Phân tích chế độ làm việc và yêu cầu kỹ thuật máy cắt sử dụng trong hệ thống truyền tải điện

43 Hình 2.14 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt không tải, không điện trở và tại thời điểm xấu nhất .... 44 Hình 2.17 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ phụ tả

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CẮT TRONG LƯỚI TRUYỀN TẢI VIỆT NAM 12

1.1 Các đặc tính kỹ thuật của máy cắt 12

1.2 Quá trình đóng cắt máy cắt 13

1.3 Chế độ làm việc của máy cắt bộ kháng bù ngang 15

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐÓNG – CẮT BỘ KHÁNG BÙ NGANG 18

2.1 Giới thiệu về chương trình tính toán, mô phỏng ATP/EMTP 18

2.1.1 Giới thiệu chung 18

2.1.2 Mô hình hợp nhất các Module mô phỏng trong ATP 20

2.1.3 Mô hình các thiết bị tiêu chuẩn trong ATPDraw 22

2.1.3.1 Nguồn điện (Sources) 22

2.1.3.2 Nhánh (Branch) 24

2.1.3.4 Thiết bị đóng cắt (Switch) 28

2.1.3.5 Máy điện (Machines) 29

2.1.4 Một số ứng dụng quan trọng của ATP/EMTP 30

2.2 Thông số vật lý các phần tử hệ thống điện trong ví dụ mô phỏng 31

2.2.1 Thông số đường dây 31

2.2.2 Thông số thiết bị trạm biến áp 500kV Hiệp Hòa 34

2.2.2.1 Thông số máy biến áp 34

2.2.2.2 Thông số kháng bù ngang 34

2.2.2.3 Phụ tải 34

2.3.2 Mô hình đường dây 36

2.3.3 Mô hình máy biến áp AT1, AT2 38

2.3.4 Mô hình bộ kháng bù ngang 38

2.3.5 Mô hình phụ tải 39

2.3.6 Mô hình máy cắt 40

2.4 Kết quả tính toán, mô phỏng 41

2.4.1 Kiểm tra mô hình mô phỏng 42

2.4.2 Mô phỏng quá trình đóng bộ kháng 42

2.4.2.1 Chế độ vận hành không tải, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha bằng không và không qua điện trở nối tiếp 43

2.4.2.2 Chế độ phụ tải trung bình, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha bằng không và không qua điện trở nối tiếp 44

2.4.2.3 Chế độ vận hành không tải, đóng bộ kháng không qua điện trở nối tiếp và có chọn thời điểm điện áp các pha cực đại 45

2.4.2.4 Chế độ vận hành phụ tải trung bình, đóng bộ kháng không qua điện trở nối tiếp và có chọn thời điểm điện áp các pha cực đại 46

2.4.2.5 Chế độ không tải, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha bằng không và qua điện trở nối tiếp 47

2.4.2.6 Chế độ tải trung bình, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha bằng không và qua điện trở nối tiếp 48

2.4.2.7 Chế độ không tải, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha cực đại và qua điện trở nối tiếp 49

2.4.2.8 Chế độ tải trung bình, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha cực đại và qua điện trở nối tiếp 50

2.4.3 Mô phỏng quá trình cắt bộ kháng 51

2.4.3.1 Cắt bộ kháng có chọn thời điểm 51

2.4.3.2 Cắt bộ kháng không chọn thời điểm 52

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, NHẬN XÉT CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ CÁC KIẾN NGHỊ 53

3.1 Phân tích, nhận xét về việc đóng máy cắt bộ kháng bù ngang không chọn thời điểm đóng 53

3.2 Phân tích, nhận xét về việc đóng máy cắt bộ kháng bù ngang khi chọn thời

điểm đóng (thời điểm điện áp các pha đạt đỉnh) 55

3.3 Phân tích, nhận xét về quá trình cắt bộ kháng 57

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Nội dung, số liệu được tập hợp từ nhiều nguồn khác nhau Thuyết minh, mô phỏng và kết quả tính toán được bản thân tôi thực hiện

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Giang Mạnh Hùng Khóa CH2011B

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cán bộ công nhân viên thuộc Trạm biến áp 500kV Hiệp Hòa, Trạm biếm áp 500kV Sơn La và bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ

và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng

biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt – thầy đã tận tình quan

tâm hướng dẫn giúp đỡ tôi xây dựng và hoàn thành luận văn này

Vì thời gian và kiến thức còn hạn chế bản luận văn này không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để bản luận văn này ngày càng hoàn thiện

Tôi xin chân thành cảm ơn!

