xây dựng mô hình phi tuyến của các phần tử trong hệ thống điện ứng dụng trong khảo sát quá độ

Do sự biến thiên đột ngột các dòng công suất phân bố trong lưới, công suất các máy phát cũng thay đổi đột ngột, thậm chí giảm xuống đến 0 chẳng hạn, khi ngắn mạch 3 pha trên đường dây nố

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN

CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ỨNG DỤNG TRONG KHẢO SÁT QUÁ ĐỘ

MÃ SỐ: T62 - 2008

S 0 9

S KC 0 0 2 1 2 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Tp HCM

*****

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

TÊN ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ỨNG DỤNG TRONG KHẢO SÁT QUÁ ĐỘ

A PHẦN GIỚI THIỆU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việc nghiên cứu và xử lý quá trình quá độ trong hệ thống điện (HTĐ) có một giá trị rất quan trọng để nâng cao độ tin cậy và tính ổn định chế độ vận hành mạng Tất cả các khó khăn trong việc điều khiển HTĐ liên quan đến tính phức tạp của chế độ điều khiển, sự thiếu vắng những mô hình toán học chặt chẽ của các mô hình các phần tử trong hệ thống điện Việc sử dụng các mô hình truyền thống chỉ gồm các thành phần tuyến tính tỏ ra không hiệu quả và không thuận lợi, đặc biệt là khi xét đến các ảnh hưởng của các thành phần phi tuyến tại các trạng thái quá độ tần số cao Vì vậy, việc đề ra và mô phỏng một

mô hình toán của các phần tử trong lưới điện là hết sức cần thiết

Đề tài này nhằm mục đích nghiên cứu, đề ra và mô phỏng mô hình phi tuyến của các

phần tử trong lưới điện nhằm nâng cao độ chính xác trong nghiên cứu và tính toán

II ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Máy biến áp

- Máy cắt

III TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Các tài liệu hiện nay chỉ nghiên cứu về mặt lý thuyết về mô hình phi tuyến của các máy biến áp và máy cắt

Chưa xây dựng mô hình phi tuyến của các phần tử trên Matlab

MỤC LỤC

A PHẦN GIỚI THIỆU

- Tính cấp thiết của đề tài

- Đối tượng nghiên cứu

- Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

- Những vấn đề còn tồn tại

- Mục lục

B PHẦN NỘI DUNG

- Mục đích nghiên cứu 2

- Phương pháp nghiên cứu 2

- Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 Tổng quan về quá trình quá độ 4

I Khái niệm 4

II Phương pháp giải quyết bài toán quá độ 5

CHƯƠNG 2 Tổng quan các phần tử trong hệ thống điện 9

I Giới thiệu chung 9

II Mô hình máy biến áp 12

III Mô hình máy cắt 24

CHƯƠNG 3 Thông số mô hình các phần tử trong hệ thống điện khi quá độ 26

I Giới thiệu chung 26

II Các thông số khi mô phỏng máy biến áp 26

III Các thông số khi mô phỏng máy cắt 33

CHƯƠNG 4: Mô hình phi tuyến 38

I Mô hình máy cắt 38

II Mô hình máy biến áp 42

C PHẦN KẾT LUẬN 47 Tài liệu tham khảo 49

B PHẦN NỘI DUNG

I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình phi tuyến của các phần tử trong hệ thống điện phục vụ cho nghiên cứu quá độ

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

- Phương pháp tham khảo tài liệu

- Mô hình mô phỏng

- Kiểm tra đánh giá kết quả đạt được

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ

I.KHÁI NIỆM CHUNG:

Ngoài những kích động nhỏ thường xuyên có tính chất ngẫu nhiên, trong hệ thống điện còn có những kích động lớn diễn ra đột ngột làm mất cân bằng công suất, phá hoại tính ổn định hệ thống Những kích động lớn phải kể đến sự cố ngắn mạch, sét đánh làm ngắt đột ngột đường dây, thao tác cắt máy biến áp cung cấp đang có tải đưa ra sữa chữa… Các hiện tượng quá đô trong hệ thống điện có tần sô từ 0 Hz đến vài MHz Sự tương phản được tạo ra giữa sự dao động điện cơ của máy điện quay (nghiên cứu tính ổn định quá độ)

và quá độ điện từ Quá độ điện từ có thể xảy ra trên một thang thời gian đi từ stới một vài chu kỳ, chúng là sự kết hợp sóng lan truyền trên những đường dây, cáp, thanh cái và

sự dao độn của các phần tử tập trung trong sơ đồ mạch điện của máy phát, máy biến áp và các thiết bị khác

Do sự biến thiên đột ngột các dòng công suất phân bố trong lưới, công suất các máy phát cũng thay đổi đột ngột, thậm chí giảm xuống đến 0 (chẳng hạn, khi ngắn mạch 3 pha trên đường dây nối máy phát với hệ thống) Khi đó trạng thái cân bằng moment quay trong máy phát bị phá vỡ, xuất hiện gia tốc làm thay đổi mạnh góc lệch roto Quá trình quá độ diễn ra có thể ổn định hay không ổn định phụ thuộc vào mức độ của các kích động Tính ổn định hệ thống trong trường hợp này gọi là ổn định động, hay còn gọi là ổn định quá độ (Transient Stability)

Về bản chất, ổn định động thể hiện đặc tính của quá trình quá độ chuyển từ trạng thái hệ thống từ điểm cân bằng này sang điểm cân bằng khác Để nghiên cứu ổn định động cần phải phân tích và mô tả quá trình quá độ bằng cách dựa vào hệ phương trình vi phân

mô tả quá trình quá độ, do đó cũng có các mô hình ứng dụng khác nhau mô tả hệ thống:

mô hình đơn giản bỏ qua ảnh hưởng quá trình quá độ bên trong các bộ phận tự động điều chỉnh và mô hình đầy đủ xét đến cấu trúc cụ thể của các thiết bị này Mỗi trường hợp có thể áp dụng các phương pháp phân tích riêng để phân tích ổn định động Sự lựa chọn hợp

lý phương pháp nghiên cứu sẽ cho phép đánh giá đúng và đơn giản nhất các đặc trưng của quá trình quá độ

* Ảnh hưởng của quá trình quá độ đến hệ thống điện

Quá trình quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần

tử đang mang công suất (những kích động lớn) Trong vài trường hợp có thể diễn ra quá trình quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm

đến 0 làm hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định kéo theo những sự cố nghiêm trọng có tính chất hệ thống:

- Các máy phát làm vịêc ở trạng thái không đồng bộ cần phải cắt ra, mất những lượng công suất lớn hậu quả kéo theo là bảo vệ rơle tác động nhầm cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc

- Cắt các nguồn máy phát nối tiếp, các phụ tải từng khu vực lớn, có thể dẫn đến trạng thái tan rã hệ thống Quá trình này làm ngưng cung cấp điện trong thời gian dài ảnh hưởng đến chất lượng điện năng

- Khi hệ thống mất ổn định, tần số hệ thống bị thay đổi lớn làm ảnh hưởng đến hộ tiêu thụ Tần số f là một chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng của hệ thống điện,

nó ảnh hưởng nhiều đến phụ tải

+ Đối với động cơ và thiết bị có mạch từ: tần số tăng làm P động cơ tăng, tăng tổn hao do từ hoá lõi thép

+ Đối với nhà máy phát: Khi P giảm, làm công suất phát giảm, tần số lại càng giảm thêm, có nguy cơ gây thác tần số, có thể đưa đến làm ngưng làm việc của nhà máy

+ Đối với hệ thống điện: tần số giảm làm điện áp giảm và phá hoại sự phân

bố công suất trong hệ thống

- Điện áp giảm thấp có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải

II NHỮNG GIẢI PHÁP GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN QUÁ ĐỘ:

Dưới đây là những phương pháp cơ bản được sử dụng trong hầu hết các phần mềm

mô phỏng quá độ điện từ Đây là những thuật toán dùng để giải quyết các bài toán quá độ

và còn dùng để giảm những dao động do qui tắc hình thang tạo ra

2.1 Phương pháp giải bài toán quá độ:

Việc nghiên cứu giải các bài toán về sóng lan truyền bằng máy tính được bắt đầu

từ thập niên 60 và sử dụng hai phương pháp khác nhau: sơ đồ lưới Bewley và phương pháp Bergeron Những kỹ thuật này được ứng dụng để giải quyết những mạng điện nhỏ thông số tập trung, thông số rải, tuyến tính hoặc phi tuyến Phương pháp Dommel là sự kết hợp giữa phương pháp Bergeron và phương pháp hình thang đươc dùng để giải thuật

các bài toán quá độ trong mạng điện một pha hay ba pha Phương pháp này được ứng dụng trong trong phần mềm phân tích quá độ EMTP (Electromagnetic Transients Program) của BPA (Bonneville Power Administration)

