Nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van trong matlab - Simulink dể bảo vệ chống quá trình điện áp cho thiết bị điện

hông qua giao diện GUI dưới dạng sơ đồ khối. Giao diện đồ họa trên màn hình của Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc. Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các loại hệ thống khác nhau. Hơn thế nữa người sử dụng cũng có thể tạo nên các khối riêng của mình. Để làm việc với Simulink, trước hết phải khởi động Matlab, sau đó gọi lệnh simulink ta sẽ thu được kết quả như hình 2.1 Hình 2.1 Cửa sổ giao diện của Matlab- Simulink Simulink gồm các khối thư viện, mỗi thư viện có chứa nhiều thư viện con, mỗi khối thư viện con có một chức năng riêng Trong thư viện con có các khối chức năng Tính chất của các khối chức năng : Tất cả các khối chức năng đều được xây dựng theo mẫu giống nhau. Mỗi khối có một hay nhiều đầu vào/ ra (trừ các khối đặc biệt ), tên ở giữa các khối thể hiện đặc điểm của khối. Người sử dụng có thể tùy ý thay đổi tên của khối, tuy nhiên mỗi tên chỉ sử dụng duy nhất một lần trong phạm vi cửa sổ mô hình mô phỏng. Khi nháy kép trực tiếp vào khối ta sẽ mở cửa sổ tham số Block Parameters và có thể nhập thủ công các tham số đặc trưng của khối Simulink phân biệt hai loại khối chức năng : Khối ảo và khối thực. Các khối thực đóng vai trò quyết định khi chạy mô hình mô phỏng simulink. Việc thêm bớt khối thực sẽ thay đổi đặc tính của hệ thống đang mô phỏng. Ngược lại, các khối ảo không có khả năng thay đổi đặc tính của hệ thống, chúng chỉ có nhiệm vụ thay đổi diện mạo đồ họa của mô hình simulink. Một số khối chức năng mang đặc tính ảo hay thực tùy thuộc vào vị trí hay cách thức sử dụng chúng trong mô hình mô phỏng, các mô hình đó được xếp vào loại mô hình ảo có điều kiện. 2.1.3. Mô hình Simulink Các mô hình trong simulink là các file có đuôi .mdl, là một cấu trúc có hệ thống đầu vào và đầu ra, thực hiện một chương trình được người sử dụng thiết kế. Simulink gần như chỉ có thể sử dụng được nhờ kích chuột. Từ các khối chứa trong thư viện ta có thể xây dựng được lưu đồ tín hiệu mong muốn. 2.1.4. Tín hiệu của Simulink 2.1.4.1.Các loại tín hiệu Đối với Simulink, khái niệm tín hiệu nhằm chỉ vào dữ liệu xuất hiện ở đầu ra của các khôi chức năng trong quá trình mô phỏng. Trong Simulink ta phân biệt 3 loại kíck cỡ tín hiệu : +Tín hiệu đơn ( scalar). +Vector tín hiệu : tín hiệu chỉ được xác định theo một chiều với độ dài n còn gọi là tín hiệu 1-D. +Ma trận tín hiệu : Kích cỡ của tín hiệu được xác định theo 2 chiều [mxn] (Arrays) còn gọi là tín hiệu 2-D. 2.1.4.2. Làm việc với các loại tín hiệu Bên cạnh các đặc điểm đã được giới thiệu, mỗi tín hiệu thuộc sơ đồ cấu trúc Simulink đều được gắn một loại số liệu nhất định, quyết định đến dung lượng bộ nhớ dành cho mỗi tín hiệu. Simulink cũng hỗ trợ tất cả các loại số liệu như Matlab Số liệu mặc định của Simulink là kiểu double. Trong quá trình mô phỏng Simulink sẽ kiểm tra xem việc đảo giữa các loại số liệu có đúng hay không, nhằm loại trừ các kết quả sai lầm có thể xảy ra. Khả năng khai báo, xác định loại số liệu của tín hiệu cũng như tham số thuộc các khối chức năng thật có ý nghĩa, nếu ta chọn mô hình chạy với thời gian thật, nhu cầu bộ nhớ và tốc độ tính toán phụ thuộc vào số liệu được ta chọn 2.1.5. Khởi động và dừng mô phỏng 2.1.5.1. Khai báo tham số Trước khi tiến hành mô phỏng cần phải có những thao tác chuẩn bị nhất định đó là khai báo tham số và phương pháp tích phân. Các thao tác chuẩn bị được thể hiện trên hình 2.2 với hộp thoại Simulink Parameters gồm 5 trang. Hình 2.2 Trang khai báo tham số mô phỏng Trong trang Solver có thể khai báo thời gian bắt đầu và kết thúc, thuật toán tích phân và phương pháp xuất kết quả của mô hình. Simulink cung cấp một số thuật toán khác nhau đáp ứng khá rộng rãi cho các bài toán đặt ra. Đối với hệ gián đoạn ta dùng thuật toán discrete với bước tích phân linh hoạt (Variable-step) cố định ( Fixed-step) Trang Workspace I/O ta có thể gửi số liệu vào hoặc đọc số liệu ra từ môi trường Workspace mà không cần sử dụng các khôi To Workspace, From Workspace trong mô hình mô phỏng. Trang Diagnótíc có thể khai báo phương thức xử lý của Simulink đối với các sự kiện xảy ra trong quá trình mô phỏng. Trang Avanced khai báo nâng cao, khi đó thời gian mô phỏng có thể tăng lên, cos thể khai báo tác động tới khối lượng tính toán mô phỏng. 2.1.5.2. Khởi động và dừng mô phỏng Quá trình mô phỏng của mô hình Simulink được khởi động qua menu Simulink/Start. Trong khi mô phỏng, có thể chọn Simulation/Pause để tạm ngừng hoặc Simulink/Stop để ngừng hẳn quá trình mô phỏng. Hoặc ta có thể điều khiển quá trình mô phỏng bằng các dòng lệnh trên cửa sổ lệnh của Matlab. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi ta muốn tự động hóa toàn bộ quá trình mô phỏng. 2.1.5.3. Lựa chọn phương pháp mô phỏng liên tục hay rời rạc Điều quan trọng trong mô phỏng hệ thống điện là việc lựa chọn phương thức khảo sát tín hiệu. Hệ thống mô phỏng hệ thống điện có vai trò như một hệ thống liên tục về thời gian, hay cũng có thể mô phỏng theo những bước giá trị cố định. Với những hệ thống nhỏ, phương thức mô phỏng liên tục cho độ chính xác cao hơn. Với các bước cố định làm bỏ qua các sự thay đổi nhỏ nên mức chính xác của mô phỏng không cao. Nhưng với phương thức mô phỏng theo bước cố định thì trình tự và thời gian mô phỏng nhanh hơn vì số bước giải thuật cho các trạng thái sẽ ít đi. Vậy cần xem xét với những hệ thống nào nên mô phỏng theo phương thức liên tục và những hệ thống nào nên mô phỏng theo phương thức bước cố định. Với những hệ thống có chứa hơn 30 trạng thái và 6 chuyển đổi cần thực hiện phương thức mô phỏng theo bước cố định. 2.1.5.4. Xử lý lỗi Sau quá trình kết nối với các đối tượng tạo ra hệ thống với các thông số cần thiết và phương pháp xuất ra kết quả. Ta thực hiện chạy chương trình. Nếu xuất hiện lỗi trong quá trình mô phỏng, Simulink sẽ ngừng quá trình mô phỏng và mở hộp thoại thông báo lỗi Simulink Diagnastics như hình 2.3 Hình 2.3. Bảng thông báo lỗi khi chạy chương trình Trong phần phía trên của hộp thoại báo lỗi ta thấy danh sách các khối gây nên lỗi. Khi chuyển vạch đó tới khối nào, ta sẽ thấy ở phần dưới hộp thoại mô tả kỹ về lỗi của khối đó. Nếu nháy chuột để