Ngắn mạch trong hệ thống điện richard roeper; người dịch đào kim hoa, trần đình long

CÁC LOẠI NGẮN MẠCH Khi đánh giá và lựa chọn nhà máy điện và hệ thống, không những cần phải tính đến dòng diện và điện áp trong chế độ làm việc bình thường mà còn phải quan tâm đến tai nả

NGẮN MẠCH TRONG HỆ THÔNG ĐIỆN

Người dịch : PTS ĐÀO KIM HOA

PTS NGUYỄN HỔNG THÁI

Naưìri hiẹu dính: GS TS TRÂN ĐÌNH LONG

SÓCH KỲ NIỂM 40 nam thanh lộp trường ĐỌI HỌC íỉACH KHOR

Ngắn mạch ỉ() loại sự c ố nguy hiểm í hường xay ra í rong hê thống điện Những hiển biết về ngon mạch rất con thiết cho mọi người làm nghề diện

từ khâu quy hoạch, thiết k ế đến lắp dặt và vận hành các thiết bị diện.

Chúng tôi hoon nghcnh cóc dịch giỏ: Pts Đ A O KIM H O A và Pìs

N G U YÊN H Ô N G THÁI, giong viên Bộ môn Hệ thống diện, Trường dại học Bách khoo Hò Nội dã lựa chọn, dịch vò giới thiệu với bạn dọc quyển

"Ngốn mạch trong hẹ thong diện" nòv cùa RICHARD ROEPER

Quyên sách trong lon xuất bán th ứ 2 (¡985) có tên "Ngắn mạch trong hệ thống diện" (Short-Circuit Currents in Three-phose Systems) đã giới thiêu một cách rất súc tích nhũng khái niệm cơ bân vê ngắn mạch và trình bày kha chi tiết cóc phương pháp tính toán dòng da n ngắn mạch trong hè thong diện bo pho.

Sách có thè dùng làm giáo trình dế gidng dạy món "Ngắn mạch" cho các lớp thuộc c huyên ngành diên trong các trường Đọi học và Cao dang kỹ thuật Sách cũng cỏ the dùng lòm tài liêu tham khảo cho các kỹ sư và chuyên gio diên lực khi tính toán thiết k ế hoặc lựa chon thiết bị diện vò các phdn từ dấn diên, tính toán chỉnh dịnh và kiểm tra các thỏng so của

hẹ thống báo vệ rơle vò trang thiết bị tự dộng trong hệ thống diên.

Chúng tôi xỉn ('hán thành cảm ơn Tập doàn SIEM ENS (Cộng hòa Liên Bang Đức) vò Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật dã giúp dơ tạo diêu kiện thuận lợi dè tập sách này dược ra mắt bọn dọc dứng vào dịp ky niêm 40 ndm ngày khai giỏng khóa học đâu tiên của Trường dai học Bách Khoa Hò Nội.

LÒI G IÓ I THIỆU

H à N ộ i, th á n g 10 - 1990

GSTS Trần Đình Long Chủ nhiệm Bộ mồn Hệ (hống diện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

LÒI G IÓ I THIỆU

Hiểu biết những diều kiện nghiêm trọng gây ra do ngắn mạch là rất cần thiết cho việc thiết kế kinh tế và tin cậy hệ thống diện

Quyển sách ngắn mạch này do Hăng Siemens ACÌ, Cộng Hòa Liên Bang Đức xuất ban lần thứ hai là một tài liệu sẽ trợ giúp các kỹ sư diện áp dụng dể tính toán dòng ngắn mạch

Thay mặt Phản ban truyền tái và phân phối diện năng của hãng Siemens

AG, tỏi chùn thành cảm ơn Giấo sư Tiến sĩ Trần Đình IvOng, Phó tiến sĩ Đào Kim lloa, Phố tiến sĩ Phạm Hổng Thái - cán bộ giảng dạy bộ môn

Hệ thống diện, Trường dại học Bách khoa Hà Nội và Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật dã nhiệt tình giúp đỡ trong việc dịch và xuất bản cuốn sách này bằng tiếng Việt và phân phát đến các đồng nghicp làm cóng tác truyén tải và phân phối diện năng ở Việt Nam Tôi thực tâm hy vọng rằng cuốn sách này sẽ rất bổ ích cho các bạn

Klaus VogesPhó Chủ tịch Phân ban truyền tải

và phàn phối điện năng Hãng Siemens AG

Cộng Hòa Liên Bang Đức

/ / '

Ngắn mạch là loại sự cô'nguy hiểm thường xdy ra trong hệ thống điện Nhũng hiểu biết về ngắn mạch rất cần thiết cho mọi người làm nghề điện

từ khâu quy hoạch, thiết kè'den lắp dặt và vận hành các thiết bị diện.

Chúng tôi hoan nghcnh các dịch giả: Pts Đ A O KIM H O A và Pỉs

N G U YÊ N H Ô N G THÁI, giảng vi.cn Bộ môn Hệ thống điện, Trường dại học Bách khoa Iỉà Nội dã lựa chọn, dịch và giới thiệu với bạn dọc quyển

"Ngắn mạch trong hệ thong diện" này của RICHARD ROEPER

Quyển sách trong lan xuất ban thứ 2 (1985) cỏ ten "Ngắn mạch trong hệ thống diện" (Short-circuit Currents in Three-phase Systems) đ ã giới thiệu một cách rất sú(' tích những khái niệm cơ bản ve ngắn mạch và trình bày khá chi tiết các phương pháp tính toán dòng ihcn ngắn mạch trong hê thong diện ba pha.

