Trong hệ thống điện, khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha đối xứng tại một thanh cái, dòng điện sự cố thường có giá trị rất lớn so với dòng tải bình thường. Để biểu diễn hiện tượng này, các tiêu chuẩn như IEC 60909 định nghĩa một đại lượng gọi là công suất ngắn mạch, ký hiệu là .
Công suất ngắn mạch được xác định bằng tích của điện áp danh định tại điểm sự cố và dòng ngắn mạch ban đầu, quy đổi về dạng công suất biểu kiến.
Xem thêm:
Các tiêu chí quan trọng cho hệ thống bảo vệ Relay
Khám Phá Aptomat Là Gì và Các Thông Số Tiêu Chuẩn Cần Biết
6 thí nghiệm cách điện cần phải biết
Tại sao nhà sản xuất luôn ghi Ik,tk, Ip trên bảng thông số tủ RMU
Hiện tượng ngắn mạch và công suất phát ra
Khi một điểm trong lưới bị ngắn mạch, các nguồn điện như máy phát, máy biến áp và lưới truyền tải xung quanh sẽ “đẩy” năng lượng vào điểm sự cố. Tổng hợp toàn bộ dòng sự cố từ các nguồn, nhân với điện áp danh định, tạo thành công suất ngắn mạch. Vì vậy, có thể xem công suất ngắn mạch là chỉ báo cho khả năng của hệ thống điện trong việc cung cấp dòng sự cố.
Công suất ngắn mạch mang nhiều ý nghĩa kỹ thuật quan trọng. Trước hết, nó là thước đo độ mạnh hay yếu của lưới điện tại một điểm. Lưới mạnh, tức công suất ngắn mạch cao, sẽ giữ điện áp ổn định hơn khi vận hành bình thường nhưng đồng thời tạo ra dòng ngắn mạch rất lớn khi có sự cố. Ngược lại, lưới yếu với công suất ngắn mạch thấp dễ bị sụt áp, nhưng dòng ngắn mạch phát ra lại nhỏ hơn.
Thứ hai, công suất ngắn mạch là cơ sở để quy đổi điện kháng các phần tử trong hệ thống về dạng %/MVA. Khi tính toán ngắn mạch, người ta thường quy đổi điện kháng máy biến áp, máy phát và cả hệ thống cung cấp về cùng một cơ sở MVA. Phương pháp này cho phép cộng điện kháng thuận tiện và chính xác, giúp xác định nhanh tổng trở tại điểm ngắn mạch.
Thứ ba, giá trị công suất ngắn mạch quyết định đến lựa chọn thiết bị đóng cắt và bảo vệ. Máy cắt, dao cách ly, thanh cái và hệ thống thanh dẫn đều phải có khả năng chịu được dòng ngắn mạch tương ứng với công suất ngắn mạch tại điểm lắp đặt. Nếu chọn thiết bị không đủ khả năng, sự cố sẽ lan rộng, gây nguy hiểm cho lưới điện và an toàn vận hành.
Cách tính toán công suất ngắn mạch
\begin{equation}
S_k^{\prime \prime}=\sqrt{3} \cdot U_n \cdot I_k^{\prime \prime}
\end{equation}
Trước khi tiến hành lựa chọn thiết bị đóng cắt, các công ty thiết kế và tư vấn điện thường phải xin đơn vị quản lý lưới điện cung cấp thông số công suất ngắn mạch tại điểm đấu nối. Đây là cơ sở chính thức để tính toán và kiểm tra khả năng chịu dòng ngắn mạch của tủ điện, máy cắt và các thiết bị bảo vệ.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp không có dữ liệu cụ thể từ đơn vị quản lý, kỹ sư thiết kế có thể sử dụng giá trị giả định theo quy định. Thông thường, lưới trung áp được giả thiết có dòng ngắn mạch lớn nhất tới 25 kA. Việc áp dụng giá trị này sẽ đảm bảo an toàn nhưng lại làm tăng chi phí, do thiết bị phải có khả năng cắt dòng cao, vượt quá nhu cầu thực tế.
Vì vậy, trong nhiều dự án, người thiết kế có thể linh hoạt lựa chọn giá trị 20 kA cho các vị trí xa nguồn, phù hợp với khả năng cắt định mức của tủ trung áp tiêu chuẩn. Cách tiếp cận này vừa bảo đảm an toàn kỹ thuật, vừa tối ưu chi phí đầu tư thiết bị.
Kết quả của việc xác định công suất ngắn mạch
Việc tính toán công suất ngắn mạch dẫn đến một loạt thông số then chốt. Từ , người thiết kế xác định được dòng ngắn mạch hiệu dụng, dòng đỉnh chịu đựng và dòng cắt của thiết bị. Các giá trị này trực tiếp đi vào kiểm tra khả năng chịu đựng cơ nhiệt của thiết bị điện.
Ngoài ra, công suất ngắn mạch còn ảnh hưởng đến tính toán bảo vệ rơ-le. Một lưới có công suất ngắn mạch lớn thường đòi hỏi rơ-le phải có ngưỡng chỉnh định cao để tránh tác động sai. Ngược lại, lưới yếu với công suất ngắn mạch nhỏ buộc kỹ sư bảo vệ phải tính toán kỹ để đảm bảo rơ-le vẫn nhận diện được sự cố mà không bị che khuất bởi dòng tải.
Các tiêu chuẩn quốc tế như IEC 60909 yêu cầu phải xác định công suất ngắn mạch tại mọi nút quan trọng trong lưới điện, trước khi tiến hành lựa chọn thiết bị và thiết kế hệ thống bảo vệ. Đây là bước không thể bỏ qua trong quá trình thiết kế và vận hành hệ thống điện hiện đại.