Phân tích chế độ làm việc và yêu cầu kỹ thuật máy cắt sử dụng trong hệ thống truyền tải điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------

GIANG MẠNH HÙNG

PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT
MÁY CẮT SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN

Chuyên ngành:
Mã đề tài:

Kỹ thuật điện
KTĐ11B-66

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT

HÀ NỘI, 2014


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CẮT TRONG LƯỚI TRUYỀN TẢI
VIỆT NAM ..............................................................................................................12

1.1. Các đặc tính kỹ thuật của máy cắt ......................................................................12
1.2. Quá trình đóng cắt máy cắt ................................................................................13
1.3. Chế độ làm việc của máy cắt bộ kháng bù ngang ..............................................15
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐÓNG – CẮT BỘ
KHÁNG BÙ NGANG .............................................................................................18
2.1. Giới thiệu về chương trình tính toán, mô phỏng ATP/EMTP ...........................18
2.1.1.

Giới thiệu chung .......................................................................................18

2.1.2. Mô hình hợp nhất các Module mô phỏng trong ATP ...............................20
2.1.3. Mô hình các thiết bị tiêu chuẩn trong ATPDraw........................................22
2.1.3.1 Nguồn điện (Sources) .............................................................................22
2.1.3.2 Nhánh (Branch) ......................................................................................24
2.1.3.4 Thiết bị đóng cắt (Switch) ......................................................................28
2.1.3.5 Máy điện (Machines) ..............................................................................29
2.1.4 Một số ứng dụng quan trọng của ATP/EMTP .............................................30
Thông số vật lý các phần tử hệ thống điện trong ví dụ mô phỏng ..............31

2.2.
2.2.1.

Thông số đường dây .................................................................................31

2.2.2.

Thông số thiết bị trạm biến áp 500kV Hiệp Hòa .....................................34

2.2.2.1 Thông số máy biến áp .............................................................................34
2.2.2.2 Thông số kháng bù ngang .....................................................................34

2.2.2.3. Phụ tải ...................................................................................................34
2.3. Mô hình các phần tử hệ thống điện trong ví dụ mô phỏng ................................34
2.3.1. Mô hình nguồn điện .....................................................................................34

Giang Mạnh Hùng

1


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2.3.2. Mô hình đường dây......................................................................................36
2.3.3. Mô hình máy biến áp AT1, AT2 .................................................................38
2.3.4. Mô hình bộ kháng bù ngang ........................................................................38
2.3.5. Mô hình phụ tải ............................................................................................39
2.3.6. Mô hình máy cắt ..........................................................................................40
2.4. Kết quả tính toán, mô phỏng ..............................................................................41
2.4.1 Kiểm tra mô hình mô phỏng ........................................................................42
2.4.2 Mô phỏng quá trình đóng bộ kháng .............................................................42
2.4.2.1 Chế độ vận hành không tải, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha
bằng không và không qua điện trở nối tiếp ...........................................................43
2.4.2.2 Chế độ phụ tải trung bình, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha
bằng không và không qua điện trở nối tiếp ...........................................................44
2.4.2.3 Chế độ vận hành không tải, đóng bộ kháng không qua điện trở nối tiếp và
có chọn thời điểm điện áp các pha cực đại ............................................................45
2.4.2.4 Chế độ vận hành phụ tải trung bình, đóng bộ kháng không qua điện trở nối
tiếp và có chọn thời điểm điện áp các pha cực đại ................................................46
2.4.2.5 Chế độ không tải, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha bằng không

và qua điện trở nối tiếp ..........................................................................................47
2.4.2.6 Chế độ tải trung bình, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha bằng
không và qua điện trở nối tiếp ...............................................................................48
2.4.2.7 Chế độ không tải, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha cực đại và
qua điện trở nối tiếp ...............................................................................................49
2.4.2.8 Chế độ tải trung bình, đóng máy cắt tại thời điểm điện áp các pha cực đại
và qua điện trở nối tiếp ..........................................................................................50
2.4.3 Mô phỏng quá trình cắt bộ kháng ................................................................51
2.4.3.1 Cắt bộ kháng có chọn thời điểm ................................................................51
2.4.3.2 Cắt bộ kháng không chọn thời điểm. .........................................................52
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, NHẬN XÉT CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, MÔ
PHỎNG VÀ CÁC KIẾN NGHỊ .............................................................................53
3.1. Phân tích, nhận xét về việc đóng máy cắt bộ kháng bù ngang không chọn thời
điểm đóng. .................................................................................................................53
Giang Mạnh Hùng

