(NB) Giáo trình không những cung cấp cho sinh viên cơ sở phương pháp tính toán ngắn mạch mà còn có thể tham khảo thêm về lý thuyết phân tích quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện. Cấu trúc của giáo trình có nội dung như sau: Khái niệm chung về ngắn mạch. Sơ đồ thay thế của hệ thống điện trong tính toán ngắn mạch. Tính toán ngắn mạch 3 pha bằng phương pháp thực dụng.
Khái niệm chung
Khi chế độ hệ thống điện thay đổi đột ngột, quá trình quá độ điện từ phát sinh, trong đó ngắn mạch là nguy hiểm nhất Ngắn mạch làm giảm tổng trở của hệ thống, dẫn đến tăng dòng điện và giảm điện áp Từ thời điểm xảy ra ngắn mạch cho đến khi được cắt, dòng điện và điện áp trong hệ thống điện sẽ trải qua quá trình quá độ Nhiệm vụ của môn học là phân tích và hiểu rõ những hiện tượng này.
Ngắn mạch trong hệ thống điện là nghiên cứu diễn biến của quá trình ngắn mạch trong hệ thống điện và xét các phương pháp tính toán ngắn mạch
1.1 Các định nghĩa cơ bản
Ngắn mạch là sự cố trong hệ thống điện xảy ra khi các pha chập nhau hoặc chập đất, không nằm trong chế độ làm việc bình thường Có nhiều loại ngắn mạch khác nhau, và xác suất xảy ra của chúng trong hệ thống điện cũng rất đa dạng.
Dạng ngắn mạch Hình vẽ quy ước Ký hiệu Xác suất xảy ra, %
Bảng ký hiệu và xác suất xảy ra các dạng ngắn mạch
Trong các loại ngắn mạch, ngắn mạch 3 pha được coi là ngắn mạch đối xứng, khi tất cả ba pha đều chịu điện áp như nhau và lệch pha 120 độ Ngược lại, các ngắn mạch khác được gọi là ngắn mạch không đối xứng, trong đó điện áp và dòng điện của các pha khác nhau và lệch pha không theo quy tắc 120 độ.
Trong hệ thống điện có trung tính nối đất (hay còn gọi là hệ 4 dây), khi xảy ra hiện tượng chạm chập giữa một pha hoặc nhiều pha với đất (hoặc với dây trung tính), hiện tượng này được gọi là ngắn mạch, dẫn đến dòng điện tăng cao một cách đáng kể.
Trong hệ thống trung tính cách điện với đất, hiện tượng chạm chập một pha với đất được gọi là chạm đất, với dòng điện chạm đất có giá trị nhỏ do dòng điện dung ký sinh của đường dây Dòng điện này xuất hiện tại điểm tiếp xúc với đất, tuy nhỏ nhưng có thể gây ra hồ quang điện chập chờn, làm hỏng cách điện của lưới điện và thiết bị điện.
Là ngắn mạch qua điện trở trung gian, bao gồm điện trở do hồ quang điện và các phần tử khác trên đường đi của dòng điện Tổng trở tiếp xúc tại chỗ ngắn mạch do hồ quang điện và các thành phần trung gian rất khó xác định, vì chúng thay đổi theo trạng thái tiếp xúc và tình trạng của hồ quang điện.
Ngắn mạch qua điện trở trung gian rất nhỏ, thường được gọi là ngắn mạch kim loại, là hiện tượng mà chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu Trong bài viết này, chúng ta sẽ chỉ xem xét trường hợp ngắn mạch trực tiếp để hiểu rõ hơn về vấn đề này.
Hình 1-1: Quá trình biến thiên dòng điện ngắn mạch
Dòng điện ngắn mạch bắt đầu từ trị số ban đầu i(0) và nhanh chóng tăng lên trong quá trình quá độ Sau 0,01 giây, dòng điện đạt giá trị cực đại gọi là dòng xung kích (Ixk) trước khi giảm dần và chuyển sang trạng thái ngắn mạch duy trì Trong trạng thái này, dòng điện không thay đổi và thường lớn hơn dòng xác lập trước đó, được gọi là chế độ xác lập mới.