Sách có the dùng làm giáo trình dế giảng dạy món "Ngắn mạch" cho các lớp thuộc chuyên ngành diện trong các tnàxng Đại học và Cao đẳng kỹ thuật Sách cũng có th ể dùng làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư và chuyên gia diện lực khi tính toán thiết k ế hoặc lựa chọn thiết bị diện và các phần từ dẫn diện, tính toán chỉnh dinh và kiểm tra các thông s ố của

hè thống bào vệ rơle và trang thiết bị tự dộng trong hệ thông diên.

Chúng tỏi xin chán thành cam ơn Tập doàn SIEM ENS (Cộng hòa Lien Bang Đức) và Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật dã giúp dỡ tạo diều kiện thuận lợi d ể tập sách này dược ra mắt bạn dọc dứng vào dịp kỷ niệm 40 năm ngày khai giảng khóa học đáu tiên của Trường đại học Bách Khoa Hà Nội.

Hà Nội, tháng 10 - 1996

GSTS Trần Đình Long Chủ nhiệm Bộ mổn Hộ thống diện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

LÒI G IÓ I THIỆU

Hiểu biết những diều kiện nghiêm trọng gây ra do ngắn mạch là rất cần thiết cho việc thiết kế kinh tế và tin cậy hệ thống diện.

Quyển sách ngán mạch này do Hãng Siemens AG, Cộng Hòa Liên Bang Đức xuất bản lần thứ hai là một tài liệu sẽ trợ giúp các kỹ sư diện áp dụng dể tính toán dòng ngắn mạch

'khay mặt Phản ban truyền tải và phân phối diện năng của hãng Siemens

AG, tôi chân thành cảm ơn Giáo sư Tien sĩ Trần Đinh lx)ng, Phó tiến sĩ Đào Kim Hoa, Phố tien sĩ Phạm Hồng Thái - cán bọ giảng dạy bộ môn

Hệ thống diộn, 1'rường dại học Bách khoa Hà Nội và Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật dã nhiệt tinh giúp đỡ trong việc dịch và xuất ban cuốn sách này bằng tiếng Việt và phản phát den các đổng nghiêp làm công tác truyén tải và phân phôi diện năng ở Việt Nam Tôi thực tàm hy vọng rằng cuốn sách này sẽ rất bổ ích cho các bạn

LÒI G IÓ I THIỆU

Klaus VogesPhố Chủ tịch Phân ban truyền tải

và phân phối điện năng Hãng Siemens AG

Cộng 1 lòa Liên Bang Đức

LỜI NÓI ĐẦU CHO lfì'N XUẤT BỒN THỨ HRI

Hiểu biết nhưng diều kiện nghiêm trọng nhất do ngắn mạch gảy ra

là rất cắn thiết cho việc thiết k ế kỉnh tê tin cậy nhà máy điện.

phạm VDE 0102 phần H11.71 và phần 2! 11.75 dã dưa ra những

Quyển sách này sẽ trợ giúp các kỹ sư áp dụng những hướng dẫn dã

nêu Đầu tiên giới thiệu hàm thời gian của dỏng ngắn mạch gần và

trình l)ày tóm tắt khả năng cho phép dịnh dòng

này Richard Roeper dã phát triển vá mở rộng những nội dung của

sách Ngắn mạch trong hệ thông điện Lần xuất bản dầu tiên

dã dược phát hành vào năm ¡972.

3.2 Tính toán chu kỳ ban đầu dòng ngắn mạch khi cỏ

5 TÍNH TOÁN TỔNG TRỎ CỦA NHÀ MÁY VÀ

5.1.4 Máy biến áp 116

5.2.2.1 Tính toán bằng các giá trị tổng trở tuyệt đối 135

5.2.2.2 Tính toán bằng các giá trị tổng trở tương đối 136

6.1 Tính toán dòng ngắn mạch chu kỳ ban đầu dùng

8.1 Các hệ sô để xác định Is, la và Ik(theo VDE 0102

>.2 Các giá trị đặc trưng đối với thiết hị ba pha

8.2.1 Các giá trị đặc trưng đối với máy phát đồng bộ

8.2.3 Các giá trị dặc trưng dối với thanh góp ở các

8.2.5 Các giá trị dặc trưng đối với đường dây

KÝ HIỆU VÀ CHỈ SÓ

Ký hiệu

Dòng điện

I"k Dòng ngắn mạch chu kỳ han đầu

Diện áp

kích thích chính siêu quá độ (sức điện động pha)

U|, Diện áp vận hành của hệ thống, gía trị trung bình

(điện áp dây)

Urn Diện áp rưi cho phép danh dinh (thường tính bằng %)

Công suât

S"k Công suất biểu kiến ngắn mạch chu kỳ ban đầu

SN Công suất biếu kiên danh định của thiết bị

Diện kháng và lổng trơ

X",| Điện kháng ban dầu của máy dồng bộ (diện kháng siêu

qúa độ bãơ hòa)

Zv Tổng trở hệ thống (phần của z k không bao gồm tổng

trở máy phát)

