PHẦN ĐIỆN TRONG TRẠM BIẾN ÁP - Chương 5 pps

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NGẮN MẠCH Định nghĩa - Đặc tính - Các loại ngắn mạch Nguyên nhân - Hậu quả - Mục đích tính toán ngắn mạch Những khái niệm - Cách thành lập sơ đồ đẳng trị - Xác định đ

Chương 5

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

DÀN BÀI

I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NGẮN MẠCH

Định nghĩa - Đặc tính - Các loại ngắn mạch

Nguyên nhân - Hậu quả - Mục đích tính toán ngắn mạch

Những khái niệm - Cách thành lập sơ đồ đẳng trị - Xác định điện kháng các phần

tử của hệ thống điện - Biến đổi sơ đồ đẳng trị về dạng đơn giản - Hệ số phân bố -

Ví dụ tính toán ngắn mạch

III TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH BA PHA Ở MẠNG CAO ÁP

Ngắn mạch ba pha đối xứng trong mạng đơn giản

Ngắn mạch ba pha đột nhiên trong mạch điện có máy biến áp

Ví dụ về tính toán dòng điện ngắn mạch

IV TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG MẠNG ĐIỆN ÁP THẤP U  1000V

Đặc điểm của mạng U  1000V - Tổng trở các thành phần của mạng điện - Thành phần chu kỳ của dòng điện ngắn mạch

Xét sự thay đổi dòng điện ngắn mạch do quá trình phát nóng của dây dẫn - Ảnh hưởng của động cơ không đồng bộ đặt gần điểm ngắn mạch

V HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH TRONG CÁC TRANG BỊ ĐIỆN

Khái niệm chung - Phương pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch

MỤC TIÊU: Trang bị cho học sinh

1 Đặc tính của lưới điện và trạm biến áp khi có ngắn mạch xảy ra

2 Nguyên nhân, hậu quả và mục đích tính toán ngắn mạch

3 Cách giải một bài tập ngắn mạch ba pha đối xứng trong hệ đơn vị có tên

4 Phân biệt các dòng I” ; IN(t) ; Ixk ; I ; ixk trong ngắn mạch và cách dùng chúng

5 Cách giải một bài tập ngắn mạch ba pha đối xứng trong lưới điện hạ áp

6 Các phương pháp hạn chế ngắn mạch cụ thể trong trạm biến áp

 Khi ngắn mạch sự biến đổi bất kỳ dòng điện trong một nhánh nào đó đều có ảnh hưởng của các máy phát điện có liên quan Nếu ngắn mạch lớn, các máy phát điện

bị dao động công suất làm cho chúng bị mất đồng bộ và hệ thống bị mất ổn định

I.4 Nguyên nhân sinh ra ngắn mạch

Nguyên nhân chủ yếu sinh ra ngắn mạch là do cách điện bị hỏng

Lý do làm cách điện bị hỏng có thể là: sét đánh, quá điện áp nội bộ, cách điện dùng lâu quá già cỗi, trông nom các thiết bị không chu đáo, …

Do những nguyên nhân cơ học trực tiếp như: đao đất đụng phải dây cáp, hay là các nguyên nhân khác như: thả diều, chim đậu, cây đổ vào đường dây điện, ……

I.5 Hậu quả của ngắn mạch

a Lúc ngắn mạch dòng điện tăng lên sinh ra nhiệt rất lớn, phát nóng cục bộ trong các bộ phận có IN đi qua, dù là thời gian rất ngắn

b Sinh ra ứng lực cơ giới giữa các vật đẫn do dòng điện xung kích, có thể làm hỏng khí cụ điện, sứ đỡ…

c Lúc ngắn mạch, điện áp tụt xuống có thể làm cho các đông cơ điện ngừng quay, sản xuất bị ngưng trệ, làm hỏng sản phẩm

d Phá hoại sự làm việc của các máy phát điện trong hệ thống, làm hệ thống mất

b Chọn các khí cụ điện và dây dẫn khi có sự cố phải chịu đựng được tác dụng cơ

và nhiệt của dòng điện ngắn mạch đi qua

c Thiết kế bảo vệ nối đất

d Xác định ảnh hưởng của đường dây điện lực với đường dây thông tin

e Thiết kế và chỉnh định bảo vệ Rơ-le

f Chọn các thiết bị tự động bảo vệ ngắn mạch, chống quá điện áp

g Thí nghiệm ngắn mạch để tìm ra những thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch IN

h Phân tích các loại sự cố trong hệ thống điện

II CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

II.1 Những khái niệm

Đối với hệ thống điện phức tạp, việc tính toán ngắn mạch rất khó khăn và mất nhiều thời giờ, người ta phải dùng các mô hình vật lý và máy tính để tính toán ngắn mạch và ổn định của hệ thống điện

