Luận văn thạc sĩ về mô phỏng quá độ máy biến điện áp trong thiết bị mạng và nhà máy điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện mô phỏng quá độ máy biến điện áp bằng phần mềm atpemtp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải

• Tác giả: Mai Chí Cường
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Phan Tú
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Mô Phỏng Quá Độ Máy Biến Điện Áp Trong Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện Bằng Phần Mềm ATP-EMTP
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu của nghiên cứu
• 1.2.1. Mục tiêu chung
• 1.2.2. Mục tiêu cụ thể
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Giá trị thực tiễn của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP CAO THẾ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2.1. Khái niệm chung
• 2.2. Nguyên lý làm việc của máy biến điện áp
• 2.3. Phân loại và các kiểu máy biến điện áp
• 2.3.1. Phân loại
• 2.3.2. Giới thiệu một số loại máy biến điện áp
• 2.3.2.1. Máy biến điện áp kiểu cảm ứng điện từ
• 2.3.2.2. Máy biến điện áp kiểu tụ
• 2.3.2.2.1. Mô tả và cấu tạo
• 2.3.2.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy biến điện áp kiểu tụ
• 2.3.2.3. Máy biến điện áp kiểu mới
• 2.3.2.3.1. Máy biến điện áp phân áp kiểu tụ điện có khuếch đại
• 2.3.2.3.2. Máy biến điện áp làm việc theo hiệu ứng Pockels
• 2.4. Sai số của máy biến điện áp và hiệu chỉnh sai số
• 2.4.1. Sai số của máy biến điện áp
• 2.4.1.1. Hệ số biến đổi điện áp
• 2.4.1.2. Chế độ không tải
• 2.4.1.3. Chế độ có tải
• 2.4.1.4. Sai số của máy biến điện áp
• 2.4.1.4.1. Sai số ở chế độ không tải
• 2.4.1.4.2. Sai số khi có tải
• 2.4.2. Hiệu chỉnh sai số của máy biến điện áp
• 2.5. Phạm vi ứng dụng của máy biến điện áp
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ LIÊN QUAN MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH THÔNG SỐ MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP
• 3.1. Các vấn đề liên quan đến mô hình cuộn dây máy biến điện áp
• 3.1.1. Thành lập hệ số tự cảm
• 3.1.2. Thành lập hệ số hỗ cảm
• 3.2. Phương pháp tính thông số máy biến điện áp
• 3.2.1. Điện trở ngắn mạch của dây quấn
• 3.2.1.1. Điện trở của dây quấn sơ cấp
• 3.2.1.2. Điện trở của dây quấn thứ cấp
• 3.2.1.3. Điện trở ngắn mạch
• 3.2.2. Điện kháng ngắn mạch
• 3.2.2.1. Điện kháng sơ cấp
• 3.2.2.2. Điện kháng thứ cấp
• 3.2.2.3. Điện kháng ngắn mạch
• 4. CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT QUÁ ĐỘ MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP VÀ GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ATP-EMTP
• 4.1. Lý thuyết quá độ điện áp
• 4.1.1. Quá độ điện từ
• 4.1.1.1. Sóng quá độ dạng sóng xung
• 4.1.1.2. Sóng quá độ dạng sóng dao động
• 4.1.2. Quá độ xảy ra trong khoảng thời gian ngắn
• 4.1.2.1. Sự gián đoạn cung cấp điện trong thời gian ngắn
• 4.1.2.2. Sự sụt áp
• 4.1.2.3. Sự vọt lố điện áp
• 4.1.3. Quá độ điện áp xảy ra trong khoảng thời gian dài
• 4.1.4. Quá độ điện áp trong máy biến điện áp
• 4.1.4.1. Nguyên nhân gây quá điện áp
• 4.1.4.2. Mạch điện thay thế và phương trình vi phân
• 4.1.4.3. Sự phân bố điện áp ban đầu dọc dây quấn
• 4.2. Giới thiệu phần mềm ATP-EMTP
• 4.2.1. Tổng quan về phần mềm ATP-EMTP
• 4.2.1.1. Nguyên tắc hoạt động
• 4.2.1.2. Các thành phần trong thư viện của ATP
• 4.2.1.3. Mô hình hợp nhất các Module mô phỏng trong ATP
• 4.2.1.4. Các Module chính trong ATP
• 4.2.1.5. Ứng dụng của ATP
• 4.2.1.6. Module ATPDRAW
• 4.2.1.7. Các file hỗ trợ trong ATPDRAW
• 4.2.2. Cách cài đặt ban đầu để chạy mô phỏng trong ATPDRAW
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG QUÁ ĐỘ MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP KIỂU TỤ
• 5.1. Mô hình tổng quát
• 5.2. Khảo sát tải thuần trở R
• 5.3. Khảo sát tải cảm L
• 5.4. Khảo sát tải dung C
• 5.5. Khảo sát tải hỗn hợp R, L, C
• 5.6. Khảo sát thời gian đóng, mở công tắc S1 và S2
• 5.7. Khảo sát AFSC và PFSC
• 5.8. Khảo sát điện dung C
• 5.9. Khảo sát dòng sét tác động lên mô hình máy biến điện áp kiểu tụ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng nghiên cứu mở rộng đề tài
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài

Mô phỏng quá độ máy biến điện áp là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu và phát triển hệ thống điện. Máy biến điện áp đóng vai trò trung gian trong việc đo lường và bảo vệ hệ thống điện, đặc biệt là trong các tình huống có điện áp cao. Việc sử dụng phần mềm ATP-EMTP để mô phỏng quá trình này giúp các kỹ sư có cái nhìn sâu sắc hơn về hoạt động của thiết bị. Mục tiêu của nghiên cứu này là khảo sát quá trình quá độ của máy biến điện áp, từ đó đánh giá tình hình hoạt động của nó trong hệ thống điện. Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng điện năng mà còn giảm thiểu rủi ro xảy ra sự cố trong quá trình vận hành.

1.1 Lý do chọn đề tài

Chất lượng điện năng ở Việt Nam vẫn còn thấp so với các nước trong khu vực. Một trong những nguyên nhân chính là sự cố trong hệ thống điện. Để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện, việc đo lường và bảo vệ là rất cần thiết. Do đó, việc mô phỏng quá độ máy biến điện áp bằng phần mềm ATP-EMTP được chọn làm đề tài nghiên cứu. Mô phỏng này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của máy biến điện áp mà còn cung cấp các giải pháp hiệu quả để hạn chế sự cố và nâng cao chất lượng điện năng.

II. Các loại máy biến điện áp trong hệ thống điện

Máy biến điện áp là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, có chức năng biến đổi điện áp cao thành điện áp thấp hơn để phục vụ cho các mạch đo lường và bảo vệ. Có nhiều loại máy biến điện áp khác nhau, bao gồm máy biến điện áp một pha và ba pha. Mỗi loại máy biến điện áp có nguyên lý hoạt động và cấu tạo riêng. Việc phân loại máy biến điện áp giúp các kỹ sư lựa chọn thiết bị phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể. Đặc biệt, máy biến điện áp kiểu tụ được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điện áp cao, giúp cách ly và bảo vệ các thiết bị đo lường.

2.1 Khái niệm chung

Máy biến điện áp là thiết bị dùng để biến đổi điện áp cao xoay chiều thành điện áp thích hợp hơn cho các mạch đo lường hoặc cung cấp cho mạch bảo vệ. Cấu tạo của máy biến điện áp bao gồm cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp, được kết nối với nhau qua một lõi thép. Khi có điện áp xoay chiều đặt vào cuộn sơ cấp, từ thông sẽ sinh ra và cảm ứng ra suất điện động ở cuộn thứ cấp. Điều này cho phép máy biến điện áp hoạt động hiệu quả trong việc đo lường và bảo vệ hệ thống điện.

2.2 Nguyên lý làm việc của máy biến điện áp

Nguyên lý hoạt động của máy biến điện áp dựa trên định luật cảm ứng điện từ. Khi điện áp xoay chiều được đặt vào cuộn sơ cấp, dòng điện sẽ sinh ra từ thông trong lõi thép, từ đó tạo ra suất điện động ở cuộn thứ cấp. Suất điện động này sẽ chậm pha so với từ thông sinh ra, và tỷ số biến điện áp được xác định dựa trên điện áp giữa hai cuộn dây. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động này là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của máy biến điện áp trong hệ thống điện.

III. Lý thuyết quá độ và giới thiệu phần mềm ATP EMTP

Lý thuyết quá độ điện áp là một phần quan trọng trong việc nghiên cứu và mô phỏng hoạt động của máy biến điện áp. Phần mềm ATP-EMTP được sử dụng để mô phỏng các quá trình quá độ, giúp các kỹ sư phân tích và đánh giá tình trạng hoạt động của máy biến điện áp trong các tình huống khác nhau. Phần mềm này cho phép mô phỏng các hiện tượng như sóng quá độ, sự gián đoạn cung cấp điện, và các tác động của dòng sét lên máy biến điện áp. Việc sử dụng ATP-EMTP không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong phân tích mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực điện lực.

3.1 Giới thiệu phần mềm ATP EMTP

Phần mềm ATP-EMTP là một công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng các quá trình quá độ trong hệ thống điện. Nó cho phép người dùng xây dựng mô hình hệ thống điện phức tạp và thực hiện các phân tích chi tiết về hành vi của thiết bị trong các tình huống khác nhau. Phần mềm này cung cấp nhiều module và thư viện phong phú, giúp người dùng dễ dàng thiết lập các mô hình mô phỏng. Việc sử dụng ATP-EMTP trong nghiên cứu máy biến điện áp giúp cải thiện khả năng dự đoán và đánh giá tình trạng hoạt động của thiết bị.

IV. Mô phỏng quá độ máy biến điện áp kiểu tụ

Mô phỏng quá độ máy biến điện áp kiểu tụ là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Qua việc khảo sát các thông số như điện trở, cảm kháng và điện dung, các kỹ sư có thể đánh giá được tình trạng hoạt động của máy biến điện áp trong các tình huống khác nhau. Việc mô phỏng này giúp phát hiện các vấn đề tiềm ẩn và đưa ra các giải pháp khắc phục kịp thời. Kết quả từ các mô phỏng sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc tối ưu hóa thiết kế và vận hành máy biến điện áp trong hệ thống điện.

4.1 Khảo sát các thông số

Khảo sát các thông số của máy biến điện áp kiểu tụ là rất cần thiết để hiểu rõ hơn về hoạt động của thiết bị. Các thông số như điện trở, cảm kháng và điện dung ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tin cậy của máy biến điện áp. Việc thực hiện các mô phỏng với các giá trị khác nhau của các thông số này giúp xác định được điểm tối ưu cho hoạt động của máy biến điện áp, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

V. Kết luận

Nghiên cứu này đã chỉ ra tầm quan trọng của việc mô phỏng quá độ máy biến điện áp trong hệ thống điện. Việc sử dụng phần mềm ATP-EMTP không chỉ giúp nâng cao khả năng phân tích mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực điện lực. Kết quả từ các mô phỏng cung cấp thông tin quý giá cho việc tối ưu hóa thiết kế và vận hành máy biến điện áp, từ đó góp phần nâng cao chất lượng điện năng và giảm thiểu rủi ro xảy ra sự cố trong hệ thống điện.

5.1 Hướng nghiên cứu mở rộng

Hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình mô phỏng phức tạp hơn, bao gồm các yếu tố tác động từ môi trường và các thiết bị khác trong hệ thống điện. Việc áp dụng công nghệ mới và các phương pháp phân tích tiên tiến sẽ giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả của các mô phỏng, từ đó nâng cao khả năng quản lý và vận hành hệ thống điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống điện hiện đại, chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện là những tiêu chí then chốt quyết định hiệu quả vận hành lưới điện quốc gia. Theo thống kê kỹ thuật ngành điện, các sự cố quá độ điện từ và quá điện áp chiếm hơn 70% nguyên nhân gây hư hỏng cách điện của thiết bị cao áp. Tại Việt Nam, việc đo lường và bảo vệ ở các cấp điện áp cao từ 110 kV, 220 kV đến 765 kV đòi hỏi thiết bị trung gian chuyên dụng là máy biến điện áp nhằm giảm điện áp lưới xuống giá trị tiêu chuẩn 100 V hoặc 110 V phục vụ hệ thống đo lường và rơ-le bảo vệ.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của đề tài là khảo sát các quá trình quá độ điện từ phức tạp xảy ra bên trong máy biến điện áp, đặc biệt là máy biến điện áp kiểu tụ khi chịu tác động của đóng cắt mạch điện, ngắn mạch, dao động cộng hưởng sắt từ và sóng sét lan truyền. Các hiện tượng quá áp này có thể đạt biên độ lớn hơn 1,8 lần điện áp định mức và tốc độ tăng trưởng điện áp cực nhanh dưới 1 microgiây, đe dọa trực tiếp đến cách điện cuộn dây và thiết bị thứ cấp.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là xây dựng mô hình toán học và cấu trúc mô phỏng chính xác của máy biến điện áp kiểu tụ trên nền tảng phần mềm chuyên dụng ATP-EMTP. Nghiên cứu tập trung tính toán các thông số điện trở, độ tự cảm, hỗ cảm và điện dung phân bố của cuộn dây, từ đó khảo sát phản ứng động của thiết bị dưới nhiều chế độ tải, thời điểm đóng cắt và các mức dòng sét cực đại từ 4 kA đến 400 kA.

Đề tài được thực hiện từ ngày 21 tháng 01 năm 2013 đến ngày 21 tháng 06 năm 2013 tại Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, thuộc chuyên ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện. Giá trị thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cung cấp công cụ mô phỏng số có độ chính xác cao với sai số tính toán dưới 3%, giúp các kỹ sư quản lý vận hành lưới điện đánh giá rủi ro sự cố, nâng cao tuổi thọ thiết bị và tối ưu hóa hệ thống bảo vệ quá áp trong trạm biến áp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết trường điện từ Maxwell kết hợp lý thuyết mạch quá độ phi tuyến để phân tích cuộn dây máy biến điện áp ở dải tần số cao. Cuộn dây sơ cấp được mô hình hóa dưới dạng thông số rải gồm các phần tử điện trở, điện cảm tản, hỗ cảm giữa các vòng dây kế tiếp và điện dung ký sinh dọc cuộn dây kết hợp điện dung đối với đất.

Lý thuyết phân bố điện áp ban đầu dọc dây quấn được xác định thông qua phương trình vi phân đạo hàm bậc hai với hệ số phân bố đặc trưng. Khi sóng sét có tần số góc tương đương 2,08 nhân 10 mũ 7 rad/s tác động vào đầu cực, dung kháng của cuộn dây nhỏ hơn rất nhiều so với cảm kháng và điện trở, khiến sự phân bố điện áp ban đầu phụ thuộc hoàn toàn vào tỷ số giữa điện dung ngang toàn phần và điện dung dọc toàn phần.

Bên cạnh đó, luận văn áp dụng lý thuyết mạch tương đương Thevenin để phân tích nguyên lý làm việc của máy biến điện áp kiểu tụ, tích hợp biến áp trung gian cách ly điện áp 10 kV đến 15 kV, cuộn kháng triệt tiêu dung kháng của bộ tụ phân áp, và các bộ lọc dập cộng hưởng sắt từ chuyên dụng gồm mạch chủ động và mạch thụ động.

Năm khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm: Máy biến điện áp kiểu tụ, Quá độ xung kích, Quá độ dao động điện từ, Hiện tượng cộng hưởng sắt từ, và Hệ số suy giảm điện áp dọc cuộn dây.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp từ thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của các máy biến điện áp 110 kV và 220 kV vận hành thực tế trên hệ thống điện Việt Nam kết hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế về thử nghiệm cách điện.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết kế theo ma trận tham số toàn diện bao gồm 6 mức tải thuần trở từ 10 Ohm đến 1000 Ohm, 6 mức tải cảm từ 100 mH đến 2000 mH, 6 mức tải dung từ 1 microfarad đến 40 microfarad, cùng 5 kịch bản dòng sét xung kích có biên độ từ 4 kA, 10 kA, 100 kA, 200 kA đến 400 kA. Phương pháp chọn mẫu theo kịch bản có chủ đích giúp bao quát toàn bộ các chế độ làm việc nguy hiểm nhất của thiết bị trong thực tế.

Phương pháp phân tích số trong miền thời gian được triển khai trên phần mềm ATP-EMTP thông qua giao diện đồ họa ATPDraw kết hợp hệ thống điều khiển TACS và khối ngôn ngữ MODELS. Lý do lựa chọn ATP-EMTP là vì phần mềm này sử dụng thuật toán tích phân hình thang để giải hệ phương trình vi phân phi tuyến, mang lại độ hội tụ ổn định tuyệt đối và khả năng tái hiện chính xác các hiện tượng phi tuyến tính như bão hòa mạch từ lõi thép biến áp. Toàn bộ quy trình tính toán, thiết lập mô hình và phân tích mô phỏng được hoàn thành trong khung thời gian 5 tháng của chương trình đào tạo thạc sĩ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng quá độ trên phần mềm ATP-EMTP đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng về phản ứng điện áp đầu ra của máy biến điện áp kiểu tụ:

Thứ nhất, đặc tính tải thứ cấp ảnh hưởng mạnh mẽ đến biên độ và độ lệch pha của điện áp ngõ ra. Khi tải thuần trở tăng dần từ 10 Ohm lên 1000 Ohm, điện áp thứ cấp tăng dần từ mức sụt áp nghiêm trọng lên giá trị xác lập danh định 100 V, trong đó mức sụt áp giảm hơn 45% khi điện trở tải vượt ngưỡng 400 Ohm. Ngược lại, tải dung từ 1 microfarad đến 40 microfarad gây ra hiện tượng quá áp đầu ra với độ vọt lố biên độ lên tới 130% so với giá trị định mức ở các chu kỳ đầu tiên.

Thứ hai, tải hỗn hợp điện trở, điện cảm và điện dung với các thông số R bằng 1000 Ohm, L bằng 2000 mH và C bằng 40 microfarad làm xuất hiện quá trình dao động quá độ kéo dài trước khi đạt trạng thái ổn định, với tần số dao động tắt dần nằm trong dải tần số thấp dưới 5 kHz.

Thứ ba, sự vượt trội của mạch dập cộng hưởng sắt từ chủ động so với mạch thụ động. Kết quả khảo sát cho thấy mạch dập chủ động có khả năng triệt tiêu dao động điện áp quá độ nhanh hơn 40% về mặt thời gian xác lập, khống chế biên độ điện áp thứ cấp không vượt quá 1,1 lần trị số định mức trong thời gian dưới 0,05 giây sau sự cố đóng cắt.

Thứ tư, tác động của dòng sét xung kích có biên độ cực đại từ 4 kA đến 400 kA tạo ra điện áp xung kích đầu cực thứ cấp có biên độ tăng tỷ lệ thuận theo đường cong phi tuyến. Khi dòng sét đạt 400 kA, nếu không có bộ chống sét van ô-xít kim loại làm việc, điện áp đỉnh trên cuộn dây có thể vượt gấp 4 lần điện áp chịu đựng cách điện danh định.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng quá điện áp và dao động kéo dài trong máy biến điện áp kiểu tụ bắt nguồn từ sự tương tác phi tuyến giữa điện dung phân áp của các tầng tụ điện và độ tự cảm bão hòa của lõi thép máy biến áp trung gian. Khi xảy ra thao tác đóng cắt hoặc ngắn mạch ngoài lưới, mạch vòng dao động LC hình thành làm dịch chuyển điểm làm việc từ thông vào vùng bão hòa sâu.

Trong luận văn, toàn bộ các kết quả mô phỏng được hiển thị trực quan qua 57 đồ thị dạng sóng điện áp theo thời gian thực từ 0 giây đến 1,0 giây và được tổng hợp chi tiết trong 7 bảng số liệu so sánh tham số. Các đường cong quá độ phản ánh rõ nét dạng xung dốc đứng ở thời điểm ban đầu và quá trình suy giảm dao động theo hàm mũ.

Khi so sánh với các công bố khoa học tiêu chuẩn về biến điện áp, kết quả nghiên cứu hoàn toàn tương thích về mặt định tính lẫn định lượng. Mô hình đề xuất đã chứng minh rằng hệ số phân bố điện áp dọc cuộn dây khi lớn hơn 5 sẽ làm cho hơn 80% độ sụt áp xung kích tập trung ngay tại 15% số vòng dây đầu tiên của cuộn sơ cấp, giải thích nguyên nhân gây đánh thủng cách điện vòng dây trong các sự cố thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả mô phỏng số đã đạt được, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao độ an toàn cho hệ thống máy biến điện áp:

Thứ nhất, trang bị bắt buộc mạch dập cộng hưởng sắt từ chủ động cho 100% các máy biến điện áp kiểu tụ lắp đặt tại các trạm biến áp 110 kV và 220 kV. Mục tiêu là khống chế hiện tượng quá áp cộng hưởng dưới ngưỡng 1,1 pu và dập tắt hoàn toàn dao động trong vòng 50 mili-giây. Thời gian triển khai nâng cấp dự kiến hoàn thành trong 12 tháng, do các công ty truyền tải và phân phối điện chủ trì thực hiện.

Thứ hai, tối ưu hóa kết cấu cách điện và bổ sung màn chắn tĩnh điện cho cuộn dây sơ cấp máy biến điện áp. Các đơn vị chế tạo thiết bị điện cần tăng cường cách điện cho 20% số vòng dây đầu và cuối cuộn dây, nhằm hạ thấp hệ số phân bố điện áp xuống dưới mức 2, giảm thiểu ứng suất điện trường cục bộ ít nhất 35% khi có sóng sét xâm nhập. Lộ trình áp dụng trong 24 tháng cho các quy trình chế tạo mới.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình mô phỏng quá độ trên phần mềm ATP-EMTP trước khi đóng điện nghiệm thu trạm biến áp mới. Các trung tâm điều độ hệ thống điện cần xây dựng mô hình số của máy biến điện áp để kiểm tra khả năng phối hợp cách điện và hiệu chỉnh thông số cài đặt của rơ-le bảo vệ khoảng cách với thời gian kiểm tra định kỳ 6 tháng một lần.

Thứ tư, lắp đặt bổ sung chống sét van ô-xít kim loại có điện áp dư thấp tại thanh cái hạ áp của biến áp trung gian 10 kV đến 15 kV nhằm triệt tiêu điện áp xung sét vượt mức cho phép khi dòng sét lớn hơn 100 kA đánh vào đường dây. Giải pháp này do các ban quản lý dự án lưới điện tổ chức thực hiện trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang tính ứng dụng chuyên sâu và là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư vận hành và bảo trì trạm biến áp tại các công ty truyền tải và phân phối điện. Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu phân tích dạng sóng điện áp quá độ, giúp nhận diện sớm các nguy cơ bão hòa từ và cộng hưởng sắt từ trong quá trình đóng cắt tụ bù hoặc đường dây dài không tải.

Nhóm thứ hai là các chuyên viên phân tích phương thức và cài đặt rơ-le bảo vệ hệ thống điện. Luận văn giúp đánh giá chính xác sai số góc và sai số biên độ của máy biến điện áp trong chế độ quá độ, từ đó tối ưu hóa thông số chỉnh định cho rơ-le số nhằm ngăn ngừa tình trạng bảo vệ tác động sai khi xảy ra sự cố thoáng qua.

Nhóm thứ ba là các kỹ sư thiết kế và chế tạo thiết bị đo lường cao áp tại các nhà máy sản xuất thiết bị điện lực. Bản nghiên cứu cung cấp thuật toán chi tiết để tính toán hỗ cảm, tự cảm và phương pháp hiệu chỉnh số vòng dây cuộn sơ cấp nhằm bù sai số điện áp về mức dưới 0,5%.

Nhóm thứ tư là giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện tại các trường đại học kỹ thuật. Đây là tài liệu giảng dạy và học tập trực quan về cách ứng dụng phần mềm ATP-EMTP, khai thác các module TACS và MODELS trong phân tích điện từ nâng cao.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Máy biến điện áp kiểu tụ có ưu điểm gì vượt trội so với máy biến điện áp cảm ứng điện từ truyền thống ở cấp điện áp từ 110 kV trở lên?

Trả lời: Ở cấp điện áp cao từ 110 kV đến 765 kV, máy biến điện áp kiểu tụ có chi phí chế tạo thấp hơn đáng kể so với biến áp cảm ứng nhờ tận dụng bộ tụ phân áp để giảm kích thước cách điện dầu. Ngoài ra, bộ tụ phân áp của thiết bị còn có thể kết hợp làm tụ liên lạc phục vụ truyền thông tín hiệu tần số cao trên đường dây tải điện.

Câu hỏi 2: Tại sao hiện tượng cộng hưởng sắt từ lại dễ xuất hiện trong máy biến điện áp kiểu tụ khi xảy ra sự cố đóng cắt?

Trả lời: Hiện tượng này xuất hiện do sự kết hợp giữa điện dung của bộ phân áp với độ tự cảm phi tuyến của lõi thép biến áp trung gian. Khi xảy ra xung điện áp đột ngột, lõi thép bị đẩy vào vùng bão hòa từ, làm thay đổi điện cảm và kích hoạt mạch dao động cộng hưởng ở tần số cơ bản 50 Hz hoặc các sóng hài bậc lẻ, gây quá áp kéo dài trên 1,5 pu.

Câu hỏi 3: Bộ dập cộng hưởng chủ động và thụ động khác nhau như thế nào về hiệu quả làm việc?

Trả lời: Mạch dập thụ động sử dụng các phần tử điện trở và cuộn cảm cố định mắc song song ở thứ cấp nên có tốc độ dập tắt dao động chậm hơn và gây tổn hao năng lượng liên tục. Mạch dập chủ động sử dụng khóa bán dẫn hoặc mạch điều khiển điện tử chỉ kích hoạt tải tiêu tán khi phát hiện quá áp, giúp triệt tiêu cộng hưởng trong dưới 0,05 giây và giảm tổn hao công suất tới 30%.

Câu hỏi 4: Khi dòng sét biên độ lớn từ 100 kA đến 400 kA xâm nhập vào máy biến điện áp, mối nguy hiểm lớn nhất là gì?

Trả lời: Dòng sét có sườn trước cực dốc từ 1 microgiây đến 1,2 microgiây tạo ra tần số tương đương hàng chục megahertz. Do dung kháng dọc nhỏ, toàn bộ điện áp đỉnh hàng triệu vôn sẽ phân bố không đều và tập trung chủ yếu vào các vòng dây đầu tiên của cuộn sơ cấp, gây phóng điện chọc thủng cách điện vòng dây và làm nổ thiết bị nếu không có chống sét van bảo vệ.

Câu hỏi 5: Làm thế nào để nhập chính xác thông số cuộn dây máy biến áp vào phần mềm ATP-EMTP?

Trả lời: Người dùng cần sử dụng module BCTRAN hoặc xây dựng mạch tương đương RLC từ các phương trình Maxwell. Các giá trị điện trở ngắn mạch, điện kháng tản và điện dung phân bố được tính toán theo kích thước hình học của cuộn dây, sau đó khai báo vào thẻ cấu hình linh kiện trong ATPDraw kèm đường cong từ hóa phi tuyến của vật liệu chế tạo lõi thép.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công mô hình toán học và cấu trúc mô phỏng số chi tiết cho máy biến điện áp kiểu tụ một pha và ba pha trên phần mềm chuyên dụng ATP-EMTP.
• Xác định rõ quy luật suy giảm chất lượng điện áp ngõ ra dưới các dạng tải thuần trở, tải cảm, tải dung và tải hỗn hợp với độ chính xác cao.
• Chứng minh tính hiệu quả vượt bậc của bộ dập cộng hưởng sắt từ chủ động trong việc ổn định điện áp thứ cấp và bảo vệ an toàn cho thiết bị đo lường trong thời gian dưới 50 mili-giây.
• Phân tích toàn diện mức độ phân bố điện áp không đều và nguy cơ phá hủy cách điện do dòng sét xung kích có biên độ từ 4 kA đến 400 kA gây ra.
• Đề xuất lộ trình 6 đến 12 tháng tiếp theo để phát triển mô hình mô phỏng thời gian thực kết nối phần cứng trong vòng lặp phục vụ tự động hóa trạm biến áp thông minh.

Các đơn vị truyền tải điện, nhà máy sản xuất thiết bị và viện nghiên cứu chuyên ngành điện lực nên ứng dụng ngay mô hình mô phỏng ATP-EMTP này vào quy trình thẩm tra thiết kế và phân tích sự cố để tối ưu hóa chi phí vận hành lưới điện quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan về đề tài Khảo sát quá trình quá độ điện áp khi bị ảnh hưởng bởi dòng sét tác động lên máy biến điện áp. Đánh giá trạng thái của máy biến điện áp.4 Giá trị thực tiễn của luận văn Nghiên cứu việc sử dụng phan mềm ATP-EMTP vào phân tích quá trình qua độ máy biến điện áp. Khả năng áp dụng vào thực tế nhanh, chính xác cao nhăm đánh giá tình hình vận hành của hệ thống điện dé giảm rủi ro xảy ra sự cố, tăng chất lượng điện năng. Mở ra hướng mới cho việc phân tích qua độ điện áp, ứng dụng rộng rãi vào các thiết bị điện lực, giúp nâng cao khả năng quản lý và vận hành hệ thống điện tốt hơn.

Chương 2 Các loại MBĐA trong hệ thống điện Chương 2 CÁC LOẠI MAY BIEN ĐIỆN ÁP TRONG HE THONG ĐIỆN 2.1 Khái niệm chung Máy biến điện áp là thiết bị dùng để biến đổi điện áp cao xoay chiều thành điện áp thích hợp hơn cho các mạch đo lường hoặc cung cấp cho mạch bảo vệ.1 trình bày sơ đồ dau dây của máy biến điện áp một pha. Cuộn dây sơ cấp nối với phía điện áp cao qua cau chì bảo vệ cao áp. Cuộn dây thứ cấp cấp nguồn cho các thiết bị đo lường và bảo vệ qua cau chi bảo vệ ha ap. Để an toàn một đầu cuộn hạ áp và lõi thép của máy biên điện áp được nôi đât.1: Sơ đồ đầu day của máy biến điện áp một pha 2.2 Nguyên lý làm việc của máy biến điện áp Ta xét sơ đồ như hình 2.2 Dây quan sơ cấp có W, vòng dây và dây quan thứ cấp có W; vòng dây đều được quan trên cùng một lõi thép.

Khi đặt một điện áp xoay chiều u¡ vào dây quan sơ cấp trong đó sẽ có dòng điện i). Trong lõi thép sẽ sinh ra từ thông ® móc vòng với cả hai dây quân, cảm ứng ra các suất điện động e¡ và e;. Dây quấn thứ cấp có suất điện động sẽ sinh ra dòng điện 1; đưa ra tai với điện áp là up. Gia sử điện ap xoay chiều đặt vào là một hàm số sin, thì từ thông do nó sinh ra cũng là một hàm số hình sin: œ = ®„sInotf (2.1) Chương 2 Các loại MBĐA trong hệ thống điện a ái iẢÝẢ.2: Sơ đồ nguyên ly của máy biến điện áp một pha Do đó theo định luật cảm ứng điện từ suất điện động cảm ứng trong các dây quân sẽ là: e, = 9, P=, d®, Satsinat 00, cose > = /2E sin ot-= snot) > (2.2) dD đ® „ sinat C; EM = Wz = WP, COST = /2E, sin(ot— 2) Trong đó: By =e .3) w,® 2 œ 2 2 Là gia trị hiệu dung của các suât điện động dây quân thứ cap và so cap, các biểu thức (2.2) cho thay suất điện động cảm ứng trong dây quan chậm pha so với từ thông sinh ra nó một góc 2 Dựa vào biểu thức (2.3) người ta định nghĩa tý số biến điện áp của máy biến điện áp như sau: kat = (2.4) Chương 2 Các loại MBĐA trong hệ thống điện Nếu không ké đến điện áp rơi trên các dây quan thi có thé coi U, x E,,U, x E, do đó k được xem như ty số điện áp giữa hai dây quan FU E.3 Phân loại và các kiểu máy biến điện áp 2.1 Phan loại Máy biến điện áp được phân thành các loại sau: e_ Theo số pha: có hai loại - Máy biến điện áp một pha.

- Máy biến điện áp ba pha. e Theo số dây quân: có hai loại - Loại 2 dây quấn. - Loại 3 dây quấn. e Theo phương thức làm mát - Máy biến điện áp dau.

- Máy biến điện áp khô (không khi).2 Giới thiệu một số loại máy biến điện áp Trong hệ thống điện hiện nay có thể có 3 loại máy biến điện áp: - Loại cảm ứng điện từ - Loại tụ điện phân áp - Các máy biến điện áp kiểu mới 2.1 Máy biến điện áp kiểu cảm ứng điện từ Máy biến điện áp có thể được chế tạo 3 pha (thường cho cấp điện áp U<35kV) hiệu chỉnh một pha (cho U >66 kV), với một hiệu chỉnh hai cuộn dây thứ cấp. Tùy theo điện áp cân thiết ở phía thứ cấp ta có thé sử dụng các loại máy biến điện áp khác nhau, đâu nói theo những sơ đồ khác nhau.3 sử dụng 3 máy biến điện áp một pha, hai cuộn dây. Các máy biến điện áp một pha hai dây quấn đến 35kV có thể được nối thành to máy biến điện áp ba pha theo sơ đồ Yo-Yo có trung tính của sơ cấp và thứ cap nối dat hình 2. Chương 2 Các loại MBĐA trong hệ thống điện \ Vv b vy © —_—— Hình 2.3: Sơ đồ Yo-Yo có trung tinh cua sơ cấp và thứ cấp nỗi đất Sơ đồ tam giác hở gồm 2 máy biến điện áp một pha nối với hệ thống ba pha như hình 2.

Khác với sơ đồ tam giác, đồ thị vectơ của sơ đồ tam giác hở chỉ là 2 cạnh của tam giác déu. Đặc điểm của sơ dé nay là khi tải của ba pha đối xứng, công suất của cả hai máy biến điện áp băng công suất của một máy biến điện áp nhân với V3. Tức là nhỏ hơn 13% so với tổng công suất của chúng. C B A lÏ [Ï lÏ A A7 NA ©) 0, 0, ©) © An —_—_ /YÝ*XN` WVXY^ [ : lÌ yO | VOW | | Hình 2.4: Sơ đồ tam giác hở gom 2 máy biến điện áp một pha Quá trình quá độ trong máy biến điện áp kiểu cảm ứng điện từ, từ thông không có ảnh hưởng gi lớn đến sự làm việc của thiết bi bảo vệ.

Thành phan một chiều của điện áp quá độ cũng được phản anh dé dàng sang phía thứ cấp, hài bậc cao cũng vậy. Trong một số trường hợp có thể xảy ra cộng hưởng nếu tần số của hài bậc cao trùng với tần số cộng hưởng của máy biến điện áp. Khả năng cộng hưởng sẽ được giảm thấp nếu phụ tải phía thứ cấp là điện trở tác dụng, hiệu chỉnh ton hao công suất phía thứ cap khá lớn. Chương 2 Các loại MBĐA trong hệ thống điện 2.2 Máy biến điện áp kiểu tụ Đối với hệ thông điện áp cao đến 765kV, cũng có thé sử dụng máy biến điện áp làm việc theo nguyên lý phân áp điện dung.

Máy biến điện áp kiểu tụ có thể được nối với các dụng cụ đo lường thông thường va role bảo vệ. Chúng cũng có thé được dùng mục dich đo đếm tiền điện.1 Mô tả và cau tạo Các máy biến điện áp phía 110kV và 220 kV là loại máy biến điện áp rời (03 pha riêng biệt). Mỗi pha có dạng hình trụ, được đặt trên giá đỡ băng kim loại riêng và giá đỡ được nối đất. Máy biến điện áp kiểu tụ (CVT) là một thiết bị có tác dụng cách ly phan so cấp với thứ cấp, nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới từ tri SỐ cao xuống trị số thấp, cung cấp cho các thiết bị đo lường, bảo vệ, tự động hóa.

Máy biến điện áp kiểu tụ có cầu tạo gồm 01 hoặc 02 tang sứ (tùy theo cấp điện áp) được đặt trên một hộp đáy băng nhôm đồ đây dầu cách điện. Bên trong hộp đáy gdm có các thiết bị như máy biến áp trung gian, cuộn kháng và các thiết bị phụ khác. Ngoài ra, còn có hộp đấu nói thứ cấp đề lây tín hiệu điện áp cung cấp cho các thiết bị đo lường, bảo vệ. Đầu nối sơ cấp m~G\BWŒNMI©.

Su cách ly. Ông xếp giản nở. Đầu nối cao tân. Biển áp trung gian.

Phụ kiện cao tân. Các cuộn kháng điện. Bộ phận hiển thị mức dau 10. Điểm nói dat vỏ 11.

Hộp nới thứ cấp Hình 2.5: Các bộ phận chỉ tiết của máy bién điện áp kiểu tu Chương 2 Các loại MBĐA trong hệ thống điện 2.2 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp kiểu tụ 1. Đầu nối sơ cấp 6. Bộ lọc sóng hài 2,3. Hộp nôi thứ câp 4.

Đâu noi cao tân 8. Các cuộn kháng điện 5. Biên áp trung gian 9. Cân nôi dat TY El == | | jf < L + L 1 4 L i vã —> —¬ + ,v etch F ` <> Hình 2.6: Sơ đồ nguyên ly máy biến điện áp kiểu tu Các bảng tụ điện mặc nối tiếp với nhau và đâu trực tiếp vào lưới điện, đầu còn lại được nối đất.

Các bộ tụ điện này có nhiệm vụ phân áp, hạ điện áp lưới xuống khoảng 10 kV- 15kV cấp cho máy biến áp trung gian. Máy biến áp trung gian là loại máy biến áp cách ly có tác dụng biến điện áp đã được phân áp sang tín hiệu điện áp thấp, đưa ra hộp đâu nối đặt bên dưới chân dé của máy biên điện áp. T xy ca Ve x2 x3 Hình 2.7: Mạch tương đương Thevenin của máy biến điện áp kiểu tụ Chương 2 Các loại MBĐA trong hệ thống điện Cuộn kháng điện (có điện kháng X,) đấu nối tiếp với sơ cấp của máy biến áp trung gian có tác dụng triệt dung kháng Xe: của tụ điện. Vi vậy, tín hiệu thứ cấp và sơ cap của máy biến điện áp sẽ có cùng pha với nhau.

Trong thực tế, cuộn kháng và cuộn sơ cấp của biến áp trung gian được sản xuất theo từng nắc đề có thé điều chỉnh tỷ số biến áp và góc pha. Công việc này đã được thực hiện ở tại nhà máy và không cần phải thay đối. Bộ lọc sóng hài có tác dụng chống cộng hưởng sắt từ. Ngoài ra phía thứ cấp của máy biến áp trung gian còn được gắn bộ lọc sóng hài và bộ chống cộng hưởng sắt từ.

Tất cả các bộ phận trên đều được ngâm trong dầu cách điện. Bên ngoài phân đế máy biến điện áp có lắp đặt một mặt kính cho phép quan sát tình trạng dầu bên trong.3 Máy biến điện áp kiểu mới 2.1 Máy biến điện áp phân áp kiểu tụ điện có khuếch đại Loại máy biến điện áp kiểu này tránh được hiện tượng cộng hưởng sắt từ vì không sử dụng máy biến áp điện từ sau khi phân áp mà dùng bộ khuếch đại. Sơ dé nguyên lý của loại nay ở hinh 2.8 điện áp sơ cấp U, được bộ tụ phân áp giảm xuống = U ` > Á ^ 7 ` = ` aS ` 2 ^ gtA A. tri SÔ xe , Ky là tỷ sô phân áp và đặt vào dau vào cua bộ tiên khuéch đại 1.

tì n Dây dẫn Us | Uy HIF} 4 Hình 2.