ATP (Alternative Transient Program) là một chương trỡnh mỏy tớnh được sử dụng rất phổ biến để mụ phỏng cỏc hiện tượng quỏ độ điện từ và điện cơ của mạch điện. Với ATP, cú thể mụ phỏng mạch lực và mạch điều khiển của một sơ đồ điện cú cấu trỳc bất kỳ với nhiều mụ đun hỗ trợ tớnh toỏn và cụng cụ mụ phỏng vụ cựng linh hoạt và mạnh mẽ.
ATP-EMTP được viết vào năm 1984 bởi Tiến sĩ W. Scott Meyer sau khi ụng từ chối tham gia vào dự ỏn thương mại húa chương trỡnh tớnh toỏn quỏ trỡnh quỏ độ EMTP của DCG (the EMTP Development Coordination Group) và EPRI (Electric Power Research Institute), vốn là sản phẩm của ụng và cỏc cộng sự theo một hợp đồng kớ kết với BPA (Bonneville Power Administration). ATP-EMTP được xõy dựng với mục tiờu phi thương mại húa. Từ đú đến nay, ATP-EMTP liờn tục được cải tiến và phỏt triển bởi cộng đồng người dựng trờn toàn thế giới dưới sự điều hành của của tiến sĩ Meyer và đồng chủ tịch Hội người dựng EMTP khu vực Canada/Mỹ (Canadian/American EMTP User Group) Tiến sĩ Tsu-huei Liu.
Nguyờn lý tớnh toỏn
ATP/EMTP sử dụng cỏc nguyờn lý tớnh toỏn sau đõy :
Sử dụng quy tắc xấp xỉ hỡnh thang giải hệ phương trỡnh vi phõn mụ tả hệ thống trong miền thời gian
Sơ kiện đầu cú thể được tớnh toỏn từ kết quả giải bài toỏn CĐXL của ATP- EMTP hoặc nhập trực tiếp từ người dựng đối với cỏc phần tử đơn giản
Cho phộp giao tiếp với cỏc mụ đun TACS (Transient Analysis of Control Systems) và MODELS (một ngụn ngữ lập trỡnh mụ phỏng) để mụ phỏng cỏc hệ thống điều khiển hoặc cỏc phần tử phi tuyến như hồ quang, vầng quang.
- 58 -
Tớnh toỏn cỏc nhiễu loạn đối xứng và khụng đối xứng như : sự cố, súng quỏ điện ỏp sột, cỏc thao tỏc đúng cắt trong lưới bao gồm cả cỏc quỏ trỡnh chuyển mạch van
Nghiờn cứu đỏp ứng tần số của hệ thống sử đụng mụ đun FREQUENCY SCAN
Nghiờn cứu cỏc súng hài sử dụng mụ đun HARMONIC FREQUENCY SCAN (phương phỏp sử dụng cỏc nguồn dũng súng hài)
Mụ phỏng cỏc hệ thống động học núi chung (khụng phải sơ đồ mạch điện) sử dụng TACS và MODELS
Cỏc phần tử hỗ trợ
Cỏc phần tử cơ bản được ATP-EMTP hỗ trợ bao gồm :
Phần tử tương hỗ và khụng tương hỗ R, L, C, thụng số rải, thụng số tập trung Đường dõy trờn khụng và cỏp thụng số rải, thụng số phụ thuộc tần số
Điện trở và điện khỏng phi tuyến, hiện tượng từ trễ, điện trở cú trị số thay đổi theo thời gian, điện trở điều khiển bằng TACS/MODELS
Cỏc phần tử cú đặc tớnh phi tuyến : MBA bóo hũa, từ trễ, CSV (cú khe hở và khụng khe hở), hồ quang điện
Mỏy cắt điều khiển theo thời gian, điện ỏp, nghiờn cứu đúng cắt thống kờ (phương phỏp Monte-Carlo)
Cỏc van cụng suất (đi ốt, thyristor, triac), cỏc van đúng cắt điều khiển bằng TACS /MODELS
Cỏc nguồn : bước nhảy, hỡnh sin, hàm mũ và dạng bất kỳ Mỏy điện quay
Cỏc phần tử khỏc định nghĩa bởi người dựng trong MODELS
Cỏc mụ đun mụ phỏng tớch hợp sẵn MODELS
- 59 -
MODELS là một ngụn ngữ mụ tả mục đớch tổng quỏt được tớch hợp trong
ATP-EMTP cựng một loạt cỏc cụng cụ mụ phỏng khỏc để hỗ trợ xõy dựng mụ hỡnh và mụ phỏng cỏc hệ thống cú tham số biến thiờn theo thời gian.