Hằng sô thời gian

T"d Hằng số thời gian siêu quá độ

Các đại lượng khác

k2 Ngắn mạch hai pha không chạm đất

kE2E Dòng ngắn mạch chạy xuống đất trong trường hợp

Chương / KHAI NIỆM CHUNG

1.1 CÁC LOẠI NGẮN MẠCH

Khi đánh giá và lựa chọn nhà máy điện và hệ thống, không những cần phải tính đến dòng diện và điện áp trong chế độ làm việc bình thường mà còn phải quan tâm đến tai nảy sinh khi ngắn mạch (theo quy dinh VDE)(I> Nói chung dòng ngắn mạch lớn hơn nhiêu lần dòna điện dịnh mức Vi thế có thể gây ra ứng suất nhiệt và ứng suất dộng rất lớn Trong trường hợp ngắn mạch chạm đất có thể sinh ra diện áp tiếp xúc không cho phép và nhiễu Nếu dòng ngắn mạch lớn nhất không được tính dến ở giai đoạn thiết kế, thì những hậu qua trên có thể làm hư hỏng thiết bị và nguy hiổm cho con người Dòng ngắn mạch nhỏ nhất có thể cũng cần phải được xác định vì nỏ có ý nghĩa quan trọng đối với hệ thống trong việc lựa chọn thông số kỹ thuật cho thiết bị báo vệ

Trong hê thống ba pha các loại ngắn mạch chủ yếu được trình bày trôn hình 1.1 (21

Trong trường hợp ngắn mạch ba pha, diện áp của cả ba pha tại điểm ngắn mạch đều bằng không và dòng điện chu kỳ trong ba pha đối xứng và lệch nhau một góc 120° không kể điểm ngắn mạch được nối đất hay không nối đất Do đó chỉ cần tính dòng điện ngắn mạch cho một dây dẩn như cho các dặc tính tải đối xứng

(1 )Tiêu chuấn kỹ thuật điện của Đức

(2) Trong tài liệu này chúng tỏi vân giữ ký hiệu (lùng trong nguyên bản đối với

hệ thống rlòng điện 3 pha: R (pha A), s (pha R) và T (pha C).

e hai pha chạm đất tại 2 điểm khác nhau

Chú ỷ: Dòng điện ngắn mạch có thể phân bố trong dây dẫn không bị s ự cô' cũng như dây dẫn

bị sự co' Chiều của mũi tên chi dòng điện có tính qui ước.

Bốn loại ngắn mạch khác gây ra các trạng thái không đối xứng Cụ thể, nếu tính thêm sự cố chạm đất thì khối lượng tính toán lớn hơn đáng kể Trong các loại ngắn mạch này, các điện áp tại điểm ngắn mạch không phải đêu bằng không Hậu qủa của điểu kiện không đối xứng làm sản sinh ra hồ cảm giữa các dây dẩn và giữa các dây dẫn với dây trung tính nếu có

Ngắn mạch hai pha không chạm đất sinh ra dỏng mạch kỳ’ ban dầu nhỏ hơn dòng điện ngắn mạch ba pha Tuy nhiên, nếu

vị trí diểm ngắn mạch gần máy đồng bộ hoặc máy không đồng bộ cùng công suất , thì dòng ngắn mạch có thể trở nên lớn hơn Uk ngắn mạch ba pha

Nạắn mạch hai pha chạm cỉấl cũng có các đặc tính tương tự.

Sự cố chạm (lất một pha xay ra thường xuyên hơn các loại ngắn

mạch khác Dòng điện chạm đất với trung điểm nối đất trực tiếp có

thể vượt quá dòng lớn nhất sinh ra do ngán mạch ba pha

thống với trunu điểm cách diện hoặc trung điểm nối đất qua cuộn

dập hồ quang Dòng sự cô hai pha chạm đất tại hai điểm không thể

vượt quá dòng ngắn mạch hai pha chạm đất hoặc không chạm đất

Các dòng ngắn mạch do chạm đất một pha và hai pha chạm đất tại

hai điểm khác nhau rất có ý nghía đối với việc xác định điện thế

tiếp xúc, nhiễu và kích cỡ của hệ thống nối đất

1.2 CÁC ĐỊNH NGHĨA (theo VDE 0102*)

Dòng điện ngắn mạch ik là dòng đi đến điểm ngắn mạch trong thời

gian ngắn mạch

Dòng ngắn mạch xoay chiều L là thành phần chu kỳ của dòng ngắn

mạch

Dòng ngắn mạch thành phần là mót phần của dòng ngắn mạch

trong các nhánh khác nhau của mạch diện

Dòng ngắn mạch chu kỳ han dầu 1" là giá trị hiệu dụng của dòng

ngắn mạch chu kỳ tại thời diềm hắt đầu ngắn mạch

Dòng ngắn mạch không dõi xứng cực dại Is là giá trị tức thời của

dòng điện lớn nhất có thể trong ngắn mạch Nỏ được xem như giá

trị cực dại

Dỏng ngắn mạch duy trì Ik là giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch

„chu kỳ dược duy trì sau khi kết thúc quá trình quá độ

Trong trường hợp ngàn mạch ba pha gần máy phát kí'Ch thích

không đổi, dòng ngắn mạch chu kỳ suy giảm từ giá trị hìiệu dụng ban đầu ĩ'k đến dòng ngắn mạch duy trì Ik: tức là Ik <I"k Trong

trường hợp ngán mạch ba pha xa máy phát, dòng ngắn mạch chu

kỳ gần như không đổi trong suốt thời gian ngắn mạch Do đó dòng ngắn mạch chu kỳ ban đầu I"k bằng dòng ngắn mạch duy ttrì Ik: tức

là Ik=I"k

Dòng điện ngắt không đối xứng Iu (xem mục 2.3)

