Tính toán phân tích ngắn mạch trong hệ thống điện sử dụng phần mềm ETAP 2

Khóa luận tốt nghiệp SV Lê Văn Đại 13 CHƯƠNG 2 NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2 1 Tổng quan Trong quá trình vận hành, không thể tránh khỏi những hư hỏng trên các phần tử lưới điện trong hệ thống điện Hư hỏng thường xảy ra nhất trên các đường dây truyền tải điện và trong số các hư hỏng này, thường gặp nhất là hư hỏng do sét đánh Ngoài ra các đường dây trên không và thiết bị cột đỡ có thể hư hỏng do gió bão, cây đổ Hầu hết các sự cố này dẫn đến ngắn mạch trong lưới điện Ngay cả trong chế độ của hệ.

SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Tổng quan Trong q trình vận hành, khơng thể tránh khỏi hư hỏng phần tử lưới điện hệ thống điện Hư hỏng thường xảy đường dây truyền tải điện số hư hỏng này, thường gặp hư hỏng sét đánh Ngồi đường dây khơng thiết bị cột đỡ hư hỏng gió bão, đổ … Hầu hết cố dẫn đến ngắn mạch lưới điện Ngay chế độ hệ thống điện thay đổi đột ngột phát sinh q trình q độ điện từ, q trình phát sinh ngắn mạch nguy hiểm Dòng điện ngắn mạch lớn xảy sau thời điểm cố (hay gọi dòng ngắn mạch siêu độ), điện áp giảm xuống (gần không) Nếu không kịp thời thao tác, xử lý nhanh chóng lập điểm ngắn mạch hệ thống chuyển sang chế độ ngắn mạch trì Hậu việc ngắn mạch: -Sự nguy hiểm dòng ngắn mạch lớn chạy lưới điện, dòng lớn nhiều so với dòng phụ tải gây hư hỏng đến thiết bị điện qua -Điện áp giảm đối xứng: làm ảnh hưởng đến phụ tải -Gây ổn định: không cách ly kịp thời phần tử bị ngắn mạch, hệ thống ổn định làm ảnh hưởng đến tính liên tục cung cấp điện Mục đích tính tốn ngắn mạch, tính tốn dịng ngắn mạch nhằm mục đích sau: -Lựa chọn trang thiết bị điện phù hợp, chịu dòng điện thời gian tồn ngắn mạch -Tính tốn hiệu chỉnh thiết bị bảo vệ rơ-le, tự động cắt phần tử bị cố ngắn mạch khỏi hệ thống 13 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp  Các trường hợp ngắn mạch Xác suất Stt Dạng ngắn mạch Hình vẽ quy ước Kí hiệu ngắn mạch 1 pha chạm đất K1 65% pha chạm K2 10% K2E 20% pha chạm chạm đất 14 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp 5% pha chạm K3 Bảng Các dạng ngắn mạch Ý nghĩa Kí hiệu Dịng ngắn mạch Dòng điện ngắn mạch rẽ nhánh dây dẫn đất Bảng 2 Bảng kí hiệu dịng ngắn mạch 2.2 Tính tốn ngắn mạch 2.2.1 Giới thiệu Phần mềm Etap tính tốn ngắn mạch theo hai tiêu chuẩn ANSI/IEEE IEC 60909, phần mềm cho phép người dùng tính tốn dạng ngắn mạch khác (một pha trạm đất, pha trạm nhau, pha trạm trạm đất, pha trạm nhau) theo tiêu chuẩn IEC 60909, IEC 61363, ANSI/IEEE.Trong chương này, giới thiệu kỹ thuật khái niệm mơ hình chi tiết tiêu chuẩn IEC cho tính tốn ngắn mạch 2.2.2 Tính tốn ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC Tiêu chuẩn IEC 60909 giới thiệu nhằm cung cấp hướng dẫn thông tin cần thiết cho công tác kiểm tra thiết bị, khả bảo vệ bảo đảm an toàn cho hệ thống Tiêu chuẩn IEC giải việc tính tốn dịng ngắn mạch cân khơng cân Nhìn chung, dịng ngắn mạch tính sau: - Chọn dòng ngắn mạch cực chọn thiết bị bảo vệ - Dòng ngắn mạch cực tiểu để lựa chọn cầu chì, cài đặt thiết bị bảo vệ 15 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp Dịng ngắn mạch hàm số theo thời gian từ lúc ngắn mạch dòng ngắn mạch bị loại trừ, biến thiên theo giá trị tức thời điện áp thời điểm bắt đầu ngắn mạch Hình Dạng sóng dịng ngắn mạch cố xảy xa máy phát Hình 2 Dạng sóng dịng ngắn mạch cố xảy gần máy phát Trong : Dịng điện ngắn mạch đối xứng ban đầu Dòng ngắn mạch đỉnh Dòng ngắn mạch xác lập Thành phần d.c dòng ngắn mạch Giá trị ban đầu thành phần d.c 16 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp 2.3 Phương pháp tính tốn Tính tốn ngắn mạch thực qua hai phương pháp: 2.3.1Nguồn điện áp tương đương điểm ngắn mạch Trong tất trường hợp mơ tả hình 2.1 2.2 xác định dịng ngắn mạch điểm ngắn mạch F nhờ nguồn điện áp tương đương Các số liệu vận hành phụ tải người tiêu thụ, vị trí đổi nối nấc phân áp máy biến áp, dịng kích từ máy phát v.v khơng cần thiết, tính tốn thêm phụ tải khác phát sinh thời điểm ngắn mạch không cần kể đến Ở nguồn điện áp tương đương nguồn chủ động (tích cực) Tất nguồn cung cấp lưới điện, máy đồng không đồng thay tổng trở bên chúng Hình 2.3 nêu lên ví dụ nguồn điện áp tương đương điểm ngắn mạch F, nguồn điện áp xem điện áp tích cực hệ thống trường hợp hệ thống hạ áp cấp máy biến áp Tất điện áp tích cực khác hệ thống xem không Như nguồn cung cấp lưới điện hình 2.3 biểu thị tổng trở ZQt mà thơi Các tổng dẫn song song (có nghĩa điện dung đường dây phụ tải bị động) không cần xem xét đến tính tốn dịng ngắn mạch hình 2.4 Hình Sơ đồ hệ thống 17 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp Hình Sơ đồ thay (tương đương) hệ thứ tự thuận vị trí ngắn mạch Nguồn điện áp tương đương số điện áp c, điện áp danh định ⁄√ điểm ngắn mạch F cấp hệ hệ thống số √ Hệ số điện áp c có giá trị khác tính dịng ngắn mạch cực đại cực tiểu Hình 2.3 2.4 minh họa cách tính tốn dịng điện ngắn mạch đối xứng ban đầu theo phương pháp nguồn điện áp tương đương Hệ số điện áp cho tính tốn Điện áp danh định Un Hạ áp : 100V đến 1000V (IEC 60038, bảng 1) Dòng ngắn mạch cực đại Dòng ngắn mạch cực tiểu cmax1) cmin 1,053 1,10 0,95 Trung áp : >1kV đến 35kV (IEC 60038, bảng 3) Cao áp 2) 1,10 1,00 >35kV (IEC 60038, bảng 4) cmax Un không vượt điện áp cao Um cho thiết bị hệ thống điện Nếu điện áp danh định không xác định, cmax Un= Um cmin Un= Um nên áp dụng Cho hệ thống hạ áp có độ lệch điện áp +6%, ví dụ hệ thống thay tên từ 380V 18 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp đến 400V Cho hệ thống hạ áp với độ lệch điện áp +10% Bảng Hệ số điện áp c *Chú thích: không vượt điện áp cao thiết bị hệ thống điện 2.3.2 Phương pháp thành phần đối xứng  Ngắn mạch cân Trong trường hợp ngắn mạch ba pha cân hệ thống xoay chiều ba pha bảng mục ví dụ tiêu biểu, loại hình cố thường cho ta dịng ngắn mạch có trị số lớn việc tính tốn trở nên đặc biệt đơn giản tính chất cân Trong lúc tính tốn dịng ngắn mạch ta cần xét đến tổng trở ngắn mạch thứ tự thuận  ( ) nhìn từ điểm ngắn mạch mà thơi Ngắn mạch không cân Tiêu chuẩn khảo sát kiểu ngắn mạch không cân (không đối xứng) sau đây: - Ngắn mạch hai pha không chạm đất - Ngắn mạch hai pha chạm đất - Ngắn mạch pha chạm đất Đối với trường hợp ngắn mạch không cân bằng, pha khơng cịn đối xứng (khác trị số, góc lệch), ta khơng thể tính giá trị pha để suy pha lại trường hợp ngắn mạch ba pha Trong hệ thống ba pha, việc tính tốn trị số dịng ngắn mạch phát sinh ngắn mạch không cân đơn giản hóa phương pháp thành phần đối xứng Phương pháp yêu cầu xác định ba thành phần độc lập hệ thống, tránh móc vịng tổng trở tương hỗ Dùng phương pháp này, dòng điện pha xác định cách xếp chồng dòng điện ba hệ thống thành phần đối xứng: - Dòng thứ tự thuận - Dòng thứ tự nghịch - Dịng thứ tự khơng ( ); ( ); ( ); 19 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp Lấy pha L1 làm hệ tham chiếu, dịng , , tính theo cơng thức: IL1 = I(1) + I(2) + I(0) IL2 = a2 I(1) + a I(2) + I(0) IL3 = a I(1) + a2 I(2) + I(0) Trong : a= √ ; = √ Mỗi trị số ba thành phần đối xứng nói có tổng trở riêng 2.4 Tổng trở hệ số hiệu chỉnh cho phần tử hệ thống điện 2.4.1 Vấn đề chung Trong nguồn hệ thống, máy biến áp, đường dây không, cáp, cuộn kháng ngắn mạch thiết bị khác Tổng trở ngắn mạch thứ tự thuận thứ tự nghịch ( ) ( ) Tổng trở ngắn mạch thứ tự không xác định đường dây, ( ) ( ) ( ) xác định với giả thiết có nguồn điện áp xoay chiều đặt vào dây dẫn song song đường dây tải điện (ví dụ: cấu nối đất, dây trung tính, vỏ cáp đai thép bọc cáp) Trong trường hợp dòng thứ tự không chập ba chạy đường Khi tính dịng ngắn mạch hệ thơng có nhiều mức điện áp khác ta cần phải quy đổi tổng trở, dòng điện điện áp từ mức sang mức khác Tổng trở thiết bị lưới điện xếp chồng lưới tọa độ cần phải chia cho nhân bình phương tỉ số biến đổi định mức 2.4.2 Nguồn hệ thống (network feeder) Nếu tượng ngắn mạch xảy hình 2.5, cấp điện từ lưới mà lưới ta biết công suất ngắn mạch đối xứng ban đầu dòng điện ngắn mạch đối xứng ban đầu điểm đấu nối tuyến dây Q, tổng trở tương đương lưới điện (tổng trở ngắn mạch thứ tự thuận) điểm đấu nối tuyến dây Q xác định bằng: √ 20 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp Nếu tỷ số RQ/XQ biết, XQ tính cách : √ ( ) Hình Trường hợp hệ thống khơng có máy biến áp Hình Trường hợp hệ thống có máy biến áp Nếu tượng ngắn mạch hình 2.6, cấp điện từ máy biến áp lưới trung áp hay cao áp mà lưới ta biết cơng suất ngắn mạch đối xứng ban đầu dòng điện ngắn mạch đối xứng ban đầu điểm đấu nối tuyến dây Q, tổng trở tương đương phía hạ áp máy biến áp xác định cơng thức: 21 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp √ Trong đó: : điện áp danh định hệ thống điểm nối Q tuyến dây : dòng điện ngắn mạch đối xứng ban đầu vị trí điểm nối Q tuyến dây : hệ số điện áp theo điện áp danh định tr : tỷ số biến đổi định mức ứng với vị trí điều áp Trong trường hợp nguồn cấp điện áp cao có điện áp danh định 35 kV cung cấp từ đường dây không, tổng trở tương đương hợp xem điện kháng ( = + jXQ) Trị số công suất ngắn mạch đối xứng ban đầu mạch đối xứng ban đầu số trường dòng điện ngắn phía cao áp máy biến áp cung cấp cho công ty sản xuất Tổng trở ngắn mạch thứ tự không tương đương tuyến dây lưới khơng cần thiết phải tính tốn Tuy nhiên vài trường hợp đặc biệt dùng đến tổng trở 2.4.3 Máy biến áp (transformers) Máy biến áp hai cuộn dây:  Thứ tự thuận Tổng trở ngắn mạch thứ tự thuận máy biến áp hai cuộn dây ZT = RT +jXT tính từ thơng số định mức máy biến áp theo cách sau: √ Trong đó: : điện áp định mức máy biến áp phía cao áp hay phía hạ áp : dịng điện định mức máy biến áp phía cao áp hay phía hạ áp 22 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp : công suất biểu kiến định mức máy biến áp : tổn thất tổng cuộn dây máy biến áp dòng định mức ; : điện áp ngắn mạch định mức, tính theo % : điện áp trở định mức, tính theo % Thành phần điện trở dịng điện định mức  tính từ tổng tổn thất cuộn dây , xem phía máy biến áp Thứ tự nghịch Đối với máy biến áp phần tử tĩnh hệ thống điện thành phần thứ tự nghịch thành phần thứ tự thuận  Thứ tự không Tổng trở thứ tự giá trị hệ thống điện có cuôn dây mắc theo hình điểm trung tính nối đất, trực tiếp bỏ qua điện trở tác dụng kháng trở Tổng trở thứ tự không Z(0)T = R(0)T +jX(0)T thu thơng số từ nhà sản xuất Hình Hệ thống thứ tự khơng theo tổ đấu dây máy biến áp  Hệ số hiệu chỉnh Máy biến áp hệ thống máy biến áp kết nối hai nhiều mạng với điện áp khác Với máy biến áp hai cuộn dây có hay khơng có điều chỉnh nấc phân áp, hệ số điều chỉnh trở kháng KT giới thiệu bên cạnh giá trị tổng trở theo công thức : ZTK =KT ZT với ZT = RT +jXT 23 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp điện kháng tương đối máy biến áp ( ) liên quan đến điện áp danh định hệ thống nối đến phía sơ cấp máy biến áp Hệ số hiệu chỉnh tổng trở áp dụng tổng trở thứ tự thuận nghịch máy biến áp tính tốn dịng ngắn mạch khơng cân Tổng trở ZN điểm đấu máy biến áp đất xem ZN vào hệ thống thứ tự khơng mà khơng có hệ số hiệu chỉnh 2.4.4 Đường dây không cáp (overheat line & cable)  Thứ tự thuận Tổng trở ngắn mạch thứ tự thuận tính từ số liệu dây dẫn, ví dụ tiết diện dây dẫn cự li tâm lõi Ta tính tổng trở thứ tự khơng dây dẫn tỷ số : ( ) / ( ) / ( ) ( ) Điện trở hiệu dụng theo đơn vị chiều dài độ môi trường ( ) đường dây khơng nhiệt C tính từ tiết diện định mức điện trở suất Với: đồng nhôm hợp kim nhôm Trở kháng đơn vị chiều dài XL ’ dây dẫn, giả thiết đảo pha, tính từ cơng thức: ( ) ( ) Trong : √ khoảng cách trung bình hình học dây dẫn 24 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp : bán kính dây dẫn Trong trường hợp dùng cáp bện xoắn, trị số r thay √ , R bán kính bó cáp : số lượng bó dây dẫn (số dây bó) Đối với dây dẫn đơn, n=1 Lấy độ từ thẩm chân khơng, cơng thức = giản lược sau:  Với = 50 Hz, ( ) Với = 60 Hz, ( ) Thứ tự nghịch Tổng trở thứ tự nghịch tổng trở thứ tự thuận đường dây  Thứ tự khơng Ta tính tổng trở thứ tự không dây dẫn tỷ số : ( ) / ( ) ( ) ( ) ( ) / Nếu liệu không cho tỷ số ; ( ) ( ) 2.4.5 Máy phát (generator) Khi tính tốn dịng ngắn mạch đối xứng ban đầu hệ thống cấp trực tiếp từ máy phát mà khơng có thành phần máy biến áp, tổng trở máy phát tính sau : ( Các giá trị sau sử dụng để tìm ) tìm dịng ngắn mạch đỉnh với độ xác chấp nhận : cho máy phát với S cho máy phát với S cho máy phát với Ngoài tượng suy giảm thành phần chiều, hệ số 0,05 , 0,07 0,15 tính đến tượng suy giảm thành phần xoay chiều dòng điện ngắn mạch nửa chu kỳ đầu, sau lúc ngắn mạch xảy Ảnh hưởng sai lệch nhiệt độ vòng dây đến  không xét Thứ tự thuận ( ) ( ( ) 25 ) SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp Trong :  Thứ tự nghịch Tổng trở ngắn mạch thứ tự nghịch máy phát đồng nhân với hệ số : ( ( ) ( ) ( ) ) ( ) Giá trị tổng trở thứ tự nghịch máy phát đồng khác với thứ tự thuận, thơng thường lấy từ sổ tay tra cứu khơng có tính theo cơng thức sau: - Máy phát điện đồng có cuộn cản, đó: ( ) - Máy phát điện đồng khơng có cuộn cản, đó: ( )  Thứ tự khơng Tổng trở máy phát đồng hệ thống thứ tự không, ( ) Nếu máy phát đấu  ( ( ) qua tổng trở nối đất, ( ) áp dụng : ) không áp dụng Hệ số hiệu chỉnh tổng trở máy phát đồng Hệ số hiệu chỉnh tổng trở KG dùng tổng trở ( ) máy phát điện nối trực tiếp vào lưới điện trung áp hạ áp (khơng có máy biến áp tổ hợp với máy phát) 26 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp Hình Dòng ngắn mạch riêng phần máy phát điện nối trực tiếp vào lưới điện Hệ số hiệu chỉnh tính theo cơng thức: Trong : : hệ số điện áp ; : điện áp danh định hệ thống : điện áp định mức máy phát : tổng trở hiệu chỉnh siêu độ máy phát : tổng trở siêu độ máy phát hệ thứ tự thuận tính theo cơng thức : : góc lệch pha √ : trở kháng tương đối siêu độ máy phát liên hệ với tổng trở định mức: ⁄ Hệ số hiệu chỉnh tổng trở tính biểu đồ vận hành máy phát điện qua kích từ bình thường có tính đến điện kháng siêu q độ q độ sức điện động hình 2.9 Hệ số hiệu chỉnh điện áp nguồn tương đương dùng cho cơng thức tính tổng trở siêu q độ √ dùng thay cho điện áp siêu độ sau trở kháng siêu độ máy phát đồng 27 phía SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp Hình Sơ đồ véc tơ máy phát đồng điều kiện định mức 2.4.6 Động (motor)  Động đồng Các động đồng tính máy phát đồng  Động không đồng Những động không đồng lưới hạ áp trung áp cung cấp dòng ngắn mạch cho điểm ngắn mạch Trong trường hợp ngắn mạch ba pha cân bằng, dòng ngắn mạch động không đồng suy giảm nhanh chóng Khơng cần phải quan tâm đến động khơng đồng nhóm động khơng đồng chúng dịng định mức nhỏ xứng ban đầu ngắn mạch dòng ngắn mạch đối tính với điều kiện khơng có động Lượng gia tăng dịng động khơng đồng bỏ qua như: ∑ Trong : ∑ : tổng dịng điện định mức động phạm vi kề cận với điểm ngắn mạch : dòng ngắn mạch điểm ngắn mạch không bị ảnh hưởng động  Thứ tự thuận thứ tự nghịch Tổng trở ZM = RM +jXM động không đồng hệ thứ tự thuận nghịch xác định bằng: √ Trong đó: 28 SV: Lê Văn Đại Khóa luận tốt nghiệp : điện áp định mức động : dịng điện định mức động : cơng suất biểu kiến định mức động : ( ) : thơng số khóa dịng định mức động Nếu tỷ số cho trước: √ ( ) Các số sau dùng với độ xác tương đối: động cao áp = 0,10 với có cơng suất đơi cực = 0,15 với động cao áp có cơng suất = 0,42 với nhóm động hạ áp có cáp nối đơi cực 29 ... dạng ngắn mạch Ý nghĩa Kí hiệu Dịng ngắn mạch Dòng điện ngắn mạch rẽ nhánh dây dẫn đất Bảng 2 Bảng kí hiệu dịng ngắn mạch 2. 2 Tính tốn ngắn mạch 2. 2.1 Giới thiệu Phần mềm Etap tính tốn ngắn mạch. .. 2. 3 Phương pháp tính tốn Tính tốn ngắn mạch thực qua hai phương pháp: 2. 3.1Nguồn điện áp tương đương điểm ngắn mạch Trong tất trường hợp mơ tả hình 2. 1 2. 2 xác định dịng ngắn mạch điểm ngắn mạch. .. trí ngắn mạch Nguồn điện áp tương đương số điện áp c, điện áp danh định ⁄√ điểm ngắn mạch F cấp hệ hệ thống số √ Hệ số điện áp c có giá trị khác tính dịng ngắn mạch cực đại cực tiểu Hình 2. 3 2. 4