2


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

3.2. Phân tích, nhận xét về việc đóng máy cắt bộ kháng bù ngang khi chọn thời
điểm đóng (thời điểm điện áp các pha đạt đỉnh). ......................................................55
3.3. Phân tích, nhận xét về quá trình cắt bộ kháng. ..................................................57
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................61

Giang Mạnh Hùng

3


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Nội dung, số liệu được tập
hợp từ nhiều nguồn khác nhau. Thuyết minh, mô phỏng và kết quả tính toán được
bản thân tôi thực hiện.
Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Giang Mạnh Hùng
Khóa CH2011B

Giang Mạnh Hùng

4


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Hệ Thống
Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cán bộ công nhân viên thuộc Trạm biến áp
500kV Hiệp Hòa, Trạm biếm áp 500kV Sơn La và bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ

và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng
biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt – thầy đã tận tình quan
tâm hướng dẫn giúp đỡ tôi xây dựng và hoàn thành luận văn này.
Vì thời gian và kiến thức còn hạn chế bản luận văn này không thể tránh khỏi
nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, bạn bè và đồng
nghiệp để bản luận văn này ngày càng hoàn thiện.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Giang Mạnh Hùng

5


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu, chữ viết tắt

Ý nghĩa

ATP

Transient Analysis of Control

Chú thích

Systems
EMTP

Electro Magnetic Transient Chương trình nghiên cứu
Program

quá độ điện từ

TRV

Transient Recovery Voltage

Điện áp phục hồi quá độ

RV

Recovery Voltage

Điện áp phục hồi

ANSI

National Standards Institute

Viện Tiêu chuẩn Quốc gia
Hoa Kỳ

IEC

International Electrotechnical Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc
tế

Commission

Giang Mạnh Hùng

6


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Dung lượng tính toán mô phỏng của ATP .................................................19
Bảng 2.2 Các loại nguồn trong ATP .........................................................................24
Bảng 2.3 Các phần tử phi tuyến ................................................................................25
Bảng 2.4 Các dạng đường dây có thông số tập trung ..............................................26
Bảng 2.5 Các loại đường dây có thông số dải (đường dây hoán vị) ........................26
Bảng 2.6 Các loại đường dây có thông số dải (đường dây không hoán vị) .............27
Bảng 2.7 Các phần tử “cable constants” hoặc “line constants” .............................27
Bảng 2.8 Các loại máy biến áp .................................................................................28
Bảng 2.9 Các loại thiết bị đóng cắt ..........................................................................29
Bảng 2.10 Các loại máy điện ....................................................................................30

Giang Mạnh Hùng

7


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Quá trình cắt của hệ thống thuần trở, thuần kháng...................................14
Hình 1.2: Mô hình nguyên tắc xếp chồng quá trình đóng máy cắt ...........................16
Hình 1.3 Dòng điện, TRV và RV ...............................................................................16
Hình 1.4 Quá trình cắt hệ thống thuần kháng ..........................................................17
Hình 1.5 Sơ đồ biến đổi tương đương của hệ thống điện có máy cắt bộ kháng bù
ngang đóng cắt thông qua điện trở ...........................................................................17
Hình 2.1 Mô hình ATP/EMTP ...................................................................................20
Hình 2.2 Mối tương quan giữa ATPDraw và các module khác................................21
Hình 2.3 Cửa sổ giao diện của ATPDraw ................................................................22
Hình 2.4 Sơ đồ đảo pha đường dây 500kV Sơn La - Hiệp Hòa ................................33
Hình 2.5: Mô hình và nhập số liệu cho nguồn điện AC 3 pha ..................................35
Hình 2.6: Mô hình và nhập số liệu cho đường dây ...................................................37
Hình 2.7: Mô hình và nhập số liệu cho máy biến áp AT1, AT2 ................................38
Hình 2.8 Mô hình và nhập số liệu cho kháng bù ngang ...........................................39
Hình 2.9: Mô hình và nhập số liệu cho phụ tải.........................................................40
Hình 2.10 Mô hình máy cắt .......................................................................................40
Hình 2.11 Mô hình đường dây 500kV Hiệp Hòa – Sơn La .......................................41
Hình 2.12 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt không tải, không điện trở và tại thời
điểm xấu nhất ............................................................................................................43
Hình 2.13 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt không tải, không điện
trở và tại thời điểm xấu nhất .....................................................................................43
Hình 2.14 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt không tải, không điện trở
và tại thời điểm xấu nhất ...........................................................................................43
Hình 2.15 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, không điện
trở và tại thời điểm xấu nhất .....................................................................................44
Hình 2.16 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung
bình, không điện trở và tại thời điểm xấu nhất .........................................................44

