Phân tích quá độ trong hệ thống điện sử dụng phần mềm mô phỏng atp emtp lý thuyết và thực tế

Quá độ là hiện tượng xảy ra thường xuyên trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, đó là sự thay đổi rất đa dạng biên độ sóng điện áp, dòng điện rất cao khi thao tác đóng cắt trạ

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TIÊU THẢO TRANG

PHÂN TÍCH QUÁ ĐỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Trang 2

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Vũ Phan Tú

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Lê Thị Tịnh Minh

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Huỳnh Văn Vạn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 05 tháng 01 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS Phạm Đình Anh Khôi

2 TS Lê Thị Tịnh Minh

3 TS Huỳnh Văn Vạn

4 TS Dương Thanh Long

5 TS Huỳnh Quốc Việt

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TIÊU THẢO TRANG MSHV:1670837

Ngày, tháng, năm sinh: 29/06/1992 Nơi sinh: Tp HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số : 60520202

I TÊN ĐỀ TÀI:

Phân tích quá độ trong hệ thống điện sử dụng phần mềm mô phỏng Atp-emtp: Lý

thuyết và thực tế

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chương 1: Tổng quan về quá độ

Chương 2: Giới thiệu phần mềm ATP-EMTP

Chương 3: Mô phỏng quá độ do ngắn mạch

Chương 4: Mô phỏng quá độ do đóng cắt tụ

Chương 5: Mô phỏng quá độ do sét đánh

Chương 6: Kết luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 26/02/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2018

Trang 4

Trước hết tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Vũ Phan Tú, người thầy đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này Những truyền đạt kiến thức quý báu của Thầy đã giúp tôi học tập và khắc phục được nhiều thiếu sót trong quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức rất bổ ích và quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường

Xin cảm ơn Gia đình và những người thân yêu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi yên tâm học tập tốt trong thời gian vừa qua

Cảm ơn tất cả bạn bè đã cùng chia sẻ, trao đổi kiến thức, kinh nghiệm trong suốt quá trình học tập cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cám ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 12 năm 2018

Học viên thực hiện

Trang 5

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay chất lượng cung cấp điện là một trong những vấn đề trọng điểm rất quan tâm của ngành điện Có nhiều nguyên nhân gây ra ảnh hưởng đến chất lượng điện, một trong những số đó là hiện tượng quá độ trong hệ thống

Quá độ là hiện tượng xảy ra thường xuyên trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, đó là sự thay đổi rất đa dạng biên độ sóng điện áp, dòng điện rất cao khi thao tác đóng cắt trạm tụ bù, máy cắt, máy biến áp lực hay khi có sự cố trên đường dây…

Sự thay đổi đột ngột biên độ điện áp, dòng điện, giá trị tần số làm ảnh hưởng trực tiếp đến các thiết bị điện trong lưới điện gây hao mòn, thậm chí hư hỏng các thiết bị làm mất ổn định hệ thống điện, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng

Tuy nhiên, không dễ dàng để hình dung các hiện tượng của quá độ trong hệ thống điện đơn thuần từ các phương trình phân tích quá độ Phần mềm ATP- EMTP (Alternative Transients Program - Electromagnetic Transient Program) là phần mềm

mô phỏng các hiện tượng quá độ trong các hệ thống điện và phân tích hệ thống điện, một công cụ hữu ích cho việc nghiên cứu và hình dung ra hiện tượng này và được sử dụng rộng rãi trên thế giới Sự phát triển của phần mềm đã góp phần tạo ra một cuộc cách mạng trong việc phân tích các hiện tượng chuyển mạch và sự phối hợp cách điện, đây là hai trong những vấn đề quan trọng trong các hệ thống điện ngày nay

Trong luận văn này giới thiệu về phần mềm ATP-EMTP và ứng dụng mô phỏng một số trường hợp quá độ trong hệ thống điện Phần mềm này có ưu điểm chính là tính toán nhanh và cho kết quả tốt với độ sai lệch so với thực tính là rất bé và phát triển hơn nữa của đề tài có thể ứng dụng cao vào các hệ thống điện phức tạp hơn

Trang 6

Nowaday, the quality of power supplying is one of the most important issues of the power industry There are many factors that affect the quality of electricity, one

of them is the transient in the electrical system

Transient, which is a variation in the amplitude of the voltage and current when operation or faults, is a frequent occurrence in the transmission and distribution system,

The sudden change in voltage, current, and frequency directly affects the electrical equipment in the system, causes damage to the electrical system and the quality of power supplied to the customer

However, it is not easy to visualize the phenomena of transient in the electrical system solely from the transient analysis equations Alternative Transient Program (ATP-EMTP) is a software that simulates and analyses transient phenomena in electrical systems, a useful tool for research and visualization and widely used in the world The development of the software has contributed to revolutionizing the analysis of switching phenomena and insulation coordination, which are two of the most important issues in today's electrical systems

In this thesis, ATP-EMTP is introduced and some common cases of transient in electrical system are simulated The main advantage of this software is fast calculation and good results with deviation from the essence is very small and further development of this can be applied to more complex power systems

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này là nghiên cứu của riêng tôi

Các kết quả nêu trong luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các số liệu, ví dụ, trích dẫn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực Tôi xin chân thành cảm ơn

Người cam đoan

Trang 8

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐỘ 14

1.1 Giới thiệu chung 14

1.2 Phân loại 15

1.2.1 Phân loại theo nguồn gốc 15

1.2.2 Phân loại theo nhóm tần số 16

1.2.3 Phân loại theo phương thức 17

1.3 Quá độ do ngắn mạch trong hệ thống điện 17

1.3.1 Ngắn mạch 17

1.3.2 Các dạng ngắn mạch: 18

1.3.3 Các thành phần trong dòng điện ngắn mạch 18

1.3.4 Nguyên nhân và hậu quả của ngắn mạch 20

1.3.5 Mục đích tính toán ngắn mạch 21

1.3.6 Giả thiết cơ bản 22

1.4 Quá độ do đóng cắt đường dây, tụ 23

1.4.1 Nguyên nhân 23

1.4.2 Phân loại 23

1.4.3 Hậu quả 24

1.5.1 Quá độ sét 24

1.5.2 Hệ thống nối đất 24

1.5.3 Điện cực nối đất 27

1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở nối đất 27

1.6 Quá độ trong máy biến áp 15

1.6.1 Quá điện áp 15

1.6.2 Quá dòng điện 16

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ATP-EMTP 14

2.1 Giới thiệu chung về ATP 14

2.2 Sơ lược về phần mềm ATP-EMTP 14

2.2.1 Nguyên tắc hoạt động 16

2.2.2 Các thành phần trong thư viện mẫu 16

Trang 9

2.2.3 Mô hình hợp nhất các module 17

2.2.4 Các module chính 18

2.2.5 Các module hỗ trợ 18

2.2.6 Ứng dụng của ATP 19

2.3 Giới thiệu ATPDraw 20

2.3.1 Sơ lược về ATPDraw 20

2.3.2 Các tập tin chính và file hỗ trợ trong ATPDraw 21

2.3.3 Cài đặt chạy mô phỏng trong ATPDraw 22

2.3.4 Làm việc cùng ATPDraw 25

2.3.5 Main menu 25

2.3.6 Component selection menu - Danh mục lựa chọn thiết bị 29

2.4 Chạy chương trình PlotXY 32

2.5 So sánh giữa phần mềm ATP-EMTP và Matlab-Simulink 34

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ ĐỘ DO NGẮN MẠCH 40

3.1 Mô phỏng ngắn mạch đường dây hình tia 40

3.1.1 Mô phỏng đường dây hình tia 41

3.1.2 Mô phỏng ngắn mạch ba pha 43

3.1.3 Mô phỏng ngắn mạch hai pha A và B 45

3.1.4 Mô phỏng ngắn mạch hai pha chạm đất 46

3.1.5 Mô phỏng ngắn mạch một pha hình tia 47

3.2 Mô phỏng ngắn mạch đường dây liên thông 47

3.2.1 Mô phỏng đường dây liên thông 48

3.2.2 Mô phỏng ngắn mạch ba pha 48

3.2.3 Mô phỏng ngắn mạch hai pha 49

3.2.5 Mô phỏng ngắn mạch một pha 51

3.3 Mô phỏng ngắn mạch trên đường dây mạch vòng 52

3.3.1 Mô phỏng đường dây mạch vòng 52

3.3.2 Mô phỏng ngắn mạch ba pha mạch vòng 54

3.3.3 Mô phỏng ngắn mạch hai pha 58

3.3.5 Mô phỏng ngắn mạch một pha 64

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG QUÁ ĐỘ DO ĐÓNG CẮT TỤ 68

Trang 10

4.1.1 Mô phỏng đóng cắt tụ đường dây hình tia 69

4.1.2 Thời điểm đóng cắt t1 = t2 = t3 = 10ms 71

4.1.3 Thời điểm đóng cắt t1 = 10ms, t2 = 15ms, t3 = 20ms 72

4.1.4 Thời điểm đóng cắt t1 = 10ms, t2 = 20ms, t3= 30ms 73

4.2 Mô phỏng đóng cắt tụ đường dây liên thông 75

4.2.1 Thời điểm đóng cắt t1 = t2 = t3 = t1’ = t2’ = t3’ = 10ms 75

4.2.2 Thời điểm đóng cắt t1 = t1’ = 10ms, t2 = t2’ = 15ms, t3 = t3’ = 20ms 77

4.2.3 Thời điểm đóng cắt t1 = t1’ = 10ms, t2 = t2’ = 20ms, t3 = t3’ = 30ms 78

4.2.4 Thời điểm đóng cắt t1 = 10ms, t2 = 20ms, t3= 30ms; t1’ = 50ms, t2’ = 60ms, t3’ = 70ms 80

4.3 Mô phỏng đóng cắt tụ đường dây mạch vòng 81

4.3.1 Thời điểm đóng cắt t1 = t2 = t3 = 10ms 82

4.3.2 Thời điểm đóng cắt t1 = 10ms, t2 = 15ms, t3 = 20ms 83

4.3.3 Thời điểm đóng cắt t1 = 10ms, t2 = 20ms, t3= 30ms 85

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG QUÁ ĐỘ DO SÉT ĐÁNH 87

5.1 Mô phỏng thanh nối đất 87

5.1.1 Thanh nối đất 87

5.1.2 Thanh nối đất 40m 90

5.1.3 Thanh nối đất 100m 94

5.2 Mô phỏng lưới nối đất 96

5.2.1 Lưới nối đất 96

5.2.2 Lưới nối đất 1×1 96

5.2.3 Lưới nối đất 2×2 97

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 99

6.1 Tổng kết 99

6.2 Ưu điểm 99

6.3 Nhược điểm 99

CHƯƠNG 7: TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

Trang 11

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

HEMP High-altitude Electromagnetic Pulse

ELF Extremely low magnetic fields

VFT Very fast transients

EMTP Electromagnetic Transients Program

ATP Alternative Transients Program

TNA Transient Network Analyzer

TACS Transient Analysis of Control Systems

Trang 12

Bảng 1.1 Thời gian xảy ra quá độ trong hệ thống điện do các tác nhân khác nhau

(trích Transients in electrical systems: Analysis, Recognition, and

Mitigation) 14 Bảng 1.2 Các dạng ngắn mạch 18 Bảng 2.1 So sánh giữa ATP-EMTP và MATLAB-Simulink (trích Comparison of Simulation Tools ATP-EMTP and MATLAB-Simulink for Time Domain Power System Transient Studies) 39 Bảng 5.1 Thông số R, L, G, C 88

Trang 13

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Thời gian xảy ra quá độ trong hệ thống điện do các tác nhân khác nhau (trích Transients in electrical systems: Analysis, Recognition, and Mitigation)

