Nghiên cứu bán kính cấp điện hiệu quả lưới điện phân phối 22kV 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây: Báo cáo khoa học

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008

NGHIÊN CỨU BÁN KÍNH CẤP ĐIỆN HIỆU QUẢ

LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22KV 3 PHA 3 DÂY VÀ

3 PHA 4 DÂY

STUDY ON DIFFERENT EFFECTIVE ZONES OF 22KV THREE

PHASE THREE WIRE AND THREE PHASE FOUR WIRE

DISTRIBUTION NETWORK

LÊ KIM HÙNG

Đại học Đà Nẵng

VÕ NHƯ QUỐC

Công ty Điện lực 3

TÓM TẮT

Lưới điện phân phối (LĐPP) 22kV Việt Nam hình thành và phát triển với 2 dạng

cấu trúc khác nhau, đó là: LĐPP 22kV với cấu trúc 3 pha 3 dây (được sử dụng

nhiều ở khu vực phía Bắc và miền Trung) và với cấu trúc 3 pha 4 dây (được sử

dụng nhiều ở khu vực phía Nam). Do cấu trúc lưới khác nhau, nên việc sử dụng

các máy biến áp (MBA), bán kính cấp điện hiệu quả, mật độ các trạm biến áp

nguồn cũng có nhiều điểm khác nhau cần phân tích.

Bài báo này nghiên cứu sự khác nhau cơ bản giữa LĐPP 22kV trung tính trực

tiếp nối đất với cấu trúc 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây về mặt bán kính cấp điện hiệu

quả, thông qua việc xem xét ảnh hưởng của dòng điện ngắn mạch chạm đất

trong mạng 3 pha 3 dây và mạng 3 pha 4 dây.

ABSTRACT

The 22kV distribution network was formed and developed into two different forms:

three phase three wire (mainly used in Northern and Central Vietnam) and three

phase four wire (mainly used in Southern Vietnam). Due to different network

configurations, different use of transformers especially one-phase transformers,

different effective zones, the density of source substations are different and needs

analyzing.

To clarify this issue, this article studies the basic differences between 22kV

neutrally earthed three phase three wire and three phase four wire distribution

network regarding effective zones through considering earth faults’ effects on

three phase three wire and three phase four wire networks.

1. Đặt vấn đề

Do lịch sử để lại, LĐPP Việt Nam nói chung và miền Trung nói riêng hiện vẫn

còn tồn tại nhiều cấp điện áp (như 6, 10, 15, 22, 35kV), cùng với chế độ làm việc điểm

trung tính của LĐPP cũng khác nhau, cụ thể: LĐPP 6, 10, 15, 35kV làm việc ở chế độ

điểm trung tính nguồn cách đất; LĐPP 15, 22kV làm việc ở chế độ điểm trung tính nguồn

nối đất trực tiếp. LĐPP có nhiều cấp điện áp, đã gây khó khăn trong công tác vận hành

như việc kết nối để hỗ trợ nguồn điện lẫn nhau khi sự cố, gây tốn kém trong công tác dự

phòng các thiết bị điện để xử lý sự cố... Để thống nhất LĐPP Việt Nam, Bộ năng lượng

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008

(nay là Bộ Công thương) đã ban hành quyết định số 1867/KHKT ngày 12/5/1994 về việc

qui định các tiêu chuẩn kỹ thuật cấp điện áp 22kV [1], trong đó nêu rõ:

+ Trung tính của mạng 22kV trực tiếp nối đất (nối đất hiệu quả).

+ Đường dây 22kV có thể 3 pha 3 dây (sử dụng đất làm dây trung tính) hoặc 3

pha 4 dây (dây trung tính đi riêng hoặc sử dụng chung dây trung tính của đường

dây hạ thế).

+ Đối với các lưới điện xây dựng mới phải thiết kế theo tiêu chuẩn cấp điện áp

22kV, đối với lưới điện cũ phải cải tạo dần sang cấp điện áp 22kV.

Tuy đã thống nhất về cấp điện áp nhưng cấu trúc LĐPP 22kV vẫn chưa có sự

thống nhất về quan điểm. LĐPP 22kV khu vực phía Nam thì sử dụng cấu trúc 3 pha 4 dây,

LĐPP 22kV khu vực miền Trung và phía Bắc thì lại sử dụng cấu trúc 3 pha 3 dây. Vì vậy,

việc nghiên cứu vấn đề bán kính cấp điện hiệu quả của từng cấu trúc LĐPP là cần thiết.

Để nghiên cứu vấn đề này ta cần xem xét thế nào là nối đất hiệu quả và ảnh hưởng

của kết cấu lưới đến bán kính cấp điện hiệu quả.

2. Hệ thống nối đất hiệu quả

a- Theo tiêu chuẩn Việt Nam 4756-89 về việc nối đất, nối không các thiết bị điện

định nghĩa [4]: Mạng điện trung tính nối đất hiệu quả là mạng điện có điện áp pha lớn hơn

1.000V và hệ số quá điện áp khi ngắn mạch một pha không lớn hơn 1,4. Hệ số quá điện áp

khi ngắn mạch chạm đất trong mạng điện 3 pha là tỷ số giữa điện áp pha không bị sự cố

tại điểm ngắn mạch chạm đất và điện áp pha tại điểm đó trước khi có ngắn mạch.

b- Theo chỉ dẫn của VDE 0111/12.66 [3]: Một hệ thống hay một phần của hệ

thống điện áp cao được xem là nối đất hiệu quả, nếu khi ngắn mạch một pha chạm đất tỷ

số điện áp pha trên các pha không bị sự cố với điện áp làm việc cực đại cho phép không

vượt quá 0,8; hệ thống như vậy có thể lắp đặt với cách điện giảm nhẹ. Để thoả mản điều

kiện này thì tỷ số giữa tổng trở thứ tự không (Z0) trên tổng trở thứ tự thuận (Z1) với ϕ1-ϕ0

= 0 (Trường hợp ngắn mạch một pha tính toán trên lý thuyết với điện trở nối đất tại nguồn

bằng không và ngắn mạch trực tiếp) phải có giới hạn nhỏ hơn 5. Với giá trị ϕ1 - ϕ0 ≤ 15o

hoặc 30o xảy ra trong thực thế thì Z0/Z1 không được lớn hơn 3 (ϕ1-ϕ0 là góc lệch pha Z1-

Z0).

c- Đối với các hệ thống lớn, bỏ qua điện trở tác dụng lúc đó theo tiêu chuẩn AIEE

mục 32-1.05 và tiêu chuẩn ANSI C62.92 [2]: Một hệ thống hay một phần của hệ thống

điện áp cao được xem là nối đất hiệu quả khi tất cả các điểm trên hệ thống hay một phần

xác định của hệ thống có tỷ lệ điện kháng thứ tự không (X0) đối với điện kháng thứ tự

thuận của nó (X1) không lớn hơn 3 và tỷ số giữa điện trở thứ tự không (R0) đối với điện

kháng thứ tự thuận (X1) không lớn hơn 1 trong bất kỳ điều kiện vận hành nào với bất kỳ

dung lượng nguồn phát như

thế nào. A

Nhận xét: C

- Ba định nghĩa về hệ

thống nối đất hiệu quả trên,

tuy khác nhau về cách thức

định nghĩa nhưng lại giống

nhau về nội dung; cụ thể là:

khi có sự cố ngắn mạch một

pha, điện áp các pha không bị

Hình 1. Sơ đồ ngắn mạch một pha chạm

đất mạng trung tính nối đất hiệu quả

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008

sự cố tăng không được vượt quá 1,4 lần điện áp pha trước sự cố (≈ 0,8 lần điện áp dây).

- Ngoài ra, định nghĩa b và c cho ta thấy rõ hơn ảnh hưởng của kết cấu lưới khi

xem xét tính hiệu quả của nối đất hệ thống điện thông qua tỷ số Z0/Z1 và góc lệch pha ϕ1 -

ϕ0.

Để xem xét ảnh hưởng của kết cấu lưới đến tính hiệu quả nối đất hệ thống, ta xét

trường hợp ngắn mạch một pha trong lưới nối đất (hình 1):

Khi xảy ra ngắn mạch một pha chạm đất tại điểm N1, thì:

NC = 0; INA = 0; INB = 0

Lúc đó, sử dụng phương pháp thành phần thứ tự ta có:

NCNANBNC IIaIaII

•••••

=++= 2

NCNANBNC IIaIaII

•••••

=++= 2

NCNANBNC IIIII

•••••

=++=

3;0

021 =++=

••••

UUUU C

; ;

••••

−

′′

=ZIEU 22

•••

−= ZIU 00

•••

−= ZIU

Từ đó ta suy ra:

021

021 •••

•

•••

′′

===

ZZZ

III ;

021

•••

•

••

′′

ZZZ

II NCk

)(

021

•••

••

−

′′

ZZZ

ZZaZa

aEU NA (1)

)(

021

•••

••

−

′′

ZZZ

ZZaZa

aEU NB (2)

Với: INA, INB, INC: Dòng điện ngắn mạch của pha A, B, C; I1, I2, I0: Dòng điện thứ

tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không; I”k1: Dòng ngắn mạch chu kỳ ban đầu; UNA, UNB,

UNC: Điện áp của pha A, B, C khi xảy ra ngắn mạch; U1, U2, U0: Điện áp thứ tự thuận, thứ

tự nghịch, thứ tự không; E”: Sức điện động siêu quá độ; a: toán tử thành phần thứ tự.

Ảnh hưởng của tổng trở Z0 đến điện áp các pha khi bị ngắn mạch được thể hiện

bởi đồ thị các quan hệ (1) và (2) theo Z0/Z1 và ϕ1 - ϕ0 [3] (hình 2 và hình 3).

Qua hình 2 và 3 ta thấy:

+ Với Z0 = 0 thì điện áp pha trên hai pha không bị sự cố bằng ".3.5,0 E.

Khi Z0 tiến tới vô cùng (lưới trung tính cách đất), tất cả các đường cong tiệm cận

đến giá trị ".3 E nghĩa là điện áp pha không bị sự cố chạm đất trở nên bằng điện

áp dây.

+ Để khi ngắn mạch một pha chạm đất tỷ số điện áp pha trên các pha

không bị sự cố với điện áp làm việc cực đại cho phép không vượt quá 0,8 (tương

ứng với hệ số quá điện áp 1,4) thì yêu cầu Z0/Z1 ≤ 5 ứng với ϕ1- ϕ0 = 0 và Z0/Z1 ≤

3 ứng với ϕ1- ϕ0 = 30o.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008

3. Ảnh hưởng của dây dẫn trung tính trong mạng nối đất hiệu quả

Để thấy rõ ảnh hưởng của dây trung tính trong mạng nối đất hiệu quả ta xem xét

tổng trở thứ tự không đối với từng kết cấu lưới [3]:

a- Đối với mạng 3 pha 3 dây tổng trở thứ tự không được tính toán theo công thức

+ Đường dây 3 pha 3 dây mạch đơn:

0 = RL+3RE+jω10-4(6ln 32

+0,5μ) (Ω/km/dây dẫn) (3)

Trong đó: δ = 1650

(m) vàRE=

2.10-4(Ω/km) (4)

+ Đường dây 3 pha 3 dây đối xứng hai mạch:

00 =Z0 + ZM0 (Ω/km/dây dẫn/hệ thống hai mạch) (5)

Trong đó: ZM0 là tổng trở tương hỗ thứ tự không của hai mạch.

M0 = 3RE+jω10-4.6ln

(Ω/km)

b- Đối với mạng 3 pha 4 dây tổng trở thứ tự không được tính toán theo công thức

+ Đường dây 3 pha 4 dây mạch đơn:

0E = Z0 - 3

1 (Ω/km/dây dẫn) (6)

Hình 2. Biểu diễn điện áp UA theo điện áp

pha và điện áp dây khi chạm đất một pha

Hình 3. Biểu diễn điện áp UB theo điện áp

pha và điện áp dây khi ngắn mạch một pha

′′

3 A

0.5

1.0

1.5

2.0

0 2 4 6 8

0.5

1.0

1.5

2.0

0 2 4 6 8 1

′′

E”

1 3 5 7

300

600

900

1200

1500

1800

300

600

900

1200

1500 1800

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008

ở đây Z1E tổng trở tương hỗ giữa dây dẫn và dây đất:

1E = RE+jω10-4.2ln

(Ω/km) (7)

và ZE tổng trở thứ tự không của dây đất:

E = RN+ RE+jω10-4.(2ln

+0,5μ) (Ω/km) (8)

+ Đường dây 3 pha 4 dây mạch kép:

00E = Z0E + ZMOE (Ω/km/dây dẫn/hệ thống hai mạch) (9)

Trong đó ZMOE là tổng trở tương hỗ của hai mạch bao gồm cả dây đất.

MOE = ZMO - 3

1 (10)

Trong các công thức trên:

- A =

3132312 aaa ; A’ = 3'3'1'3'2'2'1 aaa ;

- A” =

3'33'22'11 aaa ;AE = 3321 SSS aaa ;AL = 32"' AA ;

- 1, 2, 3 các dây dẫn của mạch I; 1’, 2’, 3’ các dây dẫn của mạch

II; a12, a1S: lần lượt là khoảng cách giữa hai dây dẫn (m), dây dẫn với dây trung

tính (m); rE bán kính dây trung tính;

- R

L, RE, RN: lần lượt là điện trở dây dẫn, đất, dây trung tính

(Ω/km); δ độ dẫn sâu trong đất (m); ρ điện trở suất của đất (Ωm); μ độ từ thẩm

tương đối (1 đối với Cu và Al, 50÷90 đối với thép).

c- Đối với mạng 3 pha 4 dây, một phần dòng thứ tự không đi qua dây trung tính

(dây đất), do đó dòng chạy qua đất bị giảm đi. Hệ số giảm tương ứng bằng:

f = 1 - Z1E/ZE. (11)

Tương tự thành phần dòng thứ tự không chạy qua đất bằng: 1 - f = Z1E/ZE. (12)

Nhận xét:

+ Mạng điện nối đất hiệu quả thì tỷ số Z0/Z1 ≤ 3, mà Z0 phụ thuộc vào: kết cấu đất

(ρ điện trở suất của đất), kết cấu mạng điện (3 pha 3 dây hay 3 pha 4 dây, mạch đơn hay

mạch kép và kích thước dây dẫn trung tính...). Cùng với một kết cấu mạng điện, những

vùng có điện trở suất lớn sẽ có Z0 lớn, tỷ số Z0/Z1 cao, dẫn đến giảm tính hiệu quả của việc

nối đất, tức là cùng với một kết cấu mạng điện có vùng là nối đất hiệu quả, có vùng nối

đất không hiệu quả.

+ Đối với cấu trúc 3 pha 3 dây, khi tải bất đối xứng càng lớn dòng điện trở về qua

điện trở nối đất trạm nguồn càng lớn, dẫn đến mức di trung tính của MBA nguồn 22kV

càng lớn và điện áp giáng trên điện trở nối đất của trạm nguồn càng lớn nên tính không an

toàn đối với con người càng cao.

+ Đối với cấu trúc 3 pha 4 dây, do có dây trung tính kết hợp với các cơ cấu nối đất

lặp lại nên dòng điện trở về qua điện trở nối đất trạm nguồn giảm đi, dẫn đến mức di trung

tính của MBA nguồn 22kV giảm xuống, đồng thời điện áp giáng trên điện trở nối đất trạm

nguồn 22kV giảm xuống, nên tính an toàn đối với con người được nâng cao.

Báo cáo nghiên cứu khoa học: " NGHIÊN CỨU BÁN KÍNH CẤP ĐIỆN HIỆU QUẢ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22KV 3 PHA 3 DÂY VÀ 3 PHA 4 DÂY"

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi