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

tinh toan phan phoi dong trong luoi 22kv

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

TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22KV

CALCULATIONS OF DISTRIBUTION OF RETURN

CURRENT ON 22KV NETWORK

Lê Kim Hùng, Trần Vinh Tịnh

Đại học Đà Nẵng

Võ Nh ư Quốc

Công ty Điện lực 3

Lưới điện phân phối (LĐPP) 22kV tồn tại dưới hai dạng cấu trúc 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây, v ới cấu trúc lưới khác nhau này dẫn đến sự khác nhau về các thông số kỹ thuật trong các

ch ế độ vận hành của hệ thống điện (HTĐ) [1], như: thông số chỉnh định bảo vệ rơle, mức di trung tính và kh ả năng bất đối xứng của máy biến áp (MBA) trạm nguồn 22kV, sự phân bố dòng điện trở về, mức độ an toàn điện đối với con người và các giới hạn cho phép của điện trở

n ối đất tại trạm biến áp (TBA) nguồn 22kV Bài báo này nghiên cứu sự khác nhau về phân bố dòng điện trở về (DĐTV) đối với từng cấu trúc lưới điện

ABSTRACT

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

1 Đặt vấn đề

Hiện nay ở Việt Nam đang tồn tại dạng cấu trúc LĐPP 22kV với đặc điểm như sau:

a LĐPP 22kV với cấu trúc 3 pha 3 dây: gồm 3 dây pha không có dây trung tính đi theo lưới điện

b LĐPP 22kV với cấu trúc 3 pha 4 dây: gồm 3 dây pha và có dây trung tính đi theo lưới điện tạo thành lưới điện 4 dây, cứ khoảng 200 - 250m được nối đất lặp

lại (NĐLL) 1 lần

Khi có sự không đối xứng (KĐX) trong HTĐ sẽ xuất hiện DĐTV (là dòng điện

thứ tự không 3I0

2 Dòng điện trở về đối với LĐPP 22kV 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây

) đi về nguồn, do có cấu trúc lưới điện khác nhau dẫn đến sự phân bố

DĐTV đối với mỗi cấu trúc lưới điện cũng khác nhau, điều này ảnh hưởng đến chế độ

bảo vệ rơle và mức độ an toàn điện đối với con người… Vì vậy bài báo trình bày cách tính toán DĐTV đối với các dạng cấu trúc lưới trên

2.1 Dòng điện trở về trong chế độ vận hành bình thường của LĐPP 22kV

2.1.1 Đối với cấu trúc lưới 3 pha 3 dây

a Tính toán ở chế độ tải 3 pha đối xứng: Xét LĐPP 22kV 3 pha 3 dây với đất làm dây trung tính đặc trưng cho mạch trở về như hình 1

Ta có quan hệ dòng điện như sau: I tv I tt I A I B I C

•

•

•

•

•

+ +

=

Ở chế độ vận hành tải 3 pha đối xứng, dòng điện Itt = 0 → Itv

b Tính toán ở chế độ tải 3 pha KĐX: Trong chế độ vận hành (CĐVH) KĐX, để tính chế độ KĐX ta áp dụng phương pháp thành phần đối xứng (TPĐX) [2]

= 0, do vậy không

có DĐTV chạy trong đất

Hệ thống dòng điện KĐX IA, IB, IC được phân tách thành 3 hệ thống TPĐX TTT I1, TTN I2 và TTK I0

C B A

I

•

•

•

•

•

+ +

=

=3 0

, trong đó: dòng điện TTK là hệ thống 3 dòng điện bằng nhau

và đồng pha, chạy trong 3 pha và cùng chạy trong dây trung tính (chạy trong đất), do đó

Nếu biết giá trị hiệu dụng của dòng điện pha IA, IB, IC có thể tính dòng điện TTK I0

I

gần đúng khi cosφ của phụ tải gần bằng 1 [2]:

2

0 = [IA2 + IB2 + IC2 - (IAIB - IBIC - IAIC

* Với các MBA có cuộn dây đấu Y

0

Công suất tác dụng tổn hao trên ĐTNĐ: ∆P

, với điểm trung tính nối đất thì trong trường hợp KĐX, xuất hiện TPĐX dòng TTK chạy qua điện trở nối đất (ĐTNĐ) Kết quả là xuất

hiện tổn hao và điện áp trên điện trở đó, điện áp này có thể gây nguy hiểm cho con người trong quá trình vận hành

0 = (3I0)2.Rnđ

n đ R I

U0 3 0

•

•

=

∆

Tổn hao điện áp trên điện trở đất là: , trong quá trình vận hành điều kiện ∆U 0 < ∆Ucp phải được đảm bảo Điều kiện an toàn Utx = 3I0 Rnđ ≤ Utxcp

Nhận xét

2.1.2 Đối với cấu trúc lưới 3 pha 4 dây

: Đối với cấu trúc 3 pha 3 dây, khi tải bất đối xứng càng lớn DĐTV càng lớn

dẫn đến mức di trung tính của MBA nguồn 22kV càng lớn và điện áp giáng trên ĐTNĐ

của trạm nguồn càng lớn nên tính không an toàn đối với con người càng cao

a Tính toán ở chế độ tải 3 pha đối xứng: Xét LĐPP 22kV 3 pha 4 dây (3 dây pha

Hình 1: LĐPP 22kV 3 pha 3 dây sử dụng đất làm dây trung tính

I A

I B

I C

Tải

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

và dây trung tính) như hình 2

Ở CĐVH tải 3 pha đối xứng, dòng điện Itt = 0 → Itv

b Tính toán ở chế độ tải 3 pha

KĐX: Trong trường hợp này,

DĐTV được chia làm 2

phần, 1 phần đi trong dây

trung tính I

= 0, do vậy không có

DĐTV chạy trong dây trung tính và

đất

tvtt và 1 phần đi trong đất Itvđ

Dòng điện đi trong dây trung tính là:

[2]

2 1

2 1 0

3

u u NN

u u mN

tvtt

Z Z Z

Z Z Z

I

I

+ +

+ +

Dòng điện đi trong đất là:

2 1

2 1 0

0

u u NN

u u mN tvtt

tvd

Z Z Z

Z Z Z I

I I I

+ +

+ +

−

=

−

Trong đó: ZmN là tổng trở tương hỗ giữa mạch ”pha-đất” và mạch ”trung tính-đất”, ZNN

là tổng trở mạch ”dây trung tính-đất”, Zu1 là tổng trở nối đất của MBA nguồn, Zu2 là

tổng trở nối đất của phụ tải hoặc lưới nhận điện

Nhận xét

2.2 Dòng điện trở về trong chế độ sự cố của LĐPP 22kV

: Đối với cấu trúc 3 pha 4 dây, do có dây trung tính kết hợp với các cơ cấu

NĐLL nên DĐTV nguồn giảm đi dẫn đến mức di trung tính của MBA nguồn 22kV

giảm xuống, đồng thời điện áp giáng trên ĐTNĐ trạm nguồn 22kV giảm xuống, do vậy cho phép mở rộng phạm vi cho phép của ĐTNĐ trạm nguồn (>0,5Ω) mà vẫn đảm bảo tính an toàn cho con người

Khi có sự cố ngắn mạch (NM) KĐX kèm chạm đất (NM 1 pha chạm đất N(1)

và

NM 2 pha chạm đất N(1,1)

2.2.1 Đối với cấu trúc lưới 3 pha 3 dây: Xét LĐPP 22kV 3 pha 3 dây với đất làm dây trung tính đặc trưng cho mạch trở về như hình 3

), dòng điện sự cố chạm đất sẽ được phân ra giữa dây trung tính và rất nhiều điểm NĐLL [3]