Open, cửa sổ Block Parameters của khối sẽ mở ra cho phép ta thay đổi, sửa lại các tham số khai báo tại đó. Đôi khi nguồn gây lỗi trên sơ đồ còn được đổi màu để nhanh chóng phát hiện. 2.2. Hệ thống con trong mô hình Simulink 2.2.1. Tổng quan về hệ thống con Để có thể bao quát được tất cả các khối chức năng của mô hình một hệ thống phức tạp. Simulink cho phép tạo mới các thư viện con hay gọi là các hệ thống con (Subsystem). Bên cạnh ưu điểm giảm khối lượng các khối chức năng trong một cửa sổ mô hình, ta có thể gom các khối chức năng có liên quan với nhau thành một hệ thống con độc lập 2.2.2. Tạo hệ thống con Có 2 cách tạo ra hệ thống con như sau : Cách 1: Dùng chuột để đánh dấu tất cả các khối mà ta muốn gom lại với nhau. Cần chú ý các đường tín hiệu kèm theo. Sau đó chọn Create Subsystem thuộc menu Edit. Các khối chức năng được đánh dấu sẽ được Simulink thay thế bởi một khối Subsystem. Khi nháy chuột kép vào khối mới, cửa sổ có tên của khối mới sẽ mở ra. Các tín hiệu vào/ra sẽ tự động nối ghép với hệ thống mẹ bởi các khối Import và Outport. Cách 2 : Dùng khối Subsystem có sẵn trong thư viện Signals & System. Sau khi gắn các khối đó sang mô hình hệ thống đang mở, ta nháy chuột kép vào khối để mở cửa sổ của khối và lần lượt đưa các khối cần thiết vào để tạo ra hệ thông con. Việc ghép nối với hệ thống mẹ phải được chủ động thực hiện bằng tay nhờ các khối Import và Outport. 2.2.3.Khai báo tham số hệ thống con Các biến sử dụng trong hệ thống con đã đánh dấu được gán giá trị cụ thể tại hộp thoại Block Paramers. Điều này thể hiện tính độc lập của các hệ thống con và có thể sử dụng chúng nhiều lần trong cùng một mô hình mô phỏng. Cách tạo mặt nạ và khai báo các tham số cho hệ thống con ta vào menu Edit chon Mask Subsystem, hộp thoại Mask Edit sẽ mở ra Hình 2.4 Hộp thoại tạo ra mặt nạ cho hệ thống con Trang Icon có chứa các khả năng trình bày của khối mới, có thể tiến hành tạo dáng và trang trí biểu tượng của khối, tại đó có một số lệnh phục vụ cho việc biểu diễn lời văn, đường nét cũng như hàm truyền đạt. Trang Parameter cho phép mô tả các biến sử dụng trong khối mới. Trang Initialization khai báo tên các biến và các tham số sẽ xuất hiện tại hộp thoại Block Parameter của khối mới. Trang Documentation cho phép ta viết một đoạn ngắn mô tả chức năng và nôi dung help cho khối mới. Sau khi khai báo xong khối mới mà ta muốn thay đổi. Khi muốn mở khối ta chọn Edit/ Look under mask sẽ cho ta cửa sổ giống như khi ta chưa đánh dấu. 2.3. Giới thiệu một số khối chức năng của Simulink 2.3.1. Khối Import và Outport Khối Import và Outport là các khối đầu vào, đầu ra của một số mô hình mô phỏng. Cần lưu ý đến một vài tham số quan trọng khác của khối Outport. Ví dụ, Outport when disabled cho hệ thống biết cần xử lý tín hiệu ra như thế nào khi hệ thống mô phỏng đang ngừng không chạy (xóa về không hay giữ nguyên giá trị cuối cùng). Initial Outport cho biết giá trị cần lập cho đầu ra. 2.3.2. Khối Subsystem Khối Subsystem được sử dụng để tạo hệ thống con trong khuôn khổ của một mô hình SIMULINK. Việc ghép các mô hình thuộc các tầng cấp trên được thực hiện nhờ khối Import và Outport . Số lượng đầu vào/ra của khối Subsystem phụ thuộc số lượng khối Import và Outport. Đầu vào/ra của khối Subsystem sẽ được đặt theo tên mặc định của các khối Import và Outport. 2.3.3. Khối Transfer Fnc Mặc dầu chức năng của Simulink có thể giải quyết được các bài toán có xuất hiện vòng lặp đại số nhưng thời gian giải các bải toán rất chậm. Nhờ khối Transfer Fnc, có thể tránh được vòng lặp bằng cách đưa tín hiệu liên tục về rời rạc với một thời gian trích mẫu phù hợp. Ở ví dụ cho khối trên, thời gian trích mẫu là T= 0.01 μs. 2.3.4.Khối look-up Table Khối look-up Table tạo tín hiệu ra từ tín hiệu vào trên cơ sở thông tin một bảng tra (Vector of input x vector of output values). Nếu giá trị hiện tại của tín hiệu vào trung với một giá trị thuộc vector of input values, giá trị tương đương trong bảng thuộc vector of output values sẽ được đưa tới đầu ra. Nếu giá trị của tín hiệu vào nằm giữa hai giá trị thuộc vector of input values, SIMULINK thực hiện nội suy hai giá trị tương ứng của vector of output values. Nếu giá trị của tín hiệu vào bé hơn hay lớn hơn giá trị đầu tiên/giá trị cuối cùng của vector of input values, SIMULINK sẽ thực hiện ngoại suy hai giá trị đầu tiên/cuối cùng của vector of output values. Vector of input values có thể là một vector hàng hay một vector cột. 2.3.5. Khối Controlled Current Source và Controlled Voltage Source Khối Controlled Current Source và Controlled Voltage Source có chức năng chuyển đổi tín hiệu vào thành tín hiệu điện. Khối Controlled Current Source và Controlled Voltage Source hoạt động khi có tín hiệu vào block. 2.3.6. Khối Voltage Measurement và Current Measurement Khối Voltage Measurement dùng để đo điện áp trong mạch, có thể dùng để đo điện áp tức thời giữa hai nút điện. Đầu ra cung cấp một tín hiệu có thể sử dụng được cho các khối chức năng. Khối Current Measurement dùng để đo tức thời một tín hiệu dòng điện chạy qua bất kỳ khối nào, đầu ra cung cấp tín hiệu cho các khối chức năng khác. 2.3.7. Khối scope Nằm trong thư viện Sinks Chức năng hiển thị tín hiệu đã được phân tích trong suốt quá trình mô phỏng. Nó hiển thị giá trị được đưa vào nó theo thời gian. Khối có nhiều trục tọa độ, tất cả những trục này có chung một phạm vi thời gian với trục y độc lập. Scope cho phép ta chỉnh khoảng thời gian và dãy giá trị tín hiệu đã được hiển thị. Ta có thể di chuyển, thay đổi kích thước của khối này và thay đổi thông số của khối trong quá trình mô phỏng. Scope có thể zoom hình ảnh hiển thị sao cho tối ưu nhất. 2.3.8. Khối Mux Nằm trong thư viện Singals & Systems. Chức năng liên kết nhiều đường ngõ vào tạo thành một vector ngõ ra. Tín hiệu vào có thể mang một giá trị vô hướng hay một vector nhưng giá trị ngõ ra là một vector. Nếu đặt thông số Number là vô hướng thì Simulink sẽ quyết định bằng cách kiểm tra những ngõ ra được bổ sung cho khối Mux. Nếu bất cứ tín hiệu vào nào là một vector thì tất cả những phần tử của nó sẽ được nối vào khối. 2.3.9. Khối Pi Section line Khối này được dùng để mô phỏng mô tả đường dây truyển tải hình pi Khai báo thông số trong block Các thông số khai báo trong đơn vị có tên.gồm điện trở, điện kháng, điện dung trên 1 km đường dây, còn phải khai báo tần số hệ thống điện và chiều dài đường dây. 2.3.10. Khối Series RLC Branch . Khối Series RLC Branch thay thế thông số RLC +Nếu chỉ có R thì khai báo L=0 ; C=inf +Nếu chỉ có L thì khai báo R=0 ; C=inf +Nếu chỉ có C thì khai báo L=0 ; R=0 2.3.11. Khối Surge Arrester Khối Surge Arrester mô phỏng hoạt động của chống sét van Hình 1 : Đặc tính V- I tuyến tính hóa và đặc tính V- I logarit hóa của CSV. Hình 2. Hộp thoại và những tham số trong mô phỏng Protection voltage Vref Điện áp bảo vệ của khối chống sét van,đơn vị Volt(V). Number of columns Số cột đĩa oxit kim loại.Ít nhất là 1. Reference current per column Iref Dòng điện tham chiếu của 1 cột sử dụng để xác định điện áp bảo vệ, đơn vị Ampe(A). Segment 1 characteristic Tham số K và α của đoạn 1 Segment 2 characteristic Tham số K và α của đoạn 2 Segment 3 characteristic Tham số K và α của đoạn 3 Measurements Chọn Branch voltage để đo điện áp giữa 2 đầu của khối chống sét van. Chọn Branch current để đo dòng điện chạy qua khối chống sét van. Chọn Branch voltage and current để đo điện áp và dòng điện. Đặt 1 khối Multimeter trong mô hình để hiển thị phép đo đã được chọn trong khi tính toán.Trong hộp Available Measurements của khối Multimeter, phép đo thì được xác định bởi nhãn bên dưới bởi tên khối. Measurement Label Branch voltage Ub: Branch current Ib: 2.3.12. Khối AC Voltage Source Khối AC Voltage Source là nguồn áp xoay chiều một pha, các thông số, biên độ, góc pha, tần số được cài đặt trong block. 2.4. Kết luận Với công cụ Matlab-Simulink ta hoàn toàn có thể mô phỏng mọi trạng thái vận hành của hệ thống điện, khảo sát được tất cả các tình trạng làm việc không bình thường cũng như sự cố đối với hệ thống điện. Trong nội dung đề tài sử dụng công cụ Matlab-Simulink sẽ đảm bảo tính tương tự như các công cụ khác mô phỏng hệ thống điện khác. Hơn thế nữa, công cụ mô phỏng Simulink còn cho chúng ta việc thay đổi và hiệu chỉnh sơ đồ cấu trúc một cách đơn giản, thay đổi thông số làm việc của hệ thống, thay đổi trạng thái khảo sát nhanh và dễ thực hiện. Công cụ Simulink có giao diện trực quan nên rất dễ theo dõi và điều chỉnh các sai sót trong quá trình xây dựng. Đối với công cụ Matlab-Simulink tính mỡ rộng cao, ta có thể thêm các đối tượng mới để tạo ra được các hệ thống điện khác nhau. Từ đó cho phép ta khảo sát các trường hợp đặc biệt khi có sự thay đổi cấu trúc của hệ thống. CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA CSV BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP CHO TỤ BÙ DỌC VÀ KHÁNG BÙ NGANG 3.1. Các tác dụng của tụ bù dọc và kháng bù ngang 3.1.1. Các tác dụng của tụ bù dọc Xét một đường dây hình tia với tụ bù dọc nối tiếp trên đường dây: Hình 3.1. Đường dây hình tia với tụ bù dọc nối tiếp trên đường dây Hình 3.2. Vecto điện áp đầu và cuối đường dây khi không có tụ bù dọc và khi có tụ bù dọc. Tổn thất điện áp trên đường dây khi có bù dọc: (3.1) Từ biểu thức (3.1) và đồ thị vecto ta có nhận xét:Với cosφ thấp hoặc điện kháng đường dây lớn thì sụt áp do điện kháng là quan trọng. Bù dọc có tác dụng làm giảm sụt áp của đường dây. Tụ bù dọc làm giảm độ sụt áp bằng cách bù một phần điện kháng đường dây. Bù dọc cũng mở rộng vùng ổn định của điện áp bằng việc giảm điện kháng của đường dây và vì vậy rất hữu ích cho việc ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp. Đối với các đường dây siêu cao áp (SCA): việc thay đổi hệ số bù dọc có ảnh hưởng rất nhiều đến điện áp đầu nhận (cuối đường dây). Tính toán thông số bù theo mô hình mạng 2 cửa: Hình 3.2. Mô hình mạng hai cửa của đường dây truyền tải điện và các hằng số mạch. Trong đó các hằng số mạch A,B,C,D được tính toán theo mạng thông số rãi như sau: Với: : là hệ số truyền sóng. Biểu diễn các hệ số A, B, C, D trong hệ tọa độ cực: Biểu diễn các điện áp pha đầu đường dây và cuối đường dây dưới dạng: , (xem V2 là điện áp tham chiếu có góc pha bằng 00, còn δ là góc lệch giữa điện áp pha đầu đường dây V1 điện áp pha cuối đường dây V2). Công suất tác dụng và phản kháng đầu nhận liên hệ với điện áp hai đầu theo các công thức sau: Áp dụng tính toán cho đường dây dài 700km vận hành ở cấp điện áp 500kV với các thông số như sau: R0=0,027711(Ω/km), X0=0,281868(Ω/km), B0=4,24448.10-6(1/Ωkm). Công suất đầu nhận là 100MW,cosφ=0,85. Điện áp đầu phát được giữ ở 500kV. Ta tính toán điện áp ở cuối đường dây trong các trường hợp không đặt bù dọc và đặt tụ bù dọc trên đường dây với hệ số bù thay đổi từ 0,1 đến 0,7. Kết quả tính toán cho thấy sự thay đổi của điện áp cuối đường dây khi không bù cũng như khi thay đổi hệ số bù: U2 Kbù Điện áp cuối đường dây(U2) với P2=400MW,cosφ=0,85 Điện áp cuối đường dây(U2) với P2=100MW,cosφ=0,85 (pu) (kV) Góc (pu) (kV) Góc 0 1,0686 534,3082 16,3130 1,3294 664,7211 4,9058 0,1 1,0551 527,5438 15,0189 1,2848 642,3763 4,6660 0,2 1,0430 521,5094 13,6517 1,2431 621,5399 4,4030 0,3 1,0320 516,0164 12,218 1,2042 602,0818 4,1159 0,4 1,0218 510,9223 10,7219 1,1678 583,8855 3,8038 0,5 1,0122 506,1178 9,1658 1,1337 566,8463 3,4659 0,6 1,0030 501,5169 7,5507 1,1017 550,8698 3,1015 0,7 0,9941 497,0503 5,8762 1,0717 535,8704 2,7098 Bảng 3.1 : Độ thay đổi điện áp cuối đường dây theo hệ số bù. Hình 3.3. Ảnh hưởng của thay đổi hệ số bù Kbù và công suất tải đến điện áp đường dây. Việc bù này sẽ tạo ra phân bố điện áp tương đối bằng phẳng ở trên đường dây và góc lệch pha giữa điện áp hai đầu đường dây giảm theo mức độ tăng của hệ số bù. Trong trường hợp công suất truyền tải nhỏ hơn công suất tự nhiên, dòng điện điện dung gây ra quá điện áp ở đầu nhận và qua đó cách điện của thiết bị cuối đường dây càng dễ bị hư hỏng nếu đường dây SCA quá dài. Do đó bù dọc là một trong những giải pháp hữu hiệu hạn chế sự quá áp này. Hệ số bù dọc có thể tăng từ 0.3 đến 1 (bù hoàn toàn), tuy nhiên để tránh hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ, việc chọn hệ số bù phải hợp lí và nên căn cứ dựa trên những điều kiện vận hành của hệ thống. Khi mắc tụ điện vào đường dây điện kháng tổng của mạch tải điện giảm xuống còn (XL - XC) và khả năng tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được đánh giá gần đúng theo biểu thức : Hình 3.4. Giới hạn tải của đường dây tăng theo hệ số bù (KC=0;0,3;0,6) 