Các trường hợp đặc biệt của dòng ngắn mạch

Tính toán mức nhỏ nhất của dòng ngắn mạch

• Nói chung ở mạng hạ áp, một thiết bị bảo vệ thường phải có chức năng chống quá tải, cắt mạch. Chỉ trong một vài trường hợp đặc biệt thì thiết bị bảo vệ quá tải sẽ độc lập với thiết bị bảo vệ ngắn mạch.
• Nếu thiết bị chỉ dùng để cắt ngắn mạch thì nó cần tác động ở các giá trị dòng ngân mạch nhỏ nhất có thể có trong mạng
• Ví dụ: Trên các hình 1, 2 và 3 cho thấy thiết bị bảo vệ quá tải và ngắn mạch độc lập với nhau.
  • Hình 1 và  biểu diễn mạch thường được sử dụng nhiều nhất cho bảo vệ và điều khiển động cơ.

Hình 1: Mạch bảo vệ bằng cầu chì aM

Hình 2: Bảo vệ mạch bằng CB không có rơ le nhiệt quá tải

• • Hình 3a cho thấy sự vi phạm nguyên tắc bảo vệ và thường được dùng cho mạch chiếu sáng, trục thanh dẫn kiểu lắp ghép. Bộ điều khiển tốc độ Hình 3b mô tả các tính năng được cung cấp bởi bộ điều khiển tốc độ rất sổ bảo vệ phụ bởi các thiết bị như CB, rơle nhiệt, RCD nếu cần thiết.

Hình 3a: CB D bảo vệ ngắn mạch và cho tải

Hình 3b: Bảo vệ cho các ứng dụng của bộ điều khiển tốc độ

Các điều kiện cần tuân thủ

• Các thiết bị bảo vệ phải thỏa mãn hai điều kiện sau:
  • Khả năng cắt dòng sự cố > Isc, dòng ngắn mạch 3 pha tại điểm đặt bảo vệ
  • Loại trừ dòng ngắn mạch nhỏ nhất có thể có trong mạch trong khoảng thời gian tc nhằm đảm bảo sự chịu đựng về nhiệt của dây dẫn:

tc ≤ (K²S²)/Isc_min²

• So sánh đặc tính tác động hoặc đặc tuyến chảy của thiết bị bảo vệ với đặc tuyến giới hạn về nhiệt của dây cho thấy điều kiện này sẽ được thoả mãn nếu: 
  • Isc (min) > Im (giá trị ngưỡng cắt tức thời hoặc trễ trong khoảng thời gian ngắn), (xem Hình 5)
  • Isc (min) > la cho bảo vệ bằng cầu chì. Giá trị của la tương ứng với giao điểm của đặc tuyến chảy của cầu chì và đặc tuyến chịu nhiệt của dây dẫn (xem Hình 4 và 5)

Hình 4: Bảo vệ bằng CB

Hình 5: Bảo vệ bằng cầu chì loại aM

Hình 6: Bảo vệ bằng cầu chì loại gl

Phương pháp thực tế tính Lmax

• Ảnh hưởng của tổng trở dây dẫn dài lên giá trị dòng ngắn mạch sẽ được kiểm tra và chiều dài của dây dẫn cần được giới hạn thích hợp.
• Phương pháp tính chiều dài lớn nhất cho phép đã được trình bày cho sơ đồ TN và IT đối với ngắn mạch 1 và 2 pha chạm đất. Hai trường hợp cần được lưu ý sau đây: 

Tính toán Lmax cho mạng 3 pha 3 dây

• Dòng ngắn mạch nhỏ nhất sẽ xảy ra khi có ngắn mạch 2 pha tại điểm xa nhất của mạch.

