Định cỡ thiết bị triệt xung hạ áp MOV

Nội dung text: Định cỡ thiết bị triệt xung hạ áp MOV

1. ĐỊNH CỠ THIẾT BỊ TRIỆT XUNG HẠ ÁP MOV SIZING SURGE ARRESTER DEVICE ON LOW VOLTAGE MOV Quyền Huy Ánh1, Đinh Thị Ngoan2 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Hiện nay, có rất nhiều bài báo nghiên cứu về thiết bị triệt xung hạ áp. Tuy nhiên, một trong các yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả bảo vệ là định cỡ đúng thiết bị triệt xung hạ áp MOV như: Xây dựng quan hệ về giá trị giữa dòng xung định mức dạng sóng 8/20µs và 10/350µs, xây dựng đặc tuyến tuổi thọ thiết bị triệt xung hạ áp chế tạo theo công nghệ MOV ứng với biên độ và số lượng xung khác nhau, lựa chọn công nghệ MOV đơn khối/MOV đa khối và định vị trí lắp đặt phù hợp vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, đề tài “Định cỡ thiết bị triệt xung hạ áp MOV” cần được nghiên cứu. Từ khóa: Thiết bị triệt xung hạ áp; tụ chống sét; biến trở ZnO; tuổi thọ của điện trở phi tuyến; biến trở phi tuyến, ABSTRACT Currently, there are many newspapers research about surge arrester devices on low voltage. However, one of the key determinants of effective protection is sizing true surge arrester devices on low voltage MOV such as: Contruct the relationship between the surge rated current of 8/20µs wave form and 10/350µs wave form, contruct the characteristic relationship ageing of MOV for amplitude and pulse counts, technical choices MOV multiple blocks and installation location of the MOV have not been fully researched. Therefore, thesis about “Sizing surge arrester device on low voltage MOV” need to be studied Key words: Surge arrester devices on low voltage, ZnO varistor, ageing of metal oxide varistor, metal oxide varistor, multiple blocks metal oxide varistor, I. GIỚI THIỆU định cỡ đúng thiết bị triệt xung hạ áp MOV Việt Nam là nằm ở tâm Đông châu Á, một với các nhiệm vụ đã nêu ở trên vẫn chưa được trong ba tâm dông trên thế giới có hoạt động nghiên cứu một cách đầy đủ. dông sét mạnh. Với khoảng 120 ngày II. QUY ĐỔI BIÊN ĐỘ XUNG SÉT DẠNG dông/năm vì vậy vấn đề bảo vệ chống quá điện SÓNG 8/20µs VỀ DẠNG XUNG SÉT áp cho các thiết bị điện-điện tử hạ áp bằng các 10/350µs thiết bị triệt xung luôn được quan tâm. 2.1. Đặt vấn đề Có nhiều thiết bị triệt xung hạ áp với các Tuổi thọ của thiết bị, tương ứng với việc chọn công nghệ khác nhau như: MOV, TSG, TDS, hợp lý dòng xung định mức dạng sóng 8/20µs TDX; Với các ưu điểm như: Khả năng tản hay 10/350µs. Tuy nhiên, hiện nay vì lý do xung sét cao (hàng trăm kA), mức phi tuyến quảng bá sản phẩm các nhà sản xuất thường cao, điện áp ngưỡng thấp (khoảng 1,2-1,5Vn), cung cấp dòng xung định mức dạng sóng chi phí rẻ so với tuổi thọ MOV cho nên thiết 8/20µs, vốn có giá trị lớn hơn. Điều này gây bị triệt xung hạ áp chế tạo theo công nghệ khó khăn cho người sử dụng khi thiết bị triệt MOV đang được sử dụng rất rộng rãi. xung hạ áp được đặt trong môi trường có khả năng chịu sét đánh trực tiếp vào đường dây, Có rất nhiều bài báo nghiên cứu về thiết bị tức là chịu dòng xung sét dạng sóng 10/350µs triệt xung hạ áp. Tuy nhiên, một trong các yếu (Cat D, E hình 1). Do đó, việc tìm ra các qui tố quan trọng quyết định hiệu quả bảo vệ là đổi dòng xung sét định mức dạng 1
2. sóng 8/20µs sang dạng xung sét định mức kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng với sơ đồ 10/350µs là cần thiết. các khối chức năng trình bày ở Hình 2. 2.4. Thực hiện quy đổi cho MOV S20K275 Bước 1: Chọn MOV S20K275 của Siemens với Imax(8/20µs) là 8kA. Hình 1: Các dạng xung sét tiêu chuẩn ứng với các vị trí lắp đặt của thiết bị triệt xung khác nhau 2.2. Phương pháp quy đổi Việc qui đổi biên độ dòng xung dạng sóng Bước 2: Cài đặt giá trị biên độ của xung dòng 8/20µs sang biên độ dòng xung dạng sóng tiêu chuẩn 8/20µs I1 = 8kA. 10/350µs của một thiết bị triệt xung hạ áp cụ thể được thực hiện trên nguyên tắc qui đồng năng lượng hấp thụ của MOVvới biểu thức 1: t1 W= v(t)i(t)dt (1) t0 Ở đây: v(t) là điện áp ngang qua MOV, i(t) là dòng qua MOV. Để đơn giản hóa trong việc lấy tích phân, phương pháp qui đổi được thực hiện thông qua kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng bằng phần Bước 3: Mô phỏng ta có năng lượng hấp thu mềm Matlab. Sau đó, ghi nhận kết quả bằng của MOV S20K275 hiển thị trên scope V-I cách lập bảng kết quả mô phỏng cho các loại MOV là 180J. MOV và tìm hệ số quy đổi tương đương biên độ dòng xung dạng sóng 8/20µs sang biên độ dòng xung dạng sóng 10/350µs. 2.3. Mô hình tính toán: Bước 4: Chọn dạng sóng 10/350µs có I2 = 0,5kA (ứng với năng lượng hấp thụ của MOV là 152J). Hình 2: Mô hình tính toán năng lượng hấp thụ MOV với dòng xung mức dạng sóng 8/20 µs và 10/350 µs. Để đơn giản hóa trong việc lấy tích phân, phương pháp qui đổi được thực hiện thông qua 2
3. Xung dòng cho phép lớn nhất của MOV phụ thuộc vào thời gian của dòng điện đi qua nó và số lần lặp lại đã được định trước. Hai thông số này có thể đọc từ đường đặc tuyến suy hao của thiết bị triệt xung hạ áp MOV. Để xác định số lần lặp lại ứng với cường độ sét của dạng sóng xung dòng thực tế (với mọi loại dạng) thì chuyển dạng sóng sang dạng sóng chữ 2.5. Bảng kết quả và phân tích nhật tương đương, phương pháp này gọi là “phương pháp chữ nhật”. Nếu i*dt được biết Thực hiện theo tương tự cho các MOV khác * trong catalogue ghi nhận kết quả, để quy đổi trước, thì tr được tính theo công thức: biên độ xung sét dạng sóng 8/20µs về dạng i*dt xung sét 10/350µs, cần chia giá trị biên độ xung t * (2) r ˆ* sét này cho hệ số 16,6 ≈17, sai số đồng mức i năng lượng hấp thụ tối đa là 20%. Trong đó: là độ rộng xung trên đường đặc ˆ* Bảng 1: Kết quả mô phỏng năng lượng hấp thu của các loại tuyến; là tích phân dòng theo t và i là MOV hạ áp Dạng xung (8/20µs) Dạng