Giáo trình Ngắn mạch trong hệ thống điện (Cao đẳng) - Trường CĐ Điện lực Miền Bắc

(NB) Giáo trình không những cung cấp cho sinh viên cơ sở phương pháp tính toán ngắn mạch mà còn có thể tham khảo thêm về lý thuyết phân tích quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện. Cấu trúc của giáo trình có nội dung như sau: Khái niệm chung về ngắn mạch. Sơ đồ thay thế của hệ thống điện trong tính toán ngắn mạch. Tính toán ngắn mạch 3 pha bằng phương pháp thực dụng.

TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC MIỀN BẮC TRƯỜNG CAO ĐẲNG ĐIỆN LỰC MIỀN BẮC GIÁO TRÌNH NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN NGÀNH/NGHỀ: QUẢN LÝ VẬN HÀNH, SỬA CHỮA ĐƯỜNG DÂY VÀ TRẠM BIẾN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP 110KV TRỞ XUỐNG TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số ……/QĐ/NEPC ngày …/…/20… Trường Cao đẳng Điện lực miền Bắc) Hà Nội, năm 2020 Tuyên bố quyền: Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI NÓI ĐẦU Ngắn mạch cố nguy hiểm lưới điện cố tránh khỏi Dòng điện xảy ngắn mạch tăng cao, làm hư hỏng thiết bị phát nhiệt lớn, tác dụng cơ, gây ổn định hệ thống Vì vậy, việc tìm hiểu tính tốn giá trị dịng ngắn mạch đóng vai trị quan trọng việc tính tốn lựa chọn thiết bị điện an tồn với dịng ngắn mạch (giai đoạn thiết kế), tính tốn chỉnh định rơ le bảo vệ tự động hóa, thay đổi kết dây để dịng ngắn mạch khơng vượt giá trị cho phép vận hành Với vai trò quan trọng xuất phát từ yêu cầu, kế hoạch đào tạo, chương trình mơn học Trường Cao đẳng Điện lực miền Bắc, tập thể tác giả khoa Điện biên soạn giáo trình Ngắn mạch hệ thống điện dùng giảng dạy Giáo trình khơng cung cấp cho sinh viên sở phương pháp tính tốn ngắn mạch mà cịn tham khảo thêm lý thuyết phân tích q trình q độ điện từ hệ thống điện Ngắn mạch hệ thống điện tài liệu tham khảo bổ sung cho sinh viên kỹ sư ngành hệ thống điện lĩnh vực Cấu trúc giáo trình có nội dung sau: - Chương 1: Khái niệm chung ngắn mạch - Chương 2: Sơ đồ thay hệ thống điện tính tốn ngắn mạch - Chương 3: Tính tốn ngắn mạch pha phương pháp thực dụng Trong trình biên soạn, tác giả tham khảo giáo trình tài liệu giảng dạy môn học Trường đại học Bách Khoa Hà Nội để giáo trình vừa đạt yêu cầu cao nội dung vừa thích hợp với đối tượng sinh viên trường Cao đẳng Điện lực miền Bắc Dù cố gắng để sách hồn chỉnh, song khơng tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp, bổ sung độc giả Mọi ý kiến xin gửi về: Khoa điện – Trường Cao đẳng Điện lực miền Bắc – Tân Dân - Sóc Sơn – Hà Nội, số điện thoại: 0422177437 Xin chân thành cảm ơn! Tập thể giảng viên KHOA ĐIỆN MỤC LỤC Khái niệm chung Các đại lượng đặc trưng dòng ngắn mạch 11 Mục đích phương pháp tính ngắn mạch 13 CHƯƠNG SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG TÍNH TỐN NGẮN MẠCH 15 Các giả thiết tính tốn ngắn mạch 15 Các loại đơn vị sử dụng tính tốn ngắn mạch 16 CHƯƠNG TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH BA PHA BẰNG 32 PHƯƠNG PHÁP THỰC DỤNG 32 Khái quát chung 32 Biến đổi sơ đồ dạng đơn giản 33 Áp dụng ngun lý xếp chồng tính tốn dịng ngắn mạch 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 