Bài giảng hệ thống cung cấp điện chương 6 ts nguyễn đức tuyên

Chương 6: Tính tốn ngắn mạch cung cấp điện Bộ môn hệ thống điện Đại học Bách Khoa Hà nội TS.Nguyễn Đức Tun tuyen.nguyenduc@hust.edu.vn Chương 6: Tính tốn ngắn mạch cung cấp điện §6.1 KHÁI NIỆM CHUNG 6.1.1 Hiện tượng ngắn mạch 6.1.2 Các trị số đặc trưng quan trọng dòng điện ngắn mạch 6.1.3 Các hệ đơn vị dùng tính tốn ngắn mạch §6.2 TÍNH TỐN NGẮN MẠCH BA PHA TRONG LƯỚI TRUNG ÁP 6.2.1 Tính tốn ngắn mạch ba pha đối xứng theo phương pháp đường cong tính tốn 6.2.2 Tính tốn ngắn mạch ba pha đối xứng lưới điện trung áp §6.3 TÍNH TỐN NGẮN MẠCH BA PHA TRONG LƯỚI ĐIỆN HẠ ÁP 6.3.1 Các giả thiết 6.3.2 Sơ đồ thay dòng điện ngắn mạch Hiện tượng ngắn mạch  Ngắn mạch Tình trạng cố nghiêm trọng thường xảy HTCCĐ Thường pha chập pha chạm đất Khi ngắn mạch, dòng điện tăng lớn, điện áp giảm thấp mức độ tăng giảm tùy thuộc vào vị trí điểm ngắn mạch Phần tử điện tính tốn để chịu đựng trạng thái cố giới hạn cho phép , , u A 𝑢𝐴 = 𝑈𝑚 sin 𝜔𝑡 + 𝛼 ൞𝑢𝐵 = 𝑈𝑚 sin 𝜔𝑡 + 𝛼 − 1200 𝑢𝐶 = 𝑈𝑚 sin 𝜔𝑡 + 𝛼 + 1200 R L R L R uB R L , R , L L , R , L L u(t)= Um sin(ωt+α) uC R R L tính từ nguồn đến điểm ngắn mạch R’ L’ đặc trưng cho phần phụ tải pha Mạch phía phụ tải, độ dòng điện nhỏ tắt dần Hiện tượng ngắn mạch  Phương trình cân độ: 𝑢 = 𝑅𝑖 + 𝑍 = 𝑑𝑖 𝐿 𝑖 𝑑𝑡 𝑡 = 𝑈𝑚 sin 𝑍 𝜔𝑡 + 𝛼 − 𝜑𝑁 + 𝐶 𝑒 𝑅 𝐿 − 𝑡 𝑅2 + (𝜔𝐿)2 : Tổng trở mạch từ nguồn đến điểm NM 𝜑𝑁 = 𝑎𝑐𝑟𝑡𝑔 𝜔𝐿 𝑅 : Góc pha tổng trở Z C - số tích phân theo điều kiện ban đầu (t = 0)  Dòng NM gồm thành phần: Thành phần chu kỳ phụ thuộc nguồn: 𝑈𝑚 𝑖𝐶𝐾 𝑡 = sin 𝜔𝑡 + 𝛼 − 𝜑𝑁 = 𝐼𝐶𝐾𝑚 sin 𝜔𝑡 + 𝛼 − 𝜑𝑁 𝑍 = 𝐼𝐶𝐾 sin 𝜔𝑡 + 𝛼 − 𝜑𝑁 Thành phần tự (không chu kỳ) 𝑖𝑎 𝑡 = 𝑅 −𝐿 𝑡 𝐶 𝑒 = 𝑖𝑎0 𝑡 −𝑇 𝑒 𝑎 Hiện tượng ngắn mạch 𝐼𝐶𝐾 : Giá trị hiệu dụng dòng điện ngắn mạch chu kỳ 𝐿 : 𝑅 𝑇𝑎 = Hằng số thời gian tắt dần thành phần khơng chu kỳ dịng điện ngắn mạch 𝑖𝑎0 : Trị số ban đầu thành phần không chu kỳ dòng 𝑅 −𝐿0 điện ngắn mạch , 𝑖𝑎0 = 𝐶 𝑒 =𝐶 Thành phần tự do: Duy trì tới lượng tích luỹ L chuyển hết thành nhiệt bị dập tắt điện trở R Có tính ngẫu nhiên phụ thuộc nhiều yếu tố (thời điểm trước xảy cố, tính chất phụ tải,…) Giá trị ban đầu thường không lớn, lớn mạch có tính dung, thường gặp thực tế mạng điện làm việc không tải Thành phần chu kỳ hoàn toàn xác định sơ đồ mạch Hiện tượng ngắn mạch Dịng điện ngắn mạch tồn phần dao động khơng đối xứng