CHƯƠNG VIII: TÍNH TOÁN DÒNG NGẮN MẠCH
8.1. Khái niệm chung
+ Có thể phá hoại sự ổn định của hệ thống điện.
+ Ngắn mạch hai pha hoặc một pha chạm đất còn gây ra dòng thứ tự không làm nhiễu loạn đường dây thông tin và tín hiệu đường sắt ở gần.
+ Cung cấp điện bị gián đoạn Biện pháp hạn chế:
+ Dùng sơ đồ nối dây hợp lý, đơn giản, rõ dàng ít gây nhầm lẫn.
+ Khi có sự cố chỉ có phần tử sự cố bị cắt, các phần tử khác vẫn phải được làm việc bình thường.
+ Các thiết bị và bộ phận có dòng ngắn mạch đi qua phải được chọn để có khả năng chịu được tác dụng nhiệt và cơ của dòng ngắn mạch
+ Dùng các biện pháp hạn chế dòng ngắn mạch (dùng kháng điện).
+ Dùng các thiết bị tự động và biện pháp bảo vệ ngắn mạch và quá điện áp.
8.1.2. Phân loại các dạng ngắn mach
- Ngắn mạch ba pha: kí hiệu N(3) , xác suất chỉ chiếm 5%
- Ngắn mạch hai pha: kí hiệu N(2) , xác suất chỉ chiếm 10%
- Ngắn mạch một pha: kí hiệu N(1) , xác suất chiếm tới 65%
- Ngắn mach hai pha chạm đất: kí hiệu N(1,1) , xác suất chiếm 20%
a) b)
c) d)
Hình 8.1 - Ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện
a) Ngắn mạch ba pha b) Ngắn mạch hai pha c) Ngăn mạch một pha d) Ngắn mạch hai pha chạm đất
Nhận xét:
+ Ngắn mạch ba pha là ngắn mạch đối xứng.
+ Các dạng ngắn mạch khác là không đối xứng.
+ Ngắn mạch ba pha chỉ xảy ra với xác suất nhỏ (5%). Tuy nhiên việc nghiên cứu nó lại vẫn rất cần thiết, vì đó là dạng ngắn mạch đối xứng. Các dạng ngắn
mạch khác đều có thể dùng phương pháp thành phần không đối xứng để đưa về dạng ngắn mạch ba pha.
Trong thời gian ngắn mạch kể từ lúc xảy ra cho tới khi cắt được phần tử bị hỏng. Trong mạch điện xảy ra một quá trình quá độ phức tạp, mang tính chất của các dao động điện từ, liên quan đến sự biến thiên của điện áp, dòng điện, từ thông và những dao động cơ-điện, liên qua đến biến thiên công suất, mômen quay, mômem cản…
Khi nghiên cứu ngắn mạch nếu đứng trên quan điểm điện từ của quá trình quá độ để khảo sát hiện tượng. Ngược lại khi nghiên cứu ổn định người ta lại đứng trên quan điểm điện cơ. Việc tách thành 2 quá trình như trên là để việc nghiên cứu và tính toán thực hiện được đơn giản. Để có lời giải chính xác, sau khi nghiên cứu riêng rẽ cần phải tổng hợp lại và nhiều lúc theo quan điểm nghiên cứu riêng rẽ mà yêu cầu của các vấn đề lại mâu thẫn nhau.
Ví dụ muốn giảm dòng ngắn mạch thì kết luận rằng cần phải giảm dòng kích từ của máy phát. Nhưng yêu cầu về ổn định của hệ thống điện lại không cho phép làm như vậy mà trái lại phải làm tăng dòng điện kích từ. Trên hình 8.2 biểu diễn đặc tính biến thiên của dòng ngắn mạch lúc không có và có bộ tự động điều chỉnh kích từ.
a) b)
Hình 8.2 - Dạng dòng điện ngắn mạch
a) Có bộ tự động điều chỉnh kích từ b) Không có bộ tự động điều chỉnh kích từ
Từ hình 8.2 ta thấy rằng từ một trị số nào đó lúc trước ngắn mạch i0 tăng rất nhanh, khoảng 0,01 giây (sau 1/2 chu kỳ) sẽ đạt tới giá trị ixk .Tiếp đó quá trình quá độ chuyển dần sang trạng thái xác lập I∞. Lúc có TĐK thì I∞ là bé nhất so với trị số dòng điện lúc trước đó, còn khi có bộ TĐK thì dòng xác lập có trị số lớn hơn và thậm trí có trị số lớn hơn cả trị số ở những thời điểm trước đó.
