Hiện nay có 2 văn bản chính quy định về dòng ngắn mạch trên lƣới truyền tải: Quy phạm trang bị điện do Bộ Công nghiệp ban hành năm 2006 và thông tƣ 12/2010/TT-BCT ngày 15/4/2010 quy định hệ thống truyền tải.
1.4.1. Thông tư 12/2010/TT-BCT
Điều 11:Dòng điện ngắn mạch và thời gian loại trừ ngắn mạch
Trị số dòng ngắn mạch lớn nhất cho phép và thời gian tối đa loại trừ ngắn mạch bằng bảo vệ chính trên hệ thống điện truyền tải đƣợc quy định tại Bảng 1-9.
Bảng 1-17 Dòng điện ngắn mạch và thời gian tối đa loại trừ ngắn mạch
Cấp điện áp
Dòng điện ngắn mạch lớn nhất cho phép (kA)
Thời gian tối đa loại trừ ngắn mạch bằng bảo vệ
chính (ms)
Thời gian chịu đựng của bảo vệ chính (s)
500kV 40 80 3
220kV 40 100 3
110kV 31,5 150 3
Trong một số trƣờng hợp đặc biệt, Đơn vị truyền tải điện có trách nhiệm đề xuất để đƣợc phép áp dụng mức dòng ngắn mạch lớn nhất cho một số khu vực trong hệ thống điện truyền tải khác với mức quy định tại Bảng 5.
Cục Điều tiết điện lực phê duyệt cho phép áp dụng mức dòng điện ngắn mạch lớn nhất khác với quy định tại Bảng 5 sau khi xem xét các đề xuất, giải trình của Đơn vị truyền tải điện và ý kiến của Khách hàng sử dụng lƣới điện truyền tải bị ảnh hƣởng trực tiếp.
Điều 10: Chế độ nối đất trung tính
Chế độ nối đất trung tính của lƣới điện truyền tải là chế độ nối đất trực tiếp.
1.4.2. Quy phạm trang bị điện
Ban hành theo quyết định 19/2006/QĐ-BCN.
Học viên: Nguyễn Văn Quyết
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Bách Trang 47 / 113
1.4.5. Sơ đồ tính toán NM: chỉ xét chế độ làm việc lâu dài của thiết bị điện mà không xét chế độ làm việc ngắn hạn tạm thời
1.4.6: cần kiểm tra ổn định điện động và ổn định nhiệt của thiết bị, thanh dẫn dây dẫn.
1.4.22: đối với máy cắt 500 kV, máy cắt 220 kV ở đầu ĐZ dài, đầu cực máy phát và cạnh cuộn kháng: khả năng cắt TRV (điện áp phục hồi quá độ) của MC lớn hơn trị số TRV tính toán cụ thể cho từng vị trí MC. Hai văn bản trên là cơ sở pháp lý quan trọng khi tính toán lựa chọn thiết bị theo điều kiện ngắn mạch. Cấu hình lƣới khi tính toán ngắn mạch phải là cấu hình làm việc lâu dài của lƣới điện, không xét chế độ làm việc ngắn hạn tạm thời.
1.5. Kết luận chƣơng 1
Trong những năm tới, lƣới điện truyền tải Việt Nam sẽ có sự phát triển mạnh nhằm đáp ứng sự tăng trƣởng của phụ tải và truyền tải hết công suất từ các nguồn điện lớn về các trung tâm phụ tải.
Dòng điện ngắn mạch tăng dần theo từng năm, và theo tiến độ vận hành các nhà máy điện. Hiện nay các quy hoạch điện chƣa giải quyết triệt để vấn đề dòng điện ngắn mạch tăng vƣợt ngƣỡng quy định trong những năm tới. Vấn đề dòng điện ngắn mạch tăng cao sẽ xuất hiện rõ nhất, nổi cộm nhất tại hệ thống điện truyền tải miền Bắc.
Hệ thống văn bản pháp luật hiện nay có quy định rất rõ về dòng ngắn mạch trên lƣới truyền tải và các quy phạm trang bị điện đối với dòng điện ngắn mạch. Liệu những năm tới, các quy định, tiêu chuẩn hiện hành có phải điều chỉnh là vấn đề cần quan tâm, xoay quanh việc giải quyết sự tăng cao của dòng điện ngắn mạch.
Học viên: Nguyễn Văn Quyết
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Bách Trang 48 / 113
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƢƠNG PHÁP LUẬN
LỰA CHỌN GIẢI PHÁP GIẢM DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƢỚI TRUYỀN TẢI
2.1.Hiện tƣợng ngắn mạch trên lƣới điện truyền tải
Trong hệ thống điện, các thiết bị điện, khí cụ điện cần đảm bảo làm việc lâu dài ở chế độ bình thƣờng, đồng thời phải chịu đƣợc những tác động lớn khi có sự cố, trong đó có sự cố ngắn mạch. Khi xảy ra sự cố, hệ thống bảo vệ rơ le làm việc phát hiện kịp thời, đƣa tín hiệu tới các thiết bị đóng cắt, điều khiển đóng cắt để cách ly sự cố, đảm bảo sự làm việc ổn định của hệ thống. Xác định dòng ngắn mạch sẽ giúp cho việc lựa chọn đúng thông số các thiết bị điện, khí cụ điện, đồng thời cài đặt chính xác cho hệ thống bảo vệ rơ le.
Ngắn mạch là hiện tƣợng các pha chập nhau, pha chập đất (hay pha chập dây trung tính), khi đó tổng trở đẳng trị của hệ thống so với nguồn giảm đi rất nhiều, dòng điện sẽ rất lớn gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng.
Các loại ngắn mạch và xác suất xảy ra của từng loại đƣợc thống kê trong bảng sau:
Bảng 2-1: Bảng thống kê các loại ngắn mạch, ký hiệu và xác suất xảy ra trên lưới điện.
STT Loại ngắn mạch Hình quy ƣớc Ký hiệu Xác suất
1 Ngắn mạch ba pha N (3) 5%
2 Ngắn mạch hai pha N (2) 10%
3 Ngắn mạch hai pha
chạm đất N (1,1) 20%
Học viên: Nguyễn Văn Quyết
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Bách Trang 49 / 113
STT Loại ngắn mạch Hình quy ƣớc Ký hiệu Xác suất
Xác suất tổng số lần
ngắn mạch các loại 100%
Ngắn mạch 3 pha có xác suất xảy ra ít nhất nhƣng lại đƣợc quan tâm nhiều nhất vì đó là ngắn mạch nặng nề nhất, ảnh hƣởng nhiều đến chế độ hệ thống, cũng là ngắn mạch dễ tính toán nhất. Tính toán các dạng ngắn mạch khác đều dựa trên cơ sở đƣa về cách tính ngắn mạch 3 pha.
Nguyên nhân ngắn mạch:
Nguyên nhân chủ yếu sinh ra ngắn mạch là do cách điện bị hỏng. Cách điện hỏng có thể do sét đánh, quá điện áp nội bộ trong quá trình đóng mở mạch, cách điện lâu ngày già cỗi, quá tuổi thọ, … Ngắn mạch cũng có thể do các nguyên nhân chủ quan nhƣ thao tác nhầm, do thi công xây dựng công trình đào đúng cáp điện ngầm, do chim đậu, cây đổ, thả diều, …
Hậu quả của ngắn mạch:
Khi ngắn mạch, dòng điện tăng đột ngột, sinh ra phát nóng cục bộ các phần có dòng ngắn mạch đi qua cho dù là thời gian ngắn.
Dòng xung kích lớn sinh ra lực động điện giữa các bộ phận, có thể làm hỏng khí cụ điện và dây dẫn.
Lúc ngắn mạch, điện áp tụt có thể làm cho các động cơ ngừng quay.
Có thể gây ra sự làm việc mất đồng bộ của máy phát điện trong hệ thống, gây mất ổn định hệ thống và nặng có thể gây tan rã hệ thống.
