Giáo trình Cung cấp điện (Dùng cho hệ Cao đẳng, Trung cấp) - Phần 2 - Trần Ngọc Bình

P1 P2 L1 L2 pi pi Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 72 UT% = ; (V-52) Trong đó: - P, Q - Công suất tác dụng và công suất phản kháng do máy biến áp truyền tải [kW, kVAR];  R, X - Là điện trở và điện kháng của máy biến áp []; CAÂU HOÛI VAØ BAØI TAÄP 1- Hãy xác định tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên đường dây và trong máy biến áp trong trường hợp đường dây có phụ tải phân đều và phụ tải đặt tập trung ở cuối đường dây? 2- Phương pháp tính tổn thất điện áp trên đường dây có phụ tải tập trung đặt ở cuối đường dây và phụ tải đặt tập trung ở từng đoạn của đường dây? 3- Tính toán tổn thất điện áp trên đường dây có phụ tải phân bố đều? 4- Trình bày phương pháp lựa chọn tiết diện dây dẫn theo điều kiện dòng nung nóng cho phép và tổn hao điện áp cho phép? Tại sao khi tính chọn dây dẫn theo điều kiện dòng điện nung nóng cho phép lại phải kiểm tra lại theo điều kiện tổn hao điện áp cho phép và ngược lại? 5- Đường dây liên thông 10 kV cấp điện cho 3 phụ tải, toàn đường dây dùng AC- 70, các số liệu cho trên hình vẽ sau, yêu cầu: 1- Kiểm tra tổn thất điện áp trong mạng. 2- Cho biết U2 = 10,18 kV, hãy xác định trị số điện áp UA; U1; U3. 6- Đường dây phân nhánh cấp điện cho 4 phụ tải, toàn bộ dùng dây AC- 50, có 1000 100 . U X.QR.P 2 dm  a 1 2 34km 3km 2km 800 kVA 40,96 0 500 kVA 50,60 300 kVA 40,960 Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 73 các số liệu trên hình vẽ sau, yêu cầu: 1- Kiểm tra tổn hao điện áp trong mạng? 2- Biết U3 = 9,85kV, yêu cầu xác định U1; U2; U4? 7- Yêu cầu xác định tổn thất công suất và tổn thất điện năng 1 năm trên ĐDK- 10kV cấp điện cho hai phụ tải như hình vẽ. Biết c = 103(đ/kWh). 8- Yêu cầu xác định giá tiền tổn thất điện năng một năm trên ĐDK- 22kV cấp điện cho 3 xí nghiệp như hình vẽ sau. Biết c = 800đ/kWh. a 1 2 34km 3km 2km uc®m=10kV 1000 kVA 40,960 500 kVA 40,96 0 600 kVA 50,6 0 400 kVA 50,6 0 a 1 2 800 kVA 40,960 2ac-50, 4km 1500 kVA 50,6 0 2ac-50, 3km a 3 2ac-50, 6km 2 a c -5 0, 4 k m 800 kVA 50,6 0 1000 kVA 50,6 0 2000 kVA 50,96 0 2 1 2a c -50, 5k m Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 74 Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 75 CHƢƠNG 7: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 7.1. Khái niệm chung: 7.1.1. Khái niệm về ngắn mạch: Ngắn mạch là hiện tượng mạch điện bị chập lại ở một điểm nào đó làm cho tổng trở mạch nhỏ đi, dòng điện trong mạch sẽ tăng cao đột ngột và điện áp giảm xuống. Việc dòng điện tăng cao quá mức sẽ gây các hậu quả nghiêm trọng:  Xuất hiện lực điện động lớn có khả năng phá hủy kết cấu của các thiết bị điện, tiếp tục gây chạm chập cháy nổ.  Làm nhiệt độ tăng cao phá hủy các đặc tính cách điện, việc này lại tiếp tục gây ra các ngắn mạch khác. Nếu không nhanh chóng cô lập vùng ngắn mạch thì hệ thống chuyển sang chế độ ngắn mạch duy trì. Dòng điện ngắn mạch theo thời gian có thể phân tích thành 2 thành phần: chu kỳ và không chu kỳ.      N ck kcki t i t i t  Trong đó, thành phần không chu kỳ sẽ tắt sau một thời gian chỉ còn lại thành phần chu kỳ. 7.1.2. Mục đích và yêu cầu của tính toán ngắn mạch: Khi thiết kế và vận hành các hệ thống điện, nhằm giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật yêu cầu tiến hành hàng loạt các tính toán sơ bộ, trong đó có tính toán ngắn mạch. Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 76 Tính toán ngắn mạch thường là những tính toán dòng, áp lúc xảy ra ngắn mạch tại một số điểm hay một số nhánh của sơ đồ đang xét. Tùy thuộc mục đích tính toán mà các đại lượng trên có thể được tính ở một thời điểm nào đó hay diễn biến của chúng trong suốt cả quá trình quá độ. Những tính toán như vậy cần thiết để giải quyết các vấn đề sau:  So sánh, đánh giá, chọn lựa sơ đồ nối điện.  Chọn các khí cụ, dây dẫn, thiết bị điện.  Thiết kế và chỉnh định các loại bảo vệ.  Nghiên cứu phụ tải, phân tích sự cố, xác định phân bố dòng... Trong hệ thống điện phức tạp, việc tính toán ngắn mạch một cách chính xác rất khó khăn. Do vậy tùy thuộc yêu cầu tính toán mà trong thực tế thường dùng các phương pháp thực nghiệm, gần đúng với các điều kiện đầu khác nhau để tính toán ngắn mạch. Chẳng hạn để tính chọn máy cắt điện, theo điều kiện làm việc của nó khi ngắn mạch cần phải xác định dòng ngắn mạch lớn nhất có thể có. Muốn vậy, người ta giả thiết rằng ngắn mạch xảy ra lúc hệ thống điện có số lượng máy phát làm việc nhiều nhất, dạng ngắn mạch gây nên dòng lớn nhất, ngắn mạch là trực tiếp, ngắn mạch xảy ra ngay tại đầu cực máy cắt Để giải quyết các vấn đề liên quan đến việc chọn lựa và chỉnh định thiết bị bảo vệ rơle thường phải tìm dòng ngắn mạch nhỏ nhất, lúc ấy tất nhiên cần phải sử dụng những điều kiện tính toán hoàn toàn khác với những điều kiện nêu trên. 7.2. Các dạng ngắn mạch chính. Có nhiều dạng ngắn mạch: ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất, ngắn mạch 1 pha chạm đấttrong đó ngắn mạch 3 pha là nguy hiểm nhất. Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 77 Thông tường các dạng ngắn mạch phải được cô lập khỏi hệ thống. Riêng trong lưới trung áp 35, 10, 6kV là lưới có trung tính cách điện thì dòng ngắn mạch 1 pha nhỏ và người ta cho phép tiếp tục vận hành 2 giờ kể từ khi ngắn mạch, nếu sau 2 giờ nếu không phát hiện và khắc phục được sự cố thì mới cắt điện. Sự cố này được phát hiện nhờ máy biến áp ba pha tam giác hở. 7.3. Các giả thuyết cơ bản  Trong quá trình ngắn mạch sức điện động của các máy phát điện coi như trùng nhau nghĩa là không xét tới dao động công suất của các máy phát điện  Không xét tới sự bão hoà của các mạch từ, nghĩa coi mạch là tuyến tính và có thể sử dụng được nguyên lý xếp chồng.  Bỏ qua dòng từ hoá của máy biến áp.  Coi hệ thống 3 pha là đối xứng.  Bỏ qua tất cả các thành phần điện dung của hệ thống khi tính ngắn mạch trừ hệ thống siêu cao áp.  