Bài giảng Phân tích ngắn mạch trong hệ thống điện - Chương 1: Khái niệm chung

1 Phân tích Ngắn mạch trong Hệ thống điện TS. Trương Ngọc Minh Nội dung môn học 1 2 Quá trình quá độ của MFĐ khi ngắn mạch 3 Thiết lập sơ đồ tính dòng điện ngắn mạch 4 Tính toán dòng điện ngắn mạch quá độ 5 Tính toán dòng điện ngắn mạch không đối xứng 6 Sự cố phức tạp trong hệ thống điện Khái niệm chung 2 3 Chương 1 Khái Niệm Chung ‣ Ngắn mạch là gì? ‣ Tổng trở ngắn mạch 1.1. Một vài khái niệm cơ bản Định nghĩa 4 ‣ Do cách điện bị hỏng ‣ Già cỗi khi làm việc lâu ngày; ‣ Bị tác động bởi điện trường mạnh gây phóng điện ‣ Do tác động của con người, động vật hoặc gió bão ‣ Do sét đánh ‣ Thao tác không đúng quy trình 5 1.1. Một vài khái niệm cơ bản Các nguyên nhân gây ngắn mạch 6 1.1. Một vài khái niệm cơ bản Phân loại dạng ngắn mạch ‣ Gây phát nóng cục bộ nhanh; ‣ Sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần của thiết bị; ‣ Gây sụt áp lưới điện; ‣ Có thể gây mất ổn định Hệ thống điện; ‣ Sinh ra các dòng điện không đối xứng; ‣ Gây gián đoạn cung cấp điện => Ngắn mạch cần được loại trừ nhanh (3-5 chu kì) 7 1.1. Một vài khái niệm cơ bản Hậu quả của ngắn mạch ‣ Lựa chọn thiết bị điện và dây dẫn phù hợp; ‣ Tính toán cài đặt và chỉnh định bảo vệ rơ le; ‣ Lựa chọn sơ đồ thích hợp để hạn chế dòng ngắn mạch; ‣ Lựa chọn thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch. 8 1.2. Dòng điện ngắn mạch Mục đích tính toán dòng ngắn mạch 9 1.2. Dòng điện ngắn mạch Ngắn mạch 3 pha xa nguồn mạng đơn giản u(t)=Umsin(ωt +α ) i(t)= UmZ sin(ωt +α −ϕN )+Ce−RLt = iCK (t)+ ia(t) Z = R2 +(ωL)2 ϕN = arctg(ωLR ) = ICKmsin(ωt +α −ϕN )+ ia0e− tTa Ta = L R ‣ Dòng điện trước khi ngắn mạch xảy ra: ‣ Tại thời điểm t = 0: 10 1.2. Dòng điện ngắn mạch Ngắn mạch 3 pha xa nguồn mạng đơn giản i(0)= i0 i(t)= Um Z ' sin(ωt +α −ϕ)= Imsin(ωt +α −ϕ) Z ' = (R+R' )2 +(ωL+ωL' )2 ϕ = arctgω(L+L' ) R+R' i(0)= iCK (0)+ ia(0)= ICKmsin(α −ϕN )+C = Imsin(α −ϕ) ia0 =C = Imsin(α −ϕ)− ICKmsin(α −ϕN ) ia(t)= Imsin(α −ϕ)− ICKmsin(α −ϕN )⎡⎣ ⎤⎦e−RLt 11 1.2. Dòng điện ngắn mạch Ngắn mạch 3 pha xa nguồn mạng đơn giản 12 1.2. Dòng điện ngắn mạch Ngắn mạch 3 pha xa nguồn mạng đơn giản 13 1.2. Dòng điện ngắn mạch Ngắn mạch 3 pha xa nguồn mạng đơn giản ‣ Dòng ngắn mạch bao gồm 02 thành phần: ‣ Thành phần dòng điện chu kỳ xác định bởi thông số mạch và sức điện động nguồn sau ngắn mạch; ‣ Thành phần tự do mang đặc tính ngẫu nhiên. 