Tài liệu Mô phỏng và phân tích các quá độ trên hệ thống điện bằng phần mềm atp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN
  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC QUÁ ĐỘ TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM ATP Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Trung Tính Ths. Trần Văn Tấn SVTH: Nguyễn Duy Ninh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Duy Ninh MSSV: 1041084 Lớp: Kỹ Thuật Điện K30 1 LỜI NÓI ĐẦU Đối với tất cả những người nghiên cứu khoa học nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tượng, hệ thống hay các quá trình kỹ thuật – vật lý, mà không nhất thiết phải có đối tượng hay hệ thống thực. Được trang bị một công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết về các phương pháp mô hình hoá, người nghiên cứu sẽ có khả năng rút ngắn và giảm chi phí nghiên cứu, thử nghiệm sản phNm một cách đáng kể. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi đối tượng nghiên cứu là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn. Trước tình hình đó, hàng loạt các phần mềm như là một công cụ hỗ trợ đã ra đời, làm đơn giản hơn rất nhiều khi cần kiểm tra hay tính toán một hệ thống điện. Với cùng mục đích, phần mềm ATP giúp người nghiên cứu dễ dàng làm việc trên các hệ thống điện, từ hạ áp cho đến cao áp. Ứng dụng chủ yếu của ATP là mô hình hoá và mô phỏng các hiện Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu tượng quá độ có thể xảy ra trên hệ thống điện với độ tin cậy cao. SVTH: Nguyễn Duy Ninh 2 LỜI CẢM ƠN Sau hơn 4 năm học tập và nghiên cứu tại trường Đại Học Cần Thơ, không những được quý Thầy Cô tận tình chỉ dạy rất nhiều kiến thức từ cơ bản cho đến chuyên môn mà còn được học làm người, em thật sự lớn lên rất nhiều sau thời gian sống và học tập tại trường. Vì vậy, không có gì quý báu hơn ngoài việc nói lời cảm ơn chân thành đến nhà trường đã tạo điều kiện tốt cho em học tập và trang bị một vốn kiến thức đủ để làm hành trang bước vào đời. Em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Công Nghệ, Quý Thầy Cô Bộ môn Điện đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm qua. Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Nguyễn Duy Ninh. SVTH: Nguyễn Duy Ninh 3 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề. Ngày nay điện năng giữ một vai trò chủ lực trong nền kinh tế xã hội toàn cầu nói chung và nước ta nói riêng. Nhu cầu sử dụng điện năng của con người không ngừng gia tăng và trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Chính vì thế, hệ thống cung cấp điện không những phải làm việc liên tục ổn định để đáp ứng kịp thời nhu cầu sử dụng mà còn phải đảm bảo tính an toàn và chất lượng. Một trong những nguyên nhân ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng và độ tin cậy của hệ thống chính là các hiện tượng quá độ như quá độ điện áp, dòng điện, tần số, sóng hài… luôn xảy ra trên hệ thống trong quá trình vận hành. Quá độ có nguồn gốc từ thiên nhiên như hiện tượng sét đánh vào đường dây, trạm áp Học hoặc do tác ĐH độngCần của các thiết@ bị đóng cắt trên hệ thống, khởi động động cơ Trungbiến tâm liệu Thơ Tài liệu học tập và nghiên cứu cảm ứng công suất lớn…. Mặc dù thời gian tác động là rất ngắn nhưng chúng có năng lượng rất lớn nên rất dễ xảy ra sự cố làm hư hỏng thiết bị và ảnh hưởng đến công tác vận hành hệ thống. 