Chương 1. DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH VÀ THIẾT LẬP SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN NGĂN MẠCH.) Mục tiêu - Kiến thức: Giúp sinh viên hiểu đƣợc về khái niệm, phân loại các dạng ngắn mạch xảy ra trong hệ thống điện - Kỹ năng: Biết cách thiết lập sơ đồ thay thế của các phần tử và tính toán các thông số trong hệ đơn vị có tên hoặc tƣơng đối. - Thái độ: Có ý thức tự học, tự tổng hợp các kiến thức có liên hệ thực tế. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.
a) Khái niệm: ngắn mạch là hiện tƣợng chạm chập giữa các pha với nhau (hoặc các pha với đất) không thuộc chế độ hoạt động bình thƣờng. Phân biệt: TT trực tiếp nối đất TT cách điện Ngắn mạch 1 pha Chạm đất 1 pha Hình 1-1: Sơ đồ phân biệt ngắn mạch và chạm đất một pha. Khi chạm đất một pha dòng điện tại nơi chạm đất chỉ xuất hiện rất bé, chạy qua các điện dung ký sinh của đƣờng dây để trở về điểm ngắn mạch không đƣợc gọi là dòng ngắn mạch. b) Phân loại ngắn mạch.
Các dạng ngắn mạch, ký hiệu, hình vẽ và xác suất xảy ra đƣợc đƣa ra trong bảng 1. 2 Dạng ngắn Hình vẽ Kí Xác suất mạch hiệu xảy ra (%) 3 pha N(3) 5 2 pha N(2) 10 2 pha chạm N(1,1) 20 đất 1 pha N(1) 65 Bảng 1-1: Các dạng ngắn mạch. Trong các loại ngắn mạch này, có thể phân loại thành: + Ngắn mạch đối xứng: N(3) Là dạng ngắn mạch vẫn duy trì đƣợc hệ thống dòng áp 3 pha ở tình trạng đối xứng. + Ngắn mạch không đối xứng: N(2); N(1,1); N(1) Là dạng ngắn mạch làm cho hệ thống dòng, áp 3 pha mất đối xứng.
Nguyên nhân và hậu quả của ngắn mạch. + Nguyên nhân: - Cách điện của các thiết bị già cỗi, hƣ hỏng. - Các ngẫu nhiên khác, thao tác nhầm hoặc do đƣợc dự tính trƣớc… + Hậu quả: - Phát nóng: IN >>Iđm phần tử có dòng ngắn mạch đi qua nóng quá mức cho phép dù với một thời gian rất ngắn→có khả năng gây cháy, nổ, làm hƣ hỏng các phần tử, các thiết bị trong HTĐ. 3 - Tăng lực điện động: Lực điện động sinh ra tỉ lệ thuận với bình phƣơng dòng điện ngắn mạch, có thể gây hỏng hóc các cơ cấu cơ khí nhƣ sứ đỡ, ổ trục máy điện, cuộn dây máy biến áp.
- Điện áp giảm và mất đối xứng: ảnh hƣởng đến phụ tải (U<<(30-40)% làm động cơ điện ngừng quay, ảnh hƣởng sản xuất. - Nhiều phần tử của mạng điện bị cắt ra để loại trừ điểm ngắn mạch → Giảm độ tin cậy cung cấp điện. - Gây nhiễu đối với đƣờng dây thông tin ở gần. - Gây mất ổn định: khi không cách ly kịp thời phần tử bị ngắn mạch, hệ thống có thể mất ổn định và tan rã… 1.
Mụ đí h tính to n n ắn mạch và yêu cầu với chúng. - Lựa chọn các trang thiết bị điện phù hợp, chịu đƣợc dòng điện trong thời gian tồn tại ngắn mạch. - Tính toán hiệu chỉnh các thiết bị bảo vệ role. - Lựa chọn sơ đồ nối điện.
- Lựa chọn thiết bị hạn chế dòng điện ngắn mạch. - Nghiên cứu phụ tải, phân tích sự cố, nghiên cứu ổn định hệ thống. Trong HTĐ phức tạp, việc tính toán chính xác dòng ngắn mạch là rất khó khăn→ tùy thuộc vào yêu cầu tính toán mà áp dụng các phƣơng pháp thực nghiệm, gần đúng với các điều kiện đầu khác nhau để tính toán ngắn mạch. DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH 1.
Ngắn mạch ba pha trong mạ h điện đơn iản. Xét mạch điện 3 pha đối xứng đơn giản: uA = Um sin(ωt+α) uB = Um sin(ωt+α-1200) uC = Um sin(ωt+α+1200) Hình 1-2: Ngắn mạch 3 pha trong mạng điện đơn giản. Với r và L: đặc trƣng cho điện trở và điện cảm của dây dẫn (từ điểm ngắn mạch tới nguồn), r‟ và L‟ đặc trƣng cho phụ tải các pha. Mạch đối xứng với ngắn mạch 3 pha là nm đối xứng : ta có thể tách một pha ra để khảo sát, nghiên cứu.
4 Xét với pha A: u(t) = Um sin(ωt+α) Hình 1-3: Ngắn mạch pha A Trƣớc khi xảy ra ngắn mạch: trị số dòng điện toàn phần trong mạch.( L L' ) arctg r r' Khi xảy ra ngắn mạch: mạch tách thành 2 phần độc lập: mạch phía không nguồn và mạch phía có nguồn. + Với mạch phía không nguồn: Phƣơng trình vi phân đƣợc viết nhƣ sau: di u i.t Giải ra ta đƣợc: ikn C.e L Dòng điện sẽ giảm dần đến lúc năng lƣợng tích lũy trong điện cảm L‟ tiêu tán hết trên r‟. +Với mạch phía nguồn: Phƣơng trình vi phân cho quá trình quá độ: di u i.3) dt Giải phƣơng trình vi phân ta đƣợc: r Um .4) ZN Có thể coi dòng điện iN(t) gồm 2 thành phần: Thành phần dòng chu kỳ: Um (1.L N arctg 5r Hình 1-4: Biến thiên dòng ngắn mạch chu kỳ. Thành phần dòng tự do: r t .e Ta C Ta Hình 1-5: Biến thiên dòng ngắn mạch tự do C: Hằng số tích phân cần xác định từ điều kiện đầu của mạch.
Hằng số thời gian Ta=L/r đặc trƣng cho tốc độ suy giảm của thành phần dòng điện tự do. Xác định hằng số tích phân C: Dựa vào điều kiện đầu của mạch, tại thời điểm t=0 (theo tính chất của mạch điện có điện cảm dòng điện toàn phần không đột biến): ia (0) iNa (0) iCK (0) itd (0) Im .7) 6 Hình 1-6: Quan hệ thành phần của dòng điện ngắn mạch ban đầu (t=0) Từ đồ thị hình 1.6 trị số ban đầu của thành phần dòng tự do đƣợc biểu thị nhƣ là hình chiếu của véctơ ( İm - İCKm) lên trục thời gian t, và có một số đặc điểm sau: + Tùy thuộc vào góc α mà Iao có thể cực đại hoặc bằng không. (a) (b) Hình 1-7: Thành phần tự do lớn nhất (a) và nhỏ nhất (b) + Iao phụ thuộc vào trạng tính chất của phụ tải trƣớc ngắn mạch. 7 Tải cảm Tải dung Không tải Hình 1-8: Ảnh hƣởng của tải đến thành phần dòng tự do.
+ Trong cùng một tình huống ngắn mạch thành phần dòng điện tự do xuất hiện trên các pha không giống nhau. Thực tế hiếm khi mạch điện trƣớc ngắn mạch có tính điện dung và đồng thời thƣờng có φN =900 (khi có sự cố không có tải) , do vậy khi tính toán điều kiện để có tình trạng ngắn mạch nguy hiểm nhất là: + mạch điện trƣớc ngắn mạch là không tải + Góc α nhỏ ( α≈0). Nghĩa là ngắn mạch vào lúc điện áp nguồn xấp xỉ đi qua trị số 0. Kết luận: - Có thể tính toán dòng ngắn mạch theo 2 thành phần: thành phần dòng chu kỳ (thành phần xoay chiều) và thành phần tự do (một chiều).
- Thành phần dòng chu kỳ hoàn toàn xác định bởi sơ đồ mạch điện, và sức điện động nguồn sau thời điểm ngắn mạch. - Thành phần dòng điện tự do mang đặc tính ngẫu nhiên, phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thời điểm ngắn mạch, trạng thái mạch…. - Thành phần tự do có thể biết đƣợc dạng hàm biến thiên (tắt dần theo hàm mũ). Trị số lớn nhất ở thời điểm đầu trong trƣờng hợp xuất điện cực đại có thể lấy Iao=ICKm.
Hình 1-9: Dòng ngắn mạch toàn phần. Trị số hiệu dụng của dòng ngắn mạch toàn phần. Trị số hiệu dụng của dòng ngắn mạch toàn phần tại thời điểm t đƣợc tính nhƣ sau: t T / 2 1 It .8) Dòng iN khá phức tạp, gần đúng có thể tính trị số hiệu dụng của dòng ngắn mạch nhƣ sau: It ICK 2 I tdt 2 (1.9) ICK ICkm / 2 : Trị hiệu dụng của thành phần dòng ngắn mạch chu kỳ. Itdt : Trị hiệu dụng của dòng tự do tại thời điểm t.
+ Dòng ngắn mạch xung kích: Dòng ngắn mạch xung kích ixk là trị số tức thời lớn nhất của dòng ngắn mạch trong quá trình quá độ. Ứng với điều kiện nguy hiểm nhất, dòng ngắn mạch xung kích xuất hiện vào khoảng ½ chu kỳ sau khi ngắn mạch (t=T/2=0,01 s với mạng có f=50Hz). ixk=ick0,01 +itd0,01 Trong đó: ick0,01 ≈ Ickm0+ 0.e Ta Hình 1-10: Dòng ngắn mạch xung kích.10) kxk : Hệ số xung kích của dòng ngắn mạch, tùy thuộc vào Ta mà kxk có giá trị khác nhau trong khoảng 1≤ kkx ≤ 2. ICK: Trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch chu kỳ.
- Thông thƣờng với ngắn mạch gần nguồn lấy kxk=1,8÷1,9; với ngắn mạch phía thứ cấp của các máy biến áp phân phối lấy kxk=1,3. Trị số dòng điện xung kích rất cần đƣợc quan tâm khi tính toán kiểm tra tác dụng của lực điện động lên các trang thiết bị khi có sự cố. Công suất ngắn mạch. Định nghĩa: S Nt 3.11) 9 Utb : Điện áp trung bình của mạng có dòng ngắn mạch trƣớc khi xảy ra ngắn mạch.
INt : Trị số hiệu dụng của dòng ngắn mạch tại thời điểm t. SNt : Đặc trƣng cho công suất lớn nhất có thể tạo ra giữa 2 tiếp điểm của MCĐ khi cắt dòng ngắn mạch (là công suất toàn hệ thống sinh ra ở trạng thái ngắn mạch). MCĐ cần đƣợc chọn: S Nt SCdm 3.ICdm Khi biết công suất ngắn mạch do hệ thống cung cấp cho điểm ngắn mạch có thể tính đƣợc tổng trở của toàn mạng điện từ điểm ngắn mạch đến nguồn: UTB ZHT U tb U tb2 Z HT (1.3 THIẾT LẬP SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 1. Các giả thiết ơ ản + Tần số hệ thống không đổi.
+ Bỏ qua sự bão hòa mạch từ. + Hệ thống sức điện động ba pha của nguồn là đối xứng. + Bỏ qua các lƣợng nhỏ trong thông số của một số phần tử. - Bỏ qua dung dẫn đƣờng dây điện áp thấp.
- Bỏ qua mạch không tải của các máy biến áp. - Bỏ qua điện trở của cuộn dây máy phát điện, máy biến áp, đƣờng dây…. + Thay phụ tải bằng tổng trở. Hệ đơn vị tƣơn đối.
Bất kỳ một đại lƣợng vật lý nào cũng có thể biểu diễn trong hệ đơn vị có t n hoăc trong hệ đơn vị tƣơng đối. Trị số tương đối của một đại lượng vật lý bất kỳ là tỷ số giữa nó với một đại lượng vật lý khác cùng thứ nguyên được chọn làm đơn vị đo lường. Đại lƣợng vật lý đƣợc chọn làm đơn vị đo lƣờng đƣợc gọi là đơn vị cơ bản. Với HTĐ 3 pha ngƣời ta dùng các đại lƣợng cơ bản sau: 10 Scb : Công suất cơ bản 3 pha.
Ucb : Điện áp dây cơ bản. Zcb : Tổng trở cơ bản. Icb : Dòng điện cơ bản.