3.1.1 ) Lịch sử hình thành và phát triển
Chương trình quá độ điện từ (EMTP –
Electromagnetic Transients Programme) là một chương trình máy tính dùng cho việc mơ phỏng các quá trình quá độ điện từ, điện cơ và hệ thống điều khiển trong hệ thống điện nhiều pha.
Chương trình EMTP được phát triển vào những năm cuối của thập kỷ 60 thế kỷ XX bởi tiến sĩ Hermann Dommel, ông đã mang chương trình này đến Bonneville Power Administration (BPA).
Vào năm 1973 khi giáo sư Dommel rời khỏi BPA để chuyển đến đại học British Columbia (UBC), hai phiên bản của chương trình đã được định hình: Phiên bản tương đối nhỏ UBC được sử dụng chủ yếu để phát triển các mơ hình; và phiên bản BPA, mở rộng nhằm hướng tới các yêu cầu của các kỹ sư điện. Phiên bản BPA của chương trình EMTP được phát triển nhờ những nỗ lực cộng tác của tiến sỹ Scott Meyer và tiến sỹ Tsu-huei Liu của BPA, cũng như sự đóng góp của hàng loạt các Cơng ty Điện lực và các Trường đại học Bắc Mỹ.
Những năm 1980, EMTP đã trở thành mốt trong lĩnh vực điện năng. Nó phát triển mạnh mẽ từ 70000 đến 80000 cách tập hợp các qui tắc so với lúc nguyên thuỷ là 5000, nhưng lại có xu hướng phân mảng nhỏ.
Nhằm hợp lý hóa sự phát triển của chương trình và thu hút sự tài trợ từ các Công ty Điện lực, nhóm phối hợp phát triển chương trình EMTP (DCG) đã được thành lập vào năm 1982 và được thương mại hóa đầu tiên vào năm 1984. Những thành viên ban đầu của DCG bao gồm
hợp các qui tắc nâng cao của chương trình đã được kiểm chứng và dẫn chứng bằng văn bản một cách rộng rãi.
Chương trình đã thu hút nhiều sự chú ý và được sử dụng rộng rãi bởi các kỹ sư tại Mỹ và các nơi khác. Phiên bản 2.0 của EMTP đã được ấn bản vào năm 1989 với cùng một kiểu với phiên bản trước. Theo đó, chương trình đã được làm phong phú hơn theo thời gian bởi những người sử dụng. Phiên bản 3.0 của EMTP đã được DCG phát hành vào năm 1996 (EMTP96).
EMTP96 đại diện cho phiên bản cuối cùng của EMTP dựa trên bản mã gốc BPA. * Ngoài những phiên bản của EMTP được đề cập ở trên, cịn có các chương trình phân tích q độ khác cho các mạch điện, đáng chú ý đến là các trường hợp:
• NETOMAC (Siemens, sản phẩm thương mại)
• Morgat và Arene (Eletricite của Pháp, sản phẩm thương mại)
• PSIM (sản phẩm thương mại, lĩnh vực nghiên cứu điện tử cơng suất) • SABER (sản phẩm thương mại, lĩnh vực nghiên cứu điện tử cơng suất) • Spice, PSPICE (sản phẩm thương mại, đối với các mạch điện tử, thỉnh thoảng được sử dụng trong lĩnh vực nghiên cứu điện tử công suất)
3.1.2 ) Ứng dụng của EMTP vào mơ phỏng và phân tích q độ hệ thống điện. Khả năng chung:
* Tính tốn thao tác
- Xác suất đóng cắt gây quá điện áp - Đóng cắt một pha
- Tự đóng lại nhanh - Đóng cắt tụ - Điện áp phục hồi
- Phóng điện ngược - Dập sóng sét
- Sóng sét lan truyền vào trạm * Phối hợp cách điện:
- Đường dây trên khơng - Trạm ngồi trời - Trạm GIS - Chống sét van
* Tính tốn moment xoắn trên hệ trục: - Cộng hưởng tần số thấp
- Ảnh hưởng đóng cắt
* Đường dây siêu cao áp một chiều - Điều khiển
- Dao động điện - Các hài
* Thiết bị bù tĩnh (SVC - Static VAR Compensation) - Điều khiển
- Quá điện áp - Các hài
*Hòa đồng bộ ngược pha *Tách lưới và các sự cố khác *Hệ thống điều khiển chung *Hệ thống nối đất
*Đánh giá dịng điện sự cố khơng đối xứng *Hoán vị pha
*Tổn thất trên dây chống sét
*Phân tích chế độ xác lập khơng đối xứng *Đóng cắt tụ
*Bảo vệ tụ bù dọc
Áp dụng cho HTĐ Việt Nam:
1. Tính thơng số đường dây (Transmission Line Constants) 2. Tính quá điện áp thao tác (Switching Over Voltage) 3. Tính quá điện áp phục hồi (Transient Recovery Voltage) 4. Tính chọn MOV (Metal Oxide Varistor Specification)
5. Tính tốn chọn điện trở nối đất, chống sét van. (Surge Aresster)
Mô phỏng trạng thái ổn định của hệ thống điện :
Như tên gọi cho nó, trạng thái ổn định là trạng thái hoạt động bình thường của một hệ thống điện. Trong phân tích hệ thống điện, việc tính tốn trạng thái ổn định thường được làm trong các "miền tần số" bằng cách sử dụng phân tích phasor. Nói cách khác, thay vì sử dụng miền thời gian của một điện áp như dạng điện áp chuẩn trong miền tần số nó trở thành Vrms
với tần số góc là 50 hoặc 60 Hz. Phân tích Phasor đơn giản hố đáng kể những tính
tốn trong hệ thống điện, nó là cơ sở của hầu hết các chương trình phân tích dịng tải và ngắn mạch.EMTP sử dụng những tính tốn ở trạng thái ổn định trong miền tần số để khởi tạo mạng tính tốn chuẩn bị cho một mô phỏng quá độ (chứ không phải là bắt đầu mô phỏng quá độ từ các điều kiện không ban đầu).
