Bài báo này nghiên cứu sự khác nhau cơ bản giữa LĐPP 22kV trung tính trực tiếp nối đất với cấu trúc 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây về mặt bán kính cấp điện hiệu quả, thông qua việc xem xét ả
Trang 1NGHIÊN CỨU BÁN KÍNH CẤP ĐIỆN HIỆU QUẢ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22KV 3 PHA 3 DÂY VÀ
3 PHA 4 DÂY
STUDY ON DIFFERENT EFFECTIVE ZONES OF 22KV THREE PHASE THREE WIRE AND THREE PHASE FOUR WIRE
DISTRIBUTION NETWORK
LÊ KIM HÙNG
Đại học Đà Nẵng
VÕ NHƯ QUỐC
Công ty Điện lực 3
TÓM TẮT
Lưới điện phân phối (LĐPP) 22kV Việt Nam hình thành và phát triển với 2 dạng cấu trúc khác nhau, đó là: LĐPP 22kV với cấu trúc 3 pha 3 dây (được sử dụng nhiều ở khu vực phía Bắc và miền Trung) và với cấu trúc 3 pha 4 dây (được sử dụng nhiều ở khu vực phía Nam) Do cấu trúc lưới khác nhau, nên việc sử dụng các máy biến áp (MBA), bán kính cấp điện hiệu quả, mật độ các trạm biến áp nguồn cũng có nhiều điểm khác nhau cần phân tích
Bài báo này nghiên cứu sự khác nhau cơ bản giữa LĐPP 22kV trung tính trực tiếp nối đất với cấu trúc 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây về mặt bán kính cấp điện hiệu quả, thông qua việc xem xét ảnh hưởng của dòng điện ngắn mạch chạm đất trong mạng 3 pha 3 dây và mạng 3 pha 4 dây
ABSTRACT
The 22kV distribution network was formed and developed into two different forms: three phase three wire (mainly used in Northern and Central Vietnam) and three phase four wire (mainly used in Southern Vietnam) Due to different network configurations, different use of transformers especially one-phase transformers, different effective zones, the density of source substations are different and needs analyzing
To clarify this issue, this article studies the basic differences between 22kV neutrally earthed three phase three wire and three phase four wire distribution network regarding effective zones through considering earth faults’ effects on three phase three wire and three phase four wire networks
1 Đặt vấn đề
Do lịch sử để lại, LĐPP Việt Nam nói chung và miền Trung nói riêng hiện vẫn còn tồn tại nhiều cấp điện áp (như 6, 10, 15, 22, 35kV), cùng với chế độ làm việc điểm trung tính của LĐPP cũng khác nhau, cụ thể: LĐPP 6, 10, 15, 35kV làm việc ở chế độ điểm trung tính nguồn cách đất; LĐPP 15, 22kV làm việc ở chế độ điểm trung tính nguồn nối đất trực tiếp LĐPP có nhiều cấp điện áp, đã gây khó khăn trong công tác vận hành như việc kết nối để hỗ trợ nguồn điện lẫn nhau khi sự cố, gây tốn kém trong công tác dự phòng các thiết bị điện để xử lý sự cố Để thống nhất LĐPP Việt Nam, Bộ năng lượng
