Tính toán phân bố dòng điện trở về trong lưới điện phân phối 22kV

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 14 TÍNH TOÁN PHÂN BỐ DÒNG ĐIỆN TRỞ VỀ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22KV CALCULATIONS OF DISTRIBUTION OF RETURN CURRENT ON 22KV NETWORK Lê Kim Hùng, Trần Vinh Tịnh Đại học Đà Nẵng Võ Như Quốc Công ty Điện lực 3 TÓM TẮT Lưới điện phân phối (LĐPP) 22kV tồn tại dưới hai dạng cấu trúc 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây, với cấu trúc lưới khác nhau này dẫn đến sự khác nhau về các thông số kỹ thuật trong các chế độ vận hành của hệ thống điện (HTĐ) [1], như: thông số chỉnh định bảo vệ rơle, mức di trung tính và khả năng bất đối xứng của máy biến áp (MBA) trạm nguồn 22kV, sự phân bố dòng điện trở về, mức độ an toàn điện đối với con người và các giới hạn cho phép của điện trở nối đất tại trạm biến áp (TBA) nguồn 22kV. Bài báo này nghiên cứu sự khác nhau về phân bố dòng điện trở về (DĐTV) đối với từng cấu trúc lưới điện. ABSTRACT The 22kV distribution networks exist under two forms: three phase three wire and three phase four wire, the two different configurations lead to different parameters during network operation such as: relay protection systems, neutral point displacement, asymmetry of transformers at 22kV substations, distribution of return current, human safety and allowable limits on earthing resistances at 22kV substations. This acticle presents the differences on return current distribution on each network configuration. 1. Đặt vấn đề Hiện nay ở Việt Nam đang tồn tại dạng cấu trúc LĐPP 22kV với đặc điểm như sau: a. LĐPP 22kV với cấu trúc 3 pha 3 dây: gồm 3 dây pha không có dây trung tính đi theo lưới điện. b. LĐPP 22kV với cấu trúc 3 pha 4 dây: gồm 3 dây pha và có dây trung tính đi theo lưới điện tạo thành lưới điện 4 dây, cứ khoảng 200 - 250m được nối đất lặp lại (NĐLL) 1 lần. Khi có sự không đối xứng (KĐX) trong HTĐ sẽ xuất hiện DĐTV (là dòng điện thứ tự không 3I0 2. Dòng điện trở về đối với LĐPP 22kV 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây ) đi về nguồn, do có cấu trúc lưới điện khác nhau dẫn đến sự phân bố DĐTV đối với mỗi cấu trúc lưới điện cũng khác nhau, điều này ảnh hưởng đến chế độ bảo vệ rơle và mức độ an toàn điện đối với con người… Vì vậy bài báo trình bày cách tính toán DĐTV đối với các dạng cấu trúc lưới trên. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 15 2.1. Dòng điện trở về trong chế độ vận hành bình thường của LĐPP 22kV 2.1.1. Đối với cấu trúc lưới 3 pha 3 dây a. Tính toán ở chế độ tải 3 pha đối xứng: Xét LĐPP 22kV 3 pha 3 dây với đất làm dây trung tính đặc trưng cho mạch trở về như hình 1. Ta có quan hệ dòng điện như sau: CBAtttv IIIII ••••• ++== (1) Ở chế độ vận hành tải 3 pha đối xứng, dòng điện Itt = 0 → Itv b. Tính toán ở chế độ tải 3 pha KĐX: Trong chế độ vận hành (CĐVH) KĐX, để tính chế độ KĐX ta áp dụng phương pháp thành phần đối xứng (TPĐX) [2]. = 0, do vậy không có DĐTV chạy trong đất. Hệ thống dòng điện KĐX IA, IB, IC được phân tách thành 3 hệ thống TPĐX TTT I1, TTN I2 và TTK I0 CBAtv IIIII ••••• ++== 03 , trong đó: dòng điện TTK là hệ thống 3 dòng điện bằng nhau và đồng pha, chạy trong 3 pha và cùng chạy trong dây trung tính (chạy trong đất), do đó DĐTV chạy trong đất là . Nếu biết giá trị hiệu dụng của dòng điện pha IA, IB, IC có thể tính dòng điện TTK I0 I gần đúng khi cosφ của phụ tải gần bằng 1 [2]: 2 0 = [IA2 + IB2 + IC2 - (IAIB - IBIC - IAIC * Với các MBA có cuộn dây đấu Y )]/9 (2) 0 Công suất tác dụng tổn hao trên ĐTNĐ: ∆P , với điểm trung tính nối đất thì trong trường hợp KĐX, xuất hiện TPĐX dòng TTK chạy qua điện trở nối đất (ĐTNĐ). Kết quả là xuất hiện tổn hao và điện áp trên điện trở đó, điện áp này có thể gây nguy hiểm cho con người trong quá trình vận hành. 0 = (3I0)2.Rnđ nđRIU .3 00 •• =∆ . Tổn hao điện áp trên điện trở đất là: , trong quá trình vận hành điều kiện ∆U 0 < ∆U cp phải được đảm bảo. Điều kiện an toàn Utx = 3I0. Rnđ ≤ Utxcp. Nhận xét 2.1.2. Đối với cấu trúc lưới 3 pha 4 dây : Đối với cấu trúc 3 pha 3 dây, khi tải bất đối xứng càng lớn DĐTV càng lớn dẫn đến mức di trung tính của MBA nguồn 22kV càng lớn và điện áp giáng trên ĐTNĐ của trạm nguồn càng lớn nên tính không an toàn đối với con người càng cao. a. Tính toán ở chế độ tải 3 pha đối xứng: Xét LĐPP 22kV 3 pha 4 dây (3 dây pha Hình 1: LĐPP 22kV 3 pha 3 dây sử dụng đất làm dây trung tính. IA IB IC Tải Rnđnguồn Rnđtải Itv B B’ C C’ A A’ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 16 và dây trung tính) như hình 2. Ở CĐVH tải 3 pha đối xứng, dòng điện Itt = 0 → Itv b. Tính toán ở chế độ tải 3 pha KĐX: Trong trường hợp này, DĐTV được chia làm 2 phần, 1 phần đi trong dây trung tính I = 0, do vậy không có DĐTV chạy trong dây trung tính và đất. tvtt và 1 phần đi trong đất Itvđ Dòng điện đi trong dây trung tính là: [2]. 21 21 03 uuNN uumN tvtt ZZZ ZZZ II ++ ++ = (3) Dòng điện đi trong đất là: )1(33 21 21 00 uuNN uumN tvtttvd ZZZ ZZZ IIII ++ ++ −=−= (4) Trong đó: ZmN là tổng trở tương hỗ giữa mạch ”pha-đất” và mạch ”trung tính-đất”, ZNN là tổng trở mạch ”dây trung tính-đất”, Zu1 là tổng trở nối đất của MBA nguồn, Z u2 là tổng trở nối đất của phụ tải hoặc lưới nhận điện. Nhận xét 2.2. Dòng điện trở về trong chế độ sự cố của LĐPP 22kV : Đối với cấu trúc 3 pha 4 dây, do có dây trung tính kết hợp với các cơ cấu NĐLL nên DĐTV nguồn giảm đi dẫn đến mức di trung tính của MBA nguồn 22kV giảm xuống, đồng thời điện áp giáng