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu, chữ viết tắt Ý nghĩa Chú thích

ATP Transient Analysis of Control

Systems EMTP Electro Magnetic Transient

Program

Chương trình nghiên cứu quá độ điện từ

TRV Transient Recovery Voltage Điện áp phục hồi quá độ

ANSI National Standards Institute Viện Tiêu chuẩn Quốc gia

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Dung lượng tính toán mô phỏng của ATP 19

Bảng 2.2 Các loại nguồn trong ATP 24

Bảng 2.3 Các phần tử phi tuyến 25

Bảng 2.4 Các dạng đường dây có thông số tập trung 26

Bảng 2.5 Các loại đường dây có thông số dải (đường dây hoán vị) 26

Bảng 2.6 Các loại đường dây có thông số dải (đường dây không hoán vị) 27

Bảng 2.7 Các phần tử “cable constants” hoặc “line constants” 27

Bảng 2.8 Các loại máy biến áp 28

Bảng 2.9 Các loại thiết bị đóng cắt 29

Bảng 2.10 Các loại máy điện 30

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Quá trình cắt của hệ thống thuần trở, thuần kháng 14

Hình 1.2: Mô hình nguyên tắc xếp chồng quá trình đóng máy cắt 16

Hình 1.3 Dòng điện, TRV và RV 16

Hình 1.4 Quá trình cắt hệ thống thuần kháng 17

Hình 1.5 Sơ đồ biến đổi tương đương của hệ thống điện có máy cắt bộ kháng bù ngang đóng cắt thông qua điện trở 17

Hình 2.1 Mô hình ATP/EMTP 20

Hình 2.2 Mối tương quan giữa ATPDraw và các module khác 21

Hình 2.3 Cửa sổ giao diện của ATPDraw 22

Hình 2.4 Sơ đồ đảo pha đường dây 500kV Sơn La - Hiệp Hòa 33

Hình 2.5: Mô hình và nhập số liệu cho nguồn điện AC 3 pha 35

Hình 2.6: Mô hình và nhập số liệu cho đường dây 37

Hình 2.7: Mô hình và nhập số liệu cho máy biến áp AT1, AT2 38

Hình 2.8 Mô hình và nhập số liệu cho kháng bù ngang 39

Hình 2.9: Mô hình và nhập số liệu cho phụ tải 40

Hình 2.10 Mô hình máy cắt 40

Hình 2.11 Mô hình đường dây 500kV Hiệp Hòa – Sơn La 41

Hình 2.12 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt không tải, không điện trở và tại thời điểm xấu nhất 43

Hình 2.13 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt không tải, không điện trở và tại thời điểm xấu nhất 43

Hình 2.14 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt không tải, không điện trở và tại thời điểm xấu nhất 43

Hình 2.15 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, không điện trở và tại thời điểm xấu nhất 44

Hình 2.16 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, không điện trở và tại thời điểm xấu nhất 44

Hình 2.17 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, không điện trở và tại thời điểm xấu nhất 44

Hình 2.18 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ không tải, không điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất 45

Hình 2.19 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ không tải, không điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất 45

Hình 2.20 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ không tải, không điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất 45

Hình 2.21 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, không điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất 46 Hình 2.22 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, không điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất 46 Hình 2.23 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, không điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất 46 Hình 2.24 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ không tải, có điện trở nối tiếp

và tại thời điểm xấu nhất 47 Hình 2.25 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ không tải, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm xấu nhất 47 Hình 2.26 Dòng điện chạy qua bộ khángkhi đóng máy cắt chế độ không tải, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm xấu nhất 47 Hình 2.27 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm xấu nhất 48 Hình 2.28 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm xấu nhất 48 Hình 2.29 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm xấu nhất 48 Hình 2.30 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ không tải, có điện trở nối tiếp

