Nghiên cứu quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện và các phương pháp hạn chế quá điện áp đóng cắt

Trong bản luận văn này, tác giả tiến hành nghiên cứu các quá trình quá độ điện từ và tập trung vào hiện tượng quá độ điện áp đóng cắt, cũng như đề xuất một số phương pháp hạn chế giá trị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố

Hà Nội, ngày 29 tháng 10 năm 2010

Tác giả

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo hướng dẫn

PGS.TS Nguyễn Đình Thắng người đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình

thực hiện đề tài này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện,

những người đã truyền đạt, trang bị cho tôi kinh nghiệm, kiến thức nền tảng vững

chắc trong suốt khóa học vừa qua

Hà Nội, ngày 29 tháng 10 năm 2010

Tác giả

CÁC TỪ VIẾT TẮT Các từ viết tắt Giải thích

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

CÁC TỪ VIẾT TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG 1: CÁC QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1

1.1 VẤN ĐỀ QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1

1.1.1 Quá độ điện từ trong hệ thống điện 1

1.1.2 Phân loại 2

1.1.3 Tác động của quá độ điện từ đến vận hành hệ thống điện 3

1.2 HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN MÔ TẢ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 4

1.2.1 Vấn đề mô phỏng quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện 4

1.2.2 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ điện từ trong máy phát 4 1.2.3 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền sóng trên đường dây trên không 17

1.2.4 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền sóng trong cáp 18

1.2.5 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền sóng máy biến áp 19

1.2.6 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ điện từ trong chống sét van 24

1.2.7 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình hồ quang trong máy cắt 26

1.3 CÁC CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRÊN MÁY TÍNH SỐ 33

1.3.1 Chương trình mô phỏng quá trình quá độ điện từ EMTP 34

1.3.2 Chương trình MNA 36

1.3.3 Chương trình XTrans 37

1.4 KẾT LUẬN 39

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM EMTP-RV 40

2.1 GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH EMTP-RV 40

2.1.1 Giới thiệu 40

2.1.2 Các chức năng chính của chương trình 40

2.2 MÔ PHỎNG CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG EMTP-RV 43

2.2.1 Các thư viện chính 43

2.2.2 Mô phỏng của một số phần tử chính trong EMTP-RV 43

2.3 CÁC MỨC MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN CHÍNH 54

2.3.1 Tính toán trào lưu công suất 55

2.3.2 Tính toán chế độ xác lập 56

2.3.3 Mô phỏng miền thời gian 56

2.3.4 Mô phỏng quét tần số 56

2.4 KẾT LUẬN 56

CHƯƠNG 3: HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ ĐIỆN ÁP KHI CẮT ĐƯỜNG DÂY SỰ CỐ TRÊN LƯỚI VIỆT NAM 57

3.1 VẤN ĐỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 57

3.1.1 Quá điện áp trong hệ thống điện 57

3.1.2 Quá điện áp thường xuyên 58

3.1.3 Quá điện áp cộng hưởng dao động tần số thấp 61

3.1.4 Quá điện áp thao tác 62

3.1.5 Quá điện áp do sét 64

3.2 HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP ĐÓNG CẮT 66

3.2.1 Giới thiệu về điện áp phục hồi quá độ máy cắt - TRV 66

3.2.2 Quá điện áp khi cắt dòng điện sự cố (đường dây trên không) 69

3.2.3 Đóng cắt dòng điện cảm (kháng điện, máy biến áp) 72

3.2.4 Cắt dòng điện dung (tụ điện, cáp, đường dây không tải) 77

3.3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM NĂM 2015 BẰNG PHẦN MỀM EMTP-RV 80

3.3.1 Hệ thống điện 500kV Việt Nam năm 2015 80

3.3.2 Mô phỏng hệ thống điện Việt Nam trên phần mềm EMTP-RV 81

3.3.3 Phương pháp tính toán TRV 83

3.4 TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH QUÁ ĐỘ ĐIỆN ÁP KHI CẮT ĐƯỜNG DÂY SỰ CỐ 84

3.4.1 Kết quả tính toán 84

3.4.2 Phân tích và đánh giá 88

CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ GIÁ TRỊ ĐIỆN ÁP PHỤC HỒI QUÁ ĐỘ MÁY CẮT 89

4.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ GIÁ TRỊ ĐIỆN ÁP PHỤC HỒI QUÁ ĐỘ MÁY CẮT 89

4.1.1 Phương pháp hạn chế TRV bằng kéo dài thời gian loại trừ sự cố 90

4.1.2 Thay đổi thông số các phần tử trên lưới điện 90

4.1.3 Lắp đặt thêm các thiết bị hạn chế TRV 91

4.2 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ GIÁ TRỊ ĐIỆN ÁP PHỤC HỒI QUÁ ĐỘ MÁY CẮT VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 914.2.1 Kết quả tính toán hạn chế giá trị TRV khi sự cố ngắn mạch 3 pha tại NĐ.Vũng Áng 934.2.2 Kết quả tính toán hạn chế giá trị TRV khi sự cố ngắn mạch 3 pha tại Đà Nẵng 1014.2.3 Phân tích và đánh giá 1094.2.4 Kết quả áp dụng phương pháp thay đổi CSV để hạn chế giá trị TRV 1094.3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1: Tần số dao động của một số quá trình quá độ điện từ 2

Bảng 1-2: Phân loại các nhóm tần số của các quá trình quá độ điện từ 3

Bảng 3-1: TRVmax máy cắt ĐD TĐ Lai Châu – Sơn La 85

Bảng 3-2: TRVmax máy cắt ĐD TĐ Sơn La – Nho Quan 86

Bảng 3-3: TRVmax máy cắt ĐD NĐ Vũng Áng – Đà Nẵng 87

Bảng 4-1: Thời gian loại trừ ngắn mạch 90

Bảng 4-2: Kết quả hạn chế giá trị TRV 109

Bảng 4-3: Kết quả hạn chế giá trị TRV 115

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình vẽ 1-1: Khoảng tần số dao động của các dạng sóng 3