Khi xảy ra ngắn mạch, quá trình diễn ra qua ba giai đoạn: giai đoạn trước ngắn mạch (chế độ xác lập ban đầu), quá trình quá độ và trạng thái duy trì (chế độ xác lập mới) Hệ thống bảo vệ rơle đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự cố ngắn mạch, gửi tín hiệu tới máy cắt để tự động ngắt dòng điện ngắn mạch trong thời gian rất ngắn, được gọi là thời gian cắt ngắn mạch, nhằm ngăn chặn sự tồn tại của trạng thái duy trì.
Là dạng ngắn mạch vẫn duy trì được hệ thống dòng điện, điện áp 3 pha ở tình trạng đối xứng
1.1.6 Ngắn mạch không đối xứng
Là dạng ngắn mạch làm cho hệ thống dòng điện, điện áp 3 pha mất đối xứng
- Không đối xứng ngang: khi sự cố xảy ra, tổng trở các pha tại một điểm là như nhau
- Không đối xứng dọc: khi sự cố xảy ra, tổng trở các pha tại một điểm là
Nguồn công suất vô cùng lớn và nguồn công suất giới hạn là hai loại nguồn công suất có ảnh hưởng đáng kể đến sự biến thiên của dòng ngắn mạch.
Nguồn công suất vô cùng lớn là loại nguồn có điện áp đầu cực không đổi về biên độ, bất kể có sự cố nào xảy ra, bao gồm cả sự cố ngắn mạch Điều này đồng nghĩa với việc điện kháng trong của nguồn bằng 0 và trong mạch không có điện dung, do đó không tạo thành mạch vòng dao động Trong thực tế, nguồn công suất vô cùng lớn thường được hiểu là trường hợp ngắn mạch xảy ra ở khoảng cách tương đối xa so với máy phát điện.
Nguồn công suất giới hạn xảy ra khi có hiện tượng ngắn mạch gần máy phát điện, dẫn đến phản ứng phần ứng tăng cao và điện áp đầu cực máy phát giảm xuống Do đó, máy phát không thể được coi là nguồn công suất vô hạn mà chỉ là nguồn công suất có giới hạn Trong trường hợp máy phát được trang bị hệ kích từ tự động (TĐK), hệ thống này sẽ hỗ trợ tăng cường điện áp của máy phát Vì vậy, quá trình biến thiên dòng ngắn mạch sẽ khác biệt so với tình huống nguồn công suất vô cùng lớn.
1.2 Nguyên nhân, hậu quả và cách khắc phục ngắn mạch
Nguyên nhân chính gây ra ngắn mạch là do hỏng cách điện, có thể xảy ra do nhiều yếu tố như sét đánh, quá điện áp nội bộ khi đóng mở mạch, hoặc do cách điện bị già cỗi và vượt quá tuổi thọ.
Ngắn mạch có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân chủ quan, bao gồm thao tác sai sót, sự thiếu chú ý trong việc giám sát thiết bị, thi công các công trình gần dây cáp ngầm, hoặc do cây cối đổ vào đường dây.
1.2.2 Hậu quả của ngắn mạch
- Lúc ngắn mạch, dòng điện tăng sinh ra phát nóng cục bộ các phần có dòng ngắn mạch đi qua dù là trong thời gian ngắn
- Sinh ra lực điện động giữa các bộ phận do dòng xung kích, có thể làm hỏng khí cụ điện và dây dẫn
- Lúc ngắn mạch, điện áp tụt có thể làm cho các động cơ ngừng quay
Sự phá hoại quá trình làm việc đồng bộ của máy phát điện trong hệ thống điện có thể gây ra tình trạng mất ổn định và dẫn đến sự tan rã của toàn bộ hệ thống.
- Lúc ngắn mạch một pha hay hai pha chạm đất sinh ra dòng thứ tự không do đó làm nhiễu các đường dây thông tin ở gần
- Cung cấp điện bị gián đoạn
1.2.3 Cách khắc phục dòng ngắn mạch
- Dùng sơ đồ nối dây hợp lý
- Chọn thiết bị và bộ phận có dòng ngắn mạch chạy qua phải chịu đựng được tác dụng nhiệt và động do dòng ngắn mạch gây nên
- Dùng các thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch như kháng điện, điện trở…
- Dùng các thiết bị tự động để loại bỏ phần tử bị sự cố trong thời gian ngắn cho phép.
