TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH BA PHA VÀ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM POWER WORLD

Tài liệu sinh viên nghành kỹ thuật điện điện tử viễn thông trình bày cách tính toán ngắn mạch ba pha có kết quả giống phần mềm mô phỏng Power World. Hướng dẫn sử dụng phần mềm Power World Simulator tính toán ngắn mạch.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Ngắn mạch là hiện tượng xảy ra khi có sự chạm chập giữa các pha hoặc giữa các pha với đất hay dây trung tính, dẫn đến tổng trở của mạch giảm xuống, làm tăng dòng ngắn mạch trong các nhánh hệ thống so với dòng điện bình thường và gây ra sự giảm áp trong hệ thống Nguyên nhân chính của hiện tượng này bao gồm hư hỏng cách điện, sét đánh, quá điện áp nội bộ, cách điện già cỗi do thời gian sử dụng lâu dài, thiếu bảo trì thiết bị, cũng như các tác động trực tiếp như đào đất chạm cáp ngầm, thả diều, chim đậu, cây đổ, hoặc do sai sót của nhân viên vận hành.

Hậu quả của việc ngắn mạch điện là dòng điện tăng phát nóng cục bộ, gây hiệu ứng cơ giới giữa các dây dẫn và có thể làm hỏng khí cụ điện Khi xảy ra ngắn mạch, điện áp giảm thấp, dẫn đến động cơ ngừng quay, có thể gây hỏng sản phẩm, cháy động cơ và không khởi động được Điều này phá hoại sự ổn định của hệ thống, trong khi ngắn mạch hai pha hoặc một pha chạm đất còn gây ra dòng thứ tự không, làm nhiễu loạn đường dây thông tin và tín hiệu đường sắt gần đó, dẫn đến gián đoạn cung cấp điện.

Mặc dù xác suất xảy ra ngắn mạch ba pha chỉ là 5%, việc nghiên cứu loại ngắn mạch này vẫn rất quan trọng do tính chất đối xứng của nó, gây ra những nguy hiểm nghiêm trọng nhất.

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Để giảm thiểu hậu quả của sự cố ngắn mạch, bài viết này tập trung vào việc tính toán ngắn mạch ba pha đối xứng, nhằm lựa chọn thiết bị điện an toàn trước tác động nhiệt và cơ Nghiên cứu này hỗ trợ tính toán hiệu chỉnh các thiết bị bảo vệ và tự động hoá trong hệ thống điện, giúp loại bỏ nhanh chóng các phần tử gặp sự cố ngắn mạch Đồng thời, nó cũng hướng đến việc xây dựng sơ đồ hợp lý phục vụ cho thiết kế và lựa chọn các thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch.

Phương pháp nghiên cứu được thực hiện bằng cách tổng hợp lý thuyết và thực nghiệm khoa học dựa trên mô hình toán do giảng viên hướng dẫn Các tính toán lý thuyết được áp dụng và mô phỏng trên PowerWorld Simulator, từ đó đưa ra nhận xét về tính chính xác và hiệu quả của phần mềm trong ứng dụng học thuật.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tính toán ngắn mạch dùng ma trận tổng trở thanh cái (nút)

2.1.1 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 thường

Các dạng ngắn mạch trong hệ thống điện:

- Ngắn mạch 2 pha chạm đất

- Ngắn mạch 1 pha cham đất

Bảng 2.1 Bảng ký hiệu ngắn mạch

2.1.2 Tính toán ngắn mạch dùng ma trận tổng trở thanh cái

Bằng cách áp dụng các phần tử ma trận tổng trở tại các nút, việc tính toán dòng sự cố và giá trị điện áp tại các nút trong trường hợp xảy ra sự cố trở nên dễ dàng và thuận tiện hơn.

Hình 2.1 minh họa sơ đồ mạng tiêu biểu, trong đó đường dây truyền tải được thay thế bằng mô hình tương đương hình  hoặc Z đơn giản Các tổng trở được biểu diễn theo hệ đơn vị tương đối với một cơ bản chung Khi xảy ra sự cố ba pha đối xứng tại thanh cái k qua tổng trở trạm Z N, điện áp nút (điện áp pha) trước sự cố có thể được xác định thông qua tính toán phân bố công suất trong mạng và được biểu diễn dưới dạng vector cột.

Trước sự cố do ngắn mạch lớn, nhiều người thường bỏ qua dòng xác lập Thay vào đó, việc điều chỉnh tổng trở không đổi theo điện áp nút tải trước sự cố sẽ hợp lý hơn.