và tại thời điểm tốt nhất 49 Hình 2.31 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ không tải, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất 49 Hình 2.32 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ không tải, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất 49 Hình 2.33 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất 50 Hình 2.34 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất 50 Hình 2.35 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất 50 Hình 2.36 Sơ đồ mô phỏng khi cắt máy cắt tại thời điểm tốt nhất 51 Hình 2.37 Điện áp trên kháng điện Hiệp Hòa pha A khi cắt máy cắt tại thời điểm tốt nhất 51 Hình 2.38 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi cắt máy cắt tại thời điểm tốt nhất 51 Hình 2.39 Sơ đồ mô phỏng khi cắt máy cắt tại thời điểm xấu nhất 52

Hình 2.41 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi cắt máy cắt tại thời điểm xấu nhất 52 Hình 3.1 Dòng điện qua máy cắt khi đóng máy cắt bộ kháng không tải, tại thời điểm xấu nhất có điện trở và không có điện trở 53 Hình 3.2 Điện áp thanh cái 500kV trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt bộ kháng không tải, tại thời điểm xấu nhất khi có điện trở và khi không có điện trở 53 Hình 3.3 Dòng điện qua máy cắt khi đóng máy cắt bộ kháng tại thời điểm xấu nhất khi tải bằng không và khi tải trung bình 54 Hình 3.4 Điện áp thanh cái 500kV trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt bộ kháng tại thời điểm xấu nhất khi tải bằng không và khi tải trung bình 54 Hình 3.5 Dòng điện qua máy cắt khi đóng máy cắt bộ kháng không tải, tại thời điểm tốt nhất đóng có điện trở và không có điện trở 55 Hình 3.6 Điện áp thanh cái 500kV trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt bộ kháng không tải, tại thời điểm tốt nhất có điện trở và không có điện trở 55 Hình 3.7 Dòng điện qua máy cắt khi đóng máy cắt bộ kháng tại thời điểm tốt nhất khi phụ tải bằng không và khi phụ tải trung bình 56 Hình 3.8 Điện áp thanh cái 500kV trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt bộ kháng tại thời điểm tốt nhất và có trở khi phụ tải bằng không và khi phụ tải trung bình 56 Hình 3.9 Điện áp pha A trên bộ kháng điện khi cắt bộ kháng tại thời điểm xấu nhất 57 Hình 3.10 Điện áp Pha A trên bộ kháng điện khi cắt bộ kháng tại thời điểm tốt nhất 57 Hình 3.11 Dòng điện pha A trên kháng điện khi cắt bộ kháng tại thời điểm xấu nhất 58 Hình 3.12 Dòng điện pha A trên bộ kháng điện khi cắt bộ kháng tại thời điểm tốt nhất 58

MỞ ĐẦU

Điện năng là loại năng lượng khó lưu giữ mà thường phải sử dụng ngay sau khi được sản xuất Những nơi đặt nhà máy sản xuất điện (nguồn điện) thường là những vùng xa khu dân cư, phụ tải nên để truyền tải điện đến nơi tiêu thụ cần một mạng lưới vô cùng phức tạp bao gồm: các máy phát điện, máy biến áp tăng áp, đường dây truyền tải, các máy biến áp hạ áp và đường dây phân phối Ta phải sử dụng nhiều máy cắt để tác động nhanh, chính xác nhằm nhanh chóng cách ly sự cố

ra khỏi hệ thống cũng như đóng lại các thiết bị sau khi sự cố đã được xử lý Chính

vì vậy, máy cắt là phần tử rất quan trọng trong hệ thống điện nói chung và hệ thống truyền tải điện cao áp nói riêng

Để tiêu thụ lượng công suất phản kháng rất lơn do đường dây 500kV sinh ra

và tăng khả năng truyền tải công suất, người ta đặt một bộ kháng bù ngang ở trạm 500kV Hiệp Hòa Quá trình đóng cắt máy cắt của bộ kháng này có rất nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu quá trình đóng cắt máy cắt bộ kháng bù ngang của trạm biến áp 500kV Hiệp Hòa, từ đó đưa ra các nhận xét, kết luận, kiến nghị khi lựa chọn máy cắt

Nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về máy cắt trong lưới điện truyền tải Việt Nam

Chương 2: Tính toán, mô phỏng quá trình đóng – cắt kháng bù ngang

Chương 3: Phân tích, nhận xét các kết quả tính toán, mô phỏng và các kiến

nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CẮT TRONG LƯỚI TRUYỀN

TẢI VIỆT NAM

1.1 Các đặc tính kỹ thuật của máy cắt

Máy cắt là một thiết bị đóng cắt, có khả năng đóng tải, dẫn dòng điện tải, và cắt dòng tải trong điều kiện bình thường cũng như trong khoảng thời gian nhất định khi sự cố Máy cắt có khả năng dẫn điện tốt, chịu được nhiệt và lực cơ học phát sinh

ra khi đóng máy cắt do dòng điện tải nhỏ hơn hoặc tương đương với dòng ngắn mạch định mức Khi cắt, máy cắt cách điện tốt và chịu được điện áp giữa các tiếp điểm, điện áp so với đất và điện áp giữa các pha Hồ quang điện được hình thành sau khi các tiếp điểm bắt đầu tách ra, máy cắt chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái không dẫn điện trong khoảng thời gian rất ngắn Hồ quang thường được dập tắt khi dòng điện đạt đến giá trị không trong chu kỳ dòng điện xoay chiều, cơ chế dập hồ quang này được thực hiện bằng cách kéo dài hồ quang với chiều dài tối

đa, tăng điện trở và hạn chế dòng Có nhiều kỹ thuật khác nhau được dùng để tăng chiều dài hồ quang điện, tùy theo kích thước, định mức và ứng dụng thực tế

Để lựa chọn một máy cắt dùng cho một hệ thống cụ thể ta cần cân nhắc chủ yếu đến dòng điện mà máy cắt có khả năng dẫn điện liên tục mà không quá nóng (dòng tải định mức trong điều kiện bình thường) và dòng điện tối đa máy cắt có thể chịu đựng khi cắt ra khỏi sự cố hoặc đóng vào điểm sự cố (dòng ngắn mạch định mức) Các nghiên cứu trong hệ thống điện sẽ định lượng các giá trị này và ta có thể chọn các giá trị định mức từ các bảng cho sẵn theo tiêu chuẩn phù hợp

Khi đóng cắt máy cắt, tùy vào cấp điện áp, cấu trúc hệ thống điện mà điện áp quá độ, dòng điện quá độ có giá trị khác nhau, yêu cầu của máy cắt là phải chịu được giá trị đó Ngoài ra, trong sơ đồ thiết kế phải có thêm các thiết bị để đảm bảo

an toàn cho nhân viên sửa chữa Các tiêu chuẩn máy cắt chủ yếu đang được áp dụng

là của IEEE/ANSI (American National Standards Institute – Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ) và IEC (International Electrotechnical Commission - Ủy ban Kỹ thuật

Điện Quốc tế) Các tiêu chuẩn này yêu cầu máy cắt phải được thiết kế và sản xuất

để đáp ứng các thông số kỹ thuật như khả năng cách điện, khả năng đóng cắt, khả năng bảo vệ tiếp điểm, khả năng mang tải

Các thông số kỹ thuật của máy cắt cần quan tâm bao gồm:

- Điện áp định mức: Là điện áp giới hạn trên của điện áp cao nhất của hệ

thống mà máy cắt được thiết kế Điện áp định mức là thông số quan trọng để tính cách điện giữa các pha với đất, giữa các pha với nhau, để thiết kế cấu tạo của buồng dập hồ quang và khoảng cách giữa các đầu tiếp điểm

- Dòng điện định mức: Là dòng điện lớn nhất (giá trị hiệu dụng) có thể

truyền qua máy cắt một cách liên tục trong các điều kiện làm việc cho trước

- Dòng điện cắt định mức: Là dòng điện lớn nhất (giá trị hiệu dụng) mà máy

cắt có thể cắt mạch một cách an toàn khi ngắn mạch, cắt nhiều lần trong giới hạn quy định

- Dòng điện ổn định động định mức: Là giá trị tức thời lớn nhất đầu tiên của

dòng điện trong giai đoạn quá độ sau khi có dòng điện chạy qua, dòng điện lớn nhất

có thể truyền qua máy cắt khi ở vị trí đóng

- Dòng điện đóng định mức: Là giá trị lớn nhất của dòng điện mà máy cắt

có thể đóng mạch một cách an toàn trong thao tác đóng mạch

- Dòng điện và thời gian ổn định nhiệt định mức: Là các đại lượng đặc

trưng cho khả năng chịu đựng tác dụng nhiệt ngắn hạn của dòng điện ngắn mạch

Nội dung về máy cắt trên được tham khảo từ tài liệu [3], [9]

1.2 Quá trình đóng cắt máy cắt

Quá trình thao tác đóng cắt máy cắt đều xảy ra vấn đề đối với hệ thống điện

của các thiết bị Trong quá trình cắt, hệ thống xuất hiện quá điện áp phục hồi RV (Recovery Voltage), RV quá cao có thể gây phóng điện lại ở tiếp điểm máy cắt

Tất cả các phương pháp cắt dòng trong hệ thống điện cao áp đều tạo ra một khoảng cách không dẫn điện vào giữa đoạn dẫn điện Điều này có thể đạt được bằng cách tách các tiếp điểm ra Khoảng cách được hình thành giữa các tiếp điểm được lấp đầy bởi chất lỏng, khí, hoặc chân không Tuy nhiên, giữa hai tiếp điểm có thể bị phóng điện trở lại qua các chất cách điện trên làm ảnh hưởng đến quá trình cắt

Việc cắt ra dòng tải điện trở thuần thường không gây ra vấn đề gì đáng kể Điện áp và dòng điện của hệ thống thuần trở trùng pha nhau Khi máy cắt cắt, điện

áp tăng dần từ không đến đỉnh theo dạng tần số công nghiệp, điện áp xuất hiện giữa các tiếp điểm bằng chính giá trị điện áp định mức của hệ thống và được duy trì đến khi tiếp điểm mở hoàn toàn Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống, thành phần điện cảm của dòng điện lớn hơn nhiều so với các thành phần điện trở, khi các tiếp điểm mở

ra, dòng được cắt, điện áp có xu hướng tăng tới giá trị đỉnh của nó Dẫn đến điện áp giữa các tiếp điểm tăng vọt, lớn hơn gấp nhiều lần giá trị điện áp cực đại trong chế

độ xác lập Trong những trường hợp này, hồ quang có thể phóng lại mặc dù các tiếp điểm đã được tách

Hình 1.1 Quá trình cắt của hệ thống thuần trở, thuần kháng

Hồ quang điện xoay chiều được dập tắt khi dòng điện qua giá trị không Thiết bị dập hồ quang trong máy cắt xoay chiều sẽ khử ion giữa các tiếp điểm khi dòng điện đi qua giá trị không, giảm điện áp phục hồi nhằm ngăn ngừa hồ quang cháy lại Lý thuyết về quá trình đóng cắt máy cắt và hồ quang điện được tham khảo

từ tài liệu [6], [7], [9]

Khi nghiên cứu về công nghệ máy cắt, người ta quan tâm đến quá trình xảy

ra trong hệ thống điện nối với máy cắt như dạng sóng và biên độ của điện áp sau khi cắt Phân loại theo chức năng của máy cắt trong lưới điện cao áp bao gồm các loại sau: Máy cắt các phía của máy biến áp lực, máy cắt vòng, máy cắt liên lạc, máy cắt đường dây, máy cắt tụ (tụ bù dọc, tụ bù ngang), máy cắt kháng, Trong phạm vi của luận văn, ta sẽ đi nghiên cứu về máy cắt bộ kháng bù ngang

1.3 Chế độ làm việc của máy cắt bộ kháng bù ngang

Việc đóng cắt kháng điện tương đương với việc đóng cắt một lượng công suất phản kháng vào hệ thống khiến hệ thống bị quá điện áp thao tác (do công suất phản kháng ảnh hưởng đến điện áp lưới nhiều hơn công suất tác dụng) Khi cắt, giữa hai đầu cực máy cắt sẽ xuất hiện điện áp phục hồi quá độ (Transient Recovery Voltage – TRV) Nội dung lý thuyết được tham khảo trong các tài liệu [2], [4], [8], [10]

Quá trình đóng cắt được phân tích dựa trên trạng thái xác lập – tồn tại trước thao tác cắt - và phản ứng quá độ của hệ thống Khi các tiếp điểm bắt đầu tách ra khi thao tác cắt sẽ bắt đầu xuất hiện điện áp quá độ giữa các tiếp điểm này Điện áp này gọi là TRV, xuất hiện ngay sau khi dòng bằng không và trong khoảng vài ms

Hình 1.2: Mô hình nguyên tắc xếp chồng quá trình đóng máy cắt

Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý rằng điện áp phục hồi bao gồm hai thành phần: thành phần quá độ (dao động cao tần) là điện áp quá độ phục hồi (TRV), xuất hiện ngay sau khi dòng về không, và thành phần xác lập là điện áp xác lập ở tần số công nghiệp sau khi hết quá độ Dạng sóng của dao động điện áp được xác định bởi các thông số hệ thống

Hình 1.3 Dòng điện, TRV và RV

Quá điện áp xảy ra khi đóng bộ kháng bù ngang vào hệ thống có trị số rất lớn, đủ để phá hoại cách điện đường dây và có thể gây nổ máy cắt điện Khi đóng máy cắt, điện áp hai đầu tiếp điểm biến thiên dần về không và dòng điện tăng cực đại

Hình 1.4 Quá trình cắt hệ thống thuần kháng

Để giảm giá trị dòng xung kích và điện áp quá độ thao tác thì người ta mắc thêm điện trở với máy cắt bộ kháng Sơ đồ hệ thống điện có máy cắt bộ kháng bù ngang đóng cắt thông qua điện trở có thể được biến đổi thành sơ đồ mạch điện sau

Hình 1.5 Sơ đồ biến đổi tương đương của hệ thống điện có máy cắt bộ kháng bù

ngang đóng cắt thông qua điện trở

Trong trường hợp này, điện áp cực đại Vmax là điện áp đỉnh của nguồn, R là điện trở nối tiếp của máy cắt Z là tổng trở của mạch  là góc đóng máy cắt α là tỷ số giữa điện trở và điện kháng, L giá trị điện kháng Sơ đồ lý thuyết đóng kháng được tham khảo tài liệu [13]

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐÓNG – CẮT BỘ

KHÁNG BÙ NGANG

2.1 Giới thiệu về chương trình tính toán, mô phỏng ATP/EMTP

Nội dung phần giới thiệu chương trình ATP/EMTP được tham khảo từ tài liệu [5]

2.1.1 Giới thiệu chung

Chương trình quá độ điện từ (EMTP – Electromagnetic Transients Programme) là một phần mềm máy tính dùng cho việc mô phỏng các quá trình quá

độ điện từ, điện cơ và hệ thống điều khiển trong hệ thống điện nhiều pha EMTP được phát triển vào những năm cuối của thập kỷ 60 thế kỷ XX bởi tiến sĩ Hermann Dommel Phần mềm này đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong các lĩnh vực tính toán thiết kế cũng như vận hành cho các loại thiết bị trong hệ thống điện EMTP là một trong những công cụ phân tích hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả

Với sự đóng góp của hàng loạt các công ty điện lực và các trường đại học Bắc Mỹ, EMTP đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi từ đầu những năm 1970 EMTP được chính thức thương mại hóa từ năm 1984 Đến năm 1986, phiên bản độc lập của EMTP là ATP (Alternative Transients Programme) đã được hình thành ATP/EMTP là phần mềm mã nguồn mở và được cung cấp hoàn toàn miễn phí

Phần mềm sử dụng phương pháp tích phân hình thang để giải các hệ phương trình của các thành phần hệ thống trong miền thời gian

Điều kiện ban đầu khác không được xác định một cách tự động bằng phương pháp tính toán ở chế độ xác lập hoặc người sử dụng có thể đưa vào các điều kiện ban đầu để làm cho các thành phần đơn giản hơn

TACS (Transient Analysis of Control Systems) và MODELS (a simulation language) có khả năng mô phỏng hóa hệ thống điều khiển và các thành phần bằng đặc tính phi tuyến

Mô phỏng hiện tượng hỏng hóc, xung sét và các dạng đóng cắt kể cả chuyển mạch của các van

Tính toán đáp ứng của tần số đối với hệ thống bằng cách sử dụng đặc tính quét tần số “frequency scan”

Phân tích harmonics (hài) trong miền tần số bằng cách sử dụng “harmonic frequency scan” (harmonic current injection method)

Các hệ thống động học cũng có thể được mô phỏng bằng cách sử dụng hệ thống điều khiển TACS và MODELS

Khi chạy chương trình trên ATP/EMTP, dung lượng tính toán mô phỏng của chương trình không có giới hạn tuyệt đối Cho đến nay, hệ thống lớn nhất mà chương trình đã mô phỏng là:

Bảng 2.1 Dung lượng tính toán mô phỏng của ATP

Số lượng thiết bị đóng cắt 1200

Số lượng phần tử phi tuyến 2250

2.1.2 Mô hình hợp nhất các Module mô phỏng trong ATP

Hình 2.1 Mô hình ATP/EMTP

- ATP có 6 module chính:

+ Module ATP control center: Khối trung tâm, điều khiển các khối còn lại + Module ATPDraw: Chương trình chạy trên nền Windows với giao diện đồ họa trực quan, dễ sử dụng, dùng để tạo các mạch mô phỏng quá độ Trong đó có nhiều phần tử trong hệ thống điện và người sử dụng có thể tạo các mô phỏng mới nhờ ngôn ngữ MODELS của chương trình

+ Module PCPlot: là module để in kết quả và vẽ đồ thị ở chế độ quá độ của các thông số (điện áp nút, điện áp nhánh, dòng điện nhánh, momen, tốc độ…)

+ Module PlotXY: là module để in kết quả ở chế độ xác lập của các thông số (điện áp nút, dòng điện nhánh, dòng công suất nhánh, tổn thất công suất trên nhánh, tổng công suất phát và tổng tổn thất công suất…)

+ Module GTPPlot: là module xem tín hiệu xuất ra từ ATPDraw

+ Module Programme’s File Editor (PFE): là module quản lý các file dữ liệu đầu vào và xem/in danh sách đầu ra

- Ngoài 6 module chính nói trên trong ATP còn có các module và chương trình hỗ trợ khác Trong 6 module chính trên thì module ATPDraw đóng vai trò nền tảng cho các module khác

2.1.3 Mô hình các thiết bị tiêu chuẩn trong ATPDraw

Hình 2.3 Cửa sổ giao diện của ATPDraw

ATPDraw là chương trình đồ họa, đồng thời là phiên bản ATP của EMTP trên nền Windows Trong ATPDraw người dùng có thể xây dựng các mạch điện và lựa chọn các thành phần có trong thư viện đủ chức năng điều chỉnh hình họa, dữ liệu và có thể kiểm tra, thực hiện trong miền tần số ATPDraw cung cấp các phần tử mẫu, các phần tử mẫu này có thể làm việc đồng thời trên nhiều mạch và sao chép thông tin giữa các mạch Hầu hết các thiết bị tiêu chuẩn trong ATPDraw (cả 1 pha

và 3 pha) đều được cung cấp trong TACS, đồng thời người dùng có thể tạo ra thiết

bị mới trong MODELS

2.1.3.1 Nguồn điện (Sources)

Trong chương trình ATP/EMTP có hai loại nguồn được mô phỏng là nguồn điện tĩnh và nguồn điện động Nguồn điện tĩnh là dạng nguồn điện cho trước giá trị

biên độ (điện áp hoặc dòng điện), góc pha, thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc Nguồn điện đông là các dạng máy điện quay (đồng bộ hay không đồng bộ)

Chương trình ATP/EMTP có thể mô phỏng các dạng nguồn sau đây:

+ Nguồn theo yêu cầu người đặt bài toán nhờ ứng dụng module điều khiển TACS (Transient Analysis of Control Systems)

+ Nguồn một chiều

+ Nguồn hình thang

+ Nguồn dạng răng cưa (Ramp function)

+ Nguồn hình sin (Sinussoidal function) f(t)=A.cos(2πft+φ)

+ Nguồn dạng sét f(t)=A.(e-at-e-bt)