Trang 2(nay là Bộ Công thương) đã ban hành quyết định số 1867/KHKT ngày 12/5/1994 về việc qui định các tiêu chuẩn kỹ thuật cấp điện áp 22kV [1], trong đó nêu rõ:
+ Trung tính của mạng 22kV trực tiếp nối đất (nối đất hiệu quả)
+ Đường dây 22kV có thể 3 pha 3 dây (sử dụng đất làm dây trung tính) hoặc 3 pha 4 dây (dây trung tính đi riêng hoặc sử dụng chung dây trung tính của đường dây hạ thế)
+ Đối với các lưới điện xây dựng mới phải thiết kế theo tiêu chuẩn cấp điện áp 22kV, đối với lưới điện cũ phải cải tạo dần sang cấp điện áp 22kV
Tuy đã thống nhất về cấp điện áp nhưng cấu trúc LĐPP 22kV vẫn chưa có sự thống nhất về quan điểm LĐPP 22kV khu vực phía Nam thì sử dụng cấu trúc 3 pha 4 dây, LĐPP 22kV khu vực miền Trung và phía Bắc thì lại sử dụng cấu trúc 3 pha 3 dây Vì vậy, việc nghiên cứu vấn đề bán kính cấp điện hiệu quả của từng cấu trúc LĐPP là cần thiết
Để nghiên cứu vấn đề này ta cần xem xét thế nào là nối đất hiệu quả và ảnh hưởng của kết cấu lưới đến bán kính cấp điện hiệu quả
2 Hệ thống nối đất hiệu quả
a- Theo tiêu chuẩn Việt Nam 4756-89 về việc nối đất, nối không các thiết bị điện định nghĩa [4]: Mạng điện trung tính nối đất hiệu quả là mạng điện có điện áp pha lớn hơn 1.000V và hệ số quá điện áp khi ngắn mạch một pha không lớn hơn 1,4 Hệ số quá điện áp khi ngắn mạch chạm đất trong mạng điện 3 pha là tỷ số giữa điện áp pha không bị sự cố tại điểm ngắn mạch chạm đất và điện áp pha tại điểm đó trước khi có ngắn mạch
b- Theo chỉ dẫn của VDE 0111/12.66 [3]: Một hệ thống hay một phần của hệ thống điện áp cao được xem là nối đất hiệu quả, nếu khi ngắn mạch một pha chạm đất tỷ
số điện áp pha trên các pha không bị sự cố với điện áp làm việc cực đại cho phép không vượt quá 0,8; hệ thống như vậy có thể lắp đặt với cách điện giảm nhẹ Để thoả mản điều kiện này thì tỷ số giữa tổng trở thứ tự không (Z0) trên tổng trở thứ tự thuận (Z1) với ϕ1-ϕ0
= 0 (Trường hợp ngắn mạch một pha tính toán trên lý thuyết với điện trở nối đất tại nguồn bằng không và ngắn mạch trực tiếp) phải có giới hạn nhỏ hơn 5 Với giá trị ϕ1 - ϕ0 ≤ 15o hoặc 30o xảy ra trong thực thế thì Z0/Z1 không được lớn hơn 3 (ϕ1-ϕ0 là góc lệch pha Z1
-Z0)
c- Đối với các hệ thống lớn, bỏ qua điện trở tác dụng lúc đó theo tiêu chuẩn AIEE mục 32-1.05 và tiêu chuẩn ANSI C62.92 [2]: Một hệ thống hay một phần của hệ thống điện áp cao được xem là nối đất hiệu quả khi tất cả các điểm trên hệ thống hay một phần xác định của hệ thống có tỷ lệ điện kháng thứ tự không (X0) đối với điện kháng thứ tự thuận của nó (X1) không lớn hơn 3 và tỷ số giữa điện trở thứ tự không (R0) đối với điện kháng thứ tự thuận (X1) không lớn hơn 1 trong bất kỳ điều kiện vận hành nào với bất kỳ dung lượng nguồn phát như