1.2 Mục tiêu của đề tài. Dựa trên cơ sở lý thuyết được học tập trên lớp và từ sách vở để nghiên cứu, nhận dạng và phân tích các hiện tượng quá độ xảy ra trên hệ thống, từ đó đề ra các giải pháp nhằm khắc phục, hạn chế tối đa các sự cố và bảo vệ thiết bị, đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn và tin cậy. Ứng dụng phần mềm ATP để mô phỏng và phân tích dự đoán chính xác cường độ và năng lượng của quá độ để lựa chọn thiết bị bảo vệ hợp lý nhất. Chương trình ATP có các chức năng: - Thiết kế mô hình tạo sự cố bằng Module APT DRAW. - Hiển thị và phân tích dạng sóng, xung quá độ bằng Module ATP PLOTXY. - Và còn nhiều Module quan trọng nữa sẽ được giới thiệu chi tiết trong bài luận. 1.3 Phương pháp thực hiện. - Vận dụng kiến thức đã được học kết hợp với nghiên cứu tài liệu để phân tích tìm hiểu nguyên nhân xảy ra các hiện tượng quá độ trên hệ thống. - Dùng phần mềm ATP để mô phỏng, nhận dạng và phân tích quá độ. SVTH: Nguyễn Duy Ninh 4 - Thiết kế chương trình giới thiệu sử dụng phần mềm ATP. 1.4 Các vấn đề liên quan. 1.4.1 Chuỗi Fourier. Biến đổi và phân tích Fourier được áp dụng thành công trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật ở đó khái niệm tần số và miền tần số được sử dụng. Biến đổi Fourier được mở rộng từ chuỗi Fourier bằng cách đặt khoảng thời gian xác định của chuỗi Fourier vô hạn, hoặc biến đổi Fourier có thể định nghĩa độc lập và chuỗi Fourier là trường hợp đặc biệt của nó. Xác định các phép biến đổi cơ bản và dùng các tính chất của phép biến đổi Fourier cho phép khảo sát nhiều lọai tín hiệu (ví dụ: điều chế, lấy mẫu) một cách dễ dàng. Lưu ý rằng, biến đổi Fourier của hàm liên tục thời gian tạo nên hàm liên tục tần số. F (x ) = A + ∑ ( A cos(kx ) + B sin (kx )) (1) ∞ n k =1 0 k k được gọi là chuỗi Fourier nếu (1) hội tụ. Định nghĩa: thức Fourier biểu thức dạng: TrungMột tâmđaHọc liệu ĐHlà Cần Thơcó@ Tài liệu học tập và nghiên cứu F (x ) = A + ∑ ( A cos(kx ) + B k =n n 0 k =1 k k sin (kx )) Các hệ số a0, ai và bi, i = 1,2,…, n, được gọi là hệ số của Fn(x). 1.4.2 Tính tích phân bằng phương pháp hình thang. Cho 1 hàm y = f(x) liên tục trong khoảng [a,b] tích phân xác định của hàm y = f(x) được tính gần đúng bằng tổng các hình thang nguyên tố. Giả thiết khoảng [a,b] được chia thành m đoạn có bước tích phân h =(a-b) / m. Thì xi=a+ih,i=0…m. Tích phần (f(x)) = h [ (f(a) + f(b)) / 2 + xích ma(f(a+ih),i=1,m-1) + Rm(f). trong đó phần dư Rm(f) = - (b-a)^3 / 12m^2. SVTH: Nguyễn Duy Ninh 5 CHƯƠNG II: Cơ sở lý thuyết 1.5 Trung Hiện tượng quá độ (Transients). Hiện nay chất lượng điện năng đang được quan tâm rất nhiều ở các nước đã và đang phát triển. Người tiêu dùng không những yêu cầu được cấp điện liên tục mà còn đòi hỏi nguồn điện “sạch”, đảm bảo chất lượng, không ảnh hưởng tới các thiết bị. Các hiện tượng quá độ xảy ra trên hệ thống điện sẽ gây ra các thay đổi về biên độ và tần số của điện áp nguồn. Những thay đổi đột ngột sẽ làm phát sinh quá trình quá độ điện từ, điện áp và dòng điện gây ra những dao động tần số đồng thời phát sinh sóng hài bậc cao sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng, làm giảm chất lượng nguồn điện sử dụng. Nhận biết các nguyên nhân gây ra thay đổi điện áp hệ thống sẽ giúp cải thiện rất lớn vấn đề chất lượng điện tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu năng. Đặc biệt, phân loại nhanh và chính xác các tín hiệu quá độ sẽ giúp người vận hành hệ thống có những phương pháp thích hợp nâng cao chất lượng điện năng. Các tín hiệu quá độ này được mô phỏng dựa trên phần mềm ATP. 1.6 Xung (impulsive). Xung điện áp hay dòng điện là một sự thay đổi tức thì của tần số ở trạng thái xác lập của điện áp dòng điện hoặc cả hai, xảy ra theo một chiều hướng nhất định trong miền thời gian. Tia sét là một trong những nguyên nhân tạo ra xung dòng điện và quá độ điện áp. Xem một ví dụ về dòng xung sét. Hình 2. 