TACS
TACS là mụ đun hỗ trợ việc nghiờn cứu mụ phỏng cỏc hệ thống điều khiển trong miền thời gian. TACS cú thể được sử dụng để nghiờn cứu cỏc bài toỏn :
Hệ thống HVDC
Hệ thống kớch từ của mỏy điện đồng bộ Thiết bị điện tử cụng suất và động cơ điện Hồ quang điện
ATP-EMTP cũng hỗ trợ việc giao tiếp thụng tin giữa mạch lực và mạch điều khiển của sơ đồ điện thụng qua tớn hiệu điện ỏp nỳt, dũng điện cắt, trạng thỏi mỏy cắt, điện trở cú thụng số thay đổi theo thời gian, cỏc nguồn ỏp và nguồn dũng.
Cỏc chƣơng trỡnh con hỗ trợ tớnh toỏn (supporting routines)
Tớnh toỏn thụng số cỏc đường dõy trờn khụng và cỏp : LINE CONSTANTS, CABLE CONSTANTS, LINE PARAMETERS
Mụ hỡnh thụng số đường dõy phụ thuộc tần số (Semlyen, J. Marti, Noda) Thụng số MBA : XFORMER, BCTRAN
Quy đổi đường cong từ trễ, bóo hũa Xử lý dữ liệu (data modularization)
- 60 -
Hỡnh 3.1. Tổng quan về cỏc mụ đun trong ATP/EMTP
Một số ứng dụng của ATP/EMTP
Nghiờn cứu quỏ điện ỏp sột
Quỏ trỡnh quỏ độ do thao tỏc đúng cắt và sự cố
Quỏ trỡnh quỏ độ cực ngắn trong trạm kiểu kớn (GIS) và hệ thống nối đất
Mụ hỡnh mỏy điện quay
Khởi động động cơ
Ổn định động
Đúng cắt MBA, tụ điện, cuộn khỏng
Cộng hưởng điện từ
Cỏc thiết bị điện tử cụng suất
Quỏ trỡnh làm việc của mỏy cắt
Cỏc thiết bị FACTS
Nghiờn cứu súng hài, hiện tượng cộng hưởng của hệ thống
- 61 -
3.2. Mễ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN HỆ SỐ QUÁ ÁP CỦA MỘT XUẤT TUYẾN LƯỚI TRUNG ÁP BẰNG ATP/EMTP
Ta xem xột mụ phỏng một lưới điện 35kV như sau
Hỡnh 3.2. Sơ đồ xuất tuyến 35kV Bảng 3.1. Thụng số cỏc phần tử lƣới điện 35kV
Hệ thống MBA nguồn Đ-ờng dây MBA trung gian
- SN = 950MVA. - X0HT = 68,21(Ω); - R0HT = 1,94(Ω); - X1HT = 13,67(Ω); R1HT = 6,05(Ω); - Uđm = 110kV - Sđm = 40MVA 110/35/22kV. - Tổ đấu dây: Y0/Y - 12 - xC = 28,738(Ω); XT = 22,688(Ω); XH = 1,522(Ω); - i0% = 5% - Dây dẫn AC-95, l=25km. - Điện trở suất ρ = 100 Ω.m - x0 = 1,595(Ω/km); - r0 = 0,4599(Ω/km); - b0 = 1,3322(μS/km). - x1 = 0,3451(Ω/km); - r1 = 0,3159(Ω/km); - b1 = 3,645(μS/km). - Uđm = 35kV - Sđm = 1,25MVA 35/6kV. - Tổ đấu dây: Y/Δ - 11 - xB = 51,45(Ω); - i0% = 5%
Sơ đồ mụ phỏng như sau:
Hỡnh 3.3. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tớnh cỏch điện trong ATP/EMTP
Kết quả mụ phỏng điện ỏp khi ngắn mạch chạm đất pha A phớa cuối đường dõy như sau:
I V SAT Y Y SAT Y I V (1) N HT MBA ĐD MBAtg
- 62 -
Hỡnh 3.4. Điện ỏp cỏc pha tại đầu đƣờng dõy (xuất tuyến 35kV, trung tớnh cỏch điện, ngắn mạch chạm đất pha A)
Hỡnh 3.5. Điện ỏp cỏc pha tại cuối đƣờng dõy (xuất tuyến 35kV, trung tớnh cỏch điện, ngắn mạch chạm đất pha A)
Trường hợp trung tớnh nối đất trực tiếp, sơ đồ mụ phỏng sẽ như sau:
Hỡnh 3.6. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tớnh nối đất trực tiếp trong ATP/EMTP
(f ile xuattuy en35kv .pl4; x-v ar t) v :SENDA v :SENDB v :SENDC
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 [s] 0.10 -70 -40 -10 20 50 80 [kV]
(f ile xuattuy en35kv .pl4; x-v ar t) v :BA2A v :BA2B v :BA2C
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 [s] 0.10 -70 -40 -10 20 50 80 [kV] V SAT Y Y SAT Y I V
- 63 -
Kết quả mụ phỏng điện ỏp khi ngắn mạch chạm đất pha A được biểu diễn trong cỏc hỡnh vẽ 3.7 và 3.8.