- Ba định nghĩa về hệ
thống nối đất hiệu quả trên,
tuy khác nhau về cách thức
định nghĩa nhưng lại giống
nhau về nội dung; cụ thể là:
khi có sự cố ngắn mạch một
ZE
N1
Trang 3sự cố tăng không được vượt quá 1,4 lần điện áp pha trước sự cố (≈ 0,8 lần điện áp dây)
- Ngoài ra, định nghĩa b và c cho ta thấy rõ hơn ảnh hưởng của kết cấu lưới khi xem xét tính hiệu quả của nối đất hệ thống điện thông qua tỷ số Z0/Z1 và góc lệch pha ϕ1 -
ϕ0
Để xem xét ảnh hưởng của kết cấu lưới đến tính hiệu quả nối đất hệ thống, ta xét trường hợp ngắn mạch một pha trong lưới nối đất (hình 1):
Khi xảy ra ngắn mạch một pha chạm đất tại điểm N1, thì:
UNC = 0; INA = 0; INB = 0
Lúc đó, sử dụng phương pháp thành phần thứ tự ta có:
NC NA NB
I
I• = • + • + 2 • = •
1
2
3
NC NA NB
I
I•0 = • +• +• = •
1 1 1
•
•
•
•
−
′′
•
•
•
−
•
•
•
−
= I Z
U
Từ đó ta suy ra:
0 2 1 0 2
•
•
•
•
+ +
′′
=
=
=
Z Z Z
E I
I
0 2 1
•
•
•
•
•
•
+ +
′′
=
=
′′
Z Z Z
E I
I k NC
) (
0 2 1
0 2 1 2 2
•
•
•
•
•
•
•
•
+ +
+ +
−
′′
=
Z Z Z
Z Z a Z a a E
) (
0 2 1
0 2 2 1
•
•
•
•
•
•
•
•
+ +
+ +
−
′′
=
Z Z Z
Z Z a Z a
a
E
Với: INA, INB, INC: Dòng điện ngắn mạch của pha A, B, C; I1, I2, I0: Dòng điện thứ
tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không; I”k1: Dòng ngắn mạch chu kỳ ban đầu; UNA, UNB,
UNC: Điện áp của pha A, B, C khi xảy ra ngắn mạch; U1, U2, U0: Điện áp thứ tự thuận, thứ
tự nghịch, thứ tự không; E”: Sức điện động siêu quá độ; a: toán tử thành phần thứ tự
Ảnh hưởng của tổng trở Z0 đến điện áp các pha khi bị ngắn mạch được thể hiện bởi đồ thị các quan hệ (1) và (2) theo Z0/Z1 và ϕ1 - ϕ0 [3] (hình 2 và hình 3)
Qua hình 2 và 3 ta thấy:
+ Với Z0 = 0 thì điện áp pha trên hai pha không bị sự cố bằng 0 , 5 3 E " Khi Z0 tiến tới vô cùng (lưới trung tính cách đất), tất cả các đường cong tiệm cận đến giá trị 3 E " nghĩa là điện áp pha không bị sự cố chạm đất trở nên bằng điện
áp dây
+ Để khi ngắn mạch một pha chạm đất tỷ số điện áp pha trên các pha không bị sự cố với điện áp làm việc cực đại cho phép không vượt quá 0,8 (tương ứng với hệ số quá điện áp 1,4) thì yêu cầu Z0/Z1≤ 5 ứng với ϕ1- ϕ0 = 0 và Z0/Z1≤
3 ứng với ϕ1- ϕ0 = 30o
Trang 43 Ảnh hưởng của dây dẫn trung tính trong mạng nối đất hiệu quả
Để thấy rõ ảnh hưởng của dây trung tính trong mạng nối đất hiệu quả ta xem xét
tổng trở thứ tự không đối với từng kết cấu lưới [3]:
a- Đối với mạng 3 pha 3 dây tổng trở thứ tự không được tính toán theo công thức
sau:
+ Đường dây 3 pha 3 dây mạch đơn:
Z0 = RL+3RE+jω10-4(6ln
3 rA2
ω ρ (m) vàRE=π 2 ω.10
+ Đường dây 3 pha 3 dây đối xứng hai mạch:
Trong đó: ZM0 là tổng trở tương hỗ thứ tự không của hai mạch
ZM0 = 3RE+jω10-4.6ln
L
A
δ (Ω/km)