Chỉ xét tới điện trở tác dụng nếu R  3 1 X, trong đó R và X là điện trở và điện kháng đẳng trị từ nguồn đến điểm ngắn mạch.  Phụ tải xét gần đúng và được thay thế bằng tổng trở cố định tập trung tại một điểm nút chung. Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 78  Sức điện động của tất cả các nguồn ở xa điểm ngắn mạch coi như không đổi. 7.4. Tính điện kháng. Tính điện kháng hệ thống:   3 2 3 cat cat .10 .10 3. ht tb tb dmdm X U U m SI    Trong đó: - tbU là điện áp trung bình (0,23; 0,4; 0,525; 0,69 kV). - cat dmI , cat dmS : dòng điện và công suất định mức cắt của máy cắt điện đặt ở phía cao áp máy biến áp, tính bằng kA và kVA. Nếu không biết số liệu của hệ thống thì có thể bỏ qua Xht, nghĩa là coi điện áp bên cao áp là hằng số như giả thiết. Điện trở và điện kháng máy biến áp:   2 3 2 . .10 ,k dmT dm P U R m S      2%. .10,x dmT dm U U X m S   Trong đó: - kP tổn thất ngắn mạch của máy biến áp (W). - dmU , dmS : điện áp và công suất định mức máy biến áp (kV, kVA) - %xU thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch, tính theo 2 2% % %x k rU U U  , với: %kU là % điện áp ngắn mạch và thành phần tác dụng của nó: 3 % .100 10. 10 . k k r dm dm P P U S S     Điện trở và điện kháng đường dây hạ áp: Đối với đường dây hạ áp, một cách gần đúng có thể lấy xo= 0,3[Ω/km] cho đường dây trên không và xo= 0,07[Ω/km] cho cáp. Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 79 Điện trở 0 1 . ,[ / ]r km F   . Điện trở và điện kháng các thành phần khác: như cuộn dòng điện của áp-tô-mát, cuộn sơ cấp của máy biến dòng, điện trở tiếp xúc của các tiếp điểmcó thể tra ở các cẩm nang. 7.5. Phƣơng pháp trở kháng tính toán dòng ngắn mạch 7.5.1. Tính toán ngắn mạch ngắn mạch 3 pha trong mạng điện hạ áp Tính toán ngắn mạch trong mạng điện áp thấp đến 1000v thường là để lựa chọn các khí cụ điện và các bộ phận có dòng điện đi qua. Do vậy ta cần phải xác định trị số lớn nhất có thể có của dòng điện ngắn mạch. Đối với mạng điện điện áp thấp đến 1000v không thể bỏ qua điện trở tác dụng được vì nếu bỏ qua thì sẽ gặp sai số lớn. Trong trường hợp này ta phải xét đến điện trở của tất cả các phần tử trong mạch ngắn như: Điện trở của máy biến áp, dây dẫn, thanh dẫn, cuộn dây sơ cấp của máy biến dòng, cuộn dòng điện của áptômát và điện trở tiếp xúc tại các tiếp điểm v.v Tổng trở của máy biến áp và các thành phần nối vào thứ cấp máy biến áp thường tương đối lớn nên lúc xảy ra ngắn mạch trong mạng hạ áp, điện áp bên sơ cấp của MBA giảm đi rất ít. Vì vậy ta giả thiết điện áp bên sơ cấp là không đổi và bỏ qua điện trở hồ quang để dòng ngắn mạch cực đại. Để tính toán ngắn mạch trong mạng hạ áp ta dùng hệ đơn vị có tên. Tính điện kháng hệ thống: xht = cdm 2 tb cdm tb S U I3 U  ; [] Trong đó:  Utb- Điện áp định mức trung bình của mạng hạ áp;  Scđm, Icđm - Công suất cắt và dòng cắt định mức của máy cắt điện đặt ở phía cao áp máy biến áp ;[kvA, kA]. (Nếu không có số liệu thì có thể bỏ qua xht ) Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 80 Điện trở và điện kháng của máy biến áp được xác định theo công thức: RB[] = 2 32 10.. dm dmN S UP ; XB [] = dm 2 dm X S 10.U %.U ; Trong đó:  RB, XB - Điện trở và điện kháng của MBA;  PN - Tổn thất công suât ngắn mạch của máy biến áp [kW];  Uđm - Điện áp định mức của MBA [kV];  Sđm - Công suất định mức của MBA [kVA];  Ux% - Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch xác định theo công thức: UX% =     2r2N %U%U  Trong đó:  Ur%- Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch, được xác định theo công thức sau: Ur% = 100. S P dm N Điện trở và điện kháng đường dây hạ áp:  Điện kháng đường dây hạ áp: Đối với điện kháng đường dây hạ áp một cách gần đúng có thể lấy như sau: + Đường dây trên không: x0 = 0,3 (/km) hay (m/m); + Đường dây cáp: x0 = 0,07 (/km) hay (m/m);  Điện kháng r0 được tính như sau: r0 = s 1 . [/km] hay (m/m); ở đây: Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 81  - Điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn; Đối với vật liệu bằng đồng:  cu = 18,8 mm 2 /km Đối với vật liệu bằng nhôm:  Al = 31,5 mm 2 /km Điện trở và điện kháng của các thàn phần khác: Như cuộn dòng điện của các áptômát, cuộn sơ cấp của các máy biến dòng, thanh góp, điện trở tiếp xúc của các tiếp điểm v.v Ta có thể tra ở cẩm nang. Dòng điện ngắn mạch: Sau khi đã xác định được điện kháng và điện trở tổng hợp của mạch ngắn, ta sẽ tính được thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch 3 pha như sau:  22 tb)3( ck xr.3 U I    ,A Trong đó:  Utb- Điện áp định mức trung bình của mạng hạ áp;  r, x - Tương ứng là điện trở tác dụng và điện kháng của mạch ngắn; Dòng ngắn mạch hai pha được xác định theo công thức:  22 tb)2( ck xr.2 U.95,0 I    ,A Dòngđiện xung kích: ixk = kxk. "I2 = kxk. ckI2 ở đây: kxk = 1+e a T 01,0  - Gọi là hệ số xung kích, nó phụ thuộc vào hằng số thời gian Ta = x/ .r và được tra trong sổ tay cung cấp điện. Dòng điện xung kích cung cấp từ động cơ không đồng bộ được đặt trực tiếp ở điểm ngắn mạch phải được tính đến. Khi đó, dòng xung kích tổng do hệ thống và động cơ cung cấp được tính như sau: ixk = kxk. ckI2 + 6,5.Iđmđc Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 82 trong đó: Iđmđc- Dòng định mức của động cơ nối trực tiếp vào điểm ngắn mạch; Ick- Thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch; Giá trị hiệu dụng cực đại của dòng ngắn mạch được xác định: Ixk = Ick  2xk )1k(21  , khi kxk  1,3; Ixk = Ick        02,0 T 1 a , khi kxk  1,3; 7.5.2. Tính toán ngắn mạch một pha trong mạng điện áp thấp. Trong mạng điện 3 pha có thể xẩy ra các dạng ngắn mạch 3 pha, 2 pha, 1 pha. Dòng ngắn mạch 3 pha có giá trị lớn nhất và cần được xác định để kiểm tra khả năng cắt mạch điện của các thiết bị điều khiển. Dòng ngắn mạch 2 pha đối với mạng trung tính không nối đất và dòng ngắn mạch một pha đối với mạng trung tính nối