Mô hình hoá và mô phỏng chống sét van bằng sử dụng phần mềm ETMP

Bài viết Mô hình hoá và mô phỏng chống sét van bằng sử dụng phần mềm ETMP trình bày thảo luận về các bước cần thực hiện để thu được những thông số tính toán cần thiết để đại diện cho mô hình chống sét van trên cơ sở mô hình phụ thuộc tần số được đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của IEEE trong mô phỏng quá độ. Phần mềm EMTP được sử dụng để mô phỏng sự làm việc của chống sét van trong suốt quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện,... Mời các bạn cùng tham khảo.

TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN MƠ HÌNH HỐ VÀ MƠ PHỎNG CHỐNG SÉT VAN BẰNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM EMTP Võ Tiến Dũng*, Trần Duy Trinh**, Võ Tiến Trung **, Vũ Anh Tuấn*** Title: Modeling and Simulation of Surge Arresters Using EMTP Từ khóa: Điện từ, EMTP, mơ hình, sét, tần số phụ thuộc Keywords: Electromagnetic Transients, Surge Arrester, EMTP, Modeling, lightning, Frequency Dependent Thông tin chung: Ngày nhận bài: 10/1/2017; Ngày nhận kết bình duyệt: 08/2/2017; Ngày chấp nhận đăng bài: 06/9/2017 Tác giả: * NCS., **TS., ***ThS., trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh vutuanktv@yahoo.com, tdungtmv@gmail.com TÓM TẮT Bài viết thảo luận bước cần thực để thu thơng số tính tốn cần thiết để đại diện cho mơ hình chống sét van sở mơ hình phụ thuộc tần số đề xuất nhóm nghiên cứu IEEE mô độ Phần mềm EMTP sử dụng để mô làm việc chống sét van suốt trình độ điện từ hệ thống điện Các mô thực có sét đánh đường dây truyền tải lưới điện trung thế, điện áp ghi lại 22kV đầu cực chống sét, biểu diễn đồ thị chương trình PlotXY EMTP ABSTRACT This paper discusses the steps to be performed for deriving the parameters needed to represent model of surge arresters based on frequency dependent model recommended by the IEEE WG.3.4.11 in transient simulations The program EMTP (ElectroMagnetic Transient Program) was used to simulate the performance of surge arresters during electromagnetic transients on power systems The simulation was done when the lightning strikes on the transmission line of medium voltage grid, the voltage was recorded at 22 kV bus and at terminal of surge arrester, and were drawn by the PlotXY program Giới thiệu Trước mơ hình chống sét van nhóm nghiên cứu tổ chức IEEE đưa ra, Durbak đề xuất mơ hình chống sét van tổng qt (Durbak W.D., 1985) Đó mơ hình chống sét van phụ thuộc tần số thực cách chia nhỏ thành nhiều trở kháng phi tuyến tần số thấp (Hình 1) Mỗi điện trở phi tuyện phu thuỗc thởi gian đưởc ngan cach cac bỗ lỗc thỗng thap Rat khỗ đệ đỗ lưởng cac thỗng sỗ thưc nghiệm đệ tính tỗan cac thỗng sỗ cua mỗ hính trện pham vi rỗng (m>2) Tuy nhiện đỗi vởi sư phỗi hởp cach điện, quan tam la sư xuat cua hiệu ưng phía trưởc nhanh chỗng khu vưc xung sệt, nởi cac dỗng điện sệt tư 1kA đện 20kA xay trỗng thởi gian rat ngan, tư 0,5μs đện 10μs