• Việc tính toán dòng ngắn mạch 3 pha đối xứng (Isc) tại những điểm đặc trưng của mạng điện là điều cần thiết nhằm lua chọn thiết bị đóng cắt (theo dòng sự cố), cáp (theo tính chịu đựng về nhiệt), thiết bị bảo vệ (cài đặt tính chọn lọc),…
  • Ngắn mạch 3 pha qua tổng trở không (hay còn gọi là ngắn mạch xung sét) của mạng được nuôi tù biến thể phân phối trung hạ sẽ được khảo sát sau đây. Ngoại trừ một số trường hợp đặt biệt, ngắn mạch 3 pha là sự cổ ngắn mạch nặng nề nhất nhưng việc tính toán ngắn mạch 3 pha là đơn giản nhất.
  • Ngắn mạch xảy ra trong lưới có máy phát hoặc lưới điện một chiều sẽ được khảo sát ở chương khác.
  • Các tính toán đơn giản và quy tắc thực tế sẽ cho ta các kết quả tương đối chính xác cho hầu hết các trường hợp thiết kế lắp đặt điện.

Tính toán dòng ngắn mạch tại thanh cái hạ áp của máy biến áp phân phối trung/hạ

Trường hợp một máy biến áp

  • Để cho việc tính toán đơn giản, chúng ta bỏ qua tổng trở của hệ thống lưới trung thế. Do đó: ISC = (ln x 100)/USC where ln = (P x 103)/U20√3
    • P – Công suất định mức của máy biến áp (kVA)
    • U20 – Điện áp dây phía thứ cấp khi không tải (V)
    • ln – Dòng định mức (A)
    • Isc – Dòng ngắn mạch (A)
    • Usc – Điện áp ngắn mạch của máy biến áp (%)
  • Các giá trị thông dụng Usc của máy biến áp phân phối được cho ở bảng.

tính dòng ngắn mạch

Ví dụ

  • Máy biến áp 400 kVA, có điện áp khi không tải 420 V, Usc = 4%
  • ln = (400 x 103)/(420 x √3) = 550 A
  • Isc = (550 x 100)/4 = 13.7 kA 

Trường hợp nhiều máy biến áp mắc song song

  • Giá trị của dòng ngắn mạch trên đầu lộ ra nằm phía dưới thanh cái (xem hình) có thể được coi như là tổng của các dòng ngắn mạch từ mỗi máy biến áp riêng biệt.
  • Giả sử các máy biến áp đều được nuôi từ cùng một lưới trung áp và các giá trị của chúng được cho trong bảng trên. Khi lấy tổng, giá trị dòng ngắn mạch ISC sẽ lớn hơn giá trị dòng ngắn mạch thực tế xảy ra.
  • Các giá trị không cần tính toán tới là tổng trở của thanh cái và của máy cắt.
  • Tuy nhiên, việc tính toán dòng ngắn mạch chính xác là cơ sở cho việc thiết kế lắp đặt điện. Việc lựa chọn máy cắt cùng với các thiết bị bảo vệ để ngăn ngừa khi có sự cố ngắn mạch sẽ được miêu tả chi tiết hơn ở phần khác.

tính toán ngắn mạch

Tính dòng ngắn mạch 3 pha (Isc) tại điểm bất kỳ của lưới hạ thế

  • Dòng ngắn mạch 3 pha Isc tại điểm bất kỳ được tính bởi: Isc = U20/√3.ZT
    • U20 – Điện áp dây phía thứ cấp khi không tải của máy biến áp (V)
    • ZT – Tổng trở trên môi pha tới điểm ngắn mạch (Ω)

Phương pháp tính ZT 

  • Mỗi phần tử của lưới điện (mạng trung thế, biến áp, cáp, máy cắt, thanh cái vv.) đều được đặc trưng bằng tổng trở Z của chúng. Z gồm 2 thành phần: R và X. Cần chú ý là dung kháng không đóng vai trò quan trọng trong các tính toán dòng ngắn mạch.
  • Các thành phần R, X, Z được thể hiện bằng Ohm và được biểu thị trên hình.

TÍNH DÒNG NGẮN MẠCH

  • Phương pháp này sẽ chia lưới điện ra các đoạn và mỗi đoạn đặc trưng bởi R và X Tổng trở Z cho tập hợp các phân đoạn nối tiếp sẽ được tính: ZT = √(RT2 + XT2)
    • Trong đó RT và XT là tổng số học các trở kháng và cảm kháng của các phân đoạn đi vào tập hợp này
  • Kết hợp hai phân đoạn bất kỳ mắc song song thường hoặc chỉ có R (hoặc X) sẽ được coi như một phân đoạn có: R3 = (R1 x R2) / (R1 + R2) hoặc đối với cảm kháng X3 = (X1 x X2)/(X1 +X2)
    • (Trong đó R1 song song với R2 và X1 song song với X2)
  • Cần chú ý rằng việc tính toán giá trị X3 chỉ gồm các mạch riêng biệt không có hỗ cảm. Nếu có nhiều mạch mắc song song gần với nhau, giá trị của X3 sẽ lớn hơn đáng kể.

Xác định tổng trở của mỗi phần tử

Hệ thống phía sơ cấp của máy biến áp trung/hạ (xem bảng)

tính dòng ngắn mạch

  • Công suất ngắn mạch 3 pha Psc (đơn vị: kA hoặc MVA) sẽ được ngành điện cung cấp và từ đó có thể xác định được tổng trở tương đương.
  • Công thức sau cho phép xác định tổng trở này và quy đổi về phía thứ cấp: Zs = U02/Psc. Trong đó:
    • Zs – Tổng trở của hệ thống phía sơ cấp máy biến áp (mΩ)
    • U0 – Điện áp dây thứ cấp khi không tải (V)
    • Psc – Công suất ngắn mạch 3 pha của hệ thống phía sơ cấp (kVA)
  • Giá trị của trở kháng Ra và Xa, do đó có thể xem như Xa gần bằng Za. Nếu đòi hỏi chính xác hơn, Xa có giá trị gần bằng 0.995 Za và giá trị của Ra bằng 0.1 Xa.
  • Bảng tóm tắt tính tổng trở (bên dưới) đưa ra các giá trị thông dụng của Ra và Xa trong lưới phân phối có công suất ngắn mạch là 250 MVA và 500 MVA.

Máy biến áp

  • Tổng trở Ztr của biến áp nhìn từ phía thanh cái thứ cấp sẽ được tính bởi: Ztr = (U202/Pn) x (Usc/100). Trong đó:
    • U20 – Điện áp dây phía thứ cấp khi không tải (V)
    • Pn – Công suất định mức máy biến áp (kVA)
    • Usc – Điện áp ngắn mạch của máy biến áp (%)
  • Trở kháng của các cuộn dây Rtr có thể tính toán theo tổn thất công suất:
    • Pcu = 3ln2 x Rtr so that Rtr = (Pcu x 103)/3ln(mΩ)
    • Với Pcu – Tổn thất đồng (W)
    • ln – Dòng định mức (A)
    • Rtr – Điện trở trên mỗi pha của máy biến áp 
    • Xtr = √(Ztr2 – Rtr2)
    • Cho các tính toán gần đúng Rtr có thể bỏ qua vì X ≈ Z trong các máy biến áp phân phối chuẩn.

tính dòng ngắn mạch

Máy cắt

  • Trong lưới hạ thế, tổng trở của các CB nằm phía trước vị trí sự cố cần phải được tính đến, giá trị cảm kháng cho mỗi CB là 0.15 mΩ, trong khi trở kháng có thể được bỏ qua.

Thanh góp

  • Trở kháng của thanh góp được bỏ qua và tổng trở (cảm kháng) đặt giá trị 0.15 mΩ cho 1 mét chiều dài (f = 50 Hz), (018 mΩ/m chiều dài khi f = 60 Hz). Khi khoảng cách giữa các thanh dẫn tăng gấp 2 thì cảm kháng sẽ tăng khoảng 10%.

Dây dẫn

  • Trở kháng của dây dẫn sẽ được tính theo công thức Rc = p.L/S
    • p – Điện trở suất của vật liệu dây khi có nhiệt độ vận hành bình thường và bằng: 
      • 22.5 mΩ.mm2/m đối với đồng
      • 36 mΩ.mm2/m đối với nhôm
    • L – Chiều dài dây dẫn (m)
    • S – Tiết diện cắt ngang của dây dẫn (mm2)
  • Cảm kháng của cáp có thể được cung cấp bởi nhà chế tạo. Đối với tiết diện dây nhỏ hơn 50 mm2, cảm kháng có thể được bỏ qua. Nếu không có số liệu nào khác, có thể lấy bằng 0,08mΩ/m (khi f=50Hz) hoặc 0,096mΩ/m (khi f=60Hz). Đối với thanh dẫn lắp ghép hoặc hệ thống đi dây sẵn, cần phải tham khảo ý kiến của nhà chế tạo.