đất chính là dòng ngắn mạch nhỏ nhất và được sử dụng để kiểm tra độ nhạy của bảo vệ cực đại. Vì vậy, trong trường hợp tính dòng ngắn mạch một pha ta cần phải biết trị số nhỏ nhất, có thể có của nó. Khi tính toán ngắn mạch một pha ta cần: - Xét đến điện trở của tất cả các thành phần - Nhận điện áp tính toán trung bình Utb với một hệ số bé hơn 1 để xét đến sự giảm điện áp bên sơ cấp của máy biến áp lúc ngắn mạch. Hệ số này có thể lấy bằng: 0,9- 0,95 - Điện trở của dây trung tính trong mạng thứ tự không phải lấy bằng 3 lần trị số thực tế của nó. - Điện kháng thứ tự không của máy biến áp nối Y/ Y0 là x*0T = 0,3  1 (trị số trong hệ đơn vị tương đối định mức) song để cho dòng ngắn một pha là cực tiểu, ta lấy: x*0T = 1 Trong hệ đơn vị có tên: dm 2 tb T0*T0 S U .Xx  .10 3 () Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 83 ở đây: Utb[kv]; Sđm[kvA]; + Nếu máy biến áp nối Y0/  thì x0T = x1T; - Điện kháng thứ tự không của đường dây hạ áp có thể lấy bằng 2 lần điện kháng thứ tự thuận: x0dd = 2x1dd - Sau khi tính được tổng trở thứ tự không của tât cả các phần tử, thì thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch một pha có thể tính bằng công thức:       201201 tb)1( ck xx2rr2 U.95,09,03 I     7.6. Xác định các thành phần của dòng ngắn mạch. Dòng điện ngắn mạch theo thời gian có thể phân tích thành 2 thành phần: chu kỳ và không chu kỳ.      N ck kcki t i t i t  Trong đó, thành phần không chu kỳ sẽ tắt sau một thời gian chỉ còn lại thành phần chu kỳ. i”: dòng điện siêu quá độ ban đầu, * * "i E x    Trong đó: *E  : sức điện động siêu quá độ tương đương trong đơn vị tương đối. *x  : điện kháng tổng hợp trong đơn vị tương đối. Ickm: biên độ của thành phần chu kỳ, "2.ckmI i ixk: là dòng ngắn mạch tại t=T/2, do đó: 0,01 . . . 2. " xk Ta ckm ckm xk ckm xki I I e k I k i      Trong đó: 0,01 1 Taxkk e    gọi là hệ số xung kích, với . xTa w r  là hằng số thời gian. Thông thường hệ số xung kích được tra từ các bảng theo tỷ số x r của mạch, vị trí ngắn mạch và các đặc trưng của mạch điện. Trung bình có thể lấy giá trị như sau: Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 84  Ngắn mạch tại thanh góp điện áp máy phát hoặc đầu cao áp của máy biến áp tăng: kxk = 1,9.  Ngắn mạch ở các thiết bị cao áp xa máy phát: kxk = 1,8.  Ngắn mạch phía thứ cấp của các trạm hạ áp (S<1000kVA): kxk = 1,3. Đối với động cơ không đồng bộ, độ suy giảm của các thành phần dòng chu kỳ và tự do do nó cung cấp cho điểm ngắn mạch là gần như nhau, có thể lấy:  Động cơ cở lớn : kxkĐ = 1,8.  Động cơ cở 100÷200kW: kxkĐ = 1,5÷1,6.  Động cơ cở bé và phụ tải tổng hợp: kxkĐ = 1. 7.7. Ví dụ về tính toán ngắn mạch Ví dụ 1: Hãy tính dòng điện ngắn mạch tại điểm N của sơ đồ sau: Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 85 Lời giải: 1- Chọn các đại lượng cơ bản: Scb= 100.10 3 kVA; Ucb= 6,3kV kA U S I cb cb cb 2,9 3,6.73,1 000.100 3  2- Lập sơ đồ thay thế(Hình b). Tính các điện kháng theo công suất cơ bản: 2,0 25,6 100 .125,0 8,0:50 100 .125,01 x 75,0 10 100 .075,02 x 33,1 15 100 .2,0 8,0:12 100 .2,03 x 5,0 15 100 .075,04 x 29,0 37 100 .10.4,0 25 x Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 86 58,0 37 100 .20.4,0 26 x 17,2 3 100 .065,07 x 67,1 5,7 100 .125,0 8,0:6 100 .125,08 x 74,1 3,6.15,0.3 6.100 .03,0 29 x Đơn giản hoá và chuyển tới sơ đồ hình (c) 95,075,02,02110  xxx 12,229,05,013,154311  xxxx 75,217,258,07612  xxx Xác định khả năng hợp nhất các nguồn cung cấp NĐ-1 và TĐ (nguồn S1 và S2). Với sơ đồ (c) ta có: 9,1 12,2.15 95,0.25,6 . . 112 101  xS xS Do đó có thể chuyển đến sơ đồ đơn giản hoá hình (d): 4,3 12,295,0 12,2.95,0 75,2 . 1110 1110 1213      xx xx xx Để tính dòng điện ngắn mạch do các nguồn S3 và S4 cung cấp cho chỗ ngắn mạch dùng sơ đồ hình (e). Sử dụng công thức biến đổi sao- tam giác, xác định điện kháng x14 và x15. Điện kháng giữa các nguồn S3 và S4 không ảnh hưởng đến giá trị dòng ngắn mạch, cho nên trong tính toán có thể bỏ qua được. 7,8 67,1 74,1.4,3 74,14,3 . 8 913 91314  x xx xxx 2,4 4,3 74,1.67,1 74,167,1 . 13 98 9815  x xx xxx Hai nguồn S3 và S4 ở trong điều kiện khác nhau nhiều bởi vì: Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 87 22 2,4.5,7 7,8.5,7 . . 153 144  xS xS Vì vậy không thể hợp nhất những nhánh này mà phải xác định dòng điện ngắn mạch trong từng nhánh. Điện kháng tính toán từ phía hệ thốn tới điểm ngắn mạch: 75,6 100 5,77 .7,8 ttx Vì 3 * xtt nên có thể tính ngay được thành phần chu ký tại mọi thời điểm: kA I x xtt N 05,1 75,6 1,7 *   với: kAI 1,7 3.3,6 5,77  Điện kháng tính toán từ phía NĐ- 2 3,0 100 5,7 .2,4 * xtt Theo đường cong tính toán với giả thiết các máy phát điện có tự động điều chỉnh kích từ TĐK, tìm được bội số của dòng điện: K '' = 3,3; K0,2=2,5; K=2,3 Các trị số tương ứng của dòng điện ngắn mạch do NĐ- 2 cung cấp cho nơi ngắn mạch: kAI dmFKI 28,269,0.3,3. ''''  kAIKI dmF 73,169,0.5,2.2,02,0  kAIKI dmF 59,169,0.3,2.   trong đó: kAI dmF 69,0 3,6.3 5,7  - là dòng điện định mức của NĐ-2 Trị số dòng ngắn mạch ba pha tại nơi ngắn mạch: Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 88 kAI 33,328,205,1 ''  kAI 78,273,105,12,0  kAI 64,259,105,1  kAixk 82,828,2.91,1.41,105,1.8,1.41,1  Điện kháng tính toán của hệ thống khi ngắn mạch hai pha:   5,1375,6.2.2 ** 2  tt xxtt Bội số dòng điện thứ tự thuận tương ứng từ phía hệ thống:         075,05,13 11 2 2 , 2 .2,0 2'' *   x Ikx tt hththt Dòng điện thứ tự thuận của hệ thống khi ngắn mạch hai pha:       kAIIII hththt 91,005,1.87,02 3 ''2 , 2 .2,0 2''   Điện kháng tính toán từ phía NĐ- 2   6,03,0.2.2 ** 2  tt xxtt Bội số của điện tương ứng theo đường cong tính toán ta tra được:   65,1 2'' k ;   4,1 2,0 2,0 k   65,1 2 2,0 k Trị số của dòng điện thứ tự thuận tương ứng từ NĐ- 2:   kAI 05,214,191,0 2''    kAI 88,197,091,0 2 2,0    kAI 05,214,191,0 2   kAixk 2,505,82,1.41,1   Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 89 