Dòng điện ngắt đối xứng Ia: là giá trị hiệu dụng của dèmg ngắn mạch chu kỳ chạy qua máy cắt ở ngay thời điểm mở dầu tiếp xúc (tham khảo trong VDE 0670/1 dòng điện ngắt đối xứng)

Sức diện động ban đầu E" (Sức điện động siêu quá độ) là giá trị hiệu dụng của sức điện động tác dụng của máy đồng bộ ở ngay thời điểm bắt dầu ngắn mạch (dược coi như điện áp pha và pihụ thuộc vào tải ban đầu)

Điện áp vận hiành của hệ thống uh là điện áp trung bình giữa các dây dẫn ở chế độ hệ thông làm việc bình thường(điện áp dây)

Điện áp danh dịnh hệ thống UN là điện áp giữa các dây dẫn được quy định khi thiết kế hệ thống và nó liên quan đến các đặc: tính vận hành riêng

Công suất ngắn mạch chu kỳ ban đầu S"k là tích của dtòng điện ngắn mạch ba pha chu kỳ ban đầu I"k, điện áp danh địnih của hệthống UN và hộ số V5 : tức là S"k= V3 UnI 'ic- Ký hiệu ngắn gọn

"Công suất ngắn mạch” là S"k

**%*****■ »

J m x «t »

* * * * ' ' % %

Thời gian cắt trễ tối thiểu tv là thời gian ngắn nhất có thể kể từ thời điểm bắt đầu ngắn mạch đến thời điểm mở đầu tiếp xúc của máy cắt Nó là tổng thời gian đáp ứng nhỏ nhất có thể của rơ le và thời gian tác động của máy cắt (không kể đến thời gian chậm trễ chút ít

Tổng trở thứ tự thuận Z| là tổng trở thứ tự thuận của hệ thống ba pha được nhìn từ điểm ngán mạch Nó gồm tổng trở thứ tự thuận của các thành phần trong hộ thống

Tổng trở thứ tự nghịch Z2 là tổng trở thứ tự nghịch của hệ thống ba pha được nhìn từ điểm ngán mạch Nó gồm tổng trở thứ tự nghịch của từng thành phần trong hệ thống

Tổng trở thứ tự không Zo là tổng trở thứ tự không của hệ thống ba pha được nhìn từ điểm ngắn mạch Nó gồm các tổng trở thứ tự không của từng thành phần trong hệ thống

Từ "dây dẩn" được dùng trong tài liệu này tương đương với từ "dây dẫn ngoài" trong DIN 4897, 12.1973 Các dây dẩn khác nhau như dây trung tính, dây nối đất được ký hiậu tương ứng

Giá trị của tổng trở z, điện kháng X và điện trở R là cho một dây hoặc một pha

Ký hiệu gạch dưới biểu diễn đại lượng phức; ký hiệu không gạch dưới biểu diên biên độ của đại lượng phức

trong hệ thống truyền tín hiệu cắt)

Ví du:

m Ũ Ọ C

Chương2. DÒNG ĐIỆN NGẢN MẠCH, ĐỘ LỐN VÀ

Sự BIỂN ĐỔI THEO THOI GIAN

2.1 GIỚI THIỆU

Ngắn mạch trong hệ thống điện sẽ gây ra sự biến đổi mức độ vận

hành Sự quá độ đến trạng thái mới cùng với sự tham gia của quá

trình quá độ điện cư và điện từ sẽ ảnh hưởng đến độ lớn và sự biến

đổi theo thời gian của dòng ngắn mạch

Từ ban chất của ngắn mạch, quá trình quá độ bị ảnh hương bởi thời

điểm xảy ra ngắn mạch, nguồn dòng ngắn mạch, trạng thái tai ban

đầu, vị trí điểm ngắn mạch, thời gian kéo dài ngắn mạch, cấu trúc

của hệ thống, công suất và đặc tính của thiết bị liên quan

Thời điểm hắt dầu ngắn mạch liên quan đến dạng sóng điện áp sẽ

có ánh hưởng đáng kề den giá trị cực đại của dòng ngắn mạch, điều

này rất quan trọng trên quan diểm lựa chọn đặc tính kỹ thuật của

thiết bị vận hành

Nguồn dòng ngắn mạch chủ yếu là máy đồng bộ với các dạng khác

nhau (tức là máy phát điện tua bin hơi, máy cực lồi) Máy phát

không dồng bộ cũng như các động cơ dồng bộ và không dồng bộ,

các dộng cơ dổi chiéu vận hành ở chế độ ngược cũng tạo thành

nguồn dòng diện (Các dặc tính kỹ thuật của các máy này và các

thiết bị diều khiển của nỏ, như bộ điổu chỉnh tần số và diện áp khi

thời gian ngắn mạch kéo dài có thể ảnh hương đáng kể đến quá

trình quá độ.)