Hình 2.17 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung
bình, không điện trở và tại thời điểm xấu nhất .........................................................44
Hình 2.18 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ không tải, không điện trở nối
tiếp và tại thời điểm tốt nhất .....................................................................................45
Hình 2.19 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ không tải,
không điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất.......................................................45
Hình 2.20 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ không tải, không
điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất .................................................................45

Giang Mạnh Hùng

8


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hình 2.21 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, không điện
trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất .........................................................................46
Hình 2.22 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung
bình, không điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất .............................................46
Hình 2.23 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung
bình, không điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất .............................................46
Hình 2.24 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ không tải, có điện trở nối tiếp
và tại thời điểm xấu nhất ...........................................................................................47
Hình 2.25 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ không tải, có
điện trở nối tiếp và tại thời điểm xấu nhất ................................................................47
Hình 2.26 Dòng điện chạy qua bộ khángkhi đóng máy cắt chế độ không tải, có điện
trở nối tiếp và tại thời điểm xấu nhất ........................................................................47

Hình 2.27 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, có điện trở
nối tiếp và tại thời điểm xấu nhất ..............................................................................48
Hình 2.28 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung
bình, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm xấu nhất ..................................................48
Hình 2.29 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung
bình, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm xấu nhất ..................................................48
Hình 2.30 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ không tải, có điện trở nối tiếp
và tại thời điểm tốt nhất ............................................................................................49
Hình 2.31 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ không tải, có
điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất .................................................................49
Hình 2.32 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ không tải, có điện
trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất .........................................................................49
Hình 2.33 Sơ đồ mô phỏng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung bình, có điện trở
nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất ...............................................................................50
Hình 2.34 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung
bình, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất ...................................................50
Hình 2.35 Dòng điện chạy qua bộ kháng khi đóng máy cắt chế độ phụ tải trung
bình, có điện trở nối tiếp và tại thời điểm tốt nhất ...................................................50
Hình 2.36 Sơ đồ mô phỏng khi cắt máy cắt tại thời điểm tốt nhất............................51
Hình 2.37 Điện áp trên kháng điện Hiệp Hòa pha A khi cắt máy cắt tại thời điểm tốt
nhất ............................................................................................................................51
Hình 2.38 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi cắt máy cắt tại thời điểm tốt nhất .51
Hình 2.39 Sơ đồ mô phỏng khi cắt máy cắt tại thời điểm xấu nhất ..........................52
Hình 2.40 Điện áp trên bộ kháng điện Hiệp Hòa pha A khi cắt máy cắt tại thời điểm
xấu nhất .....................................................................................................................52

Giang Mạnh Hùng

9

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hình 2.41 Điện áp trên thanh cái Hiệp Hòa khi cắt máy cắt tại thời điểm xấu nhất
...................................................................................................................................52
Hình 3.1 Dòng điện qua máy cắt khi đóng máy cắt bộ kháng không tải, tại thời điểm
xấu nhất có điện trở và không có điện trở ................................................................53
Hình 3.2 Điện áp thanh cái 500kV trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt bộ
kháng không tải, tại thời điểm xấu nhất khi có điện trở và khi không có điện trở. ..53
Hình 3.3 Dòng điện qua máy cắt khi đóng máy cắt bộ kháng tại thời điểm xấu nhất
khi tải bằng không và khi tải trung bình. ..................................................................54
Hình 3.4 Điện áp thanh cái 500kV trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt bộ
kháng tại thời điểm xấu nhất khi tải bằng không và khi tải trung bình. ...................54
Hình 3.5 Dòng điện qua máy cắt khi đóng máy cắt bộ kháng không tải, tại thời điểm
tốt nhất đóng có điện trở và không có điện trở .........................................................55
Hình 3.6 Điện áp thanh cái 500kV trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt bộ
kháng không tải, tại thời điểm tốt nhất có điện trở và không có điện trở.................55
Hình 3.7 Dòng điện qua máy cắt khi đóng máy cắt bộ kháng tại thời điểm tốt nhất
khi phụ tải bằng không và khi phụ tải trung bình. ....................................................56
Hình 3.8 Điện áp thanh cái 500kV trên thanh cái Hiệp Hòa khi đóng máy cắt bộ
kháng tại thời điểm tốt nhất và có trở khi phụ tải bằng không và khi phụ tải trung
bình. ...........................................................................................................................56
Hình 3.9 Điện áp pha A trên bộ kháng điện khi cắt bộ kháng tại thời điểm xấu nhất
...................................................................................................................................57
Hình 3.10 Điện áp Pha A trên bộ kháng điện khi cắt bộ kháng tại thời điểm tốt nhất
...................................................................................................................................57
Hình 3.11 Dòng điện pha A trên kháng điện khi cắt bộ kháng tại thời điểm xấu nhất
...................................................................................................................................58