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1- Ngắn mạch là gì? Trong thực tế, lưới điện ba pha thường gặp dạng ngắn mạch nào? Việc tính toán ngắn mạch cần phải xác định các đại lượng nào? Và tính các đại lượng đó để làm gì? 2- Mục đích, ý nghĩa của việc tính toán ngắn mạch? 3- Hãy trình bày phương pháp đường cong tính toán để tính toán ngắn mạch 3 pha và 2 pha? Trình tự các bước giải bài toán ngắn mạch theo phương pháp đường cong tính toán. 4- Trình bày phương pháp gần đúng tính ngắn mạch trong mạng điện trung áp và hạ áp? Phương pháp tính ngắn mạch một pha trong mạng điện áp thấp? 5- Nguyên nhân tác hại và các biện pháp ngăn ngừa ngắn mạch? 6: Tính toán ngắn mạch tại các điểm N1, N2 của hệ thống cung cấp điện có sơ đồ như hình vẽ: Sht= xht=0 Sb=15mva n2 Smf=15mva xmd=0,117 6,3kv §uêng c¸p L=0,5km X0=0,08 km/n1 8 Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 90 CHƯƠNG 8: LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CUNG CẤP ĐIỆN HẠ ÁP 8.1. Các điều kiện chung để lựa chọn thiết bị điện hạ áp Trong điều kiện vận hành các khí cụ điện, sứ cách điện và các bộ phân dẫn điện khác có thể ở một trong ba chế độ:  Chế độ làm việc lâu dài: các thiết bị điện sẽ làm việc tin cậy nếu chúng được chọn theo đúng điện áp và dòng điện định mức.  Chế độ quá tải: dòng điện qua các thiết bị cao hơn bình thường, thiết bị còn tin cậy nếu giá trị và thời gian điện áp hay dòng tăng cao còn nhỏ hơn giá trị cho phép. Chế độ ngắn mạch: các thiết bị còn tin cậy nếu trong quá trình lựa chọn thiết bị có xét đến điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt. Riêng đối với máy cắt điện còn phải lựa chọn thêm khả năng cắt của nó. Việc lựa chọn các thiết bị và bộ phận dẫn điện còn phải thỏa mãn yêu cầu hợp lý về kinh tế - kỹ thuật. Sau đây là một số điều kiện chung để chọn thiết bị điện có dòng điện chạy qua: 8.1.1. Chọn theo điều kiện làm việc lâu dài: a) Chọn theo điện áp định mức: Điện áp định mức thiết bị điện thường được ghi trên nhãn thiết bị, ngoài ra thiết bị thường được chế tạo để có thể chịu được một quá điện áp nhất định. Do đó thiết bị được chọn thỏa: UđmKCĐ + ΔUđmKCĐ ≥ Uđm mạng + ΔUđm mạng Trong đó:  UđmKCĐ: là điện áp định mức khí cụ điện.  ΔUđmKCĐ: độ tăng điện áp cho phép của khí cụ điện.  Uđm mạng: điện áp định mức mạng điện nơi thiết bị làm việc.  ΔUđm mạng: độ lệch điện áp so với điện áp định mức. Bảng sau ghi trị số độ lệch điện áp cho phép tương đối của một số thiết bị. Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 91 Cáp điện lực: 1,1Uđm Chống sét: 1,25Uđm Sứ cách điện: 1,15Uđm Dao cách ly: 1,1Uđm Máy cắt điện: 1,25Uđm Kháng điện: 1,15Uđm Máy biến dòng điện: 1,1Uđm Máy biến điện áp: 1,1Uđm Cầu chì: 1,1Uđm Riêng trường hợp khi các thiết bị đặt ở độ cao hơn 1000m so với thì điện áp cho phép chỉ được lấy bằng điện áp định mức. b) Chọn theo dòng điện định mức: Dòng điện định mức khí cụ điện IđmKCĐ do nhà chế tạo cho sẵn. Chọn dòng điện định mức sẽ đảm bảo cho các bộ phận của nó không bị đốt nóng nguy hiểm khi làm việc lâu dài định mức. Như vậy, chọn thiết bị có IđmKCĐ ≥ Ilv max (dòng làm việc cực đại). Dòng định mức các khí cụ điện được giả thiết khi vận hành ở nhiệt độ môi trường xung quanh là 35oC. Trường hợp nhiệt độ khác thì phải hiệu chỉnh:  Nếu θxq > 35 o C thì. cp xq cp - -35     Nếu θxq < 35 oC thì I’cp có thể tăng lên 0,005. cho mỗi độ (không quá 0,2 IđmKCĐ). 8.1.2. Kiểm tra thiết bị theo điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt a) Kiểm tra ổn định lực điện động: Khi xảy ra ngắn mạch thiết bị có dòng ngắn mạch đi qua sẽ chịu một lực điện động lớn hơn bình thường nhiều. Mỗi khí cụ điện có dòng điện cực đại cho phép, chọn Imax ≥ Ixk, dòng ngắn mạch xung kích. b) Kiểm tra ổn định nhiệt: Dây dẫn và khí cụ điện sẽ bị nóng lên vì có các tổn thất công suất. Các tổn thất này phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng chủ yếu phụ thuộc vào bình phương dòng điện, do đó khi ngắn mạch dòng điện tăng cao làm cho thiết bị phát nóng rất nhanh. Khi nhiệt độ khí cụ điện và dây dẫn quá cao sẽ làm cho chúng bị hư hỏng hay Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 92 giảm thời gian phục vụ. Do đó, các thiết bị được quy định nhiệt độ làm việc cho phép khi làm việc bình thường cũng như khi xảy ra ngắn mạch. 8.2. Lựa chọn thiết bị cao áp. 8.2.1. Lựa chọn và kiểm tra máy cắt điện Máy cắt điện là thiết bị điện quan trọng trong mạng cao áp dùng để đóng cắt dòng điện phụ tải, cắt dòng ngắn mạch. Máy cắt là loại thiết bị đóng cắt làm việc tin cậy song giá thành cao nên chỉ được dùng ở những nơi quan trọng. Theo phương pháp dập hồ quang máy cắt được phân ra: Máy cắt nhiều dầu, máy cắt ít dầu, máy cắt không khí, máy cắt chân không, máy cắt khí SF6 v.v Máy cắt được chọn theo điều kiện dòng và áp định mức, kiểm tra theo điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt cho trong bảng sau: Đại lượng chọn và kiểm tra Ký hiệu Điều kiện chọn và kiểm tra Điện áp định mức, kV UđmMC UđmMC Uđm.m Dòng điện lâu dài định mức, A IđmMC IđmMC Ilvmax Dòng điện cắt định mức, kA Ic.đm Ic.đm  IN(t) Công suất cắt định mức, MVA Sc.đm Sc.đm  SN(t) Dòng điện ổn định động định mức, kA iđm.đ iđm.đ  ixk Dòng ổn định nhiệt trong thời gian tđm.nh, kA Iđm.nh Iđm.nh  I . nhdm qd t t . Chú ý: IN(t), SN(t) - Dòng ngắn mạch và công suất ngắn mạch tại thời điểm cắt tcắt được tính từ lúc bắt đầu ngắn mạch đến lúc máy cắt mở đầu tiếp xúc dập hồ quang: tcắt= tmc+ trơle= tN. Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 93 8.2.2. Lựa chọn và kiểm tra máy cắt phụ tải Máy cắt phụ tải là một thiết bị đóng cắt đơn giản và rẻ tiền hơn máy cắt. Nó gồm hai bộ phận hợp thành: Bộ phận đóng cắt điều khiển bằng tay và cầu chì. Vì bộ phận dập hồ quang của máy cắt phụ tải có cấu tạo đơn giản nên máy cắt phụ tải chỉ đóng cắt được dòng phụ tải còn việc cắt dòng ngắn mạch do cầu chì đảm nhiệm. Dây chảy của cầu chì được chọn phù hợp với dòng tải. Máy cắt phụ tải được kiểm tra và chọn theo các điều kiện sau: Đại lượng chọn và kiểm tra Ký hiệu Điều kiện chọn và kiểm tra Điện áp định mức, kv UđmMC UđmMC Uđm.m Dòng điện lâu dài định mức, A IđmMC IđmMC Ilvmax Dòng điện ổn định động định mức, kA iđm.đ iđm.đ  ixk Dòng ổn định nhiệt trong thời gian tđm.nh, kA Iđm.nh Iđm.nh  I . nhdm qd t t . Dòng định mức cầu chì, A Iđm.cc Iđm.cc  Ilvmax Công suất cắt định mức cầu chì, MVA Sc.đm.cc Sc.đm.cc  S ” Chú ý: S ” = ". ..3 IU mdm , với I ” là giá trị hiệu dụng ban đầu của thành phần chu kỳ dòng ngắn mạch. 8.2.3. Lựa chọn và kiểm tra cầu dao cách ly. Nhiệm vụ của cầu dao cách ly tạo ra một khoảng hở cách điện trông thấy giữa các bộ phận đang mang điện và bộ phận được cắt điện nhằm mục đích đảm bảo an toàn cho các nhân viên vận hành, sửa chữa thiết bị điện. Dao cách ly không có bộ phận dập hồ quang nên không thể cắt được dòng phụ tải. Nếu nhầm lẫn dùng dao cách ly để cắt dòng phụ tải thì có thể hồ quang phát sinh gây rất nguy hiểm cho người và thiết bị. Vì vậy dao cách ly chỉ được dùng để đóng cắt Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 94 khi không có dòng điện, việc đóng cắt dao cách ly có thể thực hiện bằng tay hoặc bằng điện. Dao cách ly được chọn và kiểm tra theo các điều kiện sau: Đại lượng chọn và kiểm tra Ký hiệu Điều kiện chọn và kiểm tra Điện áp định mức, kV UđmCL UđmCL Uđm.m Dòng điện lâu dài định mức, A IđmCL IđmCL Ilvmax Dòng điện ổn định động định mức, kA iđm.đ iđm.đ  ixk Dòng ổn định nhiệt trong thời gian tđm.nh, kA Iđm.nh Iđm.nh  I . nhdm qd t t . 8.2.4. Lựa chọn và kiểm tra cầu chì Cầu chì dùng để bảo vệ mạch điện xoay chiều và một chiều khi quá tải hay ngắn mạch. Thời gian cắt mạch của cầu chì phụ thuộc vào vật liệu làm dây chảy. Dây chảy cầu chì làm bằng chì, hợp kim chì với thiếc, kẽm, nhôm, đồng, bạc v.v Cầu chì là một loại thiết bị bảo vệ đơn giản, rẻ tiền nhưng độ nhạy kém. Nó chỉ tác động khi dòng điện lớn hơn dòng điện định mức nhiều lần, chủ yếu là khi ngắn mạch. Cầu chì được chọn và kiểm tra theo các điều kiện sau: Đại lượng chọn và kiểm tra Ký hiệu Điều kiện chọn và kiểm tra Điện áp định mức, kv UđmCC UđMCC  Uđm.m Dòng điện lâu dài định mức, A IđmCC IđmCC  Ilvmax Dòng điện cắt định mức, kA Ic.đmCC Ic.đmCC  I ” Công suất cắt định mức cầu chì, MVA Sc.đm.cc Sc.đm.cc  S ” Dòng điện định mức cầu chì dùng để bảo vệ động cơ điện xuất phát từ hai điều Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 95 kiện sau: 1. Theo điều kiện làm việc bình thường IđmCC  Ilvmax Với dòng điện làm việc của động cơ được tính như sau: dcdcdm 3 dmt lvdc .cos.U.3 10.P.k I   , A 2. Theo điều kiện mở máy - Khi mở máy nhẹ: IđmCC  Imm/ 2,5 - Khi mở máy nặng: IđmCC  Imm/ (1,6  2,0) Trong đó: Imm - Dòng mở máy cực đại của động cơ - Nếu đường dây cung cấp cho nhiều động cơ, thì điều kiện chọn dòng định mức của cầu chì là: IđmCC  kđt.  n 1i lviI IđmCC  kđt.( mm 1n 1i lvi II    ) / 2,5 trong đó:  kđt - Hệ số kể tới sự làm việc không đồng thời của các phụ tải trong nhóm  Ilvi - Dòng làm việc thực tế của phụ tải thứ i  Tổng dòng điện làm việc bình thường của các phụ tải, trừ phụ tải khởi động. 8.2.5. Lựa chọn máy biến dòng BI và biến áp BU a. Chọn máy biến dòng BI Máy biến dòng có nhiệm vụ biến đổi dòng điện lớn (sơ cấp) thành dòng điện 5A (thứ cấp) để cung cấp cho các dụng cụ đo lường, bảo vệ rơ le và tự động hoá.    1 1 n i lviI Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 96 Máy biến dòng điện lựa chọn theo điều kiện điện áp, dòng điện, phụ tải phía thứ cấp, cấp chính xác và kiểm tra theo điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt (như trong bảng sau). Ngoài ra, còn phải lựa chọn biến dòng phù hợp với nơi lắp đặt như trong nhà hay ngoài trời, lắp đặt trên thanh cái, lắp xuyên tường. Đại lượng chọn và kiểm tra Ký hiệu Điều kiện chọn và kiểm tra Điện áp định mức, kV UđmBI UđmBI Uđm.m Dòng điện sơ cấp định mức của MBD, A I1đm.BI IđmBI Ilvmax Công suất định mức phía thứ cấp của MBD, VA S2đmBI S2đm.BI  Stt Hệ số ổn định động kđ kđ  BI.dm1 xk I.2 i Hệ số ổn định nhiệt trong thời gian tđm.nh knh knh  dmnhBI.dm1 qd t.I t.I Trong đó: Stt - Là phụ tải tính toán của cuộn dây thứ cấp của máy biến dòng trong tình trạng làm việc bình thường [VA]. b. Lựa chọn máy biên áp đo lường BU Máy biến áp đo lường làm nhiệm vụ biến đổi điện áp cao xuống điện áp thấp thường là 100V, để cung cấp cho thiết bị đo lường, bảo vệ rơ le và tự động hoá. Nguyên lý làm việc của BU cũng tương tự như MBA điện lực thông thường nhưng có đặc điểm là tổng trở mạch ngoài thứ cấp rất lớn. Vì vậy có thể xem BU thường xuyên làm việc không tải. Máy biến điện áp có loại 1 pha, 3 pha hoặc 3 pha 5 trụ, có loại lắp đặt trong nhà và ngoài trời. Máy biến điện áp thường được kiểm tra theo các điều kiện sau đây: Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 97 Đại lượng chọn và kiểm tra Ký hiệu Điều kiện chọn và kiểm tra Điện áp định mức, kv UđmBU UđmBU Uđm.m Công suất định mức pha phía thứ cấp của máy biến điện áp, vA S2đm.phBU S2đm.phBU  S2tt.ph Sai số cho phép của máy biến điện áp Ncp% Ncp%  N% Trong đó: S2tt.ph- Phụ tải thứ cấp từng pha của BU phụ thuộc vào công suất và sơ đồ đấu dây của các dụng cụ đo phía thứ cấp. 8.3. Lựa chọn dây dẫn, cáp trong mạng điện cao áp 8.3.1. Chọn dây dẫn theo mật độ dòng kinh tế Mật độ dòng kinh tế: kt max kt F I j  Jkt - Là mật độ dòng điện kinh tế, là số ampe lớn nhất chạy qua 1 đơn vị tiết diện kinh tế của dây dẫn: C...3 b).aa( j tcvhkt    Ta nhận thây rằng jkt không phụ thuộc vào điện áp của mạng điện nhưng nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố (như giá nguyên vật liệu, giá điện năng, chi phí về thi công, loại dây, tính chất công việc của phụ tải .v.v). Tóm lại jkt phụ thuộc vào tình trạng phát triển kinh tế - kỹ thuật trong từng giai đoạn và chính sách kinh tế của từng nước. tuy