CHƯƠNG 7 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN

7.1 KHÁI NIỆM CHUNG
7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
7.3 NHỮNG LỰA CHỌN CHUNG ĐỂ LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN
7.4 LỰA CHỌN VÀ KIỂM TRA MÁY CẮT
7.5 LỰA CHỌN VÀ KIỂM TRA DAO CÁCH LY, CẦU CHÌ CAO ÁP
7.6 LỰA CHỌN CẦU DAO, CẦU CHÌ HẠ ÁP
7.7 LỰA CHỌN KIỂM TRA APTOMAT
7.8 LỰA CHỌN KIỂM TRA SỨ CÁCH ĐIỆN
7.9 LỰA CHỌN KIỂM TRA THANH DẪN
7.10 LỰA CHỌN KIỂM TRA THIẾT BỊ PHỤC VỤ ĐO LƯỜNG
7.11 CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CÓ ĐIỆN ÁP ĐẾN 1000V

1


§7.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Ngắn mạch là tình trạng sự cố nghiêm trọng và thường xảy ra trong hệ thống cung cấp điện. Vì vậy, các
phần tử trong hệ thống điện phải được tính toán và lựa chọn sao cho không những làm việc tốt trong trạng thái
bình thường mà còn có thể chịu đựng được trạng thái sự cố trong giới hạn qui định cho phép.
Để lựa chọn được tốt các phần tử của hệ thống cung cấp điện, chúng ta phải dự đoán được các tình trạng ngắn
mạch, có thể xảy ra và tính toán được các số liệu về tình trạng ngắn mạch như: dòng điện ngắn mạch và công
suất ngắn mạch. Các số liệu này còn là căn cứ quan trọng để thiết kế hệ thống bảo vệ rơ le, định phương thức
vận hành của hệ thống cung cấp điện…
Vì vậy, tính toán ngắn mạch là phần không thể thiếu được khi thiết kế hệ thống cung cấp điện.

2

2

§7.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Chúng ta phải tính được trị số dòng ngắn mạch để nhằm hai mục đích:
- Lựa chọn được các thiết bị có khả năng cắt dòng ngắn mạch (máy cắt, cầu chì, aptomat).
- Kiểm tra các thiết bị điện về khả năng không bị hư hỏng do lực điện động và không bị phá hủy do nhiệt
trong khoảng thời gian kể từ thời điểm xảy ra ngắn mạch đến thời điểm cắt dòng ngắn mạch.
Ngắn mạch là hiện tượng các pha chập nhau:
- Ngắn mạch trực tiếp: Phần dẫn điện các dây dẫn chạm chập trực tiếp với nhau (ngắn mạch có thuộc tính kim
loại).
- Ngắn mạch gián tiếp: Ngắn mạch thông qua các tổng trở trung gian (hồ quang điện) và cách điện bị đứt giữa
giãn chứa hơi nước ẩm qua các vật thể hữu cơ: cành cây, chim, chuột…).

3

3


§7.1 KHÁI NIỆM CHUNG

1. Phân loại các dòng ngắn mạch
- Ngắn mạch ba pha, tức ba pha chập nhau, ký hiệu N

(3)
.

- Ngắn mạch hai pha, tức hai pha chập nhau, ký hiệu N

(2)

.

- Ngắn mạch một pha, tức 1 pha chạm đất hoặc chập dây trung tính, ký hiệu N

(1)

.

- Ngắn mạch hai pha nối đất, tức hai pha chập nhau đồng thời chập đất, ký hiệu N

(1,1)

.

Xác suất xảy ra lớn nhất đối với ngắn mạch 1 pha (65%), ít nhất đối với ngắn mạch 3 pha (5%). Ngắn mạch 3
pha tuy xảy ra ít nhưng lại được quan tâm nhiều nhất, vì ngắn mạch 3 pha thường nặng nề nhất, ảnh hưởng
nhiều đến chế độ hệ thống.
Do ngắn mạch 3 pha là loại ngắn mạch đơn giản nhất (có tính đối xứng), là dạng ngắn mạch cơ sở. Tính toán
các dạng ngắn mạch khác đều dựa trên cơ sở đưa về cách tính ngắn mạch 3 pha.