MÔN HỌC NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Mã mơn học: MH 20 I VỊ TRÍ, Ý NGHĨA, VAI TRỊ MƠN HỌC: - Vị trí: Mơn học Ngắn mạch hệ thống điện bố trí vào học kỳ 2, năm thứ 2, sau môn học kỹ thuật sở - Ý nghĩa: Môn học Ngắn mạch hệ thống điện môn học lý thuyết chun mơn chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng - Vai trị: Mơn học Ngắn mạch hệ thống điện có vai trị quan trọng nhằm cung cấp cho sinh viên kiến thức tính tốn giá trị dịng điện ngắn mạch hệ thống điện, nằm tạo tiền đề cho môn học chun mơn khác II MỤC TIÊU CỦA MƠN HỌC: Học xong mơn học này, người học có khả năng: - Trình bày khái niệm chung định nghĩa ngắn mạch hệ thống điện; - Mô tả nguyên nhân, hậu ngắn mạch mục đích tính tốn ngắn mạch hệ thống điện; - Trình bày phương pháp đơn giản tính tốn ngắn mạch hệ thống điện; - Thực tính tốn ngắn mạch pha phương pháp thực dụng III NỘI DUNG MÔN HỌC Thời gian đào tạo (giờ) STT Tên chương I Tổng số Lý thuyết Khái niệm chung ngắn mạch 1.1 Khái niệm chung 2 1.2 Các đại lượng đặc trưng dịng ngắn mạch 1.3 Mục đích phương pháp tính ngắn mạch 1 Thực hành, Kiểm Bài tập tra* 1 Sơ đồ thay hệ thống điện tính tốn ngắn mạch 10 2.1 Các giả thiết tính toán ngắn mạch 1 2.2 Các loại đơn vị sử dụng tính tốn ngắn mạch 1 2.3 Sơ đồ thay phần tử sơ đồ thay tồn hệ thống điện tính tốn ngắn mạch Tính tốn ngắn mạch pha phương pháp thực dụng 3.1 II 29 20 Khái quát chung 1 3.2 Biến đổi sơ đồ dạng đơn giản 3.3 Tính tốn dịng ngắn mạch phương pháp đơn giản 13 10 3.4 Áp dụng nguyên lý xếp chồng tính tốn dịng ngắn mạch Cộng 45 32 10 III * Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết tính vào lý thuyết, kiểm tra thực hành tính vào thực hành CHƯƠNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NGẮN MẠCH Giới thiệu Chương cung cấp nhìn tổng quan ngắn mạch, phương pháp luận, phương pháp tính tốn ngắn mạch tổng qt Các nội dung kiến thức chương sở cho nội dung tính tốn ngắn mạch chương sau, đảm bảo tính liên kết, thống tồn mơn học Mục tiêu Học xong chương này, người học có khả năng: - Trình bày khái niệm chung ngắn mạch hệ thống điện; - Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn thận, tự giác Nội dung Khái niệm chung Chế độ hệ thống điện thay đổi đột ngột phát sinh trình độ điện từ, q trình phát sinh ngắn mạch nguy hiểm Khi ngắn mạch, tổng trở hệ thống điện giảm, làm dòng điện tăng lên, điện áp giảm xuống.Từ lúc xảy ngắn mạch cắt đi, hệ thống điện xảy q trình q độ làm thay đổi dịng điện điện áp.Nhiệm vụ môn học Ngắn mạch hệ thống điện nghiên cứu diễn biến trình ngắn mạch hệ thống điện xét phương pháp tính tốn ngắn mạch 1.1 Các định nghĩa 1.1.1 Ngắn mạch - Ngắn mạch loại cố hệ thống điện tượng pha chập nhau, pha chập đất (hay pha chập dây trung tính) khơng thuộc chế độ làm việc bình thường Các loại ngắn mạch xác suất xảy hệ thống điện: Dạng ngắn mạch Hình vẽ quy ước Ký hiệu Xác suất xảy ra, % pha N(3) pha N(2) 10 pha với đất N(1,1) 20 pha N(1) 65 Bảng ký hiệu xác suất xảy dạng ngắn mạch Trong loại ngắn mạch trên, ngắn mạch pha ngắn mạch đối xứng lúc tất pha đặt điện áp lệch pha 120 Các ngắn mạch cịn lại ngắn mạch khơng đối xứng lúc điện