1: Dòng xung sét SVTH: Nguyễn Duy Ninh 6 1.7 Dao Động (oscillatory). Dao động là một sự thay đổi tức thì của tần số ở trạng thái xác lập của điện áp, dòng điện hoặc cả hai, xảy ra theo hai hướng âm và dương của sóng trong miền thời gian. Hình bên dưới minh hoạ cho sự dao động. Song dien ap dau gui pha A 600 [kV] 380 160 -60 -280 -500 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 [s] 0.20 (f ile exa_3.pl4; x-v ar t) v :BEGA Hình 2. 2: Một dao động phát sinh khi đóng ngắt bộ tụ. Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Chất lượng điện thường được nói đến như giới hạn cho phép về độ lệch điện áp, dao động điện áp, dạng sóng không hình sin của điện áp và dòng điện, sự mất đối xứng điện áp trong lưới điện ba pha, độ lệch tần số. Trong các tiêu chuNn giới hạn đó thì giới hạn về dao động điện áp và sóng hài là những vấn đề lớn về chất lượng điện cần được quan tâm. Đề tài này được đưa ra để tìm hiểu các nguyên nhân gây ra dao động điện áp, ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện và các biện pháp khắc phục. 1.8 Sự ngắt (Interruptions). Sự ngắt xảy ra khi điện áp nguồn hoặc dòng tải đột ngột giảm hơn 0,1p.u trong khoảng thời gian ngắn do những sự cố ở hệ thống, thiết bị hoặc ở bộ phận điều khiển hệ thống. Hình bên dưới minh hoạ cho sự ngắt SVTH: Nguyễn Duy Ninh 7 Hình 2. 3: Sự ngắt điện áp 1.9 Sụt áp (Sags). Xảy ra khi điện áp giảm tới 80-85% định mức hoặc khi giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện đột ngột giảm xuống trong khoảng 0,1 và 0,9 p.u trong thời gian ngắn. Nguyên nhân do thiết bị lớn được khởi động và chuyển mạch của nguồn Trungđiện tâm Học liệu ĐH Cần Thơthường @ Tài tập vàcác nghiên (bên trong và ngoài lưới điện) xảyliệu ra khihọc ta vận hành động cơcứu cảm ứng. Sụt áp có hậu quả giống như quá áp như mất bộ nhớ, hỏng dữ liệu, đèn nhấp nháy và tắt thiết bị. Hình bên dưới minh hoạ cho sự sụt áp. Hình 2. 4: sự sụt áp. SVTH: Nguyễn Duy Ninh 8 1.10 Quá áp (Swells): Quá áp xảy ra khi điện áp tăng quá định mức 110% hoặc khi giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện đột ngột tăng lên 1,1 đến 1,8 p.u trong một thời gian ngắn. sụt áp và quá áp xảy ra do hư hỏng hệ thống hoặc do sét đánh. Nguyên nhân chủ yếu do khi ngắt thiết bị điện công suất lớn. Trong tình trạng này, ảnh hưởng nhỏ nhất cũng làm cho hệ thống máy tính có thể bị lỗi bộ nhớ, mất dữ liệu và tắt toàn bộ hệ thống. 1.4.3 Tốc độ tăng áp (Swells Speed) Trong khoảng 1/2 chu kỳ xảy ra khi điện áp tăng nhanh, đột ngột tới 6000V. Các xung áp này thường do sóng sét cảm ứng trong các đường dây, nhưng cũng có thể do các sự cố khác. Hậu quả xảy ra cho các hệ thống điện nhạy cảm có thể là mất dữ liệu và cháy hỏng bảng mạch. 1.4.4 Các loại quá điện áp. Trong hệ thống điện có các loại quá điện áp sau: - Quá điện áp quá độ (transient overvoltage): tồn tại trong hệ thống từ vài Trung tâm chục Họcmicro liệuđến ĐHvàiCần Thơbao @gồm Tàicảliệu tập nghiên cứu mili giây, quá học điện áp khívà quyển. - Quá điện áp nội bộ (temporaty overvoltage or internal overvoltage): từ vài chu kỳ đến cả phút. - Quá điện áp bình thường (normal overvoltage): tồn tại lâu dài. Trong đó quá điện áp nội bộ được sinh ra là do việc thao tác chuyển mạch các thiết bị điện hoặc sau khi giải trừ các sự cố trong hệ thống. Quá điện áp nội bộ sẽ gây quá điện áp cục bộ trong hệ thống điện cao nhất có thể 2,5 lần. Quá điện áp cục bộ sẽ gây 2 tác hại chính tới các phần tử trên hệ thống điện: gây phát nóng (vì quá kích thích) cho các thiết bị điện từ như máy biến áp, động cơ… và gây chọc thủng cách điện. Để hạn chế quá điện áp nội bộ chủ yếu là vẫn sử dụng chống sét van, chống sét có nhiệm vụ giữ quá điện áp trên vẫn nằm dưới đặc tính vôn/giây của cách điện thiết bị- để tránh cách điện bị đánh thủng xảy ra trong quá trình thao tác đóng cắt thiết bị (do quá trình quá độ sinh ra điện áp xung). Do thiết bị bị sự cố làm ảnh hưởng đến hệ thống nguồn và phụ tải (diễn ra trong thời gian rất ngắn còn sét là hiện tượng quá điện áp khí quyển. Ví dụ: Như khi máy biến áp đóng và cắt cấp nguồn cho phụ tải thì trong lúc đó đã xảy ra hiện tượng quá điện áp tại máy biến áp và ngoài đường dây. SVTH: Nguyễn Duy Ninh 9 1.11 Đóng cắt bộ tụ bù ( Capacitor Switching). Sơ lược về tụ điện ( Capacitor). Thông thường người ta chia tụ điện thành hai loại: tụ tĩnh và tụ đồng bộ, nhưng cả hai cùng có tác dụng như nhau là phát công suất phản kháng cho lưới điện. Tụ bù tĩnh (Statistical capacitor). Cấu tạo rất đơn giản gồm: 2 bản cực song song, được ngăn cách bởi lớp cách điện môi. Chế độ làm việc: Bù ngang: để nâng cao công suất cho phụ tải và khả năng tải của đường dây, ổn định điện áp tại đầu nhận. Unguồn Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu St Hình 2. 5: Bù ngang. Bù dọc: Nhằm giảm cảm kháng trên đường dây, từ đó tăng khả năng tải của đường dây và giảm tổn thất công suất tác dụng, tổn thất điện áp của mạng. Hình 2. 6: Bù dọc. 2 Trong đó: X C 1 3 = = U C 10 Ω . wC Q C SVTH: Nguyễn Duy Ninh 10 b. Tụ đồng bộ (synchronous machine) Chính là động cơ đồng bộ hoạt động ở chế độ không tải quá kích từ. Đặc điểm của tụ đồng bộ: - Dễ dàng điều chỉnh công suất phản kháng. - Ổn định điện áp đầu nhận dễ dàng. Có thể làm việc ở hai chế độ: phát hay tiêu thụ công suất phản kháng. Đặt vấn đề. Tình trạng thiếu hụt lượng công suất phản kháng trong hệ thống điện hiện nay đang là một vấn đề mang tính thời sự. Việc lắp đặt thêm các trạm tụ bù ngang trên lưới điện truyền tải cũng như trên lưới điện phân phối, với dung lượng mỗi trạm trong khoảng 20 -50 MVAR (lưới điện truyền tải) hay 5-10 MVAR (lưới điện phân phối), sẽ giảm bớt đáng kể luợng công suất phản kháng đang thiếu hụt và có tác dụng cải thiện mức ổn định điện áp tại các nút, góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện. Trong quá trình thao tác đóng-cắt các trạm tụ bù, các hiện tượng quá độ đi kèm luôn là một vấn đề rất đáng quan tâm, vì với các xung dòng, các quá điện áp với biên độ cao, có thể dẫn đến các tác động rất xấu cho bản thân các trạm tụ bù, máy cắt và gây ra hiện tượng nhiễu loạn trên hệ thống, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng điện cung cấp. Giải quyết vấn đề. Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Tuy các hiện tượng quá độ trong các trạm tụ bù bị chi phối bởi các phương trình vi phân mô tả mạch điện, nhưng việc giải các phương trình này trong thực tế gần như không khả thi. Phần mềm chuyên dụng khảo sát quá độ ATP là công cụ rất hiệu quả trong việc mô phỏng các hiện tượng quá độ phức tạp cho các điều kiện làm việc khác nhau của trạm tụ bù. Các mô phỏng dưới đây nhằm giải quyết những vấn đề trên, được tiến hành cho các trường hợp khác nhau trong thực tế vận hành của trạm tụ bù. a. Thuyết minh. Khi bộ tụ được đóng vào lưới điện, một dòng điện xung kích sẽ chạy vào bên trong bộ tụ để cân bằng điện áp của lưới điện và