Phân tích ngắn mạch, xây dựng đặc tuyến phối hợp bảo vệ dòng điện và thời gian TCC, phân tích năng lượng sự cố, tìm ra đường giới hạn biên, khuyến nghị mức độ nguy hiểm khi thao tác vận
PHÂN TÍCH HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Tổng quan về hồ quang phóng điện
2.1.1 Nguyên lý về hồ quang phóng điện
Hồ quang phóng điện là dòng điện chạy qua một đường bao gồm hơi của vật liệu dẫn điện Hơi này có điện trở cao hơn đáng kể so với kim loại dẫn điện, điện áp rơi trên hồ quang khoảng từ 30 – 40 V/cm, gấp vài nghìn lần điện áp rơi trong dây dẫn điện
Vì độ tự cảm của hồ quang không khác biệt đáng kể so với dòng điện của một dây dẫn điện có cùng chiều dài, dòng điện hồ quang về bản chất có điện trở (Điện áp rơi trong dây dẫn điện khoảng 0,0164 – 0.0328 V/cm)
Khi có sự cố ngắn mạch xảy ra, nếu tồn tại điện trở tại điểm sự cố, nhiệt độ có thể tăng lên đến điểm nóng chảy và bay hơi của kim loại, và hồ quang có thể bắt đầu sinh ra Hồ quang càng dài thì điện áp hệ thống càng giảm [1]
Hình 2.1 Giản đồ vector điện áp và dòng điện, hồ quang giảm khi chiều dài hồ quang thay đổi [1] Điện áp hệ thống Erated, tổng trở hệ thống Zsystem Vì tổng trở của hồ quang hầu như là điện trở và tổng trở của hệ thống mang tính cảm, do đó điện áp rơi trên hồ quang EArc và điện áp hệ thống lệch nhau góc 90 độ cho 4 trường hợp với 4 chiều dài hồ quang khác nhau (0, 1, 2, 3) [1]
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Công suất cực đại của hồ quang theo các cấp điện áp được mô tả như hình dưới:
Hình 2.2 Công suất cực đại của hồ quang theo các cấp điện áp [1]
2.1.2 Mô hình hồ quang phóng điện trên hệ thống điện
Xét mô hình tương đương của hệ thống điện và hồ quang phóng điện như hình:
Hình 2.3 Mô hình hồ quang phóng điện trên hệ thống điện [8]
Trong đó, Vs là điện áp hệ thống, Rs và Xs lần lượt là điện trở và trở kháng của hệ thống, Vd và Rd lần lượt là điện áp và điện trở của dòng hồ quang [8]
Xét các phương trình từ mô hình tương đương:
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỒ QUANG (MW)
0.48 kV 2.4 kV 4.2 kV 7.2 kV 13.2 kV 34.5 kV
Rs : Điện trở của hệ thống (mΩ)
Rd : Điện trở của dòng hồ quang (mΩ)
Xs : Điện kháng của hệ thống (mΩ)
Vs : Điện áp của hệ thống (kV)
Vd : Điện áp của dòng hồ quang (kV)
Ia : Dòng phóng điện hồ quang (kA)
Từ phương trình (2.2) và (2.4), ta có:
I a 2 (X s 2 + R s 2 + 2R s R d + R d 2 ) + (2R s V d + 2R d V d )I a + V d 2 - V s 2 = 0 (2.6) Phương trình (2.6) là phương trình bậc hai của dòng phóng điện hồ quang Ia hay Iarc
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
2.1.3 Hiện tượng dòng hồ quang phát sinh trong tủ hợp bộ
Quá trình phóng điện hồ quang xảy ra trong tủ điện gồm 4 giai đoạn sau [9]:
