Bài giảng Ngắn mạch trong hệ thống điện - Trường Đại học Điện Lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

MÔN HỌC

NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

NỘI DUNG CHI TIẾT

Chương 1:Khái niệm chung về ngắn mạch và dòng điện ngắn

mạch trong hệ thống điện

Chương 2: Thiết lập sơ đồ tính toán ngắn mạch hệ thống điện

Chương 3: Tính toán ngắn mạch ba pha duy trì

Chương 4: Quá trình quá độ điện từ và các thông số của máy

phát điện khi ngắn mạch ba pha

Chương 5: Tính toán dòng điện ngắn mạch quá độ

Chương 6: Ngắn mạch không đối xứng

Ôn tập

Quá độ điện từ

2

Chương 1:Khái niệm chung về ngắn mạch và dòng điện ngắn

mạch trong hệ thống điện

1.1 Những khái niệm và định nghĩa cơ bản

a. Ngắn mạch và chạm đất một pha:

- Ngắn mạch: hiện tượng các dây dẫn pha chạm chập nhau hoặc

chạm chập dây trung tính. Khi xảy ra ngắn mạch thì tổng trở

của hệ thống giảm xuống, dòng điện chạy trong hệ thống tăng

cao gọi là dòng ngắn mạch.

- Ngắn mạch một pha (chạm đất) trong mạng có trung tính nối

đất trược tiếp là hiện tượng chạm đất của một pha xuống đất và

dòng ngắn mạch chạy qua điểm trung tính là khá lớn.

Quá độ điện từ

3

- Chạm đất một pha trong mạng điện có trung tính không nối đất

hay nối đất qua cuộn dây dập hồ quang là hiện tượng mà tại nơi

chạm đất dòng điện chạy qua rất bé và chạy qua các điện dung

ký sinh trở về điểm chạm đất, thường rất bé nên không thể được

xem là dòng ngắn mạch

- Tổng trở ngắn mạch là tổng trở trung gian tại chổ ngắn mạch,

trị số của nó phụ thuộc vào độ tiếp xúc, mức độ phát hồ quang,

chất liệu … Trường hợp nguy hiểm nhất là ngắn mạch qua tổng

trở bằng 0 gọi là ngắn mạch trực tiếp

b. Các dạng ngắn mạch:

- Ngắn mạch ba pha đối xứng (ký hiệu N⁽³⁾, 3PH): được định

nghĩa là ngắn mạch xảy ra đồng thời ở cả 03 pha, tuy không

thường xuyên xảy ra nhưng đây là loại sự cố nặng nề nhất

Quá độ điện từ

4

- Các dạng ngắn mạch không đối xứng là trường hợp dòng ngắn

mạch không cân bằng giữa các pha

+ Ngắn mạch chạm đất 01 pha (ký hiệu N⁽¹⁾, 1LG)

+ Ngắn mạch 02 pha không chạm đất (ký hiệu N⁽²⁾, L-L)

+ Ngắn mạch 02 pha chạm đất (ký hiệu N^(1,1)2LG)

c. Nguyên nhân và hậu quả:

- Nguyên nhân: nguyên nhân chung và chủ yếu của ngắn mạch là

do cách điện bị hư hỏng, mà tác nhân gây hư hỏng cách điện có

thể là: bị già cỗi do thời gian làm việc quá lâu, chịu tác động về

mắt cơ khí (như đào đất, thả diều, xe cộ va quẹt …), hay do các

loài vật (chim chóc, rắn, thú vật …) hoặc do gió bão, sấm sét.

hoặc ngắn mạch xảy ra có thể do thao tác đóng cắt nhầm

Quá độ điện từ

5

- Hậu quả:

• Phát nóng cục bộ rất nhanh gây cháy nổ, già cỗi cách điện

• Sinh ra lực cơ khí lớn làm hư hỏng các thiết bị xung quanh

• Gây sụt áp lưới ảnh hưởng đến sản xuất

• Gây mất ổn định hệ thống ảnh hưởng đến an ninh mạng

• Tạo các phần tử gây nhiễu từ các dòng điện bất đối xứng ảnh

hưởng đến chất lượng điện năng.

• Làm gián đoạn cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ …

d. Mục đích của việc tính toán ngắn mạch:

• Lựa chọn các trang thiết bị phù hợp

• Tính toán hiệu chỉnh các phần tử bảo vệ cho hệ thống

Quá độ điện từ

6

• Lựa chọn các sơ đồ hệ thống thích hợp cho vận hành

• Lựa chọn các thiết bị hạn chế dòng điện ngắn mạch.

• Nghiên cứu các hiện tượng quá độ điện từ trong hệ thống

• Nghiên cứu ổn định hệ thống

1.2. Dòng điện ngắn mạch, độ lớn và sự biến thiên theo thời

gian:

1. Ngắn mạch với nguồn áp không đổi (ngắn mạch xa nguồn):

a. Quá trình quá độ khi ngắn mạch 03 pha mạng điện đơn giản,

xét mạch điện đơn giản, với các nguồn áp có dạng sau:

u_A= U_msin(ωt +α)

u_B= U_msin(ωt +α −120⁰)

u_C= U_msin(ωt +α +120⁰)

Quá độ điện từ

7

- Vì nguồn là 03 pha đối xứng nên có thể tách riêng thành từng pha

để nghiên cứu. Xét mạch tương ứng với pha A:

u_A=U_msin(ωt +α)

Phương trình cân bằng áp ở chế độ quá độ:

R

− t

U_m

di

L

u = Ri + L ⇒ i(t) = sin(ωt +α −ϕ_N) + C.e = i_CK(t) + i_a(t)

dt

Z

Trong đó:

U_m

i_CK(t) = sin(ωt +α −ϕ_N) = I_CKmsin(ωt +α −ϕ_N)

là thành phần

Z

chu kỳ

1

R

−

− t

Ta

L

i_a(t) = C.e = i_a0.e

là thành phần tự do

(Ta = L/R - đặc trưng cho tốc độ suy giảm của thành phần tự do)

Quá độ điện từ

8

Quá độ điện từ

9

Quá độ điện từ

10

• Nhận xét:

9 Có thể tính toán dòng điện ngắn mạch theo hai thành phần:

thành phần chu kỳ (xoay chiều) và thành phần tự do (một chiều)

9 Thành phần dòng điện chu kỳ hoàn toàn có thể xác định được

bởi sơ đồ mạch và sức điện động nguồn sau thời điểm xảy ra ngắn

mạch

9 Thành phần dòng điện tự do mang đặc tính ngẫu nhiên, phụ

thuộc rất nhiều yếu tố, trạng thái mạch trước khi sự cố, tính chất

phụ tải và thời điểm xảy ra ngắn mạch …Thành phần tự do xuất

hiện mang tính ngẫu nhiên nhưng có thể biết được dạng biến thiên

là hàm mũ với hằng số thời gian Ta = L/R

9 Về phương điện phương pháp tính thì việc xác định thành phần

chu kỳ có ý nghĩa quan trọng hơn

Quá độ điện từ

11

b. Dòng điện ngắn mạch xung kích:

- Luôn luôn tồn tại một giá trị cực đại đối với trị số tức thời của

dòng điện ngắn mạch gọi là trị số xung kích của dòng ngắn

mạch hay còn gọi là dòng điện ngắn mạch xung kích.

- Dòng ngắn mạch xung kích cũng xuất hiện gắn liền với sự tồn

tại của thành phần dòng điện tự do, thành phần tự do đạt trị số

cực đại thì dòng ngắn mạch xung kích cũng sẽ có giá trị cực

đại.

- Trị số của dòng xung kích i_xkứng với trường hợp thành phần tự

do xuất hiện lớn nhất, với i_a0= i_amax= i_CKm(ngắn mạch lúc

không tải) và t = 0,01s:

0,01

−

⎛

⎞

⎟

⎠

Ta

⎜

i_xk= i_CK(0,01) + i_a0.e = I_CKm+ I_CKm.e = I_CKm1+ e

⎜

⎝

Quá độ điện từ

12

0,01

k_xk=1+ e⁻

Ta

- Người ta đặt hệ số:

, gọi là hệ số xung kích

- Tuỳ theo giá trị của Ta, hệ số xung kích nằm trong phạm vi:

1 ≤ k_xk≤ 2

- Trị số xung kích của dòng điện ngắn mạch rất cần thiết khi

tính toán kiểm tra tác dụng lực của dòng điện lên các trang

thiết bị lúc sự cố xảy ra.

c. Trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch toàn phần:

- Trị số hiệu dụng tại một thời điểm t nào đó được định nghĩa:

1 ^{t+T / 2}

I_t=

i_N²dt = I_C²_K+ I_a²_t

∫

T

t−T / 2

Quá độ điện từ

13

với: T là chu kỳ thời gian của dòng điện xoay chiều

I_CKm

là trị số hiệu dụng của thành phần dòng ngắn

mạch chu kỳ

I_CK=

2

là trị số hiệu dụng của thành phần bậc 0, lấy bằng

trị số của thành phần tự do i_a(t) tại thời điểm tính

toán t

I_at= i_a(t)

- Trị số I_atcó thể xác định được theo biểu thức chung của thành

phần dòng điện tự do (ứng với lúc xuất hiện lớn nhất):

1

−

Ta

I_at= i_a(t) = i_a0.e = I_CKm.e

= i_a(0,01) = i_xk− i_CKm= (k_xk−1)I_CKm

= (k_xk−1) 2.I_CK

Quá độ điện từ

14

Thay vào ta có:

2

[

]

I_xk= I_CK+ (k_xk−1) 2I_CK= I_CK1+ 2(k_xk−1)

Do 1 ≤ k_xk≤ 2 ta có:

I_xk

đó chính là phạm vi thay đổi của trị số hiệu dụng

cực đại dòng điện ngắn mạch toàn phần

1≤ ≤ 3

I_CK

d. Công suất ngắn mạch:

- Công suất ngắn mạch được định nghĩa là:

S_Nt= 3U_tb.I_Nt

trong đó:

U_tb– điện áp dây trung bình của phần mạng điện có dòng điện

ngắn mạch trước khi xảy ra ngắn mạch

I_Nt– trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch tính tại thời điểm t

Quá độ điện từ

15

- Công suất ngắn mạch mang ý nghĩa sau:

• Khi tính cho dòng điện ngắn mạch qua máy cắt ta sẽ nhận được

công suất lớn nhất sinh ra giữa 02 cực tiếp điểm của máy cắt. Do

đó máy cắt cần phải được chế tạo sao: S_cắt≥ S_Nt

• Khi tính cho dòng điện ngắn mạch tổng, trị số công suất được

sẽ là công suất tổng hệ thống cung cấp đến điểm ngắn mạch

U_t²_b

S_Nt= 3U_tb.I_Nt=

Z_HT

2. Ngắn mạch ở gần máy phát điện đồng bộ đang vận hành:

Quá độ điện từ

16

Chương 2: Thiết lập sơ đồ tính toán ngắn mạch hệ thống

điện

2.1. Những giả thiết cơ bản:

• Tần số hệ thống không thay đổi: giả thuyết này không gây

sai số nhiều và làm giảm đáng kể các phép tính, ví dụ như

lúc đó các điện kháng sẽ bằng hằng số.

• Bỏ qua bão hoà từ: để đơn giản coi mạch từ không bão hoà,

khi đó điện cảm của phần tử được xem là hằng số và mạch

điện là tuyến tính.

• Thay phụ tải bằng tổng trở hằng: sai số mắc phải nằm trong

phạm vi cho phép khi coi phụ tải là hằng số.

Quá độ điện từ

17

• Bỏ qua các đại lượng nhỏ của một vài thông số của một số

phần tử: trong một số các bài toán tính ngắn mạch không

đòi hỏi tính chính xác cao ta có thể bỏ qua các đại luợng:

– Bỏ qua dung dẫn ký sinh của các đường dây điện thấp áp

– Bỏ qua mạch không tải của các MBT

– Bỏ qua điện trở của cuộn dây máy phát, MBT và điện trở

đường dây …

• Sức điện động ba pha của nguồn là đối xứng: thực tế sự bất

đối xứng của các sức điện động là không đáng kể.

Quá độ điện từ

18

2.2. Hệ đơn vị tương đối:

1. Trị số tương đối:

- Sử dụng hệ đơn vị tương đối trong nhiều trường hợp làm đơn

giản hoá rất nhiều các phép tính và ít gây nhầm lẵn hơn so

với các hệ đơn vị khác.

- Trị số tương đối của một đại lượng được hiểu là tỉ số giữa trị

số của đại lượng đó trong hệ đơn vị có tên với một đại lượng

cơ bản đã được chọn trước trong cùng hệ đơn vị.

- Trong hệ thống điện có các đại lượng cơ bản như điện áp (U),

sức điện động (E), dòng điện (I), công suất (S), tổng trở (Z),

do đó ta có các đại lượng trong đơn vị tương đối tương ứng:

U

E

I

S

Z

U_*(cb)=

E_*(cb)=

I_*(cb)=

S_*(cb)=

Z_*(cb)=

U_cb

I_cb

S_cb

Z_cb

Quá độ điện từ

19

Trong đó:

• U_cb, E_cb, I_cb, S_cb, Z_cblà các đại lượng cơ bản được chọn trước,

• U, E, I, S, Z là các đại lượng trong hệ đơn vị có tên cần chuyển

sang hệ đơn vị tương đối.

• U_*(cb), E_*(cb), I_*(cb), S_*(cb), Z_*(cb)là các đại lượng trong hệ đơn vị

tương đối

- Tuỳ theo yêu cầu bài toán ta có thể chọn các đại lượng cơ bản

phù phợp, thông thường chọn S_cbvà U_cblà có thể tính được các

đại tượng khác trong hệ đơn vị tương đối:

3.U_cb

S_cb

U_c²_b

S_cb

U_c²_b

S_cb

U_c²_b

I_*(cb)= I.

X_*(cb)= X.

R_*(cb)= R.

Z_*(cb)= Z.

S_cb

Quá độ điện từ

20