Nghiên cứu đặc tính, mô hình chống sét van và việc sử dụng trong bảo vệ chống quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ

Nghiên cứu đặc tính, mô hình chống sét van và việc sử dụng trong bảo vệ chống quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ Nghiên cứu đặc tính, mô hình chống sét van và việc sử dụng trong bảo vệ chống quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Lưu Xuân Thành

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH, MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN VÀ VIỆC SỬ

DỤNG TRONG BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ

QUYỂN VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN THỊ MINH CHƯỚC

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Các số liệu có trong thuyết minh được lấy từ các tài liệu tham khảo, công ty Thủy Điện Sơn La, công ty Truyền Tải Điện I, công ty cổ phần Tư Vấn Xây Dựng Điện I … Thuyết minh và kết quả tính toán được bản thân tôi thực hiện

Hà Nội, ngày tháng 02 năm 2013

Học viên

LƯU XUÂN THÀNH

Khóa: CH 2010 - 2012

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ Thống Điện – trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội cùng bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện luận văn Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo TS Nguyễn Thị Minh Chước đã tận tình quan tâm hướng dẫn

giúp đỡ tác giả xây dựng và hoàn thành luận văn này

Do thời gian và tài liệu tham khảo có hạn, cũng như kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực này còn hạn chế nên trong quá trình làm luận văn tôi không thể trách khỏi những thiếu sót Do vậy rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô cùng các bạn để tôi

có thể sửa chữa và bổ sung kiến thức của mình

Xin trân trọng cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG: CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA CHỐNG SÉT VAN 13

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHỐNG SÉT VAN 13

1.2 CẤU TẠO CHỐNG SÉT VAN MOV 13

1.3 TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZnO 16

1.4 ĐẶC TÍNH V-I 18

1.5 THỜI GIAN ĐÁP ỨNG 19

1.6 NĂNG LƯỢNG CHO PHÉP VÀ CÔNG SUẤT TIÊU TÁN TRUNG BÌNH ….20

1.6.1 Năng lượng cho phép 20

1.6.2 Công suất tiêu tán trung bình 21

1.7 TÍNH NĂNG KỸ THUẬT 21

1.7.1 Điện áp định mức (Ur) 22

1.7.2 Dòng điện quy chuẩn (Iref) 23

1.7.3 Điện áp quy chuẩn (Uref) 24

1.7.4 QĐA tạm thời (TOV) 24

1.7.5 Điện áp vận hành liên tục (Uc) 24

1.7.6 Hệ số độ bền chịu đựng quá áp tạm thời (T) 25

1.7.7 Điện áp dư (Uref) 27

1.7.8 Hệ số sự cố chạm đất (Ke) 27

1.7.9 Năng lượng định mức 27

CHƯƠNG II: MÔ PHỎNG CHỐNG SÉT VAN TRONG TÍNH TOÁN 30

2.1 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ATP/EMTP 30

2.1.1 Giới thiệu chung về chương trình ATP/EMTP 30

2.1.2 Xác suất xuất hiện QĐA thao tác trong ATP/EMTP 40

2.1.3 Một số điểm chú ý khi sử dụng chương trình ATP/EMTP 41

2.1.4 Kết luận 41

2.2 CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN 41

2.2.1 Đặt vấn đề 41

2.2.2 Mô hình điện trở phi tuyến 41

2.2.3 Mô hình điện trở phi tuyến kết hợp với điện cảm phi tuyến 43

2.2.4 Mô hình của SCHMIDT 46

2.2.5 Mô hình của nhóm chuyên gia IEEE 48

2.2.6 Mô hình của MARDIRA 51

2.2.7 Kết luận 53

CHƯƠNG III: SỬ DỤNG CHỐNG SÉT VAN ĐỂ HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN TRUYỀN VÀO TRẠM BIẾN ÁP 55

3.1 MÔ PHỎNG SÓNG TRUYỀN VÀO TRẠM BIẾN ÁP BẰNG CHƯƠNG TRÌNH ATP/EMTP 55

3.1.1 Mô hình Trạm Biến Áp 55

3.1.2 Mô phỏng TBA bằng chương trình ATP/EMTP 56

3.1.3 Khảo sát phân bố QĐA tại các nút trong TBA khi có sét đánh trong trường hợp không đặt CSV 64

3.1.4 Mô phỏng dùng CSV để hạn chế QĐA khí quyển bằng chương trình ATP/EMTP 66

3.1.5 Nhận xét 74

CHƯƠNG IV: SỬ DỤNG CHỐNG SÉT VAN ĐỂ HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ 75

4.1 MÔ PHỎNG ĐÓNG ĐƯỜNG DÂY KHÔNG TẢI BẰNG CHƯƠNG TRÌNH ATP/EMTP 75

4.1.1 Mô hình đường dây 75

4.1.2 Nhập dữ liệu cho chương trình 75

4.1.3 Khảo sát QĐA ở phía cuối đường dây khi đóng đường dây không tải 83

4.2 MÔ PHỎNG DÙNG CHỐNG SÉT VAN ĐỂ HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH ATP/EMTP 90

4.2.1 Phần tử mô phỏng chống sét van trong chương trình ATP/EMTP 90

4.2.2 Khảo sát sử dụng chống sét van hạn chế QĐA nội bộ 91

4.2.3 Nhận xét 93

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHỤ LỤC 96

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ôxít kim loại

8 ATP Alternative Transients Programme

9 EMTP Electromagnetic Transients

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Kích thước biến trở……… 16

Bảng 1.2: Độ gia tăng điện áp pha – đất trên pha không bị sự cố……… 27

Bảng 2.1: Khả năng mô phỏng của ATP……… 31

Bảng 2.2: Các loại nguồn trong ATP……… 34

Bảng 2.3: Các phần tử phi tuyến……… 35

Bảng 2.4: Các dạng đường dây có thông số tập trung……… 35

Bảng 2.5: Các loại đường dây có thông số dải (đường dây hoán vị) ………… 36

Bảng 2.6: Các loại đường dây có thông số dải (đường dây không hoán vị)…… 36

Bảng 2.7: Các phần tử “cable constants” hoặc “line constants”……… 36

Bảng 2.8: Các loại máy biến áp……… 37

Bảng 2.9: Các loại công tắc……… 38

Bảng 2.10: Các loại máy điện……….……… 39

Bảng 2.11: Quan hệ dòng áp của A0 và A1……… 52

Bảng 3.1: Thông số các thành phần dây dẫn trong mô phỏng……… 63

Bảng 3.2: Biên độ và thời gian đầu sóng theo đặc tính của chuỗi sứ cách điện của đường dây………

64 Bảng 3.3: Quá điện áp tại các điểm khi thay đổi giá trị dòng sét khi không đặt CSV ………

65 Bảng 3.4: Thông số đặc tính U-I của CSV Areva QE050P……… 66

Bảng 3.5: Giá trị quá điện áp tại các điểm với các Tf khác nhau……… 69

Bảng 3.6: Giá trị quá điện áp tại các điểm với các Tf khác nhau……… 71

Bảng 3.7: Giá trị quá điện áp tại các điểm với các Tf khác nhau……… 73

Bảng 3.8: Quá điện áp tại AT1 khi không đặt và đặt CSV tại các vị trí khác nhau………

73 Bảng 4.1: Thông số của dây dẫn và dây chống sét……… ……… 75

Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của MBA 500kV trong trạm Sơn La……… 81

Bảng 4.3: Phân bố QĐA dọc theo chiều dài đường dây……… 89

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I.……… 13

Hình 1.2: Cấu trúc của ceramic.……… 14

Hình 1.3: Vi cấu trúc của MOV……… 15

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO……… 15

Hình 1.5: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO-biên-ZnO ……… 17

Hình 1.6: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào……… 18

Hình 1.7: Đặc tính V-I của MOV ……… 19

Hình 1.8: Đáp ứng của biến trở ZnO ứng với xung tốc độ cao……… 20

Hình 1.9: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng 20 Hình 1.10: Quan hệ công suất tiêu tán và điện áp…….……… 21

Hình 1.11: Chức năng phối hợp cách điện của CSV…… ……… 22

Hình 1.12: Hệ số chịu đựng quá điện áp tạm thời… ……… 25

Hình 1.13: Khả năng quá áp tạm thời của CSV McGraw-Edison Varistar loại AZL8………

26 Hình 2.1: Mô hình ATP/EMTP.……… 31

Hình 2.2: Mối tương quan giữa ATPDraw và các Module khác… ……… 32

Hình 2.3: Cửa sổ giao diện của ATP Draw… ……… 32

Hình 2.4: Xác suất xuất hiện quá điện áp thao tác ……… 40

Hình 2.5: Mô hình điện trở phi tuyến…… ……… 42

Hình 2.6: Đặc tính V-I mẫu của một sóng đóng cắt 36/90µs ……… 43

Hình 2.7: Mô hình và vòng trễ V-I ……… 44

Hình 2.8: Đường cong V-I và vòng trễ…… ……… 45

Hình 2.9: Mô hình CSV MOV… ……… 47

Hình 2.10: Đặc tính của phần tử A theo I và di/dt.……… 47

Hình 2.11: Mô hình phụ thuộc tần số của IEEE……… 49

Hình 2.12: Đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0 và A1… ………… 50

Hình 2.13: Mô hình đề nghị của Mardira ……… 51

Hình 3.1: Sơ đồ nhất thứ TBA 500kV Thường Tín.……… 55 Hình 3.2: Sơ đồ mô phỏng TBA Thường Tín trong trường hợp nguy hiểm 57

Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng TBA bằng chương trình ATP-EMTP ……… 58

Hình 3.4: Hộp thoại simulation trong ATP settings.……… 59

Hình 3.5: Hộp thoại Output trong ATP settings.….……… 59

Hình 3.6: Hộp thoại Format trong ATP settings ……… 60

Hình 3.7: Hộp thoại Variables trong ATP settings ……… 60

Hình 3.8: Nhập số liệu cho dây dẫn trong trạm ……… 63

Hình 3.9: Nhập dữ liệu cho dòng sét.……… 64

Hình 3.10: Phân bố QĐA tại các nút khi không đặt CSV (Tf=10-5s)……… 65

Hình 3.11: Phân bố QĐA tại các nút khi không đặt CSV (Tf=10-6s)……… 65

Hình 3.12: Nhập dữ liệu cho chống sét van ……… 66

Hình 3.13: Sơ đồ mô phỏng trạm khi đặt 2 CSV ……… 67

Hình 3.14: Đường cong QĐA tại các điểm khi đặt 1 CSV tại thanh cái (Tf=10 -5s)………

68 Hình 3.15: Đường cong QĐA tại các điểm khi đặt 1 CSV tại thanh cái (Tf=10 -6s) ………

68 Hình 3.16: Sơ đồ mô phỏng trạm khi đặt 1 CSV trước AT1……… 69

Hình 3.17: Đường cong QĐA tại các điểm khi đặt 1 CSV tại thanh cái (Tf=10 -5s)………

70 Hình 3.18: Đường cong QĐA tại các điểm khi đặt 1 CSV tại thanh cái (Tf=10 -6s)………

70 Hình 3.19: Sơ đồ mô phỏng trạm khi đặt 2 CSV tại thanh cái và trước AT1 71

Hình 3.20: Đường cong QĐA tại các điểm khi đặt 1 CSV tại thanh cái (Tf=10 -5s)………

72 Hình 3.21: Đường cong QĐA tại các điểm khi đặt 1 CSV tại thanh cái (Tf=10 -6s)………

72 Hình 3.22: Điện áp tại MBA trong các trường hợp đặt và không đặt CSV 73 Hình 4.1: Sơ đồ đơn giản hóa mô phỏng đóng cắt thống kê trên đoạn đường 75

Hình 4.3: Hộp thoại Output trong ATP settings ……… 76

Hình 4.4: Hộp thoại Switch/UM trong ATP settings……… 77

Hình 4.5: Hộp thoại Format trong ATP settings… ……… 78

Hình 4.6: Hộp thoại Variables trong ATP settings… ……… 78

Hình 4.7: Nhập số liệu cho nguồn điện AC 3 pha……… 79

Hình 4.8: Nhập số liệu cho đường dây.……… 81

Hình 4.9: Nhập số liệu cho điện cảm.……… 82

Hình 4.10: Nhập số liệu cho MC phía Sơn La……… 83

Hình 4.11: Nhập số liệu cho MC phía Hòa Bình……… 83

Hình 4.12: Đường cong QĐA của các pha tại nút Hòa Bình (trường hợp tiếp điểm MC đóng đồng thời, góc đóng 00)………

85 Hình 4.13: Đường cong QĐA của các pha tại nút Hòa Bình (trường hợp tiếp điểm MC đóng đồng thời, góc đóng 900) ………

86 Hình 4.14: Đường cong QĐA của các pha tại nút Hòa Bình (trường hợp tiếp điểm MC đóng không đồng thời) ………

88 Hình 4.15: Mô hình mô phỏng sự phân bố QĐA dọc theo chiều dài đường dây Sơn La – Hòa Bình.………

89 Hình 4.16: Phân bố quá áp dọc theo chiều dài đường dây Sơn La – Hòa Bình 90

Hình 4.17: Mô hình đơn giản hóa có lắp chống sét van đường dây Sơn La – Hòa Bình………

91 Hình 4.18: Nhập số liệu cho chống sét van….……… 91

Hình 4.19: Phân bố điện áp dọc theo chiều dài đường dây khi đặt chống sét van ở các vị trí khác nhau….………

93

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, đất nước ta đang trong thời kỳ đổi mới Thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa do đảng ta khởi xướng đã đem lại những thay đổi cơ bản cho đất nước Đưa đất nước ta thoát khỏi tình trạng đói nghèo, từng bước chuyển mình phát triển và mục tiêu phấn đấu đến năm 2020 sẽ cơ bản trở thành một nước công nghiệp Đóng góp chung vào sự phát triển chung đó, ngành điện giữ một vai trò hết sức quan trọng

Sự phát triển của hệ thống điện (HTĐ) Việt Nam trong những năm gần đây là rất nhanh chóng Yêu cầu về phụ tải và chất lượng điện năng ngày càng cao Chính từ

sự phát triển nhanh chóng và yêu cầu ngày càng cao đó, vấn đề nghiên cứu về bảo vệ chống quá điện áp (QĐA) đã và đang được thúc đẩy trong nghiên cứu, do tính chất rất cần thiết của nó đến việc vận hành an toàn, tin cậy của hệ thống cung cấp điện

Để thực hiện bảo vệ chống sóng QĐA, trong HTĐ ta sử dụng các chống sét van Do thiết bị chống sét là thiết bị phi tuyến nên để đánh giá hiệu quả của các chống sét van đối với bảo vệ chống QĐA, ta sử dụng phương pháp mô hình hóa và tiến hành

mô phỏng

Hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu và sản xuất thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây đã đi sâu nghiên cứu và đề ra các thiết bị chống sét với mức độ chi tiết, các quan điểm xây dựng mô hình cũng khác nhau Mặt khác, các phần mềm mô phỏng cũng hỗ trợ rất nhiều trong việc xây dựng mô hình các thiết bị chống sét như phần mềm ATP-EMTP, … Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hóa và mô phỏng là có yêu cầu về mức độ chính xác, mức độ tương đồng cao giữa mô hình và nguyên mẫu của đối tượng nên các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng các phần tử chống sét lan truyền vẫn còn nhiều tranh cãi và được tiếp tục phát triển ứng dụng vào thực tiễn Xuất phát từ yêu cầu hạn chế QĐA thao tác cho đường dây 500kV,

và hạn chế QĐA khí quyển lan truyền vào trạm biến áp (TBA), tôi tiến hành triển khai luận văn của mình theo hướng nghiên cứu QĐA khi đóng cắt không tải đường dây siêu cao áp và quá trình truyền sóng vào TBA

Luận văn có tiêu đề: “Nghiên cứu đặc tính, mô hình chống sét van và việc sử dụng trong bảo vệ chống quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ”

Chương 2: Mô phỏng chống sét van trong tính toán

Chương 3: Sử dụng chống sét van trong bảo vệ chống sóng truyền vào trạm

biến áp

Chương 4: Sử dụng chống sét van hạn chế quá điện áp thao tác

CHƯƠNG I CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA CHỐNG SÉT VAN

Chống sét van (CSV) là thiết bị được lắp đặt trong mạng điện để bảo vệ QĐA, hạn chế biên độ và thời gian tồn tại dòng điện kế tục gây nên bởi phóng điện, do đó bảo vệ được cách điện của thiết bị lân cận CSV làm việc theo hiệu ứng van và phần chính của CSV chính là các điện trở phi tuyến Hiệu ứng van cho phép thông qua nó một dòng điện rất lớn ở điện áp cao nhưng lại chỉ có một dòng điện rất bé ở điện áp thấp

Cùng với quá trình phát triển của công nghệ vật liệu, công nghệ CSV cũng ngày càng phát triển CSV thời kỳ đầu như CSV SiC được ứng dụng rất hạn chế, do chưa đáp ứng được các yêu cầu thực tế Đến giai đoạn sau các CSV ZnO đã khắc phục được các nhược điểm của công nghệ cũ và khả năng ứng dụng đã cao hơn Khi các vật liệu mới như polyme, silicon được ứng dụng nhiều thì công nghệ CSV càng phát triển CSV có vỏ làm bằng các vật liệu mới này có khả năng chịu đựng các giá trị điện áp rất cao (có thể đạt 800kV) Một trong những loại CSV hiện nay được sử dụng nhiều là CSV dạng MOV Nên trong nội dung luận văn, ta sẽ nghiên cứu về cấu tạo và đặc tính CSV dạng MOV

CSV MOV là thiết bị có điện trở phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp đặt mà tính chất về điện giống như hai diod đấu ngược lại (back to back) Với đặc tính đối xứng, đặc tính vùng đánh thủng rất dốc cho phép MOV có tính năng khử xung quá độ đột

biến rất tốt Trong điều kiện bình thường, biến trở là thành phần có trở kháng cao gần như hở mạch Khi xuất hiện xung đột biến quá áp cao, MOV sẽ nhanh chóng trở thành đường dẫn trở kháng thấp để triệt tiêu xung đột biến

Hình 1.1 Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I

hạt dẫn ZnO nối qua vùng biên hạt cho đặc tính tiếp giáp p-n của bán dẫn Các biên này là nguyên nhân làm cho biến trở không dẫn ở điện áp thấp và là nguồn dẫn phi tuyến khi điện áp cao

Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên

của các hạt Các biên hạt ZnO có thể quan sát được qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic như hình 1.1 Tính chất phi tuyến về điện xảy ra tại vùng biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở có thể xem như là một thiết bị nhiều vùng tiếp giáp tạo

ra từ nhiều liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt Tính chất của thiết bị có thể phân tích từ vi cấu trúc của ceramic, kích thước hạt và phân bố kích thước hạt đóng vai trò chính trong tính chất về điện

Hình 1.2 Cấu trúc của ceramic

Hỗn hợp rắn oxit kẽm với oxit kim loại khác dưới điều kiện đặc biệt tạo nên ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp Hiện tượng này gọi là hiệu ứng biến trở Bản thân hạt oxit kẽm dẫn điện rất tốt, trong khi oxit kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao Tại điểm các oxit kẽm gặp nhau tạo nên “vi biến trở”, tựa như hai diode zener đối xứng, với mức bảo vệ khoảng 3,5 V Chúng có thể nối nối tiếp hoặc song song Việc nối nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có khả năng tải được dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn, hấp thụ nhiệt tốt và có khả năng chịu được dòng xung đột biến tăng cao

MOV được chế tạo từ việc hình thành và tạo hạt ZnO dạng bột vào trong các thành phần ceramic Các hạt ZnO có kích thước trung bình là d, bề dày biến trở là D, ở hai bề mặt khối MOV được áp chặt bằng hai phiến kim loại phẳng Hai phiến kim loại này được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài

Hình 1.3 Vi cấu trúc của MOV

Điện áp của MOV được xác định bởi bề dày của MOV và kích thước của hạt ZnO Một đặc tính cơ bản của biến trở ZnO là điện áp rơi qua vùng biên tiếp giáp giữa các hạt ZnO gần như hằng số, khoảng từ 2~3,5V Mối liên hệ này được xác định như sau:

VN là điện áp rơi trên MOV khi chuyển hoàn toàn từ vùng dòng rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên đường đặc tính V-I với dòng điện 1mA

Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc rất phức tạp Chúng gồm 3 vùng cấu trúc như hình 1.2:

Vùng I: Biên có độ dày khoảng 100÷1000 nm và đây là lớp giàu bột Bi2O3 Vùng II: Biên có độ dày khoảng 1÷100nm và đây là lớp giàu bột Bi2O3

Vùng III: Biên này có đặc tính là tiếp xúc trực tiếp với các hạt ZnO

Ngoài ra Bi, Co và một lượng các ion oxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với

Type I Type II Type III

1.3 TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZnO

Biến trở ZnO rất phức tạp, nhiều thành phần, tính chất về điện các oxit ceramic

đa tinh thể tùy vào vi cấu trúc của thiết bị này và chi tiết quá trình xảy ra tại các biên tiếp giáp hạt ZnO Thành phần chính của biến trở là ZnO chiếm tối thiểu 90%, còn lại

là các oxyt kim loại khác Một hỗn hợp tiêu biểu như sau: 97mol-%ZnO,

1mol-%Sb2O3, 0,5mol-% mỗi Bi2O3, COO, MnO, Cr2O3

Quá trình chế tạo biến trở ZnO theo tiêu chuẩn kỹ thuật ceramic Các thành phần được trộn thành hỗn hợp và xay thành bột Hỗn hợp bột được làm khô và nén thành hình dạng mong muốn Sau đó, các viên được vón cục ở nhiệt độ cao từ

1000÷14000C Hai phiến kim loại thường là bằng bạc tiếp xúc với các hạt được vón cục bên ngoài làm điện cực và được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài Thiết bị được đóng gói bằng vật liệu trùng hợp Sản phẩm hoàn thành sau cùng được kiểm tra đáp ứng các tính năng yêu cầu kỹ thuật

Giá trị tiêu biểu kích thước biến trở oxit kim loại được cho trong bảng 1.1:

Bảng 1.1 Kích thước biến trở

Điện áp biến trở

(VRMS)

d (nm) N (hạt) Điện trường V/mm tại 1mA Bề dày của MOV

Hình 1.5 Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO-biên-ZnO

Độ lớn điện thế rào ΦL của biến trở là một hàm theo điện áp (hình 1.6) Sự giảm nhanh của điện thế rào ở điện áp cao tương ứng với lúc bắt đầu vùng dẫn phi tuyến

Ở vùng dẫn cao, giá trị điện trở giới hạn tùy thuộc vào tính dẫn điện của các hạt bán dẫn ZnO, ở vùng dẫn này mật độ hạt dẫn khoảng từ 1017÷1018/cm3 Điện trở suất của ZnO có giá trị dưới 0,3Ωcm

Hình 1.6 Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào

V là điện áp đặt lên biến trở

K là hệ số phụ thuộc vào loại biến trở

Hình 1.7 Đặc tính V-I của MOV

Hoạt động của biến trở tùy thuộc vào cơ chế dẫn điện giống như các thiết bị bán dẫn khác Sự dẫn điện xảy ra rất nhanh với thời gian trễ tính bằng nano giây Hình 1.8 đường cong (1) phía trên là trường hợp không có biến trở, đường cong (2) phía dưới là trường hợp có biến trở và không đồng bộ với đường (1) đồng thời cho thấy ảnh hưởng điện áp kẹp xảy ra rất nhanh

Tuy nhiên thời gian đáp ứng của MOV bị thay đổi do một số lý do:

Điện áp cảm ứng đầu dây nối góp phần gia tăng đáng kể điện áp ngang qua đầu cực của biến trở ở xung dòng cao và độ dốc sườn trước lớn

Điện dung ký sinh của chính bản thân MOV

Trở kháng ngoài mạch

Đáp ứng của biến trở bị ảnh hưởng bởi dạng sóng dòng điện và độ vọt lố điện

áp cực đại xuất hiện tại đầu cực của biến trở trong suốt quá trình tăng dòng điện như hình 1.8

Hình 1.8 Đáp ứng của biến trở ZnO ứng với xung tốc độ cao

Hình 1.9 Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng

1.6.1 Năng lượng cho phép

Sự già hóa của biến trở liên quan đến năng lượng quá độ, được xác định bởi giá trị điện áp dư cực đại Vp với dòng điện đỉnh Ip cũng như dạng xung Đối với dạng xung sét chuẩn, năng lượng cho phép được tính toán theo công thức:

Năng lượng cho phép của MOV phụ thuộc vào đường kính của MOV và năng lượng vượt giá trị cho phép khi:

Dòng điện rò cao

Điện áp tại 1mA bị suy giảm (điện áp ngưỡng)

Hệ số phi tuyến ∝ bị suy giảm

Tuổi thọ của MOV còn thể hiện qua số lần xung tối đa mà MOV có thể chịu đựng được với xung vuông

Trace 1 load voltage without varistor

Trace 2 load voltage clamped by varistor

500ps/DIV

200 400

600 800 1000

PEAK CURRENT (A)

1.6.2 Công su ất tiêu tán trung bình

Giá trị công suất tiêu tán trung bình đặc biệt quan tâm trong trường hợp điện áp thay đổi, hệ số phi tuyến cao Từ công thức (1.1), công suất tiêu tán trung bình được xác định:

Nếu như MOV làm việc ở trạng thái quá độ tần số cao thì nhiệt độ trung bình

∆T sẽ gia tăng và được cho bởi công thức:

P T

CSV là thiết bị dùng để bảo vệ quá áp Theo ANSI, CSV là một “thiết bị bảo vệ

để hạn chế điện áp trên thiết bị bằng cách phóng hay dẫn dòng điện xung theo mạch phân dòng” Bên cạnh đó, dòng điện chạy qua CSV sẽ phải được ngắt càng nhanh càng tốt để tránh tác động nhầm của máy cắt (MC) (sự cố chạm đất) và trở về chế độ bình thường

Theo tiêu chuẩn ANSI, CSV được chia thành ba loại cơ bản: cấp phân phối, cấp

=50

=30

=10

1 1-1 1-2 1-3 V/Vn 10

10 10 10 10

2 3 4 5

P/Pn

điện áp định mức, đặc tính bảo vệ và độ bền về mức chịu áp lực hay khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch

CSV phân phối được sử dụng phổ biến nhất, xác định bởi tiêu chuẩn là chống sét có định mức từ 1kV đến 30kV So với các cấp khác, CSV cấp phân phối có điện áp

dư cao nhất do đó gây nên điện áp cao đặt lên thiết bị tương ứng với một xung đầu vào cho trước

Các CSV trung gian được xác định có điện áp định mức từ 3kV đến 120kV Loại CSV này có đặc tính bảo vệ tốt hơn CSV cấp phân phối Tính năng an toàn áp lực thực sự rất cần thiết dù rằng vài loại CSV trung gian đặc biệt dùng bảo vệ hệ thống cáp ngầm không có thiết bị an toàn áp lực

CSV dùng cho trạm có điện áp dư nhỏ nhất do đó điện áp đặt trên thiết bị khi xảy ra phóng điện sẽ thấp và như thế sẽ cung cấp mức bảo vệ cao nhất Theo tiêu chuẩn, loại này có điện áp định mức từ 3kV đến 648kV và phải có tính năng an toàn

áp lực

Đối với CSV dùng để ngăn ngừa không cho điện áp tăng lên quá cao ở các thiết

bị được bảo vệ, phải phối hợp với mức chịu đựng xung cơ bản BIL của biết bị đó Nghĩa là quy trình chọn CSV phải tính đến khả năng chịu quá áp của thiết bị và đảm bảo cho CSV hoạt động tốt trong giới hạn cách điện của thiết bị

Hình 1.11 Chức năng phối hợp cách điện của CSV

Hiện nay có hai tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến để thiết kế chống sét là IEC

và ANSI Một số thuật ngữ cơ bản được sử dụng như sau:

1.7.1 Điện áp định mức (U r)

Thông thường điện áp định mức của một thiệt bị là giá trị điện áp đặt liên tục trên thiết bị mà thiết bị vẫn đảm bảo tính năng của nó, tuy nhiên trong nhiều trường hợp đối với CSV không phải là như vậy

Theo IEC: Điện áp định mức của chống sét là giá trị hiệu dụng cho phép tối đa

của điện áp tần số công nghiệp đặt vào hai cực chống sét mà tại đó chống sét được thiết kế để vận hành đúng ở các điều kiện được thiết lập trong các thí nghiệm chu kỳ làm việc

Một CSV đáp ứng tiêu chuẩn phải chịu được điện áp định mức của nó ít nhất trong 10 giây, sau khi đã được gia nhiệt trước đến 600C và chịu tác động một xung dòng cao hay hai xung dòng trong thời gian dài và sau đó được phối kiểm độ ổn định nhiệt đối với điện áp vận hành liên tục trong khoảng thời gian 30 phút

Theo ANSI: Điện áp chu kỳ làm việc cũng được định nghĩa là một chu kỳ thử nghiệm khá phức tạp Định mức chu kỳ làm việc là điện áp mà tại giá trị này các mẫu thử nghiệm được nạp điện mà không gia nhiệt trước Điện áp thử nghiệm này được giữ khoảng 20 phút, trong thời gian đó 20 xung dòng phân loại (8/20μs -10kA) được sử

dụng với khoảng thời gian giữa các lần thao tác là 50÷60 giây

Hiển nhiên, sự xác định định mức chống sét theo ANSI không thể đo trực tiếp trên chống sét, cũng không liên quan đến các điều kiện làm việc gắn chặt với các đánh giá thử nghiệm

Mặc dầu các thử nghiệm là khác nhau giữa IEC và ANSI, trong thực tế các định mức được xác định bởi các nhà sản xuất khác nhau, đối với các đặc tính chính thì hầu như tương tự dù là được xác định theo IEC hay ANSI Lí do là trong thực tế điện áp định mức được sử dụng như là một thông số tham khảo các đặc tính khác của chống sét mà sẽ được xác định từ hệ thống hay các yêu cầu thử nghiệm Do vậy trong lựa chọn chống sét, điều quan trọng quyết định là các thông số đo được

1.7.2 Dòng điện quy chuẩn (I ref)

Theo IEC: Dòng điện quy chuẩn là giá trị đỉnh (giá trị đỉnh của hai cực sẽ cao hơn nếu dòng điện bất đối xứng) của thành phần điện trở ở dòng điện tần số công nghiệp được sử dụng để xác định điện áp quy chuẩn của chống sét, dòng điện quy chuẩn của chống sét Dòng điện quy chuẩn phải đủ lớn để có thể bỏ qua các ảnh hưởng của điện dung tản của chống sét tại giá trị điện áp quy chuẩn đo được và được quy định bởi nhà sản xuất

Theo tiêu chuẩn IEC 99-4 thì dòng điện quy chuẩn cho phép khi đặt điện áp xoay chiều tần số công nghiệp vào hai cực của CSV là tương ứng với mật độ dòng

Theo ANSI: Dòng điện quy chuẩn là giá trị đỉnh của thành phần điện trở của dòng điện tần số công nghiệp đủ lớn để có thể bỏ qua các ảnh hưởng của các điện dung tản của chống sét Mức dòng điện này do nhà sản xuất quy định

Theo tiêu chuẩn ANSI C62-11 thì khi nâng điện áp lên 1,25 lần điện áp làm

việc liên tục lớn nhất vào hai cực của chống sét thì dòng điện qua chống sét là dòng điện quy chuẩn Dòng điện quy chuẩn cho phép theo tiêu chuẩn này là (0,05mA÷1,0mA)/cm2 của tiết diện đĩa MOV

1.7.3 Điện áp quy chuẩn (Uref)

Theo IEC: Điện áp quy chuẩn là giá trị đỉnh của điện áp tần số công nghiệp chia cho 2được sử dụng cho chống sét để đạt dòng điện quy chuẩn

Điện áp quy chuẩn của một tổ hợp gồm nhiều chống sét ghép lại là tổng số của các điện áp quy chuẩn thành phần

Theo ANSI: Điện áp quy chuẩn là giá trị đỉnh thấp nhất của điện áp tần số công nghiệp của cực độc lập chia cho 2, được yêu cầu tạo ra thành phần điện trở của dòng điện bằng dòng quy chuẩn của chống sét Điện áp quy chuẩn của một tổ hợp gồm nhiều chống sét ghép nối tiếp là tổng số của các điện áp quy chuẩn của từng thành phần Mức điện áp này do nhà sản xuất quy định

1.7.4 QĐA tạm thời (TOV)

QĐA với tần số vài Hz đến vài trăm Hz, thời gian kéo dài từ vài ms đến hàng giờ Các nguyên nhân của quá áp tạm thời có thể là chạm đất một pha, hai pha, cộng hưởng sắt từ trong lưới điện, sa thải phụ tải Thông thường xung này không gây nguy hiểm trong vận hành lưới điện Tuy nhiên, nó là yếu tố quyết định đến kích cỡ của

+ Sự phân bố điện áp phi tuyến đặc biệt là các chống sét có thân dài

+ Các ứng suất xung thao tác và xung sét

+ Đặc tính lão hóa

+ Đặc tính ô nhiễm

+ Các quá áp tạm thời

Uc cao hơn không tương ứng đối với điện áp điểm ngưỡng cao hơn, không cải thiện đặc tính ô nhiễm hoặc khả năng chịu đựng TOV

Do vậy, tốt nhất là cần quy định Uc, TOV và các thông số khác riêng lẻ dựa trên yêu cầu thực tế của lưới điện và theo đó lựa chọn chống sét thích hợp

Theo ANSI: Thuật ngữ MCOV là giá trị hiệu dụng của điện áp tần số công nghiệp tối đa có thể áp đặt liên tục vào hai cực của CSV

Theo tiêu chuẩn ANSI tất cả các định mức chống sét đều được liệt kê trong một bảng có MCOV tương ứng cho mỗi định mức điện áp chu kỳ làm việc

Trong trường hợp này, có một sự quan hệ cố định giữa MCOV và định mức chu

kỳ làm việc và không xem xét đến việc áp dụng thực tế Do vậy, MCOV được sử dụng như là điện áp thí nghiệm trong các thí nghiệm chủng loại theo tiêu chuẩn ANSI Không có xem xét sự phân bố điện áp không tuyến tính làm cho các thử nghiệm theo ANSI ít khắc nghiệt hơn sơ với các thử nghiệm theo IEC

Hơn nữa, các thuận lợi trong việc lựa chọn một điện áp định mức cao hơn cho một áp dụng riêng biệt không được chỉ ra ở các thí nghiệm nhưu thế, như các thí nghiệm nhiễm bẩn và các phối kiểm TOV Bất kỳ khi nào có sự lựa chọn hai định mức chống sét cho áp dụng giống nhau, điều hiển nhiên là các thử nghiệm phải được thực hiện với điện áp công tác tối đa thực tế để đạt được một giá trị thích đáng

Các định nghĩa cho Uc và MCOV ở các tiêu chuẩn là tương đương Tuy nhiên, khi xem xét đến sự phân bố điện áp không đồng nhất không có ở tiêu chuẩn ANSI, do vậy MCOV chỉ được xem như là giá trị điện áp liên tục tối đa được sử dụng trong thử nghiệm phân loại, được chia theo tỉ lệ cho các đĩa trong một CSV, không phải của chống sét hoàn chỉnh

1.7.6 H ệ số độ bền chịu đựng quá áp tạm thời (T)

TOV là một hàm số theo thời gian t ở nhiệt độ môi trường t=600C (nhiệt độ không khí bên ngoài chống sét) Đường đặc tuyến ở trên không mang tải trước, đường đặc tuyến phía dưới mang tải trước, t là khoảng thời gian quá áp tần số công nghiệp

Hệ số độ bền chịu đựng quá áp tạm thời T là khả năng chịu đựng TOV của CSV được định nghĩa như sau:

C

TOV T

U

=

Để thể hiện khả năng chịu quá áp tạm thời của chống sét MOV các nhà sản xuất thường cung cấp kèm theo chống sét đặc tính khả năng quá áp tạm thời theo thời gian

Cần lưu ý có hai cách thể hiện:

+ Cách 1: thường gặp ở các nhà sản xuất châu âu và theo IEC

Trên hình 1.12, đường đặc tuyến ở phía trên có giá trị đối với các chống sét không có mang tải trước đáng kể Vì lý do ổn định nhiệt nên nhiệt độ MOV không thể vượt quá một giá trị xác định, năng lượng do chống sét hấp thụ cũng bị giới hạn Với

lý do đó, tải cho phép trong khoảng thời gian t sẽ giảm theo giá trị của T đáp ứng với TOV Đường đặc tuyến phía dưới có giá trị đối với chống sét khi ở thời điểm t=0 đã mang tải trước là Uc Đường đặc tuyến này nằm bên dưới đường đặc tuyến chưa mang tải bởi vì trong từng trường hợp, năng lượng hấp thụ vào CSV trong khoảng thời gian t của đường đặc tuyến mang tải phải nhỏ hơn

+ Cách 2: cách này thường gặp ở các nhà sản xuất châu mỹ theo tiêu chuẩn ANSI

Hình 1.13 Khả năng quá áp tạm thời của CSV McGraw-Edison VariStar loại AZL8

Hình 1.13, đường cong được thiết lập bằng cách sử dụng điện áp tần số công

nghiệp để gia nhiệt trước đến 600C mẫu thử nghiệm, trên định mức chu kỳ làm việc của chống sét cho nhiều lần từ 0,1 đến 104 giây Một thí nghiệm quá áp được giảm đến giá trị MCOV trong vòng 200ms trước khi bị hỏng do nhiệt Khu vực bên dưới đường cong là đặc tính điện áp, thời gian mà ở đó các mẫu thử đã được xác định

ổn định nhiệt trong khoảng thời gian chu kỳ sau 30 phút với tổng tổn thất công suất bằng hay ít hơn giá trị gốc Tuy nhiên điều này không phải là một thí nghiệm được bắt buộc hay được mô tả bởi tiêu chuẩn ANSI hay IEC Cần lưu ý là ở tiêu chuẩn ANSI thử nghiệm mang tải trước để có đường cong Prior duty chỉ yêu cầu áp dụng đối với các chống sét loại trạm và loại trung gian

1.7.7 Điện áp dư (U ref)

Uref là điện áp xuất hiện giữa hai cực chống sét trong quá trình dòng điện phóng chạy qua chống sét Nó phụ thuộc vào biên độ cũng như dạng sóng của dòng điện phóng và được biểu thị ở giá trị đỉnh Đối với các biên độ và dạng sóng khác với dòng điện phóng định mức, điện áp dư thường được biểu thị bằng % so với điện áp phóng ở dòng điện định mức

1.7.8 H ệ số sự cố chạm đất (K e)

Hệ số chạm đất Ke là tỷ số của điện áp ở các pha không bị sự cố trong quá trình

sự cố đối với điện áp trước khi bị sự cố chạm đất

Bảng 1.2: Độ gia tăng điện áp pha – đất trên pha không bị sự cố

Hệ thống 4 dây nối đất lặp lại 1,25 - 1,35

Hệ thống 3 dây nối đất tổng trở nhỏ 1,40

Hệ thống 3 dây nối đất tổng trở cao 1,73

1.7.9 Năng lượng định mức

Năng lượng định mức của CSV dạng MOV phụ thuộc vào nhiều thông số như khoảng thời gian phóng năng lượng, biên độ dòng và số lần phóng điện Nói chung, chống sét không được dùng để bảo vệ các thiết bị điện để ngăn ngừa TOV vì như vậy

sẽ đòi hỏi một số lượng lớn các chống sét nối song song Những áp dụng có thể được xem xét chỉ trong trường hợp để hạn chế hay loại trừ TOV cộng hưởng Trong những trường hợp như thế cần phải nghiên cứu một cách cẩn thận để chọn lựa chống sét có

Tổng trở ngắn mạch nhìn từ chống sét trong quá trình xảy ra TOV đóng vai trò quan trọng để xác định yêu cầu năng lượng, các yếu tố khác ảnh hưởng đến dung lượng TOV là năng lượng hấp thụ như nhiệt độ ban đầu của các thớt của bộ chống sét khi có TOV và điện áp đưa vào sau TOV Đối với các TOV có tần số cao hơn tần số công nghiệp có thể giả thiết ở cùng một biên độ điện áp thì khoảng thời gian chịu đựng của CSV trong hai trường hợp này được xem như nhau nếu quá trình này ngắn hơn 10s Đối với các trường hợp khác thì phải tham khảo ý kiến nhà sản xuất

Theo IEC là các thử nghiệm chịu đựng xung dòng thời gian dài (long duration current impulse withstand test) Và theo ANSI là các thí nghiệm chịu đựng dòng phóng (discharge current withstand test) đó là các xung dòng chữ nhật dài 2÷3,2ms, biên độ 200÷1000A và số xung là 18 hay 20 Nói chung, các yêu cầu của IEC là khắc nghiệt hơn yêu cầu của ANSI do năng lượng mỗi xung là cao hơn Thông thường các chống sét MOV chịu đựng mức năng lượng cao hơn ở các dòng thấp có thời gian dài

so với các dòng cao có thời gian ngắn Khi đề cập đến dung lượng năng lượng phải kèm theo chu trình thử nghiệm nếu không thì không có nghĩa Cũng cần lưu ý các số liệu cho bởi các nhà sản xuất thường khác nhau và khó so sánh trừ phi chúng cũng được tiến hành với các chu trình thử nghiệm tương đương Các số liệu có thể được giới thiệu bằng nhiều cách chẳng hạn nhưu kJ/kV MCOV hay kJ/kV định mức Có thể xem sự khác nhau là 25% định mức là khoảng 1,25 lần MCOV