15

Hình 1.2 Đường cong dòng điện ngắn mạch 19

Hình 1.3 Các cấu trúc nối đất thường dùng 26

Hình 1.4 Các kiểu nối đất 26

Hình 1.5 Các thành phần của điện cực nối đất 27

Hình 2.1 Mô hình các module trong ATP 17

Hình 2.2 Mối tương quan giữa ATP Draw với các modules khác 18

Hình 2.3 Các chương trình được hỗ trợ trong ATP 19

Hình 2.4 Cài đặt trong Preferences 22

Hình 2.5 Cài đặt trong Directories 23

Hình 2.6 Cài đặt trong Simulations 23

Hình 2.7 Cài đặt trong Output 24

Hình 2.8 Edit Commands 24

Hình 2.9 PlotXY sau khi cài đặt 24

Hình 2.10 Các thành phần chính trong giao diện ATPDraw 25

Hình 2.11 PlotXY-Data Selection 32

Hình 2.12 PlotXY 33

Hình 2.13 PlotXY-Fourier chart 33

Hình 2.14 PlotXY-Fourier Options 34

Hình 3.1 Mô hình trụ điện đường dây trên không 40

Hình 3.2 Mô phỏng đường dây hình tia 41

Hình 3.3 Thông số nguồn 41

Hình 3.4 Thông số đường dây 42

Hình 3.5 Thông số tải 42

Hình 3.6 Giá trị điện áp đầu và cuối đường dây 42

Hình 3.7 Giá trị dòng điện trên đường dây 43

Hình 3.8 Mô phỏng ngắn mạch ba pha mạch hình tia 43

Hình 3.9 Dòng ngắn mạch ba pha hình tia 43

Hình 3.10 Mô phỏng ngắn mạch ba pha có cuộn kháng 44

Trang 14

Hình 3.13 Dòng ngắn mạch hai pha hình tia 45

Hình 3.14 Mô phỏng ngắn mạch hai pha chạm đất hình tia 46

Hình 3.15 Dòng ngắn mạch hai pha chạm đất 46

Hình 3.16 Mô phỏng ngắn mạch một pha hình tia 47

Hình 3.17 Dòng ngắn mạch một pha hình tia 47

Hình 3.18 Mô phỏng đường dây liên thông 48

Hình 3.19 Mô phỏng ngắn mạch ba pha trên đường dây liên thông 48

Hình 3.20 Dòng điện trên đoạn 2-3 bị ngắn mạch 48

Hình 3.21 Dòng điện trên đoạn 1-2 49

Hình 3.22 Mô phỏng ngắn mạch hai pha đường dây liên thông 49

Hình 3.25 Mô phỏng ngắn mạch hai pha chạm đất đường dây liên thông 50

Hình 3.26 Dòng điện trên đoạn 2-3 ngắn mạch 50

Hình 3.28 Mô phỏng ngắn mạch một pha đường dây liên thông 51

Hình 3.31 Mô phỏng đường dây mạch vòng 53

Hình 3.35 Mô phỏng ngắn mạch tại nút 2 đường dây mạch vòng 54

Hình 3.39 Mô phỏng ngắn mạch ba pha đường dây mạch vòng tại nút 3 56

Hình 3.43 Mô phỏng ngắn mạch hai pha tại nút 2 đường dây mạch vòng 58

Trang 15

Hình 3.47 Mô phỏng ngắn mạch hai pha tại nút 3 đường dây mạch vòng 60

Hình 3.51 Mô phỏng ngắn mạch hai pha chạm đất tại nút 2 đường dây mạch vòng 61

Hình 3.55 Mô phỏng ngắn mạch hai pha chạm đất tại nút 3 đường dây mạch vòng 63

Hình 3.59 Mô phỏng ngắn mạch một pha tại nút 2 đường dây mạch vòng 64

Hình 3.63 Mô phỏng ngắn mạch một pha tại nút 3 đường dây mạch vòng 66

Hình 4.1 Mô hình trụ điện đường dây trên không 68

Hình 4.2 Mô phỏng đóng cắt đường dây hình tia 69

Hình 4.3 Thông số nguồn 69

Hình 4.4 Thông số tải 70

Hình 4.5 Thông số đường dây 70

Hình 4.6 Điện áp ở phía tải trên 3 pha khi t1 = t2 = t3 = 10ms 71

Hình 4.7 Điện áp trên pha A ở nguồn và tải 71

Hình 4.8 Điện áp trên pha B ở nguồn và tải 71

Hình 4.9 Điện áp trên pha C ở nguồn và tải 72

Trang 16

Hình 4.15 Điện áp trên pha A ở nguồn và tải 74

Hình 4.18 Mô phỏng đóng cắt đường dây liên thông 75

Hình 4.19 Điện áp ở phía tải 1 trên 3 pha khi t1 = t2 = t3 = 10ms 75

Hình 4.20 Điện áp ở phía tải 2 trên 3 pha khi t1’ = t2’ = t3’ = 10ms 75

Hình 4.21 Điện áp trên pha A ở nguồn và tải 1, tải 2 76

Hình 4.22 Điện áp trên pha B ở nguồn và tải 1, tải 2 76

Hình 4.23 Điện áp trên pha C ở nguồn và tải 1, tải 2 76

Hình 4.24 Điện áp ở phía tải 1 trên 3 pha khi t1 = 10ms, t2 = 15ms, t3 = 20ms 77

Hình 4.25 Điện áp ở phía tải 2 trên 3 pha khi t1’ = 10ms, t2’ = 15ms, t3’ = 20ms 77

Hình 4.39 Mô phỏng đóng cắt đường dây liên thông 81

Trang 17

Hình 5.1 Điện cực nối đất thanh ngang được chia thành n phân đoạn 87

Hình 5.2 Sơ đồ mạch điện thay thế tương đương hình  87

Hình 5.3 Điện áp và dòng điện tại các nút và nhánh của mạch điện thay thế 88

Hình 5.4 Thông số tạo sét 89

Hình 5.5 Dòng sét được mô phỏng 89

Hình 5.6 Mô phỏng thanh nối đất 40m 90

Hình 5.7 Thông số R 90

Hình 5.8 Thông số L 91

Hình 5.9 Thông số C 91

Hình 5.10 Thông số G 92

Hình 5.11 Đặc tuyến điện áp tại [0m, 2m, 10m, 20m, 40m] 92

Hình 5.12 Đặc tuyến dòng điện tại [0m, 2m, 10m, 20m, 40m] 92

Hình 5.13 Thông số G 93

Hình 5.15 Đặc tuyến dòng điện tại [0m, 2m, 10m, 20m, 40m] 94

Hình 5.20 Các dạng lưới nối đất 96

Hình 5.21 Mô phỏng lưới nối đất 1×1 96

Trang 18

Hình 5.23 Đặc tuyến dòng điện tại các điểm 1, 2, 3 97

Hình 5.24 Mô phỏng lưới nối đất 2×2 97

Hình 5.25 Đặc tuyến điện áp tại các điểm 1, 2, 3, 4, 5, 6 98

Hình 5.26 Đặc tuyến dòng điện tại các điểm 1, 2, 3, 4, 5, 6 98

Trang 19

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Chương 1: Tổng quan về quá độ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐỘ

1.1 Giới thiệu chung

Hệ thống truyền tải và phân phối điện trong thực tế là một hệ thống phi tuyến tính và luôn thay đổi với các phần tử đóng ngắt mạch, các sự cố trên hệ thống, máy phát điện thay đổi theo nhu cầu tải, và hệ thống điện bị nhiễu do tác động bên ngoài,

ví dụ là sét Khi có sự thay đổi đột ngột trong hệ thống như sự thay đổi rất đa dạng biên độ sóng điện áp, dòng điện rất cao khi thao tác đóng cắt trạm tụ bù, máy cắt, máy biến áp lực hay khi có sự cố trên đường dây, sự thay đổi này không thể diễn ra ngay lập tức mà phải qua một khoảng thời gian quá trình quá độ Sự thay đổi đột ngột biên độ điện áp, dòng điện, giá trị tần số làm ảnh hưởng trực tiếp đến các thiết

bị điện trong lưới điện gây hao mòn, thậm chí hư hỏng các thiết bị làm mất ổn định

hệ thống điện, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng Việc phân tích các sự thay đổi này, ( dòng điện, điện áp, tốc độ, tần số, mômen trong các

hệ thống điện) là mục tiêu chính của phân tích và mô phỏng quá độ trong các hệ thống điện

Thuật ngữ “quá độ” được sử dụng để mô tả một loạt sự thay đổi các tần số và biên độ lớn Bảng sau thể hiện sự thay đổi của hệ thống điện liên quan đến khoảng thời gian của quá trình quá độ

Trong đó, thời gian xảy ra nhanh và ngắn nhất là do sét đánh, chỉ tính bằng mico giây Khoảng thời gian quá độ khi vận hành, điều khiển hệ thống điện có thể kéo dài đến 24 giờ

Tác nhân gây quá độ Thời gian

Quản lý tải, thao tác vận hành 24h

Bảng 1.1 Thời gian xảy ra quá độ trong hệ thống điện do các tác nhân khác

nhau (trích Transients in electrical systems: Analysis, Recognition,

and Mitigation)

Trang 20

Hình 1.1 Thời gian xảy ra quá độ trong hệ thống điện do các tác nhân khác

nhau (trích Transients in electrical systems: Analysis, Recognition,

and Mitigation)

1.2 Phân loại

1.2.1 Phân loại theo nguồn gốc

Phân loại dựa sự tác động đến hệ thống, hay còn gọi là nguồn gốc của quá độ thì

có 2 loại:

1 Do sự tác động của khí quyển, ví dụ như sét

2 Do các hoạt động đóng cắt, sự cố trên hệ thống

Một số tác nhân khác gây nên hiện tượng quá độ hiếm khi xảy ra hơn như

- Sự phát nổ của các thiết bị hạt nhân ở độ cao cực kỳ cao (40 km hoặc hơn),

tạo nên quá độ được gọi là xung điện từ cao (high-altitude electromagnetic pulse

- HEMP)

- Các cơn bão địa từ mạnh do hoạt động của vết đen trên mặt trời mỗi 11 năm

có thể tạo ra dòng điện dc trong các đường truyền và từ hóa lõi của các máy biến

áp được kết nối với phần cuối của đường truyền Điều này có thể dẫn đến độ bão hòa của lõi sắt Vào năm 1989, một sự mất điện lớn đã được báo cáo ở các công

ty điện của Hoa Kỳ và Canada do các cơn bão địa từ

Trang 21

- Các từ trường cực thấp (Extremely low magnetic fields - ELF), với tần số 60

Hz sự cộng hưởng dao động lên đến 300 Hz và thấp hơn đến 5 Hz, được tạo ra bởi dòng điện xoay chiều, và kết hợp giữa nhiều loại ung thư và bệnh bạch cầu khác nhau trong một số nghiên cứu dịch tễ học

1.2.2 Phân loại theo nhóm tần số

Nghiên cứu về quá độ trong các hệ thống điện liên quan đến dải tần số có thể lên đến khoảng 50 MHz và hơn nữa trong một vài trường hợp cụ thể Bảng sau cho biết các nguồn gốc của quá độ và các dải tần số phổ biến nhất

Dựa vào tần số, có thể chia làm 4 loại quá độ sau

1.2.2.1 (Temporary overvoltages) Quá áp tạm thời (0.1Hz – 3kHz)

Đây là quá áp có dao động giảm dần giữa pha với pha hoặc pha với đất trong khoảng thời gian tương đối dài (tính theo giây, thậm chí là vài phút) Nó có nguồn gốc do sự cố, cắt tải, cộng hưởng và cộng hưởng sát từ hoặc bởi sự kết hợp của các yếu tố này

1.2.2.2 (Switching overvoltages) Quá áp do đóng cắt (50/60Hz – 20kHz)

Đây là những quá áp một chiều hoặc quá áp với biên độ dao động lớn, thời gian ngắn Nó được tạo ra bởi các hoạt động đóng cắt, sự cố trên hệ thống điện

1.2.2.3 (Lightning overvoltages) Quá áp sét (10kHz – 3MHz)

Quá áp được gây ra chủ yếu bởi sét đánh xảy ra trong thời gian nhanh nhất (tình theo nano giấy cho đến micro giây), mặc dù chúng cũng có thể do một số thao tác chuyển mạch Dòng điện cực đại có thể đạt tới 100 kA trong lần sét đánh đầu tiên

và thậm chí còn cao hơn trong các lần tiếp theo

1.2.2.4 (Very fast transients – VFT) Quá độ cực nhanh (100kHz –

50MHz)

Đây là các quá độ trong dải tần số từ 100 kHz đến 50 MHz Đây là quá trình quá

độ cao nhất trong các hệ thống điện Theo IEC 60071-1,2 hình dạng của một VFT

Trang 22

và với dao động chồng ở tần số 30 kHz <f <100 MHz Nói chung, thuật ngữ này được áp dụng cho các tần số vượt quá 1 MHz Các quá độ này có thể bắt nguồn từ các trạm GIS, do đóng cắt các động cơ và máy biến áp với thiết bị chuyển mạch

1.2.3 Phân loại theo phương thức

Một phân loại khác có thể được thực hiện dựa trên phương thức tạo ra các quá trình quá độ trong hệ thống điện:

1.2.3.1 Quá độ điện từ:

Được tạo ra chủ yếu bởi sự tương tác giữa điện trường của điện dung và từ trường tự cảm trong các hệ thống điện Hiện tượng điện từ có thể xuất hiện dưới dạng sóng di chuyển trên đường dây truyền tải, cáp, nhánh bus và dao động giữa điện cảm và điện dung

1.2.3.2 Quá độ cơ điện:

Tương tác giữa năng lượng điện được lưu trữ trong hệ thống và năng lượng cơ học được lưu trữ trong quán tính của các máy quay (máy phát điện và động cơ)

Trong phạm vi luận văn chỉ nghiên cứu đến quá độ điện từ

Một số trường hợp quá độ trong hệ thống điện

1.3 Quá độ do ngắn mạch trong hệ thống điện

1.3.1 Ngắn mạch

Khi chế độ của hệ thống điện thay đổi đột ngột sẽ tạo ra quá trình quá độ điện

từ, trong đó quá trình phát sinh do ngắn mạch là nguy hiểm nhất

Ngắn mạch là hiện tượng các dây dẫn pha chạm nhau, chạm đất (trong hệ thống

có điểm trung tính nối đất) hoặc chạm dây trung tính Khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch, tổng trở giảm đi và dòng điện tăng lên rất lớn – gọi là dòng điện ngắn mạch Nếu không nhanh chóng cô lập điểm ngắn mạch thì hệ thống sẽ chuyển sang chế độ ngắn mạch duy trì (xác lập)

Ngắn mạch đối xứng là dạng ngắn mạch vẫn duy trì được hệ thống dòng, áp 3 pha ở trạng thái đối xứng Ngắn mạch không đới xứng là dạng ngắn mạch làm cho

hệ thống dòng và áp mất đối xứng Khi sự cố xảy ra tại một điểm, tổng trở các pha

Trang 23

Chương 1: Tổng quan về quá độ

tại điểm đó như nhau gọi là ngắn mạch không đối xứng ngang, còn tổng trở các pha

tại điểm đó khác nhau gọi là không đối xứng dọc

1.3.2 Các dạng ngắn mạch:

Có 4 dạng ngắn mạch sau:

Dạng ngắn mạch Hình vẽ quy ước Ký hiệu Xác suất xảy

ra (%)

Trong các dạng ngắn mạch trên chỉ có ngắn mạch ba pha N(3) là ngắn mạch đối

xứng vì sau khi ngắn mạch sơ đồ và thông số của mạng vẫn đối xứng Các dạng

ngắn mạch còn lại đều là ngắn mạch không đối xứng

Ngắn mạch ba pha tuy xác suất xảy ra thấp nhất nhưng lại được quan tâm nhiều

nhất vì đó là ngắn mạch nặng nề nhất, ảnh hưởng nhiều đến hệ thống và là ngắn

mạch có tính đối xứng, dạng ngắn mạch cơ sở Tính toán các dạng ngắn mạch khác

đều dựa trên cơ sở đưa về cách tính ngắn mạch ba pha

1.3.3 Các thành phần trong dòng điện ngắn mạch

Dòng điện ngắn mạch khi xảy ra được mô tả bởi 2 thành: phần thành phần chu

kỳ (Iac) và thành phần phi chu kỳ (Idc)