Giai đoạn 1 (A): Kì Nén Thể tích không khí trong tủ bị quá nóng do giải phóng năng lượng hồ quang và thể tích không khí còn lại bên trong tủ nóng lên do đối lưu và bức xạ (3 – 10ms)
Giai đoạn 2 (B): Mở rộng Một hoặc nhiều bộ phận của thiết bị có thể bị nổ tung tạo ra một lỗ hở để không khí quá nhiệt bắt đầu thoát ra ngoài Áp suất đạt đến giá trị tối đa và sau đó giảm dần khi giải phóng không khí nóng và các sản phẩm hồ quang (5 – 10ms)
Giai đoạn 3 (C): Phát thải Quá trình hồ quang tiếp tục diễn ra và không khí quá nhiệt bị đẩy ra ngoài với áp suất gần như không đổi (50 – 100ms)
Giai đoạn 4 (D): Sinh Nhiệt Sau khi không khí thoát ra, nhiệt độ bên trong thiết bị bảo vệ gần bằng nhiệt độ hồ quang điện Kéo dài cho đến khi hồ quang bị dập tắt Tất cả kim loại và vật liệu cách điện đều bị tác động làm hư hỏng, tan chảy và giãn nở nhiều lần, tạo ra khói độc và làm kim loại nóng chảy (thời gian cho đến khi hồ quang được loại trừ hoàn toàn)
Hình 2.4 Các giai đoạn và áp suất giải phóng qua quá trình hồ quang phát sinh trong tủ điện [9]
2.1.4 Các tiêu chuẩn, phương pháp và phần mềm
Mối quan hệ giữa các tiêu chuẩn và phương pháp liên quan trong việc phân tích về hồ quang phóng điện:
Hình 2.5 Các tiêu chuẩn và phương pháp liên quan trong việc phân tích về hồ quang phóng điện [3]
Hiện nay trên thế giới đã phát triển các phần mềm phân tích về hồ quang phát sinh trong quá trình ngắn mạch trên hệ thống điện Các phần mềm đã được sử dụng thương mại hóa trên thế giới áp dụng cho việc phân tích hồ quang phóng điện như: Electrical Transient Analyzer Program (ETAP), SKM PowerTools for Windows (SKM PTW), Paladin DesignBase (PDB), EasyPower
2.1.5 Phần mềm phân tích hệ thống điện ETAP
Electrical Transient Analyzer Program (ETAP) là một giải pháp dẫn đầu toàn cầu về mô phỏng, thiết kế, phân tích, giám sát, điều khiển tự động hóa cho hệ thống điện Ra đời từ năm 1986, đến nay sau hơn 30 năm phát triển, ETAP đã khẳng được vị thế của mình trên thị trường giải pháp công nghệ toàn cầu, với hệ thống gần 50 công ty thành viên và văn phòng đại diện trên toàn thế giới Đề tài sử dụng phiên bản 21.0.2C
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Hình 2.6 Hệ thống trụ sở chính, các công ty thành viên và văn phòng đại diện của ETAP trên toàn thế giới [10]
Các khái niệm trong nghiên cứu về hồ quang phóng điện
Một số khái niệm trong nghiên cứu về hồ quang phóng điện trên hệ thống điện [3]:
2.2.1 Ngắn mạch trực tiếp (Bolt fault curent - I bf )
Dòng điện ngắn mạch không trở kháng (Bolted fault current - I bf ) (kA): Dòng điện ngắn mạch hoặc tiếp xúc giữa 2 thanh dẫn có điện thể khác nhau trong đó điện kháng hoặc điện trở giữa chúng bằng 0 Ohm (ngắn mạch trực tiếp) [3]
2.2.2 Dòng phóng điện hồ quang (Arcing fault current - I arc )
