Giáo trình Ngắn mạch trong hệ thống điện (Cao đẳng) - Trường CĐ Điện lực Miền Bắc

Chia sẻ: Conbongungoc09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:56

Thêm vào BST

Báo xấu

48
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Ngắn mạch trong hệ thống điện (Cao đẳng) - Trường CĐ Điện lực Miền Bắc

TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC MIỀN BẮC TRƯỜNG CAO ĐẲNG ĐIỆN LỰC MIỀN BẮC GIÁO TRÌNH NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN NGÀNH/NGHỀ: QUẢN LÝ VẬN HÀNH, SỬA CHỮA ĐƯỜNG DÂY VÀ TRẠM BIẾN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP 110KV TRỞ XUỐNG TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số ……/QĐ/NEPC ngày …/…/20… của Trường Cao đẳng Điện lực miền Bắc) Hà Nội, năm 2020 1
Tuyên bố bản quyền: Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 2
LỜI NÓI ĐẦU Ngắn mạch là sự cố nguy hiểm trong lưới điện và là sự cố không thể tránh khỏi. Dòng điện khi xảy ra ngắn mạch tăng rất cao, có thể làm hư hỏng thiết bị do phát nhiệt lớn, do tác dụng cơ, gây mất ổn định hệ thống. Vì vậy, việc tìm hiểu và tính toán giá trị dòng ngắn mạch đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán lựa chọn thiết bị điện an toàn với dòng ngắn mạch (giai đoạn thiết kế), tính toán chỉnh định rơ le bảo vệ và tự động hóa, thay đổi kết dây để dòng ngắn mạch không vượt quá giá trị cho phép trong vận hành. Với vai trò quan trọng và xuất phát từ yêu cầu, kế hoạch đào tạo, chương trình môn học của Trường Cao đẳng Điện lực miền Bắc, tập thể tác giả khoa Điện đã biên soạn cuốn giáo trình Ngắn mạch trong hệ thống điện dùng trong giảng dạy. 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. Ngắn mạch trong hệ thống điện là một tài liệu tham khảo bổ sung cho sinh viên và kỹ sư ngành hệ thống điện về lĩnh vực này. Cấu trúc của giáo trình có nội dung như sau: - Chương 1: Khái niệm chung về ngắn mạch. - Chương 2: Sơ đồ thay thế của hệ thống điện trong tính toán ngắn mạch. - Chương 3: Tính toán ngắn mạch 3 pha bằng phương pháp thực dụng. Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã tham khảo các giáo trình và tài liệu giảng dạy môn học này của Trường đại học Bách Khoa Hà Nội để giáo trình vừa đạt yêu cầu cao về nội dung vừa thích hợp với đối tượng là sinh viên của trường Cao đẳng Điện lực miền Bắc. Dù đã hết sức cố gắng để cuốn sách được hoàn chỉnh, song không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của độc giả. Mọi ý kiến xin gửi về: Khoa điện – Trường Cao đẳng Điện lực miền Bắc – Tân Dân - Sóc Sơn – Hà Nội, số điện thoại: 0422177437 Xin chân thành cảm ơn! Tập thể giảng viên KHOA ĐIỆN 3
MỤC LỤC 1. Khái niệm chung ................................................................................................................... 7 2. Các đại lượng đặc trưng của dòng ngắn mạch ................................................................ 11 3. Mục đích và phương pháp tính ngắn mạch ..................................................................... 13 CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH .............................................................................................................. 15 1. Các giả thiết cơ bản khi tính toán ngắn mạch ................................................................. 15 2. Các loại đơn vị sử dụng trong tính toán ngắn mạch ....................................................... 16 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH BA PHA BẰNG ................................... 32 PHƯƠNG PHÁP THỰC DỤNG ................................................................................ 32 1. Khái quát chung ................................................................................................................. 32 2. Biến đổi sơ đồ về dạng đơn giản ........................................................................................ 33 4. Áp dụng nguyên lý xếp chồng trong tính toán dòng ngắn mạch.................................... 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 56 4
MÔN HỌC NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Mã môn học: MH 20 I. VỊ TRÍ, Ý NGHĨA, VAI TRÒ MÔN HỌC: - Vị trí: Môn học Ngắn mạch trong hệ thống điện được bố trí vào học kỳ 2, năm thứ 2, sau các môn học kỹ thuật cơ sở. - Ý nghĩa: Môn học Ngắn mạch trong hệ thống điện là môn học lý thuyết chuyên môn trong chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng. - Vai trò: Môn học Ngắn mạch trong hệ thống điện có vai trò quan trọng nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về tính toán giá trị dòng điện ngắn mạch trong hệ thống điện, nằm tạo tiền đề cho các môn học chuyên môn khác. II. MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC: Học xong môn học này, người học có khả năng: - Trình bày được khái niệm chung và các định nghĩa cơ bản về ngắn mạch trong hệ thống điện; - Mô tả được nguyên nhân, hậu quả của ngắn mạch và mục đích tính toán ngắn mạch trong hệ thống điện; - Trình bày được các phương pháp đơn giản tính toán ngắn mạch trong hệ thống điện; - Thực hiện tính toán ngắn mạch 3 pha bằng phương pháp thực dụng. III. NỘI DUNG MÔN HỌC Thời gian đào tạo (giờ) STT Tên chương Tổng Lý Thực hành, Kiểm số thuyết Bài tập tra* Khái niệm chung về ngắn I 6 5 1 0 mạch 1.1 Khái niệm chung 2 2 Các đại lượng đặc trưng của 1.2 3 2 1 dòng ngắn mạch Mục đích và phương pháp tính 1.3 1 1 ngắn mạch 5
Sơ đồ thay thế của hệ thống II điện trong tính toán ngắn 10 7 2 1 mạch Các giả thiết cơ bản khi tính 2.1 1 1 toán ngắn mạch Các loại đơn vị sử dụng trong 2.2 1 1 tính toán ngắn mạch Sơ đồ thay thế các phần tử và 2.3 sơ đồ thay thế toàn hệ thống 8 5 2 1 điện trong tính toán ngắn mạch Tính toán ngắn mạch 3 pha III bằng phương pháp thực 29 20 7 2 dụng 3.1 Khái quát chung 1 1 Biến đổi sơ đồ về dạng đơn 3.2 7 5 2 giản Tính toán dòng ngắn mạch 3.3 13 10 3 1 bằng phương pháp đơn giản Áp dụng nguyên lý xếp chồng 3.4 trong tính toán dòng ngắn 8 6 2 1 mạch Cộng 45 32 10 3 * Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính vào giờ lý thuyết, kiểm tra thực hành được tính vào giờ thực hành 6
CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NGẮN MẠCH Giới thiệu Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về ngắn mạch, phương pháp luận, các phương pháp tính toán ngắn mạch tổng quát. Các nội dung kiến thức của chương sẽ là cơ sở cho nội dung tính toán ngắn mạch ở các chương sau, đảm bảo tính liên kết, thống nhất trong toàn môn học. Mục tiêu Học xong chương này, người học có khả năng: - Trình bày được những khái niệm chung về ngắn mạch trong hệ thống điện; - Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn thận, tự giác. Nội dung 1. Khái niệm chung Chế độ hệ thống điện thay đổi đột ngột sẽ phát sinh quá trình quá độ điện từ, trong đó quá trình phát sinh do ngắn mạch là nguy hiểm nhất. Khi ngắn mạch, tổng trở của hệ thống điện giảm, làm dòng điện tăng lên, điện áp giảm xuống.Từ lúc xảy ra ngắn mạch cho đến khi cắt nó đi, trong hệ thống điện xảy ra quá trình quá độ làm thay đổi dòng điện và điện áp.Nhiệm vụ của môn học 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 1.1.1. Ngắn mạch - Ngắn mạch là loại sự cố trong hệ thống điện do hiện tượng các pha chập nhau, pha chập đất (hay pha chập dây trung tính) không thuộc chế độ làm việc bình thường. Các loại ngắn mạch và xác suất xảy ra trong hệ thống điện: Dạng ngắn mạch Hình vẽ quy ước Ký hiệu Xác suất xảy ra, % 3 pha N(3) 5 2 pha N(2) 10 7
2 pha với đất N(1,1) 20 1 pha N(1) 65 Bảng ký hiệu và xác suất xảy ra các dạng ngắn mạch. Trong các loại ngắn mạch trên, ngắn mạch 3 pha là ngắn mạch đối xứng vì lúc đó tất cả 3 pha đều đặt dưới điện áp như nhau và lệch pha nhau 120. Các ngắn mạch còn lại là ngắn mạch không đối xứng vì lúc đó điện áp cũng như dòng điện các pha khác nhau và lệch pha nhau, nói chung là khác 120. - Trong hệ thống có trung tính nối đất (hay 4 dây) chạm chập một pha hay nhiều pha với đất (hay với dây trung tính) cũng được gọi là ngắn mạch vì khi đó dòng điện sẽ rất lớn. - Trong hệ thống trung tính cách điện với đất, hiện tượng chạm chập một pha với đất được gọi là chạm đất. Dòng điện chạm đất có giá trị bé, nó sinh ra chỉ do dòng điện dung ký sinh của đường dây so với đất. Dòng điện đó xuất hiện ở chỗ tiếp xúc với đất.Tuy dòng chạm đất này nhỏ nhưng cũng có thể gây ra hồ quang điện chập chờn tại điểm tiếp xúc với đất, làm hỏng cách điện của lưới điện và thiết bị điện. 1.1.2. Ngắn mạch gián tiếp Là ngắn mạch qua điện trở trung gian, gồm điện trở do hồ quang điện và điện trở của các phần tử khác trên đường đi của dòng điện từ pha này đến pha kia hay từ pha đến đất. Tổng trở tiếp xúc tại chỗ ngắn mạch do hồ quang điện và các thành phần trung gian là rất khó xác định, chúng thay đổi phụ thuộc vào trạng thái tiếp xúc cũng như trạng thái của hồ quang điện xuất hiện. 1.1.3. Ngắn mạch trực tiếp Là ngắn mạch qua điện trở trung gian rất bé (có thể bỏ qua), còn được gọi là ngắn mạch kim loại. Chúng ta chỉ xem xét trường hợp ngắn mạch trực tiếp này để nghiên cứu ngắn mạch. 8
1.1.4. Ngắn mạch duy trì Hình 1-1: Quá trình biến thiên dòng điện ngắn mạch Dòng điện ngắn mạch bắt đầu từ trị số ban đầu trước lúc ngắn mạch i(0) bắt đầu tăng lên và chuyển sang quá trình quá độ. Ở giai đoạn đầu của quá trình quá độ, dòng điện tăng lên rất nhanh và đạt giá trị cực đại sau 0,01 giây (tức sau 1/2 chu kỳ) gọi là dòng xung kích (Ixk) rồi giảm dần và sau đó chuyển sang trạng thái ngắn mạch duy trì hay còn gọi là trạng thái duy trì. Ở trạng thái duy trì dòng điện không thay đổi, nói chung lớn hơn dòng xác lập trước lúc ngắn mạch và được gọi là chế độ xác lập mới. Như vậy khi ngắn mạch có ba giai đoạn: trước lúc ngắn mạch (chế độ xác lập ban đầu), quá trình quá độ và trạng thái duy trì (chế độ xác lập mới). Trong thực tế, hệ thống bảo vệ rơle kiểm soát sự cố ngắn mạch và đưa tín hiệu tới máy cắt để tự động cắt dòng ngắn mạch trong một thời gian rất ngắn gọi là thời gian cắt ngắn mạch, không để tồn tại tới trạng thái duy trì. 1.1.5. Ngắn mạch đối xứng 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 9
không như nhau. 1.1.7. Nguồn công suất vô cùng lớn và nguồn công suất giới hạn Đây là hai loại nguồn công suất sẽ ảnh hưởng đến sư biến thiên của dòng ngắn mạch: - Nguồn công suất vô cùng lớn là nguồn công suất có điện áp đầu cực không đổi về biên độ dù có xảy ra sự cố gì sau nó, trong đó có sự cố ngắn mạch và cũng có nghĩa điện kháng trong của nguồn bằng 0, trong mạch không có điện dung (không tạo thành mạch vòng dao động). Trong thực tế, nguồn công suất vô cùng lớn là trường hợp ngắn mạch ở tương đối xa máy phát điện. - Nguồn công suất giới hạn: khi có ngắn mạch gần máy phát điện, vì do phản ứng phần ứng tăng khi ngắn mạch sẽ làm cho điện áp đầu cực máy phát tụt xuống, nên máy phát không thể coi là nguồn công suất vô cùng lớn mà là nguồn công suất giới hạn. Trong trường hợp máy phát có hệ kích từ tự động (TĐK) nó sẽ hỗ trợ làm tăng điện áp máy phát. Chính vì vậy quá trình biến thiên dòng ngắn mạch sẽ khác với trường hợp nguồn công suất vô cùng lớn. 1.2. Nguyên nhân, hậu quả và cách khắc phục ngắn mạch 1.2.1. Nguyên nhân Nguyên nhân chủ yếu gây ra ngắn mạch là do cách điện bị hỏng. Cách điện bị hỏng có thể do: sét đánh, quá điện áp nội bộ trong quá trình đóng mở mạch, cách điện lâu ngày bị già cỗi, quá tuổi thọ… Ngắn mạch cũng có thể gây ra do các nguyên nhân chủ quan như thao tác nhầm, trông nom thiết bị không chu đáo, do thi công các công trình gần dây cáp ngầm, do cây 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 - Có thể phá hoại sư làm việc đồng bộ của máy phát điện trong hệ thống điện, gây mất ổn định hệ thống và dẫn đến tan rã hệ thống 10
- 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. 2. 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 chỉ xuất hiện ban đầu ngay khi xảy ra ngắn mạch rồi tắt dần theo hằng số thời gian của mạch. Thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch tồn tại suốt cả quá trình quá độ, dao động cùng tần số với tần số trước lúc ngắn mạch còn biên độ thay đổi theo thời gian. Nếu lấy các biên độ dao động của thành phần chu kỳ dòng ngắn mạch chia cho 2 thì sẽ được giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch thành phần chu kỳ, trong đó: 11
- 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 suốt quá trình quá độ. Dòng ngắn mạch tổng lớn nhất đạt tại thời điểm t = 1/2 chu kỳ dao động (0,01 giây nếu  = 50 Hz) và giá trị cực đại đó là: ixk = Kxk. 2 .I” Trong đó: - 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: t T / 2 1 I(t) =  iN2 (t )dt T t T / 2 Vì dòng ngắn mạch toàn phần không phải là chu kỳ, nên giá trị hiệu dụng tính theo công thức trên phụ thuộc vào thời điểm tính toán. Có thể tính giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch toàn phần gần đúng theo công thức sau: I(t) = I 2 (t )  iKCK 2 (t ) Trong đó: - 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/ Trong đó: - I”: Giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch siêu quá độ; - : Hằng số thời gian của mạch. 12
Do dòng ngắn mạch thành phần không chu kỳ chỉ tồn tại giai đoạn đầu của quá trình quá độ, nên ở giai đoạn sau của quá trình quá độ giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch thành phần chu kỳ cũng là giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch thành phần. 2.4. Công suất ngắn mạch Công suất ngắn mạch được xác định theo công thức sau: SNM = 3 .UTB. I(t) Trong đó: - 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 đặc trưng cho công suất cung cấp từ phía hệ thống đến điểm ngắn mạch tính toán. Trong trường hợp này công suất đặc trưng cho sự nặng nề của ngắn mạch và phụ thuộc vào sự biến đổi tổng trở của lưới. Nếu tổng trở ngắn mạch nhỏ thì công suất ngắn mạch lớn và độ nặng nề của sự cố ngắn mạch càng cao. Công suất ngắn mạch có thể được tính theo công thức sau: 2 U TB S NM  ZN Công suất ngắn mạch còn đặc trưng cho công suất cắt của máy cắt điện làm việc ở trạng thái ngắn mạch. Máy cắt điện có thông số đặc trưng cho cắt dòng ngắn mạch là Scắtđm và chúng đảm bảo cắt mạch khi ngắn mạch chỉ khi đảm bảo điều kiện sau: Scắtđm> SNM hay Icắtđm>.I” Với  - hệ số, thường lấy  = 1  1,05. 3. Mục đích và phương pháp tính ngắn mạch 3.1. Mục đích của tính toán ngắn mạch Khi thiết kế và vận hành hệ thống điện để giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật yêu cầu tiến hành hàng loạt các tính toán sơ bộ, trong đó có tính toán ngắn mạch. Tính toán ngắn mạch thường là những tính toán dòng, áp lúc xảy ra ngắn mạch tại một số điểm hay một số nhánh của sơ đồ đang xét. Tuỳ thuộc mục đích tính toán mà các đại lượng trên có thể được tính tại một thời điểm nào đó hay 13
diễn tiến của chúng trong suốt quá trình quá độ. Những tính toán như vậy cần thiết để giải quyết các vấn đề sau: - Lựa chọn trang thiết bị khi thiết kế, đảm bảo an toàn dưới tác động nhiệt và cơ do dòng ngắn mạch gây ra; - Phục vụ cho tính toán, hiệu chỉnh các thiết bị bảo vệ và tự động hoá trong hệ thống điện nhằm loại trừ nhanh các phần tử sự cố ngắn mạch ra khỏi hệ thống điện; - Lựa chọn sơ đồ thích hợp làm giảm dòng ngắn mạch; - Phục vụ thiết kế lựa chọn các thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch. 3.2. Phương pháp tính toán ngắn mạch Khi xảy ra ngắn mạch sẽ đồng thời tồn tại hai quá trình quá độ: quá trình quá độ điện từ và quá trình quá độ điện cơ. Quá trình quá độ điện từ do sự thay đổi từ thông sinh ra, quá trình quá độ điện cơ do quán tính của rotor tạo ra. Có hai nhóm phương pháp chủ yếu tính toán ngắn mạch: - Sử dụng hệ phương trình vi phân: Theo nhóm phương pháp này, trước hết phải thành lập hệ phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ của máy phát điện và của toàn lưới điện. Sau đó tiến hành giải hệ phương trình vi phân đó có xét đến các giá trị thông số chế độ ban đầu. Phương pháp này có ưu điểm là xác định được tương đối chính xác sự biến thiên các thông số chế độ một cách liên tục trong suốt quá trình quá độ. Nhưng nhược điểm của phương pháp là gặp nhiều khó khăn trong lập hệ phương trình vi phân và giải chúng, nhất là khi lưới điện phức tạp gồm nhiều nhà máy điện. Chính vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng khi nghiên cứu quá trình quá độ khi sơ đồ lưới điện đơn giản, ít nguồn phát và hữu hiệu nhất khi chỉ có một nguồn điện; - Tính toán thực dụng: Theo nhóm phương pháp này chỉ tính toán gần đúng, mức độ chính xác còn tuỳ thuộc vào các giả thiết đơn giản hoá khi thành lập sơ đồ thay thế và cũng chỉ xác định được giá trị hiệu dụng của các biến một cách rời rạc theo một số thời điểm nhất định. Tuy vậy, phương pháp này có nhiều ưu điểm là: tính toán đơn giản, nhanh chóng cho bất kỳ sơ đồ lưới điện phức tạp nào, bất kỳ loại ngắn mạch nào, điểm ngắn mạch nào và có thể tính toán bằng tay hay sử dụng máy tính. Do vậy, phương pháp tính toán thực dụng được sử dụng rộng rãi phục vụ cho chọn thiết bị điện, khí cụ điện và chọn thông số cài đặt cho hệ thống bảo vệ rơle trong hệ thống điện. 14
CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH Giới thiệu Theo phân tích của chương một, nội dung giáo trình sẽ đi sâu vào hướng dẫn tính toán ngắn mạch theo nhóm phương pháp thực dụng. Tiếp nối với đó, chương hai mở đầu cho nhóm phương pháp này bằng những giả thiết trong tính toán và cách thức lập sơ đồ thay thế của hệ thống điện trong hệ đơn vị tương đối cơ bản. Mục tiêu Học xong chương này, người học có khả năng: - Thành lập được sơ đồ thay thế các phần tử và hệ thống điện trong tính toán ngắn mạch; - Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn thận, tự giác. Nội dung 1. Các giả thiết cơ bản khi tính toán ngắn mạch Khi xảy ra ngắn mạch, sự cân bằng công suất từ điện, cơ điện bị phá hoại, trong hệ thống điện đồng thời xảy ra nhiều yếu tố làm các thông số biến thiên mạnh và ảnh hưởng tương hỗ nhau. Nếu kể đến tất cả những yếu tố ảnh hưởng thì việc tính toán ngắn mạch sẽ rất khó khăn, trong thực tế người ta đưa ra những giả thiết nhằm đơn giản hoá vấn đề để có thể tính toán. Mỗi phương pháp tính toán có những giả thiết riêng, ở đây ta chỉ nêu ra 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, đồng thời tồn tại hai quá trình quá độ: quá trình quá độ địên từ và điện cơ. Trong đó, quá trình quá độ điện cơ liên quan đến mômen quay của tuabin, mà trong thời gian tồn tại ngắn mạch rất ngắn nó 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. 15
1.2. Phụ tải gần đúng 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 làm cho phương pháp phân tích và tính toán ngắn mạch đơn giản hơn rất nhiều, vì mạch điện trở thành tuyến tính và có thể dùng nguyên lý xếp chồng để phân tích quá trình. 1.4. Bỏ qua điện trở tác dụng Sơ đồ tính toán có tính chất thuần kháng. Giả thiết này dùng được khi ngắn mạch xảy ra ở các bộ phận điện áp cao, ngoại trừ khi bắt buộc phải xét đến điện trở của hồ quang điện tại chỗ ngắn mạch hoặc khi tính toán ngắn mạch trên đường dây cáp dài hay đường dây trên không có tiết diện bé. Ngoài ra lúc tính hằng số thời gian tắt dần của dòng điện không chu kỳ cũng 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 Máy biến áp trong trạng thái làm việc bình thường sơ đồ thay thế gồm tổng trở cuộn sơ cấp, tổng trở cuộn thứ cấp ở dạng đơn vị quy đổi về phía sơ cấp và tổng trở mạch từ hoá. Khi ngắn mạch ở một phía nào đó của máy biến áp, dòng ngắn mạch chủ yếu đi qua hai tổng trở sơ và thứ cấp còn qua tổng trở từ hoá là không đáng kể (tổng trở từ hoá lớn hơn rất nhiều so với tổng trở cuộn dây) nên có thể bỏ qua khi 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. 2. Các loại đơn vị sử dụng trong tính toán ngắn mạch Trong tính toán hệ thống điện nói chung sử dụng 3 loại đơn vị: đơn vị có tên, đơn vị tương đối định mức và đơn vị tương đối cơ bản. Ngoài ra còn có đơn vị quy đổi các thông số giữa các cấp điện áp bằng hệ số tỷ lệ của máy biến áp. 16
2.1. Ba loại đơn vị chính sử dụng trong tính toán ngắn mạch 2.1.1. Đơn vị có tên Đây là loại đơn vị mang tên đúng bản chất vật lý của chúng. - Đơn vị của điện trở, điện kháng, tổng trở:  - Đơn vị của công suất: + Công suất tác dụng: W, kW, MW + Công suất phản kháng: VAr, kVAr, MVAr + Công suất biểu kiến: VA, kVA, MVA - Đơn vị của điện áp: V, kV - Đơn vị của cường độ dòng điện: A, kA 2.1.2. Đơn vị tương đối định mức (tđđm) Đây là loại đơn vị không tên, biểu diễn tỷ số giữa đơn vị có tên và giá trị định mức tương ứng của chúng và được thể hiện dưới dạng tương đối hay dạng phần trăm:  ten   tddm  hay tddm %  ten .100  dm  dm 2.1.3. Đơn vị tương đối cơ bản (tđcb) Đây là đơn vị không tên biểu diễn tỷ số giữa đơn vị có tên và giá trị cơ bản tương ứng tuỳ chọn ten tdcb   cb Trong tính toán ngắn mạch thường chọn công suất cơ bản S cb và điện áp cơ bản Ucb, từ đó tính được tổng trở và dòng cơ bản Scb U2 I cb  và Z cb  cb 3.U cb Scb Trong thực tế trị số định mức của các thiết bị ở cùng một cấp điện áp cũng không giống nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau đó không nhiều (trong khoảng  10%), ví dụ điện áp định mức của máy phát điện là 11 kV, máy biến áp là 10,5 kV và kháng điện là 10 kV. Do đó trong tính toán gần đúng ta có thể xem điện áp định mức Uđm của các thiết bị ở cùng một cấp điện áp là như nhau và bằng giá trị trung bình Utb của cấp điện áp đó. Theo quy ước có các Utb sau (kV): 525; 17
230; 115; 36,75; 10,5; 6,3. Khi tính toán gần đúng người ta chọn Ucb = Uđm = Utb, riêng đối với kháng điện nên tính chính xác với lượng định mức của nó vì giá trị điện kháng của kháng điện chiếm phần lớn trong điện kháng tổng của sơ đồ, nhất là đối với những trường hợp kháng điện làm việc ở điện áp khác với cấp điện áp định mức của nó (kháng điện 10 kV làm việc ở cấp 6 kV). Nói chung các đại lượng cơ bản nên chọn sao cho tính toán trở nên đơn giản, tiện lợi. Đối với S cb nên chọn những số tròn (100, 1000 MVA…) hoặc đôi khi chọn bằng tổng công suất định mức của sơ đồ, nếu sơ đồ có một nguồn thì chọn Scb bằng công suất của nguồn đó. 2.2. Giá trị quy đổi các thông số bằng hệ số tỷ lệ của máy biến áp Ngoài 3 loại đơn vị nêu trên còn có khái niệm giá trị đơn vị qui đổi từ cấp điện áp này sang cấp điện áp kia của máy biến áp (MBA). MBA có hai cấp điện áp I và II như hình 2.1 với các giá trị điện áp, công suất, dòng điện và trở kháng hai phía. K UI, ZI, SI, II UII, ZII, SII, III Hình 2.1: Sơ đồ chuyển đổi đơn vị qua MBA - Hệ số tỷ lệ của MBA K được tính như sau: + Tính chính xác bằng tỷ số vòng dây phía I và phía II: WI K WII + Tính tương đối chính xác bằng tỷ số điện áp đầu phân áp hai phía: U paI K U paII + Tính gần đúng bằng giá trị điện áp trung bình hai phía: U tbI K U tbII - Giá trị quy đổi từ phía II về phía I: + Điện áp: UIIqđ = UI = UII.K + Công suất: SIIqđ = SII 18
I II + Dòng điện: I IIqd  K + Trở kháng: ZIIqđ = ZII.K2 Sơ đồ hệ thống điện tồn tại nhiều cấp điện áp khác nhau, nhưng trong tính toán ngắn mạch thì sơ đồ thay thế chỉ tồn tại một điện áp thống nhất, đó là điện áp cơ bản. Do vậy một phần tử như: MBA, một đường dây, một kháng điện trong sơ đồ thay thế toàn bộ hệ thống điện cần được quy đổi về dạng tđcb theo điện áp cơ bản. Từ đó về sau mọi tính toán các thông số dòng và áp hoàn toàn là ở dạng tđcb. Sau đó theo giá trị công suất cơ bản Scb và điện áp cơ bản Ucb đã lựa chọn trước đây, có thể đổi chúng về dạng có tên. 3. Sơ đồ thay thế các phần tử và sơ đồ thay thế toàn hệ thống điện trong tính toán ngắn mạch Để xây dựng các công thức tính điện kháng và các phần tử của hệ thống điện ở dạng tđcb mà không mất tính chất tổng quát, ta xét sơ đồ (sơ đồ gồm có ba cấp điện áp I, II, III và các phụ tải, MPĐ F, điện kháng K, MBA B1, B2): Hình 2-2: Sơ đồ 3 cấp điện áp 3.1. Máy phát điện Sơ đồ thay thế của máy phát điện bao gồm suất điện động E và điện kháng XF như hình 2-3. E XF Hình 2-3: Sơ đồ thay thế máy phát điện Thông số ban đầu về máy phát điện có: công suất định mức S đm, điện áp định mức Uđm, các điện kháng ở dạng tđđm như X”d, X’d, Xq…Trong các điện kháng trên, đối với mỗi loại tính toán chế độ chọn một điện kháng tương ứng, cụ thể: 19
+ Tính toán ở chế độ duy trì chọn Xq (điện kháng đồng bộ ngang trục của roto). + Tính toán cho quá trình quá độ chọn X’d (điện kháng quá độ dọc trục của stato). + Tính toán ngắn mạch chọn X”d (điện kháng tương đối siêu dọc trục, đặc trưng cho cuộn cảm của stato ở giai đoạn đầu của quá trình quá độ). Theo định nghĩa về đại lượng tđđm, điện kháng máy phát điện dạng ôm sẽ là: 2 U dm X F  X "d .Z dm  X "d . S dm Điện kháng của máy phát điện dưới dạng tđcb sẽ là: X F XF  Z cb Giá trị tổng trở cơ bản Zcb được tính trên cơ sở chọn công suất cơ bản Scb và điện áp cơ bản Ucb * Trường hợp 1: Chọn Scb và Ucb = UIII cho toàn hệ thống. Khi đó có thể viết điện kháng của máy phát điện trong sơ đồ thay thế cho hình 2.2 như sau: 2 U Fdm X "d . X F S Fdm XF   2 .K II2  I .K III 2  II Z cb U cb S cb 2 U dmF S Do đó: X F  X "d . . cb2 .K II2  I .K III 2  II S Fdm U cb Từ công thức trên với các trường hợp lựa chọn hệ số tỷ lệ của MBA khác nhau sẽ xây dựng được các công thức tính điện kháng cho máy phát điện trong sơ đồ thay thế như sau: - Chọn hệ số tỷ lệ MBA theo đầu phân áp các cấp của MBA: 2 2 U2 S U  U  X F  X "d . dmF . cb2 . paIIB1  . paIIIB2  S Fdm U III  U paIB1  U  paIIB2   Trong đó: 20