Luận Văn Thạc Sĩ: Giải Pháp Giảm Dòng Ngắn Mạch Trên Lưới Điện Truyền Tải

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hậu
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Châu Duy
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ÐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Bố cục của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI
• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Tương đương hệ thống điện
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI
• 4. CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG GIẢI PHÁP GIẢM DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải. Với sự phát triển nhanh chóng của hệ thống điện, dòng ngắn mạch đã tăng cao, gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị và độ tin cậy của hệ thống. Luận văn nhằm mục đích tìm ra các giải pháp hiệu quả để hạn chế dòng ngắn mạch, đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điện.

1.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu tổng quan về dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải, đề xuất các giải pháp giảm dòng ngắn mạch, và áp dụng các giải pháp này vào thực tế. Nội dung nghiên cứu bao gồm phân tích nguyên nhân gây tăng dòng ngắn mạch, đánh giá các giải pháp hiện có, và đề xuất các phương pháp mới để tối ưu hóa hệ thống.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Các giải pháp giảm dòng ngắn mạch không chỉ có ý nghĩa khoa học trong việc nghiên cứu và phát triển hệ thống điện mà còn có giá trị thực tiễn cao. Chúng giúp cải thiện độ tin cậy và an toàn của hệ thống, đồng thời hỗ trợ các cơ quan quản lý trong việc quy hoạch và vận hành lưới điện một cách hiệu quả.

II. Tổng quan về ngắn mạch trên lưới điện truyền tải

Ngắn mạch là hiện tượng không thể tránh khỏi trong hệ thống điện, gây ra dòng điện tăng cao và điện áp giảm thấp. Luận văn phân tích các dạng ngắn mạch phổ biến như ngắn mạch 1 pha, 2 pha, và 3 pha, trong đó ngắn mạch 3 pha là nguy hiểm nhất. Dòng ngắn mạch tăng cao có thể làm hỏng các thiết bị như máy biến áp, thiết bị đóng cắt, và đường dây truyền tải.

2.1. Nguyên nhân tăng dòng ngắn mạch

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng dòng ngắn mạch là do việc đưa vào vận hành nhiều nguồn điện mới và sự liên kết ngày càng chặt chẽ của lưới điện truyền tải. Điều này làm cho dòng ngắn mạch vượt quá khả năng chịu đựng của các thiết bị, đặt ra yêu cầu cấp thiết phải tìm ra các giải pháp giảm dòng ngắn mạch.

2.2. Ảnh hưởng của ngắn mạch

Dòng ngắn mạch cao gây ra nhiều tác động tiêu cực đến hệ thống điện, bao gồm hỏng hóc thiết bị, giảm tuổi thọ của các thành phần hệ thống, và tăng nguy cơ mất an toàn trong vận hành. Việc nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm dòng ngắn mạch là cần thiết để đảm bảo sự ổn định và an toàn của hệ thống điện.

III. Nghiên cứu giải pháp giảm dòng ngắn mạch

Luận văn đề xuất nhiều giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải, bao gồm sử dụng hệ thống truyền tải điện DC, bộ DVR (Dynamic Voltage Restorer), và các thiết bị điện tử công suất kết hợp với kháng hạn dòng. Các giải pháp này được đánh giá dựa trên hiệu quả và khả năng áp dụng thực tế.

3.1. Giải pháp sử dụng hệ thống truyền tải điện DC

Hệ thống truyền tải điện DC được xem là một trong những giải pháp giảm dòng ngắn mạch hiệu quả. Nó giúp giảm thiểu sự cố ngắn mạch bằng cách tách biệt các phần của hệ thống điện, từ đó hạn chế sự lan truyền của dòng ngắn mạch.

3.2. Giải pháp sử dụng bộ DVR

Bộ DVR (Dynamic Voltage Restorer) là một thiết bị được sử dụng để bảo vệ hệ thống điện khỏi các sự cố ngắn mạch. Nó hoạt động bằng cách điều chỉnh điện áp và dòng điện, giúp giảm thiểu tác động của dòng ngắn mạch lên các thiết bị trong hệ thống.

IV. Áp dụng giải pháp giảm dòng ngắn mạch

Luận văn trình bày các bước áp dụng các giải pháp giảm dòng ngắn mạch vào thực tế, bao gồm tính toán dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải và lắp đặt các thiết bị kháng hạn dòng. Các giải pháp này được đánh giá dựa trên hiệu quả và khả năng triển khai trong hệ thống điện thực tế.

4.1. Tính toán dòng ngắn mạch

Việc tính toán dòng ngắn mạch là bước quan trọng để xác định mức độ ảnh hưởng của sự cố và lựa chọn các giải pháp giảm dòng ngắn mạch phù hợp. Luận văn sử dụng các phương pháp tính toán dựa trên ma trận tổng trở nút để đánh giá dòng ngắn mạch tại các nút khác nhau trong hệ thống.

4.2. Lắp đặt kháng hạn dòng

Lắp đặt kháng hạn dòng là một trong những giải pháp giảm dòng ngắn mạch hiệu quả. Kháng hạn dòng giúp hạn chế dòng ngắn mạch bằng cách tăng tổng trở của hệ thống, từ đó giảm thiểu tác động của sự cố lên các thiết bị.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Luận văn kết luận rằng các giải pháp giảm dòng ngắn mạch được đề xuất có hiệu quả cao trong việc cải thiện độ tin cậy và an toàn của lưới điện truyền tải. Hướng phát triển tương lai bao gồm nghiên cứu sâu hơn về các công nghệ mới và áp dụng các giải pháp này vào các hệ thống điện quy mô lớn hơn.

5.1. Kết luận

Các giải pháp giảm dòng ngắn mạch được đề xuất trong luận văn đã chứng minh hiệu quả trong việc hạn chế dòng ngắn mạch và cải thiện độ ổn định của hệ thống điện. Chúng là cơ sở quan trọng cho việc quy hoạch và vận hành lưới điện trong tương lai.

5.2. Hướng phát triển tương lai

Hướng phát triển tương lai bao gồm việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới như công nghệ giảm dòng ngắn mạch tiên tiến, cũng như mở rộng quy mô áp dụng các giải pháp này vào các hệ thống điện lớn hơn và phức tạp hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của hệ thống điện Việt Nam, dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải ngày càng tăng cao, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền nhiệt và độ tin cậy của các thiết bị đóng cắt, bảo vệ rơ le cũng như các phần tử khác trong hệ thống điện. Theo báo cáo của Tổng công ty truyền tải điện quốc gia, dòng ngắn mạch tại các nút tập trung nguồn điện hoặc phụ tải lớn có thể vượt quá 40 kA ở cấp điện áp 500 kV và 220 kV, thậm chí có nơi vượt quá 63 kA, vượt xa khả năng chịu đựng của thiết bị theo quy định của Bộ Công Thương. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm dòng ngắn mạch nhằm nâng cao tính an toàn và hiệu quả vận hành lưới điện truyền tải.

Luận văn tập trung nghiên cứu các giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải, với phạm vi khảo sát tại các hệ thống điện truyền tải Việt Nam trong giai đoạn quy hoạch điện VI đến VII, có xét đến năm 2030. Mục tiêu chính là phân tích nguyên nhân tăng cao dòng ngắn mạch, mô phỏng các dạng sự cố ngắn mạch khác nhau và đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm hạn chế dòng ngắn mạch, đảm bảo vận hành an toàn và ổn định cho hệ thống điện. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc làm rõ cơ sở lý thuyết và thực tiễn trong quản lý, vận hành lưới điện truyền tải, đồng thời hỗ trợ các cơ quan quản lý và vận hành trong việc quy hoạch, thiết kế và vận hành lưới điện hiệu quả, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết mạch tương đương Thevenin: Sử dụng ma trận tổng trở nút để xác định các thông số mạng hai cửa, từ đó xây dựng sơ đồ tương đương hai cửa của hệ thống điện truyền tải nhằm phân tích dòng ngắn mạch tại các điểm sự cố.

• Phân tích dòng ngắn mạch đối xứng và không đối xứng: Áp dụng mô hình thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không để tính toán dòng ngắn mạch ba pha cân bằng và các dạng ngắn mạch không đối xứng như ngắn mạch 1 pha chạm đất, 2 pha, 2 pha chạm đất.

• Điện kháng thứ tự và tổng trở tương đương: Xác định các thông số điện kháng thứ tự nghịch (TTN) và thứ tự không (TTK) của các phần tử như máy biến áp, máy phát điện đồng bộ, cáp và kháng điện để đánh giá ảnh hưởng đến dòng ngắn mạch.

• Mô hình truyền tải điện một chiều (HVDC): So sánh ưu nhược điểm truyền tải điện một chiều và xoay chiều, đặc biệt trong việc hạn chế dòng ngắn mạch và nâng cao ổn định hệ thống.

• Thiết bị điện tử công suất và kháng hạn dòng: Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị như IGBT, GTOs kết hợp với kháng hạn dòng và tụ điện bù dọc để giảm dòng ngắn mạch hiệu quả.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng ngắn mạch, tổng trở tương đương, điện kháng thứ tự, thiết bị bảo vệ rơ le, kháng hạn dòng, truyền tải điện một chiều, thiết bị DVR (Dynamic Voltage Restorer).

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu từ các báo cáo của Tổng công ty truyền tải điện quốc gia, các văn bản pháp luật liên quan đến quy hoạch và vận hành lưới điện truyền tải, cùng các thông số kỹ thuật của thiết bị điện trong hệ thống.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình ma trận tổng trở nút để tính toán dòng ngắn mạch tại các điểm sự cố khác nhau trên lưới điện truyền tải. Mô phỏng các dạng ngắn mạch ba pha, một pha chạm đất, hai pha và hai pha chạm đất để đánh giá ảnh hưởng của các giải pháp giảm dòng ngắn mạch.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ năm 2016 đến 2018, bao gồm khảo sát hiện trạng, phân tích lý thuyết, mô phỏng và đề xuất giải pháp, áp dụng thử nghiệm trên hệ thống điện mẫu.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lưới điện truyền tải được khảo sát bao gồm các trạm biến áp và đường dây 220 kV và 500 kV tại một số khu vực trọng điểm, đại diện cho các điều kiện vận hành và sự cố phổ biến.

• Lý do lựa chọn phương pháp: Phương pháp ma trận tổng trở nút và mô hình tương đương Thevenin được chọn vì tính chính xác và khả năng mô phỏng đa dạng các dạng sự cố ngắn mạch, phù hợp với quy mô và cấu trúc phức tạp của lưới điện truyền tải Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Dòng ngắn mạch tăng cao do cấu hình hệ thống và tập trung nguồn: Dòng ngắn mạch tại các nút tập trung nguồn và phụ tải lớn có thể vượt quá 40 kA ở cấp 500 kV và 220 kV, thậm chí lên đến hơn 63 kA tại một số trạm. Nguyên nhân chính là tổng trở hệ thống giảm do nhiều nguồn điện mới được đưa vào vận hành và liên kết lưới điện tăng, làm giảm tổng trở tương đương nhìn từ điểm ngắn mạch.

2. Ảnh hưởng của cấu hình máy biến áp và kháng điện: Việc nối cuộn dây tam giác trong máy biến áp làm giảm điện kháng thứ tự không, dẫn đến dòng ngắn mạch tăng cao. Gỡ bỏ cuộn tam giác giúp tăng điện kháng thứ tự không, giảm dòng ngắn mạch khi xảy ra sự cố chạm đất pha.

3. Hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật: Lắp đặt kháng hạn dòng phân đoạn tại các ngăn phân đoạn của trạm biến áp và đường dây có dòng ngắn mạch cao có thể giảm dòng ngắn mạch từ 10% đến 30%, tùy thuộc vào vị trí và thông số kháng điện. Thay đổi tổng trở ngắn mạch của máy biến áp đầu cực máy phát cũng giúp giảm dòng ngắn mạch khoảng 15-20%.

4. Giải pháp truyền tải điện một chiều (HVDC) và thiết bị điện tử công suất: HVDC giúp hạn chế dòng ngắn mạch do đặc tính truyền tải không có dòng xoay chiều, tuy nhiên chi phí đầu tư ban đầu rất cao và yêu cầu vận hành phức tạp. Thiết bị điện tử công suất kết hợp kháng hạn dòng và tụ điện bù dọc có thể giảm dòng ngắn mạch nhanh chóng trong vài micro giây, phù hợp với lưới điện 500 kV nhưng đòi hỏi công nghệ và nhân lực cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dòng ngắn mạch tăng cao chủ yếu do cấu hình lưới điện chưa tối ưu, tập trung nhiều nguồn và đường dây đấu nối vào cùng một thanh cái, làm giảm tổng trở hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy việc tăng tổng trở tương đương bằng cách lắp đặt kháng hạn dòng hoặc thay đổi cấu hình máy biến áp là giải pháp hiệu quả và khả thi về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế.

So sánh với các nghiên cứu trong khu vực và quốc tế, các giải pháp như sử dụng thiết bị điện tử công suất và truyền tải điện một chiều được đánh giá cao về mặt kỹ thuật nhưng còn hạn chế về chi phí và yêu cầu vận hành. Do đó, việc lựa chọn giải pháp cần cân nhắc hài hòa giữa hiệu quả kỹ thuật, chi phí đầu tư và khả năng vận hành thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch trước và sau khi áp dụng các giải pháp, bảng tổng hợp các thông số kháng điện và dòng ngắn mạch tương ứng, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu cấu hình lưới điện truyền tải: Thực hiện điều chỉnh cấu trúc lưới điện nhằm tăng tổng trở hệ thống, hạn chế số mạch song song và tránh tập trung nguồn quá lớn tại một nút. Mục tiêu giảm dòng ngắn mạch tại các nút trọng điểm xuống dưới 40 kA trong vòng 3-5 năm. Chủ thể thực hiện: Tổng công ty truyền tải điện quốc gia phối hợp với các đơn vị quy hoạch.

2. Lắp đặt kháng hạn dòng phân đoạn: Triển khai lắp đặt kháng điện khô tại các ngăn phân đoạn của trạm biến áp và đường dây có dòng ngắn mạch cao, ưu tiên các trạm 220 kV và 500 kV. Mục tiêu giảm dòng ngắn mạch từ 10-30% trong vòng 2 năm. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và các nhà thầu thi công.

3. Thay thế và nâng cấp thiết bị máy biến áp: Lựa chọn máy biến áp đầu cực máy phát có tổng trở ngắn mạch cao hơn để thay thế các máy biến áp có tổng trở thấp, đồng thời gỡ bỏ cuộn tam giác không cần thiết. Mục tiêu nâng cao điện kháng hệ thống, giảm dòng ngắn mạch khoảng 15-20% trong 3 năm tới. Chủ thể thực hiện: Các nhà máy điện và đơn vị vận hành.

4. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới: Đầu tư nghiên cứu, thử nghiệm và từng bước ứng dụng thiết bị điện tử công suất kết hợp kháng hạn dòng và tụ điện bù dọc, cũng như truyền tải điện một chiều HVDC cho các tuyến truyền tải trọng điểm. Mục tiêu xây dựng lộ trình ứng dụng công nghệ hiện đại trong 5-10 năm. Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu, trường đại học và Tổng công ty truyền tải điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Giúp hiểu rõ các nguyên nhân và giải pháp kỹ thuật để xây dựng chính sách phát triển lưới điện an toàn, hiệu quả, phù hợp với quy hoạch điện quốc gia.

2. Kỹ sư và chuyên gia vận hành lưới điện truyền tải: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về tính toán dòng ngắn mạch, phân tích sự cố và các giải pháp kỹ thuật thực tiễn để nâng cao độ tin cậy vận hành.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, mô hình và phương pháp nghiên cứu dòng ngắn mạch, cũng như các công nghệ mới trong lĩnh vực truyền tải điện.

4. Các nhà thầu và đơn vị thi công lưới điện: Hỗ trợ trong việc lựa chọn thiết bị, thiết kế sơ đồ lắp đặt kháng hạn dòng và áp dụng các giải pháp kỹ thuật phù hợp với điều kiện thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Dòng ngắn mạch là gì và tại sao cần giảm?
   Dòng ngắn mạch là dòng điện lớn xuất hiện khi có sự cố chạm ngắn mạch trong hệ thống điện, có thể gây hư hỏng thiết bị và mất an toàn vận hành. Giảm dòng ngắn mạch giúp bảo vệ thiết bị, nâng cao độ tin cậy và an toàn cho hệ thống.

2. Nguyên nhân chính làm tăng dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải?
   Nguyên nhân chủ yếu là do tổng trở hệ thống giảm khi nhiều nguồn điện mới được đưa vào vận hành và lưới điện được liên kết chặt chẽ hơn, làm tăng dòng ngắn mạch tại các nút tập trung.

3. Các giải pháp kỹ thuật phổ biến để giảm dòng ngắn mạch?
   Bao gồm tối ưu cấu hình lưới điện, lắp đặt kháng hạn dòng phân đoạn, thay đổi cấu hình máy biến áp, sử dụng thiết bị điện tử công suất và truyền tải điện một chiều HVDC.

4. Kháng hạn dòng hoạt động như thế nào trong việc giảm dòng ngắn mạch?
   Kháng hạn dòng được lắp đặt song song hoặc nối tiếp trong mạch điện để tăng tổng trở tương đương, từ đó giảm dòng ngắn mạch khi xảy ra sự cố, bảo vệ thiết bị và hệ thống.

5. Tại sao truyền tải điện một chiều HVDC được xem là giải pháp tương lai?
   HVDC có ưu điểm giảm dòng ngắn mạch, nâng cao ổn định hệ thống và truyền tải công suất lớn trên khoảng cách xa. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cao và yêu cầu vận hành phức tạp nên cần có lộ trình nghiên cứu và ứng dụng phù hợp.

Kết luận

• Dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải Việt Nam đang có xu hướng tăng cao, vượt quá khả năng chịu đựng của thiết bị, gây nguy cơ mất an toàn và giảm độ tin cậy vận hành.
• Nguyên nhân chính là do cấu hình lưới điện chưa tối ưu, tập trung nhiều nguồn và đường dây đấu nối, làm giảm tổng trở hệ thống.
• Các giải pháp khả thi gồm tối ưu cấu trúc lưới điện, lắp đặt kháng hạn dòng phân đoạn, thay thế máy biến áp có tổng trở ngắn mạch cao và nghiên cứu ứng dụng công nghệ điện tử công suất.
• Việc lựa chọn giải pháp cần cân nhắc hài hòa giữa hiệu quả kỹ thuật, chi phí đầu tư và khả năng vận hành thực tế.
• Đề xuất xây dựng lộ trình triển khai các giải pháp trong vòng 3-5 năm tới, đồng thời đầu tư nghiên cứu công nghệ mới cho giai đoạn dài hạn.

Các cơ quan quản lý, đơn vị vận hành và nghiên cứu cần phối hợp chặt chẽ để triển khai các giải pháp giảm dòng ngắn mạch, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống điện truyền tải Việt Nam trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung + Chương 2: Tổng quan về ngắn mạch trên lưới điện truyền tải + Chương 3: Nghiên cứu giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải + Chương 4: Áp dụng giải pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện truyền tải + Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai 5 Chương 2 Tổng quan về ngắn mạch trên lưới điện truyền tải 2. Giới thiệu Ngắn mạch trong hệ thống điện là không thể tránh khỏi, ngắn mạch xuất hiện từ các yếu tố tự nhiên khách quan hoặc yếu tố vận hành chủ quan, ngắn mạch làm dòng điện tăng cao và điện áp giảm thấp, các dạng ngắn mạch trong hệ thống điện gồm có ngắn mạch 1 pha chạm đất, ngắn mạch 2 pha hoặc 2 pha chạm đất, ngắn mạch 3 pha, trong đó ngắn mạch 3 pha là nguy hiểm nhất do thường gây ra dòng điện ngắn mạch là cao nhất. Dòng ngắn mạch cao có thể làm hỏng hóc các thiết bị như máy biến áp, thiết bị đóng cắt, đường dây trên không, cáp ngầm. Dòng ngắn mạch trong hệ thống điện có xu hướng tăng do nhiều nguồn điện mới đưa vào vận hành và liên kết lưới điện tăng.

Dòng ngắn mạch có thể vượt quá khả năng chịu đựng của các thiết bị. Vì vậy, vấn đề tìm nguyên nhân và giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch trong hệ thống điện ngày càng trở nên quan trọng và cấp bách. Nghiên cứu và đề xuất giải pháp giảm dòng ngắn mạch cho lưới điện truyền tải nhằm xem xét giải pháp tổng thể để hạn chế dòng ngắn mạch đang tăng quá cao. Từ đó, đưa ra tiến trình thực hiện giải pháp tổng thể để đạt yêu cầu quy định tiêu chuẩn hoá về dòng điện ngắn mạch cho thiết bị.

Đối với hệ thống điện Việt Nam từ quy hoạch điện VI đến quy hoạch điện VII và quy hoạch điện VII điều chỉnh, dòng ngắn mạch tại các nút tập trung nguồn điện hoặc phụ tải lớn có dòng ngắn mạch tăng nhanh. Theo báo cáo tổng kết của Tổng công ty truyền tải điện quốc gia trong trường hợp vận hành các sơ đồ điện của các trạm điện đúng thiết kế thì dòng ngắn mạch tại các nút này tăng quá giá trị dòng chịu đựng ngắn mạch định mức của thiết bị là 40kA ở cấp 500kV và 220kV; 31,5kA ở cấp 110kV do Bộ Công thương quy định. Thậm chí, hiện nay tại một số trạm có dòng ngắn mạch lớn hơn 63kA. Dòng ngắn mạch trong hệ thống điện có xu hướng tăng do: 6 + Nhiều nguồn điện mới đưa vào vận hành; + Liên kết lưới điện tăng.

Dòng sự cố có thể vượt quá khả năng chịu đựng của các thiết bị. Vì vậy, vấn đề giảm dòng ngắn mạch trong hệ thống điện ngày càng trở nên quan trọng và cần thiết. Hầu hết, việc tính toán sự cố trong lưới điện truyền tải được thực hiện trong đơn vị tương đối với ma trận tổng trở nút. Khi tính toán, thông thường giả thiết rằng dòng tải không đáng kể so với dòng sự cố hay cho hở mạch tại các nút tải.n , k ≠ i k Trong đó: Zii: phần tử thứ i trên của đường chéo của ma trận tổng trở nút, là tổng trở tương đương Thevenin nhìn từ nút i vào hệ thống khi nút i bị sự cố.

Điện áp tương đương Thevenin là điện áp hở mạch tại nút i hay điện áp danh định trước sự cố. Thông thường, điện áp này được giả sử bằng 1,0 đvtđ. Mặc dù, giá trị này có thể được điều chỉnh như mong muốn vì mạng là tuyến tính. Tổng trở Zik trong ma trận Znút là một giá trị tổng trở phản ánh quan hệ giữa điện áp tại nút i với dòng điện đổ vào nút k.

Ma trận tổng trở nút của mạng thứ tự nghịch và thứ tự không cũng được sử dụng trong tính toán ngắn mạch trong lưới điện truyền tải. Thông thường, giả thiết rằng mạng thứ tự nghịch giống như mạng thứ tự thuận, ngoại trừ các kháng trở máy phát. Như vậy, khi biết được các mạng thứ tự, bằng việc sử dụng ma trận tổng trở nút hay biến đổi mạch tương đương Thevenin, có thể tính toán được bất cứ dòng sự cố yêu cầu nào tại các nút truyền tải. Tương đương hệ thống điện Giả sử rằng cần tính toán bảo vệ cho một đường dây truyền tải hay một phần tử nào đó trong hệ thống truyền tải.

Mạng kết nối với phần tử là một 7 mạng tích cực có chứa nguồn cũng như các nhánh tải song song, tụ điện, cuộn kháng… Trong các mạng lớn, số phương trình mô tả mạng điện tương đương với số nút. Trong nhiều trường hợp, yêu cầu biết thông tin tại bất kì nút nào của mạng, cần phải giải số lượng lớn phương trình mô phỏng hệ thống. Trong lĩnh vực bảo vệ, thông thường quan tâm đến ảnh hưởng của hệ thống lên phần tử cần bảo vệ, nên cần thu gọn mạng đơn giản hơn để phục vụ cho yêu cầu tính toán bảo vệ. Giả sử rằng khảo sát phần tử bảo vệ là đường dây hay máy biến áp trong nhánh nào đó nối giữa hai nút của hệ thống.

Khi ấy, xét đường dây truyền tải nối giữa hai nút trong hệ thống điện. Giả thiết rằng cần biết dòng, áp tại vị trí hai đầu đường dây. Để xác định các giá trị này cần tương đương hệ thống trừ đường dây đang khảo sát thành một mạng tương đương hai cửa tích cực chứa nguồn và các tổng trở tương đương như hình 2. Đường dây khảo sát và tương đương hệ thống Mạng hình 2.1 được mô tả bởi phương trình mạng hai cửa mạch hở như sau: V&1   Z&11 Z&12   I&1  V&S1  &=&   +   (2.4) Các phần tử trong ma trận tổng trở Z được gọi là các thông số mạng hở, nghĩa là I&1 = 0 hay I&2 = 0.

Các véc-tơ điện áp V&S1 và V&S 2 trong (2.3) là véc-tơ điện áp nguồn, biểu diễn ảnh hưởng của nguồn trong hệ thống. Xác định sơ đồ 8 tương đương hai cửa của hệ thống khi tháo đường dây ra. Trong đó: V&1 và V&2 là điện thế các nút 1 và 2 so với nút gốc. Các dòng điện I&1 và I&2 là các dòng điện đổ vào hệ thống tại các nút 1 và 2.

Trước hết, khi hai cửa mạng tương đương để hở nghĩa là I&1 = I&2 = 0 trong phương trình (2.5) & V2  I1 = I 2 = 0 VS 2  Từ phương trình (2.5) nhận thấy rằng điện áp nguồn V&S 1 và V&S 2 chính là các giá trị điện áp mạch hở tại các cửa 1 và 2 khi đường dây được tháo bỏ. Các giá trị này thể hiện ảnh hưởng của nguồn trong hệ thống. Có thể xem đây như là các điện áp Thevenin tương đương và được xác định từ việc giải bài toán phân bổ dòng công suất trong hệ thống khi tháo bỏ đường dây ra khỏi hệ thống. Mặt khác, trong trường hợp không có các nguồn trong hệ thống.6) Mạng 2 cửa trở thành mạng thụ động và các thông số mạng hai cửa được xác định bằng cách lần lượt bơm dòng vào mỗi cửa.

Trong điều kiện bơm nguồn vào, điện thế tại hai cửa được đo hoặc tính và so sánh với dòng điện bơm vào. Các thông số mạng hai cửa là như sau: V& Z&11 = &1 (2. Xác định các thông số mạng hai cửa Thông số mạng hai cửa có thể được xác định từ các phương trình mô tả mạng điện. Các phương trình có thể ở dạng tổng trở nút hay tổng dẫn nút.

Do hệ thống điện thực tế có nhiều nút, nhiều nhánh nên số lượng phương trình rất lớn và giải hệ phương trình cần sự hỗ trợ của máy tính. Do các chương trình tính tóan ngắn mạch thường sử dụng ma trận tổng trở nên người ta thường xác định thông số mạng hai cửa từ các phương trình ở dạng tổng trở nút. Chúng ta mô tả mạng điện bằng ma trận tổng trở nút, để đơn giản, ta bỏ qua nguồn điện thế: V & 1   Z& 11 Z& 1i Z & 1k Z & 1n   I&1       .   Vi   Z i1 Z & & & ii Z& ik Z& in   I& i   .11)    V Z  k   k1 & ki & & Z Z & kk Z& kn  I& k  .

  &  & & nn   I& n   Vn   Z n1 Z& ni Z& nk Z   Giả sử rằng nhánh được khảo sát nối giữa nút i và k, dòng điện bơm vào mạng là những dòng chảy ra mỗi đầu nhánh. Các dòng này ký hiệu là I&1 và I&2 ở phương trình (2. Tất cả các dòng khác bằng không. Dùng các phương pháp toán học biến đổi và rút gọn hệ phương trình (2.11) về dạng: V&i   Z& ii Z& ik   I&i  & =&   (2.12) Vk   Z ki Z& kk   I&k  Nếu chọn nút i, k là 1 và 2 thì : V&1   Z& 11 Z& 12   I&1  & =&   (2.13) V2   Z 21 Z& 22   I&2  Lưu ý rằng ma trận (2.13) được xác định khi nhánh đường dây khảo sát được tháo ra khỏi mạng.

Sơ đồ thay thế tương đương nhìn từ hai nút i, k của mạng điện cho bởi hình 2.2 khi không kể đường dây khảo sát. 10 I&1 = 0 I&2 = 0 I&i I&i Z& S E& S Z& ik Z& ik Z& E I&k Z&U E&U I&k I&n = 0 Hình 2. Thông số mạng hai cửa tương đương Một mạng tương đương hai cửa đơn giản nhất của hệ thống 3 nút, nút 1 (cửa 1), nút 2 (cửa 2), và nút tham chiếu (nút gốc) gồm 3 tổng trở tương đương như trình bày trên hình 2.2 và vẽ lại hình 2. Các sức điện động tượng trưng cho ảnh hưởng của các nguồn trong mạng, được xác định khi tính toán hở mạch tại nút 1 và 2.

Tổng trở ZL trên hình 2.3 biểu diễn tổng trở đường dây khảo sát. ZE được gọi là tổng trở tương đương mạch ngoài. Sơ đồ tương đương hai cửa Các thông số mạng hai cửa được xác định khi tháo đường dây ra khỏi hệ thống: + Đầu tiên ta tính điện áp tại các nút trong tình trạng hở mạch đường dây (ảnh hưởng của nguồn khi I& 1 = I& 2 = 0 ): 11 &I = E& s − E& U E& − E& U = s (2.