Các đại lượng đặc trưng của dòng ngắn mạch
2.1 Giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch thành phần chu kỳ
Dòng ngắn mạch gồm hai thành phần: chu kỳ và không chu kỳ, được mô tả như hình 1.2
Hình 1-2: Biến thiên của dòng điện ngắn mạch
Thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch xuất hiện ngay khi xảy ra sự cố ngắn mạch và sau đó giảm dần theo hằng số thời gian của mạch.
Thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch tồn tại trong suốt quá trình quá độ, dao động với tần số tương ứng trước khi xảy ra ngắn mạch, trong khi biên độ của nó thay đổi theo thời gian Để xác định giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch thành phần chu kỳ, ta có thể chia các biên độ dao động của thành phần này cho 2.
- Giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch siêu quá độ I” là giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch thành phần chu kỳ tại thời điểm ban đầu, nghĩa là I” = I (t = 0);
- Giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch thành phần chu kỳ tại thời điểm t sẽ là I(t);
- Giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch duy trì I là giá trị hiệu dụng thành phần chu kỳ tại thời điểm vô cùng (trạng thái duy trì), nghĩa là I = I (t = )
2.2 Dòng điện ngắn mạch xung kích
Dòng điện ngắn mạch xung kích là dòng ngắn mạch tổng lớn nhất trong quá trình quá độ, đạt giá trị cực đại tại thời điểm t = 1/2 chu kỳ dao động, tương ứng với 0,01 giây khi tần số f = 50 Hz Giá trị cực đại của dòng ngắn mạch này được tính bằng công thức ixk = Kxk 2.I”.
- I”: Giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch siêu quá độ;
- Kxk: Hệ số xung kích
2.3 Giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch toàn phần
Giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch toàn phần được xác định theo công thức:
Giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch toàn phần không phải là một chu kỳ cố định, mà nó phụ thuộc vào thời điểm tính toán Để tính gần đúng giá trị hiệu dụng, có thể sử dụng công thức sau:
- I(t): Giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch thành phần chu kỳ tại thời điểm t;
- iKCK(t): Giá trị dòng ngắn mạch thành phần không chu kỳ tại thời điểm t iKCK(t) = 2.I”.e -t/
- I”: Giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch siêu quá độ;
- : Hằng số thời gian của mạch
Dòng ngắn mạch thành phần không chu kỳ chỉ xuất hiện trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ Ở giai đoạn sau, giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch thành phần chu kỳ sẽ tương đương với giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch thành phần.
Công suất ngắn mạch được xác định theo công thức sau:
- UTB: Điện áp trung bình làm việc (trước lúc ngắn mạch) của phần lưới điện có điểm ngắn mạch;
- I(t): Giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch toàn phần
Công suất ngắn mạch là chỉ số quan trọng thể hiện công suất mà hệ thống cung cấp đến điểm ngắn mạch tính toán Chỉ số này phản ánh mức độ nghiêm trọng của sự cố ngắn mạch và phụ thuộc vào sự biến đổi của tổng trở trong lưới điện Khi tổng trở ngắn mạch nhỏ, công suất ngắn mạch sẽ lớn, dẫn đến mức độ nghiêm trọng của sự cố tăng cao Công suất ngắn mạch có thể được tính toán bằng công thức cụ thể.
Công suất ngắn mạch là yếu tố quan trọng trong việc xác định khả năng cắt của máy cắt điện khi xảy ra ngắn mạch Thông số Scắtđm của máy cắt điện thể hiện khả năng cắt dòng ngắn mạch, và để đảm bảo an toàn, máy cắt cần đáp ứng các điều kiện nhất định khi hoạt động trong trạng thái ngắn mạch.
Với - hệ số, thường lấy = 1 1,05.
SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
Các giả thiết cơ bản khi tính toán ngắn mạch
Khi xảy ra ngắn mạch, sự cân bằng công suất điện và cơ điện bị phá vỡ, dẫn đến nhiều yếu tố trong hệ thống điện biến thiên mạnh và ảnh hưởng lẫn nhau Việc tính toán ngắn mạch trở nên phức tạp nếu xem xét tất cả các yếu tố, do đó, người ta thường đưa ra giả thiết để đơn giản hóa quá trình tính toán Mỗi phương pháp tính toán ngắn mạch có những giả thiết riêng, và trong bài viết này, chúng ta sẽ chỉ đề cập đến những giả thiết cơ bản.
1.1 Các máy phát điện không có dao động công suất
Nghĩa là góc lệch pha giữa các máy phát điện giữ nguyên không đổi trong quá trình ngắn mạch
Khi xảy ra ngắn mạch, có hai quá trình quá độ diễn ra đồng thời: quá trình quá độ điện từ và quá trình quá độ điện cơ Trong đó, quá trình quá độ điện cơ liên quan đến mômen quay của tuabin Trong khoảng thời gian ngắn mạch diễn ra rất ngắn, mômen quay này ít thay đổi và ảnh hưởng không đáng kể đến sự biến thiên của dòng ngắn mạch.
Giả thiết này không gây sai số lớn, nhất là khi tính toán trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ
Tất cả các phụ tải đều được thay bằng tổng trở cố định tập trung
1.3 Mạch từ không bão hoà
Giả thiết này đơn giản hóa đáng kể phương pháp phân tích và tính toán ngắn mạch, vì mạch điện trở thành tuyến tính, cho phép áp dụng nguyên lý xếp chồng để phân tích quá trình một cách hiệu quả.
1.4 Bỏ qua điện trở tác dụng
Sơ đồ tính toán cho ngắn mạch có tính chất thuần kháng thường áp dụng cho các bộ phận điện áp cao, trừ khi cần xem xét điện trở của hồ quang tại chỗ ngắn mạch hoặc khi tính toán cho các đường dây cáp dài hay đường dây trên không có tiết diện nhỏ Đồng thời, khi tính hằng số thời gian tắt dần của dòng điện không chu kỳ, cần phải tính đến điện trở tác dụng.
1.5 Bỏ qua dung dẫn của đường dây Điện dung thành phần ngang trong thời gian quá trình quá độ xảy ra rất ngắn nên điện áp trên nó coi như không đổi, nên có thể được bỏ qua Ngoại trừ trường hợp tính toán đường dây cao áp tải điện đi cực xa thì mới xét đến dung dẫn đường dây
1.6 Bỏ qua dòng điện từ hoá của máy biến áp
Trong trạng thái làm việc bình thường, máy biến áp có sơ đồ thay thế bao gồm tổng trở cuộn sơ cấp, tổng trở cuộn thứ cấp quy đổi về phía sơ cấp và tổng trở mạch từ hoá Khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch ở một bên máy biến áp, dòng ngắn mạch chủ yếu đi qua hai tổng trở sơ và thứ cấp, trong khi tổng trở từ hoá không đáng kể do giá trị của nó lớn hơn nhiều so với tổng trở cuộn dây, vì vậy có thể bỏ qua trong tính toán ngắn mạch.
1.7 Hệ thống điện ba pha lúc bình thường là đối xứng
Sự mất đối xứng chỉ xảy ra với từng phần tử riêng biệt khi nó bị hư hỏng hoặc do cố ý có dự tính.
TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH BA PHA BẰNG
Khái quát chung
Mục đích chính của việc tính toán dòng ngắn mạch là lựa chọn thiết bị điện và khí cụ điện, đồng thời hỗ trợ tính toán hiệu chỉnh cho các thiết bị bảo vệ và tự động hóa trong hệ thống điện.
Không cần xác định giá trị dòng ngắn mạch liên tục theo thời gian, mà chỉ cần xác định chúng tại một số thời điểm nhất định và các thông số đặc trưng của dòng ngắn mạch Đồng thời, có thể chấp nhận các kết quả gần đúng.
Phương pháp tính dòng ngắn mạch được đề xuất dựa trên cơ sở thực dụng, bao gồm hai cách tiếp cận: phương pháp tính toán đơn giản và phương pháp sử dụng họ đường cong tính toán.