xung Sai số Hệ biên độ dòng điện cực đại. Loại (10/350µs) Năng số Imax I1 Năng I2 Năng lượng dòng 3.3. Xác định số lần xung sét lặp lại cho phép kA kA lượng kA lượng hấp thụ xung hấp hấp thụ (%) (I2/ của thiết bị triệt xung hạ áp B40K275 của thụ (J) I1) Siemens (J) 15 S20k230 8 8 180 0,5 152 16 Bước 1: Máy phát xung dòng 8/20µs là 20kA, 0,5 6 S20K275 8 8 150 140 16 MOV loại B40K275 của Siemens. Tiến hành 0,5 20 mô phỏng trên Matlab (Hình 3). S20K320 8 8 210 165 16 3 B32K230 25 10 178 0,6 172 16,6 2 B60K230 70 50 1130 3 1150 16,6 7 B32K275 25 10 213 0,6 198 16,6 1 B60K275 70 50 1330 3 1345 16,6 13 B32K320 25 10 260 0,6 225 16,6 0 B60K320 70 50 1600 3 1600 16,6 III. TUỔI THỌ CỦA THIẾT BỊ TRIỆT XUNG HẠ ÁP MOV Hình 3: Mạch mô phỏng xác định số lần xung sét lặp lại cho phép của thiết bị triệt xung hạ áp B40K275. 3.1. Đặt vấn đề Từ kết quả mô phỏng (Hình 3), xác định được Tuổi thọ của thiết bị còn phụ thuộc vào các đại lượng biên độ dòng cực đại iˆ* và biên độ xung và số lần xung sét lặp lại. Hiện nay, các nhà sản xuất thường cung cấp số như sau: =20kA, i*dt =414mAs. lần tản xung sét lặp lại cho phép của thiết bị triệt xung MOV dưới dạng xung vuông 2ms. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn chống sét thường là dạng xung sét dạng sóng 8/20µs. Do đó, việc xác định số lượng xung sét lặp lại cho phép của MOV ở dạng sóng 8/20µs là cần thiết. 3.2. Phương pháp xác định [5] Hình 4: Dạng sóng dòng của MOV loại B40K275. 3
4. Bảng 3: Kết quả tính số xung sét lặp lại ứng với dòng xung mà MOV có thể chịu được. I(A) 20 90 200 500 2000 7000 20000 40000 n ∞ 106 105 104 1000 100 10 1 Từ kết quả bảng 3, ta vẽ đặc tuyến tra số xung lặp lại của MOV B40K275 như hình 7 * Hình 5: i dt của MOV loại B40K275. Bước 2: Tính độ rộng xung: * i dt 414 t* 21s r iˆ* 20 * Hình 7: Đặc tuyến tra số xung lặp lại của MOV B40K275 Bước 3: Từ Hình 6, ứng với tr 21s và iˆ* =20kA, xác định được số xung sét lặp lại mà Tương tự cho các loại MOV khác, giả sử MOV B40K275 có thể chịu được là n=10. MOV loại B32K230 ta thu được bảng 4 kết quả tính số xung lặp lại ứng với dòng xung mà MOV có thể chịu được và đặc tuyến tra số xung lặp lại như Hình 8. Bảng 4: Kết quả tính số xung sét lặp lại ứng với dòng xung mà MOV có thể chịu được. I(A) 20 70 200 400 2000 5000 20000 25000 n(lần) ∞ 106 105 104 1000 100 10 1 Hình 6: Số lần xung có thể chịu được của loại MOV B40K275. Thực hiện tương tự ứng với dòng xung 5kA, 40kA ta thu được kết quả theo bảng sau: Bảng 2: Kết quả tính số xung sét lặp lại mà MOV có thể chịu được. Dòng * * Số xung sét (kA) i dt xung tr (s) MOV chịu (kA) (mAs) được n (lần) 5 4.842 104.5 21 100 Hình 8: Đặc tuyến tra số xung lặp lại của MOV B40K230. 20 20 414 21 10 IV. XÁC ĐỊNH DÒNG XUNG MỨC VỚI 40 40.35 845 21 1 THIẾT BỊ TRIỆT XUNG MOV ĐA KHỐI Như vậy, với phương pháp xác định số xung sét lặp lại cho phép nêu trên, người sử dụng có 4.1. Mô hình thử nghiệm MOV đa khối thể biết được khả năng tản sét lặp lại (số xung Mô phỏng trên Matlab sử dụng MOV hạ thế sét lặp lại) ứng với xung tiêu chuẩn 8/20µs chứ mắc song song, dòng xung định mức cực đại không phải ứng với xung vuông 2ms của bất kỳ của một MOV S20K275 là 8kA 8/20s, với sai loại MOV. số điện áp ngưỡng ±10%, để tìm ra hệ số suy 3.4. Bảng tra tương đương số xung sét lặp lại hao. Tiến hành mô phỏng dòng xung qua các của thiết bị triệt xung hạ áp của Siemens phần tử MOV mắc song song, ứng với dạng Từ kết quả độ rộng xung dòng là và xung 8/20s, biên độ lần lượt: 10kA, 15kA, Hình 6 ta thu được bảng tra số xung sét lặp lại 20kA, 25kA, 40kA, 70kA và 100kA. Hệ số suy mà MOV B40K275 có thể chịu được. hao được trình bày ở Bảng 4. 4
5. 1 x -10 MOV- 7.2 8kA 3xMOV- +10 3x2.63 8kA 4xMOV- 15 982 2.13 8kA 1xMOV- -10 7.1 8kA 4 x 4 x +10 MOV- 3.05 5 x 8kA 20 MOV- 1005 2.0 8kA 1 x -10 MOV- 7.8 8kA 6xMOV- +10 6x2.9 8kA Hình 9: Mô phỏng dòng xung qua các phần tử MOV 8kA và 7xMOV- 25 1010 2.24 điện áp dư tương ứng. 8kA 1xMOV- -10 7.6 8kA 11 x 11x +10 MOV- 2.93 12 x 8kA 40 MOV- 1025 2.4 8kA 1 x -10 MOV- 7.7 8kA 22 x 22 x +10 MOV- Hình 10: Dòng, áp của mô hình thiết bị triệt xung hạ thế sử 2.83 dụng hai MOV, 8kA (TOL = 10% & -10%)xung 10kA 8/20s. 23 x 8kA 70 MOV- 1085 2.62 8kA 1 x -10 MOV- 7.7 8kA 32 x 31 x 31 x 100 MOV- +10 MOV- 1185 2.56 2.99 8kA 8kA V. KẾT LUẬN Hình 11: Dòng qua MOV1 và MOV2, 8kA (TOL =10% & - Bài báo này đã đi sâu vào nghiên cứu và xây 10%), xung 10kA 8/20s. dựng: + Hệ số qui đổi giữa dòng xung định mức 4.2. Bảng thống kê hệ số suy hao ứng với dạng sóng 8/20µs và 10/350µs trên cơ sở tương dòng xung 8/20 µs có biên độ khác nhau đương về năng lượng hấp thụ. Mô phỏng tương tự với thiết bị triệt xung hạ + Đặc tuyến tuổi thọ thiết bị triệt xung hạ áp thế đa khối khác, giá trị điện áp dư và hệ số suy chế tạo theo công nghệ MOV ứng với dạng hao của mô hình MOV hạ thế đa khối ứng với xung 8/20µs (thay cho dạng xung vuông 2ms) trường hợp dòng xung 8/20s có biên độ khác trong trường hợp biên độ và số lượng xung nhau được trình bày ở Bảng 5. khác nhau. + Xác định dòng xung định mức của thiết bị Bảng 5: Bảng thống kê hệ số suy hao của thiết bị triệt xung hạ triệt xung hạ áp chế tạo theo công nghệ MOV thế có cấu tạo gồm nhiều MOV, 8kA mắc song song. đa khối, dựa trên việc xác định hệ số suy hao Sai số Dòng Biên Điện khả năng tản sét giữa các MOV mắc song song của xung Hệ độ áp dư có sai số điện áp ngưỡng khác nhau. Loại điện Số phần qua số xung của MOV áp tử MOV các suy thử MOV TÀI LIỆU THAM KHẢO MOV MOV hao (kA) (V) (%) (kA) [1].Quyền Huy Ánh. Giáo trình an toàn 2 x 1 x điện. NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 10 MOV- +10 MOV- 2.8 988 1.6 8kA 8kA tr.110-111, 2011. 5
6. 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 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.