Trang 24

Hình 1.2 Đường cong dòng điện ngắn mạch

- Dòng ngắn mạch chu kì (iac): dao động với chu kỳ không đổi Khi có sự cố gần máy phát, trong máy phát cũng xảy ra quá trình quá độ điện từ, sức điện động và kháng điện của máy phát cũng thay đổi theo, do đó biên độ của dòng chu kỳ thay đổi giảm dần theo thời gian đến giá trị xác lập Ik Khi sự cố xảy ra ở

xa máy phát hoặc nguồn có công suất vô cùng lớn thì biên độ Iac = Ik

- Dòng tự do phi chu kì (Idc): có biên độ tắt dần theo thời gian Giá trị Idc được xác định bởi giá trị trung bình giữa điểm đỉnh và đáy ở đường cong ngắn mạch

𝑖𝑑𝑐 = √2 𝐼𝑘" 𝑒−2𝜋𝑓𝑡𝑅/𝑋

Từ công thức trên cho thấy 𝑖𝑑𝑐 phụ thuộc vào tỉ lệ R/X, dòng ngắn mạch siêu

quá độ ban đầu Ik ”, tần số, thời gian Trong đó, R, X là phần thực và ảo của tổng

Trang 25

Như vậy, giá trị Ip phụ thuộc vào hệ số k và Ik ”, mà k lại phụ thuộc vào tỉ lệ R/X Những máy cắt thông thường sẽ không đủ nhanh để loại trừ dòng điện này

và cho nên thiết bị này được thiết kế để chịu được dòng điện ngắn mạch Ip

- Dòng ngắn mạch xác lập (Ik): là giá trị của dòng điện ngắn mạch sau khi xảy

ra quá trình quá độ

𝐼𝑘𝑚𝑎𝑥 = 𝜆𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑟𝐺Trong đó 𝜆𝑚𝑎𝑥 là hệ số được tra từ đồ thị của nguồn ngắn mạch xác lập Khi

có sự cố xa máy phát 𝐼𝑘 = 𝐼𝑘"

- Dòng cắt ngắn mạch (Ib): Khi ngắn mạch xa máy phát, dòng điện ngắn mạch

Ib là được giả định bằng Ik” (𝐼𝑏 = 𝐼𝑘") Khi ngắn mạch gần máy phát, dòng cắt ngắn mạch được xác định:

+ Đối với máy điện đồng bộ: 𝐼𝑏 = µ𝐼𝑘"

+ Đối với máy điện không đồng bộ: 𝐼𝑏 = µ𝑞𝐼𝑘"

- Dòng ngắn mạch siêu quá độ ban đầu (Ik’’) và dòng ngắn mạch xác lập (Ik)

sẽ gây ra tổn thất lớn và có thể dẫn đến trạng thái quá nhiệt Sự quá tải này xảy

ra phụ thuộc vào thời gian xảy ra sự cố ngắn mạch, nếu thiết bị bảo vệ loại trừ

sự cố càng nhanh thì sẽ giảm được hậu quả do dòng ngắn mạch gây ra

1.3.4 Nguyên nhân và hậu quả của ngắn mạch

1.3.4.1 Nguyên nhân của ngắn mạch:

Nguyên nhân chung và chủ yếu của ngắn mạch là do cách điện của các thiết bị

bị hỏng, có thể là do thiết bị già cỗi, hư hỏng; xuất hiện điện trường mạnh làm phóng điện chọc thủng vỏ cách điện; chịu tác động vật lý bên ngoài, tác động của môi trường, nhiệt độ; bị sét đánh gây phóng điện, tạo ra hồ quang điện giữa các dây dẫn; do thao tác nhầm lẫn;…

Trang 26

1.3.4.2 Hậu quả của ngắn mạch

Phát nóng cục bộ nhanh: Dòng ngắn mạch rất lớn so với định mức làm cho các phần tử có dòng ngắn mạch đi qua nóng quá mức cho phép, gây cháy nổ

Tăng lực điện động: Sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần của thiết bị điện, ứng lực điện từ giữa các dây dẫn, làm biến dạng hoặc gây vỡ các bộ phận

Điện áp giảm và mất đối xứng: Gây sụt áp lưới điện làm động cơ ngừng quay, ảnh hưởng đến năng suất làm việc của máy móc thiết bị

Gây nhiễu các đường dây thông tin: Do dòng thứ tự không sinh ra khi ngắn mạch chạm đất

Gián đoạn cung cấp điện: Do nhiều phần của mạng điện bị cắt ra để loại trừ điểm ngắn mạch

Mất ổn định trong hệ thống điện: Khi không cách ly kịp thời các phần tử bị ngắn mạch, hệ thống sẽ mất ổn định hoặc các máy phát bị mất cân bằng công suất, quay theo những vận tốc khác nhau gây mất đồng bộ Đây là hậu quả nghiêm trọng nhất

- Lựa chọn sơ đồ thích hợp làm giảm dòng ngắn mạch

- Lựa chọn thiết bị làm giảm dòng ngắn mạch như: kháng điện, MBA, nhiều

cuộn dây

- Nghiên cứu các hiện tượng khác về chế độ hệ thống như quá trình quá độ

điện cơ: phân tích ổn định, quá độ điện từ: phân tích hiện tượng cộng hưởng, quá điện áp

Những bài toán liên quan đến tính toán dòng điện ngắn mạch:

- Lựa chọn sơ đồ mạng cung cấp điện, nhà máy điện

- Lựa chọn thiết bị và dây dẫn

Trang 27

1.3.6 Giả thiết cơ bản

Những giả thuyết cơ bản nhằm để đơn giản hóa và làm giảm khối lượng tính toán trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết Sau đây là những là các giả thuyết cơ bản liên quan đến việc thiết lập sơ đồ tính toán ngắn mạch:

- Tần số của hệ thống không thay đổi

+ Giả thuyết này không mắc sai số nhiều và làm đơn giản đáng kể phép

tính

+ Các điện kháng sẽ có giá trị không đổi

+ Ngắn mạch chỉ được tính toán trong giai đoạn đầu nên sự thay đổi tốc

độ quay của máy phát trong quá trình quá độ chưa đáng kể

- Bỏ qua bão hòa từ: Bình thường lõi thép của nhiều thiết bị điện làm việc ở

trạng thái gần bão hòa Trong trạng thái ngắn mạch mức độ bão hòa từ có thể tăng cao hơn Tuy nhiên để đơn giản có thể coi mạch từ không bão hòa, khi đó điện cảm của phần tử là hằng số và mạch điện là tuyến tính

- Thay phụ tải bằng tổng trở hằng: Khi thay thế bằng tổng trở hằng đặc tính

tiêu thụ công suất của phụ tải không còn phù hợp Tuy nhiên, sai số mắc phải nằm trong phạm vi cho phép