Dòng phóng điện hồ quang (Arcing fault current - I arc hay I a ) (kA): Dòng điện thông qua điện trở giữa các điện cực, điện trở hồ quang phóng điện Rarc [3]
2.2.3 Thời gian loại trừ sự cố (Arc duration, Fault clearing time - FCT) Thời gian loại trừ sự cố (Arc duration, Fault clear time): Thời gian loại trừ sự cố là một yêu tố quang trọng tác động đến quá trình tính toán năng lượng sự cố Thời gian này được xác định từ đường đặc tính phối hợp bảo vệ (Time curent characteristic curves – TCCs) hoặc thời gian tác động nhanh của các thiết bị bảo vệ trong khi xem xét về đối tượng bảo vệ của thiết bị bảo vệ đó [3]
Thiết bị bảo vệ được chia làm 2 loại hay 2 vùng:
Thiết bị bảo vệ phía nguồn (Source Protective Device): Mục đích để đóng điện cấp nguồn cho thanh cái hay ngắt điện và cách ly hệ thống điện với bất kỳ nguồn điện nào (vùng 1 trong bước 9, mục 3.3.2)
Thiết bị bảo vệ phía tải (Load Protective Device): Thiết bị sẽ quản lý việc cấp nguồn cho các tải, hệ thống điện các xuất tuyến, và không cung cấp nguồn cho thanh cái chính của hệ thống (vùng 3 trong bước 9, mục 3.3.2)
2.2.1 Khoảng cách làm việc (Working distance - WD)
Khoảng cách làm việc (Working distance) (mm): Khoảng cách từ vị trí phát sinh hồ quang đến đầu, tay hoặc bộ phận của người thao tác tiêu chuẩn IEEE 1584 quy định một số khoảng cách làm việc điển hình đối với tủ, bảng điện (bước 6, mục 3.3.2) [3]
Cấp nguy hiểm, loại thiết bị bảo hộ đối với người làm việc hoặc thao tác với thiết bị điện (Personal Protective Equipment) sẽ dựa trên khoảng cách làm việc
2.2.2 Năng lượng sự cố (Incident energy - IE)
Năng lượng sự cố (Incident energy - IE) (cal/cm 2 hoặc J/cm 2 ): Năng lượng sẽ được xác định từ dòng sự cố phóng điện trên thiết bị bảo vệ (Source PD) Thiết bị bảo vệ sẽ loại trừ thời gian xảy ra phóng điện với khoảng thời gian xác định Năng lượng sẽ phụ thuộc vào dòng sự cố phóng điện và thời gian loại trừ sự cố đó
Năng lượng này sẽ xác định được các cấp nguy hiểm, loại thiết bị bảo hộ đối với người làm việc hoặc thao tác với thiết bị điện (Personal Protective Equipment)
Hệ thống sẽ tính năng lượng sự cố trong 2 trường hợp: 100% dòng phóng điện hồ quang và giảm dòng phóng điện trong trường hợp ngắn mạch nhỏ nhất để xác định trường hợp nguy hiểm nhất (IE cao nhất) [3]
Năng lượng sự cố IE (cal/cm2) sẽ dùng để xác định các thiết bị, trang bị bảo hộ đối với người vận hành, sửa chữa hệ thống điện (Personal Protective Equipment (PPE) như bảng sau:
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Bảng 2.1 NFPA-70E Phân loại mức độ nguy hiểm của hồ quang [7]
YÊU CẦU VỀ TRANG PHỤC
Trang phục được xếp hạng hồ quang, xếp hạng hồ quang tối thiểu là 4 cal/cm2 Áo sơ mi và quần dài tay có hình vòng cung hoặc quần yếm có hình vòng cung
Tấm chắn mặt được xếp hạng Arc hoặc mũ trùm Arc Flash Áo khoác, áo khoác parka, áo mưa hoặc lớp lót mũ cứng
Mũ cứng Kính an toàn hoặc kính bảo hộ Bảo vệ thính giác (nút tai chống ồn) Găng tay da chịu lực
Trang phục được xếp hạng hồ quang, xếp hạng hồ quang tối thiểu là 8 cal/cm2 Áo sơ mi và quần dài tay có hình vòng cung hoặc quần yếm có hình vòng cung
Mũ trùm đầu phù hợp với đèn flash được xếp hạng hồ quang hoặc tấm chắn mặt được xếp hạng hồ quang Áo khoác, áo khoác parka, áo mưa hoặc lớp lót mũ cứng
Mũ cứng Kính an toàn hoặc kính bảo hộ Bảo vệ thính giác (nút tai chống ồn) Găng tay da chịu lực
Trang phục được xếp hạng hồ quang, xếp hạng hồ quang tối thiểu là 25 cal/cm2 Áo sơ mi dài tay xếp hình vòng cung Quần áo bảo vệ được xếp hạng hồ quang Áo khoác phù hợp với Arc Flash được xếp hạng hồ quang
Quần phù hợp với Arc Flash được xếp hạng vòng cung
Mũ trùm đầu phù hợp với Arc Flash được xếp hạng hồ quang
Găng tay chống hồ quang Áo khoác, áo khoác parka, áo mưa hoặc lớp lót mũ cứng
Mũ cứng Kính an toàn hoặc kính bảo hộ Bảo vệ thính giác (nút tai chống ồn) Găng tay da chịu lực
Trang phục được xếp hạng hồ quang, xếp hạng hồ quang tối thiểu là 40 cal/cm2 Áo sơ mi dài tay xếp hình vòng cung Quần áo bảo vệ được xếp hạng hồ quang Áo khoác phù hợp với Arc Flash được xếp hạng hồ quang
Quần phù hợp với Arc Flash được xếp hạng vòng cung
Mũ trùm đầu phù hợp với Arc Flash được xếp hạng hồ quang
Găng tay chống hồ quang Áo khoác, áo khoác parka, áo mưa hoặc lớp lót mũ cứng
Mũ cứng Kính an toàn hoặc kính bảo hộ Bảo vệ thính giác (nút tai chống ồn) Găng tay da chịu lực
Các vị trí phân tích hồ quang đối với tủ hợp bộ
Đối với loại tủ điện, tủ hợp bộ trong các trạm biến áp, việc xét và phân chia các vị trí đối với quá trình phóng điện và phân tích hồ quang được chia ra làm các ngăn tủ như sau:
2) Thiết bị bảo vệ phía nguồn hoặc tải (Protective device line side or load side) 3) Phần đầu xuất tuyến (Load terminal)
4) Phần đo lường bảo vệ (Instrumentation)
Hình ảnh bên dưới mô tả tủ hợp bộ trung thế với các ngăn kể trên Bên trái hình sẽ là sơ đồ nguyên lý mô tả hệ thống và tương ứng bên phải là bố trí hệ thống ngăn tủ Hệ thống tủ sẽ được đóng điện qua thiết bị bảo vệ phía nguồn máy cắt CBA_M Thiết bị bảo vệ phía tải máy cắt CBA_FD có nhiệm vụ bảo vệ cho xuất tuyến ngõ ra Tủ cũng được trang bị ngăn đo lường chứa các thiết bị đo lường như biến áp, biến dòng, relay,…
Hình 2.8 Tủ hợp bộ trung thế với các ngăn trên sơ đồ nguyên lý và thực tế 1 [11]
Hình 2.9 Tủ hợp bộ trung thế với các ngăn trên sơ đồ nguyên lý và thực tế 2 [11]
Bố trí thanh cái (busbar) trong một tủ hợp bộ điển hình được minh họa như hình sau:
Hình 2.10 Bố trí thanh cái (busbar) trong tủ hợp bộ [11]
Nội dung đề tài tập trung phân tích cho vị trí (1) và (2) Các vị trí (3) và (4) sẽ áp dụng kết quả như vị trí (1) cho trường hợp nguy hiểm nhất
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Phương pháp xác định thời gian loại trừ sự cố (AC Decay method)
Quá trình xác định thời gian loại trừ sự cố dựa trên phương pháp biến thiên của dòng sự cố (AC Decay method)
Phương pháp này tính toán 3 giá trị của dòng phóng điện hồ quang Iarc trong 3 giai đoạn của quá trình ngắn mạch: Giai đoạn siêu quá độ (0.5 - 4 chu kỳ), giai đoạn quá độ (4 – 30 chu kỳ) và giai đoạn ổn định (sau khoảng 30 chu kỳ) Các giá trị thay đổi và giảm dần trong quá trình ngắn mạch Để xác định sự phát hiện và cắt cô lập sự cố dòng phóng điện hồ quang còn dựa vào đặc tuyến phối hợp bảo vệ dòng điện và thời gian (TCC) Dựa trên phương trình (3) trong [12],như sau:
T0 : Thời gian vận hành của thiết bị bảo vệ quá dòng t(I) : Hàm số t(I) là thời gian loại trừ sự cố
M : Tỷ số giữa dòng đo được và dòng khởi động của thiết bị bảo vệ
A, B, p : Hằng số dựa trên đặc tuyến của thiết bị bảo vệ
Các giá trị của dòng phóng điện hồ quang Iarc trong 3 giai đoạn của quá trình ngắn mạch (siêu quá độ Ia’’, quá độ Ia’ và ổn định Ia) được minh họa như hình sau:
Hình 2.11 Ba giá trị của dòng phóng điện hồ quang I arc trong 3 giai đoạn của quá trình ngắn mạch (siêu quá độ Ia’’, quá độ Ia’ và ổn định Ia) [13]
Dựa vào dòng phóng điện hồ quang ổn định Ia (kA) qua thiết bị bảo vệ phía nguồn và dựa trên đặc tuyến phối hợp thời gian và dòng điện (TCC) để xác định được tổng thời gian loại trừ sự cố, như hình minh họa sau:
Hình 2.12 Xác định thời gian loại trừ sự cố dựa trên dòng phóng điện hồ quang
Ia’’ qua thiết bị bảo vệ và đặc tuyến phối hợp thời gian và dòng điện (TCC) [13]
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Có thể thấy rằng, dòng phóng điện hồ quang tồn tại trong giai đoạn siêu quá độ (0.5
- 4 chu kỳ), giai đoạn quá độ (4 – 30 chu kỳ) và giai đoạn ổn định (sau khoảng 30 chu kỳ) Do đó, nếu giá trị dòng phóng điện hồ quang ở giai đoạn ổn định không đủ lớn, thiết bị bảo vệ quá dòng có thể sẽ không làm việc (không cắt)
Hình 2.13 Minh họa dòng phóng điện hồ quang ở giai đoạn ổn định không đủ lớn, thiết bị bảo vệ quá dòng có thể sẽ không làm việc (không cắt)[13]
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỒ QUANG DỰA TRÊN
Phân tích hồ quang phóng điện trong IEEE 1584 - 2018 là tính toán dòng điện hồ quang, năng lượng sự cố, đường giới hạn biên bằng cách sử dụng các phương trình toán học Các phương trình này là kết quả của phân tích hồi quy của nhiều thử nghiệm phóng điện hồ quang ở các cấp điện áp trung gian trong trường hợp ngắn mạch qua tổng trở bằng không (ngắn mạch trực tiếp).
Phạm vi áp dụng
Phạm vi áp dụng phương pháp phân tích hồ quang phóng điện [3], [14], [15]:
- Giới hạn điện áp 3 pha: 208V đến 15000V (điện áp hở mạch, điện áp hệ thống, điện áp lưới điện)
- Tần số hệ thống: 50Hz hoặc 60Hz
Dòng điện ngắn mạch không trở kháng (ngắn mạch trực tiếp) (kA)
Khoảng cách giữa điện cực:
Khoảng cách làm việc: >= 305mm
Thời gian loại trừ sự cố: Không quá 2 giây
Kích thước tủ điện (thử nghiệm) như bảng sau:
Bảng 3.1: Kích thước tủ điện (thử nghiệm)[3] Điện áp hở mạch (V) Kích thước tủ (HxWxD) (mm)
Giới hạn kích thước tủ:
- Chiều cao H và chiều rộng W lớn nhất: 1244.6mm
- Khoảng không gian bên khoang tủ lớn nhất: 1.549m2
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỒ QUANG DỰA TRÊN TIÊU CHUẨN IEEE 1584 - 2018
- Chiều rộng W nhỏ nhất: Lớn hơn 4 lần khoảng cách điện cực
- Cấu hình điện cực: VCB, VCBB, HCB, HOA, VOA mục 3.3.2
Phương pháp giải tích
Xác định Iarc, E và AFB với cấp điện áp từ 600V đến 15000V Để xác định Iarc, E và AFB ở điện áp bất kỳ, đầu tiên phải xác định các giá trị trung gian ở 3 cấp điện áp là 600V, 2700V và 14300V [3], [14]
3.2.1 Dòng phóng điện hồ quang trung gian (I arc_Voc )
I arc_Voc = 10 (k 1 + k 2 lgI bf + k 3 lgG) (k 4 I bf 6 +k 5 I bf 5 +k 6 I bf 4 +k 7 I bf 3 +k 8 I bf 2 +k 9 I bf +k 10 ) (3.1)
Ibf : Dòng điện ngắn mạch 3 pha không trở kháng (kA)
I arc_600 : Dòng phóng điện hồ quang trung bình ở Voc = 600V (kA)
I arc_2700 : Dòng phóng điện hồ quang trung bình ở Voc = 2700V (kA)
I arc_14300 : Dòng phóng điện hồ quang trung bình ở Voc = 14300V (kA)
G : Khoảng cách điện cực (mm) k1 - k10 : Hệ số tính toán (chi tiết trong bảng 1, Phụ lục 1) lg : Log10
3.2.2 Dòng phóng điện hồ quang trong trường (I arc_min )
VarC f = k 1 V oc 6 + k 2 V oc 5 + k 3 V oc 4 + k 4 V oc 3 + k 5 V oc 2 + k 6 V oc 1 + k 7
VarCf : Hệ số hiệu chỉnh dòng phóng điện
Iarc : Dòng phóng điện hồ quang (kA)
Iarc_min : Dòng phóng điện hồ quang trong trường hợp ngắn mạch min (kA)
Voc : Điện áp hở mạch (điện áp hệ thống) (kV) k1 - k7 : Hệ số tính toán (chi tiết trong bảng 2, Phụ lục 1)
3.2.3 Xác định năng lượng sự cố trung gian
Năng lượng sự cố trung gian ở các cấp điện áp 600V, 2700V, 14300V và nhỏ hơn 600V được xác định như sau:
50 Tx10 (k 1 +k 2 lgG+ k 3 I arc_600 k 4 I bf 7 +k 5 I bf 6 +k 6 I bf 5 +k 7 I bf 4 +k 8 I bf 3 +k 9 I bf 2 +k 10 I bf +k 11 I bf +k 12 lgD+k 13 lgI arc_600 +lg 1
50 Tx10 (k 1 +k 2 lgG+ k 3 I arc_2700 k 4 I bf 7 +k 5 I bf 6 +k 6 I bf 5 +k 7 I bf 4 +k 8 I bf 3 +k 9 I bf 2 +k 10 I bf +k 11 I bf +k 12 lgD+k 13 lgI arc_2700 +lg 1
50 Tx10 (k 1 +k 2 lgG+ k 3 I arc_14300 k 4 I bf 7 +k 5 I bf 6 +k 6 I bf 5 +k 7 I bf 4 +k 8 I bf 3 +k 9 I bf 2 +k 10 I bf +k 11 I bf +k 12 lgD+k 13 lgI arc_14300 +lg 1
50 Tx10 (k 1 +k 2 lgG+ k 3 I arc_600 k 4 I bf 7 +k 5 I bf 6 +k 6 I bf 5 +k 7 I bf 4 +k 8 I bf 3 +k 9 I bf 2 +k 10 I bf +k 11 I bf +k 12 lgD+k 13 lgI arc +lg 1
E600 : Năng lượng sự cố ở Voc = 600V (J/cm2)
E2700 : Năng lượng sự cố ở Voc = 2700V (J/cm2)
E14300 : Năng lượng sự cố ở Voc = 14300V (J/cm2)
E