Hình vẽ 1-2: cấu tạo máy phát điện đồng bộ 5

Hình vẽ 1-3: mạch stator và rotor của máy phát điện đồng bộ 5

Hình vẽ 1-4: Biến thiên của từ dẫn 7

Hình vẽ 1-5: Phân tích lực từ động pha a 8

Hình vẽ 1-6: Chiều dòng điện quy ước cho máy phát và động cơ 12

Hình vẽ 1-7: Máy điện đồng bộ với các cuộn dây phần ứng quay .15

Hình vẽ 1-8: Đường dây trên không 1 dây dẫn 17

Hình vẽ 1-9: Mô hình mạch hình T của MBA một pha 20

Hình vẽ 1-10: Mô hình mạch hình pi của MBA một pha 21

Hình vẽ 1-11: Mô hình mạch điện của máy biến áp 3 pha 3 trụ 21

Hình vẽ 1-12: Mô hình máy biến áp 3 cuộn dây 22

Hình vẽ 1-13: Mô hình mạch trên một đơn vị chiều dài của cuộn dây MBA 22

Hình vẽ 1-14: Mô hình đường dây truyền tải nhiều dây dẫn cho MBA 23

Hình vẽ 1-15: Đặc tính V-I của ZnO và SiC 24

Hình vẽ 1-16: Đặc tính tiêu biểu của một CSV Oxid kim loại 25

Hình vẽ 1-18: Phân bố điện thế dọc vùng hồ quang trong máy cắt 28

Hình vẽ 1-19: Dòng điện trong máy cắt 30

Hình vẽ 2-1: cửa sổ chính của chương trình 42

Hình vẽ 2-2: giao diện của chương trình ScopeView 42

Hình vẽ 2-3: Mô hình V with impedance 44

Hình vẽ 2-4: Mô hình phần tử Load-Flow Bus 45

Hình vẽ 2-5: mô hình phụ tải PQ Load 46

Hình vẽ 2-6: sơ đồ khối một máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây 47

Hình vẽ 2-7: sơ đồ mạch của của 1 khối xfmr 47

Hình vẽ 2-8: sơ đồ khối một máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây 49

Hình vẽ 2-9: sơ đồ mạch của một khối xfmr 49

Hình vẽ 2-10: mô hình đường dây thông số tập trung 51

Hình vẽ 2-11: mô hình cho phép thiết lập dữ liệu đường dây 51

Hình vẽ 2-12: sơ đồ bố trí dây dẫn 52

Hình vẽ 2-13: thông số dây dẫn 53

Hình vẽ 2-14: sơ đồ bố trí dây phân pha 53

Hình vẽ 2-15: mô hình CAPBLE DATA 54

Hình vẽ 2-16: cửa sổ lựa chọn thong số xây dựng mô hình riêng 54

Hình vẽ 2-17: phần tử Load Flow Option 56

Hình vẽ 3-1: Hệ thống điện đơn giản 58

Hình vẽ 3-2: đồ thị vector điện áp nút 58

Hình vẽ 3-3: Hiệu ứng Ferranti 59

Hình vẽ 3-4: Hiện tượng tự kích của máy phát 59

Hình vẽ 3-5: Tỉ số quá điện áp trên pha còn lại khi ngắn mạch 1 pha 61

Hình vẽ 3-6: Sóng đóng máy cắt 63

Hình vẽ 3-7: Hiện quá độ do cắt máy cắt 63

Hình vẽ 3-8:Sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không 64

Hình vẽ 3-10: hiện tượng cảm ứng dòng điện sét 66

Hình vẽ 3-11: điện áp phục hồi dạng mũ 67

Hình vẽ 3-12: điện áp phục hồi dạng dao động 68

Hình vẽ 3-13: điện áp phục hồi dạng tam giác 68

Hình vẽ 3-14: ngắn mạch gần trên đường dây 69

Hình vẽ 3-15: TRV phía nguồn, đương dây và TRV qua máy cắt 70

Hình vẽ 3-16: công suất làm mát máy cắt SF6, mô hình hồ quang Mayr 71

Hình vẽ 3-17: Sơ đồ thay thế đơn giản mạch điện có máy cắt kháng 72

Hình vẽ 3-18: Các quá trình xảy ra khi cắt kháng .74

Hình vẽ 3-19: Dòng điện và điện áp qua máy cắt kháng 75

Hình vẽ 3-20: Đường cong từ hóa và vòng lặp trễ từ của lõi thép máy biến áp 76

Hình vẽ 3-22: Mạch cắt dòng điện dung lớn 77

Hình vẽ 3-23: Phóng lặp lại trong máy cắt khi cắt dòng điện dung 80

Hình vẽ 3-24:Khung thời gian sự cố và thời điểm mở máy cắt D1, D2 83

Hình vẽ 4-1:Giá trị TRV_max của máy cắt NĐ.Vũng Áng 93

Hình vẽ 4-2: Giá trị TRV_max của máy cắt Đà Nẵng 94

Hình vẽ 4-3:Sóng TRV_max của máy cắt NĐ.Vũng Áng và Đà Nẵng (Trước khi áp dụng phương pháp hạn chế TRV) 95

Hình vẽ 4-4:Sóng TRV_max của máy cắt NĐ.Vũng Áng và Đà Nẵng (khi kéo dài thời gian loại trừ sự cố) 96

Hình vẽ 4-5: điện áp hai đầu máy cắt phía NĐ.Vũng Áng (Trước khi áp dụng phương pháp hạn chế TRV) 97

Hình vẽ 4-6: điện áp hai đầu máy cắt phía NĐ.Vũng Áng (khi kéo dài thời gian loại trừ sự cố) 98

Hình vẽ 4-7: điện áp hai đầu máy cắt phía Đà Nẵng (Trước khi áp dụng phương pháp hạn chế TRV) 99

Hình vẽ 4-8: điện áp hai đầu máy cắt phía Đà Nẵng (khi kéo dài thời gian loại trừ sự cố) 100

Hình vẽ 4-9: Giá trị TRV_max của máy cắt NĐ.Vũng Áng 101

Hình vẽ 4-10:Giá trị TRV_max của máy cắt Đà Nẵng 102

Hình vẽ 4-11: Sóng TRV_max của máy cắt NĐ.Vũng Áng và Đà Nẵng (Trước khi áp dụng phương pháp hạn chế TRV) 103

Hình vẽ 4-12:Sóng TRV_max của máy cắt NĐ.Vũng Áng và Đà Nẵng (khi kéo dài thời gian loại trừ sự cố) 104

Hình vẽ 4-13: điện áp hai đầu máy cắt phía NĐ.Vũng Áng (Trước khi áp dụng phương pháp hạn chế TRV) 105

Hình vẽ 4-14: điện áp hai đầu máy cắt phía NĐ.Vũng Áng (khi kéo dài thời gian loại trừ sự cố) 106

Hình vẽ 4-15: điện áp hai đầu máy cắt phía Đà Nẵng (Trước khi áp dụng phương pháp hạn chế TRV) 107

Hình vẽ 4-16: điện áp hai đầu máy cắt phía Đà Nẵng (khi kéo dài thời gian loại trừ sự cố) 108