Tính toán dòng ngắn mạch bằng phương pháp thực dụng chủ yếu là việc đơn giản hóa sơ đồ phức tạp để xác định dòng ngắn mạch tại các thời điểm khác nhau Những giá trị dòng ngắn mạch này rất quan trọng cho việc chọn thiết bị điện và điều chỉnh rơle Ngoài ra, nếu cần thiết, có thể xác định dòng các nhánh và điện áp các nút lân cận điểm ngắn mạch bằng cách tính ngược theo sơ đồ đã được biến đổi.
Trong tính toán ngắn mạch bằng phương pháp thực dụng, cần chấp nhận sai số do những giả thiết bổ sung ngoài các giả thiết đã nêu trong quá trình lập sơ đồ thay thế.
Định luật biến thiên của thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch trong sơ đồ máy phát điện có thể được áp dụng để ước lượng gần đúng thành phần dòng cho hệ thống có nhiều máy phát điện khác nhau.
Dòng ngắn mạch trong các máy phát điện cách xa điểm ngắn mạch có dạng biến thiên tương tự nhau, đặc biệt khi các máy phát điện cùng loại Tuy nhiên, do khoảng cách khác nhau giữa các máy phát điện và điểm ngắn mạch, sự biến thiên của thành phần chu kỳ dòng ngắn mạch chỉ có thể được đánh giá gần đúng.
- Việc xét thành phần chu kỳ dòng ngắn mạch trong tất cả các trường hợp có thể tiến hành một cách gần đúng
Khi hệ thống điện có n máy phát, việc chọn công suất cơ bản bằng tổng công suất định mức của các máy phát (Scb = ∑Sđm) và điện áp cơ bản bằng điện áp trung bình các cấp cho phép đơn giản hóa sơ đồ hệ thống Kết quả là sơ đồ chỉ cần thể hiện một máy phát điện nối với điểm ngắn mạch, với thông số của máy phát điện này tương đương như khi chỉ có một máy phát duy nhất.
Rotor của máy phát điện đồng bộ có tính đối xứng, nghĩa là thông số của máy phát điện không thay đổi bất kể vị trí của rotor Mặc dù đường đi của từ thông khác nhau ở các vị trí khác nhau của rotor, nhưng sự thay đổi trong thông số máy phát điện là rất nhỏ, có thể coi là không đổi.
Biến đổi sơ đồ về dạng đơn giản
Trong tính toán lưới điện có rất nhiều biến đổi tương đương Ở đây chỉ giới thiệu một số biến đổi chính phục vụ cho tính toán ngắn mạch
2.1 Ghép các điện kháng nối tiếp, song song
- Ghép nối tiếp: điện kháng tổng Xnt bằng tổng các điện kháng của các phần tử
Trong đó: YSS, Yi là điện dẫn tổng và điện dẫn phần tử
Trong trường hợp chỉ có hai điện kháng mắc song song:
2.2 Biến đổi sao tam giác
Xij: Điện kháng giữa hai đỉnh i và j
Xi, Xj: Điện kháng nhánh i và j
Y: Tổng điện dẫn các nhánh hình sao
2.4 Ghép song song các máy phát điện
- Có m máy phát điện với suất điện động Ei và điện dẫn Yi ghép song song:
- Trường hợp nguồn mắc song song với tải: x 1 x 2 x 3 x 4 x 12 x 13 x 14 x 23 x 24 x 34
E td pt td pt td
2.5 Thay thế hai hoặc một số nguồn cung cấp bằng một nguồn tương đương
Khi có điều kiện gần giống nhau tại điểm ngắn mạch, các nguồn điện được nhập thành một nguồn tương đương Sơ đồ bao gồm hai nguồn cấp với công suất S1 và S2, cùng với điện kháng tại điểm ngắn mạch lần lượt là X1 và X2 Để nhập hai nguồn này, cần tuân thủ các điều kiện nhất định.
2.6 Tận dụng tính chất đối xứng của sơ đồ so với điểm ngắn mạch
Khi sơ đồ thay thế có tính đối xứng qua điểm ngắn mạch, việc đơn giản hóa biến đổi có thể thực hiện bằng cách "gập hình" theo trục đối xứng hoặc loại bỏ phần tử kháng điện không có dòng điện ngắn mạch đi qua.