4

4


§7.1 KHÁI NIỆM CHUNG

1. Phân loại các dòng ngắn mạch
Dòng ngắn mạch bao gồm 2 thành phần: thành phần chu kỳ và thành phần không chu kỳ (tắt dần). Thành phần
ick là giống nhau trong cả ba pha, còn thành phần tắt dần i td lại khác nhau trên mỗi pha và biến đổi theo thời

điểm bắt đầu dòng ngắn mạch. Thông thường thành phần chu kỳ được xác định theo trị số lớn nhất có thể.

i0 = ick0+ikck0 (i0 tại thời điểm 0)
Trường hợp i0=0 tức là thời điểm xảy ra ngắn mạch đúng lúc i=0.

5

5


7.1 KHÁI NIỆM CHUNG
1. Phân loại các dòng ngắn mạch
Nội dung tính toán ngắn mạch nhằm xác định các đại lượng:
I”

Dòng ngắn mạch siêu quá độ

ixk

Dòng điện xung kích

I0,2

Trị số hiệu dụng của thành phần chu kỳ

I∞

Trị số hiệu dụng của thành phần

sau 0,2 giây


chu kỳ lúc ổn định (lúc t=∞)

tN

Thời gian xảy ra ngắn mạch. tN = tbv+tMC

tqđ

Thời gian qui đổi; tqđ = tqđck + tqđkck

S0,2

Công suất ngắn mạch ở thời điểm

tqđkck

Thời gian qui đổi của thành phần

t=0,2 giây

không chu kỳ.

Xác định tqđck
+ Khi tN < 5 giây được xác định theo đường cong tqđck=f(β”)
Trong đó β”=I”/I∞
+ Khi tN > 5 giây tqđck= tqđkck+(tN-5)
Xác định tqđkck
+ Khi tN ≥ 1,5.T, ta có tqđkck≈0,005.( β”)


2

2
-2t/T
+ Khi tN < 1,5.T, ta có tqđkck≈T.(õ”) .(1-e
)
Trong đó : T là hằng số thời gian, T=X/314.R

6

6


§7.1 KHÁI NIỆM CHUNG

2. Nguyên nhân và hậu quả ngắn mạch
Nguyên nhân
Chủ yếu là do cách điện bị hư hỏng, ngoài ra còn một số nguyên nhân khác nữa như:
+ Sét đánh trực tiếp;
+ Quá điện áp nội bộ;
+ Cách điện bị già cỗi (do thời gian sử dụng quá lớn);
+ Trông nom, bảo dưỡng thiết bị không chu đáo;
+ Các nguyên nhân cơ học trực tiếp như đào đất chạm phải dây cáp, thả diều, chim đậu, cây đổ…hoặc do thao
tác sai của nhân viên vận hành.

7

7



§7.1 KHÁI NIỆM CHUNG

2. Nguyên nhân và hậu quả ngắn mạch
Hậu quả
+ Làm I tăng, gây phát nóng cục bộ tại nơi có I đi qua
+ Gây hiệu ứng cơ giới giữa các dây dẫn, i xk có thể làm hỏng các khí cụ điện, vỡ sứ;
+ Khi có ngắn mạch U giảm xuống thấp, động cơ ngừng quay, ngừng trệ hoặc hỏng sản phẩm, cháy
động cơ, không khởi động được;
+ Có thể phá hoại sự ổn định của hệ thống;
+ Ngắn mạch hai pha hoặc một pha chạm đất còn gây ra dòng thứ tự không làm nhiễu loạn đường dây
thông tin và tín hiệu đường sắt ở gần;
+ Cung cấp điện bị gián đoạn.

8

8


§7.1 KHÁI NIỆM CHUNG

2. Nguyên nhân và hậu quả ngắn mạch
Biện pháp hạn chế:
+ Dùng sơ đồ nối dây hợp lý, đơn giản, rõ ràng, ít gây nhầm lẫn. Khi có sự cố chỉ có phần tử bị sự cố
bị cắt, các phần tử khác vẫn phải được làm việc bình thường;
+ Các thiết bị và bộ phận có dòng ngắn mạch đi qua phải được chọn sao cho có khả năng chịu tác
dụng nhiệt và cơ của dòng ngắn mạch;
+ Dùng các biện pháp hạn chế dòng ngắn mạch (dùng kháng điện);
+ Dùng các thiết bị tự động và biện pháp bảo vệ ngắn mạch và quá điện áp.

9


9


§7.1 KHÁI NIỆM CHUNG

3. Ý nghĩa tính toán ngắn mạch và các yêu cầu
+Thành lập và lựa chọn phương án xây dựng sơ đồ cung cấp điện hợp lý nhất;
+ Xác định các điều kiện làm việc của các hộ tiêu thụ ở các chế độ sự cố;
+ Chọn các biện pháp hạn chế dòng ngắn mạch;
+ Chọn khí cụ điện, thanh cái, sứ, cáp lực…;
+ Xác định ảnh hưởng của các đường dây truyền tải điện tới các đường dây thông tin, tín hiệu khác;
+ Thiết kế và hiệu chỉnh các bảo vệ rơ le và tự động hóa;
+ Thiết kế nối đất bảo vệ;

10

10


§7.1 KHÁI NIỆM CHUNG

3. Ý nghĩa tính toán ngắn mạch và các yêu cầu
+ Lựa chọn các đặc tính của chống sét (bảo vệ quá điện áp khí quyển);
+ Đánh giá và xác định các tham số của các thiết bị dập từ máy điện đồng bộ;
+ Tiến hành các thử nghiệm khác;
+Phân tích các sự cố xảy ra.
Việc tính toán lựa chọn thiết bị và các khí cụ điện đòi hỏi độ chính xác không cao, còn khi tính toán
bảo vệ rơ le và tự động hóa đòi hỏi độ chính xác cao hơn.


11

11


CHƯƠNG 7 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN

7.1 KHÁI NIỆM CHUNG
7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
7.3 NHỮNG LỰA CHỌN CHUNG ĐỂ LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN
7.4 LỰA CHỌN VÀ KIỂM TRA MÁY CẮT
7.5 LỰA CHỌN VÀ KIỂM TRA DAO CÁCH LY, CẦU CHÌ CAO ÁP
7.6 LỰA CHỌN CẦU DAO, CẦU CHÌ HẠ ÁP
7.7 LỰA CHỌN KIỂM TRA APTOMAT
7.8 LỰA CHỌN KIỂM TRA SỨ CÁCH ĐIỆN
7.9 LỰA CHỌN KIỂM TRA THANH DẪN
7.10 LỰA CHỌN KIỂM TRA THIẾT BỊ PHỤC VỤ ĐO LƯỜNG
7.11 CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CÓ ĐIỆN ÁP ĐẾN 1000V

12


§7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CCĐ

1. Bài toán ngắn mạch lưới điện (U=110, 220 kV)
Vì lưới 110, 220 kV thực chất là hệ thống điện lớn (toàn quốc hoặc một vùng lãnh thổ: miền Bắc, miền Nam,
miền Trung) không thể phân thành bài tập nhỏ để giải.
Bài toán tính toán ngắn mạch ở cấp 110, 220 kV sẽ không được nhắc đến ở đây.
2.Tính toán ngắn mạch
Để tiện lợi cho tính toán chia ra bài toán ngắn mạch lưới trung áp và bài toán ngắn mạch phía hạ áp:

a) Tính toán ngắn mạch trung áp (phía cao áp của mạng điện xí nghiệp);
b) Tính ngắn mạch phía hạ áp.

13

13


§7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CCĐ

2.Tính toán ngắn mạch
a) Tính toán ngắn mạch trung áp (phía cao áp của mạng điện xí nghiệp);
Khi tính toán ngắn mạch phía cao áp vì không biết cấu trúc cụ thể của hệ thống điện quốc gia nên cho phép
tính gần đúng điện kháng của hệ thống điện quốc gia thông qua công suất ngắn mạch của máy cắt đầu nguồn
và coi hệ thống có công suất vô cùng lớn.

X HT

2
U tb
=
,Ω
SN

(7.1)

SN =
IN

3.U dm .I CdmMC

U
= I " = I ∞ = tb (7.2)
Z∑

I xk = 1, 8. 2. I N , kA
14

(7.3)
14


§7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CCĐ

2.Tính toán ngắn mạch
Ví dụ 7.1: Một đường dây cung cấp điện như trên hình dưới
Uđm=10 kV. L1= R1+j.X1=1,26+j.2,22 Ω;
L2= R2+j.X2=0,316+j.0,03 Ω;
Máy cắt đầu nguồn MC1 có công suất cắt Scắt=1051 MVA;
Hãy tính dòng ngắn mạch tại điểm N1 và N2.
N
TBATG