vậy ứng với từng nước, hoặc từng vùng lãnh thổ kinh tế cụ thể thì vẫn có thể xác định được các thông số vừa nêu trên. Chính vì lý do đó Jkt trong thực tế được tính sẵn cho một số loại đường dây với tính chất phụ tải khác nhau. Tức là người dùng sẽ tra Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 98 bảng jkt = f(Tmax; loại dây). Như vậy theo phương pháp này jkt ược xác định theo hoặc tra bảng  sau đó tiết diện dây xác định theo công thức sau: kt max j I F  8.3.2. Xác định tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng không đổi Khi xây dựng đường dây cùng một tiết diện trên toàn bộ chiều dài của nó sẽ đưa đến việc sử dụng một khối lượng kim loại màu lớn. Do đó, nếu thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax là lớn, thì đối với mạng điện trung và hạ áp ta nên chọn dây dẫn theo mật độ dòng không đổi. Lúc đó tổn thất công suất và điện năng sẽ bé nhất. Ta xét đường dây có hai phụ tải như hình vẽ: Hình 8.1: Đường dây có hai phụ tải Ta biết: U’ = Ucp - U ” ; Cho x0 một giá trị tuỳ ý trong khoảng giá trị của nó, ta tính được thành phần tổn thất U” theo công thức: U” = dm n 1i ii0 U l.Q.x   , với đường dây có hai phụ tải như trên ta có: 2 222 1 111' ab ' oa ' F. cos.l.I.3 F. cos.l.I.3 UUU       ; Trong đó: cos1, cos2- Là hệ số công suất trên đoạn oa và ab của mạng đang l1, F1 l2, F2 pa- j qa pb- j qb 0 a b Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 99 xét. Ta có định nghĩa về mật độ dòng điện J = I/ F, các đoạn dây đều chọn theo mật độ dòng điện không đổi, nên ta có: 2 2 1 1 F I F I J  , Vậy:  2211 ' cos.l.Jcos.l.J 3 U    Từ đây ta rút ra được:  2211 ' cos.cos..3 .   ll U J    Một cách tổng quát, đối với mạng điện có n phụ tải, thì mật độ được tính như sau:     n i iil U J 1 ' cos..3 .   Trong đó: li và cosi - Là chiều dài và hệ số công suất của đoạn thứ i Từ đây, ta xác định được tiết diện của đoạn dây dẫn thứ i cần chọn là: Fi = Ii/ J Cuối cùng, ta tra bảng chọn tiết diện tiêu chuẩn và kiểm tra lại theo điều tổn hao điện áp cho phép, nếu không thoả mãn ta cần tăng tiết diện của dây dẫn nên một cấp. 8.3.3. Xác định tiết diện dây dẫn theo điều kiện phí tổn kim loại màu ít nhất. Khi xây dựng một đường dây, để hợp lý ta nên chọn mỗi đoạn một tiết diện khác nhau, tất nhiên phải đảm bảo được tổn thất điện áp trên đường dây đó phải bé hơn tổn thất điện áp cho phép. Do vậy ta sẽ giảm được tiêu tốn khối lượng kim loại màu. Ta xét đường dây cung cấp cho hai phụ tải a,b như hình 8.1: Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 100 Tổn thất điện áp cho phép từ 0 đến điểm cuối b là Ucp ta chọn x0[/km] một giá tuỳ ý, ta tính được U” và U’ = Ucp - U ” . trong đó: U’ - Là tổn thất công suất do công suất tác dụng và điện trở gây ra trên hai đoạn oa và ab. 'ab ' oa ' UUU  nếu ta biết 'oaU và ' abU thì ta sẽ tìm được Foa và Fabtheo hai biểu thức sau: dm ' oa 11 oa U.U. l.P F   ; dm ' ab 22 ab U.U. l.P F     dm'oa 22 U.UU. l.P   Khối lượng kim loại màu trên toàn bộ đường dây ab: V=3.(Foa.l1+Fab.l2) hay:              ' ab 2 22 ' oa 2 11 dm U l.P U l.P U. 3 V            '' 2 22 ' 2 11 .. . 3 oaoadm UU lP U lP U ; Điều kiện để chi phí kim loại màu bé nhất là dậo hàm của Vtheo biến 'oaU rồi cho bằng không. Sau khi biến đổi và thay thế ta được:  2211' dm 2 ab Plpl. U.U. P F     2211' dm 1 oa Plpl. U.U. P F    Dựa vào tiết diện tính toán, tra bảng tiết diện tiêu chuẩn, đối với dây dẫn đầu do công suất truyền tải lớn nên chọn tiết diện gần nhất lớn hơn tiết diện tính toán. còn đối Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 101 với đoạn dây dẫn cuối nguồn nên chọn tiết diện tiêu chuẩn gần nhất bé hơn tiết diện tính toán. Cuối cùng, cần kiểm tra xem tổn thất điện áp trên đường dây có bé hơn tổn thất điện áp cho phép không. 8.3.4. Kiểm tra dây dẫn và cáp theo điều kiện dòng nung nóng và tổn thất điện áp cho phép a. Kiểm tra dây dẫn và cáp theo điều kiện dòng nung nóng Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn hoặc dây cáp thì dây dẫn sẽ bị nóng nên, nếu nhiệt độ của dây dẫn hoặc cáp quá cao có thể làm cho chúng bị hư hoặc giảm tuổi thọ. Mặt khác, độ bền cơ học của kim loại dẫn điện cũng bị giảm xuống. Do vậy nhà chế tạo qui định nhiệt độ cho phép đối với mỗi loại dây dẫn và cáp. Do đó tiết diện dây dẫn và cáp được chọn phải thoả mãn điều kiện sau: k1.k2.Icp  Ilvmax Trong đó:  Ilvmax- Dòng làm việc cực đại của dây dẫn.  Icp- Dòng cho phép ứng với dây dẫn chọn.  K1- Là hệ số kể tới nhiệt độ môi trường làm việc của dây dẫn và cáp khác với nhiệt độ tiêu chuẩn +250C và mặt đất là +150C  K2- Là hệ số kể tới số lượng cáp đặt cùng trong một rãnh. Dòng điện cho phép Icp là dòng điện lớn nhất có thể chạy qua dây dẫn trong thời gian không hạn chế và không làm cho nhiệt độ của nó vượt quá trị số cho phép. b. Kiểm tra dây dẫn và cáp theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép Đối với mạng trung và hạ áp do trực tiếp cung cấp điện cho các phụ tải điện nên vấn đề đảm bảo điện áp rất quan trọng. Vì vậy người ta lấy điều kiện tổn thất điện áp làm điều kiện đầu tiên để chọn tiết diện dây dẫn và cáp. Sau đó kiểm tra lại theo điều kiện dòng nung nóng cho phép. Điều kiện tổn hao điện áp cho phép là: Umax%  Ucp% Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 102 Trong đó:  Ucp%- Là tổn thất điện áp cho phép (5% hoặc 2,5% tuỳ thuộc vào loại phụ tải)  Umax%- Tổn thất điện áp lớn nhất trong mạng. Xác định tiết diện dây dẫn khi toàn bộ đường dây cùng một tiết diện Ta xét một mạch điện đơn giản như hình 8.1: Theo công thức tính tổn thất điện áp trên đường dây ta có: U =     n 1i iiii dm xQrP U 1 ,v nếu toàn bộ đường dây cùng một tiết diện, cùng một vật liệu: dm n 1i ii0 dm n 1i ii0 U l.Q.x U l.Pr U    ; hay: dm n i ii dm n i ii U Lqx U Lpr U    1 0 1 0 ... = U’ + U”; Trong đó:  U ’ - Tổn thất điện áp do công suất tác dụng và điện trở của đường dây gây lên.  