Mô phỏng ngắn mạch công suất cao trong máy cắt

Nội dung text: Mô phỏng ngắn mạch công suất cao trong máy cắt

1. MÔ PHỎNG NGẮN MẠCH CÔNG SUẤT CAO TRONG MÁY CẮT HIGH POWER SHORT CIRCUIT SIMULATION ON CIRCUIT BREAKER PGS. TS. Quyền Huy Ánh Nguyễn Thuỳ Linh Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Trường Cao đẳng Kỹ Thuật Lý Tự Trọng TP.HCM TÓM TẮT Ngày nay, dòng ngắn mạch phát sinh trong hệ thống điện khi xảy ra sự cố có thể lên đến giá trị rất lớn. Vì vậy, thiết bị chính trong hệ thống điện, đặc biệt là máy cắt rất cần được kiểm tra. Máy cắt không thực hiện nhiệm vụ cắt khi có sự cố có thể dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho thiết bị, làm mất ổn định, và thậm chí sụp đổ hệ thống. Đối với một máy cắt điện chúng ta quan tâm khả năng đóng cắt trong hoạt động bình thường cũng như trong thời gian xảy ra lỗi hay nói cách khác, để xem một trong hai chức năng máy cắt như mong muốn phụ thuộc vào giá trị định mức của nó. Những thí nghiệm đóng cắt tại hệ thống điện thực rất khó thực hiện tại các nước đang phát triển vì những lý do kinh tế, và giới hạn về độ nhạy của các thiết bị. Trong bài báo này, mô hình hồ quang điện được xây dựng để đánh giá khả năng ngắt của máy cắt. Đồng thời xét sự ảnh hưởng của hồ quang đến việc làm biến dạng dòng điện bị ngắt khi vận hành cũng như khi xảy ra sự cố. ABSTRACT Nowadays, short circuit currents arising in modern power systems under fault conditions can attain extremely high values. Therefore, main devices in our power system especially circuit breaker extremely need to be tested first. Failure to perform their duty when called upon can result in serious damage to equipment, loss of stability, and even collapse of the system. For a circuit breaker we are interested to know its switching ability in normal operation and also during fault occurrence or in other word, to see either the circuit breaker function as expected depending on its rated value. Full-scale switching tests at the development stage are impossible for economy reasons, limited flexibility of setting desred value for particular component at anytime we want so. In this paper, dynamic arc model may be used to roughly evaluate the interrupting capacity of a breaker and its influence on the deformation of the interrupted current during power system operation as well as short circuit faults. 1. Giới thiệu: Hồ quang điện trong máy cắt được xem như là mô hình hộp đen. Mô hình hồ quang điện là một mạng hai cửa và hàm truyền đạt là một hàm toán học đã chọn trước. Đặc tính động của hồ quang điện được mô tả bởi các phương trình vi phân đầu tiên là của A. M. Cassie. Ông phát triển phương trình của mình thành điện dẫn hồ quang dựa trên giả định tổn thất nhiệt N phụ thuộc chủ yếu vào tổn thất bức xạ và tỉ lệ với diện tích mặt cắt ngang. Mô hình Cassie cho kết quả tốt khi dòng điện gần đỉnh. Sau đó, O. Mayr đưa ra giả thuyết đường kính hồ quang là không đổi và tổn thất nhiệt N là không đổi. Mô hình Mayr phù hợp cho dòng điện gần 0 [1]. Như vậy đối với dòng điện ở vùng chuyển tiếp, cả hai mô hình Cassie và Mayr đều khó có thể cho những kết quả tốt. Vì vậy, U. Habedank đã kết hợp cả hai mô hình Cassie và Mayr. Các thông số đầu vào của từng mô hình hồ quang được xác định từ các kết quả thực nghiệm [2], [3], [4]. Mạch tương tác hồ quang đóng một vai trò quan trọng trong chu trình ngắt dòng điện của máy cắt cao áp. Thời gian dập tắt hồ quang trong máy cắt được xét đến trong hệ thống truyền tải [5]. Các thông số nguồn được xác định từ tiêu chuẩn của Úc AS4372-1996 [6]. Các mô hình hồ quang thường được sử dụng để so sánh khả năng ngắt của máy cắt trong các thí nghiệm thực cũng như thí nghiệm mô phỏng sự cố ngắn mạch trên đường dây [7]. Khi xây dựng mạch mô hình hồ quang là thiết bị đóng ngắt dòng điện từ phía nguồn đến đường dây [8]. Ở phía nguồn, xây dựng mạch tạo TRV theo tiêu chuẩn IEC [9]. Sự cố ngắn mạch phía đường dây được mô hình hoá thành đường dây nhân tạo [8], [9], [10], [11], [12], [13]. Các kết quả mô phỏng TRV của mạch được so sánh với tiêu chuẩn IEEE để kết luận khả năng ngắt của máy cắt [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên thường chỉ áp dụng một mô hình hồ quang. Vì vậy, không thể so sánh khả năng dập tắt hồ quang của từng mô hình. Cũng như ảnh hưởng của từng mô hình lên hệ thống khi thao tác vận hành và khi ngắt sự cố ngắn mạch. Từ đây, bài báo đề xuất mô phỏng hai mô hình thí nghiệm: Mô hình hệ thống và mô hình sự cố ngắn mạch. Trong các mô hình thí nghiệm đều có ba mô hình hồ quang Cassie, Mayr và Habedank hoạt động đồng thời.