- Bỏ qua các lượng nhỏ trong thông số của một số phần tử

+ Bỏ qua dung dẫn ký sinh của các đường dây điện áp thấp

+ Bỏ qua mạch không tải của các máy biến áp

+ Bỏ qua điện trở của cuộn dây máy phát điện, máy biến áp và đường

dây

- Hệ thống nguồn ba pha là đối xứng: Khi ngắn mạch không đối xứng, phản

ứng phần ứng của các pha lên từ trường quay không giống nhau Tuy nhiên, từ trường vẫn được giả thuyết quay đều với tốc độ không đổi Khi đó sức điện động

ba pha luôn đối xứng

- Các phương pháp tính toán ngắn mạch

+ Tính chính xác trong hệ đơn vị có tên

Trang 28

và điện cảm của mạch, kèm theo quá trình dao động quá độ và gây nên quá điện áp Nguyên nhân trực tiếp làm phát sinh quá điện áp nội bộ có thể là các thao tác đóng cắt các phần tử của hệ thống điện trong chế độ làm việc bình thường (như đóng cắt đường dây không tải, máy biến áp không tải), nhưng cũng có thể là do bản thân của các tình trạng sự cố khác nhau trong hệ thống điện (như chạm đất, ngắn mạch, đứt dây.v.v)

- Quá điện áp khi cắt những dòng điện cảm nhỏ, đặc biệt khi cắt máy biến áp

không tải, động cơ không đồng bộ và máy bù

- Quá điện áp khi chạm đất bằng hồ quang không ổn định trong lưới có trung

tính cách điện, trung tính nối đất cộng hưởng

Trang 29

Nhóm 2: quá điện áp cộng hưởng, gây nên bởi nhưng dao động cộng hưởng trong hệ thống như sau:

- Quá điện áp cộng hưởng ở tần số làm việc (cộng hưởng điều hòa)

- Quá điện áp cộng hưởng ở tần số cao

- Quá điện áp cộng hưởng ở tần số thấp hơn tần số nguồn

- Quá điện áp cộng hưởng tham số xảy ra do sự thay đổi chu kỳ tham số của

mạch điện

Quá điện áp nội bộ được đặc trưng bởi tham số như sau:

- Trị số cực đại đặc trưng bởi bội số của biên độ điện áp pha định mức

- Thời gian duy trì quá điện áp (thay đổi trong một phạm vi rộng từ một vài

trăm micro giây (quá điện áp thao tác) đến hàng giây, thậm chí hàng phút (quá điện áp cộng hưởng)

- Tính lặp lại, mức độ lan truyền cục bộ trong các phần tử sự cố hay toàn bộ

hệ thống điện

1.4.3 Hậu quả

Phá hủy cách điện làm hư hỏng các thiết bị vận hành

Cung cấp điện không liên tục gây thiệt hại cho nền kinh tế

1.5 Quá độ sét trong lưới nối đất

1.5.1 Quá độ sét

Phát sinh khi có phóng điện sét trực tiếp vào các các thiết bị ngoài trời như các đường dây tải điện, thiết bị phân phối ngoài trời, nhà cửa hay các công trình khác; Hoặc là khi có sự phóng điện vào một đối tượng nào đó ở gần rồi cảm ứng lên mạng điện (gọi là quá điện áp cảm ứng) Sét có thể tạo ra dòng điện lên đến 200kA và tần

số từ 100kHz đến 10MHz Quá điện áp do sét đánh trực tiếp là nguy hiểm nhất, thời gian tác động ngắn khoảng (20÷60)µs, biên độ điện áp rất cao và có đặc tính xung

1.5.2 Hệ thống nối đất

Hệ thống nối đất là một phần tử quan trọng trong hệ thống điện bởi vì nó tạo nên

Trang 30

sét vào trong đất Khi thiết kế hệ thống nối đất, một trong những vấn đề cần được quan tâm là tính toán thiết kế tối ưu và đáp ứng quá độ sét trên lưới nối đất

1.5.2.1 Phân loại

Theo chức năng của các loại nối đất, nó được chia làm 3 loại sau đây:

- Nối đất an toàn : nhằm đảm bảo an toàn cho con người Nối đất an toàn là

nối tất cả các bộ phận kim loại của TBĐ hay của các kết cấu kim loại mà khi cách điện bị hư hỏng thì nó xuất hiện điện áp xuống hệ thống nối đất

- Nối đất chống sét : đảm bảo an toàn cho TBĐ Nối từ bộ phận thu sét xuống

đất

(Cả 2 loại nối đất trên được gọi là nối đất bảo vệ)

- Nối đất làm việc : nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình thường cho TBĐ

và 1 số bộ phận của TBĐ theo chế độ đã được qui định sẵn, đây là loại nối đất bắt buộc để đảm bảo các điều kiện vận hành của hệ thống

Trong rất nhiều trường hợp, 2 hoặc 3 nhiệm vụ nối đất trên được thực hiện trên cùng một hệ thống nối đất

1.5.2.2 Cấu trúc

Các loại nối đất thường được thực hiện bằng một hệ thống những cọc thép (hoặc đồng) đóng vào đất hoặc những thanh ngang hoặc hệ thống thanh - cọc nối liền nhau chôn trong đất ở một độ sâu nhất định

Các cọc thép, thanh thép đóng sâu xuống đất có cấu trúc hình học khác nhau, thường được sử dụng là dây nối đất ngang đơn, thanh đứng, dây dẫn vòng, lưới nối đất với diện tích lớn hoặc kết hợp của cấu trúc nói trên

Trang 31

Hình 1.3 Các cấu trúc nối đất thường dùng

Tùy theo cách bố trí các điện cực nối đất mà phân biệt nối đất tập trung hay nối đất mạch vòng

- Nối đất tập trung: thường dùng nhiều cọc đóng xuống đất và nối với nhau

bằng các thanh ngang hay cáp đồng trần Khoảng cách giữa các cọc thường bằng

2 lần chiều dài cọc để loại trừ hiệu ứng màn che (hiệu ứng làm giảm khả năng tản dòng chạm đất của một cọc vào vùng đất lân cận cọc) Trong trường họp khó khăn về mặt bằng thi công thì khoảng cách này không nên nhỏ hơn chiều dài cọc Nối đất tập trung thường chọn nơi đất ẩm, điện trở suất thấp, ở xa công trình

- Nối đất mạch vòng: các điện cực nối đất được đặt theo chu vi công trình cần

bảo vệ khi phạm vi công trình rộng Nối đất mạch vòng nên dùng các trang thiết

bị có điện áp trên 1000V, dòng điện chạm lớn

Hình 1.4 Các kiểu nối đất

Trang 32

1.5.3 Điện cực nối đất

Hình 1.5 Các thành phần của điện cực nối đất

Điện trở của điện cực nối đất và điểm kết nối của nó nhìn chung rất thấp Các cọc nối đất thường làm bằng vật liệu có điện trở thấp/dẫn điện cao chẳng hạn như thép hoặc đồng

Điện trở tiếp xúc của mặt đất xung quanh đến điện cực gần như không đáng kể miễn là điện cực nối đất không có lớp sơn, bôi dầu mỡ, v.v và điện cực nối đất này được tiếp xúc tốt với đất