qua trục hồnh có thành phần không chu kỳ tắt dần theo Hằng số thời gian 𝑇𝑎 Luôn tồn giá trị dòng ngắn mạch tức thời lớn gọi dòng xung kích Giá trị cần quan tâm kiểm tra tác dụng lực dòng ngắn mạch lên thiết bị i ixk i(t) ixk i i(t) ICKm ICKm ia0 Im i a0 = ICKm ia0 ia (t) ia (t) t t T iCK (t) a) Trường hợp iCK (t) b) Lưới điện vận hành không tải trước ngắn mạch Trị số đặc trưng dòng điện ngắn mạch  Dòng điện ngắn mạch xung kích Trị số tức thời max dịng điện ngắn mạch toàn phần Phụ thuộc vào nhiều yếu tố tính chất phụ tải, thời điểm ngắn mạch Lớn thành phần tự max Không tải Tại thời điểm góc pha điện áp nguồn α ≈ 0( t = T/2= 0,01s) 𝑖𝑎0 = 𝐼𝐶𝐾𝑚 ; 𝑖𝑥𝑘 = 𝑇 𝑖𝐶𝐾 + 𝑖𝑎0 𝑒 𝑇 −𝑇2 𝑎 0,01 = 𝐼𝐶𝐾𝑚 (1 + 𝑒 −𝑇 𝑎 ) 0,01 −𝑇 𝑘𝑥𝑘 = + 𝑒 𝑎 → ≤ 𝑘𝑥𝑘 = 𝑓(𝑇𝑎 ) ≤ 2: Mạch cảm R = (Ta = ∞ ): 𝑘𝑥𝑘 = Mạch trở L= (Ta = ): 𝑘𝑥𝑘 = Trị số đặc trưng dòng điện ngắn mạch  Trị số hiệu dụng dòng điện ngắn mạch toàn phần (It) Tại t: 𝐼𝑡 = 𝐼𝐶𝐾 + 𝐼𝑎𝑡 (𝐼𝑎𝑡 = 𝑖𝑎 𝑡 = 𝑖𝑎0 𝑒 − 𝑡 𝑇𝑎 ; 𝐼𝐶𝐾 = 𝐼𝐶𝐾𝑚 ) Trong thiết kế, thường quan tâm đến trị hiệu dụng 𝐼𝑡 Iat lớn thời điểm NM xung kích 𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑎𝑡 = 𝑖𝑎 0,01 = 𝑖𝑥𝑘 − 𝑖𝐶𝐾 0,01 = (𝑘𝑥𝑘 −1)𝐼𝐶𝐾𝑚 = (𝑘𝑥𝑘 −1) 2𝐼𝐶𝐾 → 𝐼𝑡 = 𝐼𝑥𝑘 = 𝐼𝐶𝐾 + 2(𝑘𝑥𝑘 − 1)2 Phạm vi biến đổi: ≤ 𝑘𝑥𝑘 ≤ 𝐼𝐶𝐾 ≤ 𝐼𝑥𝑘 ≤ 3𝐼𝐶𝐾 Trị số đặc trưng dòng điện ngắn mạch  Công suất ngắn mạch 𝑆𝑁𝑡 = 𝑈𝑡𝑏 𝐼𝑡 𝑈𝑡𝑏 = 1,05𝑈đ𝑚 : Điện áp trung bình (dây) mạng điện có dịng điện ngắn mạch trước xảy ngắn mạch 𝐼𝑡 : Trị hiệu dụng dòng ngắn mạch thời điểm t Ý nghĩa: Cuối trình cắt máy cắt điện áp giáng hồ quang xấp xỉ Uđm 𝑆𝑐ắ𝑡 = 𝐼𝐶đ𝑚 𝑈đ𝑚 ≥ 𝑆𝑁𝑡 (t: thời điểm cắt) Cho công suất ngắn mạch điểm, xác định tổng trở đẳng trị toàn mạng điện, từ điểm ngắn mạch nguồn 2 𝑈𝑡𝑏 𝑈𝑡𝑏 I 𝑆𝑁 = 𝑈𝑡𝑏 𝐼𝑁 = → 𝑍𝐻𝑇 = U Z 𝑍𝐻𝑇 𝑆𝑁 đm N HT N Trị số đặc trưng dòng điện ngắn mạch  Dòng ngắn mạch siêu độ (I’’) Trường hợp ngắn mạch gần nguồn, điện áp nguồn bị thay đổi q trình ngắn mạch làm cho trị số hiệu dụng thành phần chu kỳ dòng điện ngắn mạch bị thay đổi Dòng điện ngắn mạch siêu độ trị số hiệu dụng ban đầu thành phần chu kỳ dòng điện ngắn mạch Dòng điện thường lớn dòng điện ngắn mạch chu kỳ ICK ngắn mạch xa nguồn, nên quan tâm tính tốn trị số dịng điện ngắn mạch cực đại dùng thiết kế cung cấp điện  Dòng điện ngắn mạch trì (I∞) Là trị số hiệu dụng dịng điện ngắn mạch tồn phần xác lập Khi thành phần khơng chu kỳ dịng điện ngắn mạch tắt nên xem I∞ = ICK Trị số I∞ tính tốn từ sơ đồ ngắn mạch dùng để kiểm tra thiết bị điện thiết kế 10 Tính tốn ngắn mạch ba pha lưới trung áp Biến đổi sơ đồ thay thế: Đưa dạng tối giản để tính tốn địng điện ngắn mạch Sơ đồ gồm nhánh nối trực tiếp từ nguồn sức điện động đẳng trị 𝐸Σ đến điểm ngắn mạch thông qua điện kháng đẳng trị 𝑋Σ Đối với nhánh có nguồn cung cấp cho điểm ngắn mạch, ta ghép song song 19 Tính tốn ngắn mạch ba pha lưới trung áp Điều kiện: 𝐸đ𝑡 = 𝑆1 𝑥1 𝑆2 𝑥2 = 0,4 ÷ 2,5 𝐸1 𝑥1 +𝐸2 𝑥2 ; 𝑥đ𝑡 𝑥1 +𝑥2 = 𝑥1 𝑥2 𝑥1 +𝑥2 Biến đổi Y-∆: ứng dụng tính đẳng thếtách/nhập nút nguồn n nhánh có sức điện động Ek nối chung vào điểm M qua xk 𝐸đ𝑡 = σ𝑛 𝑘=1 𝐸𝑘 σ𝑛 𝑘=1 𝑥𝑘 𝑥𝑘 ;𝑥đ𝑡 = 1 𝑥𝑘 σ𝑛 𝑘=1  Dùng tính chất đối xứng để ghép chung bỏ bớt nhánh 20 Tính tốn ngắn mạch ba pha lưới trung áp Tính dịng ngắn mạch Trị số hiệu dụng dòng điện ngắn mạch chu kỳ theo đường cong tính tốn Cơ sở: - Đường cong tính toán biểu diễn quan hệ độ lớn tương đối dòng điện ngắn mạch chu kỳ 𝐼∗𝑐𝑘𝑡 điện kháng tính tốn mạch điện đến điểm ngắn mạch thời điểm khác trình độ có giá trị 𝑥∗𝑡𝑡 = 𝑥𝑑′′ + 𝑥𝑁 - Đường cong tính tốn xây dựng với giả thiết trước ngắn mạch làm việc với phụ tải định mức khơng đổi suốt q trình ngắn mạch, nhánh bị ngắn mạch pha điểm N có điện kháng xN không mang tải trước ngắn mạch theo giản đồ F F IF IN N S XN N ,, Xd XN Z pt = 0,8 +j 0,6 21 Tính tốn ngắn mạch ba pha lưới trung áp - Cho xN giá trị khác nhau, theo biểu thức biết tính I*ckt xây dựng đường cong 𝐼∗𝑐𝑘𝑡 = 𝑓(𝑥∗𝑡𝑡 , 𝑡) - Các tham số tính hệ đơn vị tương đại lượng Ucb = Utb, Scb = SđmF Trong tài liệu ngắn mạch vẽ đường cong tính tốn nguồn nhiệt điện (a) thủy điện (b) có TĐK (hệ thống tự động điều chỉnh mạch kích từ mát phát) 22 Tính toán ngắn mạch ba pha lưới trung áp Cách tính - Biến đổi sơ đồ thay F F F b) Hai nhánh nguồn a) Một nhánh nguồn - Quy đổi điện kháng tinh toán: 𝑥𝑡𝑡 = 𝑥Σ∗ 𝑆đ𝑚𝐹.Σ 𝑆𝑐𝑏 𝑆đ𝑚𝐹.Σ : Tổng CS đ/mức nguồn cấp cho điểm ngắn mạch -Tra đường cong tính tốn theo xtt t I*CKt -Quy đổi hệ đơn vị có tên: oNhánh nguồn: 𝐼𝐶𝐾𝑡 = 𝐼∗𝐶𝐾𝑡 𝐼đ𝑚𝐹.Σ = 𝐼∗𝐶𝐾𝑡 𝑆đ𝑚𝐹.Σ 3.𝑈𝑡𝑏 +𝐼∗𝐶𝐾𝑡2 𝑆đ𝑚𝐹.Σ2 oNhánh nguồn: 𝐼𝐶𝐾𝑡 = 𝐼∗𝐶𝐾𝑡1 𝐼đ𝑚𝐹.Σ1 + 𝐼∗𝐶𝐾𝑡2 𝐼đ𝑚𝐹.Σ2 = 𝐼∗𝐶𝐾𝑡1.𝑆đ𝑚𝐹.Σ3.𝑈 𝑡𝑏 Dịng điện xung kích:𝑖𝑥𝑘 = 𝐾𝑥𝑘 𝐼𝐶𝐾𝑡 (mạng cao áp chọn 𝐾𝑥𝑘 =1.8 ) 23 Tính tốn ngắn mạch ba pha lưới trung áp  Tính tốn NM ba pha đối xứng lưới điện trung áp Giả thiết: Ngắn mạch xa nguồn (Smba