áp dịng điện pha khác lệch pha nhau, nói chung khác 120 - Trong hệ thống có trung tính nối đất (hay dây) chạm chập pha hay nhiều pha với đất (hay với dây trung tính) gọi ngắn mạch dịng điện lớn - Trong hệ thống trung tính cách điện với đất, tượng chạm chập pha với đất gọi chạm đất Dòng điện chạm đất có giá trị bé, sinh dòng điện dung ký sinh đường dây so với đất Dịng điện xuất chỗ tiếp xúc với đất.Tuy dịng chạm đất nhỏ gây hồ quang điện chập chờn điểm tiếp xúc với đất, làm hỏng cách điện lưới điện thiết bị điện 1.1.2 Ngắn mạch gián tiếp Là ngắn mạch qua điện trở trung gian, gồm điện trở hồ quang điện điện trở phần tử khác đường dòng điện từ pha đến pha hay từ pha đến đất Tổng trở tiếp xúc chỗ ngắn mạch hồ quang điện thành phần trung gian khó xác định, chúng thay đổi phụ thuộc vào trạng thái tiếp xúc trạng thái hồ quang điện xuất 1.1.3 Ngắn mạch trực tiếp Là ngắn mạch qua điện trở trung gian bé (có thể bỏ qua), gọi ngắn mạch kim loại Chúng ta xem xét trường hợp ngắn mạch trực tiếp để nghiên cứu ngắn mạch 1.1.4 Ngắn mạch trì Hình 1-1: Q trình biến thiên dịng điện ngắn mạch Dòng điện ngắn mạch trị số ban đầu trước lúc ngắn mạch i(0) bắt đầu tăng lên chuyển sang trình độ Ở giai đoạn đầu q trình q độ, dịng điện tăng lên nhanh đạt giá trị cực đại sau 0,01 giây (tức sau 1/2 chu kỳ) gọi dịng xung kích (Ixk) giảm dần sau chuyển sang trạng thái ngắn mạch trì hay cịn gọi trạng thái trì Ở trạng thái trì dịng điện khơng thay đổi, nói chung lớn dòng xác lập trước lúc ngắn mạch gọi chế độ xác lập Như ngắn mạch có ba giai đoạn: trước lúc ngắn mạch (chế độ xác lập ban đầu), trình độ trạng thái trì (chế độ xác lập mới) Trong thực tế, hệ thống bảo vệ rơle kiểm soát cố ngắn mạch đưa tín hiệu tới máy cắt để tự động cắt dòng ngắn mạch thời gian ngắn gọi thời gian cắt ngắn mạch, khơng để tồn tới trạng thái trì 1.1.5 Ngắn mạch đối xứng Là dạng ngắn mạch trì hệ thống dịng điện, điện áp pha tình trạng đối xứng 1.1.6 Ngắn mạch khơng đối xứng Là dạng ngắn mạch làm cho hệ thống dòng điện, điện áp pha đối xứng - Không đối xứng ngang: cố xảy ra, tổng trở pha điểm - Không đối xứng dọc: cố xảy ra, tổng trở pha điểm không 1.1.7 Nguồn công suất vô lớn nguồn công suất giới hạn Đây hai loại nguồn công suất ảnh hưởng đến sư biến thiên dòng ngắn mạch: - Nguồn công suất vô lớn nguồn cơng suất có điện áp đầu cực khơng đổi biên độ dù có xảy cố sau nó, có cố ngắn mạch có nghĩa điện kháng nguồn 0, mạch khơng có điện dung (khơng tạo thành mạch vịng dao động) Trong thực tế, nguồn cơng suất vơ lớn trường hợp ngắn mạch tương đối xa máy phát điện - Nguồn công suất giới hạn: có ngắn mạch gần máy phát điện, phản ứng phần ứng tăng ngắn mạch làm cho điện áp đầu cực máy phát tụt xuống, nên máy phát coi nguồn công suất vô lớn mà nguồn công suất giới hạn Trong trường hợp máy phát có hệ kích từ tự động (TĐK) hỗ trợ làm tăng điện áp máy phát Chính q trình biến thiên dịng ngắn mạch khác với trường hợp nguồn công suất vô lớn 1.2 Nguyên nhân, hậu cách khắc phục ngắn mạch 1.2.1 Nguyên nhân Nguyên nhân chủ yếu gây ngắn mạch cách điện bị hỏng Cách điện bị hỏng do: sét đánh, điện áp nội q trình đóng mở mạch, cách