Hỡnh 3.7. Điện ỏp cỏc pha tại đầu đƣờng dõy (xuất tuyến 35kV, trung tớnh nối đất trực tiếp, ngắn mạch chạm đất pha A)
Hỡnh 3.8. Điện ỏp cỏc pha tại cuối đƣờng dõy (xuất tuyến 35kV, trung tớnh nối đất trực tiếp, ngắn mạch chạm đất pha A)
Cỏc kết quả tớnh toỏn được thống kờ lại như sau (cho hai trường hợp đường dõy cú chiều dài 25km và 50km) :
(f ile xuattuy en35kv .pl4; x-v ar t) v :SENDA v :SENDB v :SENDC
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 [s] 0.10 -35.00 -26.25 -17.50 -8.75 0.00 8.75 17.50 26.25 35.00 [kV]
(f ile xuattuy en35kv .pl4; x-v ar t) v :BA2A v :BA2B v :BA2C
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 [s] 0.10 -50 -35 -20 -5 10 25 40 [kV]
- 64 -
Bảng 3.2. Hệ số quỏ điện ỏp tạm thời (TOV) theo vị trớ điểm ngắn mạch chạm đất dọc chiều dài đƣờng dõy
ST T Phương thức nối đất điểm trung tớnh
Chiều dài đường dõy l = 25 km Chiều dài đường dõy l = 50 km
∆l = 5 km ∆l = 10 km ∆l = 15 km ∆l = 25 km ∆l = 5 km ∆l = 15 km ∆l = 30 km ∆l = 50 km 1 Cỏch điện 1,74 1,72 1,72 1,74 1,75 1,74 1,75 1,74 2 Qua cuộn dập hồ quang 1,73 1,72 1,72 1,74 1,76 1,74 1,75 1,74 2 Trực tiếp 1,04 1,12 1,15 1,17 1,05 1,21 1,29 1,34
Bảng 3.3. Hệ số quỏ điện ỏp quỏ độ cực đại theo vị trớ điểm ngắn mạch chạm đất dọc chiều dài đƣờng dõy tƣơng ứng với lƣới điện đang xột ở trờn
ST T
Phương thức nối đất điểm trung tớnh
Chiều dài đường dõy l = 25 km Chiều dài đường dõy l = 50 km
∆l = 5 km ∆l = 10 km ∆l = 15 km ∆l = 25 km ∆l = 5 km ∆l = 15 km ∆l = 30 km ∆l = 50 km 1 Trung tớnh cỏch điện 2,41 2,45 2,59 2,7 2,6 2,43 2,58 2,54
2 Trung tớnh nối đất qua
cuộn dập hồ quang 2,42 2,4 2,53 2,7 2,55 2,63 2,59 2,54
3 Trung tớnh nối đất trực
tiếp 1,36 1,4 1,33 1,3 1,28 1,33 1,37 1,31
Nhận xột:
Từ bảng số liệu 3.2 ta cú thể thấy rằng: khi ngắn mạch chạm đất một pha, trong lưới điện cú trung tớnh cỏch điện và lưới điện trung tớnh nối đất qua cuộn dập hồ quang, quỏ điện ỏp trờn cỏc pha lành bị tăng lờn trị số điện ỏp dõy (hệ số quỏ ỏp là ) nờn cỏch điện phải chọn theo trị số điện ỏp dõy. Ngược lại, với lưới điện trung tớnh nối đất trực tiếp, hệ số QQĐA thay đổi theo chiều dài đường dõy (tỉ số X0/X1) và QĐA trờn cỏc pha lành tăng lờn cao hơn trị số điện ỏp pha và do đú, cỏch điện của thiết bị nhỡn chung phải chọn cao hơn trị số điện ỏp pha làm việc của lưới điện.
KẾT LUẬN
Chương 3 giới thiệu sơ lược về phần mềm mụ phỏng chế độ quỏ độ của hệ thống điện ATP/EMTP và ứng dụng vào mụ phỏng QĐA trờn cỏc pha lành
- 65 -
của một xuất tuyến lưới điện trung ỏp khi xảy ra sự cố ngắn mạch chạm đất một pha.
Cỏc kết quả thu được phự hợp với lý thuyết nghiờn cứu. Hệ số QĐA trờn pha lành của lưới điện cú trung tớnh cỏch điện và nối đất qua cuộn dập hồ quang đạt mức 1,7 (dõng lờn mức điện ỏp dõy). Đối với lưới điện trung tớnh nối đất trực tiếp, hệ số quỏ điện ỏp trờn pha lành phụ thuộc vào tỉ số X0/X1 tại điểm xột. Hệ số này biến thiờn từ 1- 1,7 ( ). Do đú cỏch điện trong lưới này nhỡn chung phải chọn cao hơn trị số điện ỏp pha định mức.
- 66 -