Đỗi vởi pham vi kệt qua tỗt cỗ thệ đat đưởc m = va điệu dan đện cac mỗ hính cua IEEE (Hính 2) (IEEE W.G 3.4.11, 1992, tr 301-309) Hình Mơ hình tổng qt Durbak đề xuất Số 03 (10/2017) 18 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN cách rõ ràng nhà sản xuất khác sử dụng giá trị khác Điều khơng ảnh hưởng đến mơ hình, giá trị đỉnh điện áp dư trùng với tăng lên xung sét Hình Mơ hình tổng quát IEEE đề xuất Năm 1999, Pincệnti Giannệttỗni trỗng (Pinceti P & Giannettoni M., 1999, tr.393-397) đởn giản hố mơ hình chống sét van IEEE Mơ hình thể Hình Hình Mơ hình IEEE đơn giản Pincenti Giannettoni đề xuất Trỗng mơ hình này, hai điện trở song song với điện cảm thay điện trở có giá trị lớn (khoảng MΩ) đặt hai cực đầu vào Mục đích điện trở để giảm bớt daỗ động q trình tính tốn Giá trị điện cảm tính sau (thệỗ Durbak W.D.,1985): L1  V1 / T2  V8 / 20 U n ( H ) V8 / 20 (1) L0  V1 / T2  V8 / 20 U n  L1 ( H ) 12 V8 / 20 (2) Trỗng đó: Un- điện áp làm việc lớn chống sét van V1/T2 - điện áp dư (Rệsidual vỗltagệ) xung dòng điện sét 10 kA dạng sóng 1/T2 μs Thời gian giảm (T2) không viết V8/20- điện áp dư xung dòng điện sét 10kA với dạng sóng 8/20μs Thực nghiệm cho thấy mơ hình chống sét van dỗ Pincệnti Giannệttỗni đề xuất cho kết tốt so với kiểm tra chống sét van thực nhà sản xuất (Pinceti P., Giannettoni M., 1999, tr 393-397) Trong viết sử dụng mơ hình chống sét van Có thể mơ số phần mềm MATLAB/SIMULINK (Patne N R & Thakre K L ,2007, tr 59-63), PSCAD/EMTDC (Ntombela M & cs, 2005), EMTP (Pinceti P & Giannettoni M., 1999) Phần mềm độ điện từ EMTP (Electromagnetic Transients Program) chưởng trình máy tính giúp chỗ việc mơ trình độ điện từ, điện cở điều khiển hệ thống điện Cũng nhiều phần mềm khác, EMTP sử dụng cho học tập nghiên cứu với mã nguồn mở, chỗ thưởng mại Trong nghiên cứu so sánh công cụ mô phần mềm EMTP MATLAB (Meenu Kanwar & cs, 2014, tr 50-56), kết cho thấy phần mềm EMTP cho kết tốt hởn việc mô trình vật lý đường dây tải điện trạm biến áp MATLAB thuận tiện hởn trỗng điện tử cơng suất, xử lý tín hiệu điều khiển Trong viết này, phần mềm EMTP chọn để mơ chống sét van với mơ hình EMTP đánh giá hệ thống chưởng trình quốc tế sử dụng rộng rãi để mô tượng độ điện từ hệ thống điện Việc mô thực phiên 6.0 có quyền trường đại học kỹ thuật Ostrava, cộng hoà Séc Số 03 (10/2017) 19 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu sở đồ lưới điện phân phối điện áp 22kV, tần số 50Hz cho Hình Dây dẫn sử dụng đường dây không ba pha 3xAC70, X0= 0,396Ω/km b0=2,79.10-6 (1/Ω.km), chiều dài thể Hình 4, phụ tải 1,58MW 1,02Mvar 23km Sourc e ~ 22kV Load Bus 7km book, 2004) với biên độ 10kA Sở đồ mô hệ thống điện với chống sét van thể Hình 8km CSV Hình Sơ đồ lưới điện Sử dụng phần mềm EMTP mô điện áp đầu cực chống sét van góp sét đánh vàỗ dây pha Hình Sơ đồ mô xung sét EMTP Như trình bày mục 1, chúng tơi sử dụng mơ hình chống sét van Pincenti Giannệttỗni đề xuất, phần mềm EMTP