Ảnh hưởng của độ đốc đầu sóng lên quá trình quá độ của cuộn dây máy biến áp

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHÂU HOÀNG TÚ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ DỐC ĐẦU SĨNG LÊN Q TRÌNH Q ĐỘ CỦA CUỘN DÂY MÁY BIẾN ÁP CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày tháng năm 2010 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày …… tháng …… năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Châu Hoàng Tú Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 09/07/1982 Nơi sinh: Hậu Giang Chuyên ngành: Thiết bị, mạng nhà máy điện MSHV: 01808327 I – TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ DỐC ĐẦU SĨNG LÊN Q TRÌNH Q ĐỘ CỦA CUỘN DÂY MÁY BIẾN ÁP II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu mơ hình vật lý tốn học cuộn dây máy biến áp trình q độ Xây dựng mơ hình cuộn dây máy biến áp chương trình ATP - Khảo sát ảnh hưởng độ dốc đầu sóng lên q trình q độ cuộn dây máy biến áp, so sánh ảnh hưởng dạng sóng khác ảnh hưởng lên trình độ cuộn dây máy biến áp - Nhận dạng vùng ảnh hưởng thông số cuộn dây lên trình độ III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010 IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2010 V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG i Lời cảm ơn Điều trước tiên, xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Hồ Văn Nhật Chương, người tận tình trực tiếp hướng dẫn, giúp tơi thực hồn thành luận văn tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn tất q thầy giảng dạy, trang bị cho kiến thức bổ ích q báu suốt q trình học tập Xin cảm ơn gia đình ln động viên tạo điều kiện để học tập tốt suốt thời gian vừa qua Xin cảm ơn tất đồng nghiệp, bạn bè thân thuộc động viên, hổ trợ tơi q trình học tập, suốt thời gian thực luận văn Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2010 Người thực Châu Hồng Tú ii TĨM TẮT Dựa vào mơ hình cuộn dây máy biến áp trình độ để xác định phân bố điện áp dọc theo cuộn dây máy biến áp sóng truyền vào cuộn dây Sử dụng chương trình tính tốn q độ ATP (Alternative Transients Program) để tính tốn phân bố điện áp Trên sở giá trị điện áp tính được, xác định phạm vi cuộn dây bị ảnh hưởng thơng số cuộn dây ảnh hưởng đến q trình độ Cuối so sánh kết tính dạng sóng khác với để xác định ảnh hưởng độ dốc đầu sóng lên trình độ cuộn dây máy biến áp iii MỤC LỤC Lời cảm ơn i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH viii DANH MỤC BẢNG xv TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .1 Chương 1: CÁC LOẠI MÁY BIẾN ÁP CAO THẾ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Giới thiệu 1.2 Máy biến áp pha .4 1.2.1 Cấu tạo .4 1.2.1.1 Lõi thép .4 1.2.1.2 Dây quấn .5 1.2.1.3 Vỏ máy 1.2.2 Nguyên lý hoạt động 1.2.3 Máy biến áp hoạt động không tải .9 1.2.3.1 Phương trình điện áp 1.2.3.2 Dịng điện khơng tải 11 1.2.3.3 Tổn hao không tải 13 1.2.4 Máy biến áp hoạt động có tải 14 1.2.4.1 Phương trình cân sức điện động .14 1.2.4.2 Phương trình cân sức từ động 17 1.3 Máy biến áp ba pha 18 1.3.1 Mạch từ máy biến áp ba pha 18 1.3.1.1 Các dạng mạch từ 18 1.3.1.2 Những tượng xuất từ hóa lõi thép .20 1.3.2 Mạch điện thay máy biến áp 22 1.3.2.1 Qui đổi máy biến áp 22 iv 1.3.2.2 Sơ đồ mạch điện thay máy biến áp .23 1.3.3 Sơ đồ nối dây máy biến áp .25 1.3.4 Đặc điểm vận hành máy biến áp 26 1.3.4.1 Giản đồ lượng máy biến áp 26 1.3.4.2 Độ thay đổi điện áp máy biến áp 27 1.4 Máy biến áp ba dây quấn 28 1.4.1 Phương trình cân .28 1.4.2 Giản đồ thay .32 1.5 Máy biến áp tự ngẫu 34 1.5.1 Những khái niệm chung 34 1.5.2 Máy biến áp tự ngẫu dùng hệ thống truyền tải điện 36 Chương 2: MƠ HÌNH VẬT LÝ VÀ TỐN HỌC CỦA CUỘN DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP CAO THẾ 37 2.1 Nghiên cứu máy biến áp pha 37 2.1.1 Hệ thống điện dung từ thông liên kết 37 2.1.2 Các phương trình vi phân tổng quát .40 2.1.3 Phân bố ban đầu .42 2.1.4 Phân bố xác lập 46 2.1.4.1 Trường hợp trung tính nối đất cuộn dây thứ cấp ngắn mạch .48 2.1.4.2 Trường hợp trung tính nối đất cuộn dây thứ cấp hở mạch 48 2.1.4.3 Trường hợp trung tính cuộn sơ cấp cách điện 48 2.1.5 Cách giải phương trình vi phân 49 2.2 Nghiên cứu máy biến áp ba pha 54 2.2.1 Trường hợp trung tính nối đất 54 2.2.2 Trường hợp trung tính cách ly 54 2.2.2.1 Sóng tác dụng vào ba pha 54 2.2.2.2 Sóng tác dụng vào hai pha 54 2.2.2.3 Sóng tác dụng vào pha .54 2.3 Mơ hình dạng điện áp tiêu biểu 54 v 2.3.1 Mơ hình sóng vng 54 2.3.2 Mơ hình sóng có dạng xiên góc .55 2.3.3 Mơ hình sóng sin 55 2.3.4 Mơ hình sóng có dạng hàm mũ 56 2.3.5 Mơ hình sóng có dạng tam giác .56 Chương 3: QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG CUỘN DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP CAO THẾ 57 3.1 Khảo sát độ cuộn dây cao máy biến áp pha 57 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng điện dung 61 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng điện cảm 66 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời điện dung điện cảm .69 3.2 Khảo sát độ cuộn dây cao máy biến áp ba pha 82 3.2.1 Trường hợp trung tính nối đất 82 3.2.2 Trường hợp trung tính cách ly 82 3.2.2.1 Sóng tác dụng vào ba pha 82 3.2.2.2 Sóng tác dụng vào hai pha 82 3.2.2.3 Sóng tác dụng vào pha .83 3.2.3 Trường hợp trung tính nối đất qua tổng trở .84 3.3 Ảnh hưởng độ dốc hay dạng sóng lên q trình q độ 84 3.3.1 Dạng sóng vng góc .84 3.3.1.1 Trung tính nối đất 85 3.3.1.2 Trung tính cách ly .86 3.3.2 Dạng sóng xiên góc 87 3.3.2.1 Ảnh hưởng điện dung 87 3.3.2.2 Ảnh hưởng điện cảm 88 3.3.2.3 Ảnh hưởng điện dung điện cảm 91 3.3.3 Sóng có dạng hàm mũ 96 3.3.3.1 Trung tính nối đất 97 3.3.3.2 Trung tính cách ly .98 vi 3.3.4 Dạng sóng hình sin 99 3.3.4.1 Trung tính nối đất 100 3.3.4.2 Trung tính cách ly 101 3.3.5 Dạng sóng tam giác 102 3.3.5.1 Trung tính nối đất 103 3.3.5.2 Trung tính cách ly 105 3.3.6 Nhận xét chung 107 Chương 4: ÁP DỤNG TÍNH TỐN CHO MỘT SỐ BÀI TOÁN CỤ THỂ CÁC BIỆN PHÁP KẾT LUẬN 108 4.1 Thông số kỹ thuật phần tử tính tốn trạm biến áp .108 4.2 Mơ hình phần tử ATP 108 4.2.1 Tổng quát chương trình ATP 108 4.2.1.1 Giới thiệu ATP 108 4.2.1.2 Mơ hình hợp mô đun mô ATP .109 4.2.1.3 Những module ATP 111 4.2.2 Mơ hình sóng 112 4.2.2.1 Dạng sóng vng góc 112 4.2.2.2 Dạng sóng có độ dốc tùy ý 112 4.2.2.3 Dạng sóng nguồn áp hai độ dốc 113 4.2.2.4 Dạng sóng hình sin 113 4.2.2.5 Sóng có dạng hàm mũ .113 4.2.3 Mơ hình cuộn dây máy biến áp 114 4.3 Tính tốn q độ 115 4.3.1 Trường hợp sóng vng 115 4.3.2 Trường hợp sóng xiên góc .117 4.3.3 Trường hợp sóng có dạng hàm mũ 121 4.3.4 Trường hợp sóng sin 123 4.3.5 Trường hợp sóng tam giác .125 4.4 Các biện pháp xử lý .127 vii 4.4.1 Phương pháp bao bọc (Method of shielding) .127 4.4.2 Cuộn dây đồng tâm nhiều lớp (Multiple-layer concentric windings) 131 4.4.3 Dùng tĩnh điện (Static plates) .131 4.5 Kết luận 132 PHỤ LỤC .133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 189 177 - Biên độ 900 kV 1,1 1,0 0,9 0,8 Đường bao 0,7 0,6 Phân bố điện áp bên dây quấn e/E 0,5 thời điểm 0, 1, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 0,4 70, 80, 90, 100µs 0,3 0,2 0,1 0,0 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -0,2 x Hình PL2.31: Phân bố bên dây quấn trường hợp sóng tam giác độ dốc 300 kV/µs, biên độ 900 kV, trung tính nối đất 178 5.2 Trung tính cách ly * Cố định biên độ 1.200 