Nghiên cứu ứng dụng thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch

Lê Thành Bắc Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 159 - 163 
159 
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG 
HẠN CHẾ DÒNG NGẮN MẠCH 
Lê Thành Bắc* 
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng 
TÓM TẮT 
Bài báo giới thiệu nguyên lý tác động của thiết bị tự động hạn chế nhanh dòng ngắn mạch kiểu 
máy biến áp (HCD). Trên cơ sở đánh giá các tính năng kỹ thuật và các đặc tính quan hệ giữa các 
thông số của HCD với các thông số lưới điện, mức hạn chế dòng và vị trí lắp đặt HCD đã được đề 
xuất. Với các thông số kỹ thuật của HCD và vị trí lắp đặt phù hợp, khi xảy ra sự cố sẽ nhanh chóng 
tác động giảm trị số dòng ngắn mạch quá độ trong lưới điện theo yêu cầu đặt ra. Các kết quả mô 
phỏng nhận được cho thấy rằng khi tính toán lắp đặt HCD hợp lý sẽ cho phép đảm bảo bất kỳ mức 
hạn chế yêu cầu nào đối với dòng ngắn mạch quá độ trong lưới điện. Việc triển khai ứng dụng 
thiết bị tự động HCD sẽ cho phép giữ nguyên cấu trúc lưới hiện tại, góp phần giảm đáng kể các chi 
phí đầu tư nâng cấp thiết bị đóng cắt và tăng thêm độ tin cậy cấp điện cho hệ thống điện. 
Từ khóa: Lưới điện; Thiết bị tự động hạn chế dòng (HCD); Mô phỏng quá trình quá độ; Hệ thống 
điện; Ngắn mạch 
ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Trong các hệ thống năng lượng điện luôn xuất 
hiện yêu cầu cần nâng công suất máy phát 
hoặc tăng số lượng nguồn phát để đáp ứng độ 
tăng phụ tải và thực hiện cấu trúc mạng với 
nhiều kết nối lưới vòng để tăng độ tin cậy cấp 
điện. Tuy nhiên chính việc kết nối lưới vòng, 
tăng nhanh công suất nguồn phát và công suất 
phụ tải tải trong khi thực tế các cấp điện áp hệ 
thống thường vẫn giữ nguyên đang là nguyên 
nhân làm trị số dòng điện quá độ khi ngắn 
mạch tăng cao, xấu thêm điều kiện làm việc 
của các thiết bị điện trong chế độ sự cố [1], 
[5]. Việc tăng trị số dòng ngắn mạch tại nhiều 
điểm có thể vượt cả dòng cắt cho phép của 
các máy cắt trong hệ thống điện như ở Việt 
Nam hiện nay thực sự đang là một nguy cơ 
tạo rủi ro rất lớn có thể xảy ra sự cố mất điện 
trên diện rộng gây thiệt hại lớn về kinh tế và 
an ninh. Để hạn chế trị số dòng xung kích khi 
ngắn mạch đưa vào máy cắt trong giới hạn cắt 
cho phép nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ 
thống điện yêu cầu đặt ra đối với ngành điện 
là phải tìm giải pháp kỹ thuật hợp lý khắc phụ 
tình trạng quá dòng khi ngắn mạch đã và đang 
xảy ra trên lưới hiện nay [1], [4]. 
*
 Email: lethanhbac@ac.udn.vn 
CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG QUÁ 
ĐỘ KHI NGẮN MẠCH 
Để hạn chế dòng điện ngắn mạch trong các 
trường hợp sự cố, hiện nay trên thế giới đã và 
đang sử dụng một số phương pháp khác nhau: 
(1) Mắc các cuộn kháng không lõi sắt nối tiếp 
trên lưới, ở một số vị trí đặc thù để hạn chế 
dòng điện ngắn mạch (phương pháp này tồn 
tại nhược điểm là kháng gây ra sự sụt giảm 
điện áp và tăng tổn hao công suất phản kháng 
trên lưới điện ngay trong điều kiện làm việc 
bình thường); (2) Nâng cấp các thiết bị đóng 
cắt hiện tại hoặc nâng cấp điện áp lưới; (3) 
Thay đổi cấu trúc lưới như: tách lưới, tách 
thanh cái hay áp dụng các biện pháp cắt liên 
động (cả hai phương án 2 và 3 này đều đưa 
đến việc thay thế nhiều thiết bị hoặc phải xây 
dựng thêm một số đường dây truyền tải để 
tăng độ đảm bảo đối với mỗi máy phát, tăng 
lớn chi phí đầu tư); (4) Sử dụng thiết bị tự 
động hạn chế dòng điện ngắn mạch với vật 
liệu siêu dẫn, loại thiết bị này có cấu trúc là 
các vật liệu siêu dẫn khi đạt tới giá trị xác 
định của dòng ngắn mạch sẽ dẫn đến trạng 
thái tăng nhanh tổng trở thiết bị so với trạng 
thái dòng định mức (phương án này cần có 
thiết bị làm lạnh kèm theo, tăng tổn hao và 
chi phí đắt); (5) Sử dụng thiết bị hạn chế dòng 
điện ngắn mạch có dạng van bán dẫn kết hợp 
với điện kháng; (6) Chế tạo và sử dụng các 
Lê Thành Bắc Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 159 - 163 
160 
thiết bị chuyển mạch công suất kiểu mới tác 
động cực nhanh (hai phương án thứ 5 và 6 
đều có chung một số nhược điểm là yêu cầu 
cần phải thay thế nhiều thiết bị, sơ đồ điều 
khiển phức tạp, giá thành cao, độ tin cậy thấp, 
rất tốn kém [1], [4], [5]. 
Tại Việt Nam hiện nay, nhằm khắc phục dòng 
điện quá độ tại một số điểm khi sự cố vượt 
quá cho phép, giải pháp thường được lựa 
chọn của EVN là tách các thanh cái vận hành 
độc lập tại các nút. Đây là giải pháp thực 
dụng, nhưng đổi lại phần nào làm giảm độ tin 
cậy cung cấp điện của hệ thống và dẫn đến 
bài toán phải đầu tư thêm nhiều lộ đường dây 
và TBA mới tăng chi phí đầu tư đáng kể. 
Bài báo này nghiên cứu về một trong những 
biện pháp kỹ thuật mới với chi phí hợp lý là 
tính toán lắp đặt thiết bị tự động hạn chế dòng 
ngắn mạch kiểu máy biến áp (HCD) [1,4,5] 
để hạn chế dòng quá độ mà không cần thay 
thế các thiết bị đóng cắt và giữ nguyên cấu 
trúc lưới hiện có. 
HẠN CHẾ TRỊ SỐ DÒNG ĐIỆN NGẮN 
MẠCH LƯỚI ĐIỆN 
Ngắn mạch trong hệ thống điện khi chưa có 
thiết bị hạn chế dòng 
Hình 1. Sơ đồ một pha có nối thêm bộ HCD khi 
ngắn mạch đầu cực máy cắt MC 
Khảo sát một mạch điện khi xảy ra sự cố ngắn 
mạch như Hình 1 (đã có nối thêm HCD). 
Hình 2. Sơ đồ một pha tương đương có nối thêm 
bộ HCD khi ngắn mạch đầu cực MC 
Ngắn mạch xảy ra tại N trên hình 1, khi chưa 
nối thêm HCD [2], [3] thì: 
Dòng điện ngắn mạch xung kích một pha bằng: 
.
(1)
sin( ) .
(t) + (t) 
HT
HT
R
t
Lm
n xk N
CK td
U
i t C e
z
i i
 
Trong đó thành phần dòng ngắn mạch chu kỳ: 
.
( ) sin( - )
 sin( - )
m
CK N
n m N
U
i t t
z
I t
 
 
Biên độ của dòng ngắn mạch chu kỳ là: 
. 2
( ) HТ
HT HТ
U U Um m mIn m
z XR X
 (2) 
Thành phần dòng ngắn mạch tự do: 
1 1
.0 .(t) . = 
HT
a aHT
R
t tt
T TL
td td n mi C e i e I e
 (3) 
Với: Um là trị số biên độ điện áp pha của hệ 
thống; RHT và XHT là điện trở và điện kháng 
của hệ thống quy về điểm ngắn mạch (RHT << 
XHT = ω.LHT, thường thì RHT/LHT≈5 [3], [5]); α 
và φN là góc pha đầu và góc pha tại thời điểm 
xảy ra ngắn mạch. Ta=LHT/RHT = XHT/(ω.RHT) 
là hằng số thời gian suy giảm của thành phần 
dòng không tuần hoàn. C=itd.0 = itd.max=In.m là 
biên độ của dòng ngắn mạch. 
Ngắn mạch xảy ra khi có nối thêm HCD 
Sơ đồ lắp đặt HCD để hạn chế dòng ngắn 
mạch trên hình 1 và sơ đồ thay thế tương 
đương hình 2. Độ lớn của dòng ngắn mạch sẽ 
được khống chế ở mức nhất định nhờ trở 
kháng của thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch 
(HCD) tăng lên khi sự cố ngắn mạch xảy ra. 
Trở kháng của HCD tăng sẽ làm giảm trị số 
dòng ngắn mạch. 
Thật vậy, lúc này trở kháng của HCD được 
xác định theo quan hệ [1], [4], [5]: 
2 2
z = 
1
1-
HCD HCD HCD HCD
С BA
BA
BA C
R X X
X X
X X
С
L



 

 (4) 
Từ (2) ta có dòng ngắn mạch chu kỳ cực đại 
khi có bộ HCD là: 
Ung MC С 
HCD 
U
pd
BAng 
BA 
Lê Thành Bắc Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 159 - 163 
161 
. . 2 2
( ) ( )
(5)
HCD
HT HCD HТ HCD
HТ HCD
U
mI
n m
R R X X
U
m
X X
Ở đây XC,С , BAX , BAL , RHCD và XHCD - lần 
lượt là dung kháng, điện dung tụ điện, cảm 
kháng, điện cảm máy biến áp BA, điện trở và 
điện kháng của bộ HCD (tính toán có thể bỏ 
qua điện trở biến áp BA trong bộ HCD vì rất 
nhỏ so với điện kháng XBA); ω -tần số góc của 
điện áp lưới. Lắp đặt HCD cho lưới như hình 
1, công tắc chân không với điện áp phóng 
điện Upđ. trong chế độ làm việc bình thường 
thì không làm việc, biên độ của điện áp định 
mức trên khoảng cách phóng điện nhỏ hơn 
điện áp xuyên thủng, trong trường hợp này 
biến áp BA của HCD ở chế độ không tải 
tương ứng XBA rất lớn (XHCD ≈XC). Khi sự cố 
ngắn mạch, dòng qua tụ C tăng nhanh, điện 
áp trên khe hở phóng điện tăng theo và khi 
đạt đến điện áp xuyên thủng trên công tắc 
chân không thì cuộn dây thứ cấp của biến áp 
BA lúc này bị nối tắt và tương ứng XBA giảm 
nhanh về gần giá trị XC làm XHCD tăng. Biểu 
thức (4) ta thấy khi thay đổi quan hệ giữa cảm 
kháng XBA với dung kháng XC của HCD thì có 
thể nhận được giá trị trở kháng yêu cầu bất kỳ 
nào đó của bộ hạn chế dòng ngắn mạch HCD. 
Tương ứng từ các biểu thức (5), (3) và (1) ta 
có dòng ngắn mạch chu kỳ cực đại khi có bộ 
HCD sẽ suy giảm khi XHCD tăng, dẫn đến 
thành phần dòng tự do và cuối cùng là dòng 
xung kích khi ngắn mạch sẽ giảm nhanh. 
Từ (2) và (5), mức hạn chế dòng ngắn mạch 
khi có bộ HCD so với khi không có là: 
.
. .
1
HТ HCD HCDn m
n m HCD HТ HT
X X XI
I X X

 (6) 
Từ các biểu thức trên cho thấy rằng từ các 
thông số của lưới điện, tình trạng quá dòng 
hiện tại sẽ cho phép tính toán lựa chọn bộ 
HCD với các thông số tụ C, máy BA và điện 
áp phóng điện phù hợp lắp đặt sau máy cắt tại 
vị trí cần thiết để hạn chế dòng ngắn mạch 
xuống giới hạn (β) yêu cầu. Theo các nghiên 
cứu đã có thì mức hạn chế dòng lớn nhất 
thường được chọn tương đương với hệ số 
xung kích của dòng ngắn mạch, tức là 
0,01
1 <2 
Ta
XK
K e
MÔ PHỎNG DÒNG QUÁ ĐỘ TRONG HỆ 
THỐNG ĐIỆN KHI CÓ LẮP ĐẶT THIẾT 
BỊ TỰ ĐỘNG HẠN CHẾ DÒNG HCD 
Hiệu quả tác động của bộ HCD được kiểm 
chứng qua khảo sát cấu trúc và thực tế vận 
hành hiện nay tại trạm biến áp 110/22kV 
Xuân Hà thuộc Hệ thống điện Miền Trung, 
nằm trên xuất tuyến 220/110kV từ trạm 
500kV Đà Nẵng. Trạm 110/22kV Xuân Hà 
đang vận hành song song 2 máy Biến áp 
63MVA và 40MVA. Trạm Xuân Hà được 
cung cấp trực tiếp bởi 2 nguồn từ xuất tuyến 
110kV của trạm 220kV Hòa Khánh và xuất 
tuyến thứ 2 từ trạm 500kV Đà Nẵng (hình 3). 
Tại đầu ra 22kV đang bố trí máy cắt có dòng 
cắt cực đại là 40kA, phân tích và tính toán 
cho thấy khi nối vòng nếu xảy ra hiện tượng 
ngắn mạch đầu cực máy cắt, dòng ngắn mạch 
xung kích ở đây hiện nay có giá trị vượt qúa 
40kA là dòng cắt cực đại của máy cắt (hiện 
nay đang khắc phục bằng cắt nối vòng). 
Sơ đồ mô phỏng đầy đủ khi nối vòng và có 
nối thêm thiết bị HCD cho trên hình 3. 
Trong chế độ làm việc với tải định mức của 
máy biến áp thì dòng điện ở lưới 22kV là: 
63000
1653А
3 3 22
dm
dm
dm
S
I
U
 
 (6) 
Kết quả mô phỏng trên hình 4 và 5 cho thấy 
trị số dòng xung kích khi xảy ra ngắn mạch 
đầu cực máy cắt 22kV là khoảng 43kA. Để 
giảm bớt trị số dòng xung kích về dưới dòng 
cắt cho phép của máy cắt với phương án nối 
thêm HCD, các thông số của bộ HCD được 
tính [1] là: 
Lê Thành Bắc Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 159 - 163 
162 
Hình 3. Sơ đồ mạch mô phỏng có đặt bộ HCD tại xuất tuyến 110/22kV trạm Xuân Hà trong 
Matlab/Simulink 
С 0,0075
0,05
dm
m
I
F
U 
 
 (7) 
Trong chế độ làm việc định mức điện áp trên 
tụ C là 0,7kV (bằng 5% điện áp pha danh 
định) và nếu chọn tỷ số BA của HCD là 2 thì 
tương ứng điện áp đặt vào công tắc chân 
không là 1,4KV. Công tắc chân không với 
điện áp phóng điện trong khoảng cách chân 
không của nó Upd. ngang với khoảng 3kV 
(tương ứng dòng qua C lớn hơn 2 lần định 
mức). Để đảm bảo hợp lý khi ở đây dòng quá 
độ có trị số vượt không quá nhiều dòng cắt 
cực đại của máy cắt (43kA so với 40kA) ta sẽ 
chọn mức hạn chế dòng theo (6) nằm trong 
khoảng 1,2 đến 1,5. Các kết quả mô phỏng trị 
số dòng quá độ khi ngắn mạch tại đầu ra 
22kV của trạm 110/22kV Xuân Hà, Đà Nẵng 
cho trên hình 4 và hình 5. Khi không có thiết 
bị HCD trị số dòng quá độ đã đạt cực đại 
bằng 43kA (tại t=0,01s), kết quả này phù hợp 
với thực tế tính toán vận hành. Trên hình 4, 
khi lắp đặt HCD với β=1,2 thì trị số dòng quá 
độ cực đại giảm xuống còn khoảng gần 37kA 
tương ứng với 1,17 lần. Trên hình 3 khi HCD 
với β=1,4 thì dòng quá độ cực đại còn 30kA 
tương ứng với 1,43 lần. Thời gian trễ của quá 
trình phóng điện làm tăng XHCD đến giá trị tác 
động khoảng 0,025s. 
Hình 4. Dòng ngắn mạch quá độ với giá trị β=1.2 
Hình 5. Dòng ngắn mạch quá độ với giá trị β=1.4 
KẾT LUẬN 
Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch HCD kiểu 
máy biến áp có cấu trúc đơn giản, trên cơ sở 
nguyên lý máy biến áp với độ tin cậy làm việc 
cao, bảo đảm hạn chế dòng điện ngắn mạch 
trong lưới điện một cách hiệu quả. Các kết 
quả tính toán và mô phỏng nhận được chứng 
tỏ rằng tương ứng với trị số hệ thống sẽ dễ 
dàng tính toán, lựa chọn bộ HCD kiểu biến 
áp. Bộ HCD với quan hệ trở kháng nối song 
song giữa tụ điện C và biến áp BA có thể bảo 
Lê Thành Bắc Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 159 - 163 
163 
đảm mức hạn chế dòng điện ngắn mạch cần 
thiết tại vị trí lắp đặt bất kỳ trong hệ thống 
điện. Khi sử dụng phương án lắp HCD thì 
không cần thay đổi cấu trúc lưới điện hiện tại 
và giữ nguyên các thiết bị, kể cả các thiết bị 
đóng cắt hiện có. Với những ưu điểm vượt 
trội của HCD kiểu máy biến áp, việc nghiên 
cứu để triển khai lắp đặt tại những vị trí cần 
hạn chế trị số dòng quá độ trong các hệ thống 
điện mang tính khả thi cao. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Lê Thành Bắc (2008), “Thiết bị tự động hạn 
chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp”, Tạp chí 
Khoa học & Công nghệ Đại học Đà Nẵng, №26, 
pp. 10-16. 
2. Александров Г. Н., Смоловик С. В. (2002), 
Переходные процессы в сетях с резонансным 
токоограничивающим устройством. – 
Электричество PAH, 2002, № 1. 
3. Крючков И.П., Неклепаев Б.Н., Старшинов 
В.А., Пираторов М.В., Гусев Ю.П., Пойдо 
А.И., Жуков В.В., Монаков В.К., Кузнецов 
Ю.П. (2005), Расчет коротких замыканий и 
выбор электрооборудования, Учеб. Пособие 
для студ. высш. учеб. заведений/ - М.: 
Изадательский центр «Академия», 2005 г. 
4. H.Yamaguchi and T.Kataoka. (2007), “Current 
Limiting Characteristics of Tranformer Type 
Superconducting Fault Current Limiter With 
Shunt Imepedance”, IEEE Transactions on 
Applied Superconductivity, vol.17, pp1919-1923, 
JUNE 2007. 
5. Xiaoqing Zang, Member IEEE and Ming Li, 
2005, “Using the Fault current limiter with 
Transformer-Type Reactor Reduce Short Circuit 
Currents”, IEEE/PES Transactions and 
Distribution Conference & Exhibition: Asia and 
Pacific Dalian, China. Applied Superconductivity, 
pp1-5. China 2005. 
ABSTRACT 
A RESEARCH ON THE APPLICATION OF AUTOMATIC 
FAULT CURRENT LIMITING DEVICE 
Le Thanh Bac
*
University of Science and Technology – Da Nang University 
This paper introduces the operation principle of an automatic fault current limiting device of 
transformer type (HCD). Based on the assessment of the technical features and relational 
characteristic of the HCD’s parameters and the grid’s parameters, the current limit and installation 
position can be proposed. By using the investigation of the specifications of the HCD and the 
appropriated installation positions, when the incident appears, a number of short circuit current in 
the grid will be rapidly reduced. The simulated results show that when calculating the proper HCD 
installation, it will enable any required limits for the short circuit current in the grid of power. 
Implementing the HCD automatic device will allow the current grid structure to be maintained, to 
significantly reduce the costs of upgrading the switchgear and to increase the reliability of the 
power supply to the power system. 
Keywords: The grid of power; the automatic fault current limiting device (HCD); transient 
simulation; the power system; short circuit 
Ngày nhận bài: 28/4/2018; Ngày phản biện: 07/5/2018; Ngày duyệt đăng: 31/5/2018 
*
 Email: lethanhbac@ac.udn.vn