sở đồ mô thể Hình Mơ kết 3.1 Các thơng số cần thiết cho q trình mơ phỏng: Trở kháng đặc tính (Surge impedance) đường dây tính sau: ZC  L0 C0 Trỗng đó: L0 điện cảm đởn vị dài (H/km) C0 điện dung đởn vị dài (F/km) Với dây AC70, X0 = 0,396Ω/km b0 = 2,79.10-6 (1/Ω.km), tính L0 = 1,261.10-3 H/km C0 = 8.885.10-9 F/km, dỗ đó: L0 ZC   376 () C0 Trong phần mềm EMTP, đường dây 22kV sử dụng mơ hình JMarti (ATP Theory book, 2004) với đường dây không, điện trở suất đất ρ = 50Ωm Sét mơ nguồn Heidler (ATP Theory Hình Sơ đồ mô chống sét van Bảng thơng số chống sét kim loại điển hình sử dụng báo Bảng Dữ liệu chống sét van: Loại variSTAR AZG (ArresterWorks.com) Điện áp làm việc lớn (kV) Điện Điện áp dư với dạng sóng (V) áp làm 1/5μs 8/20μs việc định mức 10kA 20kA 10kA 20kA (kV) 27 22 96795 103437 81729 88371 Số 03 (10/2017) 20 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN Từ bảng ta có: Vn= 27kV Bảng Đặc tính V-I sử dụng cho A0 A1 mơ hình chống sét van V1/T2= 96.795kV I (kA) A0 (kV) A1 (kV) V8/20= 81.729kV 2.10-6 65.6 50.5 0.1 78.9 63.8 85.2 70.1 89.7 74.7 10 96.7 81.7 20 103.4 88.4 Ta tính được: L1  V1 / T2  V8 / 20 96.795  81.729 Un  27  1.2443( H ) V8 / 20 81.729 L0  V1/ T2  V8 / 20 96.795  81.729 Un  27  0.3111( H ) 12 V8 / 20 12 81.729 Để xác định đặc tính điện trở phi tuyến A0, A1 dựa đường đặc tính V-I thực nghiệm nhóm nghiên cứu IEEE đưa (IEEE W.G 3.4.11, 1992) Kết mô Sử dụng phần mềm EMTP mô cho trường hợp xảy sét đánh trực tiếp vào pha B gần chống sét van Kết điện áp pha đầu cực chống sét van vẽ ứng dụng PlotXY EMTP thể Hình Hình 8a Đồ thị sóng pha 20ms Hình Đường đặc tính V-I dựa kết thực nghiệm nhóm nghiên cứu IEEE Trong phần mềm EMTP, đặc tính V-I điện trở phi tuyến mơ tả phưởng trình: I= B.Vq Với B q số Kết hợp phưởng trình phi tuyến với đường cong thực nghiệm xác định giá trị phi tuyến A0, A1 thể bảng Hình 8b Đồ thị sóng pha 0.6ms Hình Điện áp pha đầu cực chống sét van sét xảy pha B Số 03 (10/2017) 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN Hình 9a Đồ thị sóng pha 30ms Hình 10 Điện áp pha điểm bị sét đánh trực tiếp (vào pha B) khơng có chống sét van Hình 9b Đồ thị sóng pha 0.6ms Hình Điện áp pha sét xảy pha B Có thể quan sát hình 9: Khi xảy sét đánh trực tiếp vàỗ pha B, điện áp xung Hình 11 Điện áp pha khơng có chống sét van Bảng Điện áp lớn pha đầu cực chống sét van kích pha B chống sét van lên tới 200 Điện áp cực đại (kV) kV, thấp hởn, 120kV, thời gian xảy ngắn, chưa đến 1ms Có thể sỗ sánh điện áp với trường hợp khơng có chống sét van, Hình 10, 11 Khi điện áp Có sử dụng chống sét van Vị trí Đầu cực chống sét van Thanh Đầu cực chống sét van Thanh Pha A 88,2 56,1 478 208 Pha B 198,0 114,0 1095 643 Pha C 59,0 38,1 531 188 xung kích pha B lên đến 1100kV điểm bị sét đánh 650kV Bảng cho thấy chi tiết hởn điện áp lớn pha trỗng trường hợp có khơng có chống sét van Từ kết mơ ta tính lực điện động tác động lên thiết bị điện giúp cho việc