Trong thực tế, nhiều khi không đòi hỏi sự chính xác cao, người ta dùng phương pháp tính thực dụng gần đúng với một số giả thiết cơ bản nhằm đơn giản hóa bài toán Để tien hành tính toán ngắn mạch, ta phải biết những điểm sau:

a) Phải xác định được sơ đồ thay thế

b) Xác định loại ngắn mạch

c) Vị trí của điểm ngắn mạch d) Biết thời điểm của quá trình ngắn mạch Tham số các phần tử của hệ thống điện dùng để xác định sơ đồ đẳng trị có thể đọc trên nhãn hiệu, trong các bảng thuyết minh xuất xưởng (Catalogue), trong sách hướng dẫn bảo trì (Instruction book) hay tra trong các sổ tay tra cứu (Handbook)

Để tính toán ngắn mạch ta phải:

a) Xác định sơ đồ đẳng trị

52

b) Dùng các phương pháp biến đổi để biến sơ đồ đẳng

trị thành sơ đồ đẳng trị đơn giản nhất có thể

c) Xác định dòng ngắn mạch

II.2 Cách thành l ập sơ đồ đẳng trị Hình 5 – 1 : Tối giản sơ đồ

Sơ đồ đẳng trị là sơ đồ một sợi, trong đó mỗi phần tử của hệ thống điện được thay thế bằng một điện kháng (hay tổng trở), riêng đối với máy phát điện (đôi khi cả đối với động cơ điện và máy bù đồng bộ) được thay thế bằng một điện kháng và một sức điện động Thành lập sơ đồ đẳng trị là đem tất cả các tham số, các phần tử của các đoạn mang điện ở các cấp điện áp khác nhau quy về một đoạn nào đó đã được chọn làm đoạn cơ sở

Trong hệ đơn vị có tên, tham số của các phần tử ở các đọan còn lại sẽ được tính đổi về đoạn cơ sở Eo ; Io ; Xo ; : Các tham số của đoạn xét

E ; I ; X ; …: Các tham số của đoạn cơ sở

Eo = (k1 k2 … kn) E Xo = (k1 k2 … kn)2 X

II.3 Một số công thức xác định điện kháng các phần tử của hệ thống điện

* Điện kháng của máy phát

* Điện kháng của máy biến áp

* Điện kháng của đường dây

* Điện kháng của kháng điện

* Với máy biến áp ba pha ba dây quấn, có thể tra được điện áp ngắn mạch phần trăm của từng đôi cuộn dây UNC-T ; UNC-H ; UNT-H Ta cần tính điện áp ngắn mạch phần trăm của từng cuộn cao, trung, hạ UNC ; UNT ; UNH Sau đó dùng các công thức (5 - 10) để xác định điện kháng của các cuộn dây cao, trung, hạ của máy biến áp 3 pha 3 dây quấn

Hình 5 – 2 : Xác định chiều của k

F

Đoạn xét Đoạn cơ sở

2)(5 U

Uk U

Uk U

Uk

tb3

tb2 3 tb2

tb1 2 tb1

cs

1)(5 X

UXX

m

2 m d

đ đ

)( )k

(kS100

Uu

m

2 m N B

%





đ đ

)( )k

(k l x

n 1 0

)( )k

(kI3100

Ux

n 1 m

đm K B

II.4 Biến đổi sơ đồ đẳng trị về dạng đơn giản

Sau khi thành lập sơ đồ đẳng trị và tính

điện kháng của các phần tử cần phải tiến hành

các phép biến đổi để đưa sơ đồ đẳng trị về dạng

sơ đồ đơn giản nhất

Chú ý trong sơ đồ đẳng trị, mỗi phần tử

của mạch điện được biểu diễn bằng một phân

số: tử số ghi số thứ tự của phần tử, còn mẫu số

ghi giá trị điện kháng (GTĐK) của phần tử đó

Hình 5 – 3 : Biến đổi sơ đồ đẳng trị

Biến đổi tương đối các nhánh không có nguồn Công thức: từ (5 – 9) đến (5 – 16)