điện lâu ngày bị già cỗi, tuổi thọ… Ngắn mạch gây nguyên nhân chủ quan thao tác nhầm, trông nom thiết bị khơng chu đáo, thi cơng cơng trình gần dây cáp ngầm, đổ vào đường dây… 1.2.2 Hậu ngắn mạch - Lúc ngắn mạch, dịng điện tăng sinh phát nóng cục phần có dịng ngắn mạch qua dù thời gian ngắn - Sinh lực điện động phận dịng xung kích, làm hỏng khí cụ điện dây dẫn - Lúc ngắn mạch, điện áp tụt làm cho động ngừng quay - Có thể phá hoại sư làm việc đồng máy phát điện hệ thống điện, gây ổn định hệ thống dẫn đến tan rã hệ thống 10 - Trong trình biến đổi sơ đồ dạng đơn giản có nhập nguồn sử dụng cơng thức tính để có sức điện động tương đương Trong thực tế tính toán gần chế độ máy phát điện cần giả thiết máy phát điện làm việc chế độ định mức, tính E” = (1  1,1) Vì thế, ta thường lấy gần trị số E” = cho nguồn máy phát điện (nhà máy điện) cho sức điện động tương đương sơ đồ thay đơn giản Trên sở phân tích đưa bước xác định dòng điện ngắn mạch độ ban đầu hay siêu độ sau: * Bước 1: Lập sơ đồ thay dạng tđcb Cần lưu ý điện kháng thay máy phát điện phải lấy điện kháng X’ d máy phát điện cuộn cản X”d máy phát điện có cuộn cản (tính dạng tđcb) Điện kháng phần tử cịn lại xác định trình bày chương Trong bước cần xác định giá trị sức điện động nguồn máy phát điện (nếu có nhu cầu) * Bước 2: Biến đổi sơ đồ dạng đơn giản * Bước 3: Xác định dòng điện ngắn mạch độ ban đầu hay siêu q độ Ví dụ 3: Tính dịng ngắn mạch q độ ban đầu cho lưới điện: F l = km; x0 = 0,4 km N Máy phát điện cuộn cản, Sđm = 62,5 MVA; cos = 0,8; Uđm = 10,5 kV; X’d = 0,178 Trước lúc ngắn mạch, máy phát điện làm việc có dịng điện đầu cực: I = 2,65 kA *Lời giải: - Lập sơ đồ thay thế: Chọn Scb = SđmF = 62,5 MVA Ucb = UđmF = 10,5 kV I cb  Scb 62,5   3,44 kA 3.U cb 3.10,5 42 2 2,65  10,5   10,5  E '  (U cos )  (U sin   I X 'd )   0,8    0,6  0,178   1,082 3,44  10,5   10,5  X F  X 'd Scb 62,5  0,178  0,178 S Fdm 62,5 Sơ đồ: Xday 1,134 XF 0,178 E N - Sơ đồ thay đơn giản: Xtđ = XF + Xday = 0,178 + 1,134 = 1,312 - Tính dòng I’(0): I ' (0)  E' 1,082 I cb  3,44  2,838 kA X td 1,312 Ví dụ 4: Tính dịng ngắn mạch siêu q độ cho lưới điện: B F N Máy phát điện có cuộn cản, Sđm = 62,5 MVA; cos = 0,8; Uđm = 10,5 kV; X”d = 0,133 MBA B: Sđm = 63 MVA; UN = 10,5%; Uđm = 115 kV Trước lúc ngắn mạch, máy phát điện làm việc công suất cos định mức *Lời giải: - Lập sơ đồ thay thế: Chọn Scb = SđmF = 62,5 MVA Ucb = Utb cấp điện áp (10,5; 115) kV 43 I dmF  I cb  Scb 62,5   3,44 kA 3.U cb 3.10,5 2 3,44  10,5   10,5  E"  (U cos )  (U sin   I X "d )   0,8    0,6  0,133   1,085 3,44  10,5   10,5  XB  U N % Scb 10,5 62,5   0,104 100 S Bdm 100 63 Sơ đồ: XB 0,104 XF 0,133 E" N - Sơ đồ thay đơn giản: Xtđ = XF + XB = 0,133 + 0,104 = 0,237 - Tính dịng I”(0): I " (0)  E" 1,085 62,5 I cb   2,488 kA X td 0,237 3.115 Ví dụ 5: Tính dịng ngắn mạch siêu q độ cho sơ đồ Ví dụ 2: - Điểm ngắn mạch N1 (trên góp 220 kV): Sơ đồ thay đơn giản: X14 0,0514 X24 0,1083 E EHT N1 Tính gần lấy giá trị suất điện động E” = 1, ta có:  E" E"  Scb  100   I " 0       7,21 kA   X 14 X 24  3.U cb  0,0514 0,1083  3.230 - Điểm ngắn mạch N3 (trên góp đầu cực máy phát điện F1): Sơ đồ thay đơn giản: X37 0,2378 X38 0,3212 E EHT N3 44 Tính gần lấy giá trị suất điện động E” = 1, ta có:  E" E"  Scb  100   I " 0       57,089 kA   X 37 X 38  3.U cb  0,1378 0,3212  3.10,5 3.3 Tính tốn dịng ngắn mạch trì 3.3.1 Ảnh hưởng TĐK TĐK cấu (thiết bị) dùng để phản ánh thay đổi điện áp dòng điện đầu cực máy phát điện, sau tác động tự động để điều chỉnh dịng điện kích từ làm cho điện áp đầu cực đạt trị số mong muốn Sơ đồ nguyên lý hệ thống TĐK: Ikt Ikt Ikt F BI BU TĐK Khi ngắn mạch, điện áp đầu cực máy phát điện tụt xuống chừng 80  90% giá trị định mức, TĐK tác động làm tăng dịng kích từ, nâng điện áp trở trị số mong muốn Vì tác động có trễ TĐK (tác động sau 0,2 0,3 s) mà dịng khơng chu kỳ lại tắt nhanh (tắt dần theo số thời gian) TĐK có ảnh hưởng đến thành phần dòng chu kỳ (là dòng ngắn mạch trì t = ) Giá trị điện áp đầu cực máy phát điện biến thiên tương tự dịng điện Khi khơng có TĐK điện áp tình trạng trì bé Khi có TĐK điện áp đạt trị số cực tiểu sau nâng lên, ngắn mạch xa đạt giá trị định mức, ngắn mạch gần khơng đạt giá trị định mức Việc định ngắn mạch xa hay gần phụ thuộc vào giá trị điện kháng từ nguồn máy phát điện đến điểm ngắn mạch Xth - Ngắn mạch gần: Xng< Xth (Xth điện kháng từ đầu cực máy phát điện tới điểm ngắn mạch) 45 IN  Eqgh X d X ng TĐK làm cho điện áp trở định mức kích từ tới giá trị suất điện động giới hạn Eq.gh (tỷ lệ với dịng kích từ, xác định cấu trúc TĐK) - Ngắn mạch xa: X ng  X th  I N  U Fdm X ng TĐK làm cho điện áp đầu cực máy phát điện trở giá trị định mức - Ở dạng tđcb: X th  Xd Eqgh  3.3.2 Ảnh hưởng phụ tải Tính chất phụ tải có ảnh hưởng lớn đến dịng ngắn mạch.Đa số phụ tải động không đồng (ĐCKĐB), điện áp tụt, động (ĐC) bị cắt ra, tổng trở vô lớn Trong giai đoạn đầu trình ngắn mạch, ĐC lại phóng dịng điện ngược chiều cung cấp cho điểm ngắn mạch Vì vậy, để xác định dòng ngắn mạch siêu độ I”, ĐCKĐB phụ tải tổng hợp thay điện kháng siêu độ X” sức điện động siêu độ E”: ĐCĐB: X” = 0,2; E” = 1,1 ĐCKĐB: X” = 0,2; E” = 0,9 Máy bù ĐB: X” = 0,2; E” = 1,2 Phụ tải tổng hợp: X” = 0,35; E” = 0,8 Thông thường tính tốn dịng ngắn mạch siêu q độ I” xét phụ tải nối trực tiếp vào điểm ngắn mạch Trong ngắn mạch trì, phụ tải ảnh hưởng tới dòng ngắn mạch Giá trị phụ tải thường lấy theo trị số tương đối định mức Z pt = 0,8 + j0,6 đơn giản lấy điện kháng = 1,2 3.3.3 Tính tốn dịng ngắn mạch trì * Khi máy phát điện khơng có TĐK: Khi máy phát điện khơng có TĐK trước sau ngắn mạch, sức điện động máy phát điện khơng đổi dịng kích từ khơng thay đổi kể 46 thời gian ngắn mạch trì Do trường hợp sơ đồ thay máy phát điện lấy giá trị điện kháng xác lập xác định sức điện động Eq xác định theo trạng thái dòng áp máy phát điện chế độ xác lập trước ngắn mạch: E  (U cos )  (U sin   I X d )2 * Khi máy phát điện có TĐK: Dịng ngắn mạch trì phụ thuộc vào vị trí điểm ngắn mạch: - Ngắn mạch xa: Xng Xth Trong trường hợp điện áp đầu cực máy phát điện tác động TĐK không đổi điện áp định mức Do vậy, sơ đồ thay không cần quan tâm đến điện kháng sức điện động máy phát điện mà tính từ đầu cực máy phát điện trở với điện áp điện áp định mức máy phát điện - Ngắn mạch gần: Xng