TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

10
THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HẠN CHẾ DÒNG NGẮN
MẠCH KIỂU MÁY BIẾN ÁP
AN AUTOMATIC FAULT CURRENT LIMITING DEVICE OF
TRANSFORMER TYPE

LÊ THÀNH BẮC
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Bài báo trình bày về thiết bị tự động hạn chế dòng điện ngắn mạch trong lưới điện
phân phối với cấu trúc cơ bản gồm máy biến áp và tụ điện mắc song song. Các
kết quả nhận được cho thấy rằng khi thay đổi quan hệ giữa trở kháng tụ điện và
máy biến áp sẽ cho phép đảm bảo bất kỳ mức hạn chế yêu cầu nào đối với dòng
ngắn mạch trong lưới điện.
ABSTRACT
This paper presents an automatic fault current limiting device for power
distribution systems. Basic components of the device are a transformer connected
in parallel with a capacitor. The study results show that when the ratio of
transformer impedance and capacitive impedance is changing, it will allow for
limiting any fault current in the power system.

1. Đặt vấn đề
Sự phát triển nhanh chóng của hệ thống tiêu thu năng lượng điện ở nước ta
hiện nay đã và đang dẫn đến làm tăng công suất ngắn mạch trong lưới phân phối
và làm xấu thêm điều kiện làm việc của các thiết bị điện trong chế độ sự cố (tăng
đáng kể dòng đến máy ngắt và máy biến áp lực). Điều đó đưa đến các yêu cầu cao
hơn trong quan hệ điện - động lực học cũng như đối với độ bền nhiệt của mỗi phần
tử thiết bị điện trong hệ thống năng lượng. Đồng thời nó cũng dẫn đến yêu cầu

Lúc này dòng điện trong cuộn dây lưới là rất nhỏ và trở kháng của biến áp lúc này
rất lớn (trở kháng của máy biến áp không tải). Dòng điện qua tụ điện lớn hơn
nhiều lần dòng điện qua cuộn dây sơ cấp của biến áp, giá trị này xác định dòng
điện qua bộ HCD. Tụ điện ở đây được lựa chọn với điều kiện, khi mà dòng điện
trên đường dây định mức thì sụt điện áp trên bộ HCD bằng khoảng 5% giá trị điện
áp pha định mức của đường dây.
2. Nguyên lý tác động của bộ HCD
Ngắn mạch cuộn dây thứ cấp của biến áp BA khi xảy ra ngắn mạch trong
lưới điện (do công tắc chân không CT phóng điện) dẫn đến tăng từ thông bị đẩy ra
từ trụ giữa vào vùng khoảng cách giữa các cuộn dây [1]. Lúc này trở kháng của
biến áp tự động giảm nhanh (giảm khoảng 2 lần so với giá trị khi làm việc bình
thường) và trở nên ngang bằng với trở kháng của tụ điện. Khi nối song song biến
áp với tụ điện (xem hình.2) điều này dẫn đến tăng rất nhanh trở kháng của bộ
HCD.
С

CT
BA
Hình 1. Sơ đồ một pha nối bộ hạn chế dòng vào đường dây.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

12

Thật vậy, lúc này trở kháng của HCD được xác định theo quan hệ:

С BA
HCD
С BA
BA

1
ω С


đến

hoặc từ
BA
ωL
đến

. Để hạn chế trị số của dòng điện ngắn
mạch trong các lưới điện thì bộ hạn chế dòng được điều khiển với phạm vi thay
đổi cần thiết của trở kháng
BA
X
. Khi có lắp đặt bộ hạn chế dòng ngắn mạch trong
hệ thống điện thì dòng điện ngắn mạch 3 pha được xác định với quan hệ sau:

ф.2 ф.2
n.m
BA
HT HCD
T
2
BA
UU
I
ωL
XX

X
- trở kháng tương đương được thiết lập
của HCD sau khi xảy ra ngắn mạch.
Sau khi cắt dòng điện ngắn mạch dẫn đến làm giảm nhanh giá trị của điện
áp trên bộ hạn chế dòng và cũng dẫn đến giảm nhanh dòng điện qua công tắc
phóng điện (phóng điện chân không) đồng thời tự động phục hồi lại trở kháng ban
đầu của bộ HCD.