Điện cực nối đất được trái đất bao quanh Trái đất theo khái niệm do các lớp vỏ đồng tâm, có cùng độ dày tạo thành Những lớp vỏ gần nhất với điện cực nối đất có khu vực nhỏ nhất gây ra mức điện trở lớn nhất Mỗi lớp vỏ kế tiếp kết hợp với một khu vực lớn hơn gây ra điện trở thấp hơn Điều này cuối cùng sẽ dấn đến việc các lớp vỏ bổ sung cung cấp rất ít điện trở xuống đất xung quanh điện cực nối đất

1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở nối đất

1.5.4.1 Chiều dài/độ sâu của điện cực nối đất

Một cách rất hiệu quả để giảm điện trở nối đất là chôn điện cực nối đất sâu hơn vào lòng đất Trở suất của đất không nhất quán và có thể khó dự đoán được Nếu chiều dài của điện cực nối đất dài gấp đôi thì có thể giảm mức điện trở thêm 40% Cũng có những trường hợp khi mà điều kiện vật lý không cho phép chôn cọc nối đất

Trang 33

sâu hơn - những khu vực đá, granite v.v Trong trường hợp này, có thể thực hiện các biện pháp thay thế bao gồm nối đất bằng xi măng

1.5.4.2 Đường kính của điện cực nối đất

Tăng đường kính của điện cực nối đất ảnh hưởng rất ít đến việc giảm điện trở Nếu có thể tăng gấp đôi đường kính của một điện cực nối đất thì điện trở chỉ giảm khoảng 10%

1.5.4.3 Số lượng điện cực nối đất

Một cách khác để giảm điện trở nối đất là sử dụng nhiều điện cực nối đất Để các điện cực bổ sung phát huy hiệu quả, khoảng cách giữa các cọc bổ sung cần phải

ít nhất bằng với độ sâu chôn cọc Khoảng cách giữa các điện cực nối đất không thích hợp sẽ làm cho phạm vi ảnh hưởng của chúng giao nhau và không làm giảm điện trở

1.6 Quá độ trong máy biến áp

Quá độ trong máy biến áp là quá trình chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác khi có sự thay đổi một trong các đại lượng xác định chế độ làm việc của mba như: tần số, điện áp, phụ tải Quá độ bao gồm: Quá dòng điện và quá điện

áp

1.6.1 Quá điện áp

Nguyên nhân: Khi máy biến áp làm việc trong lưới điện thường chịu những điện

áp xung kích, còn gọi là quá điện áp, có trị số gấp nhiều lần trị số điện áp định mức Nguyên nhân gây quá điện áp :

- Thao tác đóng cắt đường dây hoặc các máy điện

- Ngắn mạch chạm đất kèm theo hồ quang

- Sét đánh vào đường dây tải điện trên không và sóng sét truyền đến máy biến

áp Đây là sóng nguy hiểm nhất đối với máy biến áp, vì sóng sét có trị số điện áp hàng triệu vôn

Để giảm biên độ Um0 (biên độ trước chống sét rất lớn) của sóng quá điện áp sử dụng bộ chống sét phóng điện Pđ, để dẫn điện tích của sóng xung kích xuống đất

Trang 34

Sau tác động của bộ chống sét, điện áp của sóng xung kích giảm đi nhiều Um Biên

độ sau bộ chống sét Um nhỏ hơn trị số thử độ bền cách điện của máy biến áp

- Dây quấn nóng và bị cháy cách điện

- Gây lực cơ học phá kết cấu dây quấn

Biện pháp bảo vệ máy biến áp :

- Dùng rơ le tác động nhanh cắt chỗ sự cố ra khỏi mba

- Máy biến áp bị ngắn mạch các vòng dây bên trong, người ta thường dùng rơ

le hơi, rơ le so lệch để bảo vệ cắt mba ra khỏi lưới

Trang 35

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Chương 2: Giới thiệu phần mềm ATP-EMTP

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ATP-EMTP

2.1 Giới thiệu chung về ATP

ATP (Alternative Transients Program) được xem là chương trình được sử dụng rộng rãi để mô phỏng các hiện tượng quá độ điện từ, cũng như điện cơ trong hệ thống điện Chương trình liên tục được phát triển qua sự đóng góp quốc tế

Chương trình ATP tính toán những giá trị cần quan tâm trong hệ thống điện theo các hàm thời gian, đặc biệt là nhiễu Về cơ bản, qui tắc hình thang của phép tích phân được sử dụng để giải quyết các phương trình vi phân của những thành phần hệ thống trong miền thời gian Những điều kiện không ban đầu có thể được xác định tự động bởi một trạng thái ổn định, sự phân tán phasor cũng có thể được người sử dụng nhập vào cho một số thành phần ATP có nhiều mô hình như : máy điện quay, máy biến áp, sóng sét, các loại dây và cáp truyền

Với chương trình này, những hệ thống phức tạp có cấu trúc bất kỳ có thể được

mô phỏng Sự phân tích các hệ thống điều khiển, thiết bị và các phần tử điện phi tuyến đặc trưng như hồ quang và vầng quang cũng có thể được thành lập Các loại nhiễu đối xứng hay không đối xứng được khảo sát như : ngắn mạch, sét, hay bất kỳ loại hoạt động đóng ngắt điện nào bao gồm cả sự đảo mạch của các van Sự tính toán cho đáp ứng tần số của các hệ thống điện cũng được hỗ trợ trong ATP

2.2 Sơ lược về phần mềm ATP-EMTP

Chương trình quá độ điện từ (Electromagnetic Transients Program - EMTP) là một công cụ phân tích hệ thống mạch điện cực kỳ hữu dụng Nó có thể giải quyết được cả các bài toán về điện áp trong trạng thái ổn định, phân phối dòng điện ở tần

số cơ bản hay các hiện tượng đột biến trong vùng tần số cao, chỉ cần lựa chọn các

mô hình và thông số phù hợp cần thiết là có thể tính toán ra kết quả chính xác Đầu tiên nó được phát triển như một bản sao của bộ mô phỏng tương tự quá độ lưới điện (TNA) Trong những năm qua, rất nhiều tính năng đã được bổ sung và nó trở thành như một chuẩn được chấp nhận trong công nghiệp điện lực Sau khi ATPDraw (một giao diện người dùng đồ họa đơn giản, dễ dàng) được phát triển, ATP-EMTP đã ngày càng phổ biến hơn nữa

Trang 36

Chương trình EMTP được phát triển vào những năm cuối của thập kỷ 60 thế kỷ trước bởi tiến sĩ Hermann Dommel, ông đã mang chương trình này đến Bonneville Power Administration (BPA)

Vào năm 1973 khi giáo sư Dommel rời khỏi BPA để chuyển đến đại học British Columbia (UBC), hai phiên bản của chương trình đã được định hình: Phiên bản tương đối nhỏ UBC được sử dụng chủ yếu để phát triển các mô hình; và phiên bản BPA, mở rộng nhằm hướng tới các yêu cầu của các kỹ sư điện Phiên bản BPA của chương trình EMTP được phát triển nhờ những nỗ lực cộng tác phát triển của tiến

sỹ Scott Meyer và tiến sỹ Tsu-huei Liu của BPA, cũng như sự đóng góp của hàng loạt các Công ty điện lực và các trường đại học Bắc Mỹ Nhằm hợp lý hoá sự phát triển chương trình và thu hút sự tài trợ từ các công ty điện lực, nhóm phối hợp phát triển chương trình EMTP (DCG) đã được thành lập vào năm 1982 Những thành viên ban đầu của DCG bao gồm BPA, Văn phòng khiếu nại Mỹ, Hiệp hội điện lực miền Tây (WAPA), Hiệp hội điện lực Canađa (CEA), Ontario Hydro, và Hydro Quebec

Do sự khởi đầu của DCG, một loạt những thay đổi đã diễn ra trong cộng đồng EMTP Vào năm 1986, tiến sỹ Scott Meyer rời khởi DCG, ông đã tích cực chủ trương phát triển một phiên bản độc lập của EMTP gọi là ATP (Alternative Transient program)

Năm 1989, UBC tiếp tục phát triển và thương mại hoá phiên bản ban đầu của EMTP nhắm vào dòng máy PC dưới tên gọi là MicroTran Vào giữa những năm 80 thế kỷ trước, Trung tâm nghiên cứu HVDC Manitoba phát triển một phiên bản của EMTP (EMTDC) nhằm chủ yếu cho việc mô phỏng hệ thống một chiều HVDC Trong quá trình phát triển, DCG tiếp tục tài trợ cho những nỗ lực nghiên cứu và phát triển chương trình Đồng thời, số thành viên của DCG đã tăng lên Hiện tại các thành viên Bắc Mỹ của DCG bao gồm WAPA, Văn phòng khiến nại Mỹ, Công ty dịch vụ điện lực Mỹ, Viện nghiên cứu điện (EPRI), CEA, Hydro One Networks, Hydro Quebec Các thành viên DCG ngoài Bắc Mỹ bao gồm: CRPIEPI (Viện nghiên cứu trung tâm của công nghiệp điện lực) Nhật, EDF, NEG (Nordic EMTP Group), đại diện IVO Phần Lan, Sydkdraft AB và Vattenfal AB Thụy Điển

Phiên bản hiện Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) mua bản quyền sử dụng là phiên bản 3.2a do Onchúng tario Hydro thay mặt cho DCG phát hành và chịu trách nhiệm cập nhật, bảo dưỡng và hỗ trợ khách hàng Phiên bản này được EVN mua

Trang 37

theo giới thiệu của các Chuyên gia Hydro Quebec khi đó đang làm dự án tiền khả thi cho mạch 500 kV Pleiku - Phú Lâm thứ hai

Phiên bản EMTP mới nhất hiện nay do Hydro Quebec thay mặt cho DCG phát hành có tên gọi là EMTP-rv

TACS (Transient Analysis of Control Systems) và MODELS (a simulation lanluage) 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 các song 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

2.2.2 Các thành phần trong thư viện mẫu

Đường dây đơn và đôi, các phần tử R, L, C

Đường dây và cáp truyền tải với các thông số phân bố và tần số độc lập

Điện trở phi tuyến và cuộn cảm, cuộn cảm hysteretic, điện trở thay đổi theo thời gian, điện trở điều khiển TACS/MODELS

Các thành phần phi tuyến: máy biến áp bao gồm bão hòa và trễ, sét, hồ quang điện

Trang 38

Các công tác thông thường, các công tắc độc lập với thời gian và độc lập với điện áp, công tắc thống kê

Các van (diodes, thyristors, triacs), TACS/MODELS điều khiển các công tắc đóng cắt

Các nguồn phân tích: hàm bậc thang, hàm dốc, hàm sin, hàm mũ, TACS/MODELS nguồn phân tích

Máy điện quay: máy đồng bộ ba pha, mô hình tổng quát máy điện

Các thành phần điện được tạo bởi người sử dụng

2.2.3 Mô hình hợp nhất các module

Hình 2.1 Mô hình các module trong ATP

Supporting programs: các thủ tục con cho sự chuẩn bị dữ liệu vào của các hệ

thống thành phần

MODELS: là một ngôn ngữ mô phỏng đa năng được hỗ trợ bởi một tập tin rộng

lớn các công cụ mô phỏng cho việc trình bày và nghiên cứu các hệ thống thay đổi theo thời gian

- MODELS trong ATP mô tả những thành phần điều khiển và mạch điện do

người dùng tạo ra, có một giao diện đơn giản để kết nối với các chương trình hay module khác tới ATP

- MODELS có thể được dùng để xử lý các số liệu mô phỏng trong miền tần số

hay thời gian

Trang 39

TACS là một mô hình dùng để mô phỏng cho hệ thống điều khiển trong miền

thời gian Giao diện giữa mạng điện và TACS được thiết lập bởi sự trao đổi các tín hiệu như điện áp nút, dòng điện đóng cắt, điện trở thay đổi theo thời gian, nguồn áp

và dòng TACS có thể được sử dụng để mô phỏng

- Những bộ biến đổi điều khiển HVDC

2.2.4 Các module chính

Modules đóng vai trò nền tảng cho các modules khác là modules ATP Draw

Hình 2.2 Mối tương quan giữa ATP Draw với các modules khác

2.2.5 Các module hỗ trợ

Các chương trình hỗ trợ trong ATP có thể được chia làm hai phần chính: Phần

mô phỏng (simulation part) và phần chương trình phụ( supporting part)

- Phần mô phỏng có các mô hình mạng điện thay thế (representation electrical

network) được tính toán trong miền thời gian và miền tần số

- Phần các chương trình phụ: chuẩn bị dữ liệu cho mô hình mạng điện thay thế

Trang 40

Hình 2.3 Các chương trình được hỗ trợ trong ATP

2.2.6 Ứng dụng của ATP

Chương trình được sử dụng để mô phỏng các bài toán sau:

- Quá điện áp do sét đánh: Lighting overvoltage studies

- Quá độ do đóng cắt và sự cố: Switching transients and faults

- Quá điện áp đồng bộ và tĩnh: Statistical and systematic overvoltage studies

- Quá độ thay đổi nhanh chóng trong GIS và nối đất: Very fast transient in Gis

and Groundings

- Xây dựng mô hình máy điện: Machine modeling

- Ổn định quá độ và khởi động động cơ: Transient stability, motor startup

- Các dao động xoắn trục: Shaft torsional oscillations

- Đóng cắt máy biến áp và kháng điện, tụ điện: transformer and shunt reactor/

capacitor switching

- Cộng hưởng sắt từ: Ferroresonance

- Những ứng dụng của thiết bị điện tử công suất: Power electronic applications

- Chế độ máy cắt, sự thay đổi nhanh chóng của dòng điện

- Phân tích hài, cộng hưởng lưới: Harmonic analysis, network resonances

- Thử nghiệm thiết bị bảo vệ: Protective device testing

Định dạng
Số trang	122
Dung lượng	5,08 MB