b- Đối với mạng 3 pha 4 dây tổng trở thứ tự không được tính toán theo công thức
sau:
+ Đường dây 3 pha 4 dây mạch đơn:
Z0E = Z0 - 3Z2E
Hình 2 Biểu diễn điện áp U A theo điện áp
pha và điện áp dây khi chạm đất một pha
Hình 3 Biểu diễn điện áp U B theo điện áp pha và điện áp dây khi ngắn mạch một pha
1
0
Z Z
E
U A
′′
C
0.5
1.0
1.5
2.0
A
B
C
0.5 1.0 1.5 2.0
1
0
Z Z
E
U B
′′
3
E”
E”
0 0
30 0
60 0
90 0
120 0
150 0
180 0
ϕ1- ϕ0
0 0
30 0
60 0
90 0
120 0
150 0 ϕ1- ϕ0 1800
Trang 5ở đây Z1E tổng trở tương hỗ giữa dây dẫn và dây đất:
Z1E = RE+jω10-4.2ln
E
A
và ZE tổng trở thứ tự không của dây đất:
ZE = RN+ RE+jω10-4.(2ln
E
r
+ Đường dây 3 pha 4 dây mạch kép:
Trong đó ZMOE là tổng trở tương hỗ của hai mạch bao gồm cả dây đất
ZMOE = ZMO - 3
E
E
Z
Z2
Trong các công thức trên:
- A = 3
13 23
' 3 ' 1 ' 3 ' 2 ' 2 '
- A” = 3
' 33 ' 22 '
a ;AE = 3
3 2
1Sa Sa S
a ;AL = 3 A ' A2 ";
- 1, 2, 3 các dây dẫn của mạch I; 1’, 2’, 3’ các dây dẫn của mạch II; a12, a1S: lần lượt là khoảng cách giữa hai dây dẫn (m), dây dẫn với dây trung
tính (m); rE bán kính dây trung tính;
- RL, RE, RN: lần lượt là điện trở dây dẫn, đất, dây trung tính (Ω/km); δ độ dẫn sâu trong đất (m); ρ điện trở suất của đất (Ωm); μ độ từ thẩm
tương đối (1 đối với Cu và Al, 50÷90 đối với thép)
c- Đối với mạng 3 pha 4 dây, một phần dòng thứ tự không đi qua dây trung tính
(dây đất), do đó dòng chạy qua đất bị giảm đi Hệ số giảm tương ứng bằng:
Tương tự thành phần dòng thứ tự không chạy qua đất bằng: 1 - f = Z1E/ZE (12)
Nhận xét:
+ Mạng điện nối đất hiệu quả thì tỷ số Z0/Z1≤ 3, mà Z0 phụ thuộc vào: kết cấu đất
(ρ điện trở suất của đất), kết cấu mạng điện (3 pha 3 dây hay 3 pha 4 dây, mạch đơn hay
mạch kép và kích thước dây dẫn trung tính ) Cùng với một kết cấu mạng điện, những
vùng có điện trở suất lớn sẽ có Z0 lớn, tỷ số Z0/Z1 cao, dẫn đến giảm tính hiệu quả của việc
nối đất, tức là cùng với một kết cấu mạng điện có vùng là nối đất hiệu quả, có vùng nối
đất không hiệu quả
+ Đối với cấu trúc 3 pha 3 dây, khi tải bất đối xứng càng lớn dòng điện trở về qua
điện trở nối đất trạm nguồn càng lớn, dẫn đến mức di trung tính của MBA nguồn 22kV
càng lớn và điện áp giáng trên điện trở nối đất của trạm nguồn càng lớn nên tính không an
toàn đối với con người càng cao
+ Đối với cấu trúc 3 pha 4 dây, do có dây trung tính kết hợp với các cơ cấu nối đất
lặp lại nên dòng điện trở về qua điện trở nối đất trạm nguồn giảm đi, dẫn đến mức di trung
tính của MBA nguồn 22kV giảm xuống, đồng thời điện áp giáng trên điện trở nối đất trạm
nguồn 22kV giảm xuống, nên tính an toàn đối với con người được nâng cao
Trang 64 Tổng hợp kết quả tính toán ngắn mạch vớii các cấu trúc lưới điện phân phối khác nhau