trên ĐTNĐ trạm nguồn 22kV giảm xuống, do vậy cho phép mở rộng phạm vi cho phép của ĐTNĐ trạm nguồn (>0,5Ω) mà vẫn đảm bảo tính an toàn cho con người. Khi có sự cố ngắn mạch (NM) KĐX kèm chạm đất (NM 1 pha chạm đất N(1) và NM 2 pha chạm đất N(1,1) 2.2.1. Đối với cấu trúc lưới 3 pha 3 dây: Xét LĐPP 22kV 3 pha 3 dây với đất làm dây trung tính đặc trưng cho mạch trở về như hình 3 ), dòng điện sự cố chạm đất sẽ được phân ra giữa dây trung tính và rất nhiều điểm NĐLL [3]. + Ngắn mạch một pha chạm đất: Giả sử NM 1 pha chạm đất ở pha C như hình 4, các TPĐX của dòng điện các pha như sau: 021 )1( 0 )1( 2 )1( 1 ZZZ EIII ccc ++ === • ••• (5) 021 )1( 0 )1( 2 )1( 1 )1( 3 ZZZ EIIII cccc ++ =++= • •••• (6) 0)1()1( == •• ba II Dòng điện đi trong đất trở về nguồn là: Tải Rnđnguồn Rnđtải Itv A A’ B B’ C C’ Hình 3: LĐPP 22kV 3 pha 3 dây sử dụng đất làm dây trung tính. Tải Rnđnguồn Rnđtải Itvđ A A’ B B’ ’ C C’ Itvtt Rnđll Rnđll Hình 2: LĐPP 22kV 3 pha 4 dây có cơ cấu NĐLL. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 17 021 )1( 0 )1( 33 ZZZ EIII cntv ++ === • ••• (7) Dòng điện NM 1 pha IN(1) 02 2)1,1( 1 )1,1( 0 02 0)1,1( 1 )1,1( 2 02 02 1 )1,1( 1 ZZ Z II ZZ Z II ZZ ZZ Z EI aa aa a + −= + −= + + = •• •• • • phụ thuộc vào nhiều yếu tố như dung lượng và trở kháng của MBA, vị trí điểm ngắn mạch, điện trở tại chỗ NM... nhưng nhìn chung là rất lớn, có thể đạt tới hàng chục kA [3]. + Ngắn mạch hai pha chạm đất: Giả sử NM 2 pha chạm đất ở pha B và C, các TPĐX của dòng điện sự cố như sau: (8) Thay Z2 = Z1       + − −=       + − −= = • • • • • 01 01 1 )1,1( 01 012 1 )1,1( )1,1( 2 2 0 ZZ ZZ a X EI ZZ ZZ a X EI I c b a vào các biểu trên và biến đổi ta có: (9) Dòng điện đi trong đất trở về nguồn là: 01 )1,1( 0 )1,1( 2 33 ZZ EIII antv + === • ••• (10) 2.2.2. Đối với cấu trúc lưới 3 pha 4 dây: Xét LĐPP 22kV 3 pha 4 dây với cơ cấu NĐLL dây trung tính như hình 4. Khi xảy ra sự cố NM 1 pha và 2 pha kèm chạm đất cũng giống như trường hợp cấu trúc lưới 3 pha 3 dây, DĐTV nguồn (dòng TTK) sẽ phân thành 2 phần, 1 phần đi trên dây trung tính và 1 phần đi trong đất qua các cơ cấu NĐLL của dây trung tính. Đối với mạng 3 pha 4 dây, một phần dòng TTK đi qua dây trung tính (dây đất), do đó dòng chạy qua đất bị giảm đi. Hệ số giảm tương ứng bằng: f = 1 - Z1E/ZE. Tương tự thành phần dòng TTK chạy qua đất bằng: 1 - f = Z1E/ZE [4], trong đó: Z1E là tổng trở tương hỗ giữa dây dẫn và dây đất, ZE là tổng trở TTK của dây đất. Nhận xét: Với cấu trúc lưới 3 pha 4 dây, khi sự cố chạm đất dòng TTK đi một phần trên dây trung tính và một phần đi trong đất. Dòng TTK trên dây trung tính lúc này bằng dòng TTK tổng nhân với hệ số phân dòng, hệ số phân dòng này phụ thuộc vào giá trị ĐTNĐ và số lần NĐLL. Hệ số này nhỏ hơn 1, nên dòng TTK trên dây trung tính giảm dẫn đến độ nhạy bảo vệ rơle giảm nếu bố trí biến dòng điện trên dây trung tính. Tải Rnđnguồn Rnđtải Itvđ A A’ B B’ C C’ Itvtt Rnđll Rnđll Hình 4: LĐPP 22kV 3 pha 4 dây với cơ cấu nối đất lặp lại dây trung tính. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 18 3. Tính toán phân bố DĐTV (3I0 Xét mạch điện như hình 5, với: A, B, C là 3 pha nguồn cung cấp; Z ) qua các cơ cấu nối đất lặp lại a, Zb, Zc là tải 3 pha; Zd là tổng trở của đường dây; Zn là tổng trở của dây trung tính; Rnđnguồn là điện trở nối đất của trạm nguồn; Rnđtải là điện trở nối đất của TBA phụ tải; Rnđll là điện trở NĐLL của dây trung tính. Trong chế độ xác lập và chế độ sự cố chạm đất của lưới điện, DĐTV sẽ xuất hiện khi CĐVH của HTĐ là KĐX và khi phụ tải đấu sao có trung tính nối đất hoặc có dây trung tính. Khi đó DĐTV 3I0 (dòng điện TTK) sẽ đi theo đất hoặc đi theo dây trung tính và đi qua các cơ cấu NĐLL trở về nguồn. Để tính toán dòng điện trở về 3I0, có các phương pháp tính toán như: phương pháp TPĐX, phương pháp giải tích tổ hợp mạng điện, phương pháp tọa độ pha… Sau khi tính được DĐTV 3I0 3.1. Sơ đồ tính toán phân bố dòng điện trở về ta sẽ tính toán sự phân bố DĐTV qua các cơ cấu NĐLL bằng thuật toán Simulink trên chương trình MATLAB , kết quả sẽ trình bày ở mục sau. Từ hình 6 thiết lập được sơ đồ tính toán phân bố DĐTV đối với LĐPP 22kV 3 pha 4 dây, dây trung tính được NĐLL với khoảng cách NĐLL từ 200 ÷ 250 mét như hình 6. Sơ đồ thay thế tính toán như hình 7. Trong đó: Zdtt là tổng trở của dây trung tính, Rnđnguồn là ĐTNĐ của trạm nguồn 22kV, Rnđtải là ĐTNĐ của TBA phụ tải, Rnđll là điện trở NĐLL của dây trung tính, Rđ = Rđ0.l là điện trở thay thế của đất như dây về của dòng điện, Rđ0 là điện trở suất của đất = 0,05 ÷ 0,1 Ω/km [2]. UA UB UC A B C O a b c o Za Zb Zc N1 N2 Zd = rd + jxd Zn = rn + jxn Hình 5: Sơ đồ mạch điện 3 pha 4 dây điển hình 3I0 Rnđnguồn Rnđll Rnđll Rnđtải O o Rnđtải Rnđnguồn Zn = rn + jxn Hình 6: Sơ đồ mô tả tính toán. Rnđll Rnđll 3I0 3I0 Rnđtải Rnđnguồn Zdtt Rnđll Rnđll 3I0 3I0 Zdtt Zdtt Hình 7: Sơ đồ tính toán phân bố dòng điện trở về 3I02 3I01 3I03 3I04 3I05 3I06 3I07 Rđ Rđ Rđ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 19 3.2. Phương pháp tính toán phân bố dòng điện trở về Xét sơ đồ thay thế tính toán phân bố DĐTV như hình 7, sau khi tính toán được DĐTV 3I0 từ các CĐVH của lưới điện; ta bơm dòng 3I0 Sử dụng thuật toán Simulink trên chương trình MATLAB để tính toán, sơ đồ tính toán được thiết lập trên Simulink như hình 8. Sau khi chạy chương trình ta có kết quả dòng diện trên các nhánh. vào mạch điện như hình 8 để tính toán sự phân bố DĐTV trên các nhánh. 4. Kết quả tính toán phân bố dòng điện trở về TBA 110kV Đăk Tô Theo Quy trình vận hành - sửa chữa máy biến áp- 1998 của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam (nay là Tập đoàn Điện lực Việt Nam), tại điều 34 quy định [5]: Đối với MBA có các cuộn dây đấu theo sơ đồ “sao-sao” phía điện áp thấp có điểm trung tính kéo ra ngoài, dòng điện qua điểm trung tính không được vượt quá 25% dòng điện pha định mức. Áp dụng điều 34 để tính toán phân bố DĐTV trên xuất tuyến 475 TBA 110/22kV-16MVA Đăk Tô (E46) với cấu trúc lưới 3 pha 4 dây. Xét MBA 110/22kV-16MVA – TBA 110kV Đăk Tô (E46), với: Iđm = 420.389A; 3I0 = 25%Iđm = 105.097A; Đường dây: 3AC-95+1AC-70, có R0 = 0.42Ω/km và X0 Sơ đồ thay thế tính toán phân bố DĐTV điển hình với 4 cơ cấu NĐLL của dây trung tính như hình 9: = 0.395Ω/km; Khoảng cách NĐLL dây trung tính: 250m; Điện trở suất của đất: 0.1Ω/km; Điện trở nối đất của nguồn: 0.5Ω; Điện trở nối đất lặp lại: 30Ω. Hình 8: Sơ đồ tính toán phân bố dòng điện trở về trên Simulink TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 20 Sau khi nhập đầy đủ các thông số tính toán và chạy chương trình tính toán sẽ cho kết quả dòng phân bố trên các nhánh theo các mức bất đối xứng của tải như bảng 1 và 2. Bảng 1. Dòng điện qua điện trở nối đất của trạm nguồn 3I Khoảng cách từ tải đến nguồn 01 3Io (A) = Dòng điện qua điện trở nối đất của trạm nguồn 3I01 (A) 5%Iđm= 10%Iđm= 15%Iđm= 20%Iđm= 25%Iđm= Số lần NĐLL 21.019 42.039 63.058 84.078 105.097 L = 1 km 4 0.91 1.82 2.73 3.64 4.56 L = 2 km 8 2.85 5.72 8.58 11.44 14.30 L = 3 km 12 5.21 10.40 15.64 20.85 26.05 L = 4 km 16 7.50 15.00 22.50 30.00 37.55 L = 5 km 20 9.48 18.96 28.45 37.90 47.40 L = 10 km 40 14.30 28.70 43.00 57.40 71.80 L = 20 km 80 15.40 30.50 46.10 61.40 76.90 L = 40 km 160 15.20 30.40 46.00 61.00 76.50 Bảng 2. Dòng điện trên dây trung tính ở trạm nguồn 3I Khoảng cách từ tải 02 3Io (A) = Dòng điện trên dây trung tính ở trạm nguồn 3I02 (A) 5%Iđm= 10%Iđm= 15%Iđm= 20%Iđm= 25%Iđm= Hình 9: Sơ đồ tính toán với 4 cơ cấu nối đất lặp lại điển hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 21 đến nguồn Số lần NĐLL 21.019 42.039 63.058 84.078 105.097 L = 1 km 4 20.109 40.219 60.328 80.438 100.537 L = 2 km 8 18.169 36.319 54.478 72.638 90.797 L = 3 km 12 15.809 31.639 47.418 63.228 79.047 L = 4 km 16 13.519 27.039 40.558 54.078 67.547 L = 5 km 20 11.539 23.079 34.608 46.178 57.697 L = 10 km 40 6.719 13.339 20.058 26.678 33.297 L = 20 km 80 5.619 11.539 16.958 22.678 28.197 L = 40 km 160 5.819 11.639 17.058 23.078 28.597 5. Kết luận - Khi bơm dòng điện 3I0 là dạng hình sin vào sơ đồ thay thế tính toán phân bố DĐTV với các cơ cấu NĐLL của dây trung tính, thì kết quả tính toán dòng điện phân bố trên các nhánh đều có dạng hình sin. Tại trạm nguồn 