Khi ngắn mạch 1 pha hay 2 pha chạm đất sinh ra dòng thứ tự không làm nhiễu các đƣờng dây thông tin ở gần.
Làm cho việc cung cấp điện bị gián đoạn. Mục đích của tính toán ngắn mạch:
Tính toán ngắn mạch để lựa chọn trang thiết bị khi thiết kế, đảm bảo an toàn vận hành dƣới tác động nhiệt và cơ do dòng điện ngắn mạch gây ra.
Học viên: Nguyễn Văn Quyết
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Bách Trang 50 / 113
Phục vụ cho tính toán hiệu chỉnh các thiết bị bảo vệ và tự động hóa trong hệ thống điện nhằm loại trừ nhanh và chọn lọc các phần tử sự cố ngắn mạch ra khỏi hệ thống điện.
Tính toán ngắn mạch để lựa chọn sơ đồ thích hợp làm giảm dòng ngắn mạch. Để lựa chọn thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch.
Nghiên cứu các hiện tƣợng khác về chế độ hệ thống điện nhƣ quá trình quá độ điện cơ (phân tích ổn định), quá trình quá độ điện từ (hiện tƣợng cộng hƣởng, quá điện áp, …)
2.2.Các yếu tố ảnh hƣởng đến trị số dòng ngắn mạch
Đối với ngắn mạch 3 pha, dòng điện ngắn mạch i(t) gồm 2 thành phần: thành phần chu kỳ iCK(t) và thành phần tự do ia(t).
i(t) = iCK(t) + ia(t) Trong đó:
( ) ( ) ( )
ICKm = : biên độ của dòng điện thành phần chu kỳ; √ ( ) ( ) : góc pha của tổng trở
Hằng số tích phân C: xác định từ điều kiện đầu của mạch.
Hằng số thời gian Ta = đặc trƣng cho tốc độ suy giảm của thành phần dòng điện tự do. uA uB uC R L R L R L R' L' R' L' R' L'
Học viên: Nguyễn Văn Quyết
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Bách Trang 51 / 113
( ) ( )
Tồn tại dòng điện ngắn mạch cực đại ở thời điểm T/2= 0,01 sec, gọi là dòng điện ngắn mạch xung kích, đƣợc đặc trƣng bởi hệ số xung kích kxk, xác định bởi:
Khi đó: ixk = kxk.ICKm
Tùy theo giá trị của Ta , hệ số xung kích nằm trong phạm vi: 1≤ kxk≤2 Mạch thuần trở L=0 thì kxk = 1; mạch thuần cảm R=0 thì kxk = 2
Trị số xung kích của dòng điện rất cần đƣợc quan tâm khi tính toán kiểm tra tác dụng lực của dòng điện lên các trang thiết bị lúc sự cố.
Trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch toàn phần: √ R L u(t) i(t) -40.00 -30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 Ick(t) Ia(t) I(t)
Học viên: Nguyễn Văn Quyết
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Bách Trang 52 / 113
√ : Trị số hiệu dụng của thành phần dòng điện ngắn mạch chu kỳ;
Iat = ia(t) : trị số hiệu dụng của thành phần bậc 0, lấy bằng trị số của thành phần tự do ia(t) tại thời điểm tính toán t.
Trị số hiệu dụng lớn nhất của dòng ngắn mạch (Ixk), ứng với chu kỳ đầu tiên (tại t=T/2 = 0.01 sec).
√ ( ) Vì 1≤ kxk≤2 nên 1≤
≤ √
Trị số hiệu dụng cực đại của dòng điện ngắn mạch toàn phần có ý nghĩa ứng dụng quan trọng trong tính toán kiểm tra phát nóng thiết bị điện và dây dẫn lúc sự cố.