Song song

X X

54

II.5 Hệ số phân bố

Khi không có phụ tải, hệ số phân bố của các máy phát điện đặc trưng cho phần tham gia của máy phát điện đó cung cấp cho điểm ngắn mạch Với gỉa thiết tất cả các sức điện động bằng nhau, thì sự phân bố dòng điện trong các nhánh tỉ lệ với các

hệ số phân bố : C1 ; C2 ; …… ; Cn

C = C1 + C2 + ……… + Cn = 1 C Xđt = C1 X1 = C2 X2 = ……… = Cn Xn

Xđt = X1 // X2 // …… // Xn : điện kháng đẳng trị của các nguồn nối song song

X = XN + Xđt là điện kháng tổng hợp của sơ đồ đối với điểm ngắn mạch

b) Tính toán ngắn mạch trong hệ đơn vị có tên

Ta chọn đoạn có điện áp 10,5 kV làm đoạn cơ sở Xác định các điện kháng

* Điện kháng của máy phát

* Điện kháng của máy biến áp B1

* Điện kháng của đường dây

* Điện kháng của máy biến áp B2

* Điện kháng của kháng điện

* Điện kháng của cáp ngầm

* Điện kháng tổng hợp X7 = X1 + X2 + X3 + X4 + X5 + X6

X7 = 0,96 + 0,37 + 0,24 + 0,64 + 1,21 + 0,42 = 3,84 () Với sức điện động đã cho (kV) thì dòng điện khi ngắn mạch tại N

* Trong máy phát điện

* Dòng điện tại điểm ngắn mạch được tính đổi từ đoạn cơ sở về đoạn xét

TÓM TẮT VÀ ÔN TẬP PHẦN I & II

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Trong lưới điện có trung điểm cách đất có những loại ngắn mạch: ……… ?

2 Những đặc điểm của lưới điện khi có ngắn mạch trong lưới điện: ……… ?

3 Hậu quả trong lưới điện khi có dòng ngắn mạch đi qua?

4 Đem sơ đồ thay thế hình – a về dạng đơn giản nhất

5 Vẽ sơ đồ thay thế và tính điện kháng tương đối các phần tử trong hình – b

10,5

121

110 6,6

110 6,6

N

E 0,96

10,37

20,24

30,64

41,21

50,426

N

E 3,847

3 Nguyên nhân chủ yếu là cách điện bị phá hỏng

5 Muốn tính toán ngắn mạch cần phải thành lập được sơ đồ thay thế và xác

III TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH BA PHA Ở MẠNG CAO ÁP

III.1 Ngắn mạch ba pha trong mạng đơn giản, công suất vô cùng lớn

a) Xét ngắn mạch xảy ra tại điểm N trong mạch

Lúc đó mạch điện được chia làm hai phần độc lập: phần phía có nguồn và phần phía không có nguồn

Hình 5 – 5 : Ngắn mạch ba pha trong mạng điện đơn giản

Ba pha đối xứng, ta có thể tách từng pha để nghiên cứu

Phương trình vi phân viết cho một pha và nghiệm

UN% = 10,5

31,5 MVA 10,5 /121 kV

UN% = 10,5

30 MVA 10,5 kV

Xd” = 0,12

50 MVA 10,5 kV



Khi t = 0 , C = i0 , Do đó 

Kết luận về dòng điện ngắn mạch cho phía không có nguồn

- Phía không nguồn dòng quá độ phụ thuộc vào dòng điện ban đầu i0 trong các pha

- Nếu lúc ngắn mạch, pha nào có i0 = 0 thì pha đó sẽ không có quá trình quá độ

- Dòng điện quá độ lớn nhất bằng dòng điện phụ tải nên không nguy hiểm gì cho thiết bị

- Dòng điện này tắt dần với hằng số tắt dần (hằng số thời gian): do hàm số của dòng điện là hàm mũ giảm dần

Phương trình vi phân viết cho một pha

Giả sử pha A

Nghiệm của phương trình

 Thành phần thứ nhất của vế phải là thành phần chu kỳ của dòng điện ngắn mạch

có biên độ không đổi là: (vì Um giả thiết không đổi)

 Thành phần thứ hai của vế phải là thành phần không chu kỳ của dòng điện ngắn mạch tắt dần với hằng số thời gian:

 Hằng số tích phân C được xác định như sau khi t = 0



Với N : góc lệch pha U và I sau khi ngắn mạch : góc lệch pha ban đầu của điện áp

Kết luận cho dòng điện ngắn mạch về phía có nguồn

Dựa vào hình vẽ đồ thị vectơ của U và I tại thời điểm ban đầu của ngắn mạch

- : vectơ biên độ dòng điện các pha trước lúc ngắn mạch

- : vectơ biên độ dòng điện chu kỳ các pha sau lúc ngắn mạch

- Hình chiếu vectơ Im , Ickm lên trục thời gian t là trị số tức thời của dòng điện i0 và ick0

- Hình chiếu vectơ lên trục thời gian chính là giá trị của C = ikck |0|

- Giá trị của ikck có thể biến thiên từ trị số cực đại (vectơ song song với trục 0t) đến trị số không ( 0 ) (vectơ vuông góc với trục 0t) nghĩa là thành phần không chu kỳ của dòng điện ngắn mạch đã tắt hết, chỉ còn dòng điện chu kỳ và

N ckm

C = ikck/o/ = io - ick/o/ = Im sin (α + φ) - Ickm sin(α - φN)

kck ck L t

* N

)I -I(m ckm (Im - Ickm)





mỗi pha lệch nhau 1200

- Như vậy không những

phụ thuộc vào góc pha

ban đầu (tức thời điểm

điện cảm hay không tải

(giá trị đạt cực đại khi

mạch có tính chất điện dung, rồi đến mạch không tải và bé nhất khi mạch có tính chất điện cảm) Ta thường xét trường hợp mạch điện lúc ngắn mạch là không tải

Hình 5 – 7 : Đồ thị hình sin về dòng của pha A tại thời điểm ban đầu xảy ra ngắn mạch

)I -I(C ckC

)I -I(A ckA

CI

AI

BI

ckBI

ckAI

ckCI

CU

A

U

BU

Hình 5 – 6

Đồ thị vectơ của U và  tại thời điểm ban đầu ngắn mạch

b) Dịng điện ngắn mạch xung kích

Dịng điện ngắn mạch xung kích ixk là trị số tức thời lớn nhất của dịng điện ngắn mạch trong quá trình quá độ

Ta xét mạch điện trước lúc ngắn mạch là khơng tải Dịng điện xung kích xảy ra vào khoảng thời điểm : t = T / 2 = 0,01s (f = 50 Hz) sau lúc ngắn mạch Vậy :

 Khi mạch điện thuần cảm: tức là R∑ = 0 thì Ta =   kxk = 2 nghĩa là dịng điện khơng chu kỳ khơng tắt dần

 Khi mạch thuần trở: tức là X∑ = 0 thì Ta = 0  kxk = 1 nghĩa là khơng xuất hiện dịng điện khơng chu kỳ

c) Trị số hiệu dụng của dịng điện ngắn mạch tồn phần

Trị số hiệu dụng của dịng điện ngắn mạch tại một thời điểm

(t) nào đĩ trong quá trình quá độ cĩ thể tính nếu biết được quan

hệ: iN = f (t)

Dịng điện ngắn mạch trong quá trình quá độ khơng phải là đường cong hình sin

vì cĩ sự tham gia của dịng điện khơng chu kỳ Như vậy trị số hiệu dụng của dịng điện ngắn mạch tồn phần tại thời điểm t cĩ thể tính gần đúng như giá trị trung bình bình phương trong chu kỳ (0,02s) mà thời điểm t nằm giữa

Trị số hiệu dụng của dịng điện xung kích Ixk tại thời điểm t = T/2 với điều kiện

Ikck/0/ = Ickm (trước lúc ngắn mạch là khơng tải)

Đem thay Ikck(t) vào (5 - 47) ta được:

Khi 1 ≤ kxk ≤ 2 thì Dịng điện I xk dùng để kiểm tra khí cụ điện về lực động điện khi ngắn mạch d) Dịng điện ngắn mạch ổn định (duy trì) Dịng điện ngắn mạch trong quá trình ổn định I là dịng điện ngắn mạch chu kỳ Ick của quá trình ngắn mạch, khi mà tất cả các dịng điện tự do phát sinh ra tại thời điểm ban đầu của quá trình ngắn mạch đã tắt dần hết và khi hồn tồn kết thúc việc nâng dịng điện kích từ do tác dụng của bộ tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) của máy phát điện I  = I ck = I N (t = ) (5 – 20) IN(t) = (I  ckt)2 + (Ikckt)2