điện áp trên bộ tụ. Nếu hai điện áp này bằng nhau tại thời điểm đóng thì không có dòng điện xung kích chạy vào bộ tụ. Nếu hai điện áp này không bằng nhau tại thời điểm đóng thì sẽ có dòng điện xung kích với tần số dao động và biên độ lớn chạy vào bên trong bộ tu. Điện áp và dòng điện xung kích với biên độ lớn có thể gây ra các hiện tượng ảnh hưởng đến bộ tụ và hệ thống mà nó được đấu nối. Xảy ra khi đỉnh áp tăng nhanh tới 20.000 V trong khoảng 10 mili giây tới 100 miligiây. Sự cố này trong lưới điện có thể xảy ra nhiều lần trong một ngày dẫn đến hậu quả là mất bộ nhớ, hỏng và mất dữ liệu, hư hỏng máy móc. Các hiện tượng này cần được nghiên cứu khảo sát, nhất là đối với các tụ điện có công suất lớn đặt tại các trạm biến áp 110kV trở lên trong hệ thống điện. SVTH: Nguyễn Duy Ninh 11 b. Các trường hợp cần giải quyết: - Đóng bộ tụ bù 50MVAr vào thanh cái. Giá trị biên độ cực đại điện áp và dòng điện qua tụ ghi nhận được trong mô phỏng sẽ được so sánh với điện áp định mức và dòng điện xác lập qua tụ (điện áp định mức của tụ: Uđm = 115kV). Dòng điện xác lập qua tụ: • • I C1xl U U ∠ψ u U m = = m = ∠ψ u − ϕ Z z∠ ϕ z trong đó tổng trở: z = R1 + (X L − X C 1 với: X C = 1 ) và ϕ = arctg 2 1 X L1 − X C1 R1 1 ; X L1 = L1ω C1ϖ Biên độ dòng điện xác lập qua tụ: I C1xl = Um . z Khi đóng bộ tụ bù vào lưới điện mà giá trị điện áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại (ψ u − ϕ = 0 ) và điện áp trên tụ bằng 0 thì biên độ dòng điện xung kích chạy qua C1 1 tụ: IHọc U m ĐH(kA); tầnThơ số dao@ động: = (Hz).và nghiên cứu mC1 = liệu Trungbộtâm Cần Tàif liệu học tập L1 2π L C xk 1 - 1 Quá độ khi đóng điện trạm tụ làm việc độc lập: Như đã nói ở trên khi đóng điện vào trạm tụ bù, chênh lệch giữa điện áp tức thời của lưới và của tụ sẽ làm xuất hiện một xung dòng và xung điện áp có biên độ có thể rất lớn, phụ thuộc vào thời điểm đóng điện. Giá trị của xung dòng và tần số dao động được tính theo biểu thức: I pk = Us − Uc C f = L 1 2π LC Trong đó : Us : điện áp (pha) tức thời của hệ thống (kV) Uc: điện áp (pha) tức thời trên giàn tụ (kV) C: điện dung trạm tụ (F) L: điện cảm của nguồn (H). - Quá độ khi đóng điện vào trạm tụ song song (back to back closing): Khi đóng một trạm tụ vào lưới đang có những trạm tụ khác đang làm việc. SVTH: Nguyễn Duy Ninh 12 - Quá độ với hiện tượng phóng điện trước (prestrike): Khi máy cắt đóng điện trạm tụ, hiện tượng phóng điện trước có thể xuất hiện trong buồng cắt, hồ quang phát sinh ngay cả trước khi hai tiếp điểm tiếp xúc với nhau. Dòng điện hồ quang có tần số rất cao nên khi đi qua giá trị zero thì nó sẽ bị tắt và điện áp trên tụ vẫn giữ nguyên giá trị mà nó nhận được ở lần phóng điện đầu tiên. Đến khi tiếp điểm đóng lại hoàn toàn, điện áp trên tụ mới bắt đầu dao động. Để mô phỏng các quá trình xảy ra của hiện tượng phóng điện trước, dùng ba tiếp điểm thể hiện ba giai đoạn của hiện tượng xảy ra. - Quá độ với hiện tượng phóng điện trở lại (restrike): Hiện tượng phóng điện trở lại xảy ra khi độ bền điện môi trong buồng cắt của máy cắt thấp hơn so với tốc độ tăng của điện áp phục hồi giữa hai tiếp điểm trong quá trình cắt trạm tụ bù khỏi lưới. Ta sẽ thấy hai nữa chu kì sau khi tiếp điểm máy cắt cắt ra, điện áp phục hồi trên hai tiếp điểm lên đến hai lần điện áp (pha) của lưới, và nếu hiện tượng phóng điện trở lại xảy ra khi đó, điện áp trên tụ sẽ tăng vọt về giá trị này và sau đó, vọt lố lên đến 2.67 pu, và dòng xung có giá trị 14.93 pu. Để mô tả quá trình xảy ra của hiện tượng phóng điện trở lại, sử dụng ba tiếp điểm cho ba giai đoạn. 1.12 Sét đánh (lightning). Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu 2.81 Đặt vấn đề. Theo tính toán của các nhà khoa học, vào một thời điểm bất kỳ, trên trái đất chúng ta đang sống có khoảng 2000 cơn dông hoạt động. Mỗi cơn dông trung bình thường kéo dài từ 2 đến 4 giờ đồng hồ và có thể tạo ra 1000, 2000 cú phóng điện xuống mặt đất. Hình 2. 7: Sét đánh Người ta đã từng ví, cơn dông như một nhà máy điện có công suất khoảng vài trăm MW với điện thế lên tới hàng tỷ Volt, nguồn điện của một tia sét xuất hiện trong cơn dông có thể dùng để thắp sáng bóng đèn 100W trong vòng 3 tháng. Với cường độ mạnh như vậy, dông sét là một trong số những hiểm họa thiên tai vô cùng nguy hiểm đối với tính mạng con người và gây ra những thiệt hại rất lớn về tài sản vật chất. Năm 2001, ngành điện Việt Nam có khoảng 400 sự cố, 50% trong số đó là do sét gây ra. Đặc biệt ngày 4/6/2001, sét đánh nổ một máy cắt 220 KV của Nhà máy Thuỷ điện Hòa Bình. Sự cố đã khiến lưới điện miền Bắc bị rã mạch, nhiều nhà máy điện bị tách ra khỏi hệ thống. Nhiều tỉnh thành khác bị mất điện trên diện rộng. SVTH: Nguyễn Duy Ninh 13 2.82 Giải quyết vấn đề. Việc phân tích hiện tượng quá độ do sét đánh nhằm đánh giá hiệu quả bảo vệ của chống sét van trung áp và sự cần thiết phải trang bị chống sét van hạ áp nhằm bảo vệ thiết bị điện hạ áp khi sét lan truyền từ phía trung áp sang phía hạ áp của máy biến áp khi sét đánh trực tiếp vào đường dây phân phối trung áp. Mô hình xung sét được xây dựng trong môi trường ATP sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các nghiên cứu quá độ của hệ thống điện. Sét lan truyền trên các đường dây trên không trung áp gây ra quá áp khí quyển có thể lớn hơn điện áp thí nghiệm xung kích và cách điện của thiết bị, dẫn đến chọc thủng cách điện, phá hoại thiết bị và gây ra sự cố cắt mạch điện. Do vậy, phải cần trang bị các thiết bị chống sét van ở ngõ vào trạm biến áp. Các nghiên cứu xây dựng mô hình chống sét van trung áp, đánh giá hiệu quả bảo vệ, cũng như xác định vị trí lắp đặt các thiết bị này để đạt hiệu quả bảo vệ cao nhất đã được nghiên cứu. Đối với sét cảm ứng lan truyền trên đường nguồn hạ áp, hiệu quả bảo vệ bảo vệ của chống sét van cũng được đề cập thông qua việc xây dựng mô hình và mô phỏng với nhiều cấu hình bảo vệ khác nhau. Tuy nhiên, việc xây mô hình xung sét đánh trực tiếp dạng sóng 10/350µs với mức độ tương thích cao so với dạng sóng qui định trong các tiêu chuNn quốc tế và việc đánh giá nguy hiểm cho các thiết bị hạ áp do sét đánh trực tiếp tới đường dây trung áp trên không lan truyền qua phía hạ áp của máy biến áp phân phối và đi vào mạng phân phối hạ áp chưa được đề cập và phân tích một cách đầy đủ. Các mô hình thiết bị và mô phỏng hệ thống phân phối điện liên quan đến vấn đề nghiên cứu được xây dựng và thực hiện trong môi trường ATP. Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu 2.83 Mô phỏng tạo dòng sét. Dòng sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp trên không được mô phỏng bởi nguồn phát xung dòng lý tưởng 10/350µs với giá trị đỉnh 10 kA. Trước đây, trong -at -bt các tài liệu về chống sét, nguồn phát xung được mô tả bởi hàm mũ i = Im.