+ Ngắn mạch một pha chạm đất: Giả sử NM 1 pha chạm đất ở pha C như hình 4, các TPĐX của dòng điện các pha như sau:

0 2 1

) 1 ( 0 )

1

(

2

)

1

(

1

Z Z Z

E I

I

+ +

=

=

=

•

•

•

•

(5)

0 2 1

) 1 ( 0 ) 1 ( 2 )

1

(

1

)

1

Z Z Z

E I

I I

+ +

= +

+

=

•

•

•

•

•

(6)

0 )

1

(

)

1

(

=

= •

•

b

I

Dòng điện đi trong đất trở về nguồn là:

Tải

Hình 3: LĐPP 22kV 3 pha 3 dây sử dụng đất làm dây trung tính

Tải

’

I tvtt

R nđll

R nđll

Hình 2: L ĐPP 22kV 3 pha 4 dây có cơ cấu NĐLL

0 2 1

) 1 ( 0 )

1

3

Z Z Z

E I

I

+ +

=

=

=

•

•

•

•

(7) Dòng điện NM 1 pha IN(1)

0 2

2 ) 1 , 1 ( 1

)

1

,

1

(

0

0 2

0 ) 1 , 1 ( 1

)

1

,

1

(

2

0 2

0 2 1

)

1

,

1

(

1

Z Z

Z I

I

Z Z

Z I

I

Z Z

Z Z Z

E I

a

a

a

a

a

+

−

=

+

−

=

+ +

=

•

•

•

•

•

•

phụ thuộc vào nhiều yếu tố như dung lượng và trở kháng của MBA, vị trí điểm ngắn mạch, điện trở tại chỗ NM nhưng nhìn chung là rất

lớn, có thể đạt tới hàng chục kA [3]

+ Ngắn mạch hai pha chạm đất: Giả sử NM 2 pha chạm đất ở pha B và C, các

TPĐX của dòng điện sự cố như sau:

(8)

Thay Z2 = Z1













+

−

−

=













+

−

−

=

=

•

•

•

•

•

0 1

0 1

1

) 1 , 1 (

0 1

0 1 2

1

) 1 , 1 (

) 1 , 1 (

2 2 0

Z Z

Z Z a X

E I

Z Z

Z Z a X

E I

I

c b a

vào các biểu trên và biến đổi ta có:

(9)

Dòng điện đi trong đất trở về nguồn là:

0 1

) 1 , 1 ( 0 )

1 , 1 (

2

3 3

Z Z

E I

I

+

=

=

=

•

•

•

•

(10)

2.2 2 Đối với cấu trúc lưới 3 pha 4

dây: Xét LĐPP 22kV 3 pha 4 dây

với cơ cấu NĐLL dây trung tính

như hình 4

Khi xảy ra sự cố NM 1 pha

và 2 pha kèm chạm đất cũng giống

như trường hợp cấu trúc lưới 3 pha

3 dây, DĐTV nguồn (dòng TTK) sẽ

phân thành 2 phần, 1 phần đi trên

dây trung tính và 1 phần đi trong đất

qua các cơ cấu NĐLL của dây trung tính

Đối với mạng 3 pha 4 dây, một phần dòng TTK đi qua dây trung tính (dây đất),

do đó dòng chạy qua đất bị giảm đi Hệ số giảm tương ứng bằng: f = 1 - Z1E/ZE Tương

tự thành phần dòng TTK chạy qua đất bằng: 1 - f = Z1E/ZE [4], trong đó: Z1E là tổng trở tương hỗ giữa dây dẫn và dây đất, ZE là tổng trở TTK của dây đất

Nhận xét: Với cấu trúc lưới 3 pha 4 dây, khi sự cố chạm đất dòng TTK đi một phần trên dây trung tính và một phần đi trong đất Dòng TTK trên dây trung tính lúc này bằng dòng TTK tổng nhân với hệ số phân dòng, hệ số phân dòng này phụ thuộc vào giá trị ĐTNĐ và số lần NĐLL Hệ số này nhỏ hơn 1, nên dòng TTK trên dây trung tính giảm

dẫn đến độ nhạy bảo vệ rơle giảm nếu bố trí biến dòng điện trên dây trung tính

Tải

I tvđ

I tvtt

R nđll

R nđll

Hình 4: LĐPP 22kV 3 pha 4 dây với cơ cấu

n ối đất lặp lại dây trung tính

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

3 Tính toán phân b ố DĐTV (3I 0

Xét mạch điện như

hình 5, với: A, B, C là 3

pha nguồn cung cấp; Z

) qua các cơ cấu nối đất lặp lại

a,

Zb, Zc là tải 3 pha; Zd là

tổng trở của đường dây;

Zn là tổng trở của dây

trung tính; Rnđnguồn là

điện trở nối đất của trạm

nguồn; Rnđtải là điện trở

nối đất của TBA phụ tải;

Rnđll là điện trở NĐLL

của dây trung tính

Trong chế độ xác lập và chế độ sự cố chạm đất của lưới điện, DĐTV sẽ xuất

hiện khi CĐVH của HTĐ là KĐX và khi phụ tải đấu sao có trung tính nối đất hoặc có dây trung tính Khi đó DĐTV 3I0 (dòng điện TTK) sẽ đi theo đất hoặc đi theo dây trung tính và đi qua các cơ cấu NĐLL trở về nguồn

Để tính toán dòng điện trở về 3I0, có các phương pháp tính toán như: phương pháp TPĐX, phương pháp giải tích tổ hợp mạng điện, phương pháp tọa độ pha…

Sau khi tính được DĐTV 3I0

3.1 Sơ đồ tính toán phân bố dòng điện trở về

ta sẽ tính toán sự phân bố DĐTV qua các cơ cấu

NĐLL bằng thuật toán Simulink trên chương trình MATLAB , kết quả sẽ trình bày ở

mục sau

Từ hình 6 thiết lập

được sơ đồ tính toán phân bố

DĐTV đối với LĐPP 22kV 3

pha 4 dây, dây trung tính được

NĐLL với khoảng cách

NĐLL từ 200 ÷ 250 mét như

hình 6

Sơ đồ thay thế

tính toán như hình 7

Trong đó: Zdtt là tổng

trở của dây trung tính,

Rnđnguồn là ĐTNĐ của

trạm nguồn 22kV, Rnđtải

là ĐTNĐ của TBA phụ

tải, Rnđlllà điện trở NĐLL của dây trung tính, Rđ = Rđ0.l là điện trở thay thế của đất như dây về của dòng điện, Rđ0 là điện trở suất của đất = 0,05 ÷ 0,1 Ω/km [2]

U A

U B

U C

A

B

C

O

a

b

c

o

Z a

Z b

Z c

Z d = r d + jx d

Z n = r n + jx n

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

3I 0

R nđtải

R n đnguồn

Z n = r n + jx n

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

3I 0

3I 0

Rnđtải

Rnđnguồn

Z dtt

Rnđll

Rnđll

3I 0

Hình 7: S ơ đồ tính toán phân bố dòng điện trở về

3I 02

3I 01 3I 03

3I 04

3I 05

3I 06

3I 07

Rđ

3.2 Phương pháp tính toán phân bố dòng điện trở về

Xét sơ đồ thay thế tính toán phân bố DĐTV như hình 7, sau khi tính toán được

DĐTV 3I0 từ các CĐVH của lưới điện; ta bơm dòng 3I0

Sử dụng thuật toán Simulink trên chương trình MATLAB để tính toán, sơ đồ tính toán được thiết lập trên Simulink như hình 8 Sau khi chạy chương trình ta có kết quả dòng diện trên các nhánh