Trước khi xảy ra ngắn mạch, điện áp tại nút sự cố k là V k (0) Khi ngắn mạch xảy ra, điện áp mạng tương đương với việc đặt tại điểm chạm biến áp V k (0) và các nguồn khác được nối tắt Để mô phỏng ảnh hưởng của ngắn mạch tại một nút, ta có thể nối nút đó với đất qua một mạch nối tiếp gồm một nguồn áp cùng độ lớn và ngược dấu với điện áp nút trước sự cố, cùng với một tổng trở chạm, trong khi các nguồn khác được nối tắt Độ thay đổi điện thế trong mạng do sự cố gây ra với tổng trở chạm Z N tại nút k tương tự như khi thêm vào nguồn áp –V k(0) nối tiếp tổng trở chạm và nối tắt tất cả nguồn áp khác Khi nối tắt tất cả nguồn áp và thay thế các phần tử trong mạch bằng tổng trở tương ứng, ta sẽ có được mạch mô phỏng chính xác.

Nguyễn Thoại Uy 5 tương đương Thevenin Độ lệch điện áp nút gây bởi sự cố trong mạch được biểu diễn bởi vector cột:

Theo Thevenin cho rằng điện áp nút trong mạch khi có sự cố có thể được xác định bằng cách cộng điện áp nút trước sự cố với độ lệch điện áp nút, được tính theo công thức cụ thể.

Hình 2 2 Mạch tương đương Thevenin

2.1.3 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 I nút là vector dòng nút trước lúc sự cố được 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):

(1.5) Với [Y nut ] là ma trận tổng dẫn nút không chứa các phần tử ma trận ứng với nút tham chiếu (thường được chọn là đất)

Phần tử trên đường chéo ứng với mỗi nút là tổng của các tổng dẫn nối vào nút đó, nghĩa là: ij 0 m ii j

Các phần tử ngoài đường chéo bằng về độ lớn nhưng trái dấu với tổng dẫn nối giữa hai nút: ij ij ji

Với y ij là tổng dẫn nối giữa hai nút i và j

Trong mạch tương đương Thevenin, dòng điện tại mỗi nút đều bằng không ngoại trừ nút sự cố Do chiều dòng điện ngắn mạch hướng ra khỏi nút sự cố, ta có một dòng âm chạy về nút k (nút sự cố) Vì vậy, phương trình tổng quát (1.5) áp dụng cho mạch Thevenin được thiết lập.

  Z nút     Y nut  1 , là ma trận tổng trở nút, thay phương trình trên vào phương trình (1.4) ta đƣợc:

Do chỉ có một phần tử khác không trong vector dòng, phương trình thứ k trong

Từ mạch tương đương Thevenin:

Vì chạm trực tiếp nên Z N =0 cho nên V N k ( )  0

Để tính dòng ngắn mạch tại nút sự cố k, ta chỉ cần sử dụng tổng trở Z kk của ma trận tổng trở nút, mà Z kk chính là tổng trở tương đương Thevenin từ nút sự cố k Phương trình thứ I của (1.11) cũng liên quan đến điều này.

Thay (1.14) vào ta đƣợc điện áp nút i khi sự cố:

Dựa vào kết quả điện áp nút trong trường hợp sự cố, chúng ta có thể xác định dòng sự cố trên tất cả các đường dây Đối với đường dây giữa nút i và j với tổng trở z ij, dòng ngắn mạch sẽ chạy theo chiều dương từ nút i tới nút j.

2.1.4 Phương 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 đường dây cũng như điện áp nút khi ngắn mạch Việc xây dựng ma trận tổng dẫn nút đƣợc thực hiện khá đơn giản

2.1.5 Giảm số phần tử của ma trận tổng dẫn nút (phương pháp Kron)

Ma trận tổng dẫn nút Y trong mạng điện thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện vào các nút và điện áp tại các nút do các dòng điện này gây ra Đối với mạng có n nút, ma trận tổng dẫn nút sẽ có kích thước n x n Dòng điện chỉ đi vào các nút có kết nối với nguồn, tải hoặc có ngắn mạch.

Nguyễn Thoại Uy 8 có giá trị khác không (≠0), trong khi dòng điện vào các nút khác đều bằng 0 Nếu không cần thiết, những nút không có dòng bơm vào có thể được loại bỏ trong ma trận tổng dẫn nút Quá trình này tương tự như việc thu gọn sơ đồ tương đương của mạng, nhưng thực hiện trên ma trận tổng dẫn nút Kết quả là ma trận tổng dẫn nút sẽ giảm kích thước so với kích thước ban đầu (n x n) Hệ phương trình mô tả mối quan hệ giữa các dòng điện vào các nút của mạng điện và điện áp tại các nút được biểu diễn như sau:

Theo phương trình thứ k hệ trên, ta biểu diễn V k theo các giá trị nút còn lại:

Thay V k trong công thức trên vào tất cả phương trình của hệ, trừ phương trình thứ k, ta sẽ có n-1 phương 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 phương 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: tk kj moi tj tj kk

2.1.6 Các phương pháp xây dựng trực tiếp ma trận tổng trở nút

2.1.6.1 Xây dựng ma trận tổng trở nút trực tiếp

Ma trận Z nút trên tìm đƣợc dựa vào ma trận Y nút bằng cách nghịch đảo ma trận

Việc nghịch đảo ma trận có thể thực hiện bằng tay hoặc thông qua phần mềm máy tính Tuy nhiên, trong các hệ thống điện lớn với nhiều nút, ma trận tổng dẫn thường chứa nhiều phần tử bằng không, khiến cho việc nghịch đảo ma trận trở nên khó khăn hoặc thậm chí không thể thực hiện được Do đó, cần tìm kiếm các phương pháp thay thế để giải quyết vấn đề này.

Phần mềm Power World

2.3.1 Giới thiệu phần mềm Power World Simulator

PowerWorld Simulator là phần mềm mô phỏng hệ thống điện nổi bật của PTI, cung cấp các công cụ hiệu quả để khảo sát các đối tượng, hệ thống và quá trình kỹ thuật – vật lý, hỗ trợ đắc lực cho các kỹ sư trong công việc của họ.

Phần mềm của Nguyễn Thoại Uy 18 giúp rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu trong lĩnh vực điện năng Điểm nổi bật của phần mềm là khả năng tính toán giá thành điện năng và hiển thị trực tiếp trên các thanh cái và đường dây tải điện Đây là công cụ hữu ích cho việc thiết kế, định chế độ vận hành hệ thống điện, đồng thời hướng tới mục tiêu phát triển thị trường điện tại Việt Nam.

2.3.2 Sơ lƣợc các đối tƣợng trên sơ đồ đơn tuyến

- Thanh cái (Bus): là nơi mà các thiết bị, đường dây như máy biến áp, máy phát, tải,… nối vào

+ Slack bus (swing): Bus cân bằng

+ Load bus: Hầu hết trong hệ thống là load bus

+ Voltage controlled bus: Điện áp ở bus đƣợc điều chỉnh trong phạm vi cho trước

- Đường dây/máy biến áp (Transmission line/transformer): Thiết bị truyền tải công suất giữa các bus

- Tải (Load): Thiết bị tiêu thụ

- Máy cắt (Circuit Breakers): Thiết bị đóng cắt các thiết bị khác nhƣ: DZ/MBA, nguồn, tải,…

- Biểu đồ hình tròn: thiết bị thể hiện mức độ mang tải của DZ/MBA,…

- Và một số thiết bị khác: mặt phân cách, hình nền,…

2.3.3 Tạo một Case mới Để khởi động chương trình, nhấp đôi chuột vào biểu tượng PowerWorld Simulator

Hình 2.12 Giao diện chính của phần mềm Để tạo một Case mới, từ menu chính nháy chọn nút file ở góc trái chọn

Để tạo một sơ đồ đơn tuyến mới trong PowerWorld, bạn có thể chọn "New Case" hoặc nhấp vào nút "Open simulator Case" trên thanh công cụ Cửa sổ làm việc sẽ xuất hiện với nền trắng, là màu mặc định cho sơ đồ đơn tuyến Các sơ đồ một sợi này được sử dụng để phân tích và tái hiện hệ thống điện 3 pha, với mỗi thiết bị 3 pha được thể hiện qua một dây.

Hình 2.13 Cửa sổ làm việc

2.3.3.1 Chèn thiết bị phân phối (Bus)

Bus là thành phần quan trọng trong mô hình hệ thống điện, thể hiện các điểm kết nối giữa các thiết bị Trong PowerWorld, bạn có thể vẽ các bus trên sơ đồ đơn tuyến, kết nối với máy phát và tải Việc chèn bus vào sơ đồ đơn tuyến khá đơn giản, chỉ cần thực hiện theo các bước hướng dẫn.

- Chọn Insert>Bus từ menu chính hoặc chọn trên thanh công cụ

- Click chuột lên nền sơ đồ nơi mà bạn muốn đặt Bus mới Khi đó sẽ xuất hiện một hộp thoại Bus Options

Hình 2.14 Hộp thoại Bus Options

Trong hộp thoại này, chúng ta cần nhập đầy đủ thông tin cần thiết như tên, kích cỡ, định hướng vùng, điện áp định mức của Bus, cũng như tải và các thành phần rẽ nhánh kết nối với nó.

- Click OK để đóng hộp thoại, Bus mới sẽ xuất hiện, nó có hình dạng là một đường thẳng nằm ngang hoặc thẳng đứng trên sơ đồ

Tiếp theo chúng ta gắn máy phát với bus, các máy phát cũng đƣợcn chèn theo từng bước tương tự như chèn bus, trình tự như sau:

- Chọn Isnert>Generator từ menu chính hoặc nút trên thanh công cụ

- Click chuột trái lên Bus trên sơ đồ ở vị trí mà bạn muốn gắn vào, lúc đó hộp thoại Generator Options sẽ xuất hiện

Hình 2 15 Hộp thoại Generator Options

Trong hộp thoại này, người dùng cần nhập đầy đủ thông tin cần thiết, bao gồm lựa chọn đơn vị của máy phát, kích thước hiển thị, chiều, công suất tác dụng giới hạn, công suất phản kháng giới hạn, điểm đặt điện áp và bảng giá.

- Click OK, để đóng hộp thoại kết thúc việc tạo lập máy phát

2.3.3.3 Thêm tải và bus thứ hai

Để thêm bus thứ hai, ta thực hiện lại các bước như trước Để vẽ tải, chọn Insert > Load từ menu chính hoặc nhấn nút trên thanh công cụ Sau đó, click chuột trái vào điểm cuối của bus thứ hai, và hộp thoại Load Option sẽ xuất hiện.

Hình 2.16 Hộp thoại Load Options

- Điền đầy đủ các thông số cần thiết nhƣ tải là công suất tác dụng (MW), công suất phản kháng (MVar), hướng của biểu tượng,…

- Click OK để đóng hộp thoại và kết thúc việc thêm tải

2.3.3.4 Chèn đường dây xoay chiều Để nối hai bus với nhau, chúng ta sẽ vẽ đường dây AC bằng cách:

Để vẽ đường dây, bạn chọn Insert > Transmission Line từ menu chính hoặc nhấn nút trên thanh công cụ Tiếp theo, nhấp chuột trái tại điểm đầu và điểm cuối của đường dây Trong quá trình kéo chuột, bạn có thể điều chỉnh từng đoạn đường dây theo ý muốn bằng cách nhấp chuột trái một lần nữa Để kết thúc việc vẽ, hãy nhấp đôi chuột tại điểm cuối và hộp thoại Branch Options sẽ xuất hiện.

Hình 2.17 Hộp thoại Branch Options

Nhập đầy đủ thông số cần thiết như các thông số đường dây như điện trở, điện kháng, dung dẫn,…

- Click OK để kết thúc việc chèn đường dây

2.3.3.5 Chèn Flow pie chart trên đường dây

Khi đường dây hoàn tất, một biểu đồ bánh sẽ tự động xuất hiện Bạn có thể thêm một biểu đồ bánh dòng bằng cách nhấp vào nút gần đường dây, sau đó một hộp thoại sẽ hiện ra Hãy điền thông tin chính xác và điều chỉnh kích thước theo ý muốn.

Hình 2 18 Hộp thoại Line/ Transformer Flow Pie Chart

Click OK để đóng hộp thoại

Chọn Insert>Circuit breaker từ menu chính hoặc chọn nút trên thanh công cụ và click lên đường dây gần bus Hộp thoại Circuit Breaker sẽ xuất hiện

Hình 2 19 Hộp thoại Circuit Breaker

Click OK để kết thúc, và tương tự ở các bus khác

Để chèn Transformer, bạn chọn Insert > Transformer từ menu chính hoặc nhấn nút trên thanh công cụ Tiếp theo, hãy click vào bus và vẽ một đường dây nối vào Sau khi hoàn thành việc vẽ, hộp thoại Options sẽ xuất hiện.

Swichted Shunt là gồm các tụ điện ghép lại để cung cấp năng lƣợng phản kháng (MVar) hoặc tiêu thụ công suất phản kháng

- Chọn Insert>Swichted Shunt từ menu chính hoặc chọn nút trên thanh công cụ Click lên bus mà bạn muốn đặt nó, hộp thoại Option sẽ xuất hiện

- Click OK để đóng hộp thoại

2.3.3.9 Ghi tiêu đề, hiển thị các thông số cho bus và đường dây

Trước khi hoàn thành trường hợp, chúng ta cần nhập một số ô thông tin trực tiếp vào sơ đồ để cải thiện khả năng quan sát và theo dõi hoạt động của sơ đồ một cách hiệu quả hơn.

To add a text object, navigate to Insert > Text in the main menu, enter your desired name in the dialog box, and click OK For quick formatting, select Format > Font to choose the font, color, and size in the dialog box.

- Để thêm các thông số hiển thị nhƣ điện áp, dòng công suất, tổn thất công suất… ta thực hiện nhƣ sau:

+ Nhấp chuột phải lên bus hoặc đường dây để gọi menu con

+ Chọn Add new fields Around bus từ menu con Hộp thoại Bus Field sẽ xuất hiện

+ Chọn vị trí muốn thêm ô mới và click OK Hộp thoại Bus fields mở ra

+ Chỉnh sửa và lựa chọn rồi click OK

Lần lượt làm tương tự với đường dây, máy phát, tải ta có được thông số trên sơ đồ mà ta muốn hiển thị

2.3.3.10 Chạy mô phỏng một case Để chạy mô phỏng ta click vào nút Run Mode trên thanh công cụ sau đó chọn Simulator>Play hoặc click vào nút trên thanh công cụ

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH BA PHA CHO BỐN NÚT

THỐT NỐT – CHÂU ĐỐC – KIÊN BÌNH – RẠCH GIÁ

Tính toán ngắn mạch ba pha dựa trên cơ sở lý thuyết

Ta thấy 4 nút 220kV trên thuộc Đồng bằng sông Cửu Long

Hình 3 1 Bốn nút Thốt Nốt Châu Đốc Kiên Bình Rạch Giá

Tra Catalouge cáp điện lực Thịnh Phát của các đường dây trong sơ đồ, ta có thông số đường dây trong bảng sau:

Bảng 3 1 Bảng tổng hợp thông số dây dẫn cơ bản

3.1.2 Tổng trở đường dây ở các nút:

3.1.2.1 Trong đơn vị có tên Điện trở trên mỗi km đường dây r 0 :

Với r 0 trên đường dây nối các bus với nhau được tra trong Catalouge đã liệt kê ở bảng 3.1

Tính trở kháng trên mỗi km đường dây x 0 :

Nguyễn Thoại Uy 28 Đường dây được đi theo kiểu ba pha lộ kép khoảng cách giữa các dây là D = 8 m theo hình sau và có công thức:

Hình 3.3 Khoảng cách giữa các dây

Với D, h, p và q dựa vào hình ta tính đƣợc lần lƣợt là:

Bus Thốt Nốt đến Châu Đốc: Đường dây có 54 sợi tra bảng 2.9 ta được r’ = 0.810xR

Bus Châu Đốc đến Kiên Bình: Đường dây có 54 sợi tra bảng 2.9 ta được r’ = 0.810xR

Bus Kiên Bình đến Rạch Giá: Đường dây có 54 sợi tra bảng 2.9 ta được r’ = 0.810xR

Bus Rạch Giá đến Thốt Nốt: Đường dây có 30 sợi tra bảng 2.9 ta được r’ = 0.826xR

3.1.2.2 Trong đơn vị tương đối

Chọn công suất cơ bản là 100 kVA

Chọn điện áp cơ bản bằng với điện áp định mức là 220 kV

Bus Thốt Nốt đến Châu Đốc:

Có điện trở đơn vị tương đối là

Có điện kháng ở đơn vị tương đối là:

Vậy tổng trở ở nút Thốt Nốt – Châu Đốc là

Bus Châu Đốc đến Kiên Bình:

Vậy tổng trở ở nút Châu Đốc – Kiên Bình là

Bus Kiên Bình đến Rạch Giá:

Vậy tổng trở ở nút Kiên Bình – Rạch Giá là

Bus Rạch Giá đến Thốt Nốt:

Vậy tổng trở ở nút Rạch Giá – Thốt Nốt là

Các giá trị tổng trở đƣợc đƣợc liệt kê trong bảng sau:

Bảng 3 2 Thông số tổng trở

Từ các thông số tổng trở đã tính ở trên và cho tổng trở hệ thống Z HT = j0.1, lập đƣợc sơ đồ tổng trở nhƣ sau:

Hình 3.4 Sơ đồ tổng trở

Từ sơ đồ tổng trở, ta tính đƣợc các thành phần tổng dẫn:

Từ thành phần tổng dẫn theo công thức tính đƣợc thành phần Y bus của ma trận tổng dẫn:

Từ những thành phần Y bus đã tính lập đƣợc ma trận:

Để tính ma trận tổng trở, ta thực hiện việc nghịch đảo ma trận tổng dẫn bằng cách sử dụng hàm inv(ma trận) trong Matlab.

Nhập ma trận Y bus vào phần mềm Matlab nhƣ sau:

Ma trận Ybus đƣợc hiển thị trên cửa sổ Command Window nhƣ sau

Hình 3.5 Ma trận Ybus hiện thị trong Matlab

Sau đó nhập hàm Zbus = inv(Ybus)

Ma trận Ybus sẽ đƣợc nghịch đảo và hiển thị trên cửa sổ Command Window

Hình 3.6 Tính Zbus từ ma trận Ybus bằng hàm inv(matrix)

Vậy ma trận tổng trở Z bus đƣợc tính ra là:

3.1.5 Tính toán ngắn mạch ba pha cho các nút

3.1.5.1 Trường hợp sự cố xảy ra ở bus Thốt Nốt Khi chạm trực tiếp, tổng trở chạm Z f = 0

- Dòng ngắn mạch tại nút 1 là

- Điện áp tại nút sự cố là

- Điện áp tại nút khác khi có sự cố tại nút 1 là:

- Dòng ngắn mạch 3 pha các nhánh khi có sự cố tại nút 1

Sự cố ba pha xảy ra tại nút 1 – Thốt Nốt, nơi được xem là nút nguồn, dẫn đến việc chỉ có dòng sự cố tại nút này Hệ quả là phía sau nút 1 không nhận được dòng công suất, khiến cho dòng điện không thể tiếp tục qua các nút phía sau, dẫn đến tình trạng dòng điện tại các nút này đều bằng 0.

3.1.5.2 Trường hợp sự cố xảy ra ở bus Châu Đốc Khi chạm trực tiếp, tổng trở chạm Z f = 0

3.1.5.3 Trường hợp sự cố xảy ra ở bus Kiên Bình Khi chạm trực tiếp, tổng trở chạm Z f = 0

Khi chạm trực tiếp, tổng trở chạm Z f = 30

3.1.5.4 Trường hợp sự cố xảy ra ở bus Rạch Giá Khi chạm trực tiếp, tổng trở chạm Z f = 0

Khi chạm trực tiếp, tổng trở chạm Z f = 30

3.1.6 Tổng hợp các số liệu tính toán lý thuyết vào bảng

Bảng 3.3 Bảng tổng hợp số liệu tính toán lý thuyết khi chạm trực tiếp

Dòng sự cố Điện áp sự cố

Bảng 3.4 Bảng tổng hợp số liệu tính toán lý thuyết khi tổng trở chạm Zf = 30

Tính toán ngắn mạch bằng phần mềm Power World Simulator

Hình 3.7 Sơ đồ sau khi vẽ xong thành phần

First, draw the nodes in order, starting with Node 1, which has a Nominal Voltage of 220 kV As Node 1 is the source node and the first in the sequence, ensure to check the "System Slack Bus" option in the Bus Information tab Since the selected base voltage is 220 kV, the Bus voltage will be set to 1 pu Finally, enter the name of the node in the Bus name field.

Hình 3.8 Nhập nút 1 THỐT NỐT

Tương tự với vẽ nút 2 3 4 nhưng không tick vào System Slack Bus

Hình 3.9 Nhập nút 2 CHÂU ĐỐC

Hình 3.10 Nhập nút 3 KIÊN BÌNH

Hình 3.11 Nhập nút 4 RẠCH GIÁ

3.2.2 Vẽ dây và nhập thông số đường dây

Draw a connection line from node 1 THỐT NỐT to node 2 CHÂU ĐỐC, and input the parameters r 0, x 0, and the length of the line (in meters or kilometers) in the Line Per Unit Impedance Calculator dialog under the Calculate Impedances section of the Branch Options dialog.

Khi tick vào PU/MVA, tất cả các thông số r0, x0 và dòng điện tối đa trong cột Actual Impedance and Current Limits sẽ được tự động chuyển đổi sang hệ đơn vị tương đối ở cột Per Unit Impedance and MVA Limits Ngược lại, khi chọn Electrical, việc nhập thông số tổng trở ở đơn vị tương đối sẽ khiến phần mềm tự động tính lại tổng trở ở đơn vị cơ bản.

Hình 3.12 Nhập thông số đường dây Thốt Nốt – Châu Đốc

Hình 3.13 Nhập thông số đường dây Châu Đốc – Kiên Bình

Hình 3.14 Nhập thông số đường dây Kiên Bình – Rạch Giá

Hình 3.15 Nhập thông số đường dây Rạch Giá – Thốt Nốt

3.2.3 Vẽ máy phát và nhập thông số máy phát

To configure the generator, draw the generator connected to node 1 as per the diagram Enter a MW Setpoint of 0.0 in the Power and Voltage Control section for the software to automatically select the appropriate generator for the system Additionally, set the generator impedance to 0.1 in the Internal Sequence Impedances section of the Fault Parameters.

Hình 3.16 Nhập thông số máy phát

Bảng tổng hợp thông số đường dây được PowerWorld tính ra đơn vị tương đối

Bảng 3.5 Bảng tổng hợp thông số đường dây được PowerWorld tính ra đơn vị tương đối

Tổng trở (Ω/km) Tổng trở thuận

3.2.4 Kết quả mô phỏng bằng phần mềm 3.2.4.1 Cách xem mô phỏng ngắn mạch ba pha

Sau khi hoàn thành các bước vẽ, để xem kết quả mô phỏng ngắn mạch ba pha, bạn cần chuyển từ chế độ Edit Mode sang chế độ Run Mode trong thẻ Case Information.

Hình 3.17 Chuyển chế độ Run Mode

Rồi nháy vào Fault Analysis trong phần Tools > Run Mode > Analysis

Hộp thoại Phân tích sự cố sẽ hiển thị các thông số liên quan đến các loại sự cố ngắn mạch như ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất và ngắn mạch 1 pha chạm đất.

Trong hộp thoại Fault Analysis, chọn loại lỗi "3 Phase Balanced" để mô phỏng ngắn mạch ba pha Ô R và X đại diện cho tổng trở chạm Z khi xảy ra ngắn mạch Để chọn bus bị lỗi, hãy chọn nút xảy ra sự cố được tính toán ở bảng bên dưới.

Thẻ Bus Records bảng hiển thị điện áp ở các bus khi xảy ra sự cố ở nút đã chọn

Thẻ Lines bảng hiển thị dòng điện sự cố trên đường dây nối các bus khi xảy ra sự cố ở nút đã chọn

Thẻ Loads và thẻ Swiched Shunt Buses thể hiện dòng sự cố trên tải và tụ bù ngang

Thẻ Y-Bus Matrices bảng hiển thị ma trận Ybus thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không

Cuối cùng, nháy vào nút Calculate để chạy tính toán mô phỏng

3.2.4.2 Kết quả ngắn mạch ba pha khi gặp sự cố tại các nút

Ma trận tổng dẫn Y bus mà phần mềm tính đƣợc là

Hình 3.19 Ma trận Ybus phần mềm tính

3.2.4.2.1 Khi sự cố xảy ra ở nút 1 THỐT NỐT ta đƣợc kết quả mô phỏng ngắn mạch nhƣ sau:

Khi chạm trực tiếp, tổng trở Z chạm = 0 ta có kết quả:

Tại nút 1, người dùng có thể lựa chọn hiển thị dòng sự cố trong ô Subtransient Phase Current bằng cách tick vào đơn vị tương đối (p.u.) hoặc đơn vị Amps trong ô Units.

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng Điện áp tại các nút khi xảy ra sự cố ở nút 1:

Với cột number là thứ tự của bus

Cột Name là tên bus đã đặt

Cột Circuit thể hiện số mạch

Cột Phase Volt A, B, C thể hiện điện áp pha ở các nút

Cột Phase Ang A, B, C thể hiện góc pha của điện áp ở các nút

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng

Khi xảy ra sự cố ngắn mạch tại nút 1, dòng điện sự cố trên các đường dây sẽ được hiển thị ở hai cột Form Number và To Num, cho biết thứ tự của bus sau so với nút trước.

Cột Form Name và To Name hiển thị tên của nút sau về nút trước

Cột Xfrmr hiện Yes nếu nhánh là máy biến áp, No nếu không phải là máy biến áp

Các cột Phase Cur A From hay B From hay C From thể hiện dòng sự cố của pha A nhìn từ nút “from” tới nút “to”

Khi tổng trở Z chạm = 30 ta có kết quả:

Hình 3.23 Kết quả mô phỏng Điện áp tại các nút khi xảy ra sự cố ở nút 1

Dòng điện sự cố trên các đường dây khi xảy ra ngắn mạch ở nút 1:

3.2.4.2.2 Khi sự cố xảy ra ở nút 2 CHÂU ĐỐC ta đƣợc kết quả mô phỏng ngắn mạch nhƣ sau:

Dòng điện sự cố trên các đường dây khi xảy ra ngắn mạch ở nút 2

Dòng điện tại nút xảy ra sự cố

3.2.4.2.3 Khi sự cố xảy ra ở nút 3 KIÊN BÌNH ta đƣợc kết quả mô phỏng ngắn mạch nhƣ sau:

3.2.4.2.4 Khi sự cố xảy ra ở nút 4 RẠCH GIÁ ta đƣợc kết quả mô phỏng ngắn mạch nhƣ sau:

3.2.5 Tổng hợp lại kết quả mô phỏng vào bảng

Trường hợp chạm trực tiếp Zchạm = 0

Bảng 3.6 Bảng tổng hợp kết quả mô phỏng ở đơn vị tương đối

Bảng 3.7 Bảng tổng hợp kết quả mô phỏng ở đơn vị tương đối

3.2.6 So sánh kết quả mô phỏng với tính toán lý thuyết Trường hợp chạm trực tiếp Z chạm = 0

So sánh dòng điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha giữa kết quả mô phỏng với tính toán lý thuyết:

Bảng 3.8 So sánh kết quả mô phỏng với tính toán ở đơn vị tương đối

4 8.34 1.85 1.842 1.844 6.5 Đổi sang đơn vị có tên:

Bảng 3.9 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả tính toán lý thuyết ở đơn vị có tên

So sánh điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha giữa kết quả mô phỏng với tính toán lý thuyết:

Bảng 3.10 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả tính toán lý thuyết

Nút sự cố Điện áp sự cố

Thốt Nốt Châu Đốc Kiên Bình Rạch Giá

So sánh dòng điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha giữa kết quả mô phỏng với tính toán lý thuyết:

Bảng 3.11 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả tính toán lý thuyết ở đơn vị tương đối

Nguyễn Thoại Uy 59 Đổi sang đơn vị có tên:

Bảng 3.12 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả tính toán lý thuyết ở đơn vị có tên

So sánh điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha giữa kết quả mô phỏng với tính toán lý thuyết:

Bảng 3.13 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả tính toán lý thuyết

Kết quả tính toán lý thuyết gần đúng với mô phỏng cho thấy sai số lớn nhất là 3.9%, chủ yếu do quá trình làm tròn Để thuận tiện hơn trong việc tính toán và áp dụng trên quy mô nhiều nút, việc sử dụng phần mềm giúp tiết kiệm thời gian và giảm bớt khối lượng công việc là cần thiết.

Tính toán theo ơ sở lý thuyết tính cho mạng điện ít nút, phù hợp tìm hiểu về căn bản số lƣợng nút lớn sẽ cần đến phần mềm

Trên thực tế, mạng điện của hệ thống thường bao gồm rất nhiều nút, điều này khiến việc tính toán trở nên phức tạp và tốn thời gian Tuy nhiên, việc sử dụng phần mềm Power World có thể giúp giảm đáng kể thời gian tính toán nhờ khả năng tích hợp nhiều mô-đun nhỏ, giải quyết đồng thời nhiều vấn đề khác nhau trong hệ thống điện, bao gồm tính toán ngắn mạch và ổn định hệ thống.

Tiêu đề	Tính Toán Ngắn Mạch Ba Pha Và Mô Phỏng Bằng Phần Mềm Power World
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	Khoa Điện – Điện Tử – Viễn Thông
Thể loại	Đồ án
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Cần Thơ

Định dạng
Số trang	71
Dung lượng	2,51 MB
File đính kèm	MOPHONG.rar (10 KB)