Tính toán dòng điện ngắn mạch dòng làm việc bình thường và dòng cưỡng bức

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH DÒNG LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ DÒNG CƯỠNG BỨC I. TÍNH TOÁN DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH 1. Cơ sở tính toán ngắn mạch a. Khái niệm chung Ngắn mạch là tình trạng sự cố nghiêm trọng và thường xãy ra trong hệ thống cung cấp điện. Vì vậy các bộ phận trong hệ thống cung cấp điện phải được tính toán sao cho không những làm việc được trong tình trạng sự cố mà còn trong giới hạn cho phép. Để lựa chọn các bộ phận của hệ thống điện chúng ta phải tính toán các thông số của ngắn mạch như : dòng điện ngắn mạch, công suất ngắn mạch,…Các số liệu này đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ cho hệ thống điện, định phương hướng vận hành cho hệ thống điện. Vì vậy tính toán ngắn mạch không thể thiếu được khi thiết kế hệ thống cung cấp điện . b. Nguyên nhân và hậu quả của ngắn mạch Nguyên nhân gây ra ngắn mạch Do vận hành lâu ngày, cách điện bị lão hoá. Do sét đánh vào đường dây và thiết bị phân phối ngoài trời hay do quá điện áp nội bộ. Do hiện tượng chập các pha trong hệ thống cung cấp điện. Hậu quả của ngắn mạch Gây đốt nóng cục bộ các thiết bị. Tạo ra lực điện động lớn phá hủy trụ điện, sứ đở, uốn cong thanh dẫn. Điện áp giảm xuống có thể làm động cơ ngừng quay, sản xuất bị ngưng hoạt động hay động cơ quay chậm và làm hư sản phẩm. Làm hệ thống mất ổn định. Mục đích của tính toán ngắn mạch Lựa chọn các thiết bị điện và khí cụ điện : máy cắt, dao cách ly, sứ cách điện, thanh dẫn… Lựa chọn hạn chế dòng ngắn mạch. Tính toán thiết kế bảo vệ cho hệ thống . c. Phương pháp tính ngắn mạch Tính toán ngắn mạch chính xác trong hệ thống điện rất phức tạp và khó khăn, nên trong thực tế không cần đòi hỏi chính xác cao, thường dùng phương pháp gần đúng để tính ngắn mạch. Và thường chỉ tính dòng ngắn mạch 3 pha (N3) vì thường dòng ngắn mạch 3 pha lớn hơn dòng ngắn mạch 2 pha (N2) và 1 pha (N1). Để tính ngắn mạch cho trạm biến áp 110/22kV thiết kế thì ta sử dụng phương pháp tính gần đúng trong hệ tương đối cơ bản . Xuất phát từ yêu cầu đơn giản hoá cho việc tính toán, nên thường chọn công suất cơ bản 100MVA, 1000MVA hoặc bằng công suất của hệ thống. Điện áp cơ bản lấy theo từng cấp và chọn bằng điện áp trung bình của từng cấp ấy. Chọn : Scb = SHT = 6000(MVA). Ucb = Utb : Cấp 110kV : Ucb = 115kV. Cấp 22kV : Ucb = 22kV Dòng cơ bản : . Dòng điện ngắn mạch trong hệ tương đối cơ bản : . Dòng điện ngắn mạch trong hệ đơn vị có tên : . Dòng điện xung kích : Trong đó : 1, thường chọn KXK =1,8 ở điện áp lớn hơn 1000V. Điện kháng của các phần tử trong hệ tương đối cơ bản : Điện kháng đường dây : Trong đó : X0 : điện kháng của 1Km đường dây (Lấy X0 = 0,4 ( L : chiều dài đường dây (Km). Điện kháng hệ thống : Trong đó : SHT : công suất của hệ thống . Điện kháng của máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây : Trong đó : UN% : điện áp ngắn mạch phần trăm. SđmB : công suất định mức máy biến áp. 2. Tính toán ngắn mạch cho từng phương án Chỉ tính ngắn mạch ở giai đoạn cuối của mỗi phương án . Chọn : Scb = SHT = 6000(MVA). Ucb = Utb : Cấp 110kV : Ucb1 = 115kV. Cấp 22kV : Ucb2 = 22 kV. Dòng cơ bản : Cấp 110kV : Icb1 = Cấp 22kV : Icb2 = Trị số điện kháng của các phần tử trong sơ đồ thay thế : Điện kháng đường dây : Điện kháng hệ thống : Điện kháng của máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây : Điện kháng