Trong nhiều trường hợp, công suất ngán mạch của hệ thống điện áp

cao (nauồn cung cấp ngoài) được xem như nguồn dòng ngán mạch

Ví dụ trong trường Hợp hệ thống cung cấp diện vùng hoăc hệ thống

côn a nghiệp 1 ‘

'Trạng th á i tải han dầu của hệ thtải nặng hoặc nftẹ - được xác

định không chí hởi số lượng, cổng suất của nguồn điện và hộ tiêu

thụ vận hành song song mà còn do điện áp hiạu dụng của các

nguồn dòng ngắn mạch

mạnh hohe yếu của máy dồng hộ đến-tịuá trình ngắn mạch theo

thời gian: nghía là theo quy dịnh VDE, ngắn mạch được chia hoặc

gần máy phát hoặc xa máy phát Vị trí của điểm ngán mạch cũng là

một yếu tố quyết dịnh dối với mức độ vận hành hệ thống hị gián

đoạn (ví dụ sự cố thanh cái)

bao vệ và máy cắt được lắp dặt trong hệ thống Trong trường hợp

cắt ngắn mạch thoáng qua, thời gian chết và toàn bộ quá trình đóng

trơ lại - thành công hoặc không thành công - là các yếu tố ánh

hương đến quá trình quá độ

C ấu trúc hệ thống (nghĩa là lưới diện dạng tia hoặc vòng) xác định

đườnư đi của dòng ngắn mạch và các thành phần của nố Tổng trở

ngắn mạch dang trị của hệ thống phụ thuộc vào bản chất của các

phần tử tham gia truyền tải (tức là dường dây trên không , cáp,

máy biến áp) và quy mô của hệ thống

Dưới đây, trước hết sẽ mô tá sự biến đổi của dòng ngắn mạch theo

thời gian với điện áp không đổi (ngắn mạch xa máy phát) cho hệ

thống một pha dơn gian, sau dỏ sẽ mơ rộng cho hệ thống ba pha

Tiếp theo sẽ xem xét tinh trạng vận hành của máy phát đồng bộ

trong trong trạng thái ngán mạch và sự kết hợp của tổng trơ hệ

thống và máy phát cùng với sự tác động của tải động cơ sẽ được

trình bày

2.2 NGẮN MẠCH VỚI ĐIỆN ÁP KHÔNG Đ ổ i (XA MÁY PHÁT)

đỏng không qua điện trở

ở thời điểm t = 0 khi

điện áp qua trị số không

Dỏng điện ngắn mạch ik (hình 2.2), ở thời điểm t = 0 có trị sô ik = 0 lăng đến giá trị cực dại là dòng ngắn mạch không đối xứng cực đại

lg và sau đó giảm đến dòng ngắn mạch chu kỳ ở trạng thái ổn dịnh

L Dòng này cỏ giá trị cực đại không đổi Cìiá trị hiệu dụng của nó dược định nghía là dòng ngắn mạch duy trì lk

Hình 2.1. Mạch điện thay thế của hệ thông xoay

chiều một pha không tải.

Mức độ không đối xứng và giá trị cực đại của dòng ngấn mạch được xác định bằng thời điểm Xiiy ra ngắn mạch liên quan đến dạng sóng diện áp và tổng trơ ngắn mạch của hệ thống Zk = Rk

+jXk Nếu Zk dược gia thiết gồm chủ yếu thành phần cảm kháng như trong hệ thông diện áp cao, thì dòng ngán mạch chu kỳ có góc chậm pha lớn so với diện áp tác dung Vì thế dòng điện cố thể tâng dột ngột đến giá trị tức thòi của dòng ngấn mạch chu kỳ tại thời diểm t = 0; tuy nhiên trong thực tế, vi mạch diện chứa điện cảm nên không thề có sự thay dổi đột ngột của dòng điện, bởi thế nên ở thời diểm ban dầu dòng ngắn mạch phai bằng không

rv - dòng ngắn mach chu kỳ ban đầu

ls ■ dòng ngắn mach không đối xứng cực đai

A - giá trị ban đầu cỏa dòng điên môt chiều

ig - dònq ngăn mach môt chiếu (dòng quá độ)

Muốn vậy phải cỏ sự tham giii'của dòng quá độ ip với giá trị han đầu A của nó hằng và ngược chiều với giá Irị tức thời của dòng ngắn mạch chu kỳ L Dòng quá độ dược xem như là thành phần một chiều Nó suy giảm từ giá trị han dầu dến trị số không theo hàm mũ với hằng số thời gian một chiều Tj¡.

Dòng ngắn mạch chu kỳ L là kêì qua của diện áp tác dụng và tống trơ hộ thông Ciiá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch chu kỳ ử ngay thời điểm hắt dầu ngắn mạch dược gọi là dòng ngắn mạch chu kỳ han đầu l"k Với giá trị U và Z* không dổi, ngược với quan hệ ngắn mạch gần máy phát (mục 2.3), thì I"k cũng tương ứng với dỏng ngắn mạch duy trì sao chơ I"k = Ik

Các dường hao mỏ ta giá trị cực dại của dòng ngắn mạch thay dổi theo thời gian Dường hao phía trên cắt trục tung tại điểm A + V2

I"k, thực tê A < y fĩ I"k Đường haơ dưới cắt trục tung ở điểm A

-V2 l"k Thành phần một chiều tương ứng với dường cong trung hình giữa dườnũ hao trên và dường hao dưới

Dạng sóng của dòng diện ngắn mạch cỏ thể dược hiểu diễn hằng phương trình sau:

u = giá trị hiệu dụng của diện áp tác dụng

x k = dợ lớn tống trơ ngắn mạch hệ thông (=y[RÌ + Xk )

co = tần sô góc (= 2rr0

t = thời gian

cp = góc cát của diện áp ở thời điểm hắt đầu ngắn mạch

cpk = góc pha của tống trơ ngắn mạch hệ thống (= tan —- )

Đaịdượng zk, (pk và Tj; là hàm của các tham số Rk và xk (ìóc cắt lị/

phụ thuộc vào thời điểm hắt đầu ngắn mạch tk, vì thế nỏ là đại lượng ngẫu nhiên

Từ phương trình ik ta nhận thấy rằng, nếu cho trước tổng trở z k thì gía trị cực đại của dòng ngán mạch chu kỳ L sẽ không phụ thuộc góc pha cpk của tổng trở ngấn mạch: Thành phần dòng một chiều ig

sẽ đạt độ lớn cực dại khi góc cắt 1|/ =((pk - 90°)

Biên độ cực đại dầu tiên của dòng ngắn mạch ik phụ thuộc vào góc cắt \Ị/ và góc tổng trở ngắn mạch (pk Giá trị lớn nhất thường đạt khi góc cắt Vị/ = 0 (xem hình 2.5) Nếu Vị/ = (pk sẽ không có thành phần một chiêu: dòng ngắn mạch ik sẽ giống đòn a ngắn mạch chu

kỳ L

Các dang sóng của dòng ngắn mạch với hai tỷ sô của tham số mạch

chứng minh cac quan he nay (hình 2.3a den 2.3d)

Đối với trường hợp Rk/Xk = 0.03 (nghĩa là với bộ điện kháng giới hạn dòng điện ) thì gốc tổng trơ (pk = 88.3°(thực tế là 90°) Tỉ số Rk / xk = 1 ((pk = 45°) có thế nảy sinh trong mạng cáp hạ áp

Trong hình 2.3a (cpk « 90°), với V|/ = 0, cả hai giá trị ban đầu của dòng một chiều và giá trị cực dại dầu tiên của dòng ngắn mạch gần như đạt trị số cực dại có thể của nó Sự suy giảm chậm của dòng một chiểu ảnh hưởng mạch dến dộ lớn và sự biến đổi của dòng ngắn mạch theo thời gian

Trong hình 2.3b ((pk « 45°), với Vị/ = 0, giá trị cực đại đầu tiên cũng lại ở thời điểm gần giá trị cực dại của thành phần xoay chiêu, mặc

dù thành phần một chiểu không hắt đầu ở giá trị cực đại có thể của nó.

Nếu góc cat \|/ = - 45 1 (đường chain châm), thì giá trị han đầu A của dòng một chiêu dạt trị sô cực dại tại thời điểm ngắn mạch; Tuy nhiên, đỉnh dòng diện dầu tiên không đạt gía trị với VỊ/ = 0, hởi vì thành phần một chiều thực tê dã giam tới không

Trong hình 2.3c và d (q )k Ä 90° và (pk = 45°),với góc cắt Vị/ = ọ k, sẽ không cỏ thành phần dòng diện một chiều và dòng ngắn mạch tương ứng với dòna mạch ngắn chu kỳ

Sự phụ thuộc của hằng số thời gian Tg vào tỷ sô Rk*/Xk được chì ra trong hình 2.4 a và b Đồ thị b cho thấy rằng với Rk/Xk < 0,1 thi giá trị Tị, tăng rất dốc

Hai giới hạn về lý thuyết của tổng trử ngắn mạch cố hệ thống cố thể được xem xét :

Nếu Zk = j x k (cám kháng) với tần sô 501 thi đỉnh dòng điện ngắn mạch lớn nhất đạt được sau 0,01s từ thời xảy ra ngắn mạch điện áp

đi qua gía trị không Cìiá trị han đầu của dòng một chiều bằng giátrị cực đại của thành phần chu kỳ V2 I"k; Thành phần một chiều không suy giảm bởi vì hằng số thời gian của thành phần một chiều

Tg = 00

Nếu Z|c =Rk (điện trở thuần), thi không cỏ thành phần một chiều và dòng diện ik chì là dòng ngán mạch chu kỳ

Sự biến đổi của tỉ số ls ¡ S r k (ti sô giữa dòng ngắn mạch không

dối xứng cực dại với giá trị cực dại của dòng ngắn mạch chu kỳ ban dầu) với Rk/ xk và góc cắt Vị/ dược chỉ ra trôn hình 2.5

Hình 2.5. Ti sô ls/ V2 l"k (giữa dòng ngắn mạch không đối xứng cực đai và giá trị cực đại

của dòng ngắn mach chu kỳ ban đẩu) là hàm của Rk/ xk và g6c cắt VJ/.

2 2 1.2

Ilình 2.6 cho la mạch điện dắng tri cua hộ thống xoay chiêu một

pha có tải.Tải đuợc biểu diễn hằng một lổng trở không dổi Z|, - Rb

+ ị Xb mang dòng diện ib ơ ngay thời diẻm ngắn mạch, trạng thái

I lình 2.7a trình bày trường hợp Rk/ x k = Rb/ X|, = 0.03 0pk = (Pi, )

Dòng tai ih chậm pha so vói diện áp tác dụng u một góc 88,3°

Dònư tai gần như ởưiá trị cực dại âm của nỏ khi dòng ngắn mạch xay ra ư t = 0 diện áp qua giá trị 0

1 lình 2.7b chì ra trường hợp khi Rk/ x k = R|,/ X|, =1 Dòng tái chậm

pha so vói diện áp một góc 43"

Trong cả hai trường hợp, dòng ngắn mạch ik phải bắt dầu ở giá trị

lức thời của dòng tai ¡1, Dể thoa mãn diều kiện này thi giá trị ban

dầu của dòng một chiều phai bằng và ngược chiều với giá trị tức

thời (L-i„) Tronư hình 2.7b, anh hương của thành phần dòng một

chiều đến độ lớn của iiiá trị cực dại dầu tiên của dòng diện là rất

nho vì nó suy giam rất nhanh

Hinh 2.6. Mach điên thay thế của hệ thống xoay chiều một

pha có tải.