Hình vẽ 4-17: Giá trị TRV_max của máy cắt NĐ.Vũng Áng 110

Hình vẽ 4-18: Giá trị TRV_max của máy cắt Đà Nẵng 111

Hình vẽ 4-19: Sóng TRV_max của máy cắt NĐ.Vũng Áng và Đà Nẵng (khi kéo dài thời gian loại trừ sự cố+thay thế CSV) 112

Hình vẽ 4-20: điện áp hai đầu máy cắt phía NĐ.Vũng Áng (khi kéo dài thời gian loại trừ sự cố+thay thế CSV) 113Hình vẽ 4-21: điện áp hai đầu máy cắt phía Đà Nẵng (khi kéo dài thời gian loại trừ

sự cố+thay thế CSV) 114

MỞ ĐẦU Quá độ điện từ là quá trình đặc biệt xảy ra trong hệ thống điện khi hệ thống

điện chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác Tuy xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn, nhưng quá độ điện từ đôi khi lại có thể gây ra những tác động vô cùng lớn đối với hoạt động của các phần tử cũng như toàn bộ hệ thống điện Một trong những tác động nguy hiểm đối với hệ thống điện do quá độ điện từ gây ra chính là hiện tượng quá áp Tuy nhiên việc nghiên cứu các hiện tượng này lại gặp rất nhiều khó khăn, do đây là quá trình diễn ra rất nhanh và phức tạp

Trong bản luận văn này, tác giả tiến hành nghiên cứu các quá trình quá độ điện

từ và tập trung vào hiện tượng quá độ điện áp đóng cắt, cũng như đề xuất một số phương pháp hạn chế giá trị Điện áp phục hồi quá độ (TRV) máy cắt trên hệ thống điện 500kV Việt Nam

Để thực hiện nghiên cứu tác giả sử dụng phần mềm EMTP_RV, là một trong những chương trình tính toán các quá trình quá độ điện từ được sử dụng ở Việt Nam hiện nay

CHƯƠNG 1: CÁC QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 VẤN ĐỀ QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1.1 Quá độ điện từ trong hệ thống điện

Hệ thống điện được hình thành nhằm phục vụ mục đích truyền tải và phân phối điện năng được sinh ra từ các nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ một cách an toàn và tin cậy Các dây dẫn được sử dụng để truyền tải điện năng, các máy biến áp được sử dụng để biến đổi điện áp và các máy phát được sử dụng để biến đổi từ cơ năng thành điện năng Nhắc đến điện năng, chúng ta thường nhắc đến việc dòng điện đi qua các dây dẫn từ máy phát để đến với các hộ tiêu thụ Điều này là hoàn toàn đúng đắn khi đem so sánh khoảng cách vật lý của hệ thống điện với chiều dài bước sóng của điện áp và dòng điện, ví dụ với tần số 50Hz, bước sóng sẽ là 6000km Đây chính là cơ sở cho phép ta áp dụng các định luật Kirchhoff về dòng điện và điện áp và sử dụng các phần tử tập trung trong mô phỏng hệ thống điện

Nhưng thực tế, điện năng được truyền tải trong môi trường đặc biệt- Môi trường điện từ, chính là môi trường xung quanh vật dẫn điện

Tùy thuộc vào trạng thái tương đối của môi trường, người ta chia trạng thái vận hành của hệ thống điện thành hai chế độ: chế độ xác lập và chế độ quá độ Chế

độ xác lập là chế độ vận hành ổn định của các thông số trạng thái hệ thống quanh một giá trị nhất định gọi là điểm cân bằng Chế độ quá độ xuất hiện khi hệ thống thay đổi từ một chế độ xác lập này sang một chế độ xác lập khác Nó có thể là trường hợp sét đánh xuống đất trong vùng lân cận một đường dây truyền tải điện cao áp hoặc khi sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp Tuy nhiên, phần lớn CĐQĐ trong hệ thống truyền tải điện lại là do hoạt động chuyển mạch Hoạt động này có thể là thao tác đóng cắt máy biến áp dưới tải hoặc không tải, đóng/cắt kháng bù ngang trong chế độ phụ tải min/max hoặc cắt đường dây sự cố (cô lập sự cố) Thời gian khi dao động dòng điện và điện áp quá độ xảy ra là khoảng từ μs đến ms

Vì vậy, đối với việc phân tích chế độ xác lập trào lưu công suất, khi mà tần số

là hằng số 50 hoặc 60Hz, ta có thể sử dụng tính toán số phức và thay thế pha để

biểu diễn điện áp và dòng điện Tuy nhiên đối với các quá trình quá độ, khi mà tần

số có thể đạt đến kHz, MHz và thay đổi một cách tức thì, thì các tính toán bằng số phức và thay thế pha không thể áp dụng được nữa Thêm vào đó, mô hình thay thế tập trung của các phần tử cũng cần được áp dụng một cách thận trọng Ví dụ trong trường hợp máy biến áp, dưới điều kiện vận hành bình thường, tỉ số biến áp là tỉ số giữa số vòng dây của quận sơ cấp và cuộn thứ cấp Tuy nhiên, đối với sóng sét, điện dung kí sinh của các cuộn dây và điện dung kí sinh giữa 2 cuộn dây sẽ xác định tỉ số biến Và như vậy là đối với 2 trạng thái vừa nêu, máy biến áp lại cần được mô phỏng bằng hai mô hình riêng Điều đó có nghĩa là, khi mà chúng ta không thể sử dụng mô hình phần tử tập trung, mà ở đó, kháng điện biểu diễn cho từ trường, tụ điện biểu diễn điện trường và điện trở biểu diễn cho tổn thất, thì chúng ta phải phân tích sóng truyền, sử dụng các mô hình khác phù hợp hơn

1.1.2 Phân loại

Như đã đề cập ở trên, chế độ xác lập là chế độ vận hành ổn định của hệ thống điện là chế độ vận hành thường xuyên và mong muốn của hệ thống Tuy nhiên, trong quá trình vận hành không thể tránh khỏi trạng thái quá độ Nguyên nhân dẫn đến quá trình quá độ có thể biết trước như: đóng cắt vận hành, sa thải phụ tải hoặc ngẫu nhiên như: sét đánh, ngắn mạch,.v.v… Các quá trình quá độ điện từ xuất phát

từ các nguyên nhân khác nhau cũng rất khác nhau về bản chất Chính vì vậy việc tìm hiểu, phân loại các QTQĐ trong hệ thống điện để từ đó có các phương pháp mô phỏng chính xác là công việc quan trọng đầu tiên Các quá trình dao động điện từ khác nhau rất khác nhau về tần số dao động

Bảng 1-1: Tần số dao động của một số quá trình quá độ điện từ

Quá trình quá độ điện từ Khoảng tần số dao động

Hình vẽ 1-1: Khoảng tần số dao động của các dạng sóng

Tuy nhiên, có thể phân loại các quá trình quá độ điện từ thành các nhóm tần số như trình bày trong Bảng 1-2