Mô phỏng các hiện tượng quá độ của là mục đích chính của EMTP. Như những định nghĩa trước đó, một hiện tượng quá độ có thể được xác định là những gì xảy ra giữa hai trạng thái ổn định. Ví dụ như trước và sau khi sự cố pha chạm đất.
Trong một mô phỏng EMTP, phạm vi tần số của một mô phỏng quá độ là rất quan trọng vì một vài lý do:
Các mơ phỏng EMTP được rời rạc hóa theo bước thời gian. Kích cỡ của bước thời gian đặt ra một giới hạn lý thuyết trong việc giải quyết các mô phỏng quá độ. Giới hạn lý thuyết này là tần số Nyquist fN = 1/2 Δt. Trong thực tế, thời gian bước phải nhỏ vì EMTP sử dụng cơng thức tích phân hình thang để giải những phương trình vi tích phân mơ tả hệ thống. Cơng thức tích phân hình thang chỉ có thề đưa ra lời giải xấp xỉ, và bước thời gian càng nhỏ thì lời giải càng chính xác. Bước thời gian nhỏ hơn tần số Nyquist khoảng 5 lần là có thể đưa ra lời giải chấp nhận được. Vì vậy, như là một nguyên tắc nhỏ, bước thời gian của một mô phỏng sẽ được chọn để cho Δt nhỏ hơn 1/10fmax.
Các chi tiết của hệ thống cần phải được mơ hình hóa phụ thuộc vào tần số lớn nhất của các hiện tượng được mơ phỏng. Ví dụ, trong mơ phỏng hiện tượng sét, cần thiết phải mơ hình mỗi khoảng vượt và mỗi cột trụ của một đường dây truyền tải chi tiết, trong khi trong một mô phỏng dây cấp điện chi 7 tiết như vậy là không cần thiết. Như là một nguyên tắc nhỏ, khi khảo sát ở các tần số cao hơn thì số lượng chi tiết càng lớn hơn.
Kích cỡ của hệ thống được mơ hình hóa cũng phụ thuộc vào tần số lớn nhất của hiện tượng quá độ đang được nghiên cứu. Ví dụ, mặc dù trong một mơ phỏng sét là cần thiết phải mơ hình mỗi khoảng vượt và mỗi cột trụ của một đường dây truyền tải chi tiết tuy nhiên chỉ một vài trong những khoảng vượt cần phải mơ hình để thay cho tất cả
Một mơ phỏng EMTP có một số tập tin đầu vào và đầu ra liên kết với nó. Hình sau hiển thị các mối quan hệ giữa những tập tin này và các chương trình hỗ trợ khi sử dụng:
Hình 3.1: Các lớp thiết kế và dữ liệu trong EMTP
EMTPWorks có 3 lớp thiết kế. Thấp nhất là một framework cho các giao diện mã thực. Một lớp thứ hai sẽ được thêm vào để hỗ trợ cho các phương thức soạn thảo. Thứ ba là lớp dành người sử dụng hoặc người phát triển truy cập vào các lớp. Nó cung cấp một tập hợp số lượng lớn các soạn thảo dành cho các thay đổi và/hoặc cập nhật hầu như bất cứ điều gì xuất hiện trên thiết kế có sẵn. Các ngơn ngữ soạn thảo là Javascript được thêm vào phương thức giao tiếp với các lớp framework.
• Tất cả các cơng cụ trong EMTP được xây dựng cho nhập liệu và xử lý các biểu tượng. Các biểu tượng có thể được cập nhật thơng qua trình soạn thảo.
• Dữ liệu của các cơng cụ được thu thập dựa trên DHTML. Dạng dữ liệu mạnh này được tạo ra bằng cách sử dụng mã JavaScript, DHTML và ActiveX. Dữ liệu của các cơng cụ có thể lưu trữ ở bất kỳ nơi nào trên web.
• Người dùng có thể tạo riêng ra những cơng cụ của chính họ bên ngồi chương trình với đầy đủ phương thức xử lý dữ liệu.
thảo. Trình soạn thảo được sử dụng để tìm kiếm các cơng cụ hoặc để tải về và sửa đổi dữ liệu cho một số lượng lớn các công cụ sử dụng một vài dịng soạn thảo. Trình soạn thảo cũng có thể được áp dụng cho các tín hiệu.
• Trình soạn thảo cũng được dùng để tạo ra các Netlist tĩnh cho EMTP-RV.
• EMTPWorks cung cấp các tuỳ chọn riêng và có thể dễ dàng chuyển đổi và được sử dụng cho các ứng dụng khác trong phân tích hệ thống điện.
1) Thư viện các công cụ sử dụng trong EMTP
Các cơng cụ được tìm thấy trong các thư viện EMTPWorks sẽ được cập nhật liên tục. Các phiên bản thương mại đầu tiên của EMTP-RV sẽ chứa các thư viện: Công cụ Pseudo: tất cả các cơng cụ liên kết tín hiệu được xây dựng.
Nhánh RLC: o Các công cụ để xây dựng: RLC một hoặc ba pha, mơ hình PI một/ba hoặc
nhiều pha, mơ hình PL kép một/ba hoặc nhiều pha, và nhánh FDB nhiều pha. o Các cơng cụ đóng gói: tải RLC ba pha (PQ).
Điều khiển: được xây dựng điều khiển tồn bộ hệ thống.
Cơng cụ điều khiển của TACS: bổ sung thêm gói các cơng cụ cũ TACS (loại 50, 51, v.v…).
Điều khiển các chức năng: gói cơng cụ điều khiển các chức năng hệ thống khác nhau, chẳng hạn như PWM., PID, v.v…
Điều khiển máy điện: gói cơng cụ máy điện kích từ đồng bộ, tuabin và bộ điều chỉnh tốc độ.
Flip-flops: gói các cơng cụ flip-flops.
Thiết bị đo: các thiết bị đo đa dạng được xây dựng trong scopes để xác định công suất và
tín hiệu điều khiển hệ thống.
Thiết bị đo chu kỳ: các thiết bị đo chức năng xác định chu kì tín hiệu, Vrms, P, Q,
Vsequences, v.v…
Cơng cụ phi tuyến: Các cơng cụ để xây dựng: mơ hình điện trở phi tuyến xác định bằng
đặc tuyến điện áp phụ thuộc, mơ hình điện trở phi tuyến điều khiển, mơ hình điện trở phi tuyến đặc tuyến bậc thang thay đổi theo thời gian, mơ hình điện cảm phi tuyến và các chức năng tính tốn các dữ liệu tương ứng, cuộn kháng Hysteretic và lắp đặt tương ứng, mơ hình chống sét van SiC, mơ hình chống sét van ZnO và các hàm tính tốn dữ liệu tương tứng, các mơ hình phóng điện hồ quang ngắn mạch khác nhau.
Option: các tùy chỉnh mô phỏng, công cụ chuyển đổi dữ liệu và dịch các file EMTP-V3
cũ, công cụ thống kê.
Phasors: Các thao tác chức năng phasor (cộng, trừ, quay, kết hợp, v.v…). Nguồn: Các
công cụ để xây dựng: Nguồn áp và dòng xoay chiều một/ba pha, nguồn áp và dòng điều khiển, nguồn áp và dòng 1 chiều, nguồn đặc tuyến áp và dòng, nguồn áp và dòng sét, nguồn dòng CIGRE lightraq.
Khóa đóng cắt:Các cơng cụ để xây dựng: khóa lý tưởng, khóa điều khiển, mơ hình khe
hở khơng khí, mơ hình khe hở điều khiển, khóa thống kê/hệ thống, diode lý tưởng và các khóa cơng suất.
Biểu tượng: thư viện các ký hiệu xây dựng cho các thiết kế đơn giản hoặc cho các mạch
con được tạo ra.
Công cụ chuyển đổi: các gói điều khiển cho các hàm chuyển đổi cổ điển, chẳng hạn như
từ ba pha qua dq0, v.v…
Máy biến áp: - Các cơng cụ để xây dựng: mơ hình máy biến áp lý tưởng đơn/nhiều pha 2
cuộn dây, BCTRAN - TOPMAG - TRELEG - mô-đun dữ liệu tính tốn máy biến áp, mơ- đun dữ liệu tính tốn dịng xốy và FDBFIT cho tính tốn các mơ hình máy biến áp tần số cao. 11 - Các cơng cụ đóng gói: mơ hình máy biến áp đơn pha khơng lý tưởng, các mơ hình máy biến áp ba pha hai và ba cuộn dây và ba pha nối đất ZigZag.
3.2.1) Giới thiệu tổng quan
Bất kỳ hệ thống điện nào cũng phải được nối đất vì các lý do sau:
• Để cung cấp kết nối trở kháng thấp giữa thiết bị điện và mặt đất. Ngăn chặn tình trạng chạm vỏ trên thiết bị gây nguy hiểm và một số sự cố liên quan khác.
• Để ngăn chặn sự cố quá điện áp trên hệ thống ( sét đánh, cây cối ngã đổ ..) có thể gây hư hỏng cho thiết bị hoặc đe dọa tính mạng con người.
Bất kỳ dịng điện sự cố nào, sẽ thơng qua hệ thống điện cực nối đất đi xuống. Do đó, sẽ có sự gia tăng điện áp cũng như dịng điện trên bản thân hệ thống điện cực nối đất và trong vùng lân cận của hệ thống nối đất, liên quan đến điện trở suất hay khả năng dẫn điện của đất . Nếu tăng điện áp quá mức, thì sự khác biệt điện áp có thể được tạo ra trên tồn khu vực xung quanh có nguy cơ làm hỏng thiết bị và nguy hiểm cho người và gia súc trong khu vực lân cận hệ thống nối đất. Đặc biệt sinh ra điện áp bước có thể nguy hiểm đến tính mạng khi đang có sự cố.
Một số thuật tốn và phương pháp đã được rút ra để xác định các tiêu chí cho thiết kế an tồn của hệ thống nối đất. Bằng cách mở rộng khả năng của EMTP, có thể tính tốn đáp ứng của hệ thống nối đất với các hiện tượng nhất thời hoặc các hiện tượng khác bằng cách sử dụng các mơ hình đường truyền [4], [8]. Các mơ hình có thể được sử dụng bằng cách chia hệ thống thành một số phân đoạn được biểu diễn bằng mơ hình π tham số gộp với độ dẫn shunt cao hoặc bằng cách sử dụng mơ hình đường truyền tham số phân tán phụ thuộc tần số (Mơ hình Jmarti) . Sự ghép nối lẫn nhau giữa các thành phần hệ thống nối đất được tính bằng cách coi chúng là các pha khác nhau của đường truyền.
Hình 3.3: Mơ hình PI cho toàn bộ điện cực nối đất đã được chia ra thành các đoạn nhỏ tương đương [3]
Các điện cực nối đất được đặc trưng bởi điện trở nối tiếp R, điện dung C, cuộn cảm L và độ dẫn điện G. Do đó, chúng có thể được mơ hình thành một chuỗi các mạch pi tương đương (hình 1.2), với các phần tử RLC gộp lại, trong đó mỗi pi mạch tương đương tương ứng với một đoạn dây dẫn nhỏ. Từ đó ta có thể chia điện cực nối đất ra thành các đoạn phần pi nhỏ tương ứng. Sau đó phân tích trên mỗi đoạn tương đương này.
Các cơng thức tính tốn sử dụng các phương trình bên dưới để tính tốn các thành phần R,L,C trong mơ hình PI. Trong đó các phương trình tính tốn này chủ yếu phát triển lên từ các biểu thức Sunde [5].
(3.1) (3.2)
(3.3) (3.4)
Trong đó d,l,D lần lượt là độ chôn sâu, chiều dài điện cực và đường kính của điện cực. Các hệ số Ɛ, ρc , ρg và µ là hằng số điện mơi của đất, điện trở suất của cọc đồng, điện trở suất của đất và và độ thẩm từ của đất. Ic là giá trị dòng đỉnh của sét,
Nên sử dụng chiều dài phân đoạn nhỏ hơn hai hoặc ba lần so với bước sóng của dịng điện chạy trong các điện cực nối đất.Trong mọi trường hợp, khi phân chia hiệu quả tính tốn đưa ra có sai số trong giới hạn chấp nhận được trong phạm vi lên tới 100 kHz nếu điện cực được chia thành các phân đoạn 1 m. Ứng dụng vào các ví dụ khác nhau đã chỉ ra rằng khi chia điện cực thành các phân đoạn rất nhỏ khoảng 0,01 m thì kết quả là khá chính xác ngay cả trong dải tần số lên đến 1 MHz.
3.2.3 ) Mơ hình JMARTI trong phân tích điện cực nối đất