(e – e ). Tuy nhiên, dạng sóng mô phỏng theo phương thức này không hoàn toàn phù hợp với dạng sóng tiêu chuNn được qui định trong các tiêu chuNn về chống sét quốc tế, đặc biệt là thời đoạn khi xung dòng tăng từ 0% đến 10% giá trị biên độ đỉnh. Dưới đây, đề nghị mô hình nguồn phát xung sét chuNn khắc phục được nhược điểm này dựa trên hàm toán học của Heidler. Dòng sét được mô tả bởi biểu thức: (t τ1 ) ⋅ exp(− t τ (t τ1 ) + 1 10 I i = max ⋅ h 10 2 ) Với: Imax là dòng điện đỉnh; t là thời gian; τ1 là hằng số thời gian đầu sóng; τ2 là hằng số thời gian suy giảm; h là hệ số hiệu chỉnh đối vớ i dòng điện đỉnh phụ thuộc vào thời gian tăng và thời gian suy giảm của dạng sóng. SVTH: Nguyễn Duy Ninh 14 2.84 Ví dụ. Ví dụ sau đây ứng dụng ATPDraw trong việc nghiên cứu bảo vệ chống sét cho trạm 500kV như sơ đồ thay thế hình bên dưới. Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Hình 2. 8: bảo vệ chống sét SVTH: Nguyễn Duy Ninh 15 2.9 Ngắn mạch (The short- line fault). 2.9.1 Sơ lược. Ngắn mạch là một loại sự cố xảy ra trong hệ thống điện do hiện tượng chạm chập giữa các pha không thuộc chế độ làm việc bình thường. Load Z1 fault Z2 a. Ngắn mạch một pha chạm đất ( The single line to ground fault). Ngắn mạch một pha chạm đất là loại sự cố xảy ra nhiều nhất trong hệ thống, thường do sét đánh hay do dây dẫn tiếp xúc với đất. TrungDòng tâmthứ Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu nghiên cứu tự thuận, nghịch, không và trên các pha tại học điểm tập ngắn và mạch k với tổng trở chạm Zf. ⇒ I k0 = I k1 = I k2 = Vk (0 ) Z + Z + Z kk2 + 3Z f 0 kk 1 kk 1 Trong đó: Z1kk, Z2kk, Z0kk, Vk(0): Là phần tử chính của ma trận tổng trở ZBus thứ tự thuận, nghịch, không và điện áp trước lúc xảy ra ngắn mạch. b. Ngắn mạch hai pha không chạm dất (The two line fault). Dòng thứ tự thuận, nghịch, không và trên các pha tại điểm ngắn mạch k với tổng trở chạm Zf: I k0 = 0 I k1 = Vk (0 ) Z + Z kk2 + Z f I k2 = − SVTH: Nguyễn Duy Ninh 1 kk Vk (0) Z + Z kk2 + Z f 1 kk 16 Trong đó: Z1kk, Z2kk, Z0kk, Vk(0): Là phần tử chính của ma trận tổng trở ZBus thứ tự thuận, nghịch, không và điện áp trước lúc xảy ra ngắn mạch. c. Ngắn mạch hai pha chạm đất (The two line to ground fault). Dòng thứ tự thuận, nghịch, không và trên các pha tại điểm ngắn mạch k với tổng trở chạm Zf: I k1 = Vk (0 )  Z kk2 Z kk0 + 3Z f 1 Z kk +  2 0  Z kk + Z kk + 3Z f I k2 = − ( ( ) ) Vk (0 ) − Z kk1 I k1 Z kk2 Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu 1 1 Vk (0 ) − Z kk Ik 0 Ik = − Z kk0 + 3Z f Trong đó: Z1kk, Z2kk, Z0kk, Vk(0): Là phần tử chính của ma trận tổng trở ZBus thứ tự thuận, nghịch, không và điện áp trước lúc xảy ra ngắn mạch. Dòng ngắn mạch tổng tại điểm ngắn mạch: SVTH: Nguyễn Duy Ninh I N = I kb + I kc 17 d. Ngắn mạch 3 pha đối xứng ( The three line symmetrical fault). Dòng thứ tự thuận, nghịch, không và trên các pha tại điểm ngắn mạch k với tổng trở chạm Zf: I k0 = 0 I k1 (N ) = I k2 = o Vk (0) Z kk1 + Z f Trong đó: Z1kk, Z2kk, Z0kk, Vk(0): Là phần tử chính của ma trận tổng trở ZBus thứ tự thuận, nghịch, không và điện áp trước lúc xảy ra ngắn mạch. Từ lúc xảy ra ngắn mạch cho đến khi cắt nó ra, trong hệ thống điện xảy ra quá trình quá độ làm thay đổi dòng và áp. Dòng trong quá trình quá độ thường gồm 2 thành phần: chu kỳ và không chu kỳ. Trường hợp hệ thống có đường dây truyền tải điện áp từ 330 KV trở lên thì trong dòng ngắn mạch ngoài thành phần tần số cơ bản còn các thành phần sóng hài bậc cao. Nếu đường dây có tụ bù dọc sẽ có thêm thành phần sóng hài bậc thấp. Nhiệm vụ của môn học khảo sát quá độ do ngắn mạch là nghiên cứu diễn tiến của quá trình ngắn mạch trong hệ thống điện, đồng thời xét đến các phương pháp thực dụng để hạn chế tác hại do ngắn mạch. Khi xảy ra ngắn mạch, tổng trở của hệ thống điện giảm, làm dòng điện tăng lên, điện áp giảm xuống. Nếu không nhanh chóng cô