MC 1

DD

MC 2

TBAXN


a)
N
TBATG

X HT

R dd

X dd

TBAXN

b)
15

15


§7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CCĐ

2.Tính toán ngắn mạch
b) Tính ngắn mạch phía hạ áp
Coi MBA hạ áp là nguồn (vì được nối với hệ thống có công suất vô cùng lớn), vì vậy điện áp phía hạ áp không
thay đổi khi xảy ra ngắn mạch, do vậy ta có IN=I”=I∞.
Đối với mạng hạ áp, khi tính toán ngắn mạch phải xét đến điện trở của tất cả các phần tử trong mạng.
+ Tổng trở MBA:

TG

2

∆PN .U dm
3
RB =
.10
, mΩ
2
Sdm

U N %.U d2m
XB =
.10 , mΩ
Sdm

N2

N1
§ DK - 0,4 kV

CT

AT

A1

DCL CC

BA
N2

N1

ZB

Z CT

Z AT

Z TG

Z A1

ZD

Z DCL

Z CC

Z B = RB + j. X B

16

16


§7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CCĐ

b) Tính ngắn mạch phía hạ áp
+ Đường dây:
Đường dây trên không: x0=0,3 Ω/km (mΩ/m)
Đường dây cáp: x0=0,1 Ω/km (mΩ/m)
+Tổng trở của aptomat tổng: ZAT=RAT+j.XAT, mΩ (tra sổ tay);

+Tổng trở thanh góp: ZTG=RTG+j.XTG (tra sổ tay)
+ Tổng trở dây dẫn, dao cách ly, cầu chì – (ZD, ZDCL, ZCC)
tb
N1
2
N1
B
CT
AT

U
400
I =
=
3.Z
3 ( R + R + R ) + ( X B + X CT + X AT ) 2
U tb
IN 2 =
3.Z N 2

Với RN2=RB+RCT+RAT+RTG+RA1+RD+RXL+RCC
XN2=XB+XCT+XAT+XTG+XA1+XD+XXL+XCC

17

17


§7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CCĐ


b) Tính ngắn mạch phía hạ áp
Ví dụ 7.2
TBA công cộng đặt một MBA 250 kVA – 10/0,4 kV do ABB chế tạo, tủ phân phối của trạm đặt 1 aptomat tổng
400 A và 3 aptomat nhánh: 160 (140), 100, và 160 (140) A, đoạn cáp tổng dẫn điện từ biến áp tới tủ phân phối
dài 10 m, loại 4G120 do Lens chế tạo. Thanh góp đồng tiết diện 40*5, dài 80 cm, khoảng cách trung bình hình
học giữa các pha bằng 100 mm. Yêu cầu tính toán ngắn mạch hạ áp để kiểm tra các aptomat và thanh góp
trong tủ phân phối.

18

18


§7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CCĐ

b) Tính ngắn mạch phía hạ áp
Giải:

N

TG
N
CT

AT

3

A3


N2

A2

N1

BA
A1
Z A3

N

3

N
ZB

Z CT

Z AT

Z TG

Z A2

Z A1

N2

N1


Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế tính ngắn mạch hạ áp trạm biến áp

19

19


§7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CCĐ

Ví dụ 7.3
Tính dòng điện ngắn mạch tại điểm N1, N2, N3 trên sơ đồ cung cấp điện (hình 7.5)
Biết tham số các phần tử như sau: máy biến áp 1000 kVA, U N%=5,5 và ∆PN=15 kW. Máy biến áp được
cung cấp điện từ hệ thống công suất vô cùng lớn Xht=0. Các động cơ không đồng bộ Đ1, Đ2, Đ3 giống
nhau và làm việc đồng thời: PdmĐ=200 kW, ηĐ=94%, Uđm=380 V, cosφ=0,91. Dây cáp dẫn đến tủ điện
chiếu sáng loại CБГ – 3.25+1.16 chiều dài đường dây l=200m. Các áp tô mát dùng loại A3134 có I đm=600
A. Máy biến dòng điện kiểu TKΦ – 3600/5 A (đặt trên hai pha), cầu dao P-1-600A, P-2-400A. Thanh góp
2
2
TG-1 bằng đồng tiết diện 6.60 mm , l=1m, a=240 mm. TG-3 bằng đồng tiết diện 4.40 mm , l=2,5 m, a=240
mm.