U” - Tổn thất điện áp do công suất phản kháng và điện kháng của đường dây gây lên. Trong biểu thức trên nếu biết được x0, ta sẽ tính được thành phần tổn thất điện áp U” nhờ biểu thức: U” = dm n i ii U lQx  1 0 .. , hay U” = dm n 1i ii0 U L.q.x   Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 103 Giá trị điện kháng trên một km đường dây x0 nói chung ít thay đổi dù dây lớn hay bé (x0= 0,3  0,43 /km) do vậy có thể lấy một trị số trung bình nào đó để tính toán U”. Đối với đường dây cao thế trên không thì x0 trung bình có thể lấy bằng 0,35  0,4 /km. Đối với đường dây hạ áp trên không thì x0 trung bình có thể lấy bằng 0,25 /km, còn đối với đường dây cáp thì x0 = 0,07 /km. Trị số tổn thất điện áp cho phép Ucp từ nguồn đến phụ tải xa nhất đã cho theo yêu cầu của mạng điện. Do vậy ta tính U’ theo công thức: U’ = Ucp - U ” ; biết: dm n 1i ii0 ' U L.pr U   thay r0 =1/F với  - điện dẫn suất của vật liệu làm dây dẫn. Do vậy, ta tính được tiết diện F như sau: dm ' n 1i ii U.U. L.p F     , hay dm ' n 1i ii U.U. l.P F     Căn cứ vào trị số tính toán F, ta tra bảng chọn tiết diện dây dẫn tiêu chuẩn gần nhất. Đồng thời xác định được r0 và x0 ứng với dây dẫn đã chọn, tính lại tổn thất điện áp sau cùng so sánh với Ucp. Nếu chưa đạt yêu cầu, ta hãy tăng một cấp và tính lại. 8.4. Lựa chọn và kiểm tra thiết bị điện hạ áp 8.4.1. Lựa chọn và kiểm tra máy cắt phụ tải hạ áp: Máy cắt phụ tải là thiết bị đóng cắt đơn giản và rẽ tiền hơn máy cắt. Nó gồm bộ phận đóng cắt điều khiển bằng tay và cầu chì, trong đó cầu chì đóng vai trò cắt dòng ngắn mạch. Các điều kiện chọn và kiểm tra máy cắt phụ tải được tóm tắt ở bảng sau: Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 104 Thứ tự Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu Công thức để chọn và kiểm tra 1 Điện áp định mức (kV) UđmMCPT UđmMCPT ≥ Uđm mạng 2 Dòng điện định mức (A) IđmMCPT IđmMCPT ≥ Ilv max 3 Dòng điện ổn định lực điện động (kA) Imax Imax ≥ Ixk 4 Dòng điện ổn định nhiệt (A) Iôđn Iôđn ≥ ôdn . gtt I t  5 Dòng điện định mức cầu chì(A) IđmCC IđmCC ≥ Ilv max 6 Công suất cắt định mức cầu chì (MVA) Sđmcắt CC Sđmcắt ≥ S” Chú thích: S”= 3 .I”. Uđm mạng, với I” là giá trị hiệu dụng ban đầu của thành phần chu kỳ dòng điện ngắn mạch. 8.4.2. Lựa chọn cầu chì: Lựa chọn cầu chì hạ áp trong chiếu sáng, sinh hoạt Cầu chì được chọn theo 2 điều kiện UđmCC Uđm Idc  Itt Trong đó:  UđmCC : Điện áp định mức của cầu chì.  Idc : Dòng định mức của dây chảy (A)  Itt : Dòng điện tính toán, là dòng lâu dài lớn nhất chạy qua dây chảy cầu chì (A)  Với phụ tải 1 pha ( ví dụ các thiết bị điện gia dụng) cos*U P II đmđmtt  Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 105 Trong đó:  Uđm : Điện áp định mức pha (V).  Cos : Hệ số công suất  Với đèn sợi đốt, bàn là, bếp điện, bình nóng lạnh, cos = 0,8  Với căn hộ gia đình, cos = 0,85  Với lớp học dùng quạt + đèn sợi đốt, cos = 0,9  Với lớp học dùng quạt + đèn tuýp, cos = 0,8  Với phụ tải 3 pha  cos**3*cos**3* ** U P K U P KIKIKI đmđt đm tđmđtđmttt  Trong đó:  Uđm : Điện áp dây định mức dây (V)  Cos : Lấy theo phụ tải. Lựa chọn cầu chì trong lưới điện công nghiệp  Cầu chì bảo vệ 1 động cơ: Chọn theo 2 điều kiện Idc  Itt = Kt * Iđm Idc  * mm mm ñmÑ I K I    Với: 3 cos dm dm dm dm P I U    Trong đó:  Kt : Hệ số tải của động cơ, nếu không biết lấy Kt = 1  IđmĐ : Dòng định mức của động cơ tính theo công thức:  Trong đó:  Uđm : Là điện áp định mức lưới 3 pha.  cos đm : Hệ số công suất định mức của động cơ. Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 106   : hiệu suất của động cơ, nếu không cho lấy bằng 1  Kmm : Hệ số mở máy của động cơ do nhà chế tạo cung cấp.   : hệ số, lấy như sau: + Với động cơ mở máy nhẹ (hoặc không tải) như máy bơm, máy cắt gọt kim loại  = 2,5 + Với động cơ mở máy nặng (có tải) như cần cẩu, cầu trục, máy nâng  = 1,6  Cầu chì tổng bảo vệ nhóm động cơ Cầu chì tổng được chọn theo 3 điều kiện ngdc tt toI I mm dc I I   Với:    n i ttiđttôngtt IKI 1 * Imm = Imm max + (Itt tổng – Itt max) Trong đó:  Itt i : Dòng điện tính toán của phụ tải thứ i.  Itt tổng : Dòng điện tính toán cho tất cả các phụ tải.  Imm : Dòng điện mở máy.  Imm max: Dòng điện mở máy lớn nhất của phụ tải có dòng mở máy lớn nhất trong nhóm. Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 107  Itt max: Dòng điện tính toán lớn nhất của phụ tải có dòng mở máy lớn nhất trong nhóm. 8.4.3. Chọn tủ phân phối hạ áp Tùy theo yêu cầu về công suất và các bảo vệ mà ta chọn kích thước tủ phù hợp với các thiết bị điện, mặt tủ bao gồm các thiết bị đo lường Vôn, Ampe, báo pha, nút khởi động và dừng. 8.5. Lựa chọn, kiểm tra dây dẫn và cáp trong mạng điện hạ áp 8.5.1. Lựa chọn cáp theo điều kiện theo điều kiện dòng nung nóng cho phép Khi có dòng điện chạy qua, cáp và dây dẫn sẽ bị phát nóng. Nếu nhiệt độ tăng quá cao thì chúng có thể bị hư hỏng cách điện hoặc giảm tuổi thọ và độ bền cơ học của kim loại dẫn điện. Do vậy mà nhà chế tạo quy định nhiệt độ cho phép đối với mỗi loại dây dẫn và cáp. Khi nhiệt độ không khí là  25 oC , người ta quy định nhiệt độ cho phép của thanh cái và dây dẫn là 70 oC. Đối với cáp chôn trong đất khô ráo có nhiệt dộ 150C, nhiệt độ cho phép chỉ được dao động trong khoảng 600C 80oC tùy theo từng loại cáp, dây bọc cao su có nhiệt độ cho phép là 55 oC . Nếu nhiệt độ nơi đặt dây dẫn hoặc cáp khác với nhiệt độ quy định thì ta phải hiệu chỉnh theo hệ số hiệu chỉnh K ( tra sổ tay, cẩm nang). Do đó tiết diện dây dẫn và cáp được chọn phải thoã mãn điều kiện sau: K I lvmaxCPI Ilvmax : Dòng làm việc cực đại. Ilvmax= ñm : ñoái vôùi 1 thieát bò : ñoái vôùi 1 nhoùm thieát bò tt I I    K = k1*k2 (k1, k2: tra bảng: 0.72 ÷ 0.75) k1: Hệ số nhiệt độ môi trường. k2: Hệ số các mạch đặt kề nhau, số lượng cáp đặt trong rãnh cáp. Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 108 8.5.2. Tính mạng theo điều kiện tổn hao điện áp cho phép Điều kiện tổn hao điện áp cho phép là: Umax%  Ucp% Trong đó:  Ucp%- Là tổn thất điện áp cho phép (5% hoặc 2,5% tuỳ thuộc vào loại phụ tải)  Umax%- Tổn thất điện áp lớn nhất trong mạng. a. Xác định tiết diện dây dẫn khi toàn bộ đường dây cùng một tiết diện Ta xét một mạch điện đơn giản như hình8.1: Theo công thức tính tổn thất điện áp trên đường dây ta có: U =     n 1i iiii dm xQrP U 1 ,v Nếu toàn bộ đường dây cùng một tiết diện, cùng một vật liệu: dm n 1i ii0 dm n 1i ii0 U l.Q.x U l.Pr U    ; hay: dm n i ii dm n i ii U Lqx U Lpr U    1 0 1 0 ... = U’ + U”; Trong đó:  U’- Tổn thất điện áp do công suất tác dụng và điện trở của đường dây gây lên.  U” - Tổn thất điện áp do công suất phản kháng và điện kháng của đường dây gây lên. Trong biểu thức trên nếu biết được x0, ta sẽ tính được thành phần tổn thất điện áp U ” nhờ biểu thức: Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 109 U” = dm n i ii U lQx  1 0 .. , hay U” = dm n 1i ii0 U L.q.x   Giá trị điện kháng trên một km đường dây x0 nói chung ít thay đổi dù dây lớn hay bé (x0= 0,3  0,43 /km) do vậy có thể lấy một trị số trung bình nào đó để tính toán U”. Đối với đường dây cao thế trên không thì x0 trung bình có thể lấy bằng 0,35  0,4 /km. Đối với đường dây hạ áp trên không thì x0 trung bình có thể lấy bằng 0,25 /km, còn đối với đường dây cáp thì x0 = 0,07 /km. Trị số tổn thất điện áp cho phép Ucp từ nguồn đến phụ tải xa nhất đã cho theo yêu cầu của mạng điện. Do vậy ta tính U’ theo công thức: U’ = Ucp - U ” ; biết: dm n 1i ii0 ' U L.pr U   thay r0 =1/F với  - điện dẫn suất của vật liệu làm dây dẫn. Do vậy, ta tính được tiết diện F như sau: dm ' n 1i ii U.U. L.p F     , hay dm ' n 1i ii U.U. l.P F     Căn cứ vào trị số tính toán F, ta tra bảng chọn tiết diện dây dẫn tiêu chuẩn gần nhất. Đồng thời xác định được r0 và x0 ứng với dây dẫn đã chọn, tính lại tổn thất điện áp sau cùng so sánh với Ucp. Nếu chưa đạt yêu cầu, ta hãy tăng một cấp và tính lại. 8.5.3. Chọn dây dẫn kết hợp chọn thiết bị bảo vệ Dây dẫn trong lưới điện phân xưởng, trong nhà, cửa hàng có sơ đồ hình tia cấp điện trực tiếp cho thiết bị dùng điện như động cơ, đèn điện được chọn theo điều kiện phát nóng. Điều kiện chọn là: Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 110 - Không phát nóng quá giới hạn cho phép: ' maxLV cpI I ' cpI : là dòng điện cho phép của dây dẫn theo điều kiện phát nóng đã được hiệu chỉnh, maxLVI là dòng điện làm việc lớn nhất của dây dẫn. - Không để xảy ra quá tải nguy hiểm: Phải có thiết bị theo dõi quá tải để có thể xử lý kịp thời khi bị quá tải, nếu không có thiết bị thì dây dẫn được chọn kết hợp với cầu chảy hoặc áptômát để chống quá tải. * Phối hợp bảo vệ bằng áptômát: Dòng điện khởi động của rơle nhiệt được chọn theo điểu kiện: maxkdn LVI I Dòng khởi động của rơle điện từ được chọn theo điều kiện: 1,25kd DT QTI I  QTI : Dòng điện quá tải; 1,25 là hệ số dự trữ tính đến tác động không chính xác của rơle. Dòng điện cho phép của dây dẫn được chọn theo điều kiện: - Nếu áptômát có rơle nhiệt : ' max 1,5 LV cp I I  - Nếu áptômát có rơle nhiệt: ' 1,5 QT cp I I  - Dùng cho lưới sinh hoạt: ' 1,25.cp QTI I  Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 111 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1- Trong điều kiện vận hành các thiết bị điện chúng có thể làm việc ở các chế độ nào? Các chế độ đó là gì? 2- Hãy trình bày nguyên tắc chung để lựa chọn thiết bị điện và các bộ phận có dòng điện chạy qua? 3- Hãy trình bày các điều kiện và kiểm tra các thiết bị đóng cắt và bảo vệ? 4- Công dụng, vị trí, phạm vi sử dụng, nguyên lý làm việc và các thiết bị đóng cắt bảo vệ? 5- Các yêu cầu đối với bảo vệ rơle là gì? Tại sao đối với bảo vệ rơle cần phải thoả mãn các yêu cầu đó? 6- Các hình thức bảo vệ rơle trong hệ thống điện là gì? Hãy trình bày cách xác định dòng chỉnh định bảo vệ cực đại và bảo vệ dòng điện cắt nhanh để bảo vệ cho các phụ tải điện và đường dây trong hệ thống điện? 7: Một đường dây trên không, dùng dây nhôm, các pha đặt trên ba đỉnh của tam giác đều cạnh 1m, cung cấp cho hai phụ tải a, b điện áp 10kV. Tổn thất điện áp cho phép là Ucp= 5%. Thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax của phụ tải là 3500 h/năm. Phụ tải cho trên hình vẽ, hãy xác định tiết diện dây dẫn. 1000KVA 4km2km Cos =0,9 a Cos =0,7 b0 600KVA Giáo trình Môn Cung cấp điện 1 Khoa kỹ thuật điện – điện tưû 112 8: Hãy xác định tiết diện dây cáp để nối trạm biến áp với phân xưởng có công suất là 1000kVA. Thời gian sử dụng công suất cực đại là Tmax là 5500 h/năm (như hình vẽ). Đường dây cáp được đặt ngầm trong đất với nhiệt độ của đất là +20 0 C và với khoảng cách 100mm. Trên thanh cái 10kV của trạm, dòng điện ngắn mạch là 9,5kA. Thời gian tác động của bảo vệ bằng rơle là 1,2 giây, thời gian cắt hoàn toàn của máy cắt là 0,12 giây. 9: Trạm phân phối 22kV cung cấp điện cho 10 phụ tải: Trạm nhận điện từ trạm BATG- 110/22kV cách 5 km qua hai máy cắt đầu nguồn của simens có Icắt đm= 40kA. Các số liệu cho trên hình vẽ. Yêu cầu: 1- Lựa chọn dây dẫn ĐDK- 22kV cấp điện cho trạm phân phối. 2- Lựa chọn toàn bộ các máy cắt trong trạm phân phối. 10kvtpp Bmii ii-10 k1 k2 sn l=8km ®dk-22kv, 5km batg ®dk-22kv, 5km 22kv 22kv MCLL 5 500kva 5 500kva 22kv Giaùo trình Moân Cung caáp ñieän 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Bội Khuê Giáo trình “Cung cấp điện” dành cho hệ Đại Học, Khối Ngành Công Nghệ. [2] Phan Thị Thanh Bình và các tác giả khác - Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC Hà Nội: Khoa Học Kỹ Thuật, 2001._410 tr.; 20cm. [3] Lê Văn Doanh - Cẩm nang thiết bị đóng cắt ABB - Hà Nội: Khoa Học Kỹ Thuật, 1998._ 864 tr.; 14,5cm. [4] Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Bội Khuê - Cung cấp điện - TP. HCM: Khoa Học Kỹ Thuật, 1998._ 783 tr.; 19cm. [5] Tài liệu trực tuyến: Electrical Installation Guide – Groupe Schneider -2009. Website: guide/electrical-installation.htm