Để thấy rõ hơn ảnh hưởng của kết cấu lưới đến tính hiệu quả của nối đất hệ thống,
ta xét ví dụ tính toán ngắn mạch tại một mạng 22kV đơn giản như hình vẽ 1 với các giả thiết:
- Dây dẫn sử dụng dây AC-95
- Bỏ qua điện trở của dây dẫn
- Điện kháng ngắn mạch thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không qui về thanh cái 22kV trạm nguồn: X1 = X2 = 0,00089, X0 = 0,00028
- Khoảng cách hình học giữa các pha 1,43 mét
- Khoảng cách dây pha - dây trung tính: 1,219 mét
- Khoảng cách dây pha - đất: 10 mét
- Điện trở suất của đất: 100 ohm.mét
- Các dây pha được bố trí trên mặt phẳng nằm ngang, dây trung tính nằm phía dưới các dây pha
Kết quả tính toán ngắn mạch được thực hiện trên chương trình tính toán ngắn mạch PSS/ADEPT [5] như sau:
a- Cấu trúc LĐPP 3 pha 3 dây b- Cấu trúc LĐPP 3 pha 4 dây (dây trung tính AC70)
L
(km)
In(1)
(kA)
In (1,1)
(kA)
In(2) (kA)
In(3)
(km)
In(1) (kA)
In (1,1) (kA)
In(2) (kA)
In(3) (kA) R0/X1 X0/X1
c- Ta có thể biểu diễn kết quả tính toán mối quan hệ giữa tỷ số X0/X1 và chiều dài đường dây theo đồ thị ở hình 4
Nhận xét:
+ Kết quả tính toán ngắn
mạch đối với cỡ dây AC-95 cho
thấy dòng ngắn mạch giảm
nhanh (theo chiều dài đường
dây) chứng tỏ điện kháng và
điện trở của lưới 22kV (khi sử
dụng dây dẫn có kích thước ≤
95mm2) tương đối lớn, điều này
sẽ gây sụt áp và tổn thất công
suất tương đối lớn, đồng thời gây
Trang 7vệ rơle Thực tế còn có một số tuyến đường dây còn kéo đi xa hơn và tiết diện dây còn bé hơn nữa Một trong những giải pháp nên áp dụng là phân đoạn đường dây bằng cầu chì tự rơi, máy cắt hoặc thiết bị tự động đóng lập lại để phân vùng bảo vệ
+ Kết quả tính toán ngắn mạch với kết cấu lưới 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây cho thấy lưới 3 pha 4 dây có bán kính cấp điện hiệu quả lớn hơn lưới 3 pha 3 dây Kết quả tính toán cũng như thực thế cho thấy mạng trung tính nối đất hiệu quả với kết cấu 3 pha 3 dây chỉ thích hợp với các mạng có công suất lớn, phụ tải tập trung, tiết diện dây lớn và bán kính cung cấp điện bé Mạng 3 pha 4 dây kết hợp với nối đất lặp lại dây trung tính có nhiều ý nghĩa trong thực tế đối với lưới điện nông thôn, miền núi khu vực miền Trung và Tây Nguyên Với kết cấu này nó cải thiện được tính hiệu quả của nối đất do đó làm tăng phạm vi và bán kính cung cấp điện của mạng Đảm bảo tính kinh tế của mạng nhờ chọn các thiết bị điện có hệ số quá áp tạm thời bé
5 Kết luận
- LĐPP 22kV với cấu trúc 3 pha 4 dây có bán kính cấp điện hiệu quả lớn hơn cấu trúc 3 pha 3 dây, do đó sẽ giảm được vốn đầu tư TBA trung gian và các thiết bị bảo vệ và phân đoạn hơn so với lưới điện 3 pha 3 dây
- Với cấu trúc 3 pha 4 dây (có dây trung tính kéo theo mạng điện) kết hợp với các
cơ cấu nối đất lặp lại nên dòng điện trở về qua điện trở nối đất trạm nguồn giảm đi, do vậy điện áp giáng trên điện trở nối đất trạm nguồn 22kV giảm xuống, nên tính an toàn đối với con người cao hơn LĐPP 22kV với kết cấu 3 pha 3 dây
- Mạng trung tính nối đất hiệu quả với kết cấu 3 pha 3 dây chỉ thích hợp với các mạng có công suất lớn, phụ tải tập trung, tiết diện dây lớn và bán kính cung cấp điện bé
- Mạng 3 pha 4 dây kết hợp với nối đất lặp lại dây trung tính có nhiều ý nghĩa trong thực tế đối với lưới điện nông thôn, miền núi khu vực miền Trung và Tây Nguyên Với kết cấu này nó cải thiện được tính hiệu quả của nối đất do đó làm tăng phạm vi và bán kính cung cấp điện của mạng
Về mặt độ tin cậy cung cấp điện, nếu lưới điện 3 pha 4 dây sử dụng các MBA 1 pha hoặc tổ hợp 3 MBA 1 pha thành 3 pha kết hợp với thiết bị tự động đóng lại 1 pha, độ tin cậy cung cấp điện sẽ tăng cao Cấu trúc LĐPP 22kV 3 pha 4 dây với kết cấu dây trung tính cao hạ thế đi chung tại các khu vực đông dân cư, dây trung tính đi riêng ở các khu vực có mật độ dân cư thấp sẽ kết hợp hoàn toàn được hai mạng trên Thay vào đó, nếu kết hợp sử dụng MBA 1 pha và thiết bị tự động đóng lặp lại 1 pha sẽ rất hiệu quả về các mặt kinh tế và độ tin cậy cung cấp điện
Về mặt bảo vệ chống quá áp khí quyển: Đối với những vùng có mật độ sét cao, nếu sử dụng dây trung tính kết hợp làm dây chống sét sẽ giảm được suất sự cố do quá điện
áp khí quyển
Mạng 22kV có thể có chế độ trung tính nối đất hiệu quả với các đường dây công suất khá lớn và với khoảng cách trung bình, ứng với cỡ dây > 95 mm2 và bán kích cung cấp điện L < 40km Lúc này có thể đảm bảo tính kinh tế nhất của lưới nhờ chọn các thiết
bị với quá áp tạm thời bé Đối với các lưới có cỡ dây bé hơn 95mm2 rõ ràng cần phải quan tâm đến việc chọn lại các thiết bị điện khác với hệ số quá áp tạm thời lớn hơn, và đồng nghĩa với việc mất dần tính kinh tế của lưới có trung tính nối đất hiệu quả
Trang 8TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bộ Năng lượng (1994), Quyết định số 1867 NL/KHKT ngày 12 tháng 9 năm 1994 ban hành qui định các tiêu chuẩn kỹ thuật cấp điện áp trung thế 22kV, Hà Nội
[2] Lê Vân (1998), Nghiên cứu chế độ nối đất trung tính lưới phân phối, Đề tài nghiên
cứu khoa học cấp trường, Trường Đại học kỹ thuật- Đại học Đà Nẵng, Đà Nẵng
[3] Richard Roeper (1996), Ngắn mạch trong hệ thống điện, Nxb khoa học và kỹ thuật,
Hà Nội
[4] TCVN 4756-1989, Quy phạm nối đất và nối không thiết bị điện, Nxb Xây dựng, Hà
Nội
[5] Công ty Điện lực 3 (2005), Hướng dẫn sử dụng chương trình PSS/ADEPT, Đà Nẵng