máy biến áp115/22kV công suất 40MVA,UN% = 10,4% : Điện kháng máy biến áp 115/22kV công suất 63MVA,UN% = 10,5% : a. Tính toán ngắn mạch cho phương án 1 Chỉ tính ngắn mạch ở giai đoạn 2 (2012 của phương án 1 : Dùng 3 máy biến áp 115/22kV có công suất 40MVA . Sơ đồ thay thế Tính dòng ngắn mạch tại N1 (trên thanh cái 110kV) Icb1 = Dòng điện ngắn mạch trong hệ tương đối cơ bản : Dòng điện ngắn mạch trong hệ đơn vị có tên : (kA). Dòng điện xung kích : (kA). Tính dòng ngắn mạch tại N2 (trên thanh cái 22kV) Icb2 = Dòng điện ngắn mạch trong hệ tương đối cơ bản : Dòng điện ngắn mạch trong hệ đơn vị có tên : (kA). Dòng điện xung kích : (kA). Tính dòng ngắn mạch tại N3 (trên thanh cái 0,4kV) Máy biến áp tự dùng 22/0,4(kV) - công suất 250(kVA) có: (W), (W), UN% = 5,5%. Suy ra : Tổng trở của máy biến áp tự dùng : Dòng điện ngắn mạch chu kì : Dòng xung kích : b. Tính toán ngắn mạch cho phương án 2: Chỉ tính ngắn mạch ở giai đoạn 2 (2014 của phương án 2 : Dùng 3 máy biến áp 115/22kV có công suất 63MVA . Sơ đồ thay thế Tính dòng ngắn mạch tại N1 (trên thanh cái 110 kV) Icb1 = Dòng điện ngắn mạch trong hệ tương đối cơ bản : Dòng điện ngắn mạch trong hệ đơn vị có tên : (kA). Dòng điện xung kích : (kA). Tính dòng ngắn mạch tại N2 (trên thanh cái 22kV) Icb2 = Dòng điện ngắn mạch trong hệ tương đối cơ bản : Dòng điện ngắn mạch trong hệ đơn vị có tên : (kA). Dòng điện xung kích : (kA). Tính dòng ngắn mạch tại N3 (trên thanh cái 0,4 kV) Máy biến áp tự dùng 22/0,4 (kV) - công suất 250(kVA) có: (W), (W), UN% = 5,5%. Suy ra : Tổng trở của máy biến áp tự dùng : Dòng điện ngắn mạch chu kì : Dòng xung kích : BẢNG TỔNG KẾT KẾT QUẢ DÒNG NGẮN MẠCH Ở CÁC PHƯƠNG ÁN (Bảng 6.1) Phương án TT Điểm ngắn mạch Ni U (kV) X ZB (m Icbi (kA) I*Ni(cb) IN (kA) IXK (kA) Phương án 1 1 N1 110 2,469 30,123 0,405 12,2 31,056 2 N2 22 7,669 157,459 0,13 20,47 52,108 3 N3 0,4 35,23 13,11 33,4 Phương án 2 1 N1 110 2,469 30,123 0,405 12,2 31,056 2 N2 22 5,8 157,459 0,172 27,15 69,1 3 N3 0,4 33,86 13,11 33,4 II. TÍNH TOÁN DÒNG LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG & DÒNG CƯỠNG BỨC Khái niệm Các khí cụ điện và dây dẫn có 2 trạng thái làm việc : bình thường và cưỡng bức. Ứng với 2 trạng thái trên có dòng bình thường Ibt và dòng cưỡng bức Icb . Trạng thái làm việc bình thường là trạng thái không có phần tử nào của khu vực đang xét bị cắt. Dòng làm việc bình thường là dòng lớn nhất có thể có ở trạng thái này. Dòng làm việc bình thường dùng để chọn tiết diện dây dẫn và cáp theo điều kiện kinh tế . Trạng thái làm việc cưỡng bức là trạng thái làm việc nếu một phần tử nào đó của khu vực đang xét bị cắt. Dòng cưỡng bức thường lớn hơn dòng làm việc bình thường, dòng cưỡng bức cực đại Icbmax dùng để chọn các khí cụ điện và dây dẫn. Việc tính toán dòng điện Ibt và Icb nhằm lựa chọn các thiết bị có đủ khả năng mang tải trong mọi chế độ vận hành của lưới điện và có xét đến việc phát triển trong tương lai. 2. Tính toán dòng làm việc bình thường và dòng cưỡng bức cho từng phương án Ta tính dòng cưỡng bức theo công suất của trạm để chọn các khí cụ điện và các phần dẫn điện phù hợp với công suất của trạm để trạm thiết kế mang tính đồng bộ và có tính phát triễn trong tương lai. a. Phương án 1 Chỉ xét giai đoạn cuối 2012 2015 là dùng 3 máy biến áp mỗi máy công suất 40MVA. Mạch phía cao áp 110kV Phía đường dây từ hệ thống Gồm 2 lộ dây từ hệ thống đến thanh cái 110kV. Dòng làm việc bình thường : khi 3 máy biến áp hoạt động bình thường