọn sao cho việc tính toán trở nên
đơn giản, tiện lợi. Đối với Scb nên chọn những số tròn (chẳng hạn như

Phạm Văn Chí

24

Cao học KTĐ-2011B