Hình 3.12 Dòng điện pha A trên bộ kháng điện khi cắt bộ kháng tại thời điểm tốt
nhất ............................................................................................................................58

Giang Mạnh Hùng

10


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

MỞ ĐẦU
Điện năng là loại năng lượng khó lưu giữ mà thường phải sử dụng ngay sau
khi được sản xuất. Những nơi đặt nhà máy sản xuất điện (nguồn điện) thường là
những vùng xa khu dân cư, phụ tải nên để truyền tải điện đến nơi tiêu thụ cần một
mạng lưới vô cùng phức tạp bao gồm: các máy phát điện, máy biến áp tăng áp,
đường dây truyền tải, các máy biến áp hạ áp và đường dây phân phối. Ta phải sử
dụng nhiều máy cắt để tác động nhanh, chính xác nhằm nhanh chóng cách ly sự cố
ra khỏi hệ thống cũng như đóng lại các thiết bị sau khi sự cố đã được xử lý. Chính
vì vậy, máy cắt là phần tử rất quan trọng trong hệ thống điện nói chung và hệ thống
truyền tải điện cao áp nói riêng.
Để tiêu thụ lượng công suất phản kháng rất lơn do đường dây 500kV sinh ra
và tăng khả năng truyền tải công suất, người ta đặt một bộ kháng bù ngang ở trạm
500kV Hiệp Hòa. Quá trình đóng cắt máy cắt của bộ kháng này có rất nhiều vấn đề
cần phải nghiên cứu. Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu quá trình đóng cắt máy
cắt bộ kháng bù ngang của trạm biến áp 500kV Hiệp Hòa, từ đó đưa ra các nhận
xét, kết luận, kiến nghị khi lựa chọn máy cắt.
Nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về máy cắt trong lưới điện truyền tải Việt Nam

Chương 2: Tính toán, mô phỏng quá trình đóng – cắt kháng bù ngang
Chương 3: Phân tích, nhận xét các kết quả tính toán, mô phỏng và các kiến
nghị.

Giang Mạnh Hùng

11


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY CẮT TRONG LƯỚI TRUYỀN
TẢI VIỆT NAM
1.1. Các đặc tính kỹ thuật của máy cắt
Máy cắt là một thiết bị đóng cắt, có khả năng đóng tải, dẫn dòng điện tải, và
cắt dòng tải trong điều kiện bình thường cũng như trong khoảng thời gian nhất định
khi sự cố. Máy cắt có khả năng dẫn điện tốt, chịu được nhiệt và lực cơ học phát sinh
ra khi đóng máy cắt do dòng điện tải nhỏ hơn hoặc tương đương với dòng ngắn
mạch định mức. Khi cắt, máy cắt cách điện tốt và chịu được điện áp giữa các tiếp
điểm, điện áp so với đất và điện áp giữa các pha. Hồ quang điện được hình thành
sau khi các tiếp điểm bắt đầu tách ra, máy cắt chuyển từ trạng thái dẫn điện sang
trạng thái không dẫn điện trong khoảng thời gian rất ngắn. Hồ quang thường được
dập tắt khi dòng điện đạt đến giá trị không trong chu kỳ dòng điện xoay chiều, cơ
chế dập hồ quang này được thực hiện bằng cách kéo dài hồ quang với chiều dài tối
đa, tăng điện trở và hạn chế dòng. Có nhiều kỹ thuật khác nhau được dùng để tăng
chiều dài hồ quang điện, tùy theo kích thước, định mức và ứng dụng thực tế.
Để lựa chọn một máy cắt dùng cho một hệ thống cụ thể ta cần cân nhắc chủ

