Mô phỏng quá điện áp trung áp bằng ATPEMTP

Lý thuyết kết hợp mô phỏng ngắn mạch, đóng cắt tụ bằng ATP draw cho mạng điện trung áp 22kV Quá điện áp là một hiện tượng nguy hiểm trong lúc vận hành lưới điện phân phối, gây ảnh hưởng đến các thiết bị điện, làm lão hóa cách điện, giảm tuổi thọ thiết bị điện của các công ty điện lực cũng như của khách hàng. Đây 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…

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ATP/ EMTP ĐỂ MÔPHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn: TS Võ Tiến Trung Sinh viên thực hiện : Phan Đặng Huy Lớp : DHDDTCK15HTD

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ATP / EMTP ĐỂ MÔPHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn: TS Võ Tiến Trung

Sinh viên thực hiện : Phan Đặng Huy Lớp : DHDDTCK15HTD

Nghệ An - 2024

Họ tên sinh viên: Phan Đặng Huy

Hệ đào tạo: Đại học

Lớp: DHDDTCK15HTD Ngành: Kỹ thuật điện, điện tử Khoa: Điện

1 Tên đề tài:

Ứng dụng phần mềm ATP / EMTP để mô phỏng quá điện áp trong hệ thống điện

2 Danh mục tài liệu tham khảo

[1] Lõszlú Prikler, Hans Kristian Hoidalen, ATPDRAW version 5.6, 2009 [2] ATP Theory book, EMTP-ATP Programs, 2004.

[3] Trần Quang Khánh Bài Tập Cung cấp điện NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2005 [4] Trần Bách Giáo trình Lưới Điện NXB Giáo Dục, 2010

[5] Lã Văn Út Ngắn Mạch Trong Hệ Thống Điện, Trường Đại Học Bách Khoa Hà

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐỘ 10 % 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ATP 30 %

3 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ ĐỘ DO NGẮN

4 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG QUÁ ĐỘ DO ĐÓNG

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Bản nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp đã được Hội đồng khoa học của Khoa Điện thông qua ngày tháng năm 20…

TRƯỞNG KHOA

Sinh viên hoàn thành và nộp bản Đồ án tốt nghiệp, bản vẽ cho Hội đồng khoa học của Khoa ……… ngày … tháng …… năm 20…

SINH VIÊN THỰC HIỆN

LỜI NÓI ĐẦU

Quá điện áp là một hiện tượng nguy hiểm trong lúc vận hành lưới điện phân phối, gây ảnh hưởng đến các thiết bị điện, làm lão hóa cách điện, giảm tuổi thọ thiết bị điện của các công ty điện lực cũng như của khách hàng Đây 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 Đồ án này sử dụng phần mềm ATP / EMTP (Electro- Magnetic Transient Programme) để 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.

Do đó, em đã chọn đề tài: “Ứng dụng phần mềm ATP / EMTP để mô phỏng quá

điện áp trong hệ thống điện” Đề tài bao gồm các nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về quá độ.

Chương 2: Tổng quan về phần mềm ATP-EMTP Chương 3: Mô phỏng quá độ do ngắn mạch Chương 4: Mô phỏng quá độ do đóng cắt tụ.

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã cố gắng tìm tòi, học hỏi và nghiên cứu kiến thức để hoàn thành đồ án Do kinh nghiệm và kiến thức của bản thân còn nhiều hạn chế nên báo cáo đồ án tốt nghiệp này của em khó tránh khỏi những thiếu sót Vậy em rất mong nhận được sự góp ý từ phía thầy cô để em hoàn thiện kiến

thức cho bản thân Qua đây e xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Võ Tiến

Trung đã hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nghệ An, ngày … tháng … năm 20…

Giảng viên hướng dẫn

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

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐỘ

1.1.Khái niệm chung về quá độ

Quá điện áp thao tác là một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống điện nói chung và đường dây tải điện nói riêng Nó không những ảnh hưởng tới tính kinh tế mà còn ảnh hưởng tới tính kỹ thuật của một mạng điện Quá điện áp nội bộ tuy có độ lớn không bằng quá điện áp khí quyển nhưng hiệu ứng tích luỹ là nguyên nhân phát triển các khuyết tật cục bộ, già hoá cách điện dần dần gây lên các phóng điện ngay cả khi quá điện áp nhỏ hơn nhiều điện áp đánh thủng ở tần số công nghiệp

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 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)

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.

