Tính toán ngắn mạch là một phần quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống điện. Mục đích của phép tính này là xác định dòng điện sự cố khi xảy ra ngắn mạch để lựa chọn và kiểm tra khả năng cắt của thiết bị bảo vệ.
Trong phương pháp chuẩn hóa theo IEC 60909, tổng trở của hệ thống tại điểm sự cố được biểu diễn dưới dạng Z=R+jX, trong đó R là điện trở, X là điện kháng. Điện kháng X bao gồm cảm kháng X_L và dung kháng X_C. Tuy nhiên, trong hầu hết các tính toán ngắn mạch trung áp và hạ áp, người ta chỉ xét đến X_L mà bỏ qua X_C.
Xem thêm:
Tại sao nhà sản xuất luôn ghi Ik,tk, Ip trên bảng thông số tủ RMU
Vì sao IEC 60228 yêu cầu busbar phải dùng đồng ủ mềm?
Nhiệm vụ của lớp bán dẫn trong cáp trung áp
Khả năng mang tải cáp là gì, nó quan trọng như thế nào
Hiện tượng phát sinh cảm kháng và dung kháng
Khi dòng điện xoay chiều chạy qua dây dẫn hoặc cuộn dây, từ trường biến thiên tạo ra một suất điện động ngược chiều dòng điện, cản trở sự biến thiên này. Đại lượng đó được gọi là cảm kháng X_L, và được xác định bởi công thức:
$$
X_L=2 \pi f L\tag{1}
$$
với là tần số, L là điện cảm.
Ngược lại, khi có điện dung giữa các lõi cáp hoặc giữa lõi và đất, một dòng điện dung xuất hiện. Sự cản trở của điện dung đối với dòng điện xoay chiều được gọi là dung kháng X_C, tính theo:
$$
X_C = \frac{1}{2\pi f C} \tag{2}
$$
trong đó C là điện dung. Như vậy, trong hệ thống điện luôn đồng thời tồn tại cả X_L và X_C.
Ý nghĩa của dung kháng trong hệ thống điện
Dung kháng có vai trò quan trọng trong những trường hợp liên quan đến đường dây và cáp điện dài, nơi điện dung phân bố đáng kể. Trên lưới điện cao áp hoặc siêu cao áp, đặc biệt ở mức 220 kV và 500 kV, dòng điện dung chạm đất có thể đạt tới hàng trăm ampe, gây ảnh hưởng lớn đến ổn định hệ thống. Trong những tình huống này, X_C được tính đến nhằm dự đoán chính xác hiện tượng quá điện áp, cộng hưởng hoặc dòng sự cố chạm đất.
Ở cấp trung áp và hạ áp, điện dung của cáp rất nhỏ, dẫn đến dòng dung không đáng kể. Vì vậy dung kháng X_C hầu như không ảnh hưởng đến kết quả tính toán ngắn mạch và có thể bỏ qua trong các phép tính theo IEC 60909
Trong phép tính thực tế, tổng trở được sử dụng để xác định dòng ngắn mạch theo công thức:
$$
I_k = \frac{c \cdot U_n}{\sqrt{3} \cdot Z_S} \tag{3}
$$
với Z_S là tổng trở nguồn và mạng, U_n là điện áp danh định, c là hệ số điện áp. Nếu bao gồm cả dung kháng, ta có:
$$
Z=R+j\left(X_L-X_C\right) \tag{4}
$$
Tuy nhiên, vì X_C không ảnh hưởng nhiều do đó, giá trị gần như không thay đổi, và kết quả dòng ngắn mạch Ik hầu như giống nhau. Đây chính là lý do tại sao các tiêu chuẩn quốc tế như IEC 60909 cho phép bỏ qua X_C trong tính toán ngắn mạch ở trung áp và hạ áp.
Tính toán ngắn mạch và sự đơn giản hóa theo tiêu chuẩn
Khi bỏ qua X_C, quá trình tính toán được đơn giản hơn rất nhiều. Thay vì phải đo hoặc ước lượng điện dung của từng đoạn cáp, kỹ sư chỉ cần xác định điện trở và cảm kháng dựa trên thông số nhà sản xuất.
Việc này không làm sai lệch kết quả tính toán nhưng lại rút ngắn thời gian và tăng tính thực tiễn. IEC 60909 cũng nhấn mạnh rằng thành phần dung kháng chỉ cần xét đến trong phân tích quá điện áp hoặc sự cố đặc biệt trên lưới điện áp cao.
Tác động đến thiết bị bảo vệ
Việc bỏ qua X_C không ảnh hưởng đến độ chính xác trong kiểm tra khả năng tác động của thiết bị bảo vệ. Bởi vì dòng sự cố chủ yếu phụ thuộc vào điện trở và cảm kháng, kết quả xác định dòng ngắn mạch cực đại và cực tiểu vẫn đủ tin cậy để chọn CB, cầu chì, hay rơle bảo vệ.
Điều này đặc biệt quan trọng trong vận hành lưới phân phối trung áp 22 kV hoặc lưới hạ áp dưới 1 kV, nơi mà độ dài cáp không đủ lớn để tạo ra điện dung có ảnh hưởng đáng kể.