tính tốn lựa chọn thiết bị phù hợp Không sử dụng chống sét van Số 03 (10/2017) 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN Kết luận Bài viết trình bày q trình tính tỗán mơ chống sét van dựa mơ hình IEEE đề xuất Đồng thời việc mơ q trình q độ điện áp đầu cực chống sét van mạng điện trung áp thực phần mềm EMTP Kết mô giúp xác định ảnh hưởng sét lên lưới điện, hỗ trợ cho việc tính tốn, lựa chọn thiết bị phù hợp có biện pháp giảm thiểu thiệt hại sét gây Trong thực tế, việc kiểm nghiệm tượng sét đường dây khó, với mơ hình này, người thiết kế thay đổi thông số chống sét van dựa số liệu thực, từ lựa chọn chống sét van phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO ArresterWorks.com, Medium and High Voltage Arrester and Lightning Standards Overviews Truy cập ngày 10/6/2016, từ http://arresterworks.com/standards/overvi ew.php#c62_1 ATP Theory book, EMTP-ATP Programs (2004) Ấn kèm theo phần mềm Durbak W.D.(1985) Zinc-Oxide Arrester Model for Fast Surges, EMTP Newsletter, Vol 5, No 1, January 1985 IEEE W.G 3.4.11 of Surge Protective Devices Committee (1992) Modeling of metal oxide surge arresters IEEE Trans on Power Delivery, Vol 7, NO 1, pp 301 - 309, January 1992 IEEE Guide for the Application of Metal-Oxide Surge Arresters for Alternating- Current Systems (1991), IEEE Std C62.22-1991 Loszlu Prikler, Hans Kristian Hoidalen (2009) ATPDRAW version 5.6, ấn kèm theo phần mềm Meenu Kanwar, Komal Arora, Sawan Kumar Sharma (2014) Comparison of Simulation Tools ATP-EMTP and MATLABSimulink for Time Domain Power System Transient Studies International Journal of Research Studies in Computer Science and Enigeering (IJRSCSE), Vol.1, issue 3, July 2014, pp 50-56 Ntombela M, Kaberere K K, Folly K A, Petroianu A I (2005) An Investigation into the Capabilities of MATLAB Power System Toolbox for Small Signal Stability Analysis in Power Systems, IEEE PES Conference and Exposition Patne N R, Thakre K L (2007) Stochastic Estimation of voltage Sag Due to Faults in the Power System by Using PSCAD/EMTDC Software as a Tool for Simulation, Journal of Electrical Power Quality and Utilisation, Vol 13, pp 59-63 10 Pinceti P., Giannettoni M.(1999) A Simplified Model for Zinc Oxide Surge Arresters, IEEE Trans On Power Delivery, Vol 14, No 2, p 393-397, April 1999 Số 03 (10/2017) 23 ... 10kA Sở đồ mô hệ thống điện với chống sét van thể Hình 8km CSV Hình Sơ đồ lưới điện Sử dụng phần mềm EMTP mô điện áp đầu cực chống sét van góp sét đánh và dây pha Hình Sơ đồ mơ xung sét EMTP Như... 3.4.11, 1992) Kết mô Sử dụng phần mềm EMTP mô cho trường hợp xảy sét đánh trực tiếp vào pha B gần chống sét van Kết điện áp pha đầu cực chống sét van vẽ ứng dụng PlotXY EMTP thể Hình Hình 8a Đồ thị... sánh điện áp với trường hợp khơng có chống sét van, Hình 10, 11 Khi điện áp Có sử dụng chống sét van Vị trí Đầu cực chống sét van Thanh Đầu cực chống sét van Thanh Pha A 88,2 56,1 478 208 Pha