2.7 Bỏ qua nguồn công suất nhỏ
Hai nguồn cấp với công suất là S1, S2, điện kháng từ nguồn tới điểm ngắn mạch là X1, X2 Khi đơn giản hoá sơ đồ, nếu đồng thời có 2 điều kiện:
Ta có thể bỏ qua S2
S thì không thể bỏ qua nguồn S2 vì sai số tính toán sẽ lớn
2.8 Ví dụ: (Xét tiếp ví dụ 2 trong chương 2)
Trong ví dụ 2, chúng ta đã chọn Scb = 100 MVA và Ucb là điện áp trung bình của các cấp Sau đó, chúng ta tiến hành đơn giản hóa sơ đồ để tính toán dòng ngắn mạch tại hai điểm khác nhau.
- Ngắn mạch trên thanh góp 220 kV - điểm ngắn mạch N1 với nguồn cấp là hệ thống và mọi máy phát điện
Điểm ngắn mạch N2 trên thanh dẫn đầu ra của máy phát điện F1 liên quan đến hệ thống cấp nguồn và tất cả các máy phát điện, ngoại trừ máy phát điện F1.
Ta đã có sơ đồ: (lấy kết quả đã tính ở ví dụ 2)
- Ta thấy sơ đồ là đối xứng hình học so với điểm ngắn mạch N1, với trục
38 đối xứng là X1, X2, X11, X10, X8 Gập sơ đồ theo trục này ta được sơ đồ tiếp theo:
- Biến đổi tiếp ta được sơ đồ đơn giản:
2.8.2 Điểm ngắn mạch N2: Điểm ngắn mạch N2 không phải là điểm ngắn mạch đối xứng nên phải sử
39 dụng các phép biến đổi thông thường
- Biến đổi tiếp, vì hệ thống và E4 là 2 nguồn khác nhau không nên ghép song song mà biến đổi Y(X14, X20, X30) thiếu(X34, X35):
- Biến đổi Y(X32, X34, X36) thiếu(X37, X38) ta được sơ đồ đơn giản:
3 Tính toán dòng ngắn mạch bằng phương pháp đơn giản
Sau khi hoàn thành sơ đồ thay thế và biến đổi về dạng đơn giản, việc xác định dòng ngắn mạch trở nên dễ dàng hơn với công thức: cb n i tdi tdi.
Etđi – sức điện động tương đương nhánh i trong sơ đồ thay thế đơn giản (dạng tđcb);
Xtđi – điện kháng tương đương nhánh i trong sơ đồ thay thế đơn giản (dạng tđcb);
Icb – dòng điện cơ bản thuộc cấp điện áp có điểm ngắn mạch
Vấn đề quan trọng là xác định sơ đồ thay thế và sức điện động của nó trong quá trình ngắn mạch, cụ thể là ở thời điểm nào (ban đầu, duy trì hay tại một thời điểm t bất kỳ) mà máy điện đóng vai trò chủ yếu.
3.2 Tính toán giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch tại thời điểm t = 0
Nếu máy phát điện không có cuộn cản, dòng ngắn mạch quá độ ban đầu là I’(0), trong khi máy phát điện có cuộn cản tạo ra dòng ngắn mạch siêu quá độ I”(0) Việc xác định giá trị ban đầu của quá trình ngắn mạch siêu quá độ rất quan trọng, giúp xác định dòng ngắn mạch xung kích ixk và kiểm tra điều kiện ổn định động của các thiết bị điện và dây dẫn trong trường hợp ngắn mạch Để xác định dòng ngắn mạch quá độ, cần sử dụng điện kháng X’d cho máy phát điện không có cuộn cản và X”d cho máy phát điện có cuộn cản Cuối cùng, cần xác định giá trị suất điện động tương đương Etđi để hoàn thành quá trình này.
Trong sơ đồ thay thế ban đầu của mỗi nguồn máy phát điện, sức điện động được xác định gần đúng theo một công thức cụ thể trước khi chuyển đổi sang dạng đơn giản.
+ Khi máy phát điện không có cuộn cản:
+ Khi máy phát điện có cuộn cản:
Các đại lượng điện áp U, dòng điện I và hệ số công suất cosφ là các thông số quan trọng của chế độ hoạt động tại thanh góp đầu cực máy phát điện, được xác định trước khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch, dựa trên các tính toán chế độ xác lập của lưới điện.