20

20


§7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CCĐ

Giải:


10 kV

N1
P-1
TG-2

TG-1
TG-3

400 V
TG-3

P-2
TG-2

BI
N2

N3

Ð1

Ð2

Ð3

Sơ đồ thay thế của mạng điện
21


21
21


CHƯƠNG 7 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN

7.1 KHÁI NIỆM CHUNG
7.2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
7.3 NHỮNG LỰA CHỌN CHUNG ĐỂ LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN
7.4 LỰA CHỌN VÀ KIỂM TRA MÁY CẮT
7.5 LỰA CHỌN VÀ KIỂM TRA DAO CÁCH LY, CẦU CHÌ CAO ÁP
7.6 LỰA CHỌN CẦU DAO, CẦU CHÌ HẠ ÁP
7.7 LỰA CHỌN KIỂM TRA APTOMAT
7.8 LỰA CHỌN KIỂM TRA SỨ CÁCH ĐIỆN
7.9 LỰA CHỌN KIỂM TRA THANH DẪN
7.10 LỰA CHỌN KIỂM TRA THIẾT BỊ PHỤC VỤ ĐO LƯỜNG
7.11 CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CÓ ĐIỆN ÁP ĐẾN 1000V

22


§ 7.3 NHỮNG LỰA CHỌN CHUNG ĐỂ LỰA CHỌN TBĐ

1. Chọn thiết bị điện và các bộ phận dẫn điện theo điều kiện làm việc lâu dài
a) Chọn theo điện áp định mức
Điện áp định mức của khí cụ điện được ghi trên nhãn hay trong lý lịch máy, phù hợp với độ cách điện của nó.
Điện áp làm việc cực đại của KCĐ là điện áp cho phép chúng làm việc lâu dài với điện áp cao hơn định mức
10-15%
Do vậy khi chọn khí cụ điện phải thỏa mãn điều kiện điện áp sau:
Uđm.mạng+∆Umạng


U đm KCĐ+∆Uđm KCĐ ≥

(7.4)

Bảng 7.1 Độ lệch điện áp cho phép của khí cụ điện so điện áp định mức

Cáp điện lực: 1,1Uđm

Dao cách ly: 1,15Uđm

Máy biến dòng điện: 1,1Uđm

Cái chống sét: 1,25Uđm

Máy cắt điện: 1,15Uđm

Máy biến điện áp: 1,1Uđm

Sứ cách điện: 1,15Uđm

Kháng điện: 1,1Uđm

Cầu chì: 1,1Uđm

23

23



§ 7.3 NHỮNG LỰA CHỌN CHUNG ĐỂ LỰA CHỌN TBĐ

1. Chọn thiết bị điện và các bộ phận dẫn điện theo điều kiện làm việc lâu dài
b) Chọn theo dòng điện định mức
Điều kiện lựa chọn thiết bị điện:
Iđm KCĐ≥Ilvmax

(7.5)

Dòng điện làm việc cực đại của mạch điện tính như sau:
- Lúc cắt một trong hai đường dây làm việc song song, đường dây còn lại phải gánh toàn bộ phụ tải.
- Đối với mạch máy biến áp: ta tính khi máy biến áp sử dụng khả năng quá tải của nó.
- Đối với đường dây cáp không có dự trữ: tính khi sử dụng khả năng quá tải của nó.
- Đối với thanh góp nhà máy điện, trạm biến áp, các thanh dẫn mạch phân đoạn và các mạch nối khí cụ điện:
tính trong điều kiện chế độ vận hành là xấu nhất.

24

24


§ 7.3 NHỮNG LỰA CHỌN CHUNG ĐỂ LỰA CHỌN TBĐ

Dòng điện làm việc cực đại của mạch điện tính như sau:
- Đối với máy phát điện: tính bằng 1,05 lần dòng điện định mức của nó; vì máy phát điện chỉ cho phép quá tải
về dòng đến 5%.
Các khí cụ điện được chế tạo với nhiệt độ định mức của môi trường xung quanh là 35˚C. Nếu nhiệt độ môi
trường xung quanh ốxq khác với nhiệt độ định mức thì phải hiệu chỉnh dòng điện cho phép của khí cụ điện, cụ
thể:


+ Nếu θxq > 35˚C thì

:

I

'
cp

= IdmKCD

(7.6)

θ cp − θ xq
θ − 35

cp khí cụ điện.
Trong đó, θcp là nhiệt độ cho phép nhỏ nhất đối với các phần riêng lẻ của

+ Nếu θxq < 35˚C thì dòng điện I’cp có thể tăng lên 0,005 IdmKCD mỗi khi nhiệt độ giảm xuống 1˚C so với
35˚C, nhưng tất cả không được vượt quá 0,20 IđmKCĐ .

25

25