Dòng ngắn mạch có thể phân thành hai thành phần. Thành phần chu kỳ và thành phần không chu kỳ (tắt dần). Thành phần ick là giống nhau trong cả ba pha, còn thành phần tắt dần itd lại khác nhau trên mỗi pha và biến đổi theo thời điểm bắt đầu ngắn mạch. Thông thường thành phần chu kỳ được xác định theo trị số lớn nhất có thể.
Khi tính toán ngắn mạch người ta thường coi nguồn cung cấp cho điểm ngắn mạch là:
+ Các máy phát thuỷ điện và nhiệt điện.
+ Các động cơ và máy bù đồng bộ.
+ Các động cơ không đồng bộ chỉ được xét tới ở thời điểm ban đầu và chỉ tính đến trong các trường hợp khi chúng ở gần hoặc được mắc trực tiếp tại điểm ngắn mạch
Hình 8.3 - Dạng sóng của dòng điện ngắn mạch
Tại thời điểm t = 0
i0 = ick0 + ikck0
Trường hợp đặc biệt i0 = 0 tức ick0 = ikck0 (thời điểm xẩy ra ngắn mạch đúng vào lúc dòng điện đi qua điểm 0).
Nội dung tính toán ngắn mạch:
Tính toán ngắn mạch nhằm xác định các đại lượng sau:
I” - giá trị ban đầu của thành phần chu kỳ, gọi là dòng ngắn mạch siêu quá độ.
ixk - dòng điện xung kích (trị số cực đại của dòng ngắn mạch toàn phần).
Giá trị này cần thiết cho việc chọn thiết bị, thanh góp, sứ.. (kiểm tra ổn định động của thiết bị).
Ixk - giá trị hiệu dụng của dòng xung kích (tức giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch toàn phần trong chu kỳ đầu). dùng vào việc kiểm tra thiết bị điện về ổn định lực điện động ở chu kỳ đầu.
I0,2 - trị số hiệu dụng của thành phần chu kỳ sau 0,2 giây → kiểm tra khả năng cắt của máy cắt.
I∞ - trị số hiệu dụng của thành phần chu kỳ lúc ổn định (lúc t = ∞) dùng để kiểm tra ổn định nhiệt của các thiết bị, thanh cái, sứ xuyên …
S0,2 - công suất ngan mạch ở thời điểm t = 0,2 giây, dùng để kiểm tra khả năng cắt của máy cắt.
tN - Thời gian xảy ra ngắn mạch:
tN = tbv + tMC
Trong đó: tbv - thời gian tác động của thiết bị bảo vệ.
tMC - thời gian làm việc của máy cắt.
tqđ - thời gian qui đổi. Là khoảng thời gian cần thiết để dòng ngắn mạch xác lập phát ra một lượng nhiệt đúng bằng lượng nhiệt do dòng ngắn mạch thực tế gây ra trong thời gian tN.
tqđ = tqđck + tqđkck
Trong đó: tqđck - thời gian qui đổi của thành phần chu kỳ.
tqđkck - thời gian qui đổi của thành phần không chu kỳ.
Xác định tqđck :
+ Khi tN < 5 giây, tqđck được xác định theo đường cong tqđck = f(β”).
Trong đó β”=I”/I∞ .
+ Khi tN > 5 giây, tqđck = tqđck5 + (tN – 5).
Xác định tqđkck :
+ Khi tN ≥ 1,5.T → tqđkck ≅ 0,005.(β”)2
+ Khi tN < 1,5.T → tqđkck = T. (β”)2.(1 - e-2t/T).
Trong đó: T - hằng số thời gian.
R T X
.
=314
+ Khi tN > 20.T hoặc tN >20 giây giá trị của tqđkck có thể bỏ qua.