2. 2. Mô hình hồ quang: 2.1. Mô hình Cassie: Phương trình Cassie: 2 1 dg d ln g 1 u (1) 2 1 gc dt dt  c Uc Với gc: Điện dẫn hồ quang Cassie u: Điện áp hồ quang i: Dòng điện hồ quang  c : Thời gian hồ quang không đổi Uc: Thành phần không đổi điện áp hồ quang Với những giả định của Cassie, phương trình (1) cho kết quả tốt hơn với dòng điện gần đỉnh. 2.2. Mô hình Mayr: Phương trình Mayr: d ln g 1 g u 2 m m 1 dt  P m 0 (2) Với gm: Điện dẫn hồ quang Mayr u: Điện áp hồ quang i: Dòng điện hồ quang  m : Thời gian hồ quang không đổi P0: Tổn hao công suất Dựa vào suy luận của Mayr, phương trình (2) có kết quả tốt hơn với dòng điện gần bằng 0. 2.3. Mô hình Habedank: Vì phương trình Cassie cho kết quả tốt với dòng điện gần đỉnh. Trong khi kết quả của phương trình Mayr đạt tốt hơn khi dòng điện gần 0. Như vậy tại vùng chuyển tiếp giữa dòng điện gần đỉnh và dòng điện gần 0, cả hai phương trình Cassie và Mayr liệu có cho kết quả tối ưu. Từ đó, Habedank đã kết hợp hai phương trình toán Cassie và Mayr cùng một lúc: dg 1 v 2 g 2 c g (3) dt  v 2 g c c c c dg 1 v 2 g 2 m g (4) dt  P m m 0 1 1 1 g g g c m (5) Với gc: Điện dẫn hồ quang theo Cassie : Thời gian hồ quang không đổi theo Cassie v: Điện áp hồ quang g: Điện dẫn hồ quang vc: Điện áp hồ quang không đổi theo Cassie gm: Điện dẫn hồ quang theo Mayr :Thời gian hồ quang không đổi theo Mayr P0: Tổn hao công suất
3. 3. Tiêu chuẩn IEC về biên độ của điện áp phục hồi quá độ (TRV) Theo tiêu chuẩn IEC: Hình 5.16: Biên TRV theo tiêu chuẩn IEC. Trong đó, 푈 : Điện áp đỉnh TRV chuẩn (kV) 푡3: Thời gian đạt đỉnh TRV (µs) 푈′ : Điện áp chuẩn cho đường thời gian trễ (kV) 푡′ : Thời gian tham chuẩn cho đường thời gian trễ (µs) 푡 : Độ trễ thời gian (µs) Độ trễ thời gian được xác định theo cấp điện áp. 푡 = 0,15 × 푡3 với cấp điện áp < 72,5 kV 푡 = 0,05 × 푡3 với cấp điện áp = 72,5 kV Thời gian tham chuẩn cho đường thời gian trễ phụ thuộc độ trễ thời gian 1 푡′ = 푡 + × 푡 2 3 Điện áp chuẩn cho đường thời gian trễ phụ thuộc điện áp đỉnh TRV chuẩn 1 푈′ = × 푈 2 Điện áp đỉnh TRV chuẩn được xác định theo công thức sau. 2 푈 = × × × 푈 3 Và : Hệ số biên độ, với hệ thống đường dây ngắn = 1,4 : Hệ số loại trừ sự cố, đối với hệ thống có nối đất = 1,3, hệ thống không nối đất = 1,5 푈 : Điện áp định mức của máy cắt thí nghiệm (kV) Tốc độ gia tăng điện áp quá độ phục hồi là RRRV (Rate of Rise Retriking Voltage) phụ thuộc điện áp đỉnh TRV chuẩn và thời gian đạt đỉnh TRV. 푈 푅푅푅 = 푡3 4. Xây dựng mô hình mạch thí nghiệm sự cố ngắn mạch Khi xảy ra giông bão hoặc vì một lý do nào đó mà xảy ra sự cố ngắn mạch đường dây, ngắn mạch một pha chạm đất, ta có mạch thí nghiệm sự cố ngắn mạch như sau: Hình 1. Mạch thí nghiệm sự cố ngắn mạch. Từ mạch thí nghiệm hình 1, ta có mạch tương đương sau:
4. Hình 2. Mạch tương đương thí nghiệm sự cố ngắn mạch. Khi tiến hành thí nghiệm sự cố ngắn mạch phải xây dựng mô hình đường dây nhân tạo và xét thêm ảnh hưởng của hồ quang điện bên trong máy cắt. Một mạch điện được xây dựng để thí nghiệm khả năng ngắt sự cố ngắn mạch bao gồm nguồn máy phát, nội trở nguồn, mạch điều chỉnh TRV, mô hình hồ quang và đường dây nhân tạo. Hình 3. Mạch thí nghiệm ngắt sự cố ngắn mạch. Máy cắt là thiết bị kết nối từ phía nguồn đến đường dây truyền tải điện. Khi xuất hiện sự cố ngắn mạch, máy cắt phải ngắt dòng điện ngắn mạch để bảo vệ hệ thống nguồn cung cấp phía trước. Để so sánh khả năng ngắt dòng điện ngắn mạch của các mô hình máy cắt, mô hình mạch thí nghiệm ngắt sự cố ngắn mạch được xây dựng trong MATLAB như sau: Hình 4. Mô hình mạch thí nghiệm ngắt sự cố ngắn mạch. 5. Kết quả mô phỏng Mô hình mạch thí nghiệm có nguồn phát ngắn mạch dòng điện khoảng 40 kA và điện áp 72,5 kV. Từ khối thiết bị đo lường của mô hình, ta so sánh dòng điện qua máy cắt và điện áp trên hai đầu cực của ba mô hình máy cắt.
5. Hình 5. Dòng điện qua máy cắt. Mô hình Cassie cho dòng điện ngắn mạch chạy qua. Hai mô hình Mayr và Habedank đều ngắt thành công. Thời gian loại trừ sự cố của hai mô hình Mayr và Habedank khoảng 6,65 ms. Điện áp trên hai đầu cực của mô hình Cassie chính là điện áp cháy hồ quang. Mô hình Mayr và Habedank ngắt sự cố thành công nên khi dòng điện qua 0, điện áp quá độ phục hồi xuất hiện trên hai đầu cực máy cắt. Sau thời gian quá độ, điện áp phục hồi trên hai đầu cực máy cắt chính là điện áp nguồn. Hình 6. Điện áp trên hai đầu cực máy cắt. Để xét khả năng ngắt của hai mô hình Mayr và Habedank, xác định các thông số để so sánh với tiêu chuẩn IEC. Giá trị đỉnh của điện áp quá độ phục hồi là 80 kV, thời gian từ lúc xuất hiện điện áp quá độ phục hồi đến khi đạt giá trị cực đại là 0,00028 s hay 280 µs. So sánh kết quả mô phỏng với tiêu chuẩn IEC: Kết quả mô phỏng TRV (kV) RRRV Mayr và Habedank 80 0,286 IEC 124 0,443 Bảng 1. So sánh kết quả mô phỏng với tiêu chuẩn IEC. 6. Kết luận: Bài báo trình bày mô hình mạch thí nghiệm sự cố ngắn mạch trong Matlab-Simulink. Mục tiêu của bài báo so sánh khả năng ngắt sự cố của máy cắt theo ba mô hình hồ quang Cassie, Mayr và Habedank. Mô hình Cassie không thể ngắt sự cố ngắn mạch dẫn đến hệ thống bị sụp đổ. Mô hình Mayr và Habedank ngắt được dòng ngắn mạch, điện áp quá độ phục hồi trên hai đầu cực máy cắt TRV và tốc độ gia tăng điện áp phục hồi RRRV đều thoả tiêu chuẩn IEC. Máy cắt sử dụng mô hình Mayr và Habedank bảo vệ tốt hệ thống nguồn khi có sự cố ngắn mạch xảy ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ruben D. Garzon; “High voltage ciruict breakers”; by Marcel Dekker, Inc 2002. [2] S. Hasanzadeh, K. Niayesh, Y. Sheikhbhomi and J. Pahlevani; “Application of black-box modeling of circuit breakers to determine the most critical short line fault conditions”; 21th International Power System Conference 2006; Page: 859-864.