14 1.2. Dòng điện ngắn mạch Ngắn mạch 3 pha xa nguồn mạng đơn giản 15 1.2. Dòng điện ngắn mạch Dòng điện ngắn mạch xung kích 16 1.2. Dòng điện ngắn mạch Trị số ixk ‣ Thời điểm xuất hiện trị số xung kích 0,01s; ‣ ia(0) = Ickm i(t)= iCK (t)+ ia(t) kxk =1+e−0,01Ta ixk = iCK (0,01)+ ia0e−0,01Ta ≈ ICKm(1+e−0,01Ta )= kxkICKm = 2kxkICK là hệ số xung kích ICK là trị số hiệu dụng của thành phần dòng điện ngắn mạch 17 1.2. Dòng điện ngắn mạch Trị số hiệu dụng dòng ngắn mạch toàn phần ‣ Tại thời điểm bất kỳ It = 1 T iN 2 dt t−T/2 t+T/2 ∫ T là chu kỳ thời gian của dòng điện xoay chiều It = Iat 2 + ICK2 ICK = ICKm2 Iat = ia(t)= ia0e− tTa = ICKme− tTa ‣ Trị số hiệu dụng lớn nhất tại t = 0,01s Iat = ia(0,01)= ixk − ICKm = 2(kxk −1)ICK Ixk = ICK 1+2(kxk −1)2 18 1.2. Dòng điện ngắn mạch Công suất ngắn mạch ‣ Công suất ngắn mạch SNt = 3UtbINt Utb Scat ≥ SNt là điện áp dây trung bình của mạng điện INt là trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch tại t ‣ Ý nghĩa - Lựa chọn máy cắt phù hợp ; - Tính toán tổng trở ngắn mạch ZHT = Utb 2 SN 19 1.2. Dòng điện ngắn mạch Ngắn mạch ở gần MFĐ đồng bộ ‣ Dòng điện ngắn mạch thay đổi phức tạp do: - Ảnh hưởng của hỗ cảm giữa stato và roto làm thay đổi sức điện động của máy phát ở giai đoạn đầu; - Tác động của thiết bị tự động điều chỉnh kích từ làm thay đổi dòng điện kích từ ở giai đoạn sau. 20 1.2. Dòng điện ngắn mạch Ảnh hưởng của hiện tượng hỗ cảm 21 1.2. Dòng điện ngắn mạch Ảnh hưởng của TĐK 22 1.2. Dòng điện ngắn mạch Sự thay đổi của dòng điện ngắn mạch 23 1.2. Dòng điện ngắn mạch Sự thay đổi của dòng điện ngắn mạch ‣ Tính toán khảo sát các hiện tượng quá điện áp, cộng hưởng điện từ, đánh giá khả năng dập hồ quang của máy cắt; ‣ Tính toán trị số đặc trưng như trị số dòng xung kích, trị số hiệu dụng dòng ngắn mạch toàn phần ở đầu quá trình quá độ 24 1.3. Dòng điện ngắn mạch duy trì Tính toán ngắn mạch duy trì khi MFĐ có TĐK 25 1.3. Dòng điện ngắn mạch duy trì Tính toán ngắn mạch duy trì khi MFĐ có TĐK 26 1.3. Dòng điện ngắn mạch duy trì Tính toán ngắn mạch duy trì khi MFĐ có TĐK TN = I If = Ifdm I fdm Tỉ số ngắn mạch Đặc tính không tải của MFĐ Eq = C × I f Đặc tính ngắn mạch của MFĐ I = TN × I f Xd = Eq I = C TN 27 1.3. Dòng điện ngắn mạch duy trì Tính toán ngắn mạch duy trì khi MFĐ có TĐK I = Eqgh Xd + Xth = Udm Xth = Ith Xth = XdUdm Eqgh −Udm Điện kháng tới hạn: Dòng ngắn mạch ở trạng thái tới hạn: I*th = 1 Xth X*th = Xd Eqgh −1 28 1.3. Dòng điện ngắn mạch duy trì Tính toán ngắn mạch duy trì khi MFĐ có TĐK 29 1.3. Dòng điện ngắn mạch duy trì Tính toán ngắn mạch duy trì khi MFĐ không có TĐK ‣ Sức điện động Eq của MFĐ không thay đổi: Eq = Uo cosϕ( )2 + Uo sinϕ + IoXd( )2 ‣ Trị số dòng ngắn mạch: IN = E∑ Z∑ = E∑ R∑ 2 + X∑ 2 30 ‣ Ảnh hưởng đến trị số của dòng ngắn mạch; ‣ Ảnh hưởng đến phân bố của dòng điện ngắn mạch 1.3. Dòng điện ngắn mạch duy trì Ảnh hưởng của phụ tải 31 ‣ Phụ tải có trị số định mức: 1.3. Dòng điện ngắn mạch duy trì Xác định tổng trở phụ tải Z* pt = cosϕ + jsinϕ ‣ Khi phụ tải là tổng trở đầy đủ Zpt: !Udm = !Eq − j!IXd = j!IX pt X pt = Xd Udm Eq −Udm ‣ Khi thay Zpt là tổng trở thuần kháng Xpt: !Udm = !Eq − j!IXd = !IZpt !Eq = !IZpt + j!IXd = !I(Zpt + jXd ) 32 1.3. Dòng điện ngắn mạch duy trì Ví dụ tính toán