So sánh hình 2.3 và 2.7 cho thấy rằng các dòng ngắn mạch chu kỳ

là giống nhau trong khi giá trị han đầu của thành phần một chiều bị giảm do dòng tải và do đỏ giá trị cực đại của dòng ngắn mạch bị giảm

Khác với trị sô dòng diện được chọn nhằm minh họa bằng đồ thị trong các hình, thực tế thì dòng ngắn mạch trong đa sô các trường hợp lớn hưn đáng kể so với dòng tải Tỷ số R/X của tổng trở ngắn mạch Zk và tổng trơ tai Z b khác nhau rõ rệt

Sự biến dổi của dònsỉ ngắn mạch theo thời gian trong hệ thông cỏ tải cỏ thể dược biểu diễn bằng phương trình m ơ rộng dưới đây

Z|,: đó lởn của lona tro tai

X: độ lớn của tona trở loàn mạch ( = Vr : + x : )

R = R k + Ri X = Xk + X„

cp = góc ph;i của tống trơ toàn mạch (= tan 1 X/R)

Thành phần đầu tiên cua phương trình tương ứng veri dòna ngắn mạch chu kỳ trạna thái ốn định 'ĩhành phần thứ hai hiếu diễn aía trị tức thời của dờna t;ii (c’y thời điếm bắt đầu naắn mạch, khi t = 0)

và thành phần thứ ha là dòna diện một chiều: liai thành phần sau suy giam với hằng sô thời aian Tj, (xem hình 2.4)

(ìóc cal \|/ c'y thời diem x;iy ra ngan mạch lạo ra d()ng cực dại lớn nhất Is phu thuộc vào lai có thể được xác dịnh từ phươna trình:

I sin(cp -cp) V|/ = tan — - -

Ik ! lh - cos((pk - cp) (2.3)

2.2.2 Hệ thống ha pha

ỉvLtch diện dring trị của hệ thống ha pha dc)i xứng dưcyc trình bày trèV hình 2.8 (Sự dơn akin hóa này cũng cớ giá trị cho mục dich tính nnán sự bien dối của dona naan mạch theo thời gian với ngắn mạch ba pha)

cÌia thiết cỏ ha nguồn điện áp lý tương khônií cỏ điện trơ trong:

Tổng trư Xk =Rk + ịx k là giống nhau về độ lớn và gốc pha và là

hằng sô và tuyến tính trong mỗi dây dẩn R, s và T Cho đến thời

điểm xảy ra ngắn mạch, tại t = 0, dòng điện ỈRk = isk = ilk = ík Ngắn

mạch bị tác dộng đồng thời trong ba dây dẫn ử t =0 do phương tiện

đóng cắt không qua điện trở

Mạch diện có đối xứng quay I lai trung điểm của hình sao có điệh

mà không có dòng diện chạy qua vì thế dể thành lập phương trinh

cho ba dòng điện ngắn mạch, cỏ thể chia hệ thống ba pha thành ba

mạch một pha ảo (đường chấm trong hình 2.8)

ÍK k = V2 I"k [sin(cot + VỊ/ - (pk) - cxp( - t/Tg)sin(vị/ - (pk)]

isk = V2 I"k [sin(cot + Vị/ + 240° - cpk) - exp(- t/Tj;)sin(Vị/ + 240° - (pk)

i-rk = V2 [sin((út + Vị/ + 120° - (pk) - cxp(- t/Tg)sin(vị/ + 120° - (pk)]

Trong ví dụ, tổng trơ z k gần như là kháng cám thuần tuý,.sao cho

ở thời điểm t = 0 , dòng ngán mạch chu kỳ là & iT- ~ - 0 , 5 Ĩ r ~

Cìiá trị han đầu của thành phần dòng một chiều được cho với tương quan như vậy Vi thê trong các dây dẫn độ lệch (so với trục thời gian) của các dòng mạch không dối xứng isk và i rk là nhỏ hơn dáng kể so với độ lệch của dòng ỈRk Khi ngắn mạch ha pha, tải do các dòng ngắn mạch thành phần chu kỳ dược xem là đối xứng trong suốt quá trình quá độ Tuy nhiên các dòng ngán mạch và các thành phần một chiều trong các dây dẩn có độ lớn khác nhau dần đến các giá trị hiệu dung thay đổi theo thời gian cũng khác nhau

Hình 2.9h trinh hày trường hợp trong dó dây dần R, VỊ/ - (pk ở t = 0 Dòng ngắn mạch iRk không chứa thành phần một chiều chỉ dơn gián là dòng ngắn mạch thành phần chu kỳ Điều này tương ứng tình huống trong hình 2.3b c á hai giá trị tức thời của dòng ngắn

C á c d ò n g n g ắ n m ạ c h đ ư ợ c c h o h ơ i b a p h ư ơ n g t r ì n h

mạch chu kỳ vù thành phần một chiều trong dây dẩn s và T mang

dấu âm ở t = 0 (is- = -Ì t ~ : ¡Sj! = -ÍT*)- lệch của dòng ngắn mạch dối với trục hoành lớn hơn trong hình 2.9a; tuy nhiên gía trị cực dại dầu liên không dạt tới gía trị ngắn mạch không dối xứng cực dại

Hình 2.9. Hàm điện áp và dòng ngắn mạch theo thài gian trong các dây dẫn R, s, T

( I l l ực tô, thường chỉ quan lâm đến các eía trị cực đại, vi vậy chí cần xem xét một pha tron« trườn ũ hợp ne an mạch ha pha).