yếu đến dòng điện mà máy cắt có khả năng dẫn điện liên tục mà không quá nóng
(dòng tải định mức trong điều kiện bình thường) và dòng điện tối đa máy cắt có thể
chịu đựng khi cắt ra khỏi sự cố hoặc đóng vào điểm sự cố (dòng ngắn mạch định
mức). Các nghiên cứu trong hệ thống điện sẽ định lượng các giá trị này và ta có thể
chọn các giá trị định mức từ các bảng cho sẵn theo tiêu chuẩn phù hợp.
Khi đóng cắt máy cắt, tùy vào cấp điện áp, cấu trúc hệ thống điện mà điện áp
quá độ, dòng điện quá độ có giá trị khác nhau, yêu cầu của máy cắt là phải chịu
được giá trị đó. Ngoài ra, trong sơ đồ thiết kế phải có thêm các thiết bị để đảm bảo
an toàn cho nhân viên sửa chữa. Các tiêu chuẩn máy cắt chủ yếu đang được áp dụng
là của IEEE/ANSI (American National Standards Institute – Viện Tiêu chuẩn Quốc
gia Hoa Kỳ) và IEC (International Electrotechnical Commission - Ủy ban Kỹ thuật
Giang Mạnh Hùng

12


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Điện Quốc tế). Các tiêu chuẩn này yêu cầu máy cắt phải được thiết kế và sản xuất
để đáp ứng các thông số kỹ thuật như khả năng cách điện, khả năng đóng cắt, khả
năng bảo vệ tiếp điểm, khả năng mang tải.
Các thông số kỹ thuật của máy cắt cần quan tâm bao gồm:
- Điện áp định mức: Là điện áp giới hạn trên của điện áp cao nhất của hệ
thống mà máy cắt được thiết kế. Điện áp định mức là thông số quan trọng để tính
cách điện giữa các pha với đất, giữa các pha với nhau, để thiết kế cấu tạo của buồng
dập hồ quang và khoảng cách giữa các đầu tiếp điểm
- Dòng điện định mức: Là dòng điện lớn nhất (giá trị hiệu dụng) có thể
truyền qua máy cắt một cách liên tục trong các điều kiện làm việc cho trước.

- Dòng điện cắt định mức: Là dòng điện lớn nhất (giá trị hiệu dụng) mà máy
cắt có thể cắt mạch một cách an toàn khi ngắn mạch, cắt nhiều lần trong giới hạn
quy định.
- Dòng điện ổn định động định mức: Là giá trị tức thời lớn nhất đầu tiên của
dòng điện trong giai đoạn quá độ sau khi có dòng điện chạy qua, dòng điện lớn nhất
có thể truyền qua máy cắt khi ở vị trí đóng.
- Dòng điện đóng định mức: Là giá trị lớn nhất của dòng điện mà máy cắt
có thể đóng mạch một cách an toàn trong thao tác đóng mạch.
- Dòng điện và thời gian ổn định nhiệt định mức: Là các đại lượng đặc
trưng cho khả năng chịu đựng tác dụng nhiệt ngắn hạn của dòng điện ngắn mạch.
Nội dung về máy cắt trên được tham khảo từ tài liệu [3], [9].

1.2. Quá trình đóng cắt máy cắt
Quá trình thao tác đóng cắt máy cắt đều xảy ra vấn đề đối với hệ thống điện.
Trong quá trình đóng, hệ thống bị quá điện áp thao tác, ảnh hưởng đến cách điện

Giang Mạnh Hùng

13


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

của các thiết bị. Trong quá trình cắt, hệ thống xuất hiện quá điện áp phục hồi RV
(Recovery Voltage), RV quá cao có thể gây phóng điện lại ở tiếp điểm máy cắt.
Tất cả các phương pháp cắt dòng trong hệ thống điện cao áp đều tạo ra một
khoảng cách không dẫn điện vào giữa đoạn dẫn điện. Điều này có thể đạt được bằng
cách tách các tiếp điểm ra. Khoảng cách được hình thành giữa các tiếp điểm được