• Sử dụng “phương pháp quy ước” với giả thiết điện áp tại điểm đặt bảo vệ P còn 80% giá trị định mức trong khoảng thời gian ngắn mạch. Do đó 0.8 U = Isc Zd, Với:
  • Zd = tổng trở của vòng ngắn mạch
  • Isc = dòng ngắn mạch (pha/pha)
  • U = điện áp dây định mức
• Đối với cáp có tiết diện nhỏ hơn 120 mm2, cảm kháng có thể bỏ qua, do đó

Zd = p (2L/Sph) với:

• • p = Điện trở suất của đồng ở nhiệt độ trung bình trong khi ngắn mạch,
  • Sph = Tiết diện của dây pha (mm)
  • L = Chiều dài (m) 
• Điều kiện bảo vệ cho cáp là: Im y Iso với Im = dòng chỉnh định từ của CB.
• Do đó: Im ≤ 0.8 U/Zd hoặc L ≤ (0,8U.Sph)/2p.Im
  • Với U = 400 v
  • p= 1.25 x 0.018 = 0.023 Ω.mm²/m (Cu)
  • Lmax = Chiều dài lớn nhất (m)
  • Lmax = k.Sph/Im

Tính toán Lmax cho mạng 3 pha 4 dây 230/400V

• Giá trị nhỏ nhất của dòng ngắn mạch Isc xảy ra khi ngắn mạch pha và dây trung tính. Tính toán tương tự như ví dụ 1, song sử dụng công thức sau (cho cáp có tiết diện nhỏ hơn 120 mm²)
  • Khi tiết diện dây trung tính Sn = Sph tiết diện dây pha: Lmax = 3,333 Sph/ Im
  • Nếu tiết diện dây trung tính Sn < Sph, thì: Lmax = 6.668(Sph/Im).(1/(1+m)) where m = Sph/Sn

• • • Đối với cây có tiết diện lớn hơn, giá trị của cảm kháng phải ai trị cảm kháng được lấy là 0.08 mΩ/m (khi f = 50 Hz). Khi f = 60 Hz giá trị của cảm kháng là 0,096 mΩ/m.

Bảng giá trị của Lmax

• Bảng dưới đây đưa ra chiều dài lớn nhất của dây (Lmax) thuộc lưới sau:
  • 3 pha 3 dây 400V (không có dây trung tính), và
  • 1 pha 2 dây 400V, không có dây trung tính, được bảo vệ bằng CB bình thường. 
• Với các trường hợp khác sẽ sử dụng hệ số hiệu chỉnh để xác định Lmax. Các tính toán được dựa theo các phương pháp đã nêu với Im – giá trị chỉnh định của dòng cắt ngắn mạch được điều chỉnh trong phạm vi + 20%.
• Đối với dây có tiết diện 50 mm2, việc tính toán dựa trên tiết diện thực của dây là 47.5 mm2

• Các bảng sau đưa ra chiều dài lớn nhất (max) đối với:
  • Lưới 3 pha 3 dây 400V (không có dây trung tính), và
  • 1 pha 2 dây 400V không có dây trung tính
• Cả 2 trường hợp này đều được bảo vệ bằng CB dân dụng hoặc các CB có đặc tính tác động tương tự.

• Trong các trường hợp khác sẽ nhân chiều dài với hệ số hiệu chỉnh. Các hệ số này được cho trong bảng sau.

• Lưu ý: Tiêu chuẩn IEC 60898 cho phép chỉnh định dòng tác động ngắn mạch trong khoảng 10-15 ln cho CB loạn D. Trong khi tiêu chuẩn Châu Âu và bảng trên thì cho phép trong phạm vi từ 10-20ln. Phạm vi này được thỏa mãn cho hầu hết các CB dân dụng.

