Luận Văn Thạc Sĩ Về Phân Tích Quá Độ Trong Hệ Thống Điện Sử Dụng Phần Mềm Mô Phỏng

Khám phá luận văn thạc sĩ về kỹ thuật điện, phân tích quá độ trong hệ thống điện với phần mềm mô phỏng atpemtp lý thuyết và thực tế.

• Tác giả: Tiêu Thảo Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Phan Tú
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Phân Tích Quá Độ Trong Hệ Thống Điện Bằng Phần Mềm Mô Phỏng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân tích quá độ hệ thống điện bằng phần mềm mô phỏng

Phân tích quá độ trong hệ thống điện là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điện. Nó giúp hiểu rõ hơn về các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như ATP-EMTP đã trở thành một công cụ hữu ích trong việc nghiên cứu và phân tích các hiện tượng này. Phần mềm này cho phép mô phỏng các tình huống khác nhau, từ ngắn mạch đến các hiện tượng do sét đánh, giúp các kỹ sư có cái nhìn sâu sắc hơn về hệ thống điện.

1.1. Khái niệm về quá độ trong hệ thống điện

Quá độ là hiện tượng xảy ra khi có sự thay đổi đột ngột trong hệ thống điện, gây ra biến động lớn về điện áp và dòng điện. Hiện tượng này có thể ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng.

1.2. Tầm quan trọng của phần mềm mô phỏng ATP EMTP

ATP-EMTP là phần mềm mô phỏng mạnh mẽ, giúp phân tích các hiện tượng quá độ trong hệ thống điện. Phần mềm này cho phép mô phỏng nhanh chóng và chính xác, từ đó hỗ trợ các kỹ sư trong việc thiết kế và vận hành hệ thống điện.

II. Vấn đề và thách thức trong phân tích quá độ hệ thống điện

Phân tích quá độ trong hệ thống điện gặp nhiều thách thức, bao gồm việc xác định các yếu tố gây ra quá độ và ảnh hưởng của chúng đến hệ thống. Các hiện tượng như ngắn mạch, sét đánh, và các tác động từ môi trường đều có thể gây ra những biến động lớn trong hệ thống điện. Việc hiểu rõ các vấn đề này là rất cần thiết để đảm bảo sự ổn định và an toàn cho hệ thống.

2.1. Nguyên nhân gây ra quá độ trong hệ thống điện

Các nguyên nhân chính gây ra quá độ bao gồm sự cố ngắn mạch, thao tác đóng cắt, và tác động từ môi trường như sét. Những yếu tố này có thể gây ra biến động lớn về điện áp và dòng điện.

2.2. Hậu quả của quá độ đối với thiết bị điện

Quá độ có thể gây hư hỏng cho các thiết bị điện, làm giảm tuổi thọ và hiệu suất hoạt động. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng điện năng mà còn gây thiệt hại kinh tế cho các nhà cung cấp điện.

III. Phương pháp mô phỏng quá độ bằng phần mềm ATP EMTP

Phần mềm ATP-EMTP cung cấp nhiều phương pháp mô phỏng khác nhau để phân tích quá độ trong hệ thống điện. Các phương pháp này cho phép người dùng mô phỏng các tình huống khác nhau, từ ngắn mạch đến các hiện tượng do sét đánh. Việc sử dụng phần mềm này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu.

3.1. Mô phỏng ngắn mạch trong hệ thống điện

Mô phỏng ngắn mạch là một trong những ứng dụng chính của ATP-EMTP. Phần mềm cho phép mô phỏng các tình huống ngắn mạch khác nhau, từ đó phân tích ảnh hưởng của chúng đến hệ thống điện.

3.2. Mô phỏng quá độ do sét đánh

Mô phỏng quá độ do sét đánh giúp hiểu rõ hơn về cách mà sét ảnh hưởng đến hệ thống điện. ATP-EMTP cung cấp các công cụ để mô phỏng và phân tích các hiện tượng này một cách chính xác.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phần mềm ATP EMTP trong phân tích quá độ

Phần mềm ATP-EMTP đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều dự án nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực điện. Các kỹ sư sử dụng phần mềm này để mô phỏng và phân tích các hiện tượng quá độ, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho hệ thống điện. Việc ứng dụng phần mềm này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả công việc mà còn đảm bảo an toàn cho hệ thống.