lấp đầy bởi chất lỏng, khí, hoặc chân không. Tuy nhiên, giữa hai tiếp điểm có thể bị
phóng điện trở lại qua các chất cách điện trên làm ảnh hưởng đến quá trình cắt.
Việc cắt ra dòng tải điện trở thuần thường không gây ra vấn đề gì đáng kể.
Điện áp và dòng điện của hệ thống thuần trở trùng pha nhau. Khi máy cắt cắt, điện
áp tăng dần từ không đến đỉnh theo dạng tần số công nghiệp, điện áp xuất hiện giữa
các tiếp điểm bằng chính giá trị điện áp định mức của hệ thống và được duy trì đến
khi tiếp điểm mở hoàn toàn. Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống, thành phần điện cảm
của dòng điện lớn hơn nhiều so với các thành phần điện trở, khi các tiếp điểm mở
ra, dòng được cắt, điện áp có xu hướng tăng tới giá trị đỉnh của nó. Dẫn đến điện áp
giữa các tiếp điểm tăng vọt, lớn hơn gấp nhiều lần giá trị điện áp cực đại trong chế
độ xác lập. Trong những trường hợp này, hồ quang có thể phóng lại mặc dù các tiếp
điểm đã được tách.

Hình 1.1 Quá trình cắt của hệ thống thuần trở, thuần kháng

Giang Mạnh Hùng

14


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hồ quang điện xoay chiều được dập tắt khi dòng điện qua giá trị không.
Thiết bị dập hồ quang trong máy cắt xoay chiều sẽ khử ion giữa các tiếp điểm khi
dòng điện đi qua giá trị không, giảm điện áp phục hồi nhằm ngăn ngừa hồ quang
cháy lại. Lý thuyết về quá trình đóng cắt máy cắt và hồ quang điện được tham khảo
từ tài liệu [6], [7], [9].
Khi nghiên cứu về công nghệ máy cắt, người ta quan tâm đến quá trình xảy

ra trong hệ thống điện nối với máy cắt như dạng sóng và biên độ của điện áp sau khi
cắt. Phân loại theo chức năng của máy cắt trong lưới điện cao áp bao gồm các loại
sau: Máy cắt các phía của máy biến áp lực, máy cắt vòng, máy cắt liên lạc, máy cắt
đường dây, máy cắt tụ (tụ bù dọc, tụ bù ngang), máy cắt kháng,... Trong phạm vi
của luận văn, ta sẽ đi nghiên cứu về máy cắt bộ kháng bù ngang.

1.3. Chế độ làm việc của máy cắt bộ kháng bù ngang
Việc đóng cắt kháng điện tương đương với việc đóng cắt một lượng công
suất phản kháng vào hệ thống khiến hệ thống bị quá điện áp thao tác (do công suất
phản kháng ảnh hưởng đến điện áp lưới nhiều hơn công suất tác dụng). Khi cắt,
giữa hai đầu cực máy cắt sẽ xuất hiện điện áp phục hồi quá độ (Transient Recovery
Voltage – TRV). Nội dung lý thuyết được tham khảo trong các tài liệu [2], [4], [8],
[10].
Quá trình đóng cắt được phân tích dựa trên trạng thái xác lập – tồn tại trước
thao tác cắt - và phản ứng quá độ của hệ thống. Khi các tiếp điểm bắt đầu tách ra
khi thao tác cắt sẽ bắt đầu xuất hiện điện áp quá độ giữa các tiếp điểm này. Điện áp
này gọi là TRV, xuất hiện ngay sau khi dòng bằng không và trong khoảng vài ms.

Giang Mạnh Hùng

15


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hình 1.2: Mô hình nguyên tắc xếp chồng quá trình đóng máy cắt
Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý rằng điện áp phục hồi bao gồm hai
thành phần: thành phần quá độ (dao động cao tần) là điện áp quá độ phục hồi

(TRV), xuất hiện ngay sau khi dòng về không, và thành phần xác lập là điện áp xác
lập ở tần số công nghiệp sau khi hết quá độ. Dạng sóng của dao động điện áp được
xác định bởi các thông số hệ thống.

Hình 1.3 Dòng điện, TRV và RV
Quá điện áp xảy ra khi đóng bộ kháng bù ngang vào hệ thống có trị số rất
lớn, đủ để phá hoại cách điện đường dây và có thể gây nổ máy cắt điện. Khi đóng
máy cắt, điện áp hai đầu tiếp điểm biến thiên dần về không và dòng điện tăng cực
đại.