Ikck(t) = ick – Ickm = kxk Ickm – Ickm = (kxk – 1) Ickm = I  2 ck (kxk – 1) (5 – 21) Ixk = I  ck2 + 2 Ick2 (kxk – 1) 2 = Ick 1 + 2(k  xk – 1) 2

1 ≤ ≤

Ick Ixk  3    2 T t 2 T 2 N Nt i dt T 1 I 46) (5

I k 2 I k

) e (1 I e I I i i i ck xk ckm xk T 0,01 ckm T 0,01 ckm ckm s) kck(0,01 s) ck(0,01 xk a a         2 k  xk   (1 e ) gọi là

k đó

0,01

(5 – 19)

60

Dòng điện I  để kiểm tra ổn định nhiệt của các khí cụ điện và dây dẫn III.2 Ngắn mạch ba pha đột nhiên trong mạch điện có máy biến áp

Với chiều dòng điện đã chọn, ta có các phương trình vi phân sau:

Do io = 0 nên i1 = i2 (giả thiết cơ bản ban đầu)

Cộng (sơ cấp) và (thứ cấp) theo từng vế ta được:

Trong đó: rN = r1 + r2 : Điện trở của máy biến áp

LN = L1 + L2 – 2M = (L1 – M) + (L2 – M) : Điện kháng tản của MBA

Nghĩa là máy biến áp trong quá độ khi bỏ qua dòng từ hóa, có thể thay thế bằng điện trở và điện cảm để tính toán như mạch điện thông thường

III.3 Ví dụ về tính toán dòng điện ngắn mạch

Trạm biến áp trung gian có hai máy biến áp đấu song song Máy biến áp có số liệu: Sđm = 40MVA ; Uđm = 110 / 22 /11 kV ; hệ số quá tải sự cố cho phép ksc = 1,4 ; tổ đấu dây YNyn0 – d11, uN% = 8 Khi ngắn mạch trên thanh góp 110kV, công suất ngắn mạch hệ thống cung cấp về trạm biến áp là 400MVA

 Phía U = 110kV là hệ thống một thanh góp, có phân đoạn bằng máy cắt Thiết bị phân phối loại ngoài trời Có hai lộ vào từ đường dây lộ kép dài 40km, phân bố trên hai phân đoạn thanh góp

 Phía U = 22 kV là hệ thống hai thanh góp, thiết bị phân phối loại trong tủ Có 6 phát tuyến (10 MVA/phát tuyến) phân bố đều phát tuyến trên hai hệ thống thanh góp Xác định dòng ngắn mạch duy trì và dòng ngắn mạch xung kích khi:

110S

UX

2

N(ht)

2 m

*0,4 l x

X

(24,240

*100

110

*8 S100

5

đ đ

N1

N2

25,301

16

2

163

2,24

52,24

110X

25,301

(kA)2,61)-2(1,851

*1,66 )12(k1

I

xk ck

(kA)4,34 1,85

*2

*1,66 k

2

I

Câu hỏi ôn tập phần III

2 Xem đồ thị vectơ của U và I tại thời điểm ban đầu của ngắn mạch (hình 5 – 7) các đoạn Oa ; Oa’ ; Ob ; Ob’ ; Oc ; Oc’ ; aa’ ; bb’ ; cc’ diễn tả các giá trị gì?

3 Xem hình vẽ đồ thị hình sin của U và I pha A tại thời điểm ban đầu của ngắn mạch Hãy vẽ hai pha còn lại (theo hình 5 – 7)?

phần IN ; dòng ngắn mạch ổn định I∞ ? Cách xác định chúng?

LN và ý nghĩa của chúng trong khi vẽ sơ đồ thay thế để tính toán ngắn mạch cho lưới điện có máy biến áp

(kA)1,2650,353

110X

1,128

N2

86

25,301

(kA)6,322

1101,26k

*

I

(kA)1,01762,45

3

110X

1101,017k

25,301

N2

45,6210

(kA)9,51 1)-2(1,81

*6,3 )12(k1

I

xk ck

(kA)7,67 1)-2(1,81

*5,08 )12(k1

I

xk ck

(kA)16,03 6,3

*1,8

*2 Ik

2

(kA)12,93 5,08

*1,8

*2 Ik

2