kV, thay đổi độ dốc - Độ dốc 300 kV/µs 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 e/E Đường bao Phân bố điện áp bên dây quấn 0,5 thời điểm 0, 1, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 0,4 70, 80, 90, 100µs 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -0,1 x Hình PL2.32: Phân bố bên dây quấn trường hợp sóng tam giác độ dốc 300 kV/µs, biên độ 1.200 kV, trung tính cách ly 179 - Độ dốc 400 kV/µs 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 e/E Đường bao Phân bố điện áp bên dây quấn 0,5 thời điểm 0, 1, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 0,4 70, 80, 90, 100µs 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -0,1 x Hình PL2.33: Phân bố bên dây quấn trường hợp sóng tam giác độ dốc 400 kV/µs, biên độ 1.200 kV, trung tính cách ly 180 * Cố định độ dốc 300 kV/µs, thay đổi biên độ - Biên độ 300 kV 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 e/E Đường bao 0,5 Phân bố điện áp bên dây quấn 0,4 thời điểm 0, 1, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 70, 80, 90, 100µs 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -0,1 x Hình PL2.34: Phân bố bên dây quấn trường hợp sóng tam giác độ dốc 300 kV/µs, biên độ 300 kV, trung tính cách ly 181 - Biên độ 600 kV 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 e/E Đường bao 0,5 Phân bố điện áp bên dây quấn 0,4 thời điểm 0, 1, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 0,3 70, 80, 90, 100µs 0,2 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -0,1 x Hình PL2.35: Phân bố bên dây quấn trường hợp sóng tam giác độ dốc 300 kV/µs, biên độ 600 kV, trung tính cách ly 182 - Biên độ 900 kV 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 e/E Đường bao 0,5 Phân bố điện áp bên dây quấn 0,4 thời điểm 0, 1, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 0,3 70, 80, 90, 100µs 0,2 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -0,1 x Hình PL2.36: Phân bố bên dây quấn trường hợp sóng tam giác độ dốc 300 kV/µs, biên độ 900 kV, trung tính cách ly 183 PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ TÍNH TỐN CHƯƠNG Trường hợp sóng xiên góc * Cố định biên độ 1.200kV, thay đổi độ dốc Độ dốc 300kV/µs 1,6 Đường bao 1,5 1,4 40 1,3 70 60 80 1,2 90 1,1 1,0 0,9 100 e/E 0,8 0,7 ∞ 0,6 0,5 0,4 0,3 10 15 0,2 20 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 0,9 t = µs -0,1 x Hình PL3.1: Phân bố bên dây quấn, trường hợp sóng xiên góc, độ dốc 300kV/µs, trung tính nối đất emax = 1,49811E 184 * Cố định độ dốc 300kV/µs, thay đổi biên độ Biên độ 900kV 1,6 Đường bao 1,5 1,4 40 1,3 70 60 80 1,2 90 1,1 1,0 0,9 100 e/E 0,8 0,7 ∞ 0,6 0,5 0,4 10 15 0,3 0,2 20 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 0,9 t = µs -0,1 x Hình PL3.2: Phân bố bên dây quấn, trường hợp sóng xiên góc, biên độ 900kV, trung tính nối đất emax = 1,49911E 185 Biên độ 1.200kV 1,6 Đường bao 1,5 1,4 40 1,3 70 60 80 1,2 90 1,1 1,0 0,9 100 e/E 0,8 0,7 ∞ 0,6 0,5 0,4 0,3 10 15 0,2 20 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 0,9 t = µs -0,1 x Hình PL3.3: Phân bố bên dây quấn, trường hợp sóng xiên góc, biên độ 1.200kV, trung tính nối đất emax = 1,49811E 186 Trường hợp sóng có dạng hàm mũ Sóng 1,2/50µs 1,1 1,0 0,9 40 Đường bao 60 0,8 70 0,7 80 e/E 0,6 90 0,5 0,4 0,3 100 0,2 10 0,1 15 20 t = µs ∞ 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -0,1 x Hình PL3.4: Phân bố bên dây quấn, trường hợp sóng hàm mũ tđs = 1,2µs, ts = 50 µs, trung tính nối đất 187 Trường hợp sóng sin φ = 900 1,1 1,0 Đường bao 0,9 0,8 0,7 60 70 0,6 80 e/E 90 0,5 100 0,4 0,3 40 0,2 15 10 15 20 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 0,9 t = µs -0,1 x Hình