+ Nguồn điều biến

+ Máy điện 3 pha và máy điện tổng hợp

Tất cả các nguồn trên đều là nguồn dòng hoặc nguồn áp

Bảng 2.2 Các loại nguồn trong ATP

+ Đường dây thông số rải có thông số hằng

+ Đường dây thông số dải có thông số phụ thuộc tần số

+ Máy biến áp các loại

Khi cần nghiên cứu chi tiết mô hình đường dây, có thể sử dụng các module

“cable constants” hoặc “line constants” để xây dựng ma trận tổng trở (đường kính dây dẫn, khoảng cách giữa các pha, chiều cao treo dây…) đều được thể hiện trong các module này

Bảng 2.3 Các phần tử phi tuyến

Bảng 2.4 Các dạng đường dây có thông số tập trung

Bảng 2.5 Các loại đường dây có thông số dải (đường dây hoán vị)

Bảng 2.6 Các loại đường dây có thông số dải (đường dây không hoán vị)

Bảng 2.7 Các phần tử “cable constants” hoặc “line constants”

2.1.3.3 Máy biến áp (Transformers)

Bảng 2.8 Các loại máy biến áp

2.1.3.4 Thiết bị đóng cắt (Switch)

ATP có thể mô tả các loại thiết bị đóng cắt sau đây:

+ Thiết bị đóng cắt bình thường: Đó là những thiết bị đóng cắt có điện

áp giáng lên bằng không khi đóng mạch và dòng điện qua nó bằng không khi ngắt mạch

+ Thiết bị đóng cắt có điều khiển: Thông qua module TACS có thể mô phỏng thiết bị đóng cắt với các loại tín hiệu điều khiển khác nhau (Diode, thyristor, triac…)

+ Thiết bị đóng cắt tác động theo điện áp: Dùng để mô phỏng các thiết

bị chống sét

+ Thiết bị đóng cắt đo lường

+ Thiết bị đóng cắt có thời gian đóng cắt ngẫu nhiên

+ Thiết bị đóng cắt theo chu kỳ

Bảng 2.9 Các loại thiết bị đóng cắt

Sự lựa chon Biểu tượng Mô tả

Switch time controlled Thiết bị đóng cắt 1 pha điều khiển theo

thời gian

Switch time 3- phase Thiết bị đóng cắt 3 pha điều khiển theo

thời gian Các pha hoạt động độc lập Switch voltage control Thiết bị đóng cắt điều khiển điện áp

Diode (type 11) Diode Thiết bị đóng cắt loại 11, không

Statictics switch Thiết bị đóng cắt tĩnh Được chọn từ

ATP/Settings/Switch/UM

Systematic switch Thiết bị đóng cắt hệ thống Được chọn

từ ATP/Settings/Switch/UM

2.1.3.5 Máy điện (Machines)

ATP cho phép mô phỏng chi tiết các loại máy điện như: máy phát điện 3 pha, động cơ đồng bộ, không đồng bộ một pha, hai pha hoặc 3 pha, động cơ một chiều với các dạng kích thích khác nhau; có thể mô phỏng chi tiết các tầng tuabine của máy phát cùng các thiết bị điều khiển như bộ tự động điều chỉnh kích từ, điều chỉnh

Bảng 2.10 Các loại máy điện

Sự lựa chọn Biểu tượng Mô tả

2.1.4 Một số ứng dụng quan trọng của ATP/EMTP

Các bài toán sau đây thường được giải quyết nhờ chương trình ATP/EMTP:

- Quá điện áp do sét đánh

- Quá độ do đóng cắt và sự cố

- Quá điện áp đồng bộ và tĩnh

- Quá độ thay đổi nhanh trong GIS và nối đất

- Xây dựng mô hình máy điện

- Ổn định quá độ và khởi động động cơ

- Các dao động xoắn trục

- Đóng/ cắt máy biến áp và kháng điện/ tụ điện

- Cộng hưởng sắt từ

- Những ứng dụng của thiết bị điện tử công suất

- Chế độ máy cắt (hồ quan điện), sự thay đổi nhanh của dòng điện

- Thiết bị FACS: xây dựng mô hình STATCOM, SVC, UPFC, TCSC