Nội dung

Chương VIII Tính toán dòng ngắn ngạch 8.1 Khái niệm chung: Ngắn mạch là sự chạm chập giữa các pha với nhau hoặc giữa các pha với đất hay dây chung tính. Mạng có trung tính không trực tiếp nối đất (hoặc nối đất qua TB. bù) khi có trạm đất một pha thì dòng điện ng.m. là dòng điện điện dung của các pha đối với đất tạo nên. Khi xuất hiện ng.m. tổng trở của mạch trong hệ thống giảm xuống (mức độ giảm phụ thuộc vào vị trí của điểm ng,m, trong hệ thống).  dòng ng.m. trong các nhánh riêng lẻ của HT. tăng lên so với các dòng điện ở chế độ làm việc bình thường  Gây nên sự giảm áp trong HT. (sự giảm này càng nhiều khi càng gần vị trí ng.m.). Thông thường ở chỗ ng.m. có một điện trở quá độ nào đó (điện trở hồ quang, điện trở của các phần tử ngang theo đường đi của dòng điện từ pha này tới pha khác hoặc từ pha tới đất), Trong nhiều trường hợp điện trở này có trị số rất nhỏ mà thực tế có thể bỏ qua được. Những loại ng.m. như vậy gọi là ngắn mạch có tính chất kim loại (ng.m. trực tiếp). Dòng ng.m. có tính chất kim loại lớn hơn khi có điện trở quá độ. Vì vậy khi cần tìm giá trị lớn nhất có thể của dòng ng.m. ta coi rằng chỗ ng.m. không có điện trở quá độ. 1) Phân loại các dạng ngăn mach: a) Ngắn mạch ba pha: kí hiệu N(3) Xác suất chỉ chiếm 5% IN(3 ) IN(3 ) b) Ngắn mạch hai pha: kí hiệu N(2) Xác suất chỉ chiếm 10% IN(2 ) IN(2 ) c) Ngắn mạch một pha: kí hiệu N Xác suất chiếm tới 65% (1) IN(1 ) d) Ngắn mach hai pha chạm đất: kí hiệu N(1,1) Xác suất chiếm 20% IN(1, 1) (1, IN 1) Nhận xét: + Ngắn mạch ba pha là ng.m. đối xứng. + Các dạng ng.m. khác là không đối xứng. + Ng.m. ba pha chỉ xẩy ra với xác suất nhỏ (5%). Tuy nhiên việc nghiên cứu nó lại vẫn rất cần thiết, vì đó là dạng ng.m. đối xứng  Các dạng ng.m. khác đều có thể dùng phương pháp thành phần không đối xứng để đưa về dạng ng.m. ba pha. Trong thời gian xẩy ra ng.m. kể từ lúc xẩy ra cho tới khi cắt được phần tử bị hỏng. Trong mạch điện xẩy ra một quá trình quá độ phức tạp, mang tính chất của các dao động điện từ, liên quan đến sự biến thiên của điện áp, dòng điện, từ thông và những dao động cơ-điện, liên qua đến biến thiên công suất, mômen quay, mômem cản… Khi nghiên cứu ng.m. nếu đứng trên quan điểm điện từ của quá trình quá độ để khảo sát hiện tượng. Ngược lại khi nghiên cứu ổn định người ta lại đứng trên quan điểm điện cơ. Việc tách thành 2 quá trình như trên là để việc nghiên cứu và tính toán thực hiện được đơn giản. Để có lời giải chính xác, sau khi nghiên cứu riêng rẽ cần phải tổng hợp lại và nhiều lúc theo quan điểm nghiên cứu riêng rẽ mà yêu cầu của các vấn đề lại mâu thẫn nhau. Ví dụ muốn giảm dòng mg.m. thì kết luận rằng cần phải giảm dòng kích từ của máy pháp. Nhưng yêu cầu về ổn định của hệ thống điện lại không cho phép làm như vậy mà trái lại  phải làm tăng dòng điện kích từ. (Hình vẽ). Biểu diễn đặc tính biến thiên của dòng ng.m. lúc không có và có bộ tự động điều chỉnh kích từ. ixk ixk I t I t Máy phát không có bộ TĐK Máy phát có bộ TĐK Từ (Hình vẽ) ta thấy rằng từ một trị số nào đó lúc trước ng.m. i0 tăng rất nhanh, khoảng 0,01 giây (sau nửa chu kỳ) sẽ đạt tới giá trị i xk . Tiếp đó quá trình quá độ chuyển dần sang trạng thái xác lập I. Lúc có TĐK(bộ tự động điều chỉnh kích từ). thì I là bé nhất so với trị số dòng điện lúc trước đó, còn khi có bộ TĐK thì dong xác lập có trị số lớn hơn và thậm trí có trị số lớn hơn cả trị số ở những thời điểm trước đó. Dòng ng.m. có thể phân thành hai thành phần. Thành phần chu kỳ và thành phần không chu kỳ (tắt dần). Thành phần ick là giống nhau trong cả ba pha, còn thành phần tắt dần itd lại khác nhau trên mỗi pha và biến đổi theo thời điểm bắt đầu ng.m. Thông thường thành phần chu kỳ được xác định theo trị số lớn nhất có thể. Khi tính toán ng.m. người ta thường coi nguồn cung cấp cho điểm ng.m. là: + Các máy phát thuỷ điện và nhiệt điện. + Các động cơ và máy bù đồng bộ. + Các động cơ không đồng bộ chỉ được xét tới ở thời điểm ban đầu và chỉ tính đến trong các trường hợp khi chúng ở gần hoặc được mắc trực tiếp tại điểm ng.m. iN ixk ikck ikck 2I  t ick0 ick i0  ikck 0  ick 0 tại thời điểm t=0 (HV.) trường hợp i0=0 tức ick0=ikck0 (thời điểm xẩy ra ngắn mạch đúng vào lúc dòng điện đi qua điểm 0). Nội dung tính toán ngắn mạch: nhằm xác định các đại lượng sau: I” – Giá trị ban đầu của thành phần chu kỳ, gọi là dòng ngắn mạch siêu quá độ. ixk – Dòng điện xung kích (trị số cực đại của dòng ng.m. toàn phần). Giá trị này cần thiết cho việc chọn TB., thanh góp, sứ.. (kiểm tra ổn định động của TB.). Ixk - Giá trị hiệu dụng của dòng xung kích (tức giá trị hiệu dụng của dòng ng.m. toàn phần trong chu kỳ đầu). dùng vào việc kiểm tra TB. điện về ổn định lực điện động ở chu kỳ đầu. I0,2 - Trị số hiệu dụng của thành phần chu kỳ sau 0,2 giây  kiểm tra khả năng cắt của máy cắt. I - Trị số hiệu dụng của thành phần chu kỳ lúc ổn định (lúc t=) dùng để kiểm tra ổn định nhiệt của các TB., thanh cái, sứ xuyên … S0,2 - Công suất ngắn mạch ở thời điểm t=0,2 giây, dùng để kiểm tra khả năng cắt của máy cắt. tN - Thời gian xẩy ra ngắn mạch: tN = tbv + tMC trong đó: tbv - Thời gian tác động của TB. bảo vệ. tMC - Thời gian làm việc của máy cắt. tqđ - Thời gian qui đổi. Là khoảng thời gian cần thiết để dòng ng.m. xác lập phát ra một lượng nhiệt đúng bằng lượng nhiệt do dòng ng.m. thực tế gây ra trong thời gian tN. tqd = tqđck + tqđkck trong đó: tqđck – thời gian qui đổi của thành phần CK. tqđkck – thời gian qui đổi của thành phần KCK. Xác định tqđck : + Khi tN < 5 giây được xác định theo đường cong tqđck = f(”). Trong đó ”=I”/I . + Khi tN >5 giây tqđck = tqđck5 + (tN – 5). Xác định tqđkck : + Khi tN≥ 1,5.T + Khi tN<1,5.T  tqdkck  0,005.