- 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

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:

a (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

b (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

c (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

d (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 thường là một chiều với thời gian tới đỉnh nhỏ hơn 0,1 µs, tổng thời gian dưới 3 ms, 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:

a Quá độ điện từ:

Được tạo ra chủ yếu bởi sự tương tác giữa điện trường của điện dung và từ trường tự

chuyển trên đường dây truyền tải, cáp, nhánh bus và dao động giữa điện cảm và điện dung

b 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)

- 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 tại điểm đó như nhau gọi là ngắn mạch không đối xứng ngang, còn tổng trởcác 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 (%)

Ngắn mạch ba pha: 3 pha chạm nhau N(3) 5

Ngắn mạch hai pha: 2 pha chạm nhau N(2) 10

Ngắn mạch N(1) và N(1.1) chỉ tồn tại trong mạng điện có trung tính nối đất hoặc có dây trung tính

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

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



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 trở ngắn

mạch

- Dòng ngắn mạch siêu quá độ ban đầu (Ik’’): trị hiệu dụng của dòng chu kỳ trong chu kỳ đầu tiên khi xảy ra ngắn mạch

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

- 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 Ik"

+ Đối với máy điện không đồng bộ: Ib qIk"

- 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

a 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;…

b.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

1.3.5 Mục đích tính toán ngắn mạch

Khi thiết kế và vận hành các hệ thống điện, nhằm giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật cần tiến hành hàng loạt các tính toán sơ bộ, trong đó có tính toán ngắn mạch để lựa chọn các trang thiết bị phù hợp, chịu được dòng điện trong thời gian tồn tại ngắn mạch

- 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

Tính toán ngắn mạch chính xác trong hệ thống điện rất phức tạp và khó khăn, nên trong thực tế không cần đòi hòi chính xác cao, thường dùng phương pháp gần đúng trong hệ tương đối cơ bản để tính ngắn mạch Và thường chỉ tính dòng ngắn mạch 3 pha vì thường dòng ngắn mạch 3 pha lớn hơn dòng ngắn mạch 2 pha và 1 pha.

1.4 Quá độ do đóng cắt đường dây, tụ 1.4.1 Nguyên nhân

Quá điện áp nội bộ xảy ra khi có sự thay đổi chế độ làm việc trong hệ thống điện Sự chuyển từ một chế độ làm việc này sang một chế độ làm việc khác gắn liền với sự phân bố lại năng lượng điện trường và từ trường tích lũy trong các điện dung 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)

1.4.2 Phân loại

Nhóm 1: quá điện áp thao tác, xảy ra khi đóng cắt các phần tử của hệ thống trong chế độ làm việc bình thường và sau sự cố cũng như khi xảy ra chạm đất bằng hồ quang Nói chung loại quá điện áp này đều có kèm theo sự xuất hiện của hồ quang điện như

- 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

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 sự an toàn cho con người, đảm bảo vận hành của mạng điện và đảm bảo tản dòng 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

a 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

b 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

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

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 a 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 sâu hơn

-b 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%

c 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

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

- Dây quấn nóng và bị cháy cách điện

- Gây lực cơ học phá kết cấu dây quấn Biện pháp bảo vệ máy biến áp :

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM EMTP

2.1 Giới thiệu về phần mềm EMTP:2.1.1 Vài nét chung

- Chương trình EMTP (Electro-Magnetic Transients Program) 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 EMTP 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 khác trong hệ thống điện

- Phần mềm EMTP có 6 module chính: Module ATPDraw, Module ATP Control Center, Module PCPlot, Module PlotXY, Module GTPPLOT, Module Programmer’s File Editor Trong đó, ta sử dụng ATPDraw và PlotXY để tạo và soạn thảo mô hình của sơ đồ lưới điện cần mô phỏng.

Module đóng vai trò nền tảng chính là ATPDraw

Hình 2.1: Mối tương quan giữa ATPDraw với các Module khác

2.1.2 Khả năng của chương trình

Không có giới hạn tuyệt đối của chương trình

Cho đến nay, hệ thống lớn nhất mà chương trình đã thực hiện mô phỏng: Số lượng nút: 6000, Số lượng nhánh: 10000, Thiết bị đóng ngắt: 1200, Số lượng nguồn: 900, Các phần tử phi tuyến: 2250, Máy điện đồng bộ: 90

2.2 Sơ lược về ATPDraw

- ATPDraw được đánh giá là một trong những hệ thống chương trình được quốc tế sử dụng rộng rãi nhất để mô phỏng các hiện tượng quá độ điện từ, cũng như điện cơ trong hệ thống điện 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 ATP có nhiều mô hình như: máy điện quay, máy biến áp, sóng sét, các loại dây và cáp truyền.

- ATPDraw là chương trình đồ họa, đồng thời là phiên bản ATP của EMTP trên nền Windows Trong ATPDraw, người dùng xây dựng mạch điện bằng chuột và lựa chọn các thành phần có sẵn trong thư viện, sau đó ATPDraw sẽ tạo ra file vào ATP tương ứng - tự động đúng trong khuôn dạng ATPDraw cung cấp các kiểu mạch mẫu, các mạch mẫu này có thể làm việc đồng thời trên nhiều mạch và sao chép thông tin giữa các mạch Toàn bộ mạch đều thao tác rất dễ dàng như: sao/dán (copy/paste), xoay (rotate), xuất/nhập (import/export), nhóm/không nhóm (group/ungroup), trở về/tiến lên (undo/redo), in (print)

2.2.1 Cài đặt chạy mô phỏng trong ATPDraw

- Từ Main menu chọn Tools→ Options → Preferences cài đặt lại như hình 2.2

- Từ Main menu chọn Tools → Options → Files&Foldes cài đặt lại như hình 2.3- Từ Main menu chọn ATP → Settings → Simulation cài đặt lại như hình 2.4

- Từ Main menu chọn ATP → Settings → Output cài đặt lại như hình 2.5

- Từ Main menu chọn ATP → Edit Commands để cài đặt chương trình chạy

mô phỏng như hình 2.6 Ở đây chúng ta dùng chương trình Run GTPPLOT đểxem các dạng đồ thị khi chạy mô phỏng cho các mạch điện Sau khi cài đặt xong, Run

GTPPLOT sẽ xuất hiện ở cuối danh mục ATP như hình 2.7.

- Để lưu lại các cài đặt, ở mỗi cài đặt ta chọn Tools → Save Options.

Hình 2.2: Cài đặt trong Preferences

Hình 2.3: Cài đặt trong Files&Foldes

Hình 2.4: Cài đặt trong ATP- Simulation

Hình 2.5: Cài đặt trong ATP – Output

Hình 2.6: Cài đặt chương trình Run GTPPLOT trong Edit Commands

Hình 2.7: Run GTPPLOT trong ATP sau cài đặt

2.2.2 Hoạt động của chuột

a) Click chuột trái đơn:

- Trên đối tượng: Chọn đối tượng hoặc kết nối Nếu phím Shift được ấn, đối tượng sẽ được thêm vào nhóm đã được chọn trước.

- Trên nút đối tượng: Bắt đầu vẽ một kết nối từ đối tượng này sang đối tượng khác Sau khi Click chuột lên nút của đối tượng, ta di chuyển chuột đến nút của đối tượng khác, Click chuột trái để kết nối, Click chuột phải để hủy bỏ.

- Trong vùng trống của cửa sổ chứa mạch: Bỏ chọn đối tượng.

Hình 2.8: Click chuột trái đơnb) Click chuột phải đơn:

-Trong vùng trống của cửa sổ chứa mạch: Mở Component Selection Menu để thêm đối tượng vào cửa sổ chứa mạch hoặc hủy bỏ một kết nối.

Hình 2.9: Component Selection Menu

-Trên nút đối tượng: Mở hộp thoại Node Data: ghi tên nút trong ‘To’, để hiển thị tên đã ghi ta chọn Name on screen, để nối đất tại nút đó ta chọn Ground.

Hình 2.10: Hộp thoại Node Data.

-Trên đối tượng không được chọn: Mở hộp thoại Component của đối tượng Nếu phím Shift được ấn thì sẽ mở Shortcut Menu.

Hình 2.11: Quay đối tượng 900c) Click chuột trái và giữ:

- Trên đối tượng: Di chuyển một hoặc một nhóm đối tượng.