Bảng 1-2: Phân loại các nhóm tần số của các quá trình quá độ điện từ

Nhóm Khoảng tần số dao động Dạng sóng Nguên nhân tiêu biểu

1 0,1 Hz – 3 kHz Dao động tần số thấp Quá điện áp tạm thời

2 50/60 Hz – 20 kHz Sóng chậm Quá điện áp đóng cắt

3 10 kHz – 3 MHz Sóng nhanh Quá điện áp sét

4 100 kHz – 50 MHz Sóng cực nhanh Quá điện áp phóng điện lặp lại

1.1.3 Tác động của quá độ điện từ đến vận hành hệ thống điện

Với mỗi nhóm các quá trình quá độ điện từ sẽ có các tác động khác nhau đến chế độ làm việc của các thiết bị cũng như của cả hệ thống Tác động này hầu hết là các tác động xấu đến việc vận hành an toàn và kinh tế của hệ thống điện Chúng làm thay đổi các thông số trạng thái hệ thống, làm mất cân bằng vốn có trong hệ thống

từ trạng thái xác lập Các thay đổi này có thể diễn ra từ khoảng vài phần triệu giây cho đến vài phần chục giây Hậu quả của chúng có thể là rất nghiêm trọng như:

hỏng hóc, cháy nổ thiết bị, tan rã hệ thống hoặc có thể chỉ là thay đổi chế độ vận hành của hệ thống sang một chế độ xác lập mới

Chính vì vậy, việc mô phỏng và tính toán đầy đủ và chính xác các ảnh hưởng của từng quá trình quá độ lên hệ thống điện là rất cần thiết để có các đánh giá tác động từ đó xây dựng các biện pháp hạn chế và ngăn chặn tối đa các ảnh hưởng này

1.2 HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN MÔ TẢ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ ĐIỆN

TỪ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.2.1 Vấn đề mô phỏng quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện

Chế độ quá độ là chế độ vận hành bất thường của hệ thống điện có thể xác định trước hoặc ngẫu nhiên, tuy nhiên lại đều mang một số đặc điểm chung sau:

ƒ Trong CĐQĐ, do mất cân bằng công suất, mômen quay rotor của các máy phát thay đổi, dẫn đến sự biến thiên thông số trạng thái (điện và từ) của hệ thống Góc pha và biên độ các sức điện động thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào quy luật chuyển động cơ học (có quán tính) của các máy điện quay Trong khi

ở CĐXL, các sức điện động được coi là không đổi

ƒ Quán tính điện từ trong các cuộn dây điện cảm của máy phát, máy kích từ và các hệ thống tự động điều chỉnh gây ra QTQĐ điện từ phức tạp cũng cần phải xem xét đến trong CĐQĐ

ƒ Phản ứng của các phần tử phi tuyến cao trong hệ thống (bão hòa từ, trễ từ trong lõi thép máy biến áp, chống sét van, các phần tử phụ thuộc tần số)

Do những yếu tố phức tạp kể trên, hệ phương trình vi phân đầy đủ mô tả QTQĐ trong hệ thống điện là hệ phi tuyến cấp cao Do đó cần có sự biến đổi hoặc đơn giản hóa mô hình theo các mức độ khác nhau để phù hợp với mục đích và yêu cầu của bài toán Trong đó, các phần tử của hệ thống điện sẽ được mô phỏng theo từng cách khác nhau cho những trường hợp khác nhau

Trong các phần sau đây sẽ lần lượt mô tả chi tiết việc mô phỏng từng phần tử chính trong hệ thống điện được sử dụng để tính toán và phân tích các QTQĐĐT

1.2.2 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ điện từ trong máy phát

a'

c b'

Stator

Rotor s

θ ω

Hình vẽ 1-2: cấu tạo máy phát điện đồng bộ

Hình vẽ 1-2 thể hiện cấu tạo của một máy phát điện đồng bộ 3 pha cực lồi Máy phát điện gồm 2 phần chính là: phần cảm và phần ứng

ƒ Phần cảm có cấu tạo chủ yếu là cuộn dây kích từ được cuốn quanh một khối kim loại gọi là rotor Cuộn dây kích từ này nhận dòng điện một chiều từ bên ngoài, khi quay quanh trục tạo ra từ trường biến thiên Ngoài ra, trên rotor của máy phát điện còn có các cuộn cản

ƒ Phần ứng là 3 cuộn dây được đặt lệch nhau các góc 120° trên thành của máy phát gọi là stator Các cuộn dây này nhận được từ trường biến thiên và sinh ra dòng điện xoay chiều

Có thể thấy rằng, máy phát điện đồng bộ là một phần tử phức tạp, tất cả các hiện tượng đều là kết quả của các quá trình trao đổi giữa từ trường và điện trường

Do đó, việc phân tích QTQĐ máy phát điện đồng bộ phụ thuộc vào khoảng tần số

Trôc d Trôc pha b

Trôc pha a

Trôc pha c

s

θ ω

Hình vẽ 1-3 minh họa các mạch được mô phỏng trong phân tích máy phát

đồng bộ Mạch stato bao gồm các cuộn dây phần ứng 3 pha và mạch rotor bao gồm

các cuộn dây kích từ và các cuộn cản Mặc dù có nhiều mạch cản được thể hiện

trong phân tích máy phát điện đồng bộ, tuy nhiên giới hạn số lượng các mạch phụ

thuộc vào kiểu rotor và khoảng tần số kích thích Thông thường, ảnh hưởng của cản

dịu được thể hiện bởi 3 cuộn cản bao gồm: 1 ở trục d, và 2 cuộn ở trục q Do đó,

mạch rotor có 3 cuộn cản

Hệ phương trình mô phỏng quá trình quá độ trong máy phát do đó, dựa vào

giả thiết này sẽ có các điều kiện sau:

ƒ Lực từ động (mmf-magnetomotive force) trong khe hở không khí được phân

bố hình sin và sự không đồng đều của khe hở không khí được bỏ qua

ƒ Ảnh hưởng của các rãnh stato lên điện cảm rotor được bỏ qua

ƒ Hiện tượng trễ từ được bỏ qua

ƒ Ảnh hưởng của bão hòa từ được bỏ qua

Với các giả thiết trên, phần sau đây sẽ trình bày cách thiết lập hệ phương trình

vi phân mô phỏng quá trình quá độ điện từ trong máy phát điện đồng bộ

ψ = ⎣ ⎡ψ ψ ψ ψ ⎤ ⎦: từ thông móc vòng trong các cuộn dây rotor

Lss: điện cảm stator-stator (tự cảm stator)

Lsr, Lrs: điện cảm stator-rotor, rotor-stator (hỗ cảm)

Lrr: điện cảm rotor-rotor (tự cảm rotor)

a Điện cảm stator-stator

Từ thông sinh ra bởi cuộn dây stator đi qua lõi sắt stator, qua khe hở không khí

trước khi đi qua lõi sắt rotor và sau đó quay trở lại khe hở không khí Từ dẫn của từ

thông biến thiên theo vị trí của rotor do sự không đồng đều của khe hở không khí,

cả điện cảm riêng và điện cảm tương hỗ của mạch stator đều biến đổi theo vị trí của

rotor Điều này không chỉ đúng với rotor cực lồi mà còn rotor cực ẩn Sự biến thiên

của từ dẫn có thể biểu diễn xấp xỉ bằng:

Hình vẽ 1-4: Biến thiên của từ dẫn

Tự cảm của cuộn dây pha a - laa bằng tổng của tự cảm lgaa của pha a do từ

thông khe hở không khí và điện cảm tổn thất lal thể hiện từ thông tổn thất không qua

khe hở không khí:

aa al gaa

lgaa tương ứng với từ dẫn của từ thông được mô tả ở trên và biến thiên điều

hòa Và có thể được tình bằng từ thông móc vòng qua khe hở không khí của pha a,

khi chỉ có pha a được kích thích

Đặt MMFa là mmf của pha a, có phân bố hình Sin với biên độ là Naia ở trên

trục pha a Trong đó, Na là số vòng dây MMFa có thể được phân tích thành hai mmf

phân bố hình Sin trên hai trục d và trục q Việc phân tích này được minh họa trong

Hình vẽ 1-5, giá trị của hai sóng thành phần là:

os sin

Thay biểu thức (7) vào biểu thức (3) ta có giá trị tự cảm của cuộn dây pha a

= + +

Tính toán tương tự với các cuộn dây pha b và c, nhưng lệch đi các góc 120° và

240°, ta được tự cảm của các cuộn dây pha b và pha c lần lượt như sau:

bb 0 bb2

0 bb2

2os2

32

32

Tương tự như điện cảm riêng, điện cảm tương hỗ giữa bất kỳ hai cuộn dây nào

cũng biến thiên điều hòa theo hình dạng của rotor Điện cảm tương hỗ đạt giá trị

cực đại khi cực bắc và nam nằm ở trung điểm của hai cuộn dây tương ứng

Điện cảm tương hỗ giữa hai cuộn dây pha a và pha b có thể được xác định

bằng từ thông móc vòng qua qua cuộn dây pha b khi chỉ có pha a được kích thích,

hoặc ngược lại Do cuộn dây pha b đặt lệch một góc 120° so với cuộn dây pha a,

nên từ thông móc vòng qua pha b do mmf của pha a được xác định khi thay thế θ

trong biểu thức (6) bằng giá trị 2

N l

i

φ

πθ

Lưu ý rằng, có lượng nhỏ của từ thông không móc vòng qua khe hở không

khí Bằng cách thêm vào điện cảm thể hiện lượng từ thông này, điện cảm tương hỗ

giữa pha a và pha b bằng:

θπθ

Từ các biểu thức (8) và (13) nhận thấy rằng Lab2 = Laa2 Điều này phù hợp với

thực tế là sự biến thiên của từ dẫn của từ thông do rotor sinh ra khi chuyển động đều

tạo ra điện cảm tương hỗ và điện cảm riêng biến thiên điều hòa

Ma trận điện cảm stator-stator có thể được viết như sau:

Do ảnh hưởng của các rãnh stator được bỏ qua, nên mạch rotor có thể coi là có

từ dẫn hằng số Do đó, sự biến thiên của điện cảm chỉ do sự chuyển động của các

cuộn dây

Do sự phân bố hình sin của mmf và từ thông, nên điện cảm tương hỗ giữa các

cuộn dây rotor và cuộn dây pha a như sau:

aF aF

aD aD

osos

θθ

=

1 1 1

2 2 2

os 2 sin

-os 2 sin

Tương tự đối với cuộn dây pha a, biểu thức điện cảm tương hỗ giữa các cuộn

dây rotor và các cuộn dây pha b và c lần lượt lệch đi các góc 2

3

π

∓ Do đó, ma trận điện cảm stator-rotor như sau:

Như đã nói ở trên, mạch rotor có thể coi có từ dẫn là hằng số, do đó điện cảm

riêng và điện cảm tương hỗ giữa các cuộn dây rotor với nhau không thay đổi theo vị

trí của rotor, và là hằng số Ma trận điện cảm rotor-rotor là hằng số và có thể viết

như sau:

ψψ

Q Q

R R R

R R

Lưu ý rằng, máy điện đồng bộ cũng được xem xét giống trong trường hợp máy

phát điện với các qui ước chiều dòng điện và điện áp như minh họa trong Hình vẽ

1-6 Biểu thức điện áp cũng có thể áp dụng cho trường hợp động cơ đồng bộ một

Hình vẽ 1-6: Chiều dòng điện quy ước cho máy phát và động cơ

Thay thế biểu thức (1) vào biểu thức (21) và viết lại dưới dạng ma trận ta có:

00

Biểu thức (22) cho ta một hệ đủ xác định QTQĐ diễn ra trong các cuộn dây

của máy phát điện

1.2.2.3 Biến đổi Park

Mặc dù việc giải hệ phương trình vi phân từ (22) có thể thực hiện bằng một số

phương pháp, tuy nhiên thực tế công việc này là rất phức tạp và khó khăn Do các

điện cảm riêng và điện cảm tương hỗ đều là những hàm phi tuyến và phụ thuộc vào

góc quay θ, biến thiên theo thời gian Do đó để đơn giản cách giải người ta thực

hiện các phép biến đổi hệ phương trình vi phân trên (hệ số biến thiên theo thời gian)

thành hệ phương trình vi phân có hệ số hằng) Các phép biến đổi này được thực

hiện lần đầu tiên bởi các nhà bác học Gorev và Park Hệ phương trình vi phân nhận

được sau khi biến đổi gọi là hệ phương trình Gorev-Park (hệ phương trình viết trong

tọa độ quay) Thực chất của việc chuyển hệ phương trình QĐĐT từ hệ tọa độ vuông

góc sang hệ tọa độ quay là phép biến đổi toán học chặt chẽ nhằm đưa hệ phương

trình vi phân về dạng tuyến tính hệ số hằng Tuy nhiên kết quả của nó lại có ý nghĩa

hình học gắn liền với cách chọn hệ trục tọa độ quan sát mới: hệ tọa độ gắn chặt với

trục quay của rotor Phép biến đổi này được áp dụng như sau:

f : là các biến pha stator có thể là điện áp, dòng điện hoặc từ thông của các

cuộn dây stator

0

dq

f : là các biến mới

[ ]

0 0 0

a Biểu thức liên kết từ thông

Do trục tọa độ được gắn với rotor, nên các biến của rotor không thay đổi sau

phép biến đổi Lúc này biểu thức liên kết từ thông được biến đổi như sau:

1

4 4

0

' '

0 '

00

00

0 aa0 0

32322

1 2 '

aQ1 aQ2

3

23

2

d

d rs

q

q

L k

L k L

Biểu thức (28) chỉ ra rằng phép biến đổi đã đưa các cuộn dây stator về các

cuộn dây dq0 ảo Từ các biểu thức ở trên nhận thấy rằng, dòng điện thứ tự không

chạy trong cuộn dây 0 không xuất hiện trong các cuộn dây rotor và có thể được bỏ

qua trong các điều kiện cân bằng Cuộn dây ảo d gắn với trục d, cuộn dây q gắn với

trục q, như minh họa trong Hình vẽ 1-7

Q1 Q2

D F Trôc d

Trôc q

Từ các biểu thức ở trên nhận thấy rằng, điện cảm tương hỗ stator-rotor và điện

cảm tương hỗ rotor-stator sẽ chỉ bằng nhau khi có điều kiện sau:

2 2 2 2,

ψθ

k k k X

Trong đó d

dt

θ

ω=

Biểu thức (38) tương tự biểu thức (21), ngoại trừ thành phần ω[ ]X ψ được dq0

gọi là điện áp quay Thành phần này là kết quả của phép biến đổi từ tọa độ tĩnh sang

tọa độ quay, và thể hiện thực tế là từ thông quay đồng bộ với rotor tạo nên điện áp

trong lõi dây phần ứng tĩnh

Như đã đề cập ở trên biểu thức điện áp rotor không thay đổi

1.2.3 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền sóng trên đường dây

trên không

Giả thiết các dây dẫn được căng song song với mặt đất và phân bố đồng đều

Phương trình trong miền thời gian của đường dây đơn như sau:

v(x,t) và i(x,t) lần lượt là điện áp và dòng điện

R, L, G và C là các thông số đường dây trên một đơn vị chiều dài

Hình vẽ 1-8: Đường dây trên không 1 dây dẫn

Đối với đường dây trên không ba pha có nhiều dây dẫn cũng có phương trình

tương tự Tuy nhiên, ngoài những thành phần tương tự như đối với trường hợp 1

dây dẫn, còn có các thành phần liên quan giữa các dây dẫn với nhau Do đó, R, L, G

và C là các ma trận thông số đường dây trên một đơn vị chiều dài

Đối với mô hình cần độ chính xác, các thông số này sẽ được biểu diễn phụ

thuộc vào tần số, tuy nhiên C có thể giả thuyết là hằng số và G thường được bỏ qua

Các phản ứng của đường dây trên không có nhiều dây dẫn được mô tả trong miền

thời gian bằng hệ phương trình ma trận sau:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Z ω v Y ω lần lượt là các ma trận tổng trở nối tiếp và tổng dẫn song song

trên một đơn vị chiều dài

Ma trận tổng trở nối tiếp của đường dây trên không được phân tích thành:

Trong đó thành phần G liên quan tới dòng điện dò xuống đất qua các chuỗi

cách điện, chủ yếu xuất hiện khi các cách điện bị nhiễm bẩn Giá trị của chúng

thường được bỏ qua ở hầu hết các nghiên cứu; tuy nhiên, dưới ảnh hưởng của vầng

quang, giá trị của điện dẫn có thể được kể đến Đối với các trường hợp còn lại, khi

không kể đến điều kiện vầng quang, với cách điện sạch và thời tiết khô ráo, điện

dẫn có thể được bỏ qua Đối với thành phần C, không phụ thuộc vào tần số trong

khoảng tần số được dùng để thiết kế đường dây trên không

Các biểu thức (39) và (40) cho một hệ đủ xác định quá trình truyền sóng trên

đường dây trên không Tuy nhiên trong các trường hợp cụ thể hệ phương trình vi

phân này sẽ khác nhau do các thông số đường dây được sử dụng khác nhau

1.2.4 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền sóng trong cáp

Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền sóng diễn ra trong cáp cách

điện về cơ bản giống với trường hợp đường dây trên không

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Các thông số của cáp được tính toán về cơ bản dựa trên các thông số đầu vào

về cấu hình và thuộc tính vật liệu Trong đó, các thông số đầu vào về cấu hình bao

gồm:

ƒ Vị trí sắp xếp của mỗi cáp

ƒ Bán kình trong và ngoài của mỗi cáp

ƒ Độ chôn sâu của cáp

Các thông số đầu vào về thuộc tính vật liệu bao gồm:

ƒ Điện trở suất ρ, và độ từ thẩm μ của phần dẫn điện

ƒ Điện trở suất và độ từ thẩm của môi chất xung quanh

ƒ Độ từ thẩm của vật liệu cách điện

Hiện nay, trong hầu hết các chương trình tính toán quá độ điện từ đều sử dụng

các chương trình con tính toán thông số cáp

1.2.5 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền sóng máy biến áp

Bên cạnh đường dây trên không và cáp, các máy biến áp cũng là các phần tử

quan trọng nhất trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng Do đó, việc mô

phỏng chính xác máy biến áp cho các tính toán quá độ điện từ là rất quan trọng Tuy

nhiên, công việc này lại rất phức tạp và thường phụ thuộc vào loại hình quá độ điên

từ diễn ra thực tế Ví dụ, có quá trình quá độ khi tính toán đòi hỏi mô phỏng phản

những quá độ tần số cao, lại đòi hỏi mô phỏng đầy đủ các điện dung Chính vì vậy, không phải tất cả các thuộc tính của máy biến áp đều được sử dụng cho mọi loại quá độ, mà tùy thuộc vào từng tính toán cụ thể, các mô phỏng máy biến áp sẽ khác nhau Tuy nhiên, ở đây sẽ trình bày mô phỏng máy biến áp cho hai nhóm quá độ điện từ tiêu biểu là:

ƒ Quá độ tần số thấp và đóng cắt

ƒ Quá độ nhanh và cực nhanh

1.2.5.1 Mô phỏng máy biến áp cho các quá trình quá độ điện từ tần số thấp và quá

độ đóng cắt

Trong các tính toán quá trình quá độ tần số thấp và quá độ đóng cắt việc mô phỏng ảnh hưởng của các hiện tượng bão hòa và dòng điện xoáy là rất quan trọng Các ảnh hưởng của bão hòa được thêm vào bằng các nhánh điện trở và điện cảm phi tuyến Một điện cảm với các ảnh hưởng của từ trễ (gọi là pseudononlinear hysteresis reactor-điện kháng trễ phi tuyến giả trong) cũng được phát triển Một thay thế chính xác các ảnh hưởng dòng điện xoáy và dòng từ trễ, của ảnh hưởng bề mặt của các cuộn dây, và của điện dung rò vẫn là rất khó cho đến bây giờ

Đối với máy biến áp 1 pha 2 cuộn dây, sơ đồ thay thế hình T đã được sử dụng

từ rất lâu Tuy nhiên, đối với hiện tượng quá độ việc sử dụng sơ đồ thay thế hình π

sẽ tốt hơn, do có mối liên hệ với các thành phần vật lý Nhưng các thông tin cần thiết để xác định các thông số trong cả 2 sơ đồ là như nhau

Hình vẽ 1-9: Mô hình mạch hình T của MBA một pha

Hình vẽ 1-10: Mô hình mạch hình pi của MBA một pha

Thông thường, các mô hình đều được kết hợp thêm các nhánh song song Trong đó, điện kháng phi tuyến Lm biểu diễn hiện tượng bão hòa sắt từ, còn điện trở hằng Rm biểu diễn tổn thất lõi sắt Đối với các quá trình quá độ tần số cao hơn, cần phải kể đến ảnh hưởng của hiện tượng trễ từ

Đối với máy biến áp ba pha hai cuộn dây, mô hình thay thế sẽ phức tạp hơn Trong đó, cần mô phỏng thuộc tính cũng như cấu hình của cuộn dây và lõi sắt từ Cấu hình sẽ cho ta biết cách thức các cuộn dây và lõi sắt từ sắp xếp bên trong máy biến áp Từ đó mới thiết lập được mạch mô phỏng máy biến áp một cách chính xác Mỗi cấu hình khác nhau sẽ có một mô hình mạch khác nhau Sau đó, để xác định thông số của các phần tử trong mô hình mạch, người ta dựa vào kết quả của các thí nghiệm ngắn mạch và không tải

Hình vẽ 1-11: Mô hình mạch điện của máy biến áp 3 pha 3 trụ

Hình vẽ 1-12: Mô hình máy biến áp 3 cuộn dây

Hình vẽ 1-12 trình bày mô hình mạch cho máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây bằng việc mô phỏng thành 3 máy biến áp 2 cuộn dây

1.2.5.2 Mô phỏng máy biến áp cho các quá trình quá độ điện từ nhanh và cực nhanh

Mô hình mạch tiêu biểu cho một đoạn cuộn dây máy biến áp đơn được thể hiện trên Hình vẽ 1-13

Hình vẽ 1-13: Mô hình mạch trên một đơn vị chiều dài của cuộn dây MBA

Trong đó:

L: là điện cảm nối tiếp

R: là điện trở nối tiếp

Cs : là điện dung nối tiếp

Rs : là thành phần tổn thất của Cs

Cg : là điện dung với đất

Rg : là thành phần tổn thất của Cg

Mô hình có thể được mô tả bằng thông số phân bố dựa trên lý thuyết đường

dây dài hoặc kết nối hình thang của các thông số tập trung Với phân tích quá độ

nhanh thường mô phỏng từng lõi cuộn dây, trong khi đó với phân tích quá độ cực

nhanh có thể phải mô phỏng đến từng vòng dây Do đó mô hình mạch cuối cùng có

thể là rất lớn và tính toán rất phức tạp

Hiện tượng truyền sóng dọc theo cuộn dây có thể được thể hiện chính xác

bằng mô hình thông số phân bố Tuy nhiên, cần bổ sung thêm phần mô phỏng điện

cảm giữa các vòng dây Mô hình dựa trên lý thuyết đường dây dài nhiều dây dẫn

đầu tiên được đề xuất bởi Rabins và được phát triển cho máy điện bởi Guardado và

Cornick đã thành công trong việc đưa thành phần hỗ cảm giữa các vòng dây vào mô

hình thông số phân bố

Hình vẽ 1-14: Mô hình đường dây truyền tải nhiều dây dẫn cho MBA

Thành phần hỗ cảm này là thông số quan trọng khi tính toán điện áp nội bộ

Trong mô hình này mỗi dây dẫn thể hiện cho một vòng dây hoặc một búi dây Kết

nối được thực hiện giữa phần cuối của đoạn này với phần đầu của đoạn tiếp theo tạp

nên kết nối zigzag Kết quả là:

( 1) ( 1), 1 1

=

Tuy nhiên, khi mà yêu cầu không đòi hỏi việc xác định mức độ ảnh hưởng của

điện áp dọc theo các cuộn dây máy biến áp, thì có thể áp dụng phương pháp mạng

nhiều cửa

Chống sét van được lắp đặt trước các thiết bị để hạn chế các kiểu quá điện áp

khác nhau xuống dưới mức cách điện của thiết bị Trong chế độ vận hành bình

thường, chống sét van gần như được hở mạch, khi xảy ra quá áp CSV sẽ hạn chế

điện áp xuống dưới mức an toàn, và sẽ quay về trạng thái ban đầu khi hết quá trình

quá độ điện áp Chính vì vậy mà CSV có điện trở rất lớn khi hệ thống vận hành bình

thường, và điện trở nhỏ khi quá điện áp quá độ, đó chính là do CSV có đặc tính V-I

phi tuyến

Hình vẽ 1-15: Đặc tính V-I của ZnO và SiC

Có hai kiểu CSV chính bao gồm: CSV kiểu tràn và CSV kiểu van Trong đó,

CSV kiểu tràn hiện nay đã ngừng sản xuất CSV kiểu van bao gồm các điện trở phi

tuyến hoạt động như các van trước tác dụng của điện áp, và có hai loại: CSV carbon

silic (silicon carbide-SiC) và oxid kim loại (metal oxide-MO ví dụ như ZnO- Oxid

kẽm)

Đặc tính V-I phi tuyến của CSV có công thức dạng:

I =kVα (47) Trong đó:

I: là dòng điện qua CSV

V: là điện áp đặt lên CSV

k: là hằng số phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điện trở phi tuyến

α: là thành phần đặc trưng cho đặc tính phi tuyến, phụ thuộc vào vật liệu chế

tạo điện trở phi tuyến Đối với điện trở phi tuyến làm bằng SiC, α thường là 5,

còn với ZnO α thường lớn hơn 30

Đặc tính V-I của CSV có thể được chia thành 3 vùng chính:

ƒ Vùng 1 - dòng điện nhỏ hơn 1mA và có tính dung dẫn

ƒ Vùng 2 - từ 1mA đến khoảng 1000 hoặc 2000A và mang tính điện trở

ƒ Vùng 3 – từ 1kA đến 100kA Dòng điện gần như quan hệ tuyến tính với điện

áp, CSV như một điện trở thuần túy

Hình vẽ 1-16: Đặc tính tiêu biểu của một CSV Oxid kim loại

Ngoài ra, đặc tính V-I còn phụ thuộc vào dạng sóng của dòng điện, với thời

gian quá độ nhanh hơn thì điện áp đỉnh sẽ lớn hơn Mô hình chống sét van độc lập

về tần số thường chỉ phù hợp với mô phỏng ở tần số thấp Tuy nhiên, khi mô phỏng

ở tần số cao, cần sử dụng mô hình phụ thuộc vào tần số

Trong các tài liệu xuất xưởng của CSV, đặc tính V-I thường được cho dưới

dạng một số đoạn hàm mũ gép lại, mỗi đoạn lại có thể được xấp xỉ hóa bằng công

thức:

p: là hệ số cho mỗi đoạn đặc tính

Vref: là điện áp tham chiếu

Hiện nay, trong các chương trình tính toán quá độ thường có những chương

trình con cho phép chuyển đổi các điểm trên đường đặc tính V-I thành các phương

trình với các hằng số p, q và Vref như trên

1.2.7 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình hồ quang trong máy cắt

1.2.7.1 Giới thiệu chung về máy cắt

Máy cắt là thiết bị có khả năng dẫn và ngắt dòng điện trong các điều kiện vận

hành bình thường cũng như dẫn điện trong khoảng thời gian nhất định và ngắt dòng

điện trong các điều kiện sự cố như ngắn mạch Một máy cắt lý tưởng có các đặc tính

sau:

ƒ Khi máy cắt đóng, dẫn điện tốt, chịu được tác động nhiệt và cơ khí ở bất kỳ

dòng điện nào nhỏ hơn hoặc bằng dòng điện định mức

ƒ Khi máy cắt mở, cách điện tốt và chịu được điện áp đặt lên các tiếp điểm, điện

áp với đất hoặc điện áp giữa các pha

ƒ Đóng cắt nhanh và an toàn với bất kỳ dòng điện nào nhở hơn hoặc bằng dòng

điện ngắn mạch định mức

Tuy nhiên, thực tế khi máy cắt làm việc còn hình thành hồ quang điện Hồ

quang điện được hình thành trong khoảng thời gian rất ngắn, nhưng lại có tác động

rất lớn đến chất lượng làm việc của máy cắt Chính vì vậy dựa vào cách thức dập tắt

hồ quang, người ta đã chế tạo rất nhiều loại máy cắt khác nhau:

ƒ Máy cắt dầu

ƒ Máy cắt nén khí

ƒ Máy cắt khí SF6

ƒ Máy cắt chân không

Việc lựa chọn máy cắt được dựa trên các chỉ tiêu về kỹ thuật và kinh tế Tuy nhiên, đối với mỗi loại máy cắt lại thường chỉ áp dụng cho một khoảng cấp điện áp nhất định

Việc hình thành giới hạn này là do các giới hạn về khả năng dập tắt hồ quang

ở các cấp điện áp khác nhau trong máy cắt Phần sau đây sẽ trình bày kỹ hơn về sự hình thành cũng như đặc tính của hồ quang trong máy cắt

1.2.7.2 Quá trình hồ quang trong máy cắt

Hồ quang điện, là thành phần duy nhất có khả năng chuyển từ trạng thái dẫn điện sang cách điện trong một thời gian rất ngắn (trừ các thiết bị bán dẫn) Các máy cắt cao áp, hồ quang điện là hồ quang áp suất cao cháy trong dầu, không khí hoặc khí SF6 Trong máy cắt trung áp, thường hồ quang áp suât thấp cháy trong chân không để cắt dòng điện Việc cắt dòng điện được thực hiện bằng cách làm lạnh dòng plasma hồ quang sao cho hồ quang điện được hình thành giữa hai cực của máy cắt sau khi tiếp điểm tách ra biến mất Quá trình làm lạnh này hay gọi là quá trình dập tắt hồ quang có thể được thực hiện bằng nhiều cách Các máy cắt được phân loại tùy thuộc vào môi trường dập hồ quang trong buồng cắt mà tại đó hồ quang xuất hiện

Hồ quang điện trong máy cắt đóng vai trò quan trọng trong quá trình cắt của máy cắt Hồ quang điện là một dòng plasma hình thành giữa hai cực của máy cắt sau khi phóng điện chất khí trong môi trường dập Khi dòng điện chạy qua một máy

SF6

Chân không

Dầu

Nén khíKhông khí

(kV)

cắt và các tiếp điểm bắt đầu tách ra, năng lượng từ trường tích trong điện cảm của

hệ thống cưỡng bức dòng điện chạy qua Ngay trước khi tiếp điểm tách ra, diện tích tiếp xúc các tiếp điểm rất nhỏ dẫn đến mật độ dòng điện tăng cao làm tan chảy vật liệu tiếp điểm Vật liệu tiếp điểm tan chảy hoàn toàn dẫn đến phóng điện trong môi trường xung quanh Khi động năng phân tử vượt quá năng lượng kết hợp, vật liệu chuyển từ thể rắn sang thể lỏng Khi năng lượng tiếp tục tăng do tăng nhiệt độ và vượt qua lực Van der Waals, vật liệu tiếp tục chuyển sang thể khí Việc tăng thêm nhiệt độ dẫn đến các phân tử đơn lẻ càng tăng thêm năng lượng khiến chúng phân ly thành các nguyên tử và nếu mức năng lượng tiếp tục tăng, quỹ đạo electron của các nguyên tử phân ly thành các hạt electron chuyển động tự do, và trở thành các ion dương Đây gọi là trạng thái plasma Do có các hạt electron tự do và các ion dương trong dòng plasma nhiệt độ cao, dòng plasma trở nên có tính dẫn điện cao và dòng điện tiếp tục chạy qua các tiếp điểm ngay cả khi chúng đã tách rời

Kênh plasma của hồ quang điện có thể chia thành 3 vùng: cột hồ quang ở giữa, cột cathode và cột anode (Hình vẽ 1-17) Từ kênh hồ quang, gradient điện thế và phân bố nhiệt độ có thể đo được Trên Hình vẽ 1-17 thể hiện phân bố điện thế điển hình dọc theo một kênh hồ quang giữa hai tiếp điểm máy cắt

ChiÒu dμi khe hë

Hình vẽ 1-17: Phân bố điện thế dọc vùng hồ quang trong máy cắt