Luận văn Nghiên cứu và xây dựng mô hình thiết bị triệt xung trên lưới phân phối hạ áp (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu và xây dựng mô hình thiết bị triệt xung trên lưới phân phối hạ áp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HÀ GIANG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ TRIỆT XUNG TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI HẠ ÁP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 0 5 1 0 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2016
2. BÔ ̣ GIÁ O DUC̣ VÀ ĐÀ O TAỌ TRƯỜ NG ĐAỊ HOC̣ SƯ PHAṂ KỸ THUÂṬ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HÀ GIANG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ TRIỆT XUNG TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI HẠ ÁP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Quyền Huy Ánh Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 3 năm 2016
3. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh LÝ LỊCH KHOA HỌC SƠ LƯỢC Họ và tên : Nguyễn Hà Giang Giới tính: Nam Ngày sinh : 31/01/1991 Nơi sinh: Đồng Nai Dân tộc : Kinh Tôn giáo: Không Địa chỉ liên lạc: 52 Tổ 2 xóm 1, Ấp Thái Hoà, Xã Hố Nai 3, Trảng Bom, tỉnh Đồng Nai. Điện thoại: 01212 398 544 Email: nhgiang3101@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy. Thời gian : Từ 2009 đến 2013. Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. Ngành học: Điện Công Nghiệp. 2. Thạc sĩ: Hệ đạo tạo: Chính quy. Thời gian : Từ 2014 đến 2016. Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. Ngành học: Kỹ Thuật Điện. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 3 năm 2016 Người Khai Nguyễn Hà Giang HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang i
4. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 3 năm 2016 Tác giả Luận Văn Nguyễn Hà Giang HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang ii
5. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh CẢM TẠ Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, cùng với sự nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ của quý thầy cô, tôi đã hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này. Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ của tôi đã luôn động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập. Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm Khoa Điện – Điện tử và Phòng quản lý sau đại học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập, nghiên cứu nâng cao trình độ và thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp trong thời gian qua. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy Quyền Huy Ánh đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Ngoài ra, tôi cũng xin được nói lời cảm ơn đến các anh, chị học viên trong lớp cao học 2014 – 2016A đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này. Việc thực hiện đề tài luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót về kiến thức chuyên môn. Kính mong nhận được sự quan tâm, xem xét và đóng góp ý kiến quý báu của quý thầy, cô và các bạn để đề tài luận văn này hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 3 năm 2016 Học viên thực hiện Nguyễn Hà Giang HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang iii
6. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh TÓM TẮT Luận văn “Nghiên cứu và xây dựng mô hình thiết bị triệt xung trên lưới phân phối hạ áp” đi sâu vào nghiên cứu và xây dựng mô hình thiết bị triệt xung hạ áp có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ, độ dài dây kết nối và số phần tử MOV bên trong thiết bị này. Mô hình thiết bị triệt xung hạ áp được xây dựng trong môi trường Matlab, có giao diện thân thiện và dễ sử dụng. Các thông số của mô hình cần khai báo bao gồm: điện áp làm việc cực đại (V), dòng xung cực đại (kA), sai số điện áp ngưỡng (%), nhiệt độ môi trường (0C), số phần tử MOV. Độ chính xác của mô hình so với nguyên mẫu được kiểm tra thông qua việc đánh giá dạng sóng và biên độ điện áp dư ngang qua mô hình thiết bị triệt xung hạ áp ứng với dạng xung tiêu chuẩn 8/20µs. Biên độ điện áp dư được kiểm tra bằng cách so sánh giá trị điện áp dư cực đại với giá trị điện áp dư cung cấp trong Catalogue của các nhà sản xuất khác nhau và với các cấp điện áp khác nhau. Ngoài ra, biên độ và dạng điện áp dư cũng được kiểm tra thông qua biên độ và dạng điện áp dư thông qua mô phỏng và ghi nhận bằng thực nghiệm với sự trợ giúp của hệ thống AXOS8. Sai số điện áp dư của mô hình thiết bị triệt xung hạ áp lớn nhất là 3,3% (giá trị cho phép là 5%). Điều này cho thấy tính tương đồng cao giữa mô hình thiết bị triệt hạ áp so với nguyên mẫu. Kết quả nghiên cứu bổ xung vào thư viện Matlab mô hình thiết bị triệt xung hạ áp. Đây là công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sư, sinh viên trong việc nghiên cứu các hành vi và đáp ứng của thiết bị triệt xung hạ áp dưới tác động của xung sét lan truyền trong điều kiện không thể đo thử thực tế. HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang iv
7. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh ABSTRACT The thesis “Reseach and modeling surge arrester on low voltage” stuidied in depth about modeling surge arrester on low voltage with effect of temperature, the wire connection length and the number of MOV inside this device. Modeling surge arrester on low voltage was built in the Matlab environment with friendly interface and easy to use. The parameters of model need to report include: Maximum AC operating voltage (V), Maximum impulse current (kA), Tolerance of varistor voltage (%), Temperature of MOV (C) and Number of MOVs. The accuracy of the model compared with the prototype was tested by evaluating the waveform and applitude of residual voltage across the model with the 8/20µs standard impulsive. Applitude of residual voltage was tested by comparing the maximum applitude of residual voltage with the residual voltage provided in catalogue of different manufacturers and voltage levels. In addition, ampltitude and waveform of residual voltage are also tested by simulation and experimentation with the help of AXOS8 system. The maximum of residual error voltage of modeling surge arrester is 3,3% (value allowed is 5%). It proves that the a high similarity between the modeling surge arrester on low voltage and the prototype. Additional research results into Matlab model libarary facilities of modeling surge arrester on low voltage. This is a useful simulation tool for researchers, engineers, student in study of behavior and response of surge arrester on low voltage with effect of lighting impulse spreaded in conditions test can not be real. HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang v
8. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Mô tả MOV kA Thiết bị triệt xung (Metal Oxide Varistor) R  Điện trở L H Độ tự cảm C F Điện dung D nm Bề dày của biến trở  Hằng số điện môi của chất bán dẫn N Hạt/cm3 Mật độ hạt dẫn P W Công suất tiêu tán trung bình T 0C Nhiệt độ gia tăng trung bình  Hệ số tiêu tán công suất TOL % Độ sai số chuẩn Vr kV Điện áp định mức của thiết bị triệt xung Vr8/20 kV Điện áp dư cho dòng sét 10 kA với bước sóng 8/20 µs L, R kV Độ lớn điện thế rào o kV Điện thế phân cực tại gốc Hệ số phi tuyến. VN kV Điện áp biến trở q Điện tích điện tử K Hệ số phụ thuộc biến trở Vref kV Điện áp tham chiếu n Số cột MOV song song trong thiết bị triệt xung. HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang vi
9. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i SƠ LƯỢC i QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO i 1. Đại học: i 2. Thạc sĩ: i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi MỤC LỤC vii DANH SÁCH CÁC HÌNH x DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề 1 Nhiệm vụ đề tài 2 Giới hạn đề tài 2 Các bước tiến hành 3 Tính mới của đề tài 3 Tính thực tiễn 3 Nội dung đề tài 3 Phương pháp nghiên cứu 4 CHƯƠNG 1 5 TỔNG QUAN VỀ TRIỆT XUNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP 5 Giới thiệu 5 Khái niệm về sét [2] 6 Tần suất xuất hiện sét. 7 Các thông số và tiêu chuẩn chống sét lan truyền 7 1.4.1. Các thông số của sét lan truyền 7 1.4.2. Các tiêu chuẩn liên quan 9 HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang vii
10. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1.4.3. Tiêu chuẩn ANSI/IEEE C62.41 15 Dạng xung dòng sét 16 1.5.1. Dạng sóng 10/350µs 16 1.5.2. Dạng sóng 8/20µs 17 Xung hỗn hợp dòng - áp (8/20µs và 1,2/50µs) 18 CHƯƠNG 2 20 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ TRIỆT XUNG MOV20 MOV đơn khối và MOV đa khối 20 2.1.1. Cấu tạo cơ bản của thiết bị triệt xung MOV đơn khối 20 2.1.2. MOV đa khối 22 2.1.3. Sự khác nhau giữa MOV đơn khối và MOV đa khối 25 Tính năng hoạt động của biến trở ZnO 27 Đặc tính V-I 29 Thời gian đáp ứng 31 Năng lượng cho phép và công suất tiêu tán trung bình 32 2.5.1. Năng lượng cho phép 32 2.5.2. Công suất tiêu tán trung bình 33 Ảnh hưởng của nhiệt độ 34 Ảnh hưởng của điện cảm dây nối đến điện áp dư 35 Phối hợp MOV 36 2.8.1. Mục tiêu chung của phối hợp MOV 36 2.8.2. Nguyên tắc phối hợp 36 Các đặc tính của MOV và các hư hỏng thường gặp 37 CHƯƠNG 3 40 MÔ HÌNH THIẾT BỊ TRIỆT XUNG MOV 40 Đánh giá mô hình thiết bị triệt xung MOV Matlab 40 3.1.1. Giới thiệu mô hình 40 3.1.2. Nguyên lý làm việc của mô hình 41 3.1.3. Đánh giá mô hình 42 Cấu trúc cơ bản của mô hình cải tiến thiết bị triệt xung MOV hạ áp 43 Xây dựng mô hình thiết bị triệt xung hạ áp cải tiến trên Matlab 44 HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang viii
11. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 3.3.1. Mô hình điện trở phi tuyến trên Matlab 44 3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc tuyến V(I) 46 3.3.3. Mô hình thiết bị triệt xung MOV đa khối 46 3.3.4. Mô hình thiết bị triệt xung MOV hạ áp cải tiến trên Matlab 47 CHƯƠNG 4 51 MÔ PHỎNG THIẾT BỊ TRIỆT XUNG HẠ ÁP CẢI TIẾN TRÊN MATLAB 51 Mô hình nguồn phát xung dòng 8/20µs 51 Mô phỏng đáp ứng mô hình thiết bị triệt xung hạ áp cải tiến với xung dòng 8/20µs 51 Mô phỏng số phần tử MOV trong thiết bị triệt xung hạ áp 58 CHƯƠNG 5 61 THỰC NGHIỆM KIỂM TRA MÔ HÌNH CẢI TIẾN THIẾT BỊ TRIỆT XUNG HẠ ÁP 61 Giới thiệu thành phần của hệ thống AXOS8. 61 5.1.1. Máy phát xung sét AXOS8 61 5.1.2. Bộ PDP 8000 66 5.1.3. Máy Oscilloscopes WaveJet® 300A 67 Mô phỏng đáp ứng thiết bị triệt xung hạ áp với xung dòng 8/20µs 67 Kiểm tra đáp ứng thiết bị triệt xung hạ áp của các hãng 68 5.3.1. Thiết bị triệt xung hạ áp MFV 20D511K 68 5.3.2. Thiết bị triệt xung hạ áp ESP 415D1 73 Nhận xét 75 CHƯƠNG KẾT LUẬN 76 Kết Luận 76 Hướng phát triển tương lai 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC 78 PL_CT: Chương trình trong thiết bị triệt xung hạ áp MOV cải tiến 78 HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang ix
12. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Dạng sóng xung quá áp trên đường nguồn hạ áp (với thời gian ngắn 1ms) 5 Hình 1.2: Quan hệ tần suất suất hiện sét theo biên độ 7 Hình 1.3: Dạng sóng dòng điện sét 8 Hình 1.4: Lựa chọn SPD theo mức độ lộ thiên của công trình 9 Hình 1.5: Sét đánh trực kiếp vào kim thu sét trên đỉnh công trình 17 Hình 1.6: Sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không lân cận công trình 17 Hình 1.7: Dạng sóng xung dòng 17 Hình 1.8: Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình 18 Hình 1.9: Sét đánh vào đường dây trên không ở vị trí cách xa công trình 18 Hình 1.10: Dạng sóng xung áp 19 Hình 2.1:Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I 20 Hình 2.2: Vi cấu trúc của ceramic 21 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 22 Hình 2.4: Mạch điện phân tích của những MOV hoạt động song song 23 Hình 2.5: Thiết bị triệt xung hạ áp của ERICO 27 Hình 2.6: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO. 28 Hình 2.7: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào 29 Hình 2.8: Đặc tính điện trở phi tuyến của thiết bị triệt xung MOV hạ áp 29 Hình 2.9: Đặc tính V-I của MOV 30 Hình 2.10:Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao 31 Hình 2.11: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng. 31 Hình 2.12: Dạng sóng thử nghiệm 2ms 32 Hình 2.13: Số lần xung có thể chịu được của một loại MOV 33 Hình 2.14: Quan hệ công suất tiêu tán và điện áp ( =10, 30, 50). 34 Hình 2.15: Đồ thị suy giảm dòng điện của MOV theo nhiệt độ 35 Hình 2.16: Xung điện áp giữa dây dẫn và thanh liên kết 35 Hình 2.17: Mô hình cơ bản cho năng lượng phối hợp của MOV 36 Hình 2.18: Hình ảnh hiển vi của sự đánh thủng gây nóng chảy tại cạnh của điện cực (ảnh trên) và từ đỉnh của điện cực (ảnh dưới). 39 HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang x
13. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 3.1: Quan hệ dòng điện – điện áp của mô hình thiết bị triệt xung 40 Hình 3.2: Hộp thoại của mô hình thiết bị triệt xung 41 Hình 3.3: Sô đồ nguyên lý của mô hình 42 Hình 3.4: Mạch mô phỏng phóng điện thiết bị triệt xung của Matlab 43 Hình 3.5: Sơ đồ mạch tương đương của mô hình thiết bị triệt xung của Manfred Holzer và Willi Zapsky 43 Hình 3.6: Đặc tính V-I của thiết bị triệt xung MOV hạ áp có sai số TOL 10% 44 Hình 3.7: Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến của V = f(I) của MOV 45 Hình 3.8: Sơ đồ mạch tương đương khi gắn 2 MOV song song 46 Hình 3.9: Mô hình cải tiến MOV hạ áp 47 Hình 3.10: Biểu tượng thiết bị triệt xung MOV hạ áp 47 Hình 3.11: Hộp thoại khai báo biến của mô hình thiết bị triệt xung MOV hạ áp 48 Hình 3.12: Hộp thoại Initialization của mô hình thiết bị triệt xung MOV hạ áp 49 Hình 3.13: Hộp thông số đầu vào của mô hình thiết bị triệt xung MOV hạ áp 50 Hình 4.1: Giao diện và hộp thông số đầu vào của nguồn phát xung dòng 51 Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của thiết bị triệt xung hạ áp 52 Hình 4.3: Điện áp dư qua mô hình thiết bị triệt xung hạ áp S14K320 với xung 8/20µs – 2kA ở 28oC và 1000C 53 Hình 4.4: Điện áp dư qua mô hình thiết bị triệt xung hạ áp S14K320 với xung 8/20µs -3kA ở 28oC và 100oC 53 Hình 4.5: Điện áp dư qua mô hình thiết bị triệt xung hạ áp S20K320 với xung 8/20µs – 2kA ở 28oC và 100oC 54 Hình 4.6: Điện áp dư qua mô hình thiết bị triệt xung hạ áp S20K320 với xung 8/20µs – 3kA ở 28oC và 100oC 54 Hình 4.7: Điện áp dư qua mô hình thiết bị triệt xung hạ áp B32K320 với xung 8/20µs–5kA ở 28oC và 100oC 56 Hình 4.8: Điện áp dư qua mô hình thiết bị triệt xung hạ áp B32K320 với xung 8/20µs – 10kA ở 28oC và 100oC 56 Hình 4.9: Điện áp dư qua mô hình thiết bị triệt xung hạ áp B60K320 với xung 8/20µs –5kA ở 28oC và 1000C 57 Hình 4.10: Điện áp dư qua mô hình thiết bị triệt xung hạ áp B60K320 với xung 8/20µs–10kA ở 28oC và 100oC 57 Hình 4.11: Điện áp dư thiết bị triệt xung hạ áp với xung dòng có biên độ 2kA 59 HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang xi
14. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.12: Điện áp dư thiết bị triệt xung hạ áp với xung dòng có biên độ 3kA 59 Hình 4.13: Điện áp dư thiết bị triệt xung hạ áp với dòng xung có biên độ 5kA 60 Hình 5.1: Mặt trước máy phát xung sét AXOS8 64 Hình 5.2: Mặt sau máy phát xung sét AXOS8 65 Hình 5.3: Bộ PDP 8000 66 Hình 5.4: Máy đao động ký Oscilloscopes 67 Hình 5.5: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của thiết bị triệt xung hạ áp 67 Hình 5.6: Thiết bị triệt xung hạ áp MFV 20D511K 68 Hình 5.7: Điện áp dư của thiết bị triệt xung hạ áp MFV 20D511K ở 280C và 1000C khi mô phỏng 68 Hình 5.8: Kết nối các thiết bị thực nghiệm AXOS8 69 Hình 5.9: Giao diện menu chính cho máy AXOS8 69 Hình 5.10: Menu Surge điều chỉnh thông số 70 Hình 5.11: Kết nối thiết bị triệt xung hạ áp MFV 20D511K với hệ thống AXOS8 71 Hình 5.12: Gia nhiệt cho thiết bị triệt xung hạ áp MFV 20D511K 71 Hình 5.13: Điện áp dư trên thiết bị triệt xung hạ áp ở 28oC 72 Hình 5.14: Điện áp dư trên thiết bị triệt xung hạ áp ở 100oC 72 Hình 5.15: Thiết bị triệt xung hạ áp ESP 415D1 73 Hình 5.16: Điện áp dư của thiết bị triệt xung hạ áp MFV ESP415D1 ở 280C và 1000C 73 Hình 5.17 : Kết nối MOV ESP 41D51 với các thiết bị 74 Hình 5.18: Điện áp dư trên thiết bị triệt xung hạ áp ESP 41D51 74 HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang xii
15. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các thử nghiệm cấp I, II và III 10 Bảng 1.2: Giá trị tiêu chuẩn của dòng xung Iimp 11 Bảng 1.3: Các thông số minh họa cho thử nghiệm 11 Bảng 1.4: Dung sai của các thông số trong thử nghiệm xung kết hợp cấp III 13 Bảng 1.5: Tóm tắt các tiêu chuẩn áp dụng và các dạng xung thử nghiệm bổ sung cho mục A, B, C (trường hợp I) và các thông số cho trường hợp II 16 Bảng 1. 6: 100 kHz Ring wave – Các giá trị dự kiến cho xung áp và dòng trong mục A và B 16 Bảng 1.7: Xung hỗn hợp – Các giá trị dự kiến cho xung áp và dòng trong mục A và B 16 Bảng 1.8: Các thử nghiệm SPD trong mục C 16 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật thiết bị triệt xung hạ áp của hãng SIEMENS 52 Bảng 4.2: Kết quả so sánh khi mô phỏng thiết bị triệt xung hạ áp của hãng SIEMENS ở 28oC 55 Bảng 4.3: Kết quả so sánh khi mô phỏng thiết bị triệt xung hạ áp của hãng SIEMENS ở 100oC 55 Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật thiết bị triệt xung hạ áp của EPCOS 55 Bảng 4.5: Kết quả so sánh khi mô phỏng thiết bị triệt xung hạ áp EPCOS ở 280C. 58 Bảng 4.6: Kết quả so sánh khi mô phỏng thiết bị triệt xung hạ áp EPCOS ở 1000C. 58 Bảng 4.7: Kết quả so sánh khi phối hợp thiết bị triệt xung hạ áp với các dòng xung khác nhau 60 Bảng 5.1: Thông số chung của máy phát xung sét AXOS8. 61 Bảng 5.2: Thông số dạng sóng quá độ (Surge) 61 Bảng 5.3: Thông số dạng sóng chu kỳ tắt dần (Ring Wave) 62 Bảng 5.4: Thông số dạng xung viễn thông (Telecom Wave) 62 Bảng 5.5: Thông số dạng xung Brust 62 Bảng 5.6: Thông số điện áp võng và ngắt điện áp (Voltage Dips & Interrupts) 63 Bảng 5.7: Các nút/ngõ vào ra trên mặt trước AXOS8 64 Bảng 5.8: Chức năng của các vị trí