Động cơ

  • Tại thời điểm có ngắn mạch, động cơ đang vận hành sẽ giống như một máy phát (trong khoảng thời gian ngắn) và cung cấp dòng đổ về chỗ ngắn mạch. Nói chung, sự tham gia tạo dòng ngắn mạch của các động cơ có thể được bỏ qua. Tuy nhiên khi công suất của động cơ đang hoạt động lớn hơn 25% công suất tổng của máy biến áp thì ảnh hưởng của động cơ phải được tính đến. Sự ảnh hưởng của chúng được tính đến qua các công thức: Iscm = 3.5 ln cho mỗi động cơ, nghĩa là 3.5mln cho m động cơ giống nhau vận hành đồng thời
  • Các động cơ này phải là 3 pha, còn các động cơ một pha hầu như không gây ảnh hưởng.

Điện trở hồ quang ngắn mạch

  • Dòng ngắn mạch thường tạo nên hồ quang với tổng trở mang tính trở. Điện trở này có giá trị không ổn định và giá trị trung bình của nó đủ hạ thấp dòng ngắn mạch tới chừng mực nào đó ở lưới điện áp thấp. Thực tế chỉ ra rằng nó có thể làm giảm dòng ngắn mạch tới 20%. Hiện tượng này có lợi cho chức năng cắt của CB, song lại gây khó khăn cho chức năng tạo dòng sự cố.

Bảng tóm tắt tính tổng trở

Bảng tóm tắt tính tổng trở

  • U20: Điện áp dây phía thứ cấp của máy biến áp khi không tải (V).
  • Psc: Công suất ngắn mạch 3 pha phía thanh cái sơ cấp của biến áp phân phối (kVA).
  • Pct: Tổn thất ngắn mạch của biến áp (W)
  • Pn: Công suất định mức của máy biến áp (kVA).
  • Usc: Điện áp ngắn mạch của biến áp (%)
  • RT: Điện trở tổng
  • XT: Cảm kháng tổng
  • (1) p = Điện trở suất của dây ở nhiệt độ bình thường
    • p = 22.5 mΩ x mm2/m đối với đồng 
    • p = 36 mΩ x mm2/m đối với nhôm
  • (2) Nếu có vài dây dẫn song song trên mỗi pha thì chia điện trở của 1 dây cho số dây. Còn cảm kháng thì hầu như không thay đổi.

Ví dụ tính toán dòng ngắn mạch

Ví dụ tính toán ngắn mạch

Xác định dòng ngắn mạch Isc theo dòng ngăn mạch đầu dây

  • Sơ đồ trong hình dưới mô tả trường hợp ví dụ ở bảng sau, theo phương pháp tổng hợp. Bảng sau đây cho phép xác định một cách nhanh chóng và khá chính xác dòng ngắn mạch tại một điểm của lưới điện, khi biết:
    • Giá trị dòng ngắn mạch phía “trước” điểm có sự cố 
    • Khoảng cách của mạch giữa điểm ngắn mạch mà dòng sự Cố đã biết và điểm ngắn mạch đang xét. Khi đó chỉ cần chọn CB với dòng ngắn mạch lớn hơn giá trị cho trong bảng.

Xác định dòng ngắn mạch Isc theo dòng ngăn mạch đầu dây

 

  • Nếu cần biết giá trị chính xác hơn, có thể sử dụng các tính toán chi tiết hoặc sử dụng phần mềm như Ecodial. Trong trường hợp này, khả năng sử dụng kỹ thuật ghép tầng cần được lưu ý. Kỹ thuật này sử dụng các CB hạn chế dòng ở phía trước và sẽ cho phép các CB ở phía sau có khả năng cắt dòng sự cố bé hơn cần thiết

Ví dụ:

  • Cho mạng như hình. Chọn tiết diện dây đồng ở bảng trên (trong ví dụ này. tiết diện dây đồng là 47,5 mm2)

Xác định dòng ngắn mạch Isc theo dòng ngăn mạch đầu dây

  • Dò tìm tiết diện dây đồng trong cột này là 47.5 mm2 với chiều dài của dây dẫn bằng chiều dài của mạch (hoặc giá trị gần nhất có thể có). Ứng với chiều dài 20m và lấy theo giá trị 30KA ( giá trị gần với 28KA) sẽ cho ta giá trị dòng ngắn mạch Isc = 147 KA
  • Giá trị dòng ngắn mạch tra được trong ví dụ này là 14.7 kA.
  • Quá trình xác định dòng ngắn mạch cho một dây nhôm cũng sẽ tương tự
  • Kết quả là CB treo trên xà có dòng định mức 63 A và dòng cắt ngắn mạch 25 kA (như CB dạng 125N) có thể sử dụng cho mạch 55 A ở Hình trên.
  • Còn CB Compact có dòng định mức 160 A với khả năng cắt ngắn, (như CB NS160) sẽ được dùng bảo vệ cho mạch 160 A.

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.

________________

Hãy chia sẻ, nếu bạn cảm thấy bài viết có ích cho bạn bè !