Quy tắc hình thang: Được dùng để biến đổi những phương trình vi phân của từng

phần tử hệ thống điện thành phương trình đại số gồm các giá trị điện áp, dòng điện và các giá trị khác Những phương trình này tập hợp lại bằng phương pháp nút tương đương, kết quả ma trận tổng dẫn này là đối xứng và không thay đổi nếu lấy phép tích phân được thực hiện với các bước thời gian có độ lớn cố định (fixed time-step size) Quy trình này có thể

áp dụng cho những mạng có độ lớn bất kỳ

Phương pháp Bergeron: Có hiệu quả với những đường dây không có tổn thát và

không bị biến dạng, tuy nhiên, những thông số của hệ thống điện lại phụ thuộc vào tần số

Mô hình đường dây truyền tải phụ thuộc tần số đầu tiên được phát triển cho việc mô phỏng bằng chương trình EMTP được ra đời năm 1973 sau đó được bổ sung dần

Sơ đồ Dommel: Ban đầu được dùng để giải quyết những hệ thống tuyến tính tuy

nhiên nhiều thành phần trong hệ thống như máy biến áp, lò hồ quang điện, CB… có đặc tính phi tuyến nên sơ đồ đã được cải tiến Những cải tiến này dựa trên việc biểu diễn nguồn dòng, đặc tuyến tuyến tính theo từng đoạn (picewise-linear) hoặc phương pháp bù Một phần tử không tuyến tính đặc biệt trong hệ thống điện là máy phát đồng bộ và mô hình máy phát đồng bộ 3 pha được bổ sung để thực hiện những mô phỏng cộng hưởng đồng bộ

2.2 Phương pháp giảm thiểu dao động số:

Những chương trình dựa trên quy tắc hình thang hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng quá độ điện từ nhờ vào tính đơn giản của quy tắc láy tích phân và độ

ổn định số Tuy nhiên quy tắc này lại gặp trở ngại do thực hiện với các bước thời gian có

độ lớn cố định (fixed time-step size) và có thể tạo ra những dao động số

Do thời gian thực hiện một bước mô phỏng (time-step) xác định độ lớn tần số cực đại để mô phỏng do vậy người sử dụng phải biết trước dải tần số nào của việc mô phỏng quá độ Mặt khác cả hai việc quá độ nhanh và chậm có thể xảy ra cùng lúc trong nhiều nút khác nhau trong nhiều trường hợp chẳng hạn như hoạt động đóng cắt hoặc chuyển đổi giữa các đoạn trong các phần tử cảm kháng tuyến tính từng đoạn, quy tắc hình thang hoạt

pháp được đặt ra để điều chỉnh hoặc giảm bớt những dao động số này bằng cách mắc thêm điện trưở song song với điện cảm L hoặc nối tiếp với tu điện C

2.3 Khởi tạo điều kiện ban đầu:

Phương pháp giải bài toán quá độ tùy thuộc vào điều kiện ban đầu của hiện tượng Mặc dù một số mô phỏng được thực hiện với điều kiện ban đầu bằng 0, chẳng hạn như các nghiên cứu về chống sét, nhưng có nhiều trường hợp các biệt mà việc mô phỏng phải bắt đầu từ chế độ ổn định tần số cao Điều này rất qua trọng đối với các phần mềm mô phỏng quá độ điện từ

Giải pháp cho bài toán trạng thái ổn định của mạng lưới tuyến tính tại một tần số là một nhiệm vụ đơn giản hơn nhiều và có thể đạt được khi dùng phương trình nút qui nạp giống như những giải pháp quá độ Tuy nhiên, nhiệm vụ này có thể rất phức tạp trong hệ thống phi tuyến

CHƯƠNG II : TỔNG QUAN CÁC PHẦN TỬ

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

I GIỚI THIỆU CHUNG:

Để mô phỏng chính xác các hiện tượng quá độ đòi hỏi từng phần tử hệ thống điện phải có dải tần số có thể thay đổi từ 0Hz đến vài MHz Mô hình này cần phải chú ý đến các thông số phụ thộc tần số và có thể đạt được khi phát triển những mô hình toán học đủ chính xác cho một dải tần số riêng biệt, mỗi dải tần số thường phù hợp với một số hiện tượng quá độ đặc biệt

Theo các tài liệu qui định của IEEE, dãi tần số có thể phân ra làm 4 nhóm:

- Quá độ tần số thấp: có dải tần số từ 0.1 Hz đến 20 kHz

- Quá độ tần số chậm: có dải tần số từ 50/60 Hz đến 20 kHz

- Quá độ tần số nhanh: có dải tần số từ 10 kHz đến 3 MHz

- Quá độ tần số cực nhanh: có dải tần số từ 100 kHz đến 50 MHz

Dưới đây trình bày các phần tử quan trọng trong hệ thống điện rất cần thiết trong quá trình mô phỏng: đường dây trên không, cáp cách điện, máy biến áp, chống sét, mạng điện tương đương, máy điện quay, CB, hệ thống bảo vệ (rơle) và xét đến các đặc tính phụ thuộc tần số của chúng

1.1 Đường dây truyền tải trên không:

Hai loại mô hình trong miền thời gian đã được phát triển chi đường dây trên không

Hầu hết các mô hình khi giải quyết các phương trình đường dây truyền tải dùng phương pháp miền thời gian Những mô hình này được dựa trên phương thức lý thuyết:

phương trình đường dây nhiều pha được tách riêng ra thông qua phương thức biến đổi ma trận vì thế mỗi chế độ có thể được nghiên cứu một cách độc lập như đường dây pha đơn Những đường dây cân bằng hay không chuyển vị, các ma trận biến đổi phụ thuộc tần số Tuy nhiên, vẫn có thể đạt được độ chính xác tốt bằng cách sử dụng những ma trận biến đổi không đổi

Các mô hình đường dây truyền tải dùng phép biến đổi đệ quy và giả định ma trận biến đổi phụ thuộc tần số đều có các tài liệu chi tiết Giải pháp quá độ của mô hình này dựa vào sự gần đúng trong hàm hữu tỉ của hàm tổng dẫn đặc tuyến và lan truyền Bậc của hàm hữu tỉ sẽ tùy thuộc vào đường dây hình học, dải tần số và độ chính xác muốn có Độ chính xác cao chỉ đạt được với một lượng số thật lớn(real poles) điều này có thể hạn chế việc mô phỏng phỏng mạng điện lớn Điều chỉnh bậc thấp đã được đưa ra để cung hòa giữa độ chính xác và sự đơn giản của mô hình Những phương pháp mới để sử dụng cho những ma trận biến đổi phụ thuộc tần số đã được đề ra dựa vào phương pháp Newton – Raphson, điều chỉnh vecto và phương thức phân ly hoặc phân cực phân ly Phương pháp giải khác dựa vào nguyên lý xếp chồng và phép biến đổi Hartly

1.2 Cáp cách điện:

Việc thành lập các hàm toán học cho cáp cách điện và phương pháp giải tương tự như phương pháp đối với đường dây trên không Tuy nhiên, do cáp rất đa dạng về chủng loại nên khó có thể xây dựng được một mô hình chung cho tất cả các loại cáp

Một trong những công việc đầu tiên được tiến hành là việc tạo ra công thức chung của trở kháng và tổng dẫn của cáp đồng trục lõi đơn và cáp ống, việc này được gọi là cáp hằng số Khả năng này có thể dùng để đánh giá các ma trận tương đương và mạch tương đương hình  của cáp để đạt trạng thái ổn định ban đầu tại tần số đơn nhưng không thể dùng để thực hiện để tính toán quá độ một cách chính xác Như đã nói ở trên giá trị của công thức này bị giới hạn và dùng để tính toán quá độ trong lân cận của tần số tại các thông số ước lượng

1.3 Máy biến áp:

Để biểu diễn chính xác máy biến áp trên một dải tần số là rất khó dù thiết kế máy biến áp khá đơn giản Một số mô hình máy biến áp được sử dụng là:

- Máy biến áp một cuộn, ba cuộn và n cuộn dây quấn được biểu diễn dưới dạng những nhánh ma trận trở kháng hoặc ma trận điện dẫn, các mô hình này không bao gồm hiệu ứng phi tuyến của lõi sắt bao gồm sự kết nối điện cảm phi tuyến tại các đầu cực của cuộn dây

- Nhiều mô hình chi tiết kết hợp các đặc tính phi tuyến của lõi có thể đạt được bằng cách sử dụng nguyên tắc tính đối ngẫu hình học Topo dựa trên mô hình

từ Các mô hình này thích hợp với mô phỏng quá độ chậm và quá độ tần số thấp

- Các mô hình đã nêu không đề cập đến sự phụ thuộc vào tần số do đó không thể dùng để biểu diễn cho máy biến áp ở tần só cao Mô hình phụ thuộc tần số có thể chia làm hai loại : mô hình với sự mô tả chi tiết ở bên trong cuộn dây và mô hình cực (terminal model)

1.4.Thiết bị bảo vệ quá áp:

Có hai loại chính: loại có khe hở làm bằng Silicon-carbide và loại làm bằng oxide (loại này thông dụng hơn thường được gọi là MOSA : Metal-Oxide Surge Arresters) Các MOSA có đặc tính phi tuyến phụ thuộc tần số, điện áp rơi trên nó là một hàm toán học của biên độ dòng điện và mức độ tăng

Metal-1.5 Máy điện quay:

Điều cần thiết cho những mô hình chi tiết hóa máy phát đồng bộ trong chương trình mô phỏng được thúc đẩy bởi một số vấn đề liên quan đến cộng hưởng đồng bộ phụ lớn (SSR-Serious Subsynchronous Resonance) ở đầu những năm 70 Những tiện ích được

đề cập bao gồm những tác động qua lại giữa các loại máy điện đồng bộ và hệ thống

Việc mô phỏng tác động xoắn giữa hệ thống máy phát turbin cơ khí và hệ thống điện cần biểu diễn một cách chi tiết hóa của máy phát và hệ thống điện Nhiều mô hình máy phát đồng bộ 3 pha được cải tiến và bổ sung vào giữa thập niên 70 Tất cả những mô hình này được dựa trên phép biến đổi Park để giải quyết các phương trình điện dựa liên kết phần cơ khí và điện sử dụng phương pháp giải biện luận để giải quyết giao diện hệ thống điện- cơ trong đó bao gồm cả hệ thống điều khiển

1.6 Circuit Breakers:

Một mô hình CB chính xác cần phải biểu diễn cả hai quá trình đóng và mở Việc đóng cắt tiếp điểm là nguyên nhân sinh ra hồ quang điện và hiện tượng hồ quang bị dập tắt rất phức tạp Để giải quyết bài toán này, người ta sử dụng mô hình hộp đen Mục đích của mô hình là mô tả sự tương tác của hồ quang với mạch điện Xem hồ quang điện là một mạng hai cửa và hàm truyền đạt là một hàm toán học đã chọn trước, sau đó điều chỉnh các thông số tự do để đo giá trị dòng và áp Từ lý thuyết này người ta xây dựng các mô hình

- Mô hình 3: Đây là mô hình tối ưu nhất, CB được trình bày dưới dạng một điện trở biến thiên Mô hình có thể biểu diễn ảnh hưởng của hồ quang với hệ thống và ảnh hưởng của hệ thống lên hồ quang Mô hình dùng để nghiên cứu các sự cố ngắn

mạch và khi đóng cắt dòng điện cảm ứng có giá trị rất nhỏ

II MÔ HÌNH MÁY BIẾN ÁP

2.1 Giới thiệu chung:

Máy biến áp là một thiết bị biến đổi công suất điện AC tại một mức điện áp thành công suất điện AC tại một mức điện áp khác thông qua hiệu ứng điện trường Máy biến áp đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện đặc biệt là trong việc truyền tải điện năng Các máy biến thế là thiết bị biến đổi rất hữu hiệu bởi sự mất mát do chuyển động quay bình thường bị loại bỏ, sự hao hụt công suất tương đối ít lúc biến đổi công suất định mức điện áp này đến mức điện áp khác Hiệu suất thiêu biểu thường nằm trong khoảng từ

90 đến 99%, giá trị lớn hơn áp dụng cho các máy biến áp có công suất lớn

Cấu tạo máy biến áp gồm:

- Hai hay nhiều cuộn dây được quấn quanh một lõi sắt từ chung, những cuộn dây này thường không được nối trực tiếp với nhau Các cuộn dây liên hệ với nhau bằng

từ thông Một cuộn dây của biến áp được nối vào nguồn công suất AC gọi là cuộn

sơ cấp hay cuộn vào, cuộn thứ hai (hoặc các cuôn dây còn lại nếu máy biến áp có nhiều hơn 2 cuộn dây) được nối với tải gọi là cuộn dây thứ cấp hay cuộn ra

Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp trong một máy biến áp thực tế được quấn chồng cuộn này lên cuộn kia, cuộn có điện áp thấp ở bên trong, cuộn có điện áp cao ở bên ngoài Sở dĩ ta sắp xếp như vậy nhằm:

+ Dễ dàng hơn khi cách điện giữa các cuộn dây và lõi, nếu ta đặt cuộn dây có điện áp cao ở bên trong việc cách điện cuộn cao áp với lõi

+ Giảm từ thông rò hơn trường hợp cách cuộn dây được quấn cách nhau một khoảng trên lõi

- Lõi của máy biến áp có hai loại:

+ Một loại gồm nhiều lá thép hình chữ nhật đơn giản với các cuộn biến áp quấn đồng tâm quanh hai cạnh của hình chữ nhật, đường dẫn từ thông trong cuộn dây nhưng từ thông đạt được trong lõi không lớn bằng từ thông của máy biến thé kiểu hình vỏ sò (shell-form) và dòng dây trong cuộn dây có chiều dài trung bình ngắn hơn Loại này được gọi là hình lõi hạch (core-form)

+ Một loại được cấu trúc gồm nhiều lá thép hình chữ E với các cuộn dây quấn đông tâm quanh chân giữa, cuộn điện áp cao được quấn ở đầu cuộn điện áp thấp Loại này được gọi là hình vỏ sò (shell-form) Trong cả hai loại trên lõi đều được ghép từ các lá thép mỏng và đều được cách điện để giảm thiểu hiệu ứng dòng điện xoáy

Các máy biến áp có thể có thể có các lõi không khí, ferrite hoặc vật liệu sắt từ phụ thuộc vào tấn số trong ứng dụng đặc biệt Sắt thép đặc biệt được dùng làm một phiên tiện cách điện phù hợp cho các lõi nằm ở tần số vô tuyến thấp hơn Các máy biến thế có lõi không khí sẽ được dùng ở tần số cao hơn

Các biến áp công suất được gọi tên theo công dụng của nó trong hệ thống điện

- Máy biến áp được nối với đầu ra của một máy phát và được dùng để tăng cấp điện áp của nó lên các mức truyền tải (trên 110kV) được gọi là máy biến áp đơn

vị

- Máy biến áp dùng để giảm cấp điện áp trên đường dây xuống mức điện áp phân phối (từ 2.3kV đến 4.5kV) được gọi là biến áp trạm phụ

- Máy biến áp tiếp nhận điện áp phân phối và giảm cấp điện áp xuống mức có thể dùng để cung cấp cho các thiết bị điện tiêu thụ thông thường (110v, 200V, 208V v.v…) gọi là biến áp phân phối hay biến áp hộ tiêu thụ

Tất cả các loại máy biến áp kể trên đều giống nhau về bản chất, nguyên lý hoạt động điểm khác biệt là cấp điện áp và phạm vi sử dụng

Ngoài những loại máy biến áp kể trên trong hệ thống điện còn dùng hai loại máy biến áp đặc dụng được sử dụng với máy điện và hệ thống điện:

- Một loại máy biến áp dùng để thử một cao áp và tạo ra một điện áp tỉ lệ thuận với điện áp đó Người ta gọi đây là biến điện áp (CU) Một máy biến điện áp cũng giống như một máy biến áp công suất cũng biến điện áp thứ cấp tỉ lệ với điện áp sơ cấp nhưng điểm khác biệt ở đây là máy biến điện áp được chế tạo chỉ cho phép được sử dụng với dòng điện rất bé

- Một loại máy biến áp dùng để biến đổi ở phía thứ cấp môt dòng điện rất nhở ở phía thứ cấp tỉ lệ thuận với dòng điện ở phía sơ cấp Người ta gọi đây là biến dòng điện hay biến thế dòng hay biến dòng (CT)

Cả hai loại máy biến áp kể trên đều được sử dụng trong việc đo đạc và điều khiển

hệ thống điện

2.2 Các mô hình máy biến áp:

Máy biến áp là một thành phần rất quan trọng trong hệ thống điện Việc mô hình hóa máy biến áp trong hệ thống điện là rất quan trọng bởi trong quá trình mô phỏng hệ thống điện các thông số và đặc tính của từng loại máy biến áp có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống cũng như trạng thái hệ thống trong quá trình hoạt động

Việc xây dựng mô hình máy biến áp đã được đặt ra từ rất lâu và được quan tâm đặc biệt bởi yêu cầu tính toán và thiết kế trong hệ thống điện trong bài toán giải tích hệ thống mạng điện Nhiều mô hình máy biến áp đã được đưa ra nhằm phục vụ yêu cầu trên

a) Mô hình máy biến áp lý tưởng:

Máy biến áp lý tưởng là một thiết bị không tổn hao với một cuộn thứ cấp và một cuộn sơ cấp Trong máy biến áp lý tưởng có Np vòng dây trên cạnh sơ cấp và

Na vòng dây trên cạnh thứ cấp Biểu thức giữa điện áp Vp(t) được đặt vào cạnh sơ cấp của biến áp lý tưởng và điện áp VS(t) được đặt trên cạnh thứ cấp là

a N

N t V

t V





2 1 2

1

)(

)(

(2.1)

Dòng điện qua cuộn dây sơ cấp và dòng điện qua cuộn dây thứ cấp

a I

b) Mô hình máy biến áp hai cuộn dây:

Sơ đồ 3.1 miêu tả sơ đồ nguyên lý của máy biến áp hai dây quấn gồm một lõi sắt, hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp ở mạch thứ cấp có một phụ tải Ztp

2.1 Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp một pha hai dây quấn Khi cuộn dây sơ cấp được cung cấp điện dòng từ thông được tạo ra trong lõi sắt Dòng từ thông chạy qua cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp khép kín trong lõi sắt gọi

là từ thông tương hỗ giá trị lớn nhất của nó được kí hiệu là m Ngoài thành phần chính này còn từ thông rò 1và 2tạo ra trong cuộn dây sơ cấp và thứ cấp Từ thông rò 1và 2tạo ra x1 và x2, đó là cảm kháng của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp và điện trở r và r của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

Sơ đồ thay thế hình T của máy biến áp hai dây quấn

2.2 Sơ đồ thay thế của máy biến áp hai dây quấn

a.Sơ đồ thay thế hình T ; b Sơ đồ thay thế hình I

c,d Sơ đồ thay thế đơn giản hóa

2 '

Dòng I là thành phần dòng từ hóa của dòng điện sơ cấp I1 để tạo ra từ thông

tương hổ tổng Dòng từ hóa I gồm hai thành phần: thành phần phản kháng "

Trên sơ đồ thay thế hình T ta thấy tổng trở cuộn thứ cấp '

2

Z và tổng trở tải Ztpđược quy đổi về phía sơ cấp

(2.6) )

(

2 '

jx r a

Z  

Với sơ đồ thay thế hình T đã xét đến dâyd đủ các tổn thất công suất trong máy biến áp như :

- Tổn thất công suất đồng ở cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp (r1, r2) đây là tổn thất do hiệu ứng Jun

- Tổn thất công suất phản kháng ở cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp do từ thông rò (x1, x2)

- Tổn thất công suất tác dụng trong lõi sắt của máy biến áp do dòng điện Fuco sinh ra (gB)

- Tổn thất công suất phản kháng do gây từ (bB).

Sơ đồ thay thế hình T không thuận lợi cho việc tính toán nên để thuận tiện hơn trong việc tính toán ta rút gọn sơ đồ trên Giả sử bỏ qua không xét đến dòng điện không tải chạy trong cuộ sơ cấp, các tham số của máy biến áp có thể được coi là không đổi, sai số nhỏ lúc đó việc tính toán sẽ trở nên đơn giản hơn Khi thay thế sơ

0

P

P Fe 



và dựa trên bảng số liệu của nhà sản xuất đưa ra

Các tham số khác của máy biến áp gB, xB, rB, bB được xác định dựa trên các thông số của nhà sản xuất cho như sau Các tham số của nhà sản xuất cho gồm:

Sđm: Công suất định mức của máy biến áp

UCđm, UHđm: Điện áp định mức của cuộn dây cao áp và cuộn dây hạ áp

P

 : Tổn thất công suất tác dụng không tải

Điện dẫn của máy biến áp được xác định từ kết quả thí nghiệm không tải:

Trong thí nghiệm này, cuộn dây thứ cấp để hở mạch, đặt điện áp định mức vào cuộn sơ cấp Dòng điện chảy qua rB và xB của sơ đồ thay thế bằng 0 Trong chế độ này máy biến áp tiêu thụ một công suất còn gọi là công suất tổn hao không tải

Fe

P Q j P

S      

Điện dẫn được xác định theo biểu thức sau:

1 2

1 2

dm

Fe B

U

Q b

U

P g

(2.10)

Trong đó điện áp có đơn vị là kV, P Fe và Q Fe có đơn vị là MW, MVAr Tổn

thất công suất tác dụng trong lõi thép có thể tra trong sổ tay kỹ thuật điện Nhưng

U

S I

dm

I U U

S

I

Gọi S0  3U dm I0 là công suất không tải S0 gồm hai thành phần :

- Tổn thất công suất tác dụng trong lõi thép P Fe

- Tổn thất công suất phản kháng để gây từ Q Fe

2.3 Đồ thị không tải của máy biến áp Dựa vào đồ thị không tải của máy biến áp (hình 3-10), dòng không tải I0 có hai thành phần: thành phần '

0

I gây ra P Fe và thành phần "

0

I gây ra Q Fe Góc  hết sức nhỏ, nên '

100

%100

%3

33

0 0

0

"

0

dm dm

dm

dm dm

Fe

S I U

I I

U I U

I Q

1 2

0

,100

U

S I

Trong đó điện áp có đơn vị là kV, công suất định mức của máy biến áp là MVA

Điện trở r B và điện kháng x B của máy biến áp được xác định từ thí nghiệm ngắn mạch:

Trong thí nghiệm này cuộn dây thứ cấp được nối tắt còn cuộn dây sơ cấp được đặt vào một giá trị điện áp sao cho dòng điện qua cả hai cuộn dây của máy biến áp đạt giá trị định mức Giá trị đó được gọi là điện áp ngắn mạch uN Tổn thất trong lõi sắt khi làm thí nghiệm ngắn mạch rất nhỏ, vì uN khá bé so với uđm Ta có:

B dm B dm

U P

S

U u

c) Mô hình máy biến áp ba cuộn dây, máy biến áp tự ngẫu:

Máy biến áp ba cuộn dây được sử dụng trong các trạm biến áp cần có ba cấp điện áp định mức: cao áp UC, trung áp UT, hạ áp UH Việc sử dụng máy biến áp ba cuộn dây hay máy biến áp tự ngẫu sẽ kinh tế hơn việc sử dụng ba máy biến áp hai cuộn dây

Trong máy biến áp tự ngẫu trung điểm được nối đất nên được sử dụng trong các mạng điện 110kV trở lên Ơ mạng điện 35kV, trung điểm cách điện hay nối đất qua thiết bị bù nên không sử dụng được Sơ đồ đấu nối các cuộn dây của máy biến

áp được trình bày trong sơ đồ dưới đây

2.4 Sơ đồ đấu dây và phân bố dòng của máy biến áp ba cuộn dây và máy biến áp

tự ngẫu

a Sơ đồ đấu dây của máy biến áp ba cuộn dây

b Sơ đồ đấu dây của máy biến áp tự ngẫu

c Chế độ hạ áp: truyền tải công suất cao từ cao áp sang trung áp và hạ áp

d Chế độ tăng áp: truyền tải công suất cao từ hạ áp sang cao áp và trung áp

e Chế độ truyền tải công suất từ trung áp sang cao áp và hạ áp

Công suất định mức của máy biến áp tự ngẫu là công suất giới hạn lớn nhất cho phép qua cuộn cao áp của máy biến áp tự ngẫu Công suất định mức được xác định bằng công thức

) ( ) (

) ( ) ( ) (C H , N C T , N T H

Để dễ dàng tính toán thông số của máy biến áp tự ngẫu và máy biến áp ba cuộn dây

2.5 Sơ đồ thay thế của máy biến áp ba cuộn dây và máy biến áp tự ngẫu

a Sơ đồ thay thế hình I b Sơ đồ thay thế đơn giản hóa

c Sơ đồ làm thí nghiệm ngắn mạch C-H Đối với máy biến áp tự ngẫu công suất định mức của cuộn dây cao áp và cuộn dây trung áp đều bằng công suất định mức của máy biến áp tự ngẫu, công suất định mức của cuộn dây hạ áp bé hơn công suất định mức máy biến áp tự ngẫu nên ta phải qui đổi các giá trị về phía hạ áp

2 ) ( ) (

2 ) ( ) (

2 ) ( )

(

2 ) ( )

(

H

H H T N H T N

H

H H C N H C N

H

H H T N H

T N

H

H H C N H

C N

u u

u u

P P

P P