22kV, phân bố DĐTV 3I0 trên dây trung tính chiếm tỉ lệ rất cao đến 95%, còn trên ĐTNĐ trạm nguồn Rnđnguồn - Ứng dụng chương trình SIMULINK trên MATLAB để phân tích và tính toán phân bố DĐTV cho LĐPP 22kV với cấu trúc 3 pha 4 dây khi có cơ cấu NĐLL cho phép tính toán và mô phỏng trực tiếp hình dạng sóng dòng điện trên các nhánh, cách thiết lập sơ đồ thay thế tính toán phân bố DĐTV rất đơn giản và thời gian tính toán rất nhanh cho dù số lượng cơ cấu NĐLL của dây trung tính là rất lớn. Ngoài ra, chương trình này cũng rất thuận lợi cho việc phân tích và đánh giá sự phân bố DĐTV trên các nhánh khi có sự tăng hoặc giảm số lượng của thành phần cơ cấu NĐLL, khi có sự thay đổi các trị số ĐTNĐ của nguồn, của tải và của NĐLL, và khi có sự thay đổi thành phần điện trở suất của đất. chiếm tỉ lệ thấp 5% trong trường hợp số cơ cấu NĐLL là 4. Tỉ lệ phân bố này sẽ thay đổi khi số cơ cấu NĐLL thay đổi. - Trong CĐVH KĐX xác lập cũng như chế độ sự cố chạm đất 1 pha của LĐPP có trung tính NĐTT sẽ tồn tại DĐTV Itv = 3I0 đi về điểm trung tính của MBA trạm nguồn 22kV, dòng điện Itv càng tăng khi mức KĐX trong lưới điện càng lớn. Đối với LĐPP 22kV có cấu trúc 3 pha 3 dây (đất làm dây trung tính) thì toàn bộ DĐTV này đi theo đất về điểm trung tính của MBA trạm nguồn 22kV qua ĐTNĐ của trạm nguồn và gây ra điện áp giáng trên điện trở này một điện áp U = 3I0.Rnđnguồn càng lớn nên mức độ nguy hiểm do điện áp bước và điện áp tiếp xúc càng lớn, đồng thời mức di trung tính của MBA nguồn 22kV càng lớn . Còn đối với LĐPP 22kV có cấu trúc 3 pha 4 dây, do có dây trung tính đi riêng nên DĐTV sẽ được chia làm 2 phần, 1 phần đi trên dây trung tính và 1 phần đi theo đất trở về điểm trung tính của MBA trạm nguồn 22kV, do vậy mức độ nguy hiểm do điện áp bước và điện áp tiếp xúc được giảm đi rất nhiều vì phần lớn dòng điện sự cố sẽ trở về theo dây trung tính, và mức di trung tính của MBA nguồn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 22 22kV trong trường hợp này cũng được giảm đi rất nhiều. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Năng lượng (1994), Quyết định số 1867 NL/KHKT ngày 12 tháng 9 năm 1994 ban hành qui định các tiêu chuẩn kỹ thuật cấp điện áp trung thế 22kV, Hà Nội. [2] Trần Bách (2004), Lưới điện và hệ thống điện, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [3] Trần Đình Long, Lã Văn Út, Đặng Quốc Thống, Nguyễn Thanh Liêm, Đinh thế Phúc (2001), Báo cáo kết quả nghiên cứu khoa học , Đề tài nối đất trung tính hệ thống điện, Trường Đại học bách khoa Hà Nội, Hà Nội. [4] Richard Roeper (1996), Ngắn mạch trong hệ thống điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [5] Tổng Công ty Điện lực Việt Nam (1998), Quy trình vận hành - sửa chữa máy biến áp, Hà Nội.