CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
3.3 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
Ngắn mạch là hiện tượng các pha chập lại với nhau và chạm đất, hay nói cách khác đó là hiện tượng mạch điện bị nối tắt qua một tổng trở suất nhỏ có thể xem như
bằng không. Khi ngắn mạch tổng trở của hệ thống bị giảm xuống và tùy theo vị trí của điểm ngắn mạch xa hay gần nguồn cung cấp mà tổng trở của hệ thống giảm nhiều hay ít.
Khi ngắn mạch dòng điện và điện áp trong thời gian quá độ đều thay đổi, dòng điện tăng lên rất nhiều so với lúc làm việc bình thường. Còn điện áp trong mạng điện cũng giảm xuống nhiều hay ít là tùy thuộc vào vị trí điểm ngắn mạch so với nguồn cung cấp. Thời gian điện áp giảm xuống xác định bằng thời gian tác động của rơle bảo vệ và của máy cắt điện đặt gần nhất.
Trong thực tế, ta thường gặp các dạng ngắn mạch sau:
- Ngắn mạch ba pha 5%
- Hai pha 10%
- Một pha 65%
- Hai pha chạm đất 20%
Để lựa chọn được tốt các phần của hệ thống cung cấp điện, chúng ta phải dự đoán được các tình trạng ngắn mạch như: dòng điện ngắn mạch và công suất ngắn mạch, các số liệu này còn là căn cứ quan trọng để thiết kế hệ thống bảo vệ rơle, định phương thức vận hành của hệ thống cung cấp điện…Vì vậy tính toán ngắn mạch là phần không thể thiếu được khi thiết kế hệ thống cung cấp điện.
Nguyên nhân ngắn mạch:
- Tác động cơ học: cây đổ, gãy, giông bão, tai nạn…
- Tác động bên trong: cách điện hỏng bởi dùng quá nhiêt.
Hậu quả:
- Làm phát nóng các bộ phận bên trong có dòng ngắn mạch đi qua dây dẫn làm hư hỏng thiết bị.
- Có thể sinh ra lực điện động nó có thể phá hủy độ bền cơ học của khí cụ điện.
- Làm mất điện gây nên thiệt hại về kinh tế.
- Phá hủy tính đồng bộ của hệ thống.
3.3.2 Phương pháp tính dòng ngắn mạch
Mục đích: Tính dòng ngắn mạch để chúng ta chọn thiết bị và khí cụ điện bảo vệ hệ thống, tự động xác lập chế độ ổn định.
Phương pháp xác định dòng ngắn mạch.
• Ngắn mạch tại thanh cái của MBA phân phối
Một cách sơ bộ có thể tính toán dòng ngắn mạch bỏ qua tổng trở của hệ thống lưới trung thế:
Trong đó: Pn : Công suất định mức của MBA (kVA)
U20 : Điện áp dây phía thứ cấp khi không tải (V) In : Dòng định mức (A)
ISC : Dòng ngắn mạch (A) Usc : Điện áp ngắn mạch (%)
Giá trị tiêu biểu Usc của MBA phân phối được cho trong bảng sau:
Bảng 3.1: Giá trị Usc cho MBA có điện áp sơ cấp ≤ 20kV Công suất định mức của MBA
USC (%) Dạng của MBA
Dầu Khô
50 đến 630 4 % 6%
800 đến 2500 6% 6%
Trên thực tế ISC sẽ nhỏ hơn giá trih đươc tính theo phương pháp trên do tổng trở của hệ thống phía sơ cấp thường cho công suất ngắn mạch tại thanh cái sơ cấp của MBA ít khi vượt giá trị 500MVA. Các giá trị ngắn mạch cỡ 250MVA hoặc nhỏ hơn thường hay gặp hơn.
Trường hợp nhiều MBA mắc song song thì dòng ngắn mạch trên đầu đường dây ra có thể coi là tổng các dòng ngắn mạch tại các đầu ra của mỗi MBA riêng.
• Ngắn mạch 3 pha tại điểm bất kì của lưới hạ thế Dòng ISC tại điểm bất kì là:
ISC =
Trong đó: U20: Điện áp dây phía thứ cấp khi không tải (V) ZT : Tổng trở mỗi pha tới điểm ngắn mạch (Ω) ZT2 = RT2 + XT2
Với RT và XT là trở kháng và cảm kháng của phân đoạn đi vào tập hợp này.
Xác định tổng trở của mạng điện phía hạ áp
• Hệ thống điện phía sơ cấp của MBA phân phối
Trong đó: PSC: Công suất ngắn mạch 3 pha của hệ thống phía sơ cấp (kVA) ZS : Tổng trở của hệ thống phía sơ cấp biến áp (mΩ)
U0 : Điện dây thứ cấp khi không tải (V)
• Máy biến áp
Trong đó: U20 : Điện áp dây thứ cấp khi không tải (V) Pn : Công suất định mức của MBA (kVA) USC : Điện áp ngắn mạch (%)
Trở kháng của cuộn dây có thể tính theo tổn thất công suất:
PCu = 3In2Rtr nên Rtr = PCu : Tổn thất đồng (W) In : Dòng định mức (A) Rtr : điện trở của pha (mΩ)
• CB
Trong lưới hạ áp, tổng trở của các CB nằm phía trước vị trí sự cố cần phải được tính đến. Cảm kháng có thể được tiếp nhận 0.15mΩ cho mỗi CB trong khi trở kháng có thể được bỏ qua.
• Thanh góp
Trở kháng của thanh góp được bỏ qua và tổng trở (cảm kháng ) đạt giá trị 0.15mΩ cho 1m chiều dài (f=50Hz), (0.08 mΩ/m khi f= 60Hz). Khi khoảng cách giữa các thanh dẫn tăng gấp 2 lần thì cảm kháng sẽ tăng khoảng 10%.
• Dây dẫn
Với: p: điện trở suất của vật liệu khi có nhiệt độ vận hành bình thường và bằng 22.5mΩ,mm2/m cho dây đồng
36.0mΩ,mm2/m cho dây nhôm S: tiết diện của dây
Cảm kháng của dây có thể được nhà chế tạo cung cấp. Đối với dây nhỏ hơn 50mm2 cảm kháng có thể được bỏ qua. Nếu không có số liệu chính xác có thể lấy bằng 0.08mΩ/m (f=50Hz) và bằng 0.096mΩ/m (f=60Hz).