1.7.10 Biên h ạn bảo vệ (PM)

Sau khi xác định được một CSV có thể làm việc trên một hệ thống, khả năng bảo vệ một CSV đối với thiết bị phải xem xét Điều này được thực hiện bởi so sánh đặc tính bảo vệ của CSV với BIL của thiết bị được bảo vệ Sử dụng điện áp dư của CSV so với mức cách điện xung của máy biến áp (MBA) để xác định biên hạn bảo vệ nhỏ nhất Đồng thời về cơ bản một phép so sánh khác sẽ được so sánh với giá trị đỉnh của CSV với thử nghiệm đầu sóng Tuy nhiên thử nghiệm đầu sóng không được sử dụng ở tất cả các MBA nên sự so sánh thường được thực hiện ở mức thử nghiệm sóng cắt

1.7.10.1 Biên h ạn bảo vệ đầu sóng tương đương (PM1)

CWW là điện áp chịu đựng sóng cắt ngọn của thiết bị

FOW là mức bảo vệ của chống sét đối với điện áp dư đầu sóng

1.7.10.2 Biên hạn bảo vệ xung thiết bị (PM2)

PM2=BLI 1

LPL−

BIL là mức cách điện cơ bản của thiết bị

LPL là điện áp phóng ở dòng xung sét được sếp loại chống sét

1.7.10.3 Biên h ạn bảo vệ xung thao tác thiết bị (PM3)

PM3=BSL 1

SPL−

BSL là mức cách điện xung thao tác cơ bản của thiết bị

SPL là mức bảo vệ của chống sét đối với một xung thao tác

Độ bền của các có cách điện thiết bị khô tăng không đáng kể khi thời gian chịu điện áp xung giảm Vì vậy, với mục đích phối hợp cách điện, độ bền của cách điện thiết bị được xem như các giá trị BIL là tương đương cho tất cả các phóng điện xung Khi xây dựng thiết bị khô có cùng trị số BIL như thiết bị loại dầu cho cùng một điện

áp vận hành là không thực tế Do đó, vấn đề phối hợp cách điện đối với thiết bị loại khô gặp khó khăn hơn so với thiết bị loại dầu Để bảo vệ quá áp cho các thiết bị loại này phải dùng CSV đặc biệt

Các biện hạn bảo vệ tối thiểu theo ANSI đề xuất là:

ra, một biên hạn bảo vệ quy định không phải là mối quan tâm đáng kể khi so sánh việc bảo vệ bởi hai CSV với định mức gần nhau của một nhà sản xuất Tuy nhiên chúng phải được đặc biệt chú trọng khi so sánh các CSV có cùng định mức do các nhà sản xuất khác nhau chế tạo hoặc khi so sánh các kiểu CSV khác nhau

CHƯƠNG II

MÔ PHỎNG CHỐNG SÉT VAN TRONG TÍNH TOÁN

2.1.1 Gi ới thiệu chung về chương trình ATP/EMTP

Chương trình quá độ điện từ (EMTP – Electromagnetic Transients Programme) là một chương trình 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 Chương trình EMTP được phát triển vào những năm cuối của thập kỷ 60 thế kỷ XX bởi tiến sĩ Hermann Dommel Chương trình 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, chương trình 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

Ở nước ta, chương trình ATP/EMTP đã bước đầu được sử dụng rất có hiệu quả trong tính toán thiết kế, vận hành đường dây 500kV Bắc – Nam

2.1.1.1 Nguyên t ắc hoạt động

+ yếu là 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

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 harmonic (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

2.1.1.2 Khả năng của chương trình

Không có giới hạn tuyệt đối của chương trình Cho đến nay, hệ thống lớn nhất

2.1.1.3 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

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

Hình 2.2 Mối tương quan giữa ATPDraw và các module khác

2.1.1.4 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 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 Các thiết bị tiêu chuẩn đều có đầy đủ chức năng điều chỉnh hình họa, dữ liệu và có thể kiểm tra, thực hiện trong miền tần số

a Nguồn (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

+ MBA 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”

c MBA (transformer)

Bảng 2.8 Các loại MBA

d Công tắc (switch)

ATP có thể mô tả các loại công tắc sau đây:

+ Công tắc bình thường: đó là những công tắc có điện áp giáng lên bằng không khi đóng mạch và dòng điện qua nó bằng không khi ngắt mạch

+ Công tắc có điều khiển: Thông qua module TACS có thể mô phỏng công tắc với các loại tín hiệu điều khiển khác nhau (Diode, thyristor, triac…)

+ Công tắc tác động theo điện áp: Dùng để mô phỏng các thiết bị chống sét + Công tắc đo

+ Công tắc có thời gian đóng cắt ngẫu nhiên

+ Công tắc theo chu kỳ

Bảng 2.9 Các loại công tắc

e 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 turbine của máy phát cùng các thiết bị điều khiển như bộ tự động điều chỉnh kích từ, điều chỉnh tốc độ…

Bảng 2.10 Các loại máy điện

Một số ứng dụng quan trọng của ATP/EMTP

Các bài toán sau đây thường được giải quyết nhờ chương trình ATP/EMTP: + QĐA do sét đánh (lightning overvoltage studies)

+ Quá độ do đóng cắt và sự cố (switching transient and faults)

+ QĐA đồng bộ và tĩnh (statistical and systematic overvoltage studies)

+ Quá độ thay đổi nhanh trong GIS và nối đất (very fast transients 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 MBA và kháng điện/ tụ điện (Transformer and shunt reactor/