(”)2  tqdkck = T. (”)2.(1-e-2t/T). Trong đó: T – là hằng số thời gian. T= X 314.R + Khi tN>20.T hoặc tN >20 giây giá trị của tqđkck có thể bỏ qua. 2) Nguyên nhân và hậu quả của ngắng mạch: Nguyên nhân: chủ yếu là 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 cỗi (dô thời gian sử dụng quá lớn). +Trông mon, bảo dưỡng thiết bị không chu đáo. +Các nguyên nhân cơ học trực tiếp như đào đất chạm phải dây cáp, thả diều, chim đậu, cây đổ .. hoặc do thao tác sai của nhân viên vận hành. Hậu quả: + Làm I tăng  phát nóng cục bộ tại nơi có I đi qua + Gây hiêu ứng cơ giới giữa các dây dẫn, ixk có thể làm hỏng các khí cụ điện, vỡ sứ. + Khi có ngắn mạch U giảm xuống thấp  động cơ ngừng quay  ngừng chệ hoặc hỏng sản phẩm, cháy động cơ, không khởi động được. + Có thể phá hoại sự ổn định của hệ thống. + Ngắn mạc hai pha hoặc một pha chạm đất còn gây ra dòng thứ tự không làm nhiễu loạn đường dây thông tin và tín hiệu đường sắt ở gần. + CCĐ bị giãn đoạn. 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 TB. và bộ phận có dòng ng.m. đi qua phải được chọn để có khả năng chịu được tác dụng nhiệt và cơ của dòng ng.m. + Dùng các biện pháp hạn chế dòng ng.m. (dùng kháng điện). + Dùng các TB. tự động và biện pháp bảo vệ ng.m. và quá điện áp. 3) Ý nghĩa của việc tính toán ng.m. và các yêu cầu: + Thành lập và lựa chọn phương án xây dựng sơ đồ CCĐ hợp lý nhất. + Xác định các điều kiện làm việc của các hộ tiêu thụ ở các chế độ sự cố. + Chọn các biện pháp hạn chế dòng ng.m. + Chọn khí cụ điện, thanh cái, sứ, cáp lực… + Xác định ảnh hưởng của các đường dây truyền tải điện tới các đường dây thông tin, tín hiệu khác. + Thiết kế và hiệu chỉnh các bảo vệ rơ-le và tự động hoá. + Thiết kế nối đất bảo vệ. + Lựa chọn các đặc tính của chống sét (bảo vệ quá điện áp khí quyển). + Đánh giá và xác định các tham số của các TB. dập từ của máy điện đồng bộ. + Đánh giá hệ thống kích từ của các máy điện đồng bộ. + Tiến hành các thử nghiệm khác. + Phân tích các sự cố xẩy ra. Việc tính toán lựa chọn TB. và các khí cụ điện đòi hỏi độ chính xác không cao, còn khi tính toán bảo vệ rơ-le và tự động hoá đòi hỏi độ chính xác cao hơn. 8.2 Những chỉ dẫn chung để thực hiện tính toán: 1) Những giả thiết cơ bản: Tính toán chính xác IN là một vấn đề rất khó khăn, nhất là đối với sơ đồ 1 2 3 4 5 6 7 8 phức tạp, có nhiều nguồn cung cấp  do đó để 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 thực hiện. Trong tính toán người ta đưa ra những giả thiết cơ bản sau: - Trong quá trình ng.m. 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. –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. – Bỏ qua dòng điện từ hoá của các máy biến áp. - Coi hệ thống là ba pha đối xứng. - Không xét đến điện dung trừ khi có đường dây cao áp tải điện đi cực xa. - Chỉ xét tới điện trỏ 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 ng.m. - Phụ tải xét gần đúng và được thay thế bằng tổng trở cố định tập trung, và tập trung tại một nút chung. - Sức điện động của tất cả các nguồn ở xa điểm ng.m. (xtt >3) được coi như không đổi. 2) Hệ đơn vị tương đối: Khi tính toán ng.m. tất cả các đại lượng có thể dùng trong hệ đơn vị có tên hoặc trong hệ đơn vị tương đối. Trong thực tế người ta thường dùng hệ đơn vị tương đối  tính toán nhanh chóng, đơn giản và thuận tiện. Để biểu diễn tất cả các đại lượng 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 như sau: S= 3UI x= U 3I Như vậy nếu chọn 2 trong 4 đại lượng làm cơ bản thì các đại lượng khác có thể xác định được theo chúng. Thông thường người ta hay chọn S và U làm các lượng cơ bản. 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. Mục đích là để tính toán được đơn giản. Điện áp cơ bản: Ucb thường được chọn bằng Uđm tại cấp điện áp tính toán. + Dẫy điện áp định mức trung bình: 0,23; 0,4; 0,529; 0,69; 3,15; 6,3; 10,5; 22; 37; 115; 230 Nhưng cũng có trường hợp phải lấy điện áp thực (định mức) của phần tử đặt tại cấp đó. Ví dụ cuộn kháng điện 10 kV làm việc ở cấp 6 kV thì lúc đó lấy Uđm =10 kV chứ không phải lấy bằng Utb = 6,3. Mặt khác vì lúc tính toán các tỉ số biến đổi của máy biến áp. người ta thường dùng điện áp trung bình nên tránh được việc tính đổi phiền phức các điện kháng, điện trở thuộc các cấp điện áp khác nhau. Dòng điện cơ bản: Icb được xác định theo Scb và Ucb S cb Icb= 3U cb Điện kháng cơ bản: xcb xcb = U cb = 3I cb U cb2 S cb Các đại lượng cơ bản trên có thể biểu diễn trong hệ đơn vị tương đối theo công thức sau: E*cb= E U cb (1) U*cb = U U cb (1’) I*cb = S*cb = x*cb = I I cb  I 3U cb S cb S S cb x 3I cb xS cb x   2 x cb U cb U cb (2) (3) (4) Trong đó: Ucb [kV] - là điện áp dây, xác định theo điện áp định mức trung bình. x [] - điện kháng trên một pha. Icb [kA] - đòng điện cơ bản. Scb [kVA] hoặc [MVA] - công suất cơ bản. Điện áp ng.m. của máy biến áp uN%; điện kháng của cuộn kháng điện xk% và các điện kháng quá độ của máy phát '' '' và động cơ x d và x d thường được cho trước trong hệ đơn vị tương đối (hoặc %) trong hệ định mức  Để tiến hành tính toán cần chuyển về hệ đơn vị tương đối theo các lượng đã chọn (tức chuyển vễ hệ đơn vị cơ bản). Sức điện động và điện kháng tương đối ở hệ định mức: E*đm = x*dm = E U dm x x dm (5) x S dm 3I dm x 2 U dm U dm (6) Trong tính toán ng.m. phải chuyển về hệ tương đối cơ bản: E*cb = x*cb = U E  E*cb dm U cb U cb x  x cb x*dm (7) U dm 3I dm  x*dm U cb U dm I cb . U cb I dm (8) 3I cb hoặc x*cb = x*dm Nếu chọn Ucb=Udm 2 S cb U dm . 2 S dm U cb (9) thì E*cb = E*dm x*cb = x*dm I cb S  x*dm cb I dm S dm 3) Xác định trở kháng của các phần tử của HT-CCĐ: a) Điện kháng của các máy phát, máy bù đồng bộ và các động cơ không đồng bộ: Thông thường nhà chế tạo cho biết điện kháng siêu quá độ dọc trục. Điện kháng này chính là điện kháng tương " đối với các lượng cơ bản là định mức x d (dm ) . Ta có: x d" ( dm )  x d" x"  2 d x dm U dm S dm Trong hệ đơn vị có tên: x d"  x d" ( dm ) . 2 U dm S dm (10) Trong hệ đơn vị cơ bản: " Từ (4)  x d *cb  x d" S U2 S  x d" cb2  x d" ( dm) . dm . cb2 xcb S dm U cb U cb " " Nếu chọn Ucb=Udm thì  x d *cb  x d ( dm ) . S cb S dm Trong đó: Sdm [MVA]; Udm [kV] - công suất định mức và điện áp định mức của máy phát. Scb [MVA]; Ucb [kV] – công suất và điện áp cơ bản đã chọn. " Nếu giá trị x d *(dm ) chưa biết được thì có thể sử dụng các giá trị trung bình của điện kháng siêu quá độ của nguồn cung cấp cho trong bảng (7.2). Bỏ qua điện trở tác dụng của cuộng dây máy phát điện, máy bù đồng bộ và động cơ. b) Trở kháng của các máy biến áp: Đối với máy biến áp 2 cuộn dây, nhà chế tạo thường cho biết trị số điện áp ngắn mạch uN% là trị số điện áp tương đối tính trong hệ định mức. Với các máy biến áp lớn Sdm ≥ 630-750 kVA (một cách gần đúng có thể bỏ qua điện trở tác dụng)  gần đúng ta có: u*Ndm xB*dm Từ uN% có thể đẽ dàng tính được điện kháng của máy biến áp trong hệ đơn vị có tên hoặc tương đối với các lượng cơ bản: Trong hệ đơn vị có tên: xB = 2 u n % U dm . 100 S dm [] Từ thí nghiện ng.m. uNf = Idm .ZB  UN = mà uN% = 3I dm .Z B UN .100  U dm  ZB  xB = u N %.U dm 3.100.I dm 3I dm .Z B .100 U dm  u N %.U dm S dm 3.100. 3.U dm Trong hệ đơn vị tương đối theo cơ bản. x x*B(cb) = B  x cb 2 u N %.U dm 100.S dm U cb2 S cb u % S U = N . cb . dm 100 S d .  U cb    2 Thông thường Ucb = Udm  x*B(cb) = u N % S cb . 100 S dm (12) Trong đó: Sdm [MVA]; Udm [kV]; Scb [MVA]; Ucb [kV]. Với các máy biến áp công suất nhỏ: Sdm < 630 kVA để tính chính xác cần xét đến cả điện trở tác dụng lúc đó ta có: Trong hệ đơn vị có tên: rB = 2 PN .U dm .100 2 S dm xB = 2 u x %.U dm .10 S dm () (13) () (14) u x %  u N % 2  uñ % 2 (15) Trong đó: PN [kW] Udm [kV] Sdm [kVA] ux % ur % - tổn thất ngắn mạch của máy biến áp. - điện áp định mức của biến áp. - dung lượng định mức của máy biến áp. - thành phần phản kháng của điện áp ng.m. - thành phần tác dụng của điện áp ng.m. uñ %  PN .100 S dm (16) ur %; ux%; uN % - chính là trị số tương đối của điện trở, điện kháng và tổng trở của biến áp với các lượng cơ bản là định mức. Trong hệ đơn vị có tên ta có: x*B (cb ) u % S U  ò . cb . dm 100 S dm  U cb    r*B (cb ) u % S  r . cb 100 S dm U . dm  U cb    Tính gần đúng: 2 2 (17) x*B ( cb)  u ò % S cb . 100 S dm r*B ( cb )  u r % S cb . 100 S dm Ngoài ra nếu tra bảng có rB và xB ở hệ đơn vị có tên thì cũng có thể đổi ra hệ cơ bản: S cb U cb2 S  rB . cb2 U cb x*B ( cb)  x B . r*B ( cb) Đối với máy biến áp ba cuộn dây, nhà máy sản xuất thường cho điện áp ng.m. tương đối trong hệ định mức giữa các cuộn dây điện áp cao_trung (C_T); cao_hạ (C_H) và giữa cuộn Trung_hạ (T_H). Zc ZH ZT uNC-H %  PNC-H uNC-T%  PNC-T uNT-H %  PNT-H uNC-H - Có được khi để cuộn T hở mạch; cuộn H ngắn mạch. Đặt u  vào cuộn cao áp và nâng dần áp cho đến khi dòng điện trong cuộn T và H đạt giá trị định mức. Lúc đó ta có được giá trị PNC-T . Chính vì vậy ta có thể viết: uNC-H% = uNC% + uNH % PNC-H = PNC + PNH Ta cũng có tương tự cho các trường hợp khác. Và từ đó ta có thể xác định được điện áp ngắn mạch của từng cuộn dây CAO, TRUNG, HA của máy biến áp theo các đại lượng mà nhà chế tạo cho trước như sau: uNC % = 1 (uNC-H % + uNC-T % + uNT-H %) 2 uNT % = 1 (uNC-T% + uNT-H % + uNC-H %) 2 uNH % = 1 (uNC-H % + uNT-H % + uNC-T %) 2 (21) Sau khi tính được điện áp ng.m. % của các cuộn dây theo hệ định mức tương tự như máy biến áp 2 cuộn dây, ta sẽ tính được điện kháng của các cuộn dây qui về các điều kiện cơ bản như sau: Tính chính xác: 2 x*B (cb )C u % S  NC . cb 100 S dmC  U dmC   U cb    x* B ( cb )T u % S  NT . cb 100 S dmT  U dmT   U cb    2 x* B ( cb ) H u % S  NH . cb 100 S dmH  U dmH   U cb    2 Tính gần đúng: u NC % S cb . 100 S dmC u % S x*B (cb)T  NT . cb 100 S dmT u % S x*B ( cb) H  NH . cb 100 S dmH x*B ( cb)C  Trong đó: SdmC ; SdmT ; SdmH – là công suất định mức cảu các cuộn cao, trung và hạ áp của biến áp. Để xác định điện trở của các cuộn dây ta phải tính được tổn thất công suất ngắn mạch của từng cuộn dây theo các lượng cho trước PNC-T ; PNC-H ; PNT-H . PNC = 1/2 (PNC-H + PNC-T - PNT-H) PNT = 1/2 (PNC-T + PNT-H - PNC-H) PNH = 1/2 (PNC-H + PNT-H - PNC-T) Điện trở của các cuộn dây qui đổi về các điều kiện cơ bản là: Tính gần đúng: S cb S dmC S r*B(cb)T = PNT . cb S dmT S r*B(cb)H = PNH . cb S dmH r*B(cb)C = PNC . c) Điện kháng của cuộn điện kháng: (cuộn kháng điện) nhà chế tạo thường cho trị số điện kháng tương đối trong hệ định mức xK%. Qui đổi về hệ cơ bản sẽ có: x K % I cb U dm . . 100 I dm U cb x % I  K . cb 100 I dm Tính chính xác: x K ( cb)  Tính gần đúng: x K ( cb) Cần chú ý là nếu điện kháng có điện áp cao hơn cấp điện áp tại nơi đặt nó, thì lúc tính vẫn phải dùng điện áp của nó để tính (Ví dụ đặt kháng điện 10 kV vào cấp điện áp 6 kV Lúc tính toán ta vẫn phải dùng Udm =10 kV vì điện kháng xK% được cho trong hệ định mức với Udm = 10 kV). Trong hệ đơn vị có tên điện kháng của cuộn kháng điện là: x K% = xK .100  x dm xK .100  U dm 3 I dm d) Đường dây trên không và cáp: xK  x K %.U dm 100 3I dm