lập điểm ngắn mạch thì hệ thống chuyển sang chế ĐH độ ngắn mạch duy@ trì (xác Trungsẽtâm Học liệu Cần Thơ Tài lập). liệu học tập và nghiên cứu 2.10.2 Thuyết minh. - Trong hệ thống có trung tính nối đất (hay 4 dây) chạm chập một pha hay nhiều pha với đất (hay với dây trung tính) cũng được gọi là ngắn mạch. - Trong hệ thống có trung tính cách điện hay nối đất qua thiết bị bù, hiện tượng chạm chập một pha với đất được gọi là chạm đất. Dòng chạm đất chủ yếu là do điện dung các pha với đất. - Ngắn mạch gián tiếp: là ngắn mạch qua một điện trở trung gian, gồm điện trở do hồ quang điện và điện trở của các phần tử khác trên đường đi của dòng điện từ pha này đến pha khác hoặc từ pha đến đất. - Điện trở hồ quang điện thay đổi theo thời gian, thường rất phức tạp và khó xác định chính xác. Theo thực nghiệm: R= 1000.l I Trong đó: I - dòng ngắn mạch [A] l - chiều dài hồ quang điện [m] SVTH: Nguyễn Duy Ninh 18 - Ngắn mạch trực tiếp: là ngắn mạch qua một điện trở trung gian rất bé, có thể bỏ qua (còn được gọi là ngắn mạch kim loại). - Ngắn mạch đối xứng: là dạng ngắn mạch vẫn duy trì được hệ thống dòng, áp 3 pha ở tình trạng đối xứng. - Ngắn mạch không đối xứng: là dạng ngắn mạch làm cho hệ thống dòng, áp 3 pha mất đối xứng. - Không đối xứng ngang: khi sự cố xảy ra tại một điểm, mà tổng trở các pha tại điểm đó như nhau. - Không đối xứng dọc: khi sự cố xảy ra mà tổng trở các pha tại một điểm không như nhau. - Sự cố phức tạp: là hiện tượng xuất hiện nhiều dạng ngắn mạch không đối xứng ngang, dọc trong hệ thống điện. Ví dụ: đứt dây kèm theo chạm đất, chạm đất hai pha tại hai điểm khác nhau trong hệ thống có trung tính cách đất. 2.10.3 Xác suất xảy ra ngắn mạch được cho trong bảng sau: Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu 2.10.4 Ví dụ minh hoạ: Hệ thống chạm đất một pha. Một điện trở shunt được nối vào giữa điểm ngắn mạch và trung tính để giảm dòng thứ cấp trong suốt thời gian sự cố. Hình 2. 9: Chạm đất một pha SVTH: Nguyễn Duy Ninh 19 2.11 Khởi động và vận hành động cơ (Motor starup and operate). 2.11.1 Ứng dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM bằng TACS. Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc là loại động cơ được dùng nhiều trong thực tế. Một trong các vấn đề đối với động cơ này là dòng điện khởi động thường khá lớn. Một số phương pháp giảm điện áp được dùng để hạn chế dòng điện khởi động. Các phương pháp này đòi hỏi một số thiết bị để hạn chế dòng điện mở máy. Các phương pháp mở máy đang dùng thực hiện việc tăng tổng trở toàn mạch để hạn chế dòng điện khi mở máy được điều khiển bằng TACS, ứng dụng kỹ thuật biến tần điều chế độ rộng xung. Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Hình 2. 10: Điện áp khởi động 2.11.2 Giảm dòng khởi động ( reduce starting current). Trong hệ thống có công suất hữu hạn, dòng điện này ảnh hưởng rất lớn đến quá trình mở máy. Chẳng hạn trong hệ máy phát - động cơ có công suất máy phát l50 kW không thể khởi động được động cơ 90 kW. Do vậy vấn đề giảm dòng khởi động bằng các biện pháp đơn giản là rất cần thiết. Vấn đề là ở chỗ ta cần tăng tổng trở của hệ động cơ - thiết bị mở máy nhưng không được tăng năng lượng tiêu thụ khi mở máy. Để giải quyết vấn đề này ta nối song song động cơ với một hệ thống tụ điện thích hợp với động cơ. Trước hết ta nghiên cứu ảnh hưởng của việc nối tụ điện song song với một phụ tải. Ta khảo sát một mạch điện như hình bên dưới, gồm một tụ điện có điện dung C nối song song với một cuộn dây có hệ số tự cảm L. SVTH: Nguyễn Duy Ninh 20