3.1.2. Tác dụng của kháng bù ngang Bù ngang là mắc song song cuộn kháng ở đầu nhận nhằm mục đích tiêu thụ một phần công suất dư thừa. Kháng bù ngang là phần tử tiêu thụ công suất phản kháng trong trường hợp đường dây không tải hoặc non tải, đặc biệt đối với đường dây siêu cao áp. Trong trường hợp đường dây không tải hoặc non tải, dung dẫn khá lớn gây ra hiện tượng tăng điện áp đột ngột trên dọc tuyến đường dây,đánh hỏng cách điện,gây trở ngại cho việc đóng lặp lại và trong 1 số trường hợp làm quá tải các máy phát do phải chịu đựng dòng điện dung khá cao,điện áp ở cuối đường dây có thể tăng cao quá mức cho phép. Bằng cách đặt kháng bù ngang ở cuối đường dây có thể giữ điện áp không vượt quá giới hạn cho phép. Điện áp tại một điểm bất kì trên đường dây dài: V(x)=coshγx.V2+Zc.sinhγl.I2 Khi đường dây không tải: I2=0 Ta có được biểu thức liên hệ giữa điện áp đầu và điện áp cuối đường dây: Xét đường dây với các thông số được cho ở phần trên. Ta tính được điện áp dọc theo chiều dài đường dây khi không tải: Vị trí cách đầu phát(km) 0 100 200 300 400 500 600 700 Điện áp(kV) 500 503,01 512,21 528,18 551,98 585,33 630,96 693,22 Điện áp(pu) 1 1,006 1,0244 1,0564 1,104 1,1707 1,2619 1,3864 Bảng 3.2. Điện áp dọc đường dây khi không sử dụng kháng bù ngang Bảng 3.5. Điện áp dọc đường dây khi không sử dụng kháng bù ngang Khi đường dây không tải, điện áp cuối đường dây tăng lên hơn 1,3864 lần điện áp đầu đường dây,giá trị này rất lớn. Để hạn chế quá điện áp này sẽ phải lắp đặt kháng bù ngang ở cuối đường dây.Việc thay đổi dung lượng kháng bù ngang sẽ dẫn đến điện áp tại tải thay đổi nhiều. Hình 3.6. Sự thay đổi điện áp đầu nhận khi thay đổi dung lượng của kháng bù ngang. 3.2. Mô phỏng quá trình hoạt động của CSV Xét hệ thống đường dây tải điện cung cấp điện cho một phụ tải thông qua 200km đường dây. Sự cố chạm đất trong mô phỏng xảy ra ở cuối đường dây.Sự cố được loại trừ khi máy cắt tải cắt. Để đơn giản hóa mô hình chỉ mô phỏng một pha của hệ thống truyền tải. Hình 3.6. Mô hình được sử dụng cho mô phỏng Nguồn xoay chiều tương đương được mô hình bởi một nguồn điện áp 500/kV nối tiếp với điện kháng trong Zs tương ứng với công suất ngắn mạch ba pha là 10000MVA và , với: và 200km đường dây truyền tải được thể hiện bằng hai mô hình đường dây hình Pi có dạng như hình: và có các thông số: R=0,011(Ω/km), L=0,8674.10-3(H/km), C=123,41.10-9 (F/km). Tải tiêu thụ công suất không đổi là 2020MW đặt ở cuối đường dây được mô hình bởi khối RLC load nối tiếp. Nhằm tăng khả năng truyền tải công suất trên đường dây và điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải, đường dây được bù dọc bằng tụ điện nối tiếp đặt ở giữa đường dây và một kháng điện bù ngang đặt tại cuối đường dây. Đường dây được bù với hệ số bù 40%. Dung lượng của tụ bù: XC = 21,8 (Ω), C = 146,01(µF). Dung lượng của tụ bù được xác định như sau: Điện kháng tổng của đường dây: Điện dung yêu cầu cho hệ số bù 40%: Tải tiêu thụ công suất không đổi là 2000MW đặt ở cuối đường dây được mô hình bởi khối RLC load nối tiếp. Kháng bù ngang được đặt tại tải có dung lượng 330Mvar (110Mvar/1pha). Sử dụng mô hình CSV oxit kim loại MOV để bảo vệ cho tụ bù dọc và kháng bù ngang khi có sự cố trong hệ thống điện. Đặt CSV MOV1 bảo vệ cho tụ bù dọc, do mức cách điện của tụ mức độ bảo vệ quá điện áp được yêu cầu là 2,5 lần điện áp định mức của tụ (chọn điện áp này thấp hơn điện áp chịu đựng của cách điện dọc của tụ điện). Từ đó ta xác định được điện áp bảo vệ tương ứng cài đặt cho mô hình CSV MOV1 (xác định ở dòng 500A/1đĩa) là: Kháng bù ngang được bảo vệ bởi khối chống sét MOV2 tại 1,5 lần điện áp pha. Điện áp bảo vệ tương ứng cài đặt cho MOV2 (xác định ở dòng 500A/1đĩa) là: . Cài đặt các tham số cho mô hình mô phỏng: Thời gian tính toán của mô phỏng là 0,2s (10 chu kỳ ứng với tần số 50Hz). Máy cắt tải Load CB ở vị trí đóng: tham số Initial state là 1, thời gian chuyển trạng thái Switching times là 5/50s, tức là Load CB sẽ cắt vào thời điểm t=5/50s = 0,1s (sau 5 chu kỳ). Máy cắt tạo sự cố Fault CB ở vị trí mở: tham số Initial state là 0, thời gian chuyển trạng thái Switching times là [1/50 10/50]s, tức là Fault CB sẽ đóng vào thời điểm t= 1/50s = 0,02s và mở ở thời điểm t = 10/50s. 3.2.1.Quá trình mô phỏng Bắt đầu chạy chương trình. Điện áp và dòng của 2 chống sét van được thể hiện trên Scope1 và Scope2. Tại thời điểm sự cố chạm đất xảy ra ( lúc máy cắt tạo sự cố Fault CB đóng vào thời điểm t=0,02s tức là thời điểm t = 1chu kỳ) thì điện áp của tụ bù tăng lên. Khi đạt tới điện áp bảo vệ tương ứng Vprot của MOV1 thì MOV1 bắt đầu phóng điện. Đỉnh của xung đạt đến 8kA trên sau 0,025s kể từ thời điểm sự cố, điện áp đặt lên MOV1 là 150,3kV. Dòng qua chống sét van thì đối xứng và xung dòng có độ lớn 2,5kA tại mỗi nữa chu kỳ. Chống sét van MOV1 đã thực hiện chức năng bảo vệ chống quá điện áp cho tụ bù khi có ngắn mạch cuối đường dây. Hình 3.7. Đặc tính volt-ampe của chống sét van MOV1 và MOV2 Hình 3.8. Điện áp và dòng trên chống sét van MOV1 Tại thời điểm sự cố được loại trừ (lúc máy cắt tải Load CB cắt vào thời điểm t=0,1s tức là t=5 chu kỳ) thì bus B2 xuất hiện quá điện áp và điện áp bị giới hạn bởi chống sét van MOV2 nối song song với kháng bù ngang. Hình 3.9. Điện áp và dòng trên chống sét van MOV2 Như vậy, thao tác đóng cắt tải trong khi đang ngắn mạch đã tạo ra dao động điện áp lớn, gây ra quá điện áp tại bus B2 nhưng đã được khống chế bởi MOV2. Xung dòng qua MOV2 có độ lớn 1300A ứng với điện áp đặt lên MOV2 là 620kV. 3.2.2. Đánh giá vai trò của CSV trong quá trình bảo vệ quá điện áp Từ kết quả mô phỏng sự làm việc của các CSV để bảo vệ cho tụ bù dọc và kháng bù ngang, đưa ra các đặc tính so sánh quá điện áp đặt vào các thiết bị cần bảo vệ khi có đặt CSV và khi không có đặt CSV. Hình 3.10. Điện áp trên kháng bù ngang trong trường hợp không lắp đặt CSV và trường hợp có lắp đặt CSV Hình 3.11 :Điện áp trên bộ tụ trong trường hợp không lắp đặt CSV và trường hợp có lắp đặt CSV Hình 3.12. Điện áp lớn nhất trên tụ bù dọc và kháng bù ngang trong 3 trường hợp. Kết quả cho thấy các chống sét van này đóng vai trò quan trọng để giảm thành phần quá điện áp gây nguy hiểm cho cách điện của tụ bù dọc và kháng bù ngang, giới hạn quá điện áp ở mức có thể chịu đựng được của cách điện thiết bị. 3.3. Năng lượng trong chống sét van trong thời gian phóng điện Năng lượng hấp thụ là một thông số quan trọng của chống sét van. Nếu mức năng lượng vượt quá khả năng hấp thụ của chống sét có thể dẫn tới việc phá hủy tức thời đối với chống sét và làm hư hỏng chống sét. Mô phỏng đã tính được mức năng lượng hấp thụ đó theo thời gian phóng điện của chống sét. Hình 3.13. Năng lượng hấp thụ bởi chống sét van MOV1 của tụ bù dọc trong thời gian phóng điện Hình 3.14. Năng lượng hấp thụ bởi CSV MOV2 của kháng bù ngang trong thời gian phóng điện Kết quả cho thấy mức năng lượng được chống sét van MOV1 hấp thụ là 9MJ trong thời gian phóng điện của nó, còn đối với MOV2 là 0,62MJ. Mức năng lượng hấp thụ bởi CSV bảo vệ cho tụ bù dọc là rất lớn, do đó phải mắc song song các CSV để đảm bảo mức năng lượng hấp thụ được của mỗi CSV. Trong trường hợp này, nếu ta chọn loại CSV có UR =60kV, mức năng lượng hấp thụ là 12kJ/kV(UR) thì số lượng CSV cần ít nhất là 12 CSV mắc song song. CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHỐNG SÉT VAN MOV VÀ ÁP DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CSV BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP 4.1.Mục đích -Lập mô hình CSV cấp phân phối dạng MOV trong nghiên cứu đáp ứng đối với xung sét hay các xung có đầu sóng tăng nhanh. -Xây dựng mô hình nguồn phát xung không chu kỳ sử dụng trong việc mô phóng điện cũng như những nghiên cứu khác -Sử dụng các mô hình chống sét van thể hiện sự bảo vệ các thiết bị khi có quá điện áp. -Xây dựng mô hình chống sét dựa vào catalogue của nhà cung cấp, đáp ứng việc nghiên cứu. -Trên cơ sở phân tích độ chính xác đáp ứng của mô hình từ các kết quả mô phỏng sẽ tạo một mô hình trong thư viện của Matlab. 4.2 Xây dựng nguồn phát xung không chu kỳ 4.2.1. Dạng xung không chu kù và quan hệ của thông số thời gian Trong việc thử nghiệm phóng điện, ta sử dụng các xung dòng điện sét không chu kỳ chuẩn, chúng là một trong những dạng xung cơ bản cần thiết cho việc thử nghiệm cách điện của các thiết bị điện. Biểu thức toán học các dạng xung sét không chu kỳ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện cao áp có dạng : Trong đó : Io,Uo : Biên độ dòng điện và điện áp xung sét K : hệ số hiệu chỉnh T1, T2 : các hằng số thời gian Các hằng số thời gian T1, T2 có liên quan đến các thông số của xung sét là Tđs (thời gian đầu sóng), Ts (thời gian sóng là thời gian giá trị của xung giảm xuống còn một nữa so với giá trị số đỉnh). Đối với xung 1,2/50 μs thì Tđs = 1,2 μs và Ts= 50 μs Đối với xung 1/5 μs thì Tđs = 1 μs và Ts= 5 μs Đối với xung 4/10 μs thì Tđs = 4 μs và Ts= 10 μs Đối với xung 8/20 μs thì Tđs = 8 μs và Ts= 20 μs Đối với xung 10/350 μs thì Tđs = 10 μs và Ts= 350 μs Mối quan hệ giữa các thông số thời gian T1, T2 theo Tđs và Ts thông qua phương trình siêu việt : Với : Thực hiện các phép tính, ứng với mỗi dạng sóng sẽ có các giá trị hằng số thời gian T1, T2 Đối với xung 1,2/50 μs thì T1 = 65 μs và T2= 0,5 μs Đối với xung 1/5 μs thì T1 = 5,17 μs và T2= 0,36 μs Đối với xung 4/10 μs thì T1 = 4,19877 μs và T2= 3,675657 μs Đối với xung 8/20 μs thì T1 = 8,15973 μs và T2= 6,983487 μs Đối với xung 10/340 μs thì T1 = 445,6205 μs và T2= 3 μs 4.2.2.Mô hình nguồn phát xung trong Matlab Thành lập mô hình toán của phương trình trên trong matlab Hình 4.1. Nguồn dòng điện của xung không chu kỳ Hình 4.2. Nguồn điện áp của xung không chu kỳ Để thuận tiện cho việc mô phỏng, nhóm các phần tử trên thành 1 hệ con và đặt tên là Generator Kết quả mô phỏng Chạy mô hình bằng phần mền ta được kết quả dạng sóng Hình 4.3. Tín hiệu nguồn phát xung 8/20 μs - 10 kA. Hình 4.4. Tín hiệu nguồn phát xung 1,2/50 μs - 100 kA. 4.3. Mô hình điện trở phi tuyến CSV trong Matlab 4.3.1. Giới thiệu mô hình Khối chống sét van là 1 thiết bị có điện trở phi tuyến cao sử dụng để bảo vệ thiết bị điện chống lại quá điện áp.Sử dụng cho những ứng dụng đòi hỏi những yêu cầu tiêu tán công suất cao.Một số cột của những đĩa oxit kim loại được nối song song bên trong cách điện bằng sứ. Đặc tính V- I phi tuyến của mỗi cột của chống sét van thì được mô hình hóa bởi 1 tổ hợp của 3 hàm mũ có dạng: Điện áp bảo vệ đạt được với 1 cột thì được xác định ở 1 dòng tham chiếu( thường là 500A hay 1KA). Những tham số mặc định k và α được cho trong hộp thoại bên dưới phù hợp với đặc tính V- I trung bình được cung cấp bởi nhà sản xuất chống sét van oxit kim loại và chúng không thay đổi với điện áp bảo vệ. Điện áp bảo vệ yêu cầu đạt được bởi việc theo nối tiếp những đĩa kẽm oxit trong mỗi cột. Đặc tính V- I này thì được trình bày bên dưới ( trên 1 đặc tính tuyến tính hóa và trên 1 đặc tính logarit hóa). Hình 4.5. Đặc tính V- I tuyến tính hóa và đặc tính V- I logarit hóa của CSV. Hộp thoại và những tham số trong mô phỏng Protection voltage Vref Điện áp bảo vệ của khối chống sét van,đơn vị Volt(V). Number of columns Số cột đĩa oxit kim loại.Ít nhất là 1. Reference current per column Iref Dòng điện tham chiếu của 1 cột sử dụng để xác định điện áp bảo vệ,đơn vị Ampe(A). Segment 1 characteristic Tham số K và α của đoạn 1 Segment 2 characteristic Tham số K và α của đoạn 2 Segment 3 characteristic Tham số K và α của đoạn 3 Measurements Chọn Branch voltage để đo điện áp giữa 2 đầu của khối chống sét van. Chọn Branch current để đo dòng điện chạy qua khối chống sét van. Chọn Branch voltage and current để đo điện áp và dòng điện. Nguyên lý làm việc của mô hình Mô hình là một điện trở phi tuyến nên về nguyên lý cơ bản chúng có chức năng giống như một nguồn dòng được điều chỉnh bởi điện áp đặt vào hai cực Điện áp được đưa vào ngõ vào của mô hình, giá trị điện áp được lấy giá trị tuyệt đối và đưa vào ba khối Math Function được đặt lần lượt là segment1, segment2, segment3 có công thức : .Các tín hiệu từ đầu ra của khối math Function sau đó được đưa vào hai khối Switch 1 và Switch 2. Các khối này sẽ so sánh các giá trị từ segment1, segment2, segment3 với giá trị dòng điện đặt trước nhằm lựa chọn một trong ba dạng hàm mũ, sau đó tín hiệu được đưa tới khối nhân để lựa chọn dấu và cuối cùng đưa giá trị của tín hiệu tới ngõ ra của mô hình 4.3.2 Đánh giá mô hình Mô phỏng phóng điện qua chống sét van với các dạng sóng khác nhau về độ dốc 1,2/50 μs và 8/20 μs, dòng điện 10 kA. Chạy mô phỏng ta được kết quả như sau : (giá trị áp phía trên và dòng phía dưới ) Xung 1,2/50 μs Xung 8/20 μs Nhận xét : Qua thử nghiệm với các xung có cùng biên độ nhưng với thời gian đạt đỉnh khác nhau thì mô hình chống sét trong Simulink cho cùng 1 giá trị dòng điện và thời gian đạt đỉnh của dòng trùng với thời gian xung áp không chu kì. Vì vậy, mô hình này chỉ có thể dùng để mô phỏng xung đóng cắt vì bản thân nó không có các đặc tính đáp ứng động để mô phỏng với các xung sét hay các xung có đầu sóng tăng nhanh mà rất quan trong trong nghiên cứu phối hợp cách điện 4.4. Xây dựng mô hình CSV dạng MOV phụ thuộc tần số Đây là mô hình IEEE, mô hình được dùng để đánh giá tất cả những xung dòng quá độ đặt lên CSV trong hệ thống điện. Những mô phỏng về xung đóng cắt đã được thực hiện bằng cách biểu diễn MOV chỉ với những đặt tính phi tuyến V-I. Tuy nhiên, MOV có những đặc tính đáp ứng động rất quan trọng đối với các xung sét hay đối với xung có đầu sóng tăng nhanh. Đối với những xung dòng có thời gian đầu sóng tăng nhanh hơn 10 μs, điện áp dư đặt lên CSV sẽ tăng lên khi thời gian đạt đỉnh dòng điện qua CSV giảm và điện áp dư của CSV đạt tới đỉnh. Sự gia tăng điện áp dư sẽ đạt xấp xỉ 6% khi thời gian đầu sóng của dòng điện phóng qua giảm từ 8 μs xuống 1,3 μs. Thực tế, điện áp qua CSV không chỉ là hàm của dòng phóng điện mà còn là độ dốc của nó. Những đặc tính này, giống như đặc tính phụ thuộc tần số, đòi hỏi một mô hình phức tạp hơn so với mô hình điện trở phi tuyến đơn giản. Có một số mô hình được đề nghị để mô phỏng đặc tính động này. Trong khi những mô hình này có sự chính xác chấp nhận được thì vấn đề khó khăn thường gặp là việc tính toán và hiệu chỉnh các thông số của nó. Trong vài trường hợp việc tính toán và hiệu chỉnh cần phải thực hiện vài thủ tục tính toán lặp, bên cạnh đó các dữ liệu cần thiết kế từ nhà sản xuất CSV thì lại không cung cấp. Mô mô hình đơn giản hóa bộ CSV ZnO đã được nghiên cứu theo mô hình phụ thuộc tần số. Một hiện tượng khác sẽ xãy ra khi thời gian đạt đỉnh dòng điện phóng qua CSV ngắn hơn 4 μs đó là đỉnh nhọn của điện áp. Có các đỉnh nhọn điện áp tại đầu sóng mà có thể vượt qua điện áp dư tiếp theo của CSV. Biên độ của các đỉnh chọn tăng lên do điện cảm ký sinh trong mạch đo. Đỉnh nhọn có thể cực tiểu hóa bằng cách đặt bộ phận phân áp trong một mạch đo dặt đồng trục với các chống sét MOV. Khi sắp xếp các phần tử một cách tối ưu để hạn chế điện cảm ký sinh, đỉnh nhọn điện áp không vượt qua điện áp dư tiếp theo sau đối với dòng đạt đỉnh trong 0,5 μs hay hơn nữa. Do vậy, ở đây không đưa ra mô hình mà sẽ làm phát sinh các đỉnh nhọn điện áp Nghiên cứu một mô hình đơn giản hóa của MOV không có khe hở, bên cạnh đó cũng đưa ra cách tiếp cận dễ hiểu, đơn giản trong việc khảo sát các thông số đáp ứng của nó bắt đầu từ dữ liệu của nhà sản xuất. Sau đây trình bày một mô hình CSV MOV và đề ngị một thủ tục đơn giản và hiệu quả hơn trong việc xác định thông số. Phương pháp này trình bày tương đối chính xác đáp ứng động của CSV MOV. Một chương trình xác định các thông số của mô hình phải đạt được những yêu cầu sau : - Tất cả các số liệu cho bởi nhà chế tạo - Không cần tính toán lắp đặt để xác định các thông số - Đáp ứng của mô hình phải đúng với thiết bị CSV MOV thực tế với các cấp điện áp khác nhau và của các nhà sản xuất khác nhau. Mục đích cơ bản là tìm được một công cụ, dùng để thực hiện một mô hình mô phỏng MOV bắt đầu từ các số liện cho bất kỳ. Cách giải quyết ở đây dựa trên môi quan hệ toán học cực kỳ đơn giản giữa đặc tính làm việc của thiết bị và các thông số của mô hình. Sự chính xác của mô hình sẽ được thẩm định bằng cách so sánh số liệu từ các kết quả kiểm tra phóng điện xung tiểu chuẩn với kết quả của mô hình khác được tính toán, mô phỏng bởi chương trình Matlab. Đặc biệt các giá trị điện áp dư tính toán được so sánh kết quả đo của nhà sản xuất và trên các Catalogue. 4.4.1. Mô hình Mô hình được đưa ra là mô hình được đề nghị bởi IEEE. Những nghiên cứu về xung đóng cắt đã được thực hiện bằng cách biểu diễn MOV chỉ với những đặc tính phi tuyến V-I. Tuy nhiên, MOV có những đặc tính đáp ứng động rất quan trọng đối với các xung sét hay đối với các xung có đầu sóng tăng nhanh. Mô hình như sau : Hình 4.6. Mô hình chống sét van Xác định các thông số : Trong đó : d : chiều dài CSV (m) n : số cột CSV Với mô hình phụ thuộc tần số , đặc tính V-I phi tuyến của CSV được biểu diễn bằng 2 điện trở phi tuyến A0và A1. Hai phần tử điện trở này được tách ra bởi bộ lọc R-L. Với các xung đầu dốc thấp, bộ lọc này có trở kháng rất nhỏ và như thế A0và A1 như mắc song song nhau. Đối với xung đầu dốc cao, điện kháng bộ lọc lớn, nó sẽ cho dòng điện chạy qua A0nhiều hơn A1. Và như thế A0sẽ có điện áp rơi trên nó lớn hơn A1 khi có dòng điện xung đầu dốc chạy qua, kết quả là điện áp mô hình sẽ tăng cao hơn. Như vậy, mô hình sẽ phù hợp tất cả các tính chất cơ bản của CSV MOV. Dựa vào các đường cong đặc tính để xác định các điện trở phi tuyến A0 và A1 Từ đường cong đặc tính V-I ta có bảng số liệu : I(kA) A0(p.u) A1(p.u) 0.01 0.733 0.602 0.1 0.874 0.738 1 0.952 0.816 3 1.008 0.872 10 1.095 0.959 20 1.277 1.041 Bảng 4.1 Đặc tính V-I của A0 và A1 4.4.2.Xây dựng mô hình trong Matlab 4.4.2.1. Giới thiệu một số khối ( block) dùng trong mô hình. Khối Import và Outport là các khối đàu vào, đầu ra của một số mô hình mô phỏng Khối Subsystem được sử dụng để tạo hệ thống con trong khuôn khổ của một mô hình SIMULINK. Việc ghép các mô hình thuộc các tầng cấp trên được thực hiện nhờ khối Import và Outport . Số lượng đầu vào/ ra của khối Subsystem phụ thuộc số lượng khối Import và Outport. Đầu vào/ ra của khối Subsystem sẽ được đặt theo tên mặc định của các khối Import và Outport. Khối Transfer Fnc: Mặc dầu chức năng của Simulink có thể giải quyết được các bài toán có xuất hiện vòng lặp đại số nhưng thời gian giải các bải toán rất chậm. Nhờ khối Transfer Fnc, có thể tránh được vòng lặp bằng cách đưa tín hiệu liên tục về rời rạc với một thời gian trích mẫu phù hợp. Ở ví dụ cho khối trên, thời gian trích mẫu là T= 0.01 μs. Khối look-up Table: Khối look-up Table tạo tín hiệu ra từ tín hiệu vào trên cơ sở thông tin một bảng tra (Vector of input x vector of output values). Nếu giá trị hiện tại của tín hiệu vào trùng với một giá trị thuộc vector of input values, giá trị tương đương trong bảng thuộc vector of output values sẽ được đưa tới đầu ra. Nếu giá trị của tín hiệu vào nằm giữa hai giá trị thuộc vector of input values SIMULINK thực hiện nội suy hai giá trị tương ứng của vector of output values. Nếu giá trị của tín hiệu vào bé hơn hay lớn hơn giá trị đầu tiên/ giá trị đầu tiên/ giá trị cuối cùng của vector of input values, SIMULINK sẽ thực hiện ngoại suy hai giá trị đầu tiên/ cuối cùng của vector of output values. Vector of input values có thể là một vector hàng hay một vector cột. 4.4.2.2. Xây dựng mô hình các phần tử phi tuyến A0 và A1 Điện trở phi tuyến có đặc tính V-I như sau : V, I : dòng điện và điện áp qua điện trở phi tuyến Vref : điện áp qui chuẩn Iref : dòng điện qui chuẩn theo điện áp qui chuẩn α : số mũ được xác định theo đặc tính phi tuyến có giá trị từ 10 ÷ 50 Tuy nhiên, ở đây sẽ thành lập hai mô hình điện trở phi tuyến A0 và A1 với các giá trị đặc tính phi tuyến được cho bảng 4.1 ( thu được từ đường cong đặc tuyến V-I ) Mô hình điện trở phi tuyến A0 và A1, xem như một khối “ Controlled Current Source” với dòng điện I là một hàm phi tuyến theo điện áp u. Hình 4.8. Sơ đồ thiết kế phần tử phi tuyến Nhóm tất cả các phần tử được dùng để thành lập một điện trở phi tuyến và đặt tên là A0.Hai đầu của phần tử được đặt tên là In và Out. Phần tử phi tuyến dùng 2 khối của thư viện Powerlib và hai khối của thư viện Simulink. Hai khối của Powerlib đó là “ Voltage measurement” để ghi lại điện áp ở hai cực của phần tử phi tuyến và một khối “ Controlled Current Source” để tín hiệu của Simulink là khối “ Look-Up Table” thành tín hiệu dòng điện. Hai khối của Simulink là khối “Fcn” từ thư viện “ Fcn & Table” để chuyển tín hiệu liên tục thành rời rạc đưa vào khối “ Look-Up Table” để xử lý tín hiệu điện áp đưa vào.Khối “ Look-Up Table” có chức năng chuyển giá trị điện áp đưa vào và cho giá trị dòng điện tương ứng. Khối “Fcn” có chức năng làm cho thuật toán trên máy tính được giải nhanh hơn để tránh vòng lặp đại số trong mạch. 4.4.2.3. Xây dựng mô hình CSV MOV hoàn chỉnh Như trên, mô hình CSV đã được tạo nên ở hình 4.4.1. Nhưng mô hình này chỉ dùng để mô phỏng với một CSV MOV nhất định, mỗi khi cần thực hiện mô phỏng cho một CSV có cấp điện áp khác nhau phải thực hiện khai báo tính toán lại giá trị cho L0, R0,L1, R1,A0, A1. Để thuận tiện trong mô phỏng cho tất cả các CSV có các cấp điện áp khác nhau và của các hãng khác nhau trên thế giới đang được sử dụng trên lưới điện. Sau đây chúng ta tiến hành xây dựng một biểu tượng có kèm theo hộp thoại khai báo để đưa vào các thông số định mức của CSV. Khối mô chống sét sau khi mô phỏng : Hình 4.9. Mạch điện mô phỏng phóng điện 4.4.2.4. Tạo một biểu tượng riêng cho mô hình -Cho khối CSV, vào trong thư mục Edit, chọn Mask Sybsystem. Hộp thoại “ Mask Editor” sẽ hiện ra như hình 4.4.3. -Chon thanh Documentation, trong thư mục “ Mask Editor”, đánh dòng Arrester-MOV Chọn thanh Parameters, những thông số cần đặt là : - Điện áp định mức (Arrester rated voltage KV) - Điện áp dư với xung sét 10 kA (Residual voltage for lightning current 10kA) - Điện áp dư với dòng xung sét tăng nhanh 10 kA (Residual voltage for fastfront current 10kA) - Số cột chống sét (Number of arrester surge ) - Chiều cao chống sét (High arrester surge m) Nhấn nút OK để đóng cửa sổ Mask Editor. Nhấp kép vào biểu tượng mô hình CSV. Hộp thoại của nó sẽ mở ra chờ nhập các thông số vào. Tạo hình cho biểu tượng, cho khối : -Chọn khối CSV, trong Edit chọn Edit Mask. Cửa sổ Mask Editor mở ra chọn thanh Icon -Trong phần “ Drawing Commands”, dùng hàm Plot để vẽ các hình đặt tuyến cho mô hình Nhấn nút Apply và lúc này biểu tượng đã có một hình dạng đặt trưng của một CSV -Chọn khối CSV, trong Edit chọn Edit Mask. Cửa sổ Mask Editor mở ra chọn thanh Documentation và đánh vào phần “ Mask description” mô ta hoạt động của mô hình 4.4.2.5. Thực thi mô hình Tạo một xung dòng không chu kì, kiểm tra điện áp dư trên chống sét van để đánh giá độ chính xác của mô hình : Chúng ta tiến hành mô phỏng cho một CSV của hãng Cooper với các thông số kỹ thuật được cho trong Catalogue như bảng Đặc tính kỹ thuật của CSV Rate Voltage (KV) Continuous operating voltage (KV) 1/5 μs-10 kA (KV) High Arrester (mm) 8/20 μs Maximum Discharge Voltage (kV) 5 (kA) 10 (kA) 20 (kA) 90 70 242 1219 199 213 235 Các thông số nhập vào cho mô hình CSV MOV là - Arrester rated voltage (kV) : 90 kV - Residual voltage for lightning current 10kA (kV) : 213 - Residual voltage for fastfront current 10kA (kV) : 242 - Number of arrester surge : 1 - High arrester surge (m) : 1.219 Mô phỏng phóng điện với dòng điện không chu kỳ có dạng sóng 1/5 μs, 8/20 μs với biên độ 5 kA, 10 kA, 20 kA. Kết quả thu được cho trong bảng. Dòng điện trên CSV Điện áp trên CSV Hình 4.10. Điện áp dư của CSV tại dòng 1/5 μs -10 kA Dòng điện trên CSV Điện áp trên CSV Hình 4.11. Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20 μs -5 kA Dòng điện trên CSV Điện áp trên CSV Hình 4.12. Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20 μs -10 kA Dòng điện trên CSV Điện áp trên CSV Hình 4.13. Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20 μs -20 kA Tiến hành kiểm tra với các xung dòng khác ta có giá trị cho trong bảng sau : Dòng phóng điện 1/5 μs 8/20 μs Biên độ dòng 10kA 5kA 10kA 20kA Uref từ catalogue 242 199 213 235 Uref từ mô hình 240 195 215 237 Sai số phần trăm 0.83% 2.01% 0.94% 0.85% T điện áp đạt đỉnh 3,4 μs 3,5 μs 4 μs Sai số phần trăm được tính theo công thức sau Trong đó : Urefm : điện áp dư khi thực hiện mô phỏng. Urefc : điện áp dư từ Catalogue của nhà chế tạo. Kết quả mô phỏng trên chúng ta thấy mô hình cho kết quả rất chính xác, khi mô phỏng đáp ứng của CSV so với số liệu của thực tế thí nghiệm của nhà chế tạo. Hơn nữa đối với các dạng xung dòng phóng điện khác nhau, tuy có cùng biên độ dòng chạy qua CSV, nhưng ứng với các dòng xung có thời gian đạt đỉnh càng nhanh thì điện áp dư trên CSV sẽ càng tăng lớn. Bên cạnh đó thời gian đạt đỉnh của điện áp dư trên CSV của mô hình cũng nhanh hơn so với xung dòng phóng điện không chu kỳ. Đây là ưu điểm nổi bậc của mô hình, đã đáp ứng được các yêu cầu của một mô hình mô phỏng. 