vào mạch điện như hình 8 để tính toán sự phân bố DĐTV trên các nhánh

4 K ết quả tính toán phân bố dòng điện trở về TBA 110kV Đăk Tô

Theo Quy trình vận hành - sửa chữa máy biến áp- 1998 của Tổng Công ty Điện

lực Việt Nam (nay là Tập đoàn Điện lực Việt Nam), tại điều 34 quy định [5]: Đối với MBA có các cuộn dây đấu theo sơ đồ “sao-sao” phía điện áp thấp có điểm trung tính kéo ra ngoài, dòng điện qua điểm trung tính không được vượt quá 25% dòng điện pha định mức Áp dụng điều 34 để tính toán phân bố DĐTV trên xuất tuyến 475 TBA 110/22kV-16MVA Đăk Tô (E46) với cấu trúc lưới 3 pha 4 dây

Xét MBA 110/22kV-16MVA – TBA 110kV Đăk Tô (E46), với: Iđm =

420.389A; 3I0 = 25%Iđm = 105.097A; Đường dây: 3AC-95+1AC-70, có R0 = 0.42Ω/km và X0

Sơ đồ thay thế tính toán phân bố DĐTV điển hình với 4 cơ cấu NĐLL của dây trung tính như hình 9:

= 0.395Ω/km; Khoảng cách NĐLL dây trung tính: 250m; Điện trở suất

của đất: 0.1Ω/km; Điện trở nối đất của nguồn: 0.5Ω; Điện trở nối đất lặp lại: 30Ω

Hình 8: Sơ đồ tính toán phân bố dòng điện trở về trên Simulink

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

Sau khi nhập đầy đủ các thông số tính toán và chạy chương trình tính toán sẽ cho kết quả dòng phân bố trên các nhánh theo các mức bất đối xứng của tải như bảng 1

và 2

Kho ảng

cách từ tải

đến nguồn

01

3Io (A) =

Dòng điện qua điện trở nối đất của trạm nguồn 3I 01 (A) 5%Iđm= 10%Iđm= 15%Iđm= 20%Iđm= 25%Iđm=

S ố lần NĐLL 21.019 42.039 63.058 84.078 105.097

L = 2 km 8 2.85 5.72 8.58 11.44 14.30

L = 3 km 12 5.21 10.40 15.64 20.85 26.05

L = 4 km 16 7.50 15.00 22.50 30.00 37.55

L = 5 km 20 9.48 18.96 28.45 37.90 47.40

L = 10 km 40 14.30 28.70 43.00 57.40 71.80

L = 20 km 80 15.40 30.50 46.10 61.40 76.90

L = 40 km 160 15.20 30.40 46.00 61.00 76.50

B ảng 2 Dòng điện trên dây trung tính ở trạm nguồn 3I

Kho ảng

cách t ừ tải

02

3Io (A) =

Dòng điện trên dây trung tính ở trạm nguồn 3I 02 (A) 5%Iđm= 10%Iđm= 15%Iđm= 20%Iđm= 25%Iđm=

Hình 9: Sơ đồ tính toán với 4 cơ cấu nối đất lặp lại điển hình

đến nguồn Số lần NĐLL 21.019 42.039 63.058 84.078 105.097

L = 1 km 4 20.109 40.219 60.328 80.438 100.537

L = 2 km 8 18.169 36.319 54.478 72.638 90.797

L = 3 km 12 15.809 31.639 47.418 63.228 79.047

L = 4 km 16 13.519 27.039 40.558 54.078 67.547

L = 5 km 20 11.539 23.079 34.608 46.178 57.697

L = 10 km 40 6.719 13.339 20.058 26.678 33.297

L = 20 km 80 5.619 11.539 16.958 22.678 28.197

L = 40 km 160 5.819 11.639 17.058 23.078 28.597

5 K ết luận

- Khi bơm dòng điện 3I0 là dạng hình sin vào sơ đồ thay thế tính toán phân bố

DĐTV với các cơ cấu NĐLL của dây trung tính, thì kết quả tính toán dòng điện phân bố trên các nhánh đều có dạng hình sin Tại trạm nguồn 22kV, phân bố DĐTV 3I0 trên dây trung tính chiếm tỉ lệ rất cao đến 95%, còn trên ĐTNĐ trạm nguồn Rnđnguồn