С
L
BA
Hình.2. Sơ đồ thay thế bộ HCD khi xảy ra ngắn mạch trong lưới điện

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

13
3. Ví dụ tính toán
Ta xem xét phương án khi cần hạn chế dòng điện ngắn mạch trong lưới
điện phân phối có máy biến áp nguồn công suất 40 MVA, điện áp 110/22 kV cùng
các thông số trên sơ đồ thay thế hình 3 (giả sử máy ngắt hiện có dòng cắt định mức
10 kA). Trong chế độ làm việc với tải định mức của máy biến áp thì dòng điện ở
lưới 22 kV là:
dm
2dm
2dm
S
40000
I 1050А
3 U 3 22
  

200000
R 0,06
3 I 3 1050
   


Trở kháng cảm của máy biến áp tương ứng quy về thứ cấp:
2 2 2 2
T T T
X = z -R 1,27 0,06 1,27   

Ở đây thì
dm
S
- là công suất định mức của máy biến áp nguồn;
n
U%
- điện
áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp nguồn;
1dm
U
và
2dm
U
- điện áp dây sơ và
thứ cấp định mức của máy biến áp nguồn;
n
P
- công suất ngắn mạch của máy biến
áp nguồn.

22 10
I 10
3 3 1,27
T
kA
z

  


Và dòng điện ngắn mạch xung kích [5] bằng:
а
0,01
T
n.m.xk n.m.0
I (1 e ) 2 I 27 kA

   

Trong đó hằng số thời gian suy giảm của thành phần dòng không tuần hoàn
được tạo ra bằng:
T
a
T
X
1,27
T 0,067 s
ω 100 0,06R

  

К 110 /22kV kV

n
U % 10,5%

n
P 200 wkCT
UT
Hình.3. Sơ đồ một pha khi ngắn mạch
trong lưới điện có lắp bộ hạn chế dòng HCD.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

15
dm
3
ф
I
1050 3
С 0,0053
0,05 U ω 0,05 22 10 ω
F

  

3 (R +R ) (X X )


  
(4)
Và mức hạn chế dòng ngắn mạch là:

Т
n.m.HCD
n.m.0 Т HCD
X
I
β
I X X


(5)
Hay: X
HCD
=
T
T
X
-X
β

Đối với mỗi phương án khi cần mức hạn chế dòng điện ngắn mạch khác
nhau có thể tính toán giá trị của trở kháng bộ hạn chế dòng
HCD
X

0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Trở kháng của bộ hạn chế dòng
(HCD)- X
HCD
[

]
∞
5,08
2,96
1,91
1,27
0,85
0,54
0,32
0,14
Trở kháng của biến áp X
BA
[

]
0,6
0,537
0,499

3,78
2,56
1,26
4. Kết luận
Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch vừa trình bày có cấu trúc đơn giản, trên cơ
sở nguyên lý máy biến áp với độ tin cậy làm việc cao, bảo đảm hạn chế dòng điện
ngắn mạch trong lưới điện một cách hiệu quả. Trong chế độ làm việc bình thường
thì bộ hạn chế dòng loại này có vai trò như tụ bù dọc làm tăng thêm độ tin cậy làm
việc của lưới điện. Đồng thời cho thấy rằng có thể thiết kế thiết bị hạn chế dòng
ngắn mạch cho phép bảo đảm với bất kỳ mức hạn chế dòng ngắn mạch yêu cầu
nào với cấp điện áp lưới bất kỳ. Tuy nhiên khi mức hạn chế dòng ngắn mạch càng
lớn thì sẽ làm tăng điện áp trên thiết bị hạn chế dòng và dẫn đến làm tăng giá thành
của nó. Nghiên cứu thiết kế, sản xuất và lắp đặt thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch
vừa nêu vào hệ thống điện nước ta hoàn toàn là phương án khả thi và thực sự là
yêu cầu cần thiết để bảo đảm độ tin cậy và kinh tế trong hệ thống phân phối điện
hiện nay.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Thành Bắc, Lê Kim Hùng, Alexandrop G. N., Nghiên cứu đặc tính từ trường của
các máy biến áp công suất lớn, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số
1 năm 2008.
[2] Yang Jie, Chen Xi Ying, Shao Jian Xiong, Analysis of Short Circuit Current Level of
Three Gorges Hydroelectric Power Plant And Limiting Measures, Design Institute of
Yangtze River Resource Commission, Wuhan 430010 China, Power System
Technology, 1997 №: 7.
[3] Vladimir Sokolovsky, Victor Meerovich, Istvan Vajda et al. Superconducting FCL:
design and application. IEEE Trans. Application Superconduct, 2003, 13 (6): 2112-
2115.
[4] Александров Г.Н., Смоловик С.В, Переходные процессы в сетях с резонансным
токоограничивающим устройством, Электричество PAH, 2002, № 1.
[5] Крючков И.П., Неклепаев Б.Н., Старшинов В.А., Пираторов М.В., Гусев Ю.П.,