Tính Toán Ngắn Mạch Ba Pha Mô Phỏng Bằng Phần Mềm Power World

Chuyên khảo toán học phân tích Tính toán ngắn mạch ba pha và mô phỏng bằng phần mềm power world, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Thoại Uy
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Khấn
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật – Công Nghệ Cần Thơ
• Chuyên ngành: Điện – Điện Tử – Viễn Thông
• Đề tài: Tính Toán Ngắn Mạch Ba Pha Bằng Phần Mềm Power World
• Loại tài liệu: Đồ Án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tính toán ngắn mạch dùng ma trận tổng trở thanh cái (nút)
• 2.1.1. Khái niệm chung ngắn mạch
• 2.1.2. Tính toán ngắn mạch dùng ma trận tổng trở thanh cái
• 2.2. Ma trận tổng dẫn và ma trận tổng trở nút
• 2.2.1. Phương pháp xây dựng ma trận tổng trở nút từ ma trận tổng dẫn nút
• 2.2.2. Giảm số phần tử của ma trận tổng dẫn nút (phương pháp Kron)
• 2.2.3. Các phương pháp xây dựng trực tiếp ma trận tổng trở nút
• 2.2.4. Tính toán ma trận tổng trở trực tiếp từ ma trận tổng dẫn
• 3. CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH BA PHA CHO BỐN NÚT THỐT NỐT – CHÂU ĐỐC – KIÊN BÌNH – RẠCH GIÁ
• 3.1. Tính toán ngắn mạch ba pha dựa trên cơ sở lý thuyết
• 3.1.1. Giới thiệu bốn nút
• 3.1.2. Tổng trở đường dây ở các nút
• 3.1.3. Ma trận tổng dẫn
• 3.1.4. Ma trận tổng trở
• 3.1.5. Tính toán ngắn mạch ba pha cho các nút
• 3.1.6. Tổng hợp các số liệu tính toán lý thuyết vào bảng
• 3.2. Tính toán ngắn mạch bằng phần mềm Power World Simulator
• 3.2.1. Vẽ dây và nhập thông số đường dây
• 3.2.2. Vẽ máy phát và nhập thông số máy phát
• 3.2.3. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm
• 3.2.4. Tổng hợp lại kết quả mô phỏng vào bảng
• 3.2.5. So sánh kết quả mô phỏng với tính toán lý thuyết
• 3.2.6. Kết luận tính toán
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Tính Toán Ngắn Mạch Ba Pha Bằng Phần Mềm Power World

Tính toán ngắn mạch ba pha là một phần quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống điện. Việc sử dụng phần mềm Power World giúp mô phỏng và phân tích các tình huống ngắn mạch một cách hiệu quả. Phần mềm này cung cấp giao diện thân thiện và các công cụ mạnh mẽ để thực hiện các phép tính phức tạp, từ đó hỗ trợ kỹ sư trong việc đưa ra các quyết định thiết kế hợp lý.

1.1. Khái Niệm Về Ngắn Mạch Trong Hệ Thống Điện

Ngắn mạch là sự cố xảy ra khi có sự chạm chập giữa các pha hoặc giữa pha với đất. Điều này dẫn đến dòng điện ngắn mạch tăng cao, gây ra các tác động tiêu cực đến thiết bị điện và an toàn hệ thống.

1.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Phần Mềm Power World

Phần mềm Power World cho phép mô phỏng các tình huống ngắn mạch một cách chính xác, giúp kỹ sư dễ dàng phân tích và đưa ra các giải pháp tối ưu cho hệ thống điện.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Tính Toán Ngắn Mạch

Tính toán ngắn mạch ba pha gặp nhiều thách thức, bao gồm việc xác định chính xác các thông số của hệ thống điện và mô hình hóa các tình huống ngắn mạch. Các yếu tố như vị trí ngắn mạch, loại thiết bị và điều kiện hoạt động đều ảnh hưởng đến kết quả tính toán.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Tính Toán Ngắn Mạch

Các yếu tố như tổng trở của các thiết bị, cấu trúc mạng điện và điều kiện môi trường có thể làm thay đổi kết quả tính toán ngắn mạch.

2.2. Hệ Thống Điện Và Các Tình Huống Ngắn Mạch Khác Nhau

Mỗi hệ thống điện có cấu trúc và đặc điểm riêng, do đó các tình huống ngắn mạch cũng khác nhau, yêu cầu kỹ sư phải có kiến thức sâu rộng để xử lý.

III. Phương Pháp Tính Toán Ngắn Mạch Bằng Power World

Phần mềm Power World cung cấp nhiều phương pháp để tính toán ngắn mạch, bao gồm việc sử dụng ma trận tổng trở và mô phỏng các tình huống khác nhau. Việc áp dụng các phương pháp này giúp tối ưu hóa thiết kế và bảo vệ hệ thống điện.

3.1. Sử Dụng Ma Trận Tổng Trở Để Tính Toán

Ma trận tổng trở giúp xác định dòng điện và điện áp tại các nút trong hệ thống khi xảy ra ngắn mạch, từ đó đưa ra các giải pháp bảo vệ hiệu quả.

3.2. Mô Phỏng Tình Huống Ngắn Mạch Trong Power World

Mô phỏng tình huống ngắn mạch trong Power World cho phép người dùng quan sát và phân tích các tác động của ngắn mạch đến toàn bộ hệ thống điện.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Tính Toán Ngắn Mạch

Kết quả từ việc tính toán ngắn mạch có thể được áp dụng trong thực tế để cải thiện thiết kế hệ thống điện và đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Việc lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp là rất quan trọng để giảm thiểu rủi ro.

4.1. Lựa Chọn Thiết Bị Bảo Vệ Dựa Trên Kết Quả Tính Toán

Kết quả tính toán ngắn mạch giúp kỹ sư lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp, đảm bảo an toàn cho hệ thống điện trong trường hợp xảy ra sự cố.

4.2. Cải Thiện Thiết Kế Hệ Thống Điện

Việc áp dụng các kết quả từ tính toán ngắn mạch giúp cải thiện thiết kế hệ thống điện, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

V. Kết Luận Về Tính Toán Ngắn Mạch Ba Pha

Tính toán ngắn mạch ba pha bằng phần mềm Power World là một công cụ hữu ích cho các kỹ sư điện. Việc hiểu rõ về ngắn mạch và áp dụng các phương pháp tính toán chính xác sẽ giúp nâng cao hiệu quả và an toàn cho hệ thống điện.

5.1. Tương Lai Của Tính Toán Ngắn Mạch

Với sự phát triển của công nghệ, các phần mềm tính toán ngắn mạch sẽ ngày càng hoàn thiện, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong thiết kế hệ thống điện.

5.2. Khuyến Nghị Cho Nghiên Cứu Tiếp Theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp tính toán mới, đồng thời áp dụng các công nghệ tiên tiến để cải thiện khả năng mô phỏng và phân tích ngắn mạch.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc thực hiện thông qua việc tổng hợp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm khoa học trên mô hình toán đã đƣợc giảng viên hƣớng dẫn. Ứng dụng các tính toán trên cơ sở lý thuyết và mô phỏng lại trên PowerWorld Simulator để đƣa ra nhận xét cơ sở học thuật so với phần mềm đƣợc ứng dụng. Nguyễn Thoại Uy 2 CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tính toán ngắn mạch dùng ma trận tổng trở thanh cái (nút) 2.

Khái niệm chung ngắn mạch Ngắn mạch là một loại sự cố xảy ra trong hệ thống điện do hiện tƣợng chạm chập giữa các pha không thuộc chế độ làm việc bình thƣờng. Các dạng ngắn mạch trong hệ thống điện: - Ngắn mạch 3 pha. - Ngắn mạch 2 pha. - Ngắn mạch 2 pha chạm đất.

- Ngắn mạch 1 pha cham đất.1 Bảng ký hiệu ngắn mạch 2. Tính toán ngắn mạch dùng ma trận tổng trở thanh cái Bằng việc sử dụng các phần tử ma trận tổng trở thnah cái (nút), dòng sự cố cũng nhƣ giá trị điện áp nút khi sự cố sẽ đƣợc tính toán một cách dễ dàng và tiện lợi hơn. Nguyễn Thoại Uy 3 CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 Sơ đồ mạng tiêu biểu Đƣờng dây truyền tải đƣợc thay bằng mô hình tƣơng đƣơng hình  hay Z đơn giản, và các tổng trở đƣợc biểu diễn trong hệ đơn vị tƣơng đối theo một cơ bản chung. Một sự cố ba pha đối xứng xảy ra tại thanh cái k qua tổng trở trạm ZN, các điện áp nút (điện áp pha) trƣớc sự cố có thể nhận đƣợc bằng việc tính toán phân bố công suất trong mạng và đƣợc biểu diễn bằng vector cột:  V1 (0)     V2 (0)  Vnut (0)    (1.1)    Vn (0)  Ngƣời ta thƣờng bỏ qua dòng xác lập trƣớc sự cố do ngắn mạch quá lớn so với nó.

Hợp lý hơn là thay đổi tổng trở không đổi theo điện áp nút tải trƣớc sự cố: 2 Vi (0) ZiL  (1.2) SL Trƣớc khi xảy ra ngắn mạch, điện áp tại nút sự cố k là Vk(0) khi ngắn mạch xảy ra, điện áp mạng tƣơng đƣơng với việc đặt tại điểm chạm biến áp Vk(0) và nối tắt các nguồn khác. Tổng quát lại, có thể mô phỏng ảnh hƣởng của ngắn mạch tại một nút bằng cách nối nút đó với đất qua một mạch nối tiếp gồm một nguồn áp cùng độ lớn và ngƣợc dấu với điện áp nút trƣớc sự cố và một tổng trở chạm còn các nguồn khác nối tắt. Và độ thay đổi điện thế trong mạng gây bởi sự cố với tổng trở chạm ZN tại nút k thì cũng hệt nhƣ chúng đƣợc tạo ra trong mạch khi thêm vào nguồn áp –Vk(0) nối tiếp tổng trở chạm và nối tắt tất cả nguồn áp khác. Nối tắt tất cả nguồn áp và thay tất cả phần tử trong mạch bởi tổng trở tƣơng ứng, ta đƣợc mạch Nguyễn Thoại Uy 4 CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT tƣơng đƣơng Thevenin.

Độ lệch điện áp nút gây bởi sự cố trong mạch đƣợc biểu diễn bởi vector cột:  V1 (0)   Vnut (0)    (1. 2 Mạch tƣơng đƣơng Thevenin 2. Ma trận tổng dẫn và ma trận tổng trở nút Áp dụng các công thức của ma trận tổng dẫn nút cũng nhƣ ma trận tổng trở nút để tính giá trị dòng xác lập khi ngắn mạch. Gọi Inút là vector dòng nút trƣớc lúc sự cố đƣợc tính theo các giá trị điện thế nút do chúng gây ra so với điện thế của một nút tham chiếu (nút gốc, nút chuẩn):  I nut   Ynut   Vnut  (1.

Phần tử trên đƣờng chéo ứng với mỗi nút là tổng của các tổng dẫn nối vào nút đó, nghĩa là: m Yii   Yij (j≠i) (1.6) j 0 Nguyễn Thoại Uy 5 CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các phần tử ngoài đƣờng chéo bằng về độ lớn nhƣng trái dấu với tổng dẫn nối giữa hai nút: Yij  Yji   yij (1.7) Với yij là tổng dẫn nối giữa hai nút i và j. Trong mạch tƣơng đƣơng Thevenin hình trên, dòng điện chạy vào mỗi nút đều bằng không, ngoại trừ nút sự cố. do chiều dòng điện ngắn mạch hƣớng ra khỏi nút sự cố, nên ta nhận đƣợc một dòng âm chạy về nút k (nút sự cố). Vậy, phƣơng trình tổng quát (1.5) khi áp dụng cho mạch Thevenin là: 0  Y11 Y1k Y1n   V1               I k ( N )   Yk1 Ykk Ykn Vk    (1.8)           0  Yn1     Ynk Ynn   Vn  Hay: [Inút(N)]=[Ynút].10) Ở đây:  Znút   Ynut1  , là ma trận tổng trở nút, thay phƣơng trình trên vào phƣơng trình (1.4) ta đƣợc: Vnut ( N )  Vnut (0)   Znút  X  I nút  N  Phƣơng trình ma trận: V1 ( N )  V1 (0)   Z Z1k Z1n  0       11         V ( N )   V (0)   Z Z kk Z kn    I k ( N )  (1.11)  k   k   k1                Vn ( N )  Vn (0)   Z n1 Z nk Z nn  0 Do chỉ có một phần tử khác không trong vector dòng, phƣơng trình thứ k trong (1.11) trở thành: Vk ( N )  Vk (0)  Z kk I k  N  (1.12) Nguyễn Thoại Uy 6 CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT Từ mạch tƣơng đƣơng Thevenin: Vk ( N )  Z N I k  N  (1.13) Vì chạm trực tiếp nên ZN=0 cho nên Vk ( N )  0.

Thay Vk ( N ) từ (1.14) Z kk  Z N Nhƣ vậy để tính dòng ngắn mạch tại nút sự cố k, ta chỉ cần Zkk của ma trận tổng trở nút, Zkk cũng là tổng trở tƣơng đƣơng Thevenin từ nút sự cố k. Tƣơng tự, phƣơng trình thứ I của (1.11) là: Vi ( N )  Vi (0)  Zik I k  N  (1.14) vào ta đƣợc điện áp nút i khi sự cố: Zik Vi (0)  Vi (0)  Vk (0) (1.16) Z kk  Z N Từ kết quả điện áp nút khi sự cố, ta có thể tính dòng sự cố trên tất cả các đƣờng dây. Đối với đƣờng dây nút i và j bởi tổng trở zij, dòng ngắn mạch chạy trên đó là (chiều dƣơng từ i tới j): Vi (0)  V j ( N ) I ij  N   (1. Phƣơng pháp xây dựng ma trận tổng trở nút từ ma trận tổng dẫn nút Để tính dòng ngắn mạch nhƣ trên đã biết ta cần có ma trận tổng trở nút; mà ma trận tổng trở nút là ma trận nghích đảo của ma trận tổng dẫn nút.

Có đƣợc ma trận tổng trở nút thì có thể tính đƣợc dòng ngắn mạch khi xảy ra ngắn mạch tại các nút khác nhau và phân bố của chúng trên các đƣờng dây cũng nhƣ điện áp nút khi ngắn mạch. Việc xây dựng ma trận tổng dẫn nút đƣợc thực hiện khá đơn giản. Giảm số phần tử của ma trận tổng dẫn nút (phƣơng pháp Kron) Ta thấy ma trận tổng dẫn nút Ynút có mỗi quan hệ giữa dòng điện đi vào các nút của một mạng điện và điện áp nút trong mạng gây ra bởi các dòng điện đó. Mạng có n nút thì ma trận tổng dẫn nút sẽ là ma trận n x n.

Tuy nhiên, chỉ tại những nút có nối với nguồn hoặc tải hoặc có ngắn mạch thì dòng điện đi vào nút đó mới Nguyễn Thoại Uy 7 CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT có giá trị (≠0), còn dòng điện đổ vào các nút khác đều bằng 0. Trong trƣờng hợp không cần thiết, những nút không có dòng bơm vào có thể đƣợc triệt tiêu trong ma trận tổng dẫn nút. Ta có thể hiểu quá trình này giống nhƣ quá trình thu gọn sơ đồ tƣơng đƣơng của mạng nhƣng đƣợc thực hiện trên ma trận tổng dẫn nút. Kết quả là ma trận tổng dẫn nút sẽ bị giảm kích thƣớc so với kích thƣớc ban đầu (n x n).

Giả sử ta có hệ phƣơng trình biểu diễn quan hệ giữa các dòng điện đổ vào các nút của mạng điện với điện áp nút trong mạng nhƣ sau:  I1  Y11 Y11  V1            [Inut ]= 0   Yk1 Yk 2 Ykn  Vk  (1.18)            I  Y    n   n1 Ynn  Vn  Theo phƣơng trình thứ k hệ trên, ta biểu diễn Vk theo các giá trị nút còn lại: V Y  V Y  .19) Ykk Thay Vk trong công thức trên vào tất cả phƣơng trình của hệ, trừ phƣơng trình thứ k, ta sẽ có n-1 phƣơng trình biểu diễn quan hệ giữa n-1 giá trị dòng điện và n-1 giá trị điện áp nút tại các nút 1,2,… k-1,k+1,…n. Viết lại hệ n-1 phƣơng trình này ở dạng ma trận, ta sẽ nhận đƣợc ma trận tổng dẫn nút đã thu gọn giảm đi một hàng, một cột). Dễ dàng tính đƣợc các phần tử của ma trận tổng dẫn nút theo các phần thử ma trận cũ nhƣ sau: Ytk Ykj Ytjmoi  Ytj  với i,j = 1,2,…n; i,j ≠ k (1. Các phƣơng pháp xây dựng trực tiếp ma trận tổng trở nút 2.

Xây dựng ma trận tổng trở nút trực tiếp Ma trận Znút trên tìm đƣợc dựa vào ma trận Ynút bằng cách nghịch đảo ma trận Ynút. Việc nghịch đảo ma trận cso thể thực hiện bằng tay theo công thức nghịch đảo ma trận hoặc trên chƣơng trình máy tính có sẵn. Tuy nghiên, đối với một hệ thống điện lớn có nhiều nút, ma trận tổng dẫn của nó sẽ có nhiều phần tử bằng không, và đôi khi việc nghịch đảo ma trận không thể thực hiện đƣợc. có một các khác để tìm Nguyễn Thoại Uy 8 CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÝ THUYẾT ma trận Znút là xây dựng nó từ ma trận tổng trở nút đơn giản của một nhánh bằng cách từng bƣớc một thêm vào mỗi phần tử mạng cho đến khi có đƣợc Znút của mạng đầy đủ.

Trong quá trình từng bƣớc xây dựng ma trận tổng trở, chúng ta thực hiện từ một ma trận tổng trở cũ tới ma trận tổng trở mới theo các luật sau: Bƣớc 1: Chọn nút tham chiếu (nút chuẩn, nút gốc) gọi là nút 0 và bắt đầu từ một nhánh nối giữa nút gốc với một nút của nhánh đó.