6. [3] T. Koshizuka, T. Shinkai, K. Udagawa and H. Kawano; “Circuit breaker model using serially connected 3 arc models for EMTP simulation”; the International Conference on Power Systems Transients (IPST2009) in Kyoto, Japan Jun 3- 6, 2009; Page: 1-5. [4] J. A. Martinez, B. Johnson, and C. Grande; “Parameter determination for modeling system transients – Part IV: Rotating Machines”; IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 20, No.3, July 2005; Page: 2063-2072. [5] H. A. Darwish and N. I. Elkalashy; “Comparison of universal circuit breaker arc representation with EMTP built-in model”; International Conference on Power Systems Transients – IPST 2003 in New Orleans, USA; Page: 1-5. [6] Shui-cheong Kam and Gerard Ledwich; “Development of diagnostic and prognostic algorithms for SF6 puffer circuit breakers from transient waveforms: a validation proposal”; European EMTP-ATP Conference, 26, 27 and 28 October 2009, Delft, The Netherlands; Page: 1-12. [7] L. vander Sluis and W. R. Rutgers; “Comparison of test circuits for high-voltage circuit breakers by numerical calculations with arc models”; IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 7, No. 4, October 1992; Page: 2037-2045. [8] L. van der Sluis, W. R. Rutgers and C. G. A. Koreman; “A physical arc model for the simulation of current zero behavior of high-voltage circuit breakers”; IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 7, No. 2, April 1992; Page: 1016-1022. [9] W. A. van der Linden and L. van der Sluis; “A new artificial line for testing high-voltage circuit breakers”; IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-102, No. 4, April 1983; Page: 797-804. [10] Guy St-Jean and Michel Landry; “Comparison of waveshape quality of artificial lines used for short-line fault breaking tests on HV circuit breakers”; IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 4, No. 4, October 1989; Page: 2109-2113. [11] Rene' Peter Paul Smeets, and Wim A. van der Linden; “Current-zero measurements of vacuum circuit breakers interrupting short-line faults”; IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 31, No. 5, October 2003; Page: 852-858. [12] L. van der Sluis and W. R. Rutger; “The comparison of test circuits with arc model”; IEEE 1994; Page 137-142. [13] Gaetan Daigneault, Guy St-Jean and Michel Landry; “Comparing direct and synthetic tests for interruption of line- charging capacity current”; IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 16, No.3, July 2001; Page: 409-414. [14] J. G. Jamani and S. A. Kanitkar; “Design and simulation of 2-parameters TRV synthetic testing circuit for medium voltage circuit breakers”; 4th International Conference on Electrical and Computer Engineering ICECE 2006, 19-21 December 2006, Dhaka, Bangladesh; Page: 1-4. [15] “IEEE standard for AC high-voltage circuit breakers rated on a symmetrical current basis-preferred ratings and related required capabilities for voltages above 1000V”; C37.06-2009; Page: 41-44/60. [16] David L. Swindler, Paul Schwartz, Paul S. Hamer and Stephen R. Lambert; “Transient recovery voltage considerations in the application of medium-voltage circuit breakers”; IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 33, No. 2, March/ April 1997; Page: 383-388. [17] Martin B. J. Leusenkamp; “Vacuum interrupter model based on breaking tests”; IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 27, No. 4, August 1999; Page: 969-976. [18] Juan A. Martinez – Velasco; “Power system transients”; by CRC Press, Taylor & Francis Group, 2010. [19] Charles L. Wagner, Denis Dufournet, and Georges F. Montillet; “Revision of the application guide for transient recovery voltage for AC high voltage circuit breakers of IEEE C37.011: A working group paper of the high voltage circuit breaker subcommittee”; IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 22, No. 1, January 2007; Page: 161-166. [20] Denis Dufournet and Joanne Hu; “Revision of IEEE C37.011 Guide for the application of transient recovery voltages for AC high-voltage circuit breakers”; IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 27, No.2, April 2012; Page: 1018- 1022. [21] S. Y. Leung, Laurence A. Snider and Cat S.M Wong; “SF6 generator circuit breaker modeling”; International Conference on Power Systems Transients (IPST’05), in Montreal, Canada, on June 19-23, 2005.
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.