1. CHƯƠNG VIII TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Biên soạn: Phạm Khánh Tùng Bộ môn Kỹ thuật điện – Khoa Sư phạm kỹ thuật hnue.edu.vn\directory\tungpk
  2. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NGẮN MẠCH Khái niệm: Ngắn mạch là sự chạm chập giữa các pha với nhau hoặc giữa các pha với đất hay dây trung tính. Mạng có trung tính không trực tiếp nối đất (hoặc nối đất qua thiết bị bù) khi có chạm đất một pha thì dòng điện ngắn mạch là dòng điện đi qua điện dung của các pha đối với đất. Đặc điểm dòng ngắn mạch: Khi xuất hiện ngắn mạch tổng trở của mạch trong hệ thống giảm xuống rất thấp (mức độ giảm phụ thuộc vào vị trí của điểm ngắn mạch trong hệ thống).
  3. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Dòng ngắn mạch trong các nhánh riêng lẻ của hệ thống tăng lên so với các dòng điện ở chế độ làm việc bình thường, gây nên giảm áp trong hệ thống (giảm áp nhiều khi gần vị trí ngắn mạch). Tại vị trí ngắn mạch có một điện trở quá độ (điện trở hồ quang, điện trở của các phần tử trên đường đi của dòng điện từ pha này tới pha khác hoặc từ pha tới đất) thường có gá trị rất nhỏ. Khi cần tìm giá trị lớn nhất (có thể) của dòng ngắn mạch ta coi rằng điểm ngắn mạch không có điện trở quá độ.
  4. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH 1.1. Nguyên nhân và hậu quả của ngắn mạch Nguyên nhân ngắn mạch: Chủ yếu do cách điện bị hư hỏng, ngoài ra còn một số nguyên nhân khác như: • Sét đánh trực tiếp • Quá điện áp nội bộ • Cách điện bị già cối (do thời gian sử dụng quá lớn) • Trông mon, bảo dưỡng thiết bị không đúng qui định • Các nguyên nhân cơ học trực tiếp hoặc do thao tác sai của nhân viên vận hành
  5. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Hậu quả ngắn mạch: • Tăng dòng điện, dẫn đến phát nóng cục bộ tại nơi có dòng ngắn mạch đi qua, gây quá nhiệt • Gây hiệu ứng cơ giữa các dây dẫn, dòng xung kích ixk lớn có thể làm hỏng các khí cụ điện, vỡ sứ • Điện áp giảm xuống thấp, động cơ ngừng quay dẫn đến ngừng trệ hoặc hỏng sản phẩm, cháy động cơ, không khởi động được • Có thể phá hoại sự ổn định và làm gián đoạn hệ thống điện • Ngắn mạch gây ra dòng thứ tự không gây nhiễu loạn đường dây thông tin và tín hiệu ở gần.
  6. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Biện pháp hạn chế: • Dùng sơ đồ nối dây hợp lý, đơn giản, rõ dàng ít gây nhầm lẫn. • Khi có sự cố chỉ có phần tử sự cố bị cắt, các phần tử khác vẫn phải được làm việc bình thường. • Các thiết bị và bộ phận có dòng ngắn mạch đi qua phải được chọn để có khả năng chịu được tác dụng nhiệt và cơ của dòng ngắn mạch. • Dùng các biện pháp hạn chế dòng ngắn mạch (dùng kháng điện). • Dùng các thiết bị tự động và biện pháp bảo vệ ngắn mạch và quá điện áp.
  7. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH 1.2. Phân loại các dạng ngắn mạch và xác suất - Ngắn mạch ba pha: kí hiệu N(3), xác suất chỉ chiếm 5% - Ngắn mạch hai pha: kí hiệu N(2), xác suất chỉ chiếm 10%
  8. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH 1.2. Phân loại các dạng ngắn mạch và xác suất - Ngắn mạch một pha: kí hiệu N(1), xác suất chiếm tới 65% - Ngắn mach một pha chạm đất: kí hiệu N(1,1), xác suất chiếm 20%
  9. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Nhận xét: + Ngắn mạch ba pha là ngắn mạch đối xứng. + Các dạng ngắn mạch khác là không đối xứng. + Ngắn mạch ba pha chỉ xảy ra với xác suất nhỏ (5%) nhưng cần nghiên cứu, do các dạng ngắn khác đều đưa về dạng ngắn mạch ba pha (phương pháp thành phần không đối xứng). + Quá trình ngắn mạch từ lúc xảy ra đến khi cắt phần tử bị hỏng. + Ngắn mạch là quá trình quá độ phức tạp, mang tính chất của các dao động điện từ, sự biến thiên của điện áp, dòng điện, từ thông và những dao động cơ-điện, biến thiên công suất, mômen quay, mômem cản…
  10. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Dòng ngắn mạch có thể phân thành hai thành phần. + Thành phần chu kỳ (ick) giống nhau trong cả ba pha. + Thành phần tắt dần (itd, ikck) khác nhau trên mỗi pha và biến đổi theo thời điểm bắt đầu ngắn mạch. Thành phần ick thường xác định theo trị số lớn nhất.
  11. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Tại thời điểm t = 0 i0 = ick0 + ikck0 Trường hợp đặc biệt i0 = 0 tức ick0 = ikck0 (thời điểm xẩy ra ngắn mạch đúng vào lúc dòng điện đi qua điểm 0).
  12. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Nội dung tính toán ngắn mạch: xác định các đại lượng (1) I” - giá trị ban đầu của thành phần chu kỳ, gọi là dòng ngắn mạch siêu quá độ. (2) ixk - dòng điện xung kích (trị số cực đại của dòng ngắn mạch toàn phần). Giá trị này cần thiết cho việc chọn thiết bị, thanh góp, sứ.. (kiểm tra ổn định động của thiết bị). (3) Ixk - giá trị hiệu dụng của dòng xung kích (trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch toàn phần trong chu kỳ đầu). dùng vào việc kiểm tra thiết bị điện về ổn định lực điện động ở chu kỳ đầu.
  13. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Nội dung tính toán ngắn mạch: (4) I0,2 - trị số hiệu dụng của thành phần chu kỳ sau 0,2 giây → kiểm tra khả năng cắt của máy cắt (phần lớn các máy cắt tác động trong thời gian này). (5) I∞ - trị số hiệu dụng của thành phần chu kỳ ổn định (t = ∞) dùng để kiểm tra ổn định nhiệt của các thiết bị, thanh cái, sứ xuyên (6) S0,2 - công suất ngắn mạch ở thời điểm t = 0,2 giây, dùng để kiểm tra khả năng cắt của máy cắt.
  14. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Nội dung tính toán ngắn mạch: (7) tN - Thời gian xảy ra ngắn mạch: tN = tbv + tMC Trong đó: tbv - thời gian tác động của thiết bị bảo vệ, tMC - thời gian làm việc của máy cắt. (8) tqđ - thời gian qui đổi: khoảng thời gian cần thiết để dòng ngắn mạch xác lập phát ra một lượng nhiệt đúng bằng lượng nhiệt do dòng ngắn mạch thực tế gây ra trong thời gian tN. tqđ = tqđck + tqđkck Trong đó: tqđck , tqđkck - thời gian qui đổi của thành phần chu kỳ, và thành phần không chu kỳ.
  15. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Xác định tqđck: + Khi tN < 5 s, tqđck được xác định theo đường cong tqđck = f(β”) với β”=I”/I∞ . + Khi tN > 5 s, tqđck = tqđck5 + (tN – 5). Xác định tqđkck: + Khi tN ≥ 1,5.T → tqđkck ≅ 0,005.(β”)2 + Khi tN < 1,5.T → tqđkck = T. (β”)2.(1 - e-2t/T) Trong đó: T - hằng số thời gian T = X / 314.R + Khi tN > 20.T hoặc tN >20 giây giá trị của tqđkck có thể bỏ qua (thành phần này tắt dần, sau 20 s có thể bỏ qua)
  16. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH 2. QUI TẮC CHUNG TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 2.1. Giả thiết cơ bản • Tính chính xác IN là một vấn đề rất khó khăn, nhất là đối với sơ đồ phức tạp, có nhiều nguồn cung cấp. • Khi giải quyết một bài toán thực tế không đòi hỏi độ chính xác cao lắm có thể sử dụng những phương pháp tính toán thực dụng, gần đúng, nhằm giảm bớt sự phức tạp và đơn giản trong tính toán • Các tính toán với giả thiết đơn giản có độ chính xác đủ phù hợp với yêu cầu thiết kế hệ thống
  17. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Các giả thiết cơ bản: 1. Trong quá trình ngắn mạch s.đ.đ. của các máy điện coi như trùng pha với nhau, nghĩa là không xét tới dao động công suất của các máy phát. 2. Không xét tới sự bão hoà của các mạch từ, nghĩa là cho phép coi mạch là tuyến tính và có thể sử dụng nguyên tắc xếp chồng. 3. Bỏ qua dòng điện từ hoá của các máy biến áp. 4. Coi hệ thống là ba pha đối xứng. 5. Không xét đến điện dung trừ khi có đường dây cao áp tải điện đi cực xa.
  18. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Các giả thiết cơ bản: 6. Chỉ xét tới điện trở tác dụng nếu r∑ ≥ 0,3.x∑ . Trong trường hợp đó r∑ và x∑ là điện trở và điện kháng đẳng trị từ nguồn đến điểm ngắn mạch 7. Phụ tải xét gần đúng và được thay thế bằng tổng trở cố định tập trung tại một nút chung. 8. Sức điện động của tất cả các nguồn ở xa điểm ngắn mạch (xtt >3) được coi như không đổi.
  19. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH 2.2. Hệ đơn vị tương đối Khi tính toán ngắn mạch có thể dùng hệ đơn vị có tên hoặc trong hệ đơn vị tương đối. Thực tế thường dùng hệ đơn vị tương đối nhằm tính toán nhanh chóng, đơn giản và thuận tiện. Để biểu diễn trong hệ đơn vị tương đối cần phải chọn những đại lượng cơ bản khác có thể tính ra được dựa trên các biểu thức liên quan. Các đại lượng S; U, I; và x hoặc r có liên quan: U S 3U .I ; x 3I Như vậy nếu chọn 2 đại lượng làm cơ bản thì các đại lượng khác có thể xác định được theo.
  20. CHƯƠNG VIII : TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH Thông thường, chọn S và U làm các lượng cơ bản (chỉ phụ thuộc vào thiết bị không phụ thuộc vào chế đô làm việc): Công suất cơ bản: Scb là công suất ba pha và công suất cơ bản thường chọn là 100, 1000 kVA, hoặc chọn bằng công suất định mức của máy phát điện hoặc của tất cả các máy phát điện tham gia trong hệ thống. Điện áp cơ bản: Ucb thường được chọn bằng Uđm tại cấp điện áp tính toán. Dãy điện áp định mức trung bình được sử dụng trong hệ thống cung cấp điện: 0,23; 0,4; 0,529; 0,69; 3,15; 6,3; 10,5; 22; 37; 115; 230 (kV)