Thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008<br /> <br /> <br /> <br /> THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HẠN CHẾ DÒNG NGẮN<br /> MẠCH KIỂU MÁY BIẾN ÁP<br /> AN AUTOMATIC FAULT CURRENT LIMITING DEVICE OF<br /> TRANSFORMER TYPE<br /> <br /> LÊ THÀNH BẮC<br /> Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng<br /> <br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo trình bày về thiết bị tự động hạn chế dòng điện ngắn mạch trong lưới điện<br /> phân phối với cấu trúc cơ bản gồm máy biến áp và tụ điện mắc song song. Các<br /> kết quả nhận được cho thấy rằng khi thay đổi quan hệ giữa trở kháng tụ điện và<br /> máy biến áp sẽ cho phép đảm bảo bất kỳ mức hạn chế yêu cầu nào đối với dòng<br /> ngắn mạch trong lưới điện.<br /> ABSTRACT<br /> This paper presents an automatic fault current limiting device for power<br /> distribution systems. Basic components of the device are a transformer connected<br /> in parallel with a capacitor. The study results show that when the ratio of<br /> transformer impedance and capacitive impedance is changing, it will allow for<br /> limiting any fault current in the power system.<br /> <br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Sự phát triển nhanh chóng của hệ thống tiêu thu năng lượng điện ở nước ta<br /> hiện nay đã và đang dẫn đến làm tăng công suất ngắn mạch trong lưới phân phối<br /> và làm xấu thêm điều kiện làm việc của các thiết bị điện trong chế độ sự cố (tăng<br /> đáng kể dòng đến máy ngắt và máy biến áp lực). Điều đó đưa đến các yêu cầu cao<br /> hơn trong quan hệ điện - động lực học cũng như đối với độ bền nhiệt của mỗi phần<br /> tử thiết bị điện trong hệ thống năng lượng. Đồng thời nó cũng dẫn đến yêu cầu<br /> tăng độ tin cậy đối với các phương pháp chuyển mạch của các thiết bị điện đóng<br /> cắt. Theo dự báo ở Việt Nam trong các lưới phân phối cấp 22 kV thì đầu ra ở<br /> nhiều trạm biến áp 110/22 kV dòng điện ngắn mạch xác lập trong hệ thống sau<br /> trạm có thể tăng hơn đáng kể so với giá trị dòng cắt định mức của máy ngắt và<br /> dòng điện ngắn mạch tính toán của các máy biến áp lực. Nhằm để hạn chế dòng<br /> điện ngắn mạch trong các trường hợp sự cố, hiện nay trên thế giới đang sử dụng<br /> một số phương pháp khác nhau để giải quyết nhiệm vụ này gồm: 1) Nâng cấp các<br /> thiết bị đóng cắt hiện tại hoặc nâng cấp điện áp lưới; 2) Thay đổi cấu trúc lưới như:<br /> tách lưới, tách thanh cái hay áp dụng các biện pháp cắt liên động [2], hai phương<br /> án này đều đưa đến việc thay thế nhiều thiết bị hoặc phải xây dựng thêm một số<br /> đường dây truyền tải để tăng độ đảm bảo đối với mỗi máy phát; 3) Sử dụng thiết bị<br /> <br /> <br /> <br /> 10<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008<br /> <br /> <br /> tự động hạn chế dòng điện ngắn mạch với vật liệu siêu dẫn [3], loại này thiết bị có<br /> cấu trúc là các vật liệu siêu dẫn khi đạt tới giá trị xác định của dòng ngắn mạch sẽ<br /> dẫn đến trạng thái tăng nhanh tổng trở thiết bị so với trạng thái dòng định mức<br /> (cần có thiết bị làm lạnh kèm theo); 4) Sử dụng thiết bị hạn chế dòng điện ngắn<br /> mạch có dạng van bán dẫn kết hợp với điện kháng; 5) Chế tạo và sử dụng các thiết<br /> bị chuyển mạch công suất kiểu mới tác động cực nhanh.<br /> Trong các phương án thiết bị vừa nêu đều có chung một số nhược điểm là:<br /> sơ đồ điều khiển phức tạp, giá thành cao, độ tin cậy thấp.<br /> Bài báo này đưa ra một cấu trúc mới của thiết bị tự động hạn chế dòng<br /> (HCD) với thành phần cơ bản là máy biến áp (BA). Cuộn dây sơ cấp của máy biến<br /> áp được nối vào đường dây song song với tụ điện và cuộn dây thứ cấp nối tới một<br /> công tắc phóng điện (xem hình.1).<br /> С<br /> <br /> <br /> BA<br /> <br /> CT<br /> Hình 1. Sơ đồ một pha nối bộ hạn chế dòng vào đường dây.<br /> Trong chế độ làm việc định mức của đường dây (lưới phân phối) cuộn dây thứ<br /> cấp của biến áp hở mạch nên không tồn tại dòng điện, bởi vậy từ thông toàn bộ sẽ<br /> mắc vòng trong mạch dẫn từ và đồng thời mắc vòng qua toàn bộ các cuộn dây [1].<br /> Lúc này dòng điện trong cuộn dây lưới là rất nhỏ và trở kháng của biến áp lúc này<br /> rất lớn (trở kháng của máy biến áp không tải). Dòng điện qua tụ điện lớn hơn<br /> nhiều lần dòng điện qua cuộn dây sơ cấp của biến áp, giá trị này xác định dòng<br /> điện qua bộ HCD. Tụ điện ở đây được lựa chọn với điều kiện, khi mà dòng điện<br /> trên đường dây định mức thì sụt điện áp trên bộ HCD bằng khoảng 5% giá trị điện<br /> áp pha định mức của đường dây.<br /> 2. Nguyên lý tác động của bộ HCD<br /> Ngắn mạch cuộn dây thứ cấp của biến áp BA khi xảy ra ngắn mạch trong<br /> lưới điện (do công tắc chân không CT phóng điện) dẫn đến tăng từ thông bị đẩy ra<br /> từ trụ giữa vào vùng khoảng cách giữa các cuộn dây [1]. Lúc này trở kháng của<br /> biến áp tự động giảm nhanh (giảm khoảng 2 lần so với giá trị khi làm việc bình<br /> thường) và trở nên ngang bằng với trở kháng của tụ điện. Khi nối song song biến<br /> áp với tụ điện (xem hình.2) điều này dẫn đến tăng rất nhanh trở kháng của bộ<br /> HCD.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 11<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008<br /> <br /> <br /> <br /> С<br /> <br /> <br /> LBA<br /> <br /> Hình.2. Sơ đồ thay thế bộ HCD khi xảy ra ngắn mạch trong lưới điện<br /> Thật vậy, lúc này trở kháng của HCD được xác định theo quan hệ:<br /> X X 1<br /> X HCD  С BA  (1)<br /> X С -X BA 1<br />  ωС<br /> ω  L BA<br /> Ở đây X С và С - trở kháng và điện dung tụ điện của bộ HCD; XBA và<br /> L BA - trở kháng và điện cảm danh định máy biến áp BA của bộ HCD; ω -tần số góc<br /> của dòng điện áp lưới. Từ biểu thức (1) ta thấy rằng khi thay đổi quan hệ giữa trở<br /> kháng cảm của máy biến áp BA với trở kháng dung của tụ điện thì có thể nhận<br /> được giá trị trở kháng yêu cầu bất kỳ nào đó của bộ hạn chế dòng ngắn mạch HCD<br /> 1<br /> từ  đến  hoặc từ ω  LBA đến   . Để hạn chế trị số của dòng điện ngắn<br /> ωС<br /> mạch trong các lưới điện thì bộ hạn chế dòng được điều khiển với phạm vi thay<br /> đổi cần thiết của trở kháng XBA . Khi có lắp đặt bộ hạn chế dòng ngắn mạch trong<br /> hệ thống điện thì dòng điện ngắn mạch 3 pha được xác định với quan hệ sau:<br /> Uф.2 Uф.2<br /> I n.m   (2)<br /> X HT  X HCD X  ωL BA<br /> 1  ω2  LBA  С<br /> T<br /> <br /> <br /> Và giá trị điện áp trên bộ hạn chế dòng được xác định:<br /> Uф.2<br /> U HCD  In.m  X HCD = (3)<br /> X<br /> 1 T<br /> X HCD<br /> Ở đây: XHT - trở kháng của hệ thống điện đến điểm đặt bộ HCD; X Т - trở<br /> kháng của máy biến áp đầu nguồn; X HCD - trở kháng tương đương được thiết lập<br /> của HCD sau khi xảy ra ngắn mạch.<br /> Sau khi cắt dòng điện ngắn mạch dẫn đến làm giảm nhanh giá trị của điện<br /> áp trên bộ hạn chế dòng và cũng dẫn đến giảm nhanh dòng điện qua công tắc<br /> phóng điện (phóng điện chân không) đồng thời tự động phục hồi lại trở kháng ban<br /> đầu của bộ HCD.<br /> <br /> <br /> <br /> 12<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008<br /> <br /> <br /> 3. Ví dụ tính toán<br /> Ta xem xét phương án khi cần hạn chế dòng điện ngắn mạch trong lưới<br /> điện phân phối có máy biến áp nguồn công suất 40 MVA, điện áp 110/22 kV cùng<br /> các thông số trên sơ đồ thay thế hình 3 (giả sử máy ngắt hiện có dòng cắt định mức<br /> 10 kA). Trong chế độ làm việc với tải định mức của máy biến áp thì dòng điện ở<br /> lưới 22 kV là:<br /> Sdm 40000<br /> I2dm    1050А<br /> 3  U2dm 3  22<br /> <br /> T U2<br /> U1<br /> MC<br /> <br /> <br /> <br /> Sdm  40000 kVA<br /> КT  110 kV/22 kV<br /> Un %  10,5%<br /> Pn  200 kw<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ một pha khi ngắn mạch gần trong lưới điện 22 kV<br /> khi không có bộ hạn chế dòng ngắn mạch (HCD).<br /> Trên hình 3 thì: U1 – điện áp dây phía sơ cấp máy biến áp nguồn; U2 – điện<br /> áp dây trên thanh cái đầu ra của máy biến áp nguồn.<br /> Tổng trở của máy biến áp nguồn khi tính tương ứng quy về thứ cấp:<br /> U %  U2dm 10,5  22000<br /> zT  n   1, 27 <br /> 3  Idm 100  3 1050<br /> Điện trở tác dụng của máy biến áp nguồn quy về thứ cấp là:<br /> Pn 200000<br /> RT    0, 06 <br /> 3  I2dm 3 10502<br /> 2<br /> <br /> <br /> Trở kháng cảm của máy biến áp tương ứng quy về thứ cấp:<br /> X T = z T2 -R T2  1, 27 2  0, 062  1, 27 <br /> Ở đây thì Sdm - là công suất định mức của máy biến áp nguồn; U n % - điện<br /> áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp nguồn; U1dm và U 2dm - điện áp dây sơ và<br /> thứ cấp định mức của máy biến áp nguồn; Pn - công suất ngắn mạch của máy biến<br /> áp nguồn.<br /> <br /> <br /> 13<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008<br /> <br /> <br /> Khi không có bộ HCD thì trị dòng ngắn mạch một pha bằng:<br /> U2dm 22 103<br /> In.m.0    10 kA<br /> 3  zT 3 1, 27<br /> Và dòng điện ngắn mạch xung kích [5] bằng:<br /> 0,01<br /> <br /> In.m.xk  (1  e Tа<br /> ) 2  In.m.0  27 kA<br /> Trong đó hằng số thời gian suy giảm của thành phần dòng không tuần hoàn<br /> được tạo ra bằng:<br /> XT 1,27<br /> Ta    0,067 s<br /> ω  RT 100    0,06<br /> Với trị số dòng ngắn mạch như trên thì máy ngắt đang lắp đặt không đảm<br /> bảo độ tin cậy làm việc, cần thiết phải thay thế máy ngắt mới hoặc tìm cách hạn<br /> chế dòng ngắn mạch xuống dưới 80 % dòng cắt định mức của máy ngắt. Nếu như<br /> lắp đặt bộ hạn chế dòng trên đường dây (xem hình.3), thì cần thiết phải lựa chọn<br /> các thông số của bộ HCD như thế nào đó để bộ HCD không gây ảnh hưởng xấu<br /> trong chế độ làm việc bình thường của đường dây truyền tải..<br /> <br /> U1 T MC С<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Sdm  40000 kVA<br /> BA<br /> КT  110 kV/22 kV<br /> Un %  10,5%<br /> Pn  200 kw UCT<br /> Hình.3. Sơ đồ một pha khi ngắn mạch<br /> trong lưới điện có lắp bộ hạn chế dòng HCD.<br /> Trong chế độ làm việc bình thường thì dòng điện chính chỉ chảy qua điện<br /> dung của bộ HCD, trong cuộn dây lưới của biến áp BA thì thực tế dòng điện<br /> không chảy qua, bởi vì trong cuộn thứ cấp của biến áp BA đã hở mạch nên trở<br /> kháng của nó vô cùng lớn. Bởi vậy HCD không có ảnh hưởng gì đến chế độ làm<br /> việc định mức của đường dây truyền tải, ngược lại tụ mắc nối tiếp sẽ đóng vai trò<br /> như tụ bù dọc làm giảm trở kháng đường dây, cải thiện thêm chế độ làm việc của<br /> lưới. Sụt điện áp trên tụ điện trong chế độ làm việc bình thường vào khoảng 5%<br /> giá trị của điện áp Uф, khi này thì giá trị của điện dung được tính như sau:<br /> <br /> <br /> <br /> 14<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008<br /> <br /> <br /> <br /> Idm 1050  3<br /> С   0,0053 F<br /> 0,05  Uф  ω 0,05  22 103  ω<br /> Công tắc chân không với điện áp phóng điện trong khoảng cách chân<br /> không của nó Uphóng. ngang với khoảng 3 kV. Như vậy thì trong chế độ làm việc<br /> bình thường của đường dây truyền tải thì công tắc chân không này không làm việc,<br /> biên độ của điện áp định mức trên khoảng cách phóng điện cần phải nhỏ hơn điện<br /> áp xuyên thủng, trong trường hợp này nhận:<br /> UCT.dm  1,5 kV<br /> Bởi vậy đến thời điểm ngắn mạch thì xung điện áp trên khe hở phóng điện<br /> (trên cuộn dây điều khiển) tạo ra bằng 1,5 kV và khi đạt đến điện áp xuyên thủng<br /> trên công tắc chân không sau thời điểm ngắn mạch thì cuộn dây thứ cấp của biến<br /> áp BA lúc này bị ngắn mạch và tương ứng điện áp trên chúng giảm nhanh về 0.<br /> Khi ở đây sẽ nhanh chóng giảm trở kháng của biến áp BA và làm tăng<br /> nhanh chóng trở kháng của bộ hạn chế dòng ngắn mạch XHCD.<br /> Khi lắp đặt bộ HCD thì giá trị của dòng điện ngắn mạch:<br /> U2dm U2dm<br /> In.m.HCD   (4)<br /> 3  (R T +R HCD )2  (XТ  XHCD )2 3  XТ  XHCD<br /> Và mức hạn chế dòng ngắn mạch là:<br /> In.m.HCD XТ<br /> β  (5)<br /> In.m.0 XТ  XHCD<br /> XT<br /> Hay: XHCD= -XT<br /> β<br /> Đối với mỗi phương án khi cần mức hạn chế dòng điện ngắn mạch khác<br /> nhau có thể tính toán giá trị của trở kháng bộ hạn chế dòng X HCD tương ứng với<br /> trở kháng cảm của biến áp BA là XBA khi ngắn mạch cuộn thứ cấp với quan hệ<br /> X BA<br /> (xem bảng 1).<br /> Xс<br /> Khi đòi hỏi tăng cao mức hạn chế dòng điện ngắn mạch thì điện áp cực đại<br /> trên tụ điện sẽ rất lớn (xem bảng 1), điều đó đòi hỏi tăng cao điện áp định mức của<br /> tụ điện khi thiết kế và sẽ làm tăng giá thành bộ HCD. Bởi vậy hợp lý hơn sẽ là<br /> chọn bộ HCD để mức hạn chế dòng ngắn mạch tương đối nhỏ ( β cỡ 0,7 đến 0,8),<br /> khi đó giảm bớt mức tăng cao của điện áp trên tụ.<br /> Các kết quả nhận được trong bảng 1 chứng tỏ rằng tương ứng với sự lựa<br /> chọn quan hệ trở kháng nối song song của tụ điện và biến áp BA có thể bảo đảm<br /> mức hạn chế dòng điện ngắn mạch cần thiết bất kỳ trong lưới điện phân phối.<br /> <br /> <br /> 15<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008<br /> <br /> <br /> Nhưng mức hạn chế của dòng ngắn mạch càng lớn thì càng làm tăng lớn hơn điện<br /> áp trên bộ hạn chế dòng được lắp đặt.<br /> Bảng 1. Sự phụ thuộc của trở kháng và sụt áp trên bộ HCD vào mức hạn chế dòng<br /> Mức hạn chế dòng ngắn mạch ( β ) 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9<br /> Trở kháng của bộ hạn chế dòng<br /> ∞ 5,08 2,96 1,91 1,27 0,85 0,54 0,32 0,14<br /> (HCD)- XHCD [  ]<br /> Trở kháng của biến áp XBA [  ] 0,6 0,537 0,499 0,457 0,407 0,352 0,284 0,209 0,114<br /> X BA<br /> Quan hệ tỷ số 1 0,895 0,832 0,762 0,678 0,587 0,473 0,348 0,189<br /> Xс<br /> Điện áp cực đại trên HCD Uс.max<br /> 22,0 10,16 8,88 7,64 6,35 5,1 3,78 2,56 1,26<br /> [kV]<br /> <br /> 4. Kết luận<br /> Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch vừa trình bày có cấu trúc đơn giản, trên cơ<br /> sở nguyên lý máy biến áp với độ tin cậy làm việc cao, bảo đảm hạn chế dòng điện<br /> ngắn mạch trong lưới điện một cách hiệu quả. Trong chế độ làm việc bình thường<br /> thì bộ hạn chế dòng loại này có vai trò như tụ bù dọc làm tăng thêm độ tin cậy làm<br /> việc của lưới điện. Đồng thời cho thấy rằng có thể thiết kế thiết bị hạn chế dòng<br /> ngắn mạch cho phép bảo đảm với bất kỳ mức hạn chế dòng ngắn mạch yêu cầu<br /> nào với cấp điện áp lưới bất kỳ. Tuy nhiên khi mức hạn chế dòng ngắn mạch càng<br /> lớn thì sẽ làm tăng điện áp trên thiết bị hạn chế dòng và dẫn đến làm tăng giá thành<br /> của nó. Nghiên cứu thiết kế, sản xuất và lắp đặt thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch<br /> vừa nêu vào hệ thống điện nước ta hoàn toàn là phương án khả thi và thực sự là<br /> yêu cầu cần thiết để bảo đảm độ tin cậy và kinh tế trong hệ thống phân phối điện<br /> hiện nay.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] Lê Thành Bắc, Lê Kim Hùng, Alexandrop G. N., Nghiên cứu đặc tính từ trường của<br /> các máy biến áp công suất lớn, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số<br /> 1 năm 2008.<br /> [2] Yang Jie, Chen Xi Ying, Shao Jian Xiong, Analysis of Short Circuit Current Level of<br /> Three Gorges Hydroelectric Power Plant And Limiting Measures, Design Institute of<br /> Yangtze River Resource Commission, Wuhan 430010 China, Power System<br /> Technology, 1997 №: 7.<br /> [3] Vladimir Sokolovsky, Victor Meerovich, Istvan Vajda et al. Superconducting FCL:<br /> design and application. IEEE Trans. Application Superconduct, 2003, 13 (6): 2112-<br /> 2115.<br /> [4] Александров Г.Н., Смоловик С.В, Переходные процессы в сетях с резонансным<br /> токоограничивающим устройством, Электричество PAH, 2002, № 1.<br /> [5] Крючков И.П., Неклепаев Б.Н., Старшинов В.А., Пираторов М.В., Гусев Ю.П.,<br /> Пойдо А.И., Жуков В.В., Монаков В.К., Кузнецов Ю.П., Расчет коротких<br /> замыканий и выбор электрооборудования, Учеб. Пособие для студ. высш. учеб.<br /> Заведений, М., Издательский центр «Академия», 2005 г.<br /> <br /> <br /> 16<br />