Từ đổ thị của hình 2.10 có thể thây quan hệ giữa điện áp tác dụng của hộ thống ba pha và dòne diện troné ha dây dần tại t = 0 dối với góc cắt V|/ - 0 khi Uk = 0 cho hai trường hợp với tỷ sô tổng trơ hệ thốne khác nhau

Véc tơ dòng diện chu kỳ jK„ ịs và i l chậm pha so với diện áp tươne ứng một góc 00" Dòne diện ịR„ nằm trên phần âm của trục

;ỉo và tương ứng với eiá trị tức thời

Ì r = - V2 I"k Giá trị tức thời của dòng is, và iT_ được đưa ra bằngcách chiếu véc tư của nỏ trên trục ảo ở is~ = i|, = 0.5 V2 I"k Vì thế giá tri han đầu của thành phần một chiều là Ar = V2 r k và As = A-I

= - 0.5 y fĩ I" 'k , VÌ tổng các dòng ngắn mạch phải luôn luôn bằng 0 (như là tổng của thành phần chu kỳ và thành phần một chiéu tương ứng ở thời điểm t = 0)

Hình 2.10b tương ứng với trường hợp tổng trở hệ thống z k = Rk +

ịx k với góc pha (pk = 75° Mặc dù tổng trở vẫn cố thành phần cảm kháng tương đối lớn nhưng sự biến đổi với giá trị ban dầu của các dòng ngắn mạch chu kỳ và tương ứng đối với thành phần một chiều là dỗ được nhận thấy (xem hình 2.5)

2.3 NGẮN MẠCH TRONG KHI VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐỔNG IỈỘ (NGẮN MẠCH GẦN MẢY PHÁT)

2.3.1 Ngắn mạch đầu cực máy phát khi vận hành không tái

Khi ngắn mạch, sự thay đổi của dòng ngắn mạch theo thời gian bị anh hưửng dáng kể do dặc tính kỹ thuật riêng của máy phát Điểu này đặc biệt dễ thấy ví dụ trong trường hợp ngắn mạch dầu cực máy phát dồng bộ cớ cuộn dây cản (máy phát tuốc bin hơi ba pha)

Nỏ dược vận hành không tải ở tốc độ dịnh mức với kích thích không dổi với điện áp dịnh mức ở đầu cực cuộn đây stato của nó: Nếu các đầu cực cuộn dây stato bị ngắn mạch tại thời điểm điện áp

U r qua giá trị 0 thì các dòng ngấn mạch iRk, isk và i|k thay dổi theo thời gian dược trinh bày trên hình 2.11

Hinh 2.11. Hàm dòng điện ngắn mạch theo thời gian do ngắn mạch đầu cực máy phát tuốc bin hơi ba pha khi vận hành không tải ở tần sô" và điện áp danh định ( ur = 0 ờ t=0).

Như trong trường hợp ngán mạch xa m áy phát, dòng điện ngắn mạch ỈRk đầu tiên tăng đến giá trị đỉnh, dồng điện ngắn mạch không đối xứng cực đại và sau đó suy giảm đến dòng ngắn mạch duy trì Tương tự các hàm dòng diện ngắn mạch lệch khỏi trục () do ảnh hương của các dòng diện quá dợ (Trong m áy phát dồng bộ có dòng diện xoay chiêu tần số rất thấp nhưng với mục dich thực tế nó

cố thể dược coi như là sự suy thoái của thành phần một chiồu)

hơi thành phồn một chiều mà còn do sự giam đáng ke của dòng diện thành phần chu kỳ.

Hình 2.12 cho thây phạm vi lớn hơn của sự biên đổi dòng diện ngan mạch ik theo thời gian trong dây dẩn R và thành phần L và của nỏ

- diện kháng dồng bộ

- diện kháng quá dộ và

- diện kháng siêu quá độ

Thành phần duy trì (dòng diện ngắn mạch chu kỳ xác lập; tức làdòng diện ngắn mạch duy trì) có giá trị không dối V2 I"k Cìía trị hiệu dụng là thương số của diện áp pha danh dịnh Uyn và diện kháng dồng bộ X,| vận hành dưới diều kiện ngắn mạch duy tri (vé nguyên tắc dược xác dịnh bằng phan ứng phần ứng)

Hình 2.12. Hàm dòng điên ngăn mach ik theo thời gian và thành phần ig và i trong dây dẫn R.

Giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch chu kỳ quá độ là thương số của điện áp pha danh định U y n và điện kháng qúa độ X',|.

ban đầu ^ I", c ìía trị hiệu dụng là thương sô của điện của diện áp pha danh định U yn và diện kháng siêu qúa độ X",i:

1 k - _

X"d

(2.8)

Ảnh hương siêu qúa độ không sinh ra trong máy dồng bộ với cực

rô to ghép bằng thép lá và không có cuộn cản ( ĩ k = I"k)

Sự biến đổi của dòng ngắn mạch theo thời gian từ thời điểm bắt dầu ngắn mạch dến trạng thái ổn dịnh có thể biểu diễn bằng phương trình sau đây:

ik = V2 [d "k - I'k) exp( - t/T"d) + ( I 'k - Ik) exp(t/T'd)

+ Ik] sin(cot - ẹ k)+ yÍ2 I"kexp( - t/Tp) sin (pk (2.9a)