- Trong quá trình biến đổi sơ đồ về dạng đơn giản khi có nhập nguồn thì sử dụng các công thức tính để có sức điện động tương đương
Khi tính toán gần đúng chế độ của máy phát điện, giả thiết máy phát hoạt động trong chế độ định mức là cần thiết để xác định giá trị E” trong khoảng (1 1,1) Do đó, thường sử dụng giá trị gần đúng E” = 1 cho tất cả các nguồn máy phát điện và cho sức điện động tương đương trong sơ đồ thay thế đơn giản.
Trên cơ sở phân tích trên có thể đưa ra các bước xác định dòng điện ngắn mạch quá độ ban đầu hay siêu quá độ như sau:
* Bước 1: Lập sơ đồ thay thế dạng tđcb
Khi tính toán điện kháng thay thế của máy phát điện, cần sử dụng điện kháng X’d cho máy phát không có cuộn cản và X”d cho máy phát có cuộn cản, dựa trên dạng tđcb Điện kháng của các phần tử khác đã được trình bày trong chương 2 Ngoài ra, cần xác định giá trị sức điện động của các nguồn máy phát điện nếu có nhu cầu.
* Bước 2: Biến đổi sơ đồ về dạng đơn giản
* Bước 3: Xác định dòng điện ngắn mạch quá độ ban đầu hay siêu quá độ
Tính dòng ngắn mạch quá độ ban đầu cho lưới điện:
Máy phát điện không có cuộn cản, Sđm = 62,5 MVA; cos = 0,8; Uđm = 10,5 kV; X’d = 0,178 Trước lúc ngắn mạch, máy phát điện làm việc có dòng điện đầu cực: I = 2,65 kA
- Lập sơ đồ thay thế:
- Sơ đồ thay thế đơn giản:
Tính dòng ngắn mạch siêu quá độ cho lưới điện:
Máy phát điện có cuộn cản, Sđm = 62,5 MVA; cos = 0,8; Uđm = 10,5 kV; X”d 0,133
MBA B: Sđm = 63 MVA; UN = 10,5%; Uđm = 115 kV
Trước lúc ngắn mạch, máy phát điện làm việc bằng đúng công suất và cos định mức
- Lập sơ đồ thay thế:
Ucb = Utb các cấp điện áp (10,5; 115) kV
- Sơ đồ thay thế đơn giản:
Tính dòng ngắn mạch siêu quá độ cho sơ đồ trong Ví dụ 2:
- Điểm ngắn mạch N1 (trên thanh góp 220 kV):
Sơ đồ thay thế đơn giản:
Tính gần đúng lấy giá trị suất điện động E” = 1, ta có:
- Điểm ngắn mạch N3 (trên thanh góp đầu cực máy phát điện F1):
Sơ đồ thay thế đơn giản:
Tính gần đúng lấy giá trị suất điện động E” = 1, ta có:
3.3 Tính toán dòng ngắn mạch duy trì
TĐK là thiết bị dùng để theo dõi sự thay đổi điện áp và dòng điện ở đầu cực máy phát điện, từ đó tự động điều chỉnh dòng điện kích từ nhằm duy trì điện áp đầu cực ở mức mong muốn.
Sơ đồ nguyên lý hệ thống TĐK:
Khi xảy ra ngắn mạch, điện áp đầu cực của máy phát điện giảm xuống khoảng 80 đến 90% giá trị định mức TĐK sẽ tác động để tăng dòng kích từ, giúp nâng điện áp trở về mức mong muốn Tuy nhiên, do có độ trễ trong tác động của TĐK (khoảng 0,2 đến 0,3 giây), dòng không chu kỳ sẽ tắt nhanh, giảm dần theo hằng số thời gian Do đó, TĐK chỉ ảnh hưởng đến thành phần dòng chu kỳ, tức là dòng ngắn mạch duy trì khi t = vô cùng.
Giá trị điện áp đầu cực của máy phát điện thay đổi tương tự như dòng điện Khi không có tải điện, điện áp duy trì ở mức thấp nhất.
Khi xảy ra tình trạng thiếu điện (TĐK), điện áp sẽ giảm xuống mức tối thiểu trước khi tăng trở lại Nếu sự cố ngắn mạch xảy ra ở khoảng cách xa, điện áp có thể đạt giá trị định mức Ngược lại, nếu ngắn mạch xảy ra gần, giá trị định mức sẽ không được duy trì.
Việc quyết định là ngắn mạch xa hay gần phụ thuộc vào giá trị điện kháng từ nguồn máy phát điện đến điểm ngắn mạch Xth
- Ngắn mạch gần: Xng< Xth (Xth là điện kháng từ đầu cực máy phát điện tới điểm ngắn mạch)
Áp dụng nguyên lý xếp chồng trong tính toán dòng ngắn mạch
Các phương pháp tính toán thực dụng thường mang tính tuyến tính, cho phép áp dụng nguyên lý xếp chồng trong tính toán ngắn mạch Nguyên lý này đặc biệt hiệu quả khi việc biến đổi sơ đồ thay thế trở nên khó khăn và phức tạp.
Nguyên lý áp dụng sơ đồ thay thế là phân tích các nguồn cấp thành sơ đồ nhánh đơn giản hơn, tùy thuộc vào điểm ngắn mạch Điều này cho phép giảm bớt độ phức tạp của sơ đồ ban đầu, chỉ sử dụng một hoặc vài nguồn cấp.
Để tính toán dòng ngắn mạch hiệu quả, cần phân tích sơ đồ phân nhánh và biến đổi chúng về dạng đơn giản nhất Mỗi sơ đồ nhánh cần được tối giản trước khi thực hiện các phép tính dòng ngắn mạch Cuối cùng, tổng hợp kết quả tính toán từ các sơ đồ nhánh sẽ cho ra dòng ngắn mạch tổng thể.
Áp dụng nguyên lý xếp chồng giúp biến đổi sơ đồ và tính toán trở nên thuận tiện và dễ dàng, tuy nhiên, cần thực hiện việc biến đổi và tính toán nhiều lần.
- Bước 1: Lập sơ đồ thay thế tổng thể cho toàn lưới với các điện kháng dạng tđcb
- Bước 2: Phân tích sơ đồ thay thế thành các sơ đồ nhánh
- Bước 3: Tính dòng ngắn mạch cho từng sơ đồ nhánh IN i
- Bước 4: Tính dòng ngắn mạch tổng IN = IN i
Tính dòng ngắn mạch siêu quá độ tại điểm ngắn mạch N3 cho sơ đồ lưới điện sau bằng cách áp dụng nguyên lý xếp chồng
- Dây: Dây kép l = 65 km; x0 = 0,4/km
- MBA B1, B2: Sđm = 40,5 MVA; UN%C-T = 18,2%; UN%C-H = 10,8%; UN%T-H 6,9%
- Kháng điện: XK% = 12%; IđmK = 2 kA
- Máy phát điện F1, F2, F3, F4: Sdm F = 30 MVA; Xd” = 0,13
Ucb = Utb các cấp điện áp (10,5; 36,5; 115 kV)
9 cb dmK cb K dmK cb
Phân tích sơ đồ thay thế thành các sơ đồ nhánh:
- Sơ đồ nhánh 1: chỉ có E2 và E3
- Sơ đồ nhánh 2: chỉ có E4
- Sơ đồ nhánh 3: chỉ có hệ thống
Lần lượt tính dòng ngắn mạch cho 3 sơ đồ các nhánh:
- Nguồn chỉ có E2 và E3, biến đổi 10, 14, 15 Y 16, 17, 18:
Ta có sơ đồ đơn giản của nhánh 1:
Vậy dòng ngắn mạch siêu quá độ của sơ đồ nhánh 1:
- Nguồn chỉ có E4, ta biến đổi:
- Nguồn chỉ có E2 và E3, biến đổi 8, 24, 26 Y 27, 28, 29:
Ta có sơ đồ đơn giản của nhánh 2:
Vậy dòng ngắn mạch siêu quá độ của sơ đồ nhánh 2:
- Nguồn chỉ có hệ thống, ta biến đổi:
Ta có sơ đồ đơn giản của nhánh 3:
Vậy dòng ngắn mạch siêu quá độ của sơ đồ nhánh 3:
* Vậy dòng ngắn mạch tổng là:
