Khi các tiếp điểm bắt đầu mở dịng điện bình thường chạy qua tải sẽ bị ngắt, và năng lượng cảm ứng được lưu trữ trong cuộn dây phải được giải phóng năng lượng. Vì các tiếp điểm rơle mở nên có điện trở cao đối và cản trở dòng điện xả, điện áp trên tải tăng nhanh theo chiều âm (nhớ cực tính ngược của năng lượng lưu trữ) cho đến khi điện áp đủ cao gây phóng điện hồ quang giữa các tiếp điểm trong thời gian ngắn. Một cuộn dây DC có thể tạo ra điện áp âm cao tới vài trăm volt nếu độ tự cảm của tải (liên quan đến số cuộn dây) đủ cao. Một cuộn dây xoay chiều 115 VAC có thể tạo ra các xung điện áp trong hàng ngàn volt.
Hiện tượng phóng điện hồ quang giữa 02 tiếp điểm cắt được mơ tả trong ví dụ trên cho thấy các ảnh hưởng quá độ diễn ra ngay sau khi cắt tải có tính cảm là rất nghiêm trọng, đặc biệt các hiện tượng quá độ điện áp sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng hơn khi dùng máy cắt cao áp để cắt kháng bù ngang trên lưới điện 500 kV.
Đối với các máy cắt dập tắt hồ quang bằng khơng khí, điển hình là máy cắt dập hồ quang bằng khí SF6, khi cắt kháng bù ngang sẽ gây ra hiện tượng quá áp. Máy cắt thường sẽ ngắt dòng điện ở mức 0 đầu tiên sau khi tiếp điểm máy cắt đã tách rời nhưng có thể khơng có khả năng chịu được điện áp phục hồi có thể xuất hiện trên tiếp điểm cắt của máy cắt. Việc cắt kháng bù ngang về ngun tắc là tình huống trong đó một dịng điện cảm ứng nhỏ bị cắt ra. Thường thì dịng định mức qua kháng chỉ vài chục đến khoảng 400 A, nhưng khi cắt những dòng điện cảm ứng nhỏ này sẽ gây ra hiện tượng quá áp rất lớn xảy ra trên tiếp điểm cắt của máy cắt.
b/ Hiện tượng chopping curent:
Máy cắt được sử dụng trong các mạng điện áp cao và trung bình có thể cắt dịng điện cảm ứng nhỏ trước khi dòng điện bằng 0. Hiện tượng này gọi là curent
khơng và dập hồ quang bằng khơng khí. Khơng có hiện tượng như vậy trong máy cắt dập hồ quang bằng dầu. Chopping curent xuất hiện chủ yếu trong khi cắt kháng bù ngang hoặc cắt máy biến áp không tải. Sự phóng điện hồ quang giữa tiếp điểm máy cắt trở nên khơng ổn định ở dịng điện nhỏ và gây ra dao động với tần số rất cao. Tần số của điện áp dao động nằm trong khoảng từ 1 kHz đến 5 kHz ở điện áp cao, lên đến 30 kHz khi cắt tải là kháng bù ngang có dung lượng hàng Mvar và phân bố đều trên cuộn dây của kháng [2]. Điều này dẫn đến dòng qua điểm 0 trước thời điểm dòng qua 0 ở tần số cơ bản (50 Hz). Hình 2.14 minh họa sự xuất hiện curent chopping tại thời điểm cắt kháng.
Hình 2.14: Hiện tượng dịng điện dao động với tần số cao – chopping current. Trong q trình mở máy cắt kháng, tại thời điểm dịng điện dao động, một lượng năng lượng bị giữ lại ở phía tải, sau đó bắt đầu dao động với điện dung trong mạch. Để nghiên cứu hiện tượng quá độ này, một mạch tương đương đơn giản như trong Hình 2.15 có thể được áp dụng. Độ tự cảm và điện dung phía nguồn (Ls và Cs) chỉ cần được xem xét khi nghiên cứu tình huống khi đóng kháng bằng máy cắt. Ngồi ra điện dung kí sinh và độ tự cảm giữa các tiếp điểm ngắt (Cp và Lp) đã được
đưa vào hình để trình bày đầy đủ. Mặt khác, điện trở của các phần tử, bị bỏ qua trong mạch tương đương đơn giản này.
Hình 2.15: Mạch tương đương 01 pha khi cắt máy cắt kháng có trung tính được nối đất qua kháng trung tính.
Khi máy cắt mở ra, lượng năng lượng giữ lại do thành phần điện kháng và điện dung ở phía tải: (bỏ qua các thành phần LS, CS, LP, CP như trình bày bên trên) [2].
(2.8) Trong đó V0 là điện áp trên kháng tại thời điểm gián đoạn dòng điện và ich là thành phần chopping current. Điện áp Va sau đó là giá trị đỉnh đầu tiên của dao động.
Trong quá trình mở máy cắt kháng, tại thời điểm dịng điện dao động, một lượng năng lượng bị giữ lại ở phía tải. Năng lượng bị giữ lại sẽ dao động giữa điện cảm và điện dung ký sinh của tải (kháng) và tạo ra quá điện áp như (2.9):
(2.9) Trong đó:
L: là cuộn dây của kháng, đơn vị Henry (H). CL: là điện dung phía tải, đơn vị Fara (F).
Ich: là dòng dao động chopping current, đơn vị Ampe (A).
V0: là điện áp của kháng tại thời điểm diễn ra chopping current, đơn vị (V). Thơng thường V0 có thể được coi là bằng với giá trị đỉnh của điện áp hệ thống bình thường.
Va: là điện áp đỉnh tại thời điểm diễn ra chopping current, đơn vị (V). Nếu điện dung phía tải được giả định là lớn hơn nhiều so với các cơng suất khác trong mạch thì tần số dao động có thể được giả định là:
(2.10) Tần số của các dao động này được cho là nằm trong khoảng 1 - 5 kHz [3].
Điện áp quá độ phục hồi sẽ diễn ra giữa 02 đầu của tiếp điểm cắt của máy cắt và nếu thời gian cắt của máy cắt khơng đủ để chịu đựng q điện áp này thì hiện
tượng đánh lửa lặp lại sẽ xảy ra. Điều này lần lượt gây ra quá độ với tần cao hơn nằm trong khoảng từ 50 kHz đến 1.000 kHz [2].
Giá trị của chopping current - ic phụ thuộc vào điện dung Ct (bao gồm điện dung phía nguồn CS, điện dung tại 02 buồng cực máy cắt Cp và điện dung phía tải), N là số buồng cắt trên 01 pha của máy cắt (đối với máy cắt cấp điện áp 500 kV thì thường chia làm 02 buồng cắt trên mỗi pha của máy cắt) và λ được gọi là số chopping cho một buồng cắt, đây là giá trị đặc trưng của máy cắt. Mức chopping current - ic được đưa ra bởi phương trình (2.11):
(2.11) Trong đó:
(2.12) Số chopping λ là một đặc tính của máy cắt và có nguồn gốc trong các thử nghiệm trong phịng thí nghiệm. Khái niệm này có thể được áp dụng cho tất cả các loại máy cắt ngoại trừ máy cắt chân khơng, trong đó mức độ cắt hiện tại được xác định chủ yếu bởi vật liệu của tiếp điểm cắt. Số chopping λ được cho trong Bảng 2.2 [2]: Bảng 2.2: Bảng liệt kê số chopping λ của các loại máy cắt:
Kiểu máy cắt Số chopping λ
A x F-0.5 Minimum oil 5,8 x 104 – 10 x 104 Air blast 15 x 104 – 20 x 104 SF6 puffer 4 x 104 – 19 x 104 SF6 self-blast 3 x 104 – 10 x 104 SF6 rotating arc 0,39 x 104 – 0,77 x 104
c/ Điện áp quá độ phục hồi TRV và hiện tượng quá điện áp phóng điện lặp lại
Điện áp quá độ phục hồi – Transient Recovery Voltage (TRV):
Điện áp phục hồi (RV: Recovery Voltage) trong máy cắt là điện áp xuất hiện giữa hai đầu cực của MC xảy ra khi mở máy cắt như trong Hình 2.16.
Hình 2.16: Điện áp quá độ phục hồi TRV xảy ra giữa 02 tiếp điểm của máy cắt. Khi mở máy cắt kháng bù ngang, tại thời điểm dòng điện dao động, một lượng năng lượng được nạp bởi thành phần điện cảm và điện dung của cuộn kháng bù ngang trước thời điểm cắt kháng, năng lượng này sẽ dao động giữa điện cảm và điện dung ký sinh của kháng bù ngang và tạo ra quá áp tạm thời hay còn gọi là điện áp quá độ phục hồi (Transient Recovry Voltage – TRV) [2]. Hình 2.17 trình bày dạng sóng của điện áp q độ phục hồi TRV diễn ra khi cắt tải có tính cảm với dịng điện nhỏ:
Hình 2.17: Dạng sóng của TRV.