Giang Mạnh Hùng

16


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hình 1.4 Quá trình cắt hệ thống thuần kháng
Để giảm giá trị dòng xung kích và điện áp quá độ thao tác thì người ta mắc
thêm điện trở với máy cắt bộ kháng. Sơ đồ hệ thống điện có máy cắt bộ kháng bù
ngang đóng cắt thông qua điện trở có thể được biến đổi thành sơ đồ mạch điện sau.

Hình 1.5 Sơ đồ biến đổi tương đương của hệ thống điện có máy cắt bộ kháng bù
ngang đóng cắt thông qua điện trở
Trong trường hợp này, điện áp cực đại Vmax là điện áp đỉnh của nguồn, R là
điện trở nối tiếp của máy cắt Z là tổng trở của mạch  là góc đóng máy cắt α là tỷ số
giữa điện trở và điện kháng, L giá trị điện kháng. Sơ đồ lý thuyết đóng kháng được
tham khảo tài liệu [13].

Giang Mạnh Hùng

17


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐÓNG – CẮT BỘ
KHÁNG BÙ NGANG
2.1. Giới thiệu về chương trình tính toán, mô phỏng ATP/EMTP
Nội dung phần giới thiệu chương trình ATP/EMTP được tham khảo từ tài
liệu [5].
2.1.1. Giới thiệu chung
Chương trình quá độ điện từ (EMTP – Electromagnetic Transients
Programme) là một phần mềm máy tính dùng cho việc mô phỏng các quá trình quá
độ điện từ, điện cơ và hệ thống điều khiển trong hệ thống điện nhiều pha.
EMTP được phát triển vào những năm cuối của thập kỷ 60 thế kỷ XX bởi tiến sĩ
Hermann Dommel. Phần mềm này đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới
trong các lĩnh vực tính toán thiết kế cũng như vận hành cho các loại thiết bị trong hệ
thống điện. EMTP là một trong những công cụ phân tích hệ thống rất linh hoạt và
hiệu quả.
Với sự đóng góp của hàng loạt các công ty điện lực và các trường đại học
Bắc Mỹ, EMTP đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi từ đầu những năm 1970.
EMTP được chính thức thương mại hóa từ năm 1984. Đến năm 1986, phiên bản độc
lập của EMTP là ATP (Alternative Transients Programme) đã được hình thành.
ATP/EMTP là phần mềm mã nguồn mở và được cung cấp hoàn toàn miễn phí.

Phần mềm sử dụng phương pháp tích phân hình thang để giải các hệ phương
trình của các thành phần hệ thống trong miền thời gian.
Điều kiện ban đầu khác không được xác định một cách tự động bằng phương
pháp tính toán ở chế độ xác lập hoặc người sử dụng có thể đưa vào các điều kiện
ban đầu để làm cho các thành phần đơn giản hơn.

Giang Mạnh Hùng

18


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

TACS (Transient Analysis of Control Systems) và MODELS (a simulation
language) có khả năng mô phỏng hóa hệ thống điều khiển và các thành phần bằng
đặc tính phi tuyến.
Mô phỏng hiện tượng hỏng hóc, xung sét và các dạng đóng cắt kể cả chuyển
mạch của các van.
Tính toán đáp ứng của tần số đối với hệ thống bằng cách sử dụng đặc tính
quét tần số “frequency scan”.
Phân tích harmonics (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 mô phỏng bằng cách sử dụng hệ
thống điều khiển TACS và MODELS.
Khi chạy chương trình trên ATP/EMTP, dung lượng tính toán mô phỏng của
chương trình không có giới hạn tuyệt đối. Cho đến nay, hệ thống lớn nhất mà
chương trình đã mô phỏng là:
Bảng 2.1 Dung lượng tính toán mô phỏng của ATP

Số lượng nút

6000

Số lượng nhánh

10000

Số lượng thiết bị đóng cắt

1200

Số lượng nguồn

900

Số lượng phần tử phi tuyến

2250

Số lượng máy điện 3 pha

90

Giang Mạnh Hùng

19


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2.1.2. Mô hình hợp nhất các Module mô phỏng trong ATP
-

Mô hình ATP/EMTP:

ATP có các chương trình phụ (supporting programs): Đó là các thủ tục con
cho sự chuẩn bị dữ liệu vào của một số hệ thống thành phần.
ATP liên kết qua lại với TACS và MODELS để đi phân tích hệ thống
điều khiển. ATPDraw được dùng để thành lập các mô hình mạch điện, dùng trong
giao tiếp giữa ATP với TACS và MODELS khi chạy mô phỏng.

Hình 2.1 Mô hình ATP/EMTP
-

ATP có 6 module chính:

+ Module ATP control center: Khối trung tâm, điều khiển các khối còn lại.
+ Module ATPDraw: Chương trình chạy trên nền Windows với giao diện đồ
họa trực quan, dễ sử dụng, dùng để tạo các mạch mô phỏng quá độ. Trong đó có
nhiều phần tử trong hệ thống điện và người sử dụng có thể tạo các mô phỏng mới
nhờ ngôn ngữ MODELS của chương trình.

Giang Mạnh Hùng

20

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

+ Module PCPlot: là module để in kết quả và vẽ đồ thị ở chế độ quá độ của
các thông số (điện áp nút, điện áp nhánh, dòng điện nhánh, momen, tốc độ…).
+ Module PlotXY: là module để in kết quả ở chế độ xác lập của các thông số
(điện áp nút, dòng điện nhánh, dòng công suất nhánh, tổn thất công suất trên nhánh,
tổng công suất phát và tổng tổn thất công suất…).
+ Module GTPPlot: là module xem tín hiệu xuất ra từ ATPDraw.
+ Module Programme’s File Editor (PFE): là module quản lý các file dữ liệu
đầu vào và xem/in danh sách đầu ra.
- Ngoài 6 module chính nói trên trong ATP còn có các module và chương
trình hỗ trợ khác. Trong 6 module chính trên thì module ATPDraw đóng vai trò nền
tảng cho các module khác.

Hình 2.2 Mối tương quan giữa ATPDraw và các module khác

Giang Mạnh Hùng

21


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2.1.3. Mô hình các thiết bị tiêu chuẩn trong ATPDraw

Hình 2.3 Cửa sổ giao diện của ATPDraw

ATPDraw là chương trình đồ họa, đồng thời là phiên bản ATP của EMTP
trên nền Windows. Trong ATPDraw người dùng có thể xây dựng các mạch điện và
lựa chọn các thành phần có trong thư viện đủ chức năng điều chỉnh hình họa, dữ
liệu và có thể kiểm tra, thực hiện trong miền tần số. ATPDraw cung cấp các phần tử
mẫu, các phần tử mẫu này có thể làm việc đồng thời trên nhiều mạch và sao chép
thông tin giữa các mạch. Hầu hết các thiết bị tiêu chuẩn trong ATPDraw (cả 1 pha
và 3 pha) đều được cung cấp trong TACS, đồng thời người dùng có thể tạo ra thiết
bị mới trong MODELS.
2.1.3.1 Nguồn điện (Sources)
Trong chương trình ATP/EMTP có hai loại nguồn được mô phỏng là nguồn
điện tĩnh và nguồn điện động. Nguồn điện tĩnh là dạng nguồn điện cho trước giá trị

Giang Mạnh Hùng

22


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

biên độ (điện áp hoặc dòng điện), góc pha, thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc.
Nguồn điện đông là các dạng máy điện quay (đồng bộ hay không đồng bộ).
Chương trình ATP/EMTP có thể mô phỏng các dạng nguồn sau đây:
+ Nguồn theo yêu cầu người đặt bài toán nhờ ứng dụng module điều
khiển TACS (Transient Analysis of Control Systems).
+ Nguồn một chiều
+ Nguồn hình thang
+ Nguồn dạng răng cưa (Ramp function)
+ Nguồn hình sin (Sinussoidal function) f(t)=A.cos(2πft+φ)

+ Nguồn dạng sét f(t)=A.(e-at-e-bt)
+ Nguồn điều biến
+ Máy điện 3 pha và máy điện tổng hợp
Tất cả các nguồn trên đều là nguồn dòng hoặc nguồn áp.

Giang Mạnh Hùng

23


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Bảng 2.2 Các loại nguồn trong ATP

2.1.3.2 Nhánh (Branch)
ATP có thể mô phỏng các loại nhánh sau đây:
+ Nhánh R-L-C nối tiếp
+ Các phần tử phi tuyến
+ Nhánh hình PI
+ Nhánh nhiều hình PI
+ Nhánh R-L tương hỗ
+ Đường dây thông số rải có thông số hằng
+ Đường dây thông số dải có thông số phụ thuộc tần số
+ Máy biến áp các loại

Giang Mạnh Hùng

24