Tính toán phân tích ngắn mạch trong hệ thống điện sử dụng phần mềm ETAP :Khóa luận tốt nghiệp Khoa Công nghệ Điện

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH NGẮN MẠCH

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG PHẦN

MỀM ETAP

SINH VIÊN: LÊ VĂN ĐẠI

MSSV : 16036891

LỚP : DHDI12B

GVHD : TS. DƯƠNG THANH LONG

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2020

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài

(1): Lê Văn Đại, MSSV: 16036891

2. Tên đề tài

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ

DỤNG PHẦN MỀM ETAP

3. Nhiệm vụ (Nội dung và số liệu ban đầu)

- Giới thiệu phần mềm Etap

- Cơ sở lý thuyết về ngắn mạch trong hệ thống điện

- Mô phỏng trên hệ thống điện 5 nút (cấp nguồn đơn ) và hệ thống điện kiểm tra

phân phối thanh cái IEEE 30 nút sử dụng phần mềm Etap.

- Kết luận và đưa ra giải pháp.

4. Kết quả dự kiến

- Bảng thông số và hình ảnh về tính toán ngắn mạch cho lưới điện thực tế.

- Tài liệu hướng dẫn tính toán ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC 60909.

- Toàn văn báo cáo hướng dẫn sử dụng phần mềm Etap tính toán ngắn mạch.

Giảng viên hướng dẫn Tp. HCM, ngày tháng năm 2020.

Sinh viên

Trưởng bộ môn

ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

iii

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP .......................................i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ......................................................ii

MỤC LỤC............................................................................................................... iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ .................................................................................v

DANH SÁCH CÁC BẢNG ....................................................................................vii

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ETAP ......................................................................1

1.1 Mở đầu .............................................................................................................1

1.2 Giới thiệu Etap .................................................................................................1

1.2.1 Xây dựng sơ đồ tính toán:..........................................................................2

1.2.2 Các thành phần chính.................................................................................4

1.2.3 Thanh công cụ IEC Short Circuit ..............................................................8

1.2.4 Hộp thoại Short Circuit Stuty Case ...........................................................9

CHƯƠNG 2. NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ...................................13

2.1 Tổng quan.......................................................................................................13

2.2 Tính toán ngắn mạch......................................................................................15

2.2.1 Giới thiệu .................................................................................................15

2.2.2 Tính toán ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC...............................................15

2.3 Phương pháp tính toán ...................................................................................17

2.3.1Nguồn điện áp tương đương tại điểm ngắn mạch.....................................17

2.3.2 Phương pháp thành phần đối xứng ..........................................................19

2.4 Tổng trở và hệ số hiệu chỉnh cho từng phần tử trong hệ thống điện .............20

2.4.1 Vấn đề chung ...........................................................................................20

2.4.2 Nguồn hệ thống (network feeder)............................................................20

2.4.3 Máy biến áp (transformers) .....................................................................22

iv

2.4.4 Đường dây trên không và cáp (overheat line & cable)............................24

2.4.5 Máy phát (generator) ...............................................................................25

2.4.6 Động cơ (motor) ......................................................................................28

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ

DỤNG PHẦN MỀM ETAP ...............................................................................................30

3.1 Tính toán dòng ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC 60909.................................30

3.1.1 Vấn đề chung ...........................................................................................30

3.1.2 Dòng ngắn mạch đối xứng ban đầu .........................................................31

3.1.3 Dòng ngắn mạch đỉnh..............................................................................34

3.1.4 Thành phần dòng ngắn mạch không chu kì.............................................37

3.1.5 Dòng cắt ngắn mạch đối xứng .................................................................37

3.1.6 Dòng ngắn mạch ổn định.........................................................................39

3.2 Tính toán ngắn mạch hệ thống điện 5 nút (cấp nguồn đơn)...........................42

CHƯƠNG 4. HỆ THỐNG KIỂM TRA PHÂN PHỐI THANH CÁI IEEE ...........75

4.1 Phương pháp ngắn mạch theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE ..................................75

4.2 Tiêu chuẩn ANSI/IEEE so với tiêu chuẩn IEC..............................................75

4.3 Hệ thống kiểm tra phân phối thanh cái IEEE 30............................................77

4.4 So sánh giữa kết quả mô phỏng ANSI và IEC...............................................89

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................91

5.1 Ảnh hưởng của dòng ngắn mạch đối với hệ thống điện ................................91

5.2 Hướng phát triển của đề tài ............................................................................91

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................92

PHỤ LỤC ................................................................................................................93

LỜI CÁM ƠN........................................................................................................105

v

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1. 1 Tạo dự án mới........................................................................................... 2

Hình 1. 2 Thông tin người dùng ............................................................................... 2

Hình 1. 3 Giao diện chính của etap .......................................................................... 3

Hình 1. 4 Các chức năng tính toán ........................................................................... 3

Hình 1. 5 Các phần tử AC ........................................................................................ 4

Hình 1. 6 Các thiết bị đo lường, bảo vệ.................................................................... 4

Hình 1. 7 Thiết lập các tiêu chuẩn dự án.................................................................. 5

Hình 1. 8 Thao tác xoay các phân tử ........................................................................ 5

Hình 1. 9 Thay đổi màu các phần tử......................................................................... 6

Hình 1. 10 Thay đổi thông tin hiển thị ..................................................................... 7

Hình 1. 11 Thư viện dây dẫn .................................................................................... 8

Hình 1. 12 Các chức năng trên thanh công cụ IEC Short Circuit ............................ 9

Hình 1. 13 Trang Info hộp thoại Short Circuit Study Case .................................... 10

Hình 1. 14 Trang Standard hộp thoại Short Circuit Study Case ............................ 12

Hình 2. 1 Dạng sóng dòng ngắn mạch khi sự cố xảy ra ở xa máy phát ................. 16

Hình 2. 2 Dạng sóng dòng ngắn mạch khi sự cố xảy ra gần máy phát .................. 16

Hình 2. 3 Sơ đồ hệ thống........................................................................................ 17

Hình 2. 4 Sơ đồ thay thế (tương đương) hệ thứ tự thuận tại vị trí ngắn mạch ....... 18

Hình 2. 5 Trường hợp hệ thống không có máy biến áp.......................................... 21

Hình 2. 6 Trường hợp hệ thống có máy biến áp..................................................... 21

Hình 2. 7 Hệ thống thứ tự không theo tổ đấu dây của máy biến áp ....................... 23

Hình 2. 8 Dòng ngắn mạch riêng phần của 1 máy phát điện nối trực tiếp vào 1

lưới điện............................................................................................................................. 27

Hình 2. 9 Sơ đồ véc tơ của máy phát đồng bộ ở điều kiện định mức..................... 28

Hình 3. 1 Ngắn mạch cấp từ nguồn hệ thống nối với một máy biến áp................. 31

Hình 3. 2 Ngắn mạch cấp từ một máy phát (không có máy biến áp)..................... 31

Hình 3. 3 Ngắn mạch cấp điện từ một trạm đơn vị (bao gồm một máy phát và

một máy biến áp)............................................................................................................... 31

vi

Hình 3. 4 Hệ số cho mạch nối tiếp là hàm của R/X hay X/R.............................. 35

Hình 3. 5 Hệ số dùng để tính toán dòng cắt ngắn mạch đối xứng ...................... 39

Hình 3. 6 a,b Hệ số và cho máy phát kiểu tua bin............................. 40

Hình 3. 7 a,b Hệ số và cho máy phát cực lồi..................................... 41

Hình 3. 8 Sơ đồ hệ thống điện 5 nút....................................................................... 42

Hình 3. 9 Thông số nguồn lưới............................................................................... 43

Hình 3. 10 Thông số tải tĩnh................................................................................... 44

Hình 3. 14 Thông số máy biến áp........................................................................... 45

Hình 3. 12 Thông số đường dây cáp....................................................................... 46

Hình 3. 13 Thông số động cơ ................................................................................. 47

Hình 3. 14 Sơ đồ đơn tuyến 5 Bus.......................................................................... 48

Hình 3. 15 Cài đặt thông số cho trang Info của hộp thoại Study Case................... 49

Hình 3. 16 Kết quả sơ đồ mô phỏng đơn tuyến 5 Bus............................................ 50

Hình 3. 17 Kết quả dòng ngắn mạch theo từng sự cố tai 5 Bus khi mô phỏng

qua phần mềm ETAP......................................................................................................... 50

Hình 3. 18 Tổng trở thứ tự thuận............................................................................ 54

Hình 3. 19 Tổng trở thứ tự nghịch.......................................................................... 54

Hình 3. 20 Tổng trở thứ tự không........................................................................... 55

Hình 3. 21 Thu hẹp sơ đồ tại điểm ngắn mạch....................................................... 55

Hình 3. 22 Dạng sóng dòng ngắn mạch ba pha tại 5 nút........................................ 71

Hình 3. 23 Biên độ thành phần xoay chiều ngắn mạch ba pha tại 5 nút ................ 71

Hình 3. 24 Đường bao trên dạng sóng dòng ngắn mạch ba pha tại 5 nút .............. 72

Hình 3. 25 Thành phần một chiều sự cố ngắn mạch ba pha tại 5 nút..................... 72

Hình 4. 1 Sơ đồ một dòng của Hệ thống thanh cái IEEE 30 Bus........................... 77

Hình 4. 2 Tải dữ liệu............................................................................................... 79

Hình 4. 3 Máy phát dữ liệu..................................................................................... 80

Hình 4. 4 Dữ liệu máy biến áp................................................................................ 81

Hình 4. 5 Dòng dữ liệu ........................................................................................... 83

Hình 4. 6 Kết quả mô phỏng trên phần mềm etap.................................................. 85

Hình 4. 7 Kết quả mô phỏng cho tính toán IEC..................................................... 86

Hình 4. 8 Trang Rating của máy phát..................................................................... 93

vii

Hình 4. 9 Trang Imp/Model của máy phát ............................................................. 94

Hình 4. 10 Trang Info của bus................................................................................ 95

Hình 4. 11 Trang Info của đường dây .................................................................... 96

Hình 4. 12 Trang Parameter của đường dây........................................................... 96

Hình 4. 13 Trang Configuration của đường dây..................................................... 97

Hình 4. 14 Trang Impedance của đường dây ......................................................... 98

Hình 4. 15 Trang Sag & Tension của đường dây................................................... 99

Hình 4. 16 Trang Info của máy biến áp hai cuộn dây .......................................... 100

Hình 4. 17 Trang Rating của máy biến áp hai cuộn dây ...................................... 101

Hình 4. 18 Trang Grouding của máy biến áp ....................................................... 102

Hình 4. 19 Trang Info của tải áp........................................................................... 102

Hình 4. 20 Trang Nameplate của tải..................................................................... 103

Hình 4. 21 Trang Short Circuit của tải ................................................................. 104

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2. 1 Các dạng ngắn mạch .............................................................................. 15

Bảng 2. 2 Bảng kí hiệu dòng ngắn mạch................................................................ 15

Bảng 2. 3 Hệ số điện áp c ....................................................................................... 19

Bảng 3. 1 Tần số tương đương ......................................................................... 37

Bảng 3. 2 Thông số nguồn lưới .............................................................................. 43

Bảng 3. 3 Thông số tải tĩnh..................................................................................... 43

Bảng 3. 4 Thông số máy biến áp ............................................................................ 44

Bảng 3. 5 Thông số thứ tự thuận các đường dây cáp ............................................. 45

Bảng 3. 6 Thông số thứ tự không các đường dây cáp ............................................ 45

Bảng 3. 7 Thông số động cơ................................................................................... 46

Bảng 3. 8 Tính toán các tổng trở và hệ số hiệu chỉnh cho các máy biến áp........... 52

Bảng 3. 9 Kết quả ngắn mạch ba pha ..................................................................... 69

Bảng 4. 1 Sự khác nhau giữa hai tiêu chuẩn IEC và ANSI /IEEE......................... 76

Bảng 4. 2 Tải dữ liệu .............................................................................................. 78

Bảng 4. 3 Cài đặt bộ điều khiển máy phát.............................................................. 79

viii

Bảng 4. 4 Dữ liệu máy biến áp ............................................................................... 80

Bảng 4. 5 Dữ liệu dòng........................................................................................... 83

Bảng 4. 6 Cấp điện áp của mỗi thanh cái .............................................................. 84

Bảng 4. 7 Kết quả mô phỏng tính toán ANSI........................................................ 88

Bảng 4. 8 Kết quả trước và sau khi lắp cuộn kháng ngắn mạch tại Bus Claytor

13_2 và Bus Fieldale 13_5 theo tiêu chuẩn ANSI ............................................................ 90

Bảng 4. 9 Kết quả trước và sau khi lắp cuộn kháng ngắn mạch tại Bus Claytor

13_2 và Bus Fieldale 13_5 theo tiêu chuẩn IEC ............................................................... 90

Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Văn Đại

1

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ETAP

1.1 Mở đầu

OTI được thành lập từ năm 1986, chuyên cung cấp các giải pháp để phân tích

hệ thống điện, mô phỏng, thiết kế, vận hành, kiểm soát, tối ưu hóa, và tự động hóa.

Phiên bản mới nhất hiện nay là Etap 19.0.

Điểm nổi bật nhất của Etap là Real-Time: kiểm soát và điều khiển hệ thống

trực tiếp theo thời gian thực nhằm tăng cường độ tin cậy, và vận hành hệ thống một

cách tối ưu và tiết kiệm.

Etap là một phần mềm có khả năng tính toán và phân tích hệ thống điện tại bus

thanh cái của sơ đồ đơn tuyến, ngoài ra phần mềm còn cho biết dòng và áp tại bus hệ

thống và tại thanh cái, nhờ đó mà ta có thể kiểm soát, điều chỉnh hay sửa chữa hệ

thống kịp thời tránh những trường hợp đáng tiếc xảy ra.

OTI sở hữu một đội ngũ kỹ sư, chuyên gia giàu kinh nghiệm hàng đầu thế

giới luôn tiếp cận những tiến bộ công nghệ mới nhất.

1.2 Giới thiệu Etap

Các khả năng tính toán của Etap 12.6.0

Phần mềm Etap được sử dụng trong các tính toán liên quan tới các bài toán hệ

thống điện chủ yếu như sau:

- Bài toán phân bố công suất (Load Flow Analysis).

- Bài toán phân bố công suất tải không cân bằng (Unbalanced Load Flow

Analysis).

- Bài toán ngắn mạch (Short-Circuit Analysis).

- Bài toán khởi động động cơ (Motor Acceleration Analysis).

- Bài toán phân tích sóng hài (Harmonic Analysis).

- Bài toán phân tích ổn định quá độ (Transient Stability Analysis).

- Bài toán phối hợp các thiết bị bảo vệ (Star-Protective Device

Coordination).

- Bài toán độ tin cậy trên lưới điện (Reliability Assessment).

- Bài toán đặt tụ bù tối ưu (Optimal Capacitor Placement).

Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Văn Đại

2

1.2.1 Xây dựng sơ đồ tính toán:

 Sau khi khởi động ETAP, chọn New để tạo 1 project mới:

Hình 1. 1 Tạo dự án mới

Hình 1. 2 Thông tin người dùng

 Cửa sổ chính xuất hiện: