Nghiên cứu ảnh hưởng điện áp ngắn mạch của máy biến áp và công suất ngắn mạch của hệ thống điện đến dòng điện ngắn mạch

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng điện áp ngắn mạch của máy biến áp và công suất ngắn mạch của hệ thống điện đến dòng điện ngắn mạch đề xuất xây dựng một họ đường đặc tính ngắn mạch phụ thuộc vào hai thông số chính trong lưới điện liên quan đến máy biến áp và hệ thống vô cùng lớn. Các đường đặc tính được xây dựng cho nhiều dạng ngắn mạch khác nhau theo hai bài toán đề xuất.

Lê Chí Nhu, Hồ Thanh Phong, Lê Thị Tịnh Minh 70 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐIỆN ÁP NGẮN MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP VÀ CÔNG SUẤT NGẮN MẠCH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ĐẾN DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH EFFECTS OF TRANSFORMERS’ SHORT-CIRCUIT VOLTAGES AND SHORT-CIRCUIT POWERS OF THE GRID EQUIVALENT ON SHORT-CIRCUIT CURRENT Lê Chí Nhu1, Hồ Thanh Phong1, Lê Thị Tịnh Minh2 Sinh viên Lớp 12D1, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; lechinhu@gmail.com, phong19932001@gmail.com, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; lethi.tinhminh@gmail.com Tóm tắt - Trong hệ thống điện,tình trạng nguy hiểm q trình q độ điện từ tượng ngắn mạch Khi xảy ngắn mạch, tổng trở hệ thống điện giảm, dòng điện tăng lên, điện áp giảm xuống, dẫn đến hậu nghiêm trọng lưới điện Tính tốn dịng ngắn mạch có vai trị quan trọng việc chọn thơng số thiết bị, chỉnh định bảo vệ phương thức vận hành lưới điện Bài báo đề xuất xây dựng họ đường đặc tính ngắn mạch phụ thuộc vào hai thơng số lưới điện liên quan đến máy biến áp hệ thống vô lớn Các đường đặc tính xây dựng cho nhiều dạng ngắn mạch khác theo hai tốn đề xuất Theo đó, báo xây dựng giao diện người dùng trực quan đơn giản MATLAB-GUIDE thể kết Với đường đặc tính ngắn mạch thu được, giá trị dịng ngắn mạch sử dụng để phân tích lựa chọn thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (FCL) trạm Abstract - In power systems, the most dangerous condition in the electromagnetic transients is the short circuit When short circuit occurs, circuit impedance falls, the current increases and the voltage drops These changes cause dangerous consequences to the grid So short circuit current calculations play an important role in choosing the apparatus, relay protection regulation and the operation mode of grid This article proposes building a system of short-circuit curves depending on two major parameters related to the transformer and the power grid equivalent These curves are valued for different types of short circuits and depend on transformer types and the scale of the grid equivalent in two topology networks proposed Accordingly, a simple intuitive user interface in MATLAB-GUIDE is represented With these shortcircuit curves given, the short-circuit currents are used to analyze and select fault current limiter (FCL) devices in substations Từ khóa - điện áp ngắn mạch; cơng suất ngắn mạch; phương pháp tính gần hệ đơn vị tương đối; hệ thống vô lớn; thứ tự thuận; thứ tự nghịch; thứ tự khơng; thiết bị hạn chế dịng ngắn mạch Key words - short-circuit voltage; short-circuit power; approximate calculation method in relative unit system; extremely large system; the positive sequence, negative sequence and zero sequence; fault current limiter Đặt vấn đề Khi có thay đổi đột biến chế độ làm việc bình thường hệ thống điện, phát sinh dao động điện từ dao động điện liên quan đến biến đổi dòng điện, điện áp, từ thông, mô-men quay, … [2] Những tượng gọi chung trình độ hệ thống điện, thể đáp ứng hệ thống chuyển từ chế độ làm việc xác lập sang chế độ làm việc xác lập khác Ngắn mạch xảy tượng chạm chập pha, pha dây trung tính, hay pha với đất khơng thuộc chế độ làm việc bình thường Trong hệ thống có trung tính nối đất chạm chập pha hay nhiều pha với đất gọi ngắn mạch Tuy nhiên, hệ thống có trung tính cách điện hay nối đất qua thiết bị khác, tượng chạm chập pha với đất gọi chạm đất [1] Khi phát sinh ngắn mạch, gây hư hỏng khí cụ điện mà cịn gây ổn định hệ thống điện gián đoạn việc cung cấp điện Vì vậy, dịng ngắn mạch dùng để tính chọn thiết bị chỉnh định hệ thống bảo vệ rơ le, kiểm tra ổn định nhiệt ổn định động, hay dùng để kiểm tra khả cắt máy cắt [3] Trong thực tế thường xảy dạng ngắn mạch Bảng Bảng Xác suất xảy ngắn mạch [1] Dạng ngắn mạch Xác suất xảy % pha pha 10 pha - đất 20 pha 65 Số liệu Bảng cho thấy, cố ngắn mạch thường xảy dạng ngắn mạch pha, cố xảy dạng ngắn mạch pha Trong tính tốn ngắn mạch cho thấy rằng, có dịng điện ngắn mạch pha pha lớn dòng điện ngắn mạch pha Nhưng tính tốn chọn khí cụ điện, người ta thường sử dụng dòng ngắn mạch pha đối xứng, cố nguy hiểm [3] Trên sở lí thuyết, có nhiều yếu tố làm thay đổi giá trị dòng ngắn mạch chế độ làm việc lưới điện, giá trị điện kháng,… Ở ta nghiên cứu ảnh hưởng điện áp ngắn mạch (Ukr%) máy biến áp cơng suất ngắn mạch (Sk”) hệ thống đến dịng điện ngắn mạch Để từ xây dựng họ đường đặc tính đánh giá dịng điện ngắn mạch, giúp hỗ trợ việc tính chọn thơng số thiết bị đảm bảo yêu cầu kỹ thuật kinh tế: • Xét mặt kỹ thuật: Nâng cao độ tin cậy, an tồn thiết bị đóng/cắt, bảo vệ hệ thống điện ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển • Xét mặt kinh tế: Với thơng số thiết bị nhỏ hơn, tiết kiệm tiền đầu tư thiết bị Bài báo chia thành phần Sau đặt vấn đề Phần 1, vài khái niệm dòng ngắn mạch giới thiệu Phần Phần nêu yếu tố ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch, mà trọng tâm công suất ngắn mạch hệ thống điện áp ngắn mạch máy biến áp Phần đề xuất toán mẫu thực tính tốn ngắn mạch, xây dựng họ đường đặc tính dịng ngắn mạch yếu tố liên quan Phần đưa đánh giá từ kết toán mẫu, đồng thời xây dựng giao diện người dùng trực quan thể kết đạt Kết thúc báo phần kết luận kiến nghị Một số khái niệm dòng ngắn mạch [4] Dòng điện ngắn mạch xảy mô tả thành phần: thành phần chu kỳ (Iac) thành phần phi chu kỳ (Idc) Hình [1] 71 khơng đủ nhanh để loại trừ dịng điện này, thiết bị thiết kế để chịu dịng điện ngắn mạch Ip [5] • Dịng ngắn mạch xác lập (Ik) [6]: Là giá trị dòng điện ngắn mạch sau xảy trình độ Giá trị dòng ngắn mạch xác lập cực đại xác định công thức sau: 𝐼𝑘𝑚𝑎𝑥 = 𝜆𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑟𝐺 (5) Trong 𝜆𝑚𝑎𝑥 hệ số tra từ đồ thị nguồn ngắn mạch xác lập Khi có cố xa máy phát 𝐼𝑘 = 𝐼𝑘 " • Dòng cắt ngắn mạch (Ib): Khi ngắn mạch xa máy phát, dòng điện ngắn mạch Ib giả định Ik” (𝐼𝑏 = 𝐼𝑘" ) Khi ngắn mạch gần máy phát, dòng cắt ngắn mạch xác định [6]: + Đối với máy điện đồng bộ: 𝐼𝑏 = µ𝐼𝑘" + Đối với máy điện không đồng bộ: 𝐼𝑏 = µ𝑞𝐼𝑘" Trong đó: - µ= 𝐼𝑘" 𝐼𝑟𝐺 với IrG dịng định mức máy điện đồng - Hình Đường cong dịng điện ngắn mạch • Dịng ngắn mạch chu kỳ (iac): Dao động với chu kỳ không đổi Khi có cố gần máy phát, máy phát xảy trình độ điện từ, sức điện động kháng điện máy phát thay đổi theo, biên độ dịng chu kỳ thay đổi giảm dần theo thời gian đến giá trị xác lập Ik Khi cố xảy xa máy phát nguồn có cơng suất vơ lớn biên độ 𝐼𝑎𝑐 = 𝐼𝑘 [1] • Dịng tự phi chu kỳ (idc): Có biên độ tắt dần theo thời gian Giá trị idc xác định giá trị trung bình điểm đỉnh đáy đường cong ngắn mạch Công thức:𝑖𝑑𝑐 = √2 𝐼𝑘" 𝑒 −2𝜋𝑓𝑡𝑅/𝑋 (1) Từ công thức (1) cho thấy 𝑖𝑑𝑐 phụ thuộc vào tỉ lệ R/X, dòng ngắn mạch siêu độ ban đầu Ik”, tần số, thời gian Trong đó, R, X phần thực phần ảo tổng trở ngắn mạch hệ thống điện [6] • Dịng ngắn mạch siêu q độ ban đầu (Ik’’): Là trị hiệu dụng dòng chu kỳ chu kỳ xảy ngắn mạch 𝐼𝑘 ′′ = 𝐼𝑎𝑐0+ (2) √2 • Dịng ngắn mạch xung kích (Ip): Được xác định giá trị tức thời lớn dòng điện ngắn mạch Cơng thức: 𝐼𝑝 = 𝑘√2𝐼𝑘" (3) −𝑅/𝑋 Trong đó: 𝑘 = 1.02 + 0.98𝑒 (4) Như vậy, giá trị Ip phụ thuộc vào hệ số k Ik”, mà k lại phụ thuộc vào tỉ lệ R/X Những máy cắt thông thường q= 𝑃𝑟𝑀 𝑝 với p số cặp cực, PrM công suất tác dụng định mức máy điện khơng đồng Dịng ngắn mạch siêu q độ ban đầu (I k’’) dòng ngắn mạch xác lập (Ik) gây tổn thất lớn dẫn đến trạng thái nhiệt Sự tải xảy phụ thuộc vào thời gian xảy cố ngắn mạch, thiết bị bảo vệ loại trừ cố nhanh giảm hậu dòng ngắn mạch gây [5] Những nhân tố ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch Trong tính tốn ngắn mạch, thực tính tốn giá trị dịng siêu q độ ban đầu (Ik”) hệ đơn vị tương đối dựa công thức [1]: "(𝑛) 𝐼𝐾 = 𝐸𝛴 𝑗.(𝑋1𝛴 +𝑋𝑖 ) ∗ 𝑚(𝑛) (6) Hệ số m, n phụ thuộc vào dạng ngắn mạch: - Khi N(3) Xi = 𝑚(3) = - Khi N(2) Xi = X2𝛴 𝑚(2) = √3 - Khi N(1) Xi = X2𝛴+ X0𝛴 𝑚(1) = - Khi N(1,1) Xi = X2𝛴// X0𝛴 𝑚(1,1) = √3 ∗ √1 − 𝑋2𝛴 ∗𝑋0𝛴 (𝑋2𝛴+𝑋0𝛴 )2 Trong đó:X1, X2𝛴, X0𝛴 điện kháng TTT, TTN, TTK Điện kháng ngắn mạch (𝑋𝛴 = 𝑋1𝛴 + 𝑋𝑖 ): Có ảnh hưởng lớn đến giá trị dòng ngắn mạch 𝑋𝛴 bao gồm điện kháng ngắn mạch thành phần làm việc hệ thống điện, giá trị thành phần điện kháng ngắn mạch tính dựa thơng số sau: - Điện kháng siêu độ xd máy phát - Điện áp ngắn mạch Ukr% máy biến áp - Công suất ngắn mạch Sk” hệ thống - Điện kháng x% kháng điện - Điện kháng đơn vị xo đường dây Lê Chí Nhu, Hồ Thanh Phong, Lê Thị Tịnh Minh 72 Ngồi cịn có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến điện kháng ngắn mạch Ở báo này, ý đến điện áp ngắn mạch Ukr% công suất ngắn mạch Sk” • Cơng suất ngắn mạch (Sk”) đại lượng quy ước đánh giá quy mô nguồn cơng suất vơ lớn Trong đó, nguồn cơng suất vơ lớn mơ hình thay tương đương phần lưới điện, cho ảnh hưởng đến điểm xảy cố hệ thống Sự thay cho phép việc tính tốn cố đơn giản, nhanh chóng mà đảm bảo độ sai số cho phép Điều kiện để đạt thay tương đương sơ đồ thay tính tốn giá trị điện áp tần số nút nguồn công suất vô lớn không đổi Khái niệm công suất ngắn mạch định nghĩa tồn lượng cơng suất hệ thống vô lớn đổ điểm ngắn mạch nút thay Hình Trong sơ đồ thay tính tốn, nguồn cơng suất vơ lớn biểu diễn nguồn điện ký hiệu EH điện kháng XH Hình Hệ thống vơ lớn điểm ngắn mạch N1 Công suất ngắn mạch (Sk”) vào thời điểm t đại lượng quy ước tính theo dịng ngắn mạch Ik”(t) vào thời điểm t trình độ điện áp trung bình Un đoạn tính dịng ngắn mạch: 𝑆𝑘" (𝑡) = √3 𝐼𝑘" (𝑡) 𝑈𝑛 (7) Trong Ik” dòng ngắn mạch điểm N1 (ngắn mạch phía nguồn cơng suất VCL Hình 2) Cơng suất ngắn mạch (Sk”) dùng để chọn hay kiểm tra máy cắt, lúc t thời điểm mà tiếp điểm máy cắt mở Cơng suất bé công suất đặc trưng cho khả cắt máy cắt (cơng suất cắt định mức) [1] Ngồi ra, biết công suất ngắn mạch Sk” hệ thống cung cấp cho điểm ngắn mạch, tính điện kháng hệ thống XH điểm ngắn mạch Trong hệ đơn vị tương đối, XH tính theo cơng thức: 𝑋𝐻 = 𝑆𝑐𝑏 (8) 𝑆𝑘" Từ cơng thức (8) cho thấy Sk” có mối liên hệ với XH Do tính tốn ngắn mạch, giá trị Sk” có ảnh hưởng đến dịng điện ngắn mạch • Điện áp ngắn mạch (Ukr%) máy biến áp: Là giá trị điện áp % đo cho ngắn mạch phía thứ cấp máy biến áp dịng điện sơ cấp định mức Khi biết giá trị Ukr% tính điện kháng ngắn mạch máy biến áp (XT) Trong hệ đơn vị tương đối, điện kháng ngắn mạch máy biến áp tính theo công thức [1]: 𝑋𝑇 = 𝑈𝑘𝑟 % 𝑆𝑐𝑏 100 𝑆𝑟𝑇 Phần làm rõ ảnh hưởng công suất ngắn mạch Sk” điện áp ngắn mạch Ukr% dòng ngắn mạch Ik” dựa toán mẫu Các toán mẫu xét đến công suất ngắn mạch hệ thống điện áp ngắn mạch máy biến áp Hai toán đưa ứng với hai cấu hình sơ đồ lưới điện từ đơn giản đến phức tạp Bài toán đặc trưng cho sơ đồ tổng quát lưới điện bao gồm phần tử là: nguồn điện, đường dây máy biến áp Tiếp theo, toán tổng quát xây dựng dựa sở toán kết nối thêm với lưới điện khu vực Trong đó, mơ hình tính toán lưới điện khu vực bao gồm phần tử toán Kết từ hai tốn phục vụ việc đánh giá trị giá trị dịng điện ngắn mạch theo hai thơng số Sk” Ukr% Từ đó, xây dựng họ đường cong dịng điện ngắn mạch ứng với tốn, đồng thời đưa giải pháp kiến nghị hữu ích 4.1 Bài tốn Xét cố cho mạch điện đơn giản gồm hệ thống vô lớn,1 đường dây, máy biến áp Hình Xem xét phụ thuộc giá trị dòng ngắn mạch đến công suất ngắn mạch điện áp ngắn mạch máy biến áp theo dạng ngắn mạch khác Hình Sơ đồ tốn Sơ đồ Hình biến đổi dạng sơ đồ thay với thông số EH, XH, XD, XT Hình Sơ đồ thay tốn Từ cơng thức (6), ta tính biểu thức dịng điện ngắn mạch hệ đơn vị tương đối theo dạng ngắn mạch sau: • Khi ngắn mạch đối xứng (ngắn mạch pha): "(3) 𝐼𝐾 𝐸𝐻 𝑿𝑯 +𝑋𝐷 +𝑿𝑻 (10) • Khi ngắn mạch khơng đối xứng, để đơn giản hóa việc tính tốn, cho phép kháng điện thứ tự nghịch kháng điện thứ tự thuận Biểu thức dạng dòng điện ngắn mạch không đối xứng khác sau: + Ngắn mạch pha (khơng có thành phần thứ tự không): "(2) 𝐼𝐾 = √3𝐸𝐻 2(𝑿𝑯 +𝑋𝐷 +𝑿𝑻 ) (11) + Ngắn mạch pha (có thành phần thứ tự không): Giá trị điện kháng TTK lại phụ thuộc chủ yếu vào chế độ làm việc điểm trung tính tổ nối dây máy biến áp Dịng điện ngắn mạch pha tính theo cơng thức: "(1) (9) Từ công thức (9) cho thấy, giá trị Ukr% thay đổi giá trị XT thay đổi = 𝐼𝐾 - = 3𝐸𝐻 𝑋1𝛴+𝑋2𝛴 +𝑋0𝛴 (12) Đối với máy biến áp nối Y0/Y0 (với X0H = XH, X0D = 4XD, X0T = XT) [1]: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển 73 Trong đó, máy biến áp bố trí mạch đường dây có thơng số giống Ở tốn tổng qt, tập trung đến hai thơng số S k” hệ thống VCL Ukr% máy biến áp T Hình Sơ đồ điện kháng TTK Từ sơ đồ điện kháng TTK Hình 5, dịng điện ngắn mạch pha tính sau: "(1) 𝐼𝐾 - = 𝐸𝐻 (13) 𝑿𝑯 +2𝑋𝐷 +𝑿𝑻 Đối với máy biến áp nối Y0/Δ (với X0T = XT): Hình Sơ đồ điện kháng TTK Từ sơ đồ điện kháng TTK Hình 6, dịng điện ngắn mạch pha tính sau: "(1) 𝐼𝐾 = 3𝐸𝐻 + Ngắn mạch pha chạm đất (có dịng thứ tự khơng), "(1,1) giá trị 𝐼𝐾 tính theo cơng thức sau: "(1,1) 𝐼𝐾 - = Hình Sơ đồ hệ thống tốn tổng quát (14) 2𝑿𝑯 +2𝑋𝐷 +3𝑿𝑻 𝑋2𝛴 𝑋0𝛴 (𝑋2𝛴 +𝑋0𝛴 )2 𝑋 𝑋 𝑋1𝛴+ 2𝛴 0𝛴 𝑋2𝛴 +𝑋0𝛴 √3𝐸𝐻 √1− (15) Q trình tính tốn thực tương tự tốn với mục đích đưa biểu thức dòng ngắn mạch phụ thuộc vào hai giá trị tương ứng XH XT Sơ đồ thay tính tốn thể biến đổi Hình 8: Đối với máy biến áp nối Y0/Y0, để đơn giản công thức, đặt hệ số: 𝐴 = 6𝑋𝐻 + 15𝑋𝐷 𝐵 = 3(𝑋𝐻 + 5𝑋𝐻 𝑋𝐷 + 7𝑋𝐷 ) 𝐴′ = 6𝑋𝑇 + 15𝑋𝐷 𝐵′ = 3(𝑋𝑇 + 5𝑋𝑇 𝑋𝐷 + 7𝑋𝐷 ) 𝐶 = 6(𝑋𝐻 + 2𝑋𝐷 ) 𝐷 = 3(𝑋𝐻 + 4𝑋𝐻 𝑋𝐷 + 3𝑋𝐷 ) 𝐶′ = 6(𝑋𝑇 + 2𝑋𝐷 ) 𝐷′ = 3(𝑋𝑇 + 4𝑋𝑇 𝑋𝐷 + 3𝑋𝐷 ) Khai triển thay hệ số vào công thức (15), ta biểu thức dòng ngắn mạch pha chạm đất theo ẩn XT XH: "(1,1) 𝐼𝐾 "(1,1) 𝐼𝐾 - = = √3𝐸𝐻 √3𝑿𝑻 +𝐴𝑿𝑻 +𝐵 3𝑿𝑻 +𝐶𝑿𝑻 +𝐷 √3𝐸𝐻 √3𝑿𝑯 +𝐴′ 𝑿𝑯 +𝐵′ 3𝑿𝑯 +𝐶 ′𝑿𝑯 +𝐷′ (16) (17) Đối với máy biến áp nối Y0/Δ, đặt hệ số: Hình Sơ đồ thay TTT toán tổng quát 𝐿 = 𝑋𝐻 + 𝑋𝐷 Theo sơ đồ thay Hình 8: 𝑀 = 3𝑋𝑇 + 2𝑋𝐷 𝑋1 = 𝑿𝑯 + 𝑿𝑻 + 𝑋𝐷 𝑁 = 3𝑋𝑇 + 3𝑋𝑇 𝑋𝐷 + 𝑋𝐷 𝑋3 = 𝑃 = 2𝑋𝑇 + 𝑋𝐷 Biểu thức dòng ngắn mạch pha chạm đất theo ẩn XT XH: "(1,1) "(1,1) 𝐼𝐾 = = √3𝐸𝐻 √3𝑿𝑻 +3𝐿𝑿𝑻 +𝐿2 3𝑿𝑻 +4𝐿𝑿𝑻 +𝐿2 √3𝐸𝐻 √𝑿𝑯 +𝑀𝑿𝑯 +𝑁 𝑿𝑯 +2𝑃𝑿𝑯 +𝑄 + 𝑋𝐹22 + 𝑋𝐷2 𝑋4 = 𝑋𝑇12 𝑋𝑇32 + + 𝑋𝐹12 𝑋𝐹32 + 𝑋𝐷1 + 𝑋𝐷3 Sơ đồ điện kháng thứ tự khơng thể Hình 9: 𝑄 = 2𝑋𝑇 + 2𝑋𝑇 𝑋𝐷 𝐼𝐾 𝑋𝑇22 𝑋2 = (18) (19) 4.2 Bài toán tổng quát Sơ đồ lưới điện tốn tổng qt đưa Hình Lê Chí Nhu, Hồ Thanh Phong, Lê Thị Tịnh Minh 74 Hình Sơ đồ thay TTK tốn tổng quát Từ sơ đồ thay ta có: 𝑋01 = 𝑋0𝐻 + 𝑋0𝑇 + 𝑋0𝐷 𝑋0𝑇22 𝑋03 = 𝑋02 = + 𝑋0𝐷2 𝑋04 = 𝑋0𝑇12 𝑋0𝑇32 + 𝑋0𝐷1 + 𝑋0𝐷3 Với điện kháng thành phần hệ thống: 𝑋0𝐻 = 𝑋𝐻 , 𝑋0𝐷𝑖 = 4𝑋𝐷𝑖 , 𝑋0𝑇𝑖 = 𝑋𝑇𝑖 Để đơn giản hóa việc tính tốn, cho phép kháng điện thứ tự nghịch kháng điện thứ tự thuận Vậy điện kháng thành phần thứ tự: 𝑋1𝛴 = 𝑋2𝛴 = (20) 1 1 + + + 𝑋1 𝑋2 𝑋3 𝑋4 𝑋0𝛴 = (21) 1 1 + + + 𝑋01 𝑋02 𝑋03 𝑋04 Suất điện động tổng: 𝐸𝛴 = 𝐸𝐻 𝐸𝐹12 𝐸𝐹22 𝐸𝐹32 + 𝑋 + 𝑋 + 𝑋 𝑋1 1 1 + + + 𝑋1 𝑋2 𝑋3 𝑋4 Các toán mẫu xét đến công suất ngắn mạch hệ thống điện áp ngắn mạch máy biến áp Từ kết tính tốn có từ hai tốn mẫu, ta tiến hành xây dựng họ đường đặc tính dịng ngắn ứng với dạng ngắn mạch khác Phần 5.1 Từ đó, nhóm tác giả tiến hành xây dựng giao diện người dùng phục vụ cho việc phân tích đánh giá giá trị dịng ngắn mạch theo họ đường cong trực quan đơn giản Mục 5.2 5.1 Đánh giá kết CÁC DÒNG NM VỚI SK''= 2500MVA 2.8 2.3 1.8 1.3 0.8 (22) Biểu thức dòng điện ngắn mạch tính tốn dạng ngắn mạch khác nhau, với XH XT giá trị thay đổi Để đơn giản công thức, đặt hệ số: 𝐾= 𝐸𝐹12 𝑋2 𝐾′ = + 𝑋2 𝐾′′ = + 𝑋02 𝐸𝐹22 𝑋3 + 𝑋3 + 𝑋03 + 2.6 𝑋04 2.4 𝑿𝑯 +𝑿𝑻 +4𝑋𝐷 1+𝐾 ′′(𝑿𝑯 +𝑿𝑻 +4𝑋𝐷 ) 𝐸𝐻 +𝐾(𝑿𝑯 +𝑿𝑻 +𝑋𝐷 ) 1+𝐾 ′(𝑿𝑯 +𝑿𝑻 +𝑋𝐷 ) (23) (24) (25) • Dịng ngắn mạch ngắn mạch pha: "(3) = 𝐸𝐻 +𝐾 𝑿𝑯 +𝑿𝑻 +𝑋𝐷 (26) • Dịng ngắn mạch ngắn mạch pha: "(2) 𝐼𝐾 = √3 ( 𝐸𝐻 = 10 𝑿𝑯 +𝑿𝑻 +𝑋𝐷 + 𝐾) 3𝐸𝛴 (27) Sk''=2000MVA 10 Sk''=1500MVA Hình 11 Đường đặc tính dịng ngắn mạch pha chạm đất MBA Y0/Δ toán Các họ đường cong toán thể Hình 10, Hình 11 Nhận thấy rằng, số trường hợp, dòng ngắn mạch chạm đất với máy biến áp nối Y0/Δ có giá trị lớn lớn dòng ngắn mạch pha Các họ đường cong toán tổng quát hệ thống vô lớn kết nối với lưới điện khu vực thể Hình 12 5.75 5.55 (28) 2𝑋1𝛴+𝑋0𝛴 BÀI TOÁN TỔNG QUÁT NM PHA • Dịng ngắn mạch ngắn mạch pha: "(1) 𝐼𝐾 NM Pha NM Pha MBA Yo/Δ NM Pha Cham Đất MBA Yo/Δ 2.2 Sk''=2500MVA Từ biểu thức (23), (24), (25) ta đưa biểu thức dịng điện ngắn mạch dạng cố khác nhau, với XH XT giá trị thay đổi 𝐼𝐾 2.8 1+𝐾 ′(𝑿𝑯 +𝑿𝑻 +𝑋𝐷 ) 𝐸𝛴 = NM PHA CHẠM ĐẤT MBA YO/Δ 𝑿𝑯 +𝑿𝑻 +𝑋𝐷 𝑋0𝛴 = 𝑋4 Thay hệ số 𝐾, 𝐾 ′ , 𝐾 ′ ′ vào công thức (20), (21) (22) Ta có biểu thức sau: 𝑋1𝛴 = Hình 10 Đường đặc tính dịng ngắn mạch ứng với Sk”=2500MVA toán 𝐸𝐹32 𝑋4 + NM Pha NM Pha MBA Yo\Yo NM Pha Cham Đất MBA Yo/Yo 5.35 • Dòng ngắn mạch ngắn mạch pha chạm đất: 5.15 "(1,1) 𝐼𝐾 = √3𝐸𝛴 √𝑋1𝛴2 +𝑋1𝛴𝑋0𝛴 +𝑋0𝛴 𝑋1𝛴 +2𝑋 1𝛴 𝑋0𝛴 (29) Để tính giá trị thực dòng điện ngắn mạch, ta nhân "(𝑛) 𝐼𝐾 HĐVTĐ với giá trị tương ứng 𝐼𝑐𝑏 Sk''=2500MVA Sk''=2000MVA 10 Sk''=1500MVA Hình 12 Đường đặc tính dịng ngắn mạch pha ứng với giá trị Sk” khác toán tổng quát ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển Từ Hình 11 Hình 12 cho thấy rằng: Giá trị công suất ngắn mạch hệ thống vơ lớn có ảnh hưởng đến dịng ngắn mạch Khi Sk’’ giảm giá trị dịng ngắn mạch giảm theo Ngoài ra, giá trị công suất ngắn mạch, điện áp ngắn mạch (Ukr%) máy biến áp tăng lên dịng ngắn mạch (Ik’’) giảm theo dạng đồ thị hyperbol Từ hai toán đề xuất, ta nhận thấy: - Giá trị công suất ngắn mạch Sk” lớn hay nhỏ phụ thuộc vào quy mô lưới điện thay - Giá trị điện kháng XT máy biến áp T phụ thuộc vào sơ đồ phương thức trạm (là phụ tải địa phương hay lưới điện khu vực) Cả hai giá trị ảnh hưởng đến dịng điện ngắn mạch đánh giá quy mơ tính chất mạch điện Thực tế trạm biến áp có nhiều máy biến áp làm việc song song, giá trị dòng điện ngắn mạch lại tăng lên cao Để khắc phục nhược điểm này, nước tiên tiến số thiết bị đóng cắt hạn chế dịng ngắn mạch (Fault current limiter (FCL) [5] hay gọi Current Limiter [7]) sử dụng Việc xây dựng họ đường cong tính tốn áp dụng quan trọng cho việc lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp theo công suất hệ thống công suất máy biến áp Với mục đích áp dụng cho việc phân tích lựa chọn thiết bị trên, nhóm tác giả tiến hành xây dựng giao diện người dùng, giới thiệu phần 5.2 Chương trình xây dựng họ đường đặc tính ngắn mạch giao diện MATLAB/GUIDE Hình 14 Giao diện tốn 75 Một giao diện người dùng hỗ trợ cho việc nhập xuất kết họ đường cong ngắn mạch theo công thức Phần cách tiện lợi dễ quan sát Quá trình lập trình xây dựng giao diện dựa phần mềm MATLAB-GUIDE thể sơ đồ hai tốn mẫu Giá trị Ik” tính tốn giá trị Ukr% thay đổi Sk” khơng đổi Các thông số, sơ đồ lưới điện, kết tính tốn đồ thị tốn thể giao diện phần mềm Hình 1415-16 Kết luận Trong tình hình nay, với phát triển công nghiệp, quy mô công suất lưới điện ngày lớn Điều khiến mức độ cố ngắn mạch trở nên nghiêm trọng Theo đó, việc tính chọn thơng số thiết bị điện bảo vệ phải đảm bảo tính ổn định vận hành tối ưu Bài báo đưa công thức tổng quát thể mối tương quan thông số máy biến áp, công suất ngắn mạch hệ thống đến giá trị dòng điện ngắn mạch Theo đó, nhóm tác giả đề xuất xây dựng họ đường cong thể phụ thuộc dòng ngắn mạch vào thơng số Với mục đích này, báo cung cấp thông tin giúp phân tích hạn chế dịng điện ngắn mạch Đồng thời đề xuất xem xét lựa chọn áp dụng thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (FCL) vào lưới điện phân phối nước ta Ngồi ra, báo cịn giới thiệu giao diện người dùng MATLAB-GUIDE thể kết tính toán toán ngắn mạch nhiều dạng ngắn mạch khác nhau, xây dựng đường đặc tính ngắn mạch dạng lưới điện cách trực quan, đơn giản cho người dùng Các kết đề xuất từ báo, tương lai, tổng quát hóa xây dựng họ đường cong dịng ngắn mạch phụ thuộc vào nhiều thông số áp dụng vào nhiều lưới điện phức tạp thực tế Những họ đường cong đáp ứng nhu cầu thực dụng việc lựa chọn thiết bị điện đề xuất giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch hiệu với thời gian ngắn TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 15-16 Giao diện tốn tổng quát [1] PGS.TS Lê Kim Hùng, ThS Đoàn Ngọc Minh Tú, Ngắn mạch hệ thống điện, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, 2001 [2] Nguyễn Phiệt, Quá trình độ điện từ hệ thống điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 1969 [3] Phần điện nhà máy điện trạm biến áp, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, 2005 [4] IEC 60909-0, Short-circuit currents in three-phase a.c systems – Part 0: calculation of short-circuit currents, 2001 [5] Johan Morren, Maarten Berende, Thijs Reckers, Han Slootweg, Limitation of short-circuit power due to distributed generation, CIRED Workshop, Lisbon, 29-30 May 2012 [6] Thekla N Boutsika, Stavros A Papathanassiou, Short-circuit calculations in network with distributed generation, Electric Power Systems Reseach 78 (2008) 1181-119 [7] Terence Hazel, Limiting short-circuit curents in medium-voltage applications, SeniorMember IEEE, Schneider Electric, 38050 Grenoble, France (BBT nhận bài: 20/03/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 27/04/2017) ... hệ với XH Do tính tốn ngắn mạch, giá trị Sk” có ảnh hưởng đến dịng điện ngắn mạch • Điện áp ngắn mạch (Ukr%) máy biến áp: Là giá trị điện áp % đo cho ngắn mạch phía thứ cấp máy biến áp dòng điện. .. niệm dòng ngắn mạch giới thiệu Phần Phần nêu yếu tố ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch, mà trọng tâm công suất ngắn mạch hệ thống điện áp ngắn mạch máy biến áp Phần đề xuất tốn mẫu thực tính tốn ngắn. .. thành phần điện kháng ngắn mạch tính dựa thông số sau: - Điện kháng siêu độ xd máy phát - Điện áp ngắn mạch Ukr% máy biến áp - Công suất ngắn mạch Sk” hệ thống - Điện kháng x% kháng điện - Điện kháng