Các ví dụ:

• Ví dụ 1: Trong mạch 1 pha 2 dây có đặt bảo vệ bằng CB 50A loại NSX80HMA với dòng tác động cắt ngắn mạch là 500A, (độ chính xác ± 20%), có nghĩa là trong trường hợp xấu nhất đòi hỏi dòng tác động là 500 x 1,2 = 600A. Cáp đồng có tiết diện là 10 mm. Trong bảng, hàng lm = 500A sẽ cắt cột của tiết diện 10 mm2 tại giá trị Lmax= 67m. CB sẽ bảo vệ cắt ngắn mạch với chiều dài không vượt quá 67m.
• Ví dụ 2 Trong mạch 3 dây 3 pha 400V (không có dây trung tính) có đặt bảo vệ bằng CB 220A loại NSX250N với dòng tác động cắt ngắn mạch là 2000A, (độ chính xác ± 20%), có nghĩa là trong trường hợp xấu nhất đòi hỏi dòng tác động là 2000 x 1,2 = 2400A. Cáp đồng có tiết diện là 120 mm. Trong bảng, hàng lm = 2000A sẽ cắt cột của tiết diện 120 mm2 tại giá trị Lmax= 200m. Do hệ thống 3 dây 3 pha 400V (không có dây trung tính) nên cần đưa hệ số hiệu chỉnh 1,73 vào CB sẽ bảo vệ cắt ngắn mạch với chiều dài không vượt quá giá trị 200 x 1.73 = 346m

Kiểm tra khả năng chịu nhiệt của cáp trong điều kiện ngắn mạch

Các ràng buộc về nhiệt

• Khi khoảng thời gian ngắn mạch ngắn xảy ra nhanh (vài phần chục cho đến tối đa 5s) nhiệt lượng sinh ra sẽ được giữ lại trong dây dẫn và làm nhiệt độ của nó tăng lên. Quá trình này được coi là đẳng nhiệt, giả thiết này làm đơn giản hóa các tính toán nhưng cho các kết quả không được chính xác. Có nghĩa là cho ra nhiệt độ cao hơn so với quá trình thực bởi vì thực ra có một lượng nhiệt sẽ tỏa từ dây dẫn vào cách điện.
• Cho một khoảng thời gian 5s hoặc bé hơn, mối quan hệ l²t = K²S² sẽ đặc trưng cho thời gian (giây) mà dây dẫn với tiết diện S (mm²) có thể tải được l, trước khi nhiệt độ của nó đạt tới giá trị phá hủy cách điện xung quanh.
• Hằng số k2 được cho ở bảng dưới đây

• Phương pháp kiểm tra này sẽ kiểm xem lượng năng lượng l²t/Ω của vật liệu dây, đi qua CB có nhỏ hơn giá trị cho phép của dây không:

Ví dụ

• Cáp bằng đồng với cách điện bằng XLPE có tiết diện 4 mm² có thể được bảo vệ bằng CB C60N không?
• Bảng trên chỉ ra giá trị lật đối với cáp là 0.3272 x 10⁶, trong khi theo thông số của nhà chế tạo thì CB cho phép “đi qua“ lượng 0.094 x 10⁶ A²s (< 0.1.10⁶ A²s). Như vậy cáp được bảo vệ bằng CB đã nêu.

Các ràng buộc về lực điện động

• Để chịu đựng được các ràng buộc về lực điện động, dây dẫn phải rắn chắc và các chỗ nối phải được gắn chặt với nhau.
• Đối với các thanh dẫn và đường dẫn điện kiểu lắp ghép, các đường ray điện thì việc kiểm tra khả năng chịu lực điện động khi có ngắn mạch là rất cần thiết. Giá trị lớn nhất của dòng được hạn chế nhờ CB hoặc cầu chì cần phải nhỏ hơn giá trị đặc trưng cho độ bền điện động của bộ dẫn điện. Nhà chế tạo sẽ cung cấp các bảng giá trị này cũng như các ưu điểm của hệ thống như vậy.

Trích: Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC – Bản chính sửa 2019

________________

VNK EDU gửi tặng bạn “Bộ thuyết minh bản vẽ hệ thống điện căn hộ du lịch và khách sạn Penninsula“
Nhận tài liệu

________________
Trải nghiệm buổi học thử miễn phí khóa học “Kỹ sư M&E – Thiết kế hệ thống điện” giúp bạn nắm bắt tổng quan kiến thức về hệ thống điện.

________________