4.1. Nghiên cứu và phát triển hệ thống điện

ATP-EMTP được sử dụng trong nghiên cứu và phát triển các hệ thống điện mới, giúp các kỹ sư đánh giá hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống trước khi triển khai thực tế.

4.2. Đánh giá chất lượng điện năng

Phần mềm cũng được sử dụng để đánh giá chất lượng điện năng trong các hệ thống điện, từ đó đưa ra các biện pháp cải thiện chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng.

V. Kết luận và tương lai của phân tích quá độ hệ thống điện

Phân tích quá độ trong hệ thống điện là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết trong ngành điện. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như ATP-EMTP đã giúp nâng cao hiệu quả trong việc nghiên cứu và phân tích các hiện tượng quá độ. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ và phần mềm.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ mô phỏng

Công nghệ mô phỏng đang phát triển nhanh chóng, với nhiều tính năng mới được tích hợp vào phần mềm. Điều này sẽ giúp nâng cao khả năng phân tích và mô phỏng quá độ trong hệ thống điện.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong lĩnh vực điện

Nghiên cứu trong lĩnh vực điện sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng điện năng và đảm bảo an toàn cho hệ thống điện. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về quá độ Hình 1. 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. 𝑒 −2𝜋𝑓𝑡𝑅/𝑋 Từ công thức trên cho thấy 𝑖𝑑𝑐 phụ thuộc vào tỉ lệ R/X, dòng ngắn mạch siêu quá độ ban đầu Ik”, tần số, thời gian. Trong đó, R, X là phần thực và ảo của tổng 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. 𝐼𝑎𝑐0+ 𝐼𝑘 ′′ = √2 - Dòng ngắn mạch xung kích (Ip): được xác định bởi giá trị tức thời lớn nhất của dòng điện ngắn mạch.98𝑒 −𝑅/𝑋 Trang 19 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Chương 1: Tổng quan về quá độ Như vậy, giá trị Ip phụ thuộc vào hệ số k và Ik”, mà k lại phụ thuộc vào tỉ lệ R/X. Những máy cắt thông thường sẽ không đủ nhanh để loại trừ dòng điện này và cho nên thiết bị này được thiết kế để chịu được dòng điện ngắn mạch Ip. - Dòng ngắn mạch xác lập (Ik): là giá trị của dòng điện ngắn mạch sau khi xảy ra quá trình quá độ.

𝐼𝑟𝐺 Trong đó 𝜆𝑚𝑎𝑥 là hệ số được tra từ đồ thị của nguồn ngắn mạch xác lập. Khi có sự cố xa máy phát 𝐼𝑘 = 𝐼𝑘 ". - Dòng cắt ngắn mạch (Ib): Khi ngắn mạch xa máy phát, dòng điện ngắn mạch Ib là được giả định bằng Ik” (𝐼𝑏 = 𝐼𝑘" ). Khi ngắn mạch gần máy phát, dòng cắt ngắn mạch được xác định: + Đối với máy điện đồng bộ: 𝐼𝑏 = µ𝐼𝑘" + Đối với máy điện không đồng bộ: 𝐼𝑏 = µ𝑞𝐼𝑘" Trong đó: 𝐼𝑘"  µ= với IrG là dòng định mức của máy điện đồng bộ.

𝐼𝑟𝐺 𝑃𝑟𝑀  𝑞= với p là số cặp cực, PrM là công suất tác dụng định mức của 𝑝 máy điện không đồng bộ. - 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. Nguyên nhân và hậu quả của ngắn mạch 1.

Nguyên nhân của ngắn mạch: Nguyên nhân chung và chủ yếu của ngắn mạch là do cách điện của các thiết bị bị hỏng, có thể là do thiết bị già cỗi, hư hỏng; xuất hiện điện trường mạnh làm phóng điện chọc thủng vỏ cách điện; chịu tác động vật lý bên ngoài, tác động của môi trường, nhiệt độ; bị sét đánh gây phóng điện, tạo ra hồ quang điện giữa các dây dẫn; do thao tác nhầm lẫn;… Trang 20 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Chương 1: Tổng quan về quá độ 1. 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. 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 - Tính toán hiệu chỉnh các thiết bị bảo vệ rơle, tự động cắt phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống - Lựa chọn sơ đồ thích hợp làm giảm dòng ngắn mạch - Lựa chọn thiết bị làm giảm dòng ngắn mạch như: kháng điện, MBA, nhiều cuộn dây - Nghiên cứu các hiện tượng khác về chế độ hệ thống như quá trình quá độ điện cơ: phân tích ổn định, quá độ điện từ: phân tích hiện tượng cộng hưởng, quá điện áp Những bài toán liên quan đến tính toán dòng điện ngắn mạch: - Lựa chọn sơ đồ mạng cung cấp điện, nhà máy điện - Lựa chọn thiết bị và dây dẫn Trang 21 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Chương 1: Tổng quan về quá độ - Thiết kế chỉnh định rơle - Tính toán quá điện áp trong hệ thống điện - Tính toán nối đất - Tính toán ảnh hưởng nhiễu các đường dây thông tin - Nghiên cứu ổn định hệ thống 1.

Giả thiết cơ bản Những giả thuyết cơ bản nhằm để đơn giản hóa và làm giảm khối lượng tính toán trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết. Sau đây là những là các giả thuyết cơ bản liên quan đến việc thiết lập sơ đồ tính toán ngắn mạch: - Tần số của hệ thống không thay đổi + Giả thuyết này không mắc sai số nhiều và làm đơn giản đáng kể phép tính. + Các điện kháng sẽ có giá trị không đổi + Ngắn mạch chỉ được tính toán trong giai đoạn đầu nên sự thay đổi tốc độ quay của máy phát trong quá trình quá độ chưa đáng kể - Bỏ qua bão hòa từ: Bình thường lõi thép của nhiều thiết bị điện làm việc ở trạng thái gần bão hòa. Trong trạng thái ngắn mạch mức độ bão hòa từ có thể tăng cao hơn.

Tuy nhiên để đơn giản có thể coi mạch từ không bão hòa, khi đó điện cảm của phần tử là hằng số và mạch điện là tuyến tính - Thay phụ tải bằng tổng trở hằng: Khi thay thế bằng tổng trở hằng đặc tính tiêu thụ công suất của phụ tải không còn phù hợp. Tuy nhiên, sai số mắc phải nằm trong phạm vi cho phép - Bỏ qua các lượng nhỏ trong thông số của một số phần tử + Bỏ qua dung dẫn ký sinh của các đường dây điện áp thấp + Bỏ qua mạch không tải của các máy biến áp + Bỏ qua điện trở của cuộn dây máy phát điện, máy biến áp và đường dây - Hệ thống nguồn ba pha là đối xứng: Khi ngắn mạch không đối xứng, phản ứng phần ứng của các pha lên từ trường quay không giống nhau. Tuy nhiên, từ trường vẫn được giả thuyết quay đều với tốc độ không đổi. Khi đó sức điện động ba pha luôn đối xứng - Các phương pháp tính toán ngắn mạch + Tính chính xác trong hệ đơn vị có tên Trang 22 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Chương 1: Tổng quan về quá độ + Phương pháp phần trăm + Tính toán trong hệ đơn vị tương đối (trong luận văn chỉ đề cập đến phương pháp này) 1.

Quá độ do đóng cắt đường dây, tụ 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.

Phân loại Theo điều kiện làm việc của cách điện có thể chia quá điện áp nội bộ thành 2 nhóm chính như sau: 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 sau: - Quá điện áp khi cắt phụ tải điện dung như đường dây dài không tải, cắt bộ tụ bù. - Quá điện áp khi đóng đường dây dài, đặc biệt là các máy cắt có bộ phận tự đóng lại. - Quá điện áp khi cắt những dòng điện cảm nhỏ, đặc biệt khi cắt máy biến áp không tải, động cơ không đồng bộ và máy bù.

- Quá điện áp khi chạm đất bằng hồ quang không ổn định trong lưới có trung tính cách điện, trung tính nối đất cộng hưởng. Trang 23 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Chương 1: Tổng quan về quá độ 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).