2.3.Các giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lƣới truyền tải điện 2.3.1. Lựa chọn thông số đường dây truyền tải điện 2.3.1. Lựa chọn thông số đường dây truyền tải điện
Sơ đồ thay thế của đƣờng dây tải điện có dạng:
Sơ đồ a) sử dụng cho mô phỏng đƣờng dây trên không trung áp. Mô hình thay thế trên chỉ chứa tổng trở Z = R + jX
Sơ đồ trên sử dụng cho mô phỏng lƣới cáp trung áp và lƣới cao áp (110-220 kV) hoặc đƣờng dây siêu cao áp (500 kV) có độ dài ngắn (≤ 300 km). Sơ đồ này có thêm thành phần điện dẫn phản kháng B (còn gọi là dung dẫn) thể hiện công suất phản kháng do đƣờng dây sinh ra, đƣợc mô phỏng dƣới dạng sơ đồ hình π. Các tính toán ngắn mạch cho lƣới truyền tải điện sẽ sử dụng sơ đồ này.
R jX R jX j B 2 j B 2
Học viên: Nguyễn Văn Quyết
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Bách Trang 53 / 113
Hình c) là sơ đồ thay thế cho đƣờng dây truyền tải siêu cao áp có chiều dài lớn. Đƣờng dây đƣợc chia thành nhiều đoạn nhỏ hơn, mỗi đoạn đƣợc thay thế bằng sơ đồ thông số tập trung. Trong sơ đồ thay thế có thêm thành phần G là điện dẫn tác dụng của dây dẫn, đặc trƣng cho tổn thất công suất tác dụng do vầng quang và do rò điện qua điện môi.
Trong các mô hình tính toán trên: R, X là điện trở và điện kháng của dây dẫn. Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ và chiều dài đƣờng dây. Điện trở trên 1 km chiều dài đƣờng dây xác định nhƣ sau:
Rt= R0.[1+α.(t-20)] (Ω/km).
điện trở đơn vị ở nhiệt độ tiêu chuẩn 200 C.
: điện trở xuất của vật liệu làm dây dẫn (Ω.mm2/km). Đối với dây nhôm, = 31,5 (Ω.mm2
/km).
F: tiết diện dây dẫn (mm2). t: nhiệt độ dây dẫn.
α: hệ số nhiệt của điện trở, đối với đồng và nhôm, α = 0,0004 0C-1 . Điện trở của dây nhôm lõi thép/km ở 200C nhƣ sau:
Bảng 2-2: Quan hệ giữa điện trở đơn vị với tiết diện dây dẫn
F= mm2 330 410 510 610 810 1520
R0= Ohm/km 0.09545 0.07683 0.06176 0.05164 0.03889 0.02072
Theo quy phạm trang bị điện hiện nay (11TCN-18-2006, phụ lục 1.3.1), đối với dây nhôm lõi thép, dây hợp kim nhôm, nhiệt độ cho phép trên dây dẫn là t = 900C, nhiệt độ không khí khi tính toán là 400C.
Theo tính toán, khi t=900C thì R0 tăng 2,8%, còn ở t=400
C (bằng nhiệt đội tối đa của môi trƣờng) thì R0 tăng 0,8%.
R jX j B 2 1 1 1 G 2 1 G 2 1 j B 2 1 R jX j B 2 N N N G 2 N G 2 N j B 2 N
Học viên: Nguyễn Văn Quyết
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Bách Trang 54 / 113
Xu hƣớng thiết kế đƣờng dây tải điện hiện nay là tăng tiết diện tƣơng đƣơng của dây dẫn bằng cách sử dụng dây nhôm lõi thép tiết diện lớn (ACSR 330-410 trở lên), phân nhiều sợi trong 1 pha (2, 4 sợi hoặc nhiều hơn/1pha), đồng thời sử dụng nhiều mạch đấu song song trên một cột. Do đó điện trở đƣờng dây trong các sơ đồ tính toán có xu hƣớng giảm, là một trong những yếu tố làm tăng dòng ngắn mạch.