thì công suất của trạm là : 3 x 40MVA = 120MVA. (kA). Dòng cưỡng bức : khi 1 lộ dây bị sự cố thì lộ dây còn lại phải tải một dòng điện là : (kA). Đoạn dây dẫn từ thanh cái 110kV đến máy biến áp Dòng làm việc bình thường : ứng với khi trạm biến áp hoạt động bình thường, công suất của một máy biến áp là 40(MVA) . Ibt === 0,21(kA). Dòng cưỡng bức : khi sự cố một máy biến áp, hai máy còn lại được phép vận hành quá tải 1,4 lần công suất định mức của mỗi máy . Icb2 === 0,294(kA). Vì cấp 110 kV chọn chung một loại khí cụ điện nên dòng cưỡng bức được chọn là dòng lớn nhất qua các khí cụ điện trong các trường hợp. Icbmax = max (Icb1 ; Icb2) = max (0,63 ; 0,294) = 0,63(kA). Mạch phía 22 kV Đoạn từ máy biến áp đến thanh cái 22kV Dòng làm việc bình thường : ứng với khi trạm biến áp hoạt động bình thường , công suất của một máy biến áp 40(MVA). Ibt === 1,05(kA). Dòng cưỡng bức : khi sự cố một máy biến áp, hai máy còn lại được phép vận hành quá tải 1,4 lần công suất định mức của mỗi máy . Icb1 === 1,47(kA). Đoạn các lộ ra từ thanh cái cấp 22kV cấp cho phụ tải Dòng làm việc bình thường : dòng chạy trên mỗi lộ trong số 6 lộ ra . Ibt === 0,37(kA). Dòng cưỡng bức : xét trong trường hợp max (khi 2 lộ dây ra cùng cung cấp cho một phụ tải ). Khi bị sự cố 1 lộ dây , lộ còn lại phải tải một dòng điện là : Icb2 = 2 Ibt = 2 0.37 = 0,74(kA). Icbmax = max (Icb1 ; Icb2) = max (1,47 ; 0,74) = 1,47(kA). b.Phương án 2 Chỉ xét giai đoạn cuối (2014 là dùng 3 máy biến áp mỗi máy công suất 63MVA. Mạch phía cao áp 110kV Phía đường dây từ hệ thống Gồm 2 lộ dây từ hệ thống đến thanh cái 110kV. Dòng làm việc bình thường : khi 3 máy biến áp hoạt động bình thường thì công suất của trạm là : 3 x 63MVA = 189MVA. (kA). Dòng cưỡng bức : khi 1 lộ dây bị sự cố thì lộ dây còn lại phải tải một dòng điện là : (kA). Đoạn dây dẫn từ thanh cái 110 kV đến máy biến áp Dòng làm việc bình thường : ứng với khi trạm biến áp hoạt động bình thường, công suất của một máy biến áp là 63(MVA) . Ibt === 0,33(kA). Dòng cưỡng bức : khi sự cố một máy biến áp, máy còn lại được phép vận hành quá tải 1,4 lần công suất định mức của nó . Icb2 === 0,462(kA). Dòng cưỡng bức được chọn là dòng lớn nhất qua các khí cụ điện trong các trường hợp xảy ra sự cố . Icbmax = max (Icb1 ; Icb2) = max (0,99 ; 0,462) = 0,99(kA). Mạch phía 22 kV Đoạn từ máy biến áp đến thanh cái 22kV Dòng làm việc bình thường : ứng với khi trạm biến áp hoạt động bình thường, công suất của một máy biến áp 63(MVA). Ibt === 1,65(kA). Dòng cưỡng bức : khi sự cố một máy biến áp, máy còn lại được phép vận hành quá tải 1,4 lần công suất định mức của nó . Icb1 === 2,31(kA). Đoạn các lộ ra từ thanh cái cấp 22kV cấp cho phụ tải : Dòng làm việc bình thường : dòng chạy trên mỗi lộ trong số 6 lộ ra. Ibt === 0,54(kA). Dòng cưỡng bức : xét trong trường hợp max (khi 2 lộ dây ra cùng cung cấp cho một phụ tải ). Khi bị sự cố 1 lộ dây, lộ còn lại phải tải một dòng điện là : Icb2 = 2 Ibt = 2 0.54 = 1,08(kA). Icbmax = max (Icb1 ; Icb2) = max (2,31 ; 1,08) = 2,31(kA). BẢNG TỔNG KẾT DÒNG LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG & DÒNG CƯỠNG BỨC (Bảng 6.2) Phương án Điện áp (kV) Ibt (kA) Icb (kA) Phương án 1 110 Đoạn từ HT - TC 110(kV) 0,315 0,63 Đoạn từ TC 110 (kV) - MBA 0,21 22 Đoạn từ MBA – TC 22(kV) 1,05 1,47 Đoạn các lộ ra từ TC 22(kV) 0,365 Phương án 2 110 Đoạn từ HT - TC 110(kV) 0,5 0,99 Đoạn từ TC 110 (kV) - MBA 0,33 22 Đoạn từ MBA – TC 22(kV) 1,65 2,31 Đoạn các lộ ra từ TC 22(kV) 0,54