- Ứng dụng chương trình SIMULINK trên MATLAB để phân tích và tính toán phân bố DĐTV cho LĐPP 22kV với cấu trúc 3 pha 4 dây khi có cơ cấu NĐLL cho phép tính toán và mô phỏng trực tiếp hình dạng sóng dòng điện trên các nhánh, cách thiết lập

sơ đồ thay thế tính toán phân bố DĐTV rất đơn giản và thời gian tính toán rất nhanh cho

dù số lượng cơ cấu NĐLL của dây trung tính là rất lớn Ngoài ra, chương trình này cũng

rất thuận lợi cho việc phân tích và đánh giá sự phân bố DĐTV trên các nhánh khi có sự

tăng hoặc giảm số lượng của thành phần cơ cấu NĐLL, khi có sự thay đổi các trị số ĐTNĐ của nguồn, của tải và của NĐLL, và khi có sự thay đổi thành phần điện trở suất

của đất

chiếm tỉ lệ

thấp 5% trong trường hợp số cơ cấu NĐLL là 4 Tỉ lệ phân bố này sẽ thay đổi khi số cơ

cấu NĐLL thay đổi

- Trong CĐVH KĐX xác lập cũng như chế độ sự cố chạm đất 1 pha của LĐPP có trung tính NĐTT sẽ tồn tại DĐTV Itv = 3I0 đi về điểm trung tính của MBA trạm nguồn 22kV, dòng điện Itv càng tăng khi mức K ĐX trong lưới điện càng lớn Đối với LĐPP 22kV có cấu trúc 3 pha 3 dây (đất làm dây trung tính) thì toàn bộ DĐTV này đi theo đất

về điểm trung tính của MBA trạm nguồn 22kV qua ĐTNĐ của trạm nguồn và gây ra điện áp giáng trên điện trở này một điện áp U = 3I0.Rnđnguồn càng lớn nên mức độ nguy

hiểm do điện áp bước và điện áp tiếp xúc càng lớn, đồng thời mức di trung tính của MBA nguồn 22kV càng lớn Còn đối với LĐPP 22kV có cấu trúc 3 pha 4 dây, do có dây trung tính đi riêng nên DĐTV sẽ được chia làm 2 phần, 1 phần đi trên dây trung tính và 1 phần đi theo đất trở về điểm trung tính của MBA trạm nguồn 22kV, do vậy

mức độ nguy hiểm do điện áp bước và điện áp tiếp xúc được giảm đi rất nhiều vì phần

lớn dòng điện sự cố sẽ trở về theo dây trung tính, và mức di trung tính của MBA nguồn

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

22kV trong trường hợp này cũng được giảm đi rất nhiều

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bộ Năng lượng (1994), Quyết định số 1867 NL/KHKT ngày 12 tháng 9 năm 1994

ban hành qui định các tiêu chuẩn kỹ thuật cấp điện áp trung thế 22kV, Hà Nội [2] Trần Bách (2004), Lưới điện và hệ thống điện, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

[3] Trần Đình Long, Lã Văn Út, Đặng Quốc Thống, Nguyễn Thanh Liêm, Đinh thế

Phúc (2001), Báo cáo k ết quả nghiên cứu khoa học , Đề tài nối đất trung tính hệ

thống điện, Trường Đại học bách khoa Hà Nội, Hà Nội

[4] Richard Roeper (1996), Ng ắn mạch trong hệ thống điện, Nhà xuất bản khoa học và

kỹ thuật, Hà Nội

[5] Tổng Công ty Điện lực Việt Nam (1998), Quy trình vận hành - sửa chữa máy biến

áp, Hà Nội