Điện kháng X và dung dẫn của đƣờng dây phụ thuộc vào cách bố trí dây dẫn và hỗ cảm giữa các dây. Điện kháng và dung dẫn của một số loại đƣờng dây 220, 500 kV với các thông số điển hình đƣợc cho trong bảng sau:
Bảng 2-3: Quan hệ giữa điện kháng và điện dung đơn vị với tiết diện dây dẫn
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa X0, B0 và tiết diện dây dẫn nhƣ hình dƣới đây
Hình 2-1: Quan hệ giữa điện kháng đường dây với tiết diện
Loại cột Tiết diện (mm2) 1x330 1x410 1x500 1x610 1x810 1x1520 2x330 2x410 2x500 2x610 2x810 2x1520 4x330 4x410 4x510 4x610 4x810 4x1520 6x610 X0-220kV (Ohm/km) 0.417 0.410 0.404 0.397 0.389 0.369 0.298 0.295 0.292 0.288 0.284 0.274 0.237 0.235 0.233 0.232 0.230 0.225 0.213 B0-220kV (*10^(-6) S/km) 2.968 3.019 3.068 3.118 3.192 3.371 4.149 4.198 4.244 4.292 4.361 4.523 5.175 5.213 5.252 5.285 5.337 5.456 5.726 X0-500kV (Ohm/km) 0.255 0.253 0.251 0.250 0.248 0.243 0.231 B0-500kV (*10^(-6) S/km) 4.773 4.806 4.839 4.867 4.911 5.013 5.241 Cột mạch kép 220 kV Cột mạch kép 500 kV 0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 X0-220kV (Ohm/km) X0-500kV (Ohm/km) X0 (Ω/km) X0 (Ω/km) X0 (Ω/km) X0 (Ω/km)
Học viên: Nguyễn Văn Quyết
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Bách Trang 55 / 113
Hình 2-2: Quan hệ giữa dung dẫn đường dây với tiết diện
Các thông số tính toán Xo và Bo dựa trên các thiết kế điển hình của đƣờng dây trên không mạch kép.
Nhận xét: khi tiết diện đƣờng dây trong 1 pha tăng thì X và B thay đổi không đáng kể. Tuy nhiên, khi số sợi tăng thì X giảm đáng kể, B tăng đáng kể.
Kết luận về tổng trở của dây dẫn đối với vấn đề giảm dòng ngắn mạch: xu hƣớng thiết kế đƣờng dây truyền tải hiện nay là lựa chọn tiết diện lớn ngày càng lớn và sử dụng dây phân pha, dẫn tới giảm tổng trở đƣờng dây, làm tăng dòng ngắn mạch.
2.3.2. Lựa chọn thông số máy biến áp
Thông số MBA tại các TBA 500/220 kV trong hệ thống hiện nay nhƣ bảng sau:
Bảng 2-4: Thông số các MBA 500 kV hiện trạng
STT Tên MBA 500 kV Số
MBA Điện áp (kV) Công suất (MVA) Tổ đấu dây
UN (%) H-M M-L H-L 1 Sơn La 2 500+/-8x1.25%/225/35 kV 3x150/150/50 Y0/Y0/D- 11 13% 20% 36% 2 Hòa Bình 2 500+/-8x1.25%/225/35 kV 3x150/150/50 Y0/Y0/D- 11 13% 20% 36%
3 Nho Quan 1 500+/-8x1.25%/225/35 kV 3x150/150/50 Y0/Y0/D-
11 13% 20% 36% 4 Thƣờng Tín 2 500+/-8x1.25%/225/35 kV 3x150/150/50 Y0/Y0/D- 11 13% 20% 36% 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 B0-220kV (*10^(-6) S/km) B0-500kV (*10^(-6) S/km) B0 (S/km)
Học viên: Nguyễn Văn Quyết
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Bách Trang 56 / 113
5 Quảng Ninh 1 500+/-8x1.25%/225/35 kV 3x150/150/50 Y0/Y0/D-
11 13% 19% 35%
6 Hà Tĩnh 1 500+/-8x1.25%/225/35 kV 3x150/150/50 Y0/Y0/D-
11 13% 20% 36%
7 Đà Nẵng 2 500+/-8x1.25%/225/35 kV 3x150/150/50 Y0/Y0/D-
11 13% 20% 36%
8 Dung Quất 2 500+/-8x1.25%/225/35 kV 3x150/150/50 Y0/Y0/D-