- Trên nút đối tượng: Thay đổi kích thước của đối tượng hoặc thực hiện một kết nối.

- Trong vùng trống của cửa sổ chứa mạch:Vẽ hình vuông để chọn nhóm đối tượng.

d) Click chuột trái kép:

- Trên nút đối tượng: Mở hộp thoại Node Data.

- Trên đối tượng được chọn hoặc không được chọn: Mở hộp thoại Component - Trên nhóm đối tượng: Mở hộp thoại Group.

- Trong vùng trống cửa sổ: Bắt đầu chọn nhóm đối tượng theo hình bao vị trí

3.2.3 Làm việc cùng ATPDraw

 Khi khởi động chương trình ATPDraw ta sẽ có màn hình soạn thảo như sau:

Hình 2.12: Các thành phần chính trong giao diện ATPDraw.

 Chương trình gồm:

- Main menu - Danh mục chính (gồm các trình đơn: File, Edit, View, ATP, Objects, Tools, Window, Help).

- Toolbar Icon - Thanh công cụ : Bao gồm các biểu tượng: New, Open, Save, Save as, Import, Export, Undo, Redo, Cut, Copy, Paste, Duplicate, Zoom in, Zoom out, Move label, Refresh, Select All, Select Group, Flip, Rotate.

- Circuit Window - Màn hình soạn thảo (mặc định là Noname.acp) : Mạch điện

sẽ được xây dựng trong cửa sổ này, đây là nơi chứa tất cả các mạch điện Từ File

menu người sử dụng có thể mở các mạch điện đã tạo trước đó hay tạo ra một cửa sổ

rỗng để tạo một mạch điện mới Mạch điện này bao gồm: các thiết bị chuẩn trong ATP, các thiết bị do người sử dụng tạo ra, MODELS và TACS, và sự liên kết giữa

phần mới vào trong cửa sổ mạch Danh sách này thường ẩn, để nhìn thấy và kích hoạt danh sách này, ta nhấp chuột phải vào một chỗ trống trong cửa sổ mạch, di chuyển chuột để chọn thiết bị cần sử dụng Thiết bị được chọn sẽ xuất hiện ngay trung tâm của cửa sổ mạch và được bao bởi một hình chữ nhật Ta có thể di chuyển các thiết bị này bằng cách nhấp giữ chuột trái và kéo tới vị trí cần, để xoay các thiết bị này ta nhấp chuột phải và mỗi lần nhấp ta xoay được 900.

 Các phần tử điện trong Component selection menu lần lượt là:

- Probes & 3-phase (Máy đo & 3 pha):

- Brach Linear (Nhánh tuyến tính):

 Danh mục này bao gồm các thiết bị:

 Probe Voltage: Máy đo điện áp nút( )

 Probe Line volt: Máy đo điện áp dây ( )

 Probe Branch volt: Máy đo điện áp

 Resistor: Điện trở thuần R Đơn vị của điện trở là Ohm (), ký hiệu là

 Capacitor: Tụ điện có điện trở nội, có đơn vị là F nếu Copt = 0, và có đơn vị là Moh nếu Copt = tần số nguồn () Ở đâyCopt được chọn từ

ATP/Settings/Simulation, ký hiệu

 Inductor: Điện cảm có điện trở nội, có đơn vị là mH nếu Xopt = 0 và có đơn vị là Ohm nếu Xopt = tần số nguồn() Ở đây Xopt được chọn từ

ATP/Settings/Simulation, ký hiệu

 RLC: R, L, C mắc nối tiếp, ký hiệu

 RLC 3-ph: 3 pha R,L,C mắc nối tiếp và có giá trị độc lâp trong các pha, ký hiệu

- Switches (Các loại công tắc):

- Transformers (Các loại máy biến áp):

* Danh mục này bao gồm các phần tử:  AC source (1&3): Nguồn AC Dòng

hoặc áp Nút 1 hoặc 3 pha Ký hiệu

 DC type 11: Nguồn DC Dòng hoặc áp Ký hiệu

 AC Ungrounded: Nguồn AC không nối đất Chỉ điện áp Ký hiệu

 DC Ungrounded: Nguồn DC không nối đất Chỉ điện áp Ký hiệu

* Danh mục này bao gồm các phần tử:

 Switch time controlled: Công tắc 1 pha điều khiển theo thời gian Ký hiệu

 Switch time 3-ph: Công tắc 3 pha điều khiển theo thời gian Các pha hoạt động độc lập Ký hiệu

 Switch voltage contr Công tắc điều khiển điện áp Ký hiệu

* Danh mục này bao gồm các phần tử:

 Ideal 1 phase: Máy biến áp lý tưởng 1 pha.

Ký hiệu

 Ideal 3 phase: Máy biến áp lý tưởng 3 pha.

Ký hiệu

2.3 Giới thiệu về PlotXY2.3.1 Sơ lược về PlotXY

- PlotXY là một chương trình vẽ đồ thị được tạo ra bởi Dr.Massimo Ceraolo thuộc Trường đại học Pisa, Italy PlotXY vẽ những đồ thị có tính kỹ thuật cao bằng cách dùng những dữ liệu của những file.pl4 được tạo bởi chương trình ATP; file MATLAB; những file nghiên cứu của IEEE Các đường đồ thị được vẽ trong

môi trường Window Sau đây là một số tiện ích của PlotXY:

Giao diện đồ họa đơn giản, dễ sử dụng.

Mã 32 bits hỗ trợ giúp cho việc thao tác nhanh.

Có thể xem 8 đồ thị cùng một lúc trên cùng một cửa sổ.

Trên một cửa sổ có thể mở cùng lúc 3 file dữ liệu khác nhau.

Tự động xác định tỷ lệ trục và tên của đồ thị.

Trục di động để xem giá trị cụ thể tại các vị trí khác nhau trên đồ thị.

2.3.2 Chạy chương trình PlotXY

 Người dùng có thể gọi chương trình PlotXY bằng 2 cách: - Gọi trực tiếp chương trình PlotXY.

- Gọi PlotXY từ ATPDraw (sau khi đã cài đặt trong ATPDraw): từ Main menu

chọn ATP/run ATP chương trình ATPDraw sẽ bắt đầu chạy file.adp mô phỏng và tự

động tạo ra file.pl4 với tên mặc định giống với tên file.adp đang chạy Sau đó từ

Main menu chọn ATP/run Plot, ATPDraw sẽ gọi chương trình PlotXY.

Hình 2.13: Gọi PlotXY từ ATPDraw

Hình 2.14: Giao diện PlotXY

-Nút Load ở góc trái bên trên của cửa sổ dùng để gọi file.pl4 cần mô phỏng.Nhấn vào nút Load hộp thoại như bên dưới sẽ mở ra:

Hình 2.15:Hộp thoại gọi file.pl4 cần mô phỏng

Chọn file cần mô phỏng theo đường dẫn sau: EEUG02/ATPDRW36/Atp Nếugọi PlotXY từ ATPDraw thì từ Load người dùng chỉ cần chọn Atp và file.pl4 cần môphỏng Giao diện PlotXY sau khi chọn file.pl4 cần mô phỏng như hình 2.16.

Hình 2.16: Giao diện PlotXY sau khi chọn file.pl4 cần mô phỏng

-Dữ liệu cần khảo sát sẽ xuất hiện ở cột Variables phía bên trái.

-Khi muốn xem dạng đồ thị của dữ liệu nào ta nhấp vào dữ liệu đó, nó sẽ xuất

hiện ở cột bên cạnh Sau đó chọn nút Plot ở góc phải bên dưới của cửa sổ, đồ thị củatừng dữ liệu sẽ tự động được vẽ ở cửa sổ plot với các màu khác nhau như hình 2.17.

Hình 2.17: Đồ thị của dữ liệu ở cửa sổ Plot

- Nút Show Cursor dùng để xác định tọa độ của một điểm bất kỳ trên đồ thị.

- Nút Manual Scale dùng để điều chỉnh tọa độ của 2 trục.

- Nút Title dùng để ghi tiêu đề cho đồ thị.

General (Tổng quát) dùng để chọn đơn vị đo; mục Font size dùng để chọn cỡ chữ cho trục và chú thích; mục Plot type.

Hình 2.18: Plot Options

- Khi muốn xem phân tích Fourier ta nhấp vào nút Fourier trong giao diện

Data Selection, phân tích Fourier của dữ liệu cần xét sẽ xuất hiện như hình 2.19.

Hình 2.19:Giao diện Fourier chart.

-Với đồ thị phía trên là phổ biên độ và đồ thị phía dưới là phổ pha của chuỗi

phân tích Fourier Nhấp vào nút , giao diện Fourier Options hiện ra như hình

2.20.

Hình 2.20: Fourier Options

- Với Start time là thời gian bắt đầu và End time là thời gian kết thúc của chuỗi

phân tích Fourier Phổ biên độ có thể điều chỉnh theo: Biên độ đỉnh (peak), trị hiệu dụng (rms), trị hiệu dụng/hài bậc 0 (rms/harm.0), trị hiệu dụng/hài bậc 1 (rms/harm.1).

- Harmonics to consider: Bắt đầu phân tích từ thành phần hài thứ đến thành phần hài thứ (ví dụ như ở hình bắt đầu phân tích từ hài thứ 0 đến hài thứ 30).

- Amplitude chart size: Kích cỡ của phổ biên độ.

2.4 So sánh giữa phần mềm ATP-EMTP và Matlab-Simulink

Cả hai chương trình đều là các trình mô phỏng theo khối với giao diện đồ họa Trong cả hai chương trình, có hai loại kết nối giữa các khối: dây dẫn điện và dây tín hiệu Trong Matlab, đầu các đường dây kết nối có thể là các khối như máy biến thế, nguồn,v.v… và kết nối với các khối là bộ xử lý tín hiệu Trong ATP-EMTP, các khối này có thể là các đối tượng TACS hoặc MODELS

Bảng sau đây tóm tắt các phần tử (khối) tích hợp quan trọng nhất của hai chương trình Chỉ các đối tượng được ATPDraw hỗ trợ mới được xem xét trong cột ATP/EMTP của các bảng tiếp theo.

Nguồn Nguồn áp và nguồn dòng

Nguồn điều khiển lập trình 3 pha (biên độ, pha và tần số biến thiên theo

Điều khiển điện áp Điều khiển TACS

Thống kê (ngẫu nhiên, dựa trên các hàm phân phối được

Máy điện đồng bộ 3 pha Máy điện đồng bộ 3 pha với điều khiển TACS

Máy điện đồng bộ 3 pha, thiết lập khởi tạo theo ATP

Máy điện cảm ứng (Không đồng bộ) 1 và 3 pha, thiết lập khởi tạo theo ATP

Máy điện DC, thiết lập

Máy điện đồng bộ 3 pha (với các thông số cơ bản hoặc tiêu chuẩn)

Máy điện đồng bộ đơn

công suất cơ học có thể được điều khiển bằng TACS

Dây và cáp

Mô hình thông số đường dây RLC tương đương 1, 2, 3 pha RL kết hợp pha không đối vật liệu của dây/ cáp 1-9 pha Các loại mô hình đường dây truyền tải Bergeron, Π, JMarti,

Máy biến áp bão hòa, 1 pha (2 cuộn dây), 3 pha (2 hoặc 3 hoặc 3 cuộn dây), 3 pha Máy biến áp bão hòa, 1 pha (2 hoặc 3 cuộn dây), 3 pha,

12 thiết bị đầu cuối tuyến tính máy biến áp 3 pha

Tụ điện với điện trở giảm xóc Cuộn cảm với điện trở giảm xóc

Các loại RLC, 1 pha, 3 pha Tụ điện với điện áp ban đầu, Cuộn cảm với dòng điện ban cuộn cảm với điện áp / dòng điện ban đầu

Điện trở, phụ thuộc vào thời gia, dòng điện, được điều khiển bởi TACS

Cuộn cảm phụ thuộc vào dòng được đưa ra chi tiết hơn và cầu 1, 2 hoặc

Bộ hẹn giờ (tạo tín hiệu điều khiển tại các thời

công tắc điện tử của bộ chuyển đổi xung 6 hoặc Chuyển đổi qua lại giữa hệ quy chiếu abc và dq0

MATLAB cung cấp các thiết bị đo lường nhiều hơn, giúp việc

Sáu loại bước cố định và tám loại bộ giải bước có thể được sử dụng, tùy thuộc vào độ phức tạp của vấn đề

Bảng 2.1 So sánh giữa ATP-EMTP v3.5 và MATLAB-Simulink (trích Comparison ofSimulation Tools ATP-EMTP and MATLAB-Simulink for Time Domain Power System

Transient Studies)