PL3.5: Phân bố bên dây quấn trường hợp sóng e = 1.200cos(2.000πtπ/2) kV, trung tính nối đất 188 Trường hợp sóng tam giác Độ dốc 400kV/µs 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 Đường bao e/E 0,6 0,5 Phân bố điện áp bên dây quấn 0,4 thời điểm 0, 1, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 70, 80, 90, 100µs 0,3 0,2 0,1 0,0 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -0,2 x Hình PL3.6: Phân bố bên dây quấn, trường hợp sóng tam giác, độ dốc 400kV/µs, trung tính nối đất 189 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Việt, “Kỹ thuật điện cao áp”, tập 2, Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2003 [2] Lê Kim Huy, “Nghiên cứu điện áp mạch điện cao áp giải pháp phối hợp cách điện”, Luận văn thạc sĩ, Đại học bách khoa TP Hồ Chí Minh, 2005 [3] Lê Anh Vũ, “Ứng dụng phần mềm ATP cho việc nghiên cứu độ hệ thống nối đất”, Luận văn thạc sĩ, Đại học bách khoa TP Hồ Chí Minh, 2007 [4] Nguyễn Chu Hùng, Tơn Thất Cảnh Hưng, “Kỹ thuật điện 1”, Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2006 [5] Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh, “Máy biến áp – Lý thuyết, vận hành, bảo dưỡng, thử nghiệm”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 [6] Marjan Popov, Lou van der Sluis, Gerardus C Paap, Hans De Herdt, “Computation of very fast transient overvoltages in transformer windings”, IEEE transactions on power delivery, Vol 18, No 4, October 2003 [7] László Prikler, Hans Kristian Hidalen, “ATPDraw version 3.5 for Windows 9X/NT/2000/XP, User’s Manual”, SINTEF Energy Research, 2001 [8] L V BEWLEY, “Traveling wave on transmission systems”, DOVER PUBLICATION, INC., NEW YORK, 1951 [9] Marjan Popov, Lou van der Sluis, Gerardus C Paap, Hans De Herdt, “Computation of very fast transient overvoltages in transformer windings”, IEEE transactions on power delivery, Vol 18, No 4, October 2003 [10] NAIDU, M S., KAMARAJU, V., “High voltage engineering”, Tata Mc Graw Hill, 1995 190 [11] Ping Zhang, You-hua Wang, Xin-peng Nie, Wei-li Yan, Hai-jiao Zhang, “A modeling for transformer windings under Very Fast Transient Over-voltages”, Electrical Machines and Systems, 2008, pages: 4309 – 4312 [12] Y.Shibuya, S.Fujita, N.Hosokawa, “Analysis of very fast transient overvoltage in transformer winding”, IEE Proc., Gener Transm Distrib Vol 144, Issue 5, September 1997, pages: 461– 468 191 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Châu Hoàng Tú Ngày, tháng, năm sinh: 09/07/1982 Nơi sinh: Hậu Giang Địa liên lạc: 14 Châu Văn Tiếp, P2, TP sóc Trăng, tỉnh Sóc Trăng Điện thoại: 0918202377 Email: chauhoangtu@yahoo.com Quá trình đào tạo: - Từ 2000 đến 2005, học đại học trường đại học Cần Thơ, chuyên ngành Kỹ thuật điện - Từ năm 2008 đến 2010, học cao học trường ĐHBK Tp.HCM, chuyên ngành Thiết bị, mạng nhà máy điện Q trình cơng tác: Từ tháng năm 2005 đến cơng tác Phịng Quản lý điện năng, Sở Công thương (trước Sở Công nghiệp) tỉnh Sóc Trăng ... máy biến áp trình độ Xây dựng mơ hình cuộn dây máy biến áp chương trình ATP - Khảo sát ảnh hưởng độ dốc đầu sóng lên q trình q độ cuộn dây máy biến áp, so sánh ảnh hưởng dạng sóng khác ảnh hưởng. .. cao áp (từ 330kV đến 750kV) Xuất phát từ lý đề tài ? ?Ảnh hưởng độ dốc đầu sóng lên trình độ cuộn dây máy biến áp? ?? nghiên cứu nhằm: Đánh giá yếu tố dạng sóng tác dụng lên cuộn dây máy biến áp trình. .. nhà máy điện MSHV: 01808327 I – TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ DỐC ĐẦU SÓNG LÊN QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CỦA CUỘN DÂY MÁY BIẾN ÁP II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu mơ hình vật lý tốn học cuộn dây máy