4.5. Áp dụng mô hình mô phỏng CSV bảo vệ cho trạm biến áp 4.5.1. Mục đích Trong hệ thống điện, các TBA phân phối do độ dự trữ cách điện của các thiết bị điện thấp, có nhiều thiết bị của phụ tải rất nhạy cảm với điện áp, số lượng CSV đặt có hạn nên làm cho vấn đề chọn giải pháp bảo vệ quá điện áp tác động lên MBA rất quan trọng, ta nghiên cứu chi tiết cách điện các phần tử để phối hợp bảo vệ một cách hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật là sự phối hợp giữa quá điện áp tác dụng lên cách điện, khả năng chịu đựng của cách điện. CSV được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện để bảo vệ thiết bị điện khi có quá điện áp. Một trong những thiết bị cần được bảo vệ là MBA. Sử dụng mô hình CSV được mô phỏng để diễn tả quá trình hoạt động của TBA khi có tác động của xung sét, qua đó thấy được tác dụng bảo vệ của CSV đồng thời đưa ra những ứng dụng thực tế cho việc thiết kế điện trở nối đật cho trạm và chọn loại CSV phù hợp để bảo vệ MBA. 4.5.2. Mô hình sử dụng chống sét bảo vệ MBA khi có xung điện áp sét truyền vào trạm Xét một tram biến áp 110KV/22KV có các thiết bị . Hệ thống truyền tải qua MBA 110kV/22KV công suất 20MVA, điện trở nối đất là 1 ôm. Cách điện của MBA chịu được quá điện áp 360 kV. Sử dụng chống sét loại AZG3008G070090Suger Arrester của hãng Cooper có các thông số: Đặc tính kỹ thuật của CSV Rate Voltage (KV) Continuous operating voltage (KV) 1/5 μs-10 kA (KV) High Arrester (mm) 8/20 μs Maximum Discharge Voltage (kV) 5 (kA) 10 (kA) 20 (kA) 90 70 242 1219 199 213 235 Kết quả điện áp thu được trong trường hợp có và không có đặt CSV: Hình 4.14. Có đặt CSV Trong đó : U1 : điện áp đặt vào MBA khi không có CSV bảo vệ U2 : điện áp đặt vào MBA khi có CSV bảo vệ Từ đồ thị điện áp hình 3.9 ta thấy khi không đặt CSV thì điện áp đặt vào cách điện của MBA là 2MV lớn hơn nhiều lần cách điện của MBA sẽ gây ra phá hỏng MBA. Trong trường hợp đặt CSV kết quả thu được ở hình 3.8, ta thấy rằng điện áp đặt lên MBA sẽ nhỏ hơn điện áp cách điện của MBA, không gây hư hỏng MBA. 4.5.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở nối đất và độ dốc đầu sóng đến điện áp dư của CSV 4.5.3.1. Ảnh hưởng của điện trở nối đất đến điện áp dư Rđ (Ω) 0.05 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Udư (kV) 231.5 232.8 235.25 238 240.7 243.8 248.6 254.7 262.1 271.5 281 Tiến hành mô phỏng với việc thay đổi giá trị điện trở nối đất của CSV ta thu được kết quả Hình 4.15. Đặc tính Udư theo Rđ Trên cơ sở mô phỏng ta thấy điện trở nối đất ảnh hưởng rất lớn đối với điện áp dư, kết quả mô phỏng giúp ta chọn giới hạn cho điện trở nôi đất 4.5.3.2. Ảnh hưởng của độ dốc đầu sóng đến điện áp dư Tiến hành mô phỏng với việc thay đổi độ dốc xung sét truyền vào trạm, thu được kết quả Dạng xung 1.2/50 μs 1/5 μs 4/10 μs 8/20 μs Udư (kV) 270 285 247 232.8 Hình 4.16. Udư theo độ dốc sóng Theo kết quả mô phỏng hình 3.11 ta thấy điện áp dư bị ảnh hưởng rất lớn khi độ dốc thay đổi. Thời gian đầu sóng càng bé thì điện áp dư càng lớn, càng gây nguy hiểm cho cách điện MBA. 4.5.3.3. Ảnh hưởng của vị trí sét đánh Tiến hành mô phỏng khi thay đổi vị trí sét đánh trên dọc đường dây từ 1-1000 m Chiều dài m Dung dẫn thay thế đương dây C(pF) Điện áp dư (KV) 1 8.73 221.2 10 87.3 221 100 873 219 200 1746 217.2 400 3492 212 600 5238 206 800 6980 201.1 1000 8730 197 Kết quả mô phỏng cho ta thấy điện áp khi truyền vào trạm phụ thuộc rất nhiều vào vị trí sét đánh, vị trí sét đánh càng ở xa TBA thì điện áp vào trạm càng nhỏ và điện áp dư trên chóng sét giảm xuống. KẾT LUẬN Tính mới của đề tài là nghiên cứu được mô hình và lập mô phỏng CSV dạng MOV của các nhà sản xuất khác nhau từ các số liệu bất kỳ, tìm ra mối quan hệ đơn giản giữa đặc tính làm việc của thiết bị và thống số của mô hình. Sự hiệu quả của mô hình được kiểm tra bằng cách so sánh kết quả kiểm tra phóng điện tiêu chuẩn với kết quả của mô hình được tính toán. Điện áp dư sau khi phóng điện của CSV tính toán bởi mô hình được so sánh với thông số thử nghiệm của nhà chế tạo trên catalogue. Qua đó chứung minh sự chính xác của mô hình, làm tiền đề cho sự phát triển mô hình toán để ứng dụng vào thực tế. Thông qua mô hình mô phỏng ta thấy được ảnh hưởng của độ dốc đầu sóng, vị trí sét đánh và điện trở đất đối với điện áp dư của CSV, đồng thời ứng dụng vào thực tế để chọn điện trở nối đất cho CSV. Kết quả cho thấy các CSV này đóng vai trò quan trọng để giảm thành phần quá điện áp gây nguy hiểm cho cách điện của tụ bù dọc, kháng bù ngang, máy biến áp và giới hạn quá điện áp được giữ ở mức an toàn cách điện của thiết bị. Với mô hình và các khối mô phỏng là công cụ ứng dựng rất tốt vào công tác giảng dạy và học tập của sinh viên các trường, trong điều kiện các trang bị thử nghiệm còn hạn chế, nhất là các thí nghiệm xung đầu sóng tăng nhanh. Đồng thời ứng dụng vào việc nghiên cứu phối hợp bảo vệ điện áp của các CSV trên lưới điện ứng với các dạng xung quá điện áp khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Viết Đạn (1976), Giáo trình kỹ thuật điện cao áp, Nhà xuất bản Đại học Bách khoa Hà Nội. Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Hydro-Québec, TEQSIM International, Power System Blockset for Use with Simulink, Use’s Guide, The MathWorks Inc, 2000. Volker Hinrichsen, Metal-Oxide Surge Arresters – Part 1: Fundamentals, Siemens AG, Berlin/Germany, July 2001. Kai Steinfeld, Reinhard Göhler, Daniel Pepper, Siemens AG, High Voltage Surge Arresters for Protection of Series Compensation and HVDC Converter Stations, The 4th International Conference on Power Transmission and Distribution Technology 2003. IEEE Std. C62.11-1999, IEEE Standard for Metal-Oxide Surge Arresters for AC Power Circuits (> 1 kV). Trin Saegsuwan, Wichet Thippraset, The lightning arrester modeling using ATP-EMTP, 2008. IEC Std 60099, Surge Arrester, 12-1999. Littelfuse, Littelfuse Varistors - Basic Properties Terminology and Theory, Application Note, July-1999. Cooper power systems, Surge Arresters- I235-83 F.J.Martinnez Esteban, L.C.Montanes Bellosta, J.Mur Amada, A.Llombart Estopinan, M.Garcia Gracia, Modeling Lightning Arresters Using Spice M.Z.A.Ab Kadir, M.H. Mohamad Ariff, R.Mesron, M.T.Salahuddin, Substation System Simulation Models for Transformer Risk Assessment Analysis, 2008.