Điện áp quá độ phục hồi này xuất hiện với biên độ và tần số dao động rất lớn, pha cắt đầu tiên bị ảnh hưởng bởi điện áp TRV nặng nề nhất. Hình 2.18 mơ tả điện áp TRV xuất hiện tại pha cắt đầu tiên (pha A) của máy cắt kháng bù ngang 500 kV – 128 MVar tại TBA 500 kV Ơ Mơn, điện áp TRV tăng lên khoảng 2,5 pu tương ứng điện áp định mức của máy cắt là 550 kV thì điện áp TRV là 1.386 kV.
Hình 2.18: Kết quả mơ phỏng điện áp q độ phục hồi TRV xảy ra khi cắt kháng bù ngang 500 kV – 128 Mvar tại trạm biến áp 500 kV Ơ Mơn trong trường hợp đường dây non tải. Hiện tượng quá điện áp phóng điện lặp lại – Reignition overvoltages:
Đỉnh của TRV bằng với đỉnh của quá điện áp do chopping current cộng với đỉnh của điện áp phía nguồn [2]. Nếu máy cắt đã có đủ cường độ điện mơi, nó khơng đánh lửa lặp lại tại thời điểm này, thì hồ quang được dập tắt thành công. Nhưng, nếu tại thời điểm tiếp điểm cắt vừa mở thì khoảng hở tiếp điểm cắt chưa đủ độ bền điện môi để chịu được điện áp xuất hiện trên các tiếp cắt, thì sẽ xảy ra sự đánh lửa lại [2]. Khi xảy ra sự đánh lửa lại, điện áp phía tải nhanh chóng có xu hướng quay về phía điện áp phía nguồn và tạo ra sự quá mức - nói cách khác là quá điện áp phóng điện lặp lại. Với điện áp như vậy (tại thời điểm phóng điện lặp lại) tạo ra điện áp quá độ đặt lên kháng. Thời gian trước của sóng thay đổi từ ít hơn một micro giây đến vài micro giây và có thể phân bố khơng đều trên cuộn dây của kháng.
Hình 2.19 trình bày một số hình ảnh minh họa cho q trình phóng điện lặp lại diễn ra bên trong máy cắt:
+ Hình 4a: dạng sóng TRV diễn ra tại thời điểm cắt máy cắt kháng bù ngang. + Hình 4b: dạng sóng của dao động q áp và phóng điện lặp lại.
+ Hình 4c: dạng sóng của dao động q áp.
+ Hình 4d: TRV vượt quá cường độ điện mơi của máy cắt, phóng điện lặp lại diễn ra.
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ATP-EMTP
3.1 Lịch sử phát triển của phần mềm ATP-EMTP
Chương trình (EMTP) là một chương trình dùng máy tính để mơ phỏng các q trình q độ điện từ, điện cơ và hệ thống điện nhiều pha. Đầu tiên nó được phát triển như một bản sao của bộ mô phỏng tương tự lưới điện (TNA). Trong những năm qua, rất nhiều tính năng đã được bổ sung và nó trở thành một chuẩn được chấp nhận trong công nghiệp điện lực.
Chương trình EMTP được phát triển vào những năm cuối thập kỷ 60 thế kỷ trước bởi tiến sĩ Hermann Dommel, ơng 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 phát triển 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. Nhằm hợp lý hố sự phát triển chương trình và thu hút sự tài trợ từ các cơng ty điện lực, nhóm phối hợp phát triển chương trình EMTP (DCG) đã được thành lập vào năm 1982. Những thành viên ban đầu của DCG bao gồm BPA, , Hiệp hội điện lực miền Tây (WAPA), Hiệp hội điện lực Canađa (CEA), Ontario Hydro, và Hydro Quebec.
Do sự khởi đầu của DCG, một loạt những thay đổi đã diễn ra trong cộng đồng EMTP. Vào năm 1986, tiến sỹ Scott Meyer rời khởi DCG, ơng đã tích cực chủ trương phát triển một phiên bản độc lập của EMTP gọi là ATP (Alternative Transient program).
Năm 1989, UBC tiếp tục phát triển và thương mại hoá phiên bản ban đầu của EMTP nhắm vào dòng máy PC dưới tên gọi là MicroTran. Vào giữa những năm 80 thế kỷ trước, Trung tâm nghiên cứu HVDC Manitoba phát triển một phiên bản của EMTP (EMTDC) nhằm chủ yếu cho việc mô phỏng hệ thống một chiều HVDC.
thành viên Bắc Mỹ của DCG bao gồm WAPA, Văn phịng khiến nại Mỹ, Cơng ty dịch vụ điện lực Mỹ, Viện nghiên cứu điện (EPRI), CEA, Hydro One Networks, Hydro Quebec. Các thành viên DCG ngoài Bắc Mỹ bao gồm: CRPIEPI (Viện nghiên cứu trung tâm của công nghiệp điện lực) Nhật, EDF, NEG (Nordic EMTP Group), đại diện IVO Phần Lan, Sydkdraft AB và Vattenfal AB Thụy Điển.
Phiên bản hiện Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) mua bản quyền sử dụng là phiên bản 3.2a do Ontario Hydro thay mặt cho DCG phát hành và chịu trách nhiệm cập nhật, bảo dưỡng và hỗ trợ khách hàng. Phiên bản này được EVN mua theo giới thiệu của các Chuyên gia Hydro Quebec khi đó đang làm dự án tiền khả thi cho mạch 500 kV Pleiku - Phú Lâm thứ hai.. Phiên bản EMTP mới nhất hiện nay do Hydro Quebec thay mặt cho DCG phát hành có tên gọi là EMTP-rv.
3.2 Giới thiệu chung về phần mềm ATP- EMTP
ATP được đánh giá là một trong những chương trình được quốc tế sử dụng rộng rãi nhất để mô phỏng các hiện tượng quá độ điện từ, điện cơ trong hệ thống điện. Đây là các tính tốn trong miền thời gian (time domain), nó rất quan trọng khi muốn tính tốn các sóng hài và với các phần tử khơng tuyến tính (non-linear elements). Về cơ bản, phương pháp hình thang của phép tích phân được sử dụng để giải quyết các phương trình vi phân của những thành phần hệ thống trong miền thời gian. ATP có nhiều mơ hình như: máy điện quay, máy biến áp, sóng sét, các loại dây và cáp truyền.
3.2.1 Nguyên tắc hoạt động
Sử dụng phương pháp tích phân hình thang để giải các hệ phương trình của các thành phần của hệ thống điện trong miền thời gian.
Điều kiện ban đầu được xác định một cách tự động bằng phương pháp tính tốn ở chế độ xác lập. Ngồi ra, người dùng có thể đưa vào các điều kiện ban đầu để làm cho thành phần đơn giản hơn.
Tính tốn đáp ứng tần số của hệ thống bằng cách sử dụng đặc tính quét của tần số FREQUENCY SCAN.
Phân tích các sóng hài trong miền tần số bằng cách sử dụng HARMONIC FREQUENCY SCAN (Harmonic current injection method).
Các hệ thống động học cũng có thể được mơ phỏng bằng cách sử dụng hệ thống điều khiển TACS và MODELS.
3.2.2 Các thành phần trong thư viện của ATP
- Các phần tử R, L, C tuyến tính và phi tuyến. - Các thiết bị đo: đo dòng, đo áp, Tacs, Models. - Các mơ hình đường dây truyền tải.
- Các công tắc điều khiển theo thời gian, điện áp, công tắc từ, cơng tắc thống kê v.v… - Mơ hình máy biến áp: MBA lý tưởng, MBA bão hòa, MBA tự ngẫu v.v…
- Mơ hình các nguồn áp, nguồn dịng, các nguồn phân tích: hàm dốc, hàm mũ, hàm sin.
- Mơ hình máy điện quay: động cơ đồng bộ, không đồng bộ 1pha, 3 pha. - Các van : diodes, thyristor, triacs v.v..
Ngồi ra người sử dụng cịn có thể tạo ra các thành phần điện khác để thực hiện mô phỏng.
3.2.3 Mơ hình hợp nhất các Module mơ phỏng trong ATP
Hình 3.1:Mơ hình các module trong ATP.
- Supporting programs: các thủ tục con cho sự chuẩn bị dữ liệu vào của các hệ
thống thành phần.
- MODELS: là một ngôn ngữ mô phỏng đa năng được hỗ trợ bởi một tập tin rộng
lớn các cơng cụ mơ phỏng cho việc trình bày và nghiên cứu các hệ thống thay đổi theo thời gian.
+ MODELS trong ATP mô tả những thành phần điều khiển và mạch điện do người
dùng tạo ra, có một giao diện đơn giản để kết nối với các chương trình hay module khác tới ATP.
+ MODELS có thể được dùng để xử lý các số liệu mô phỏng trong miền tần số hay
thời gian.
- TACS là một mơ hình dùng để mô phỏng cho hệ thống điều khiển trong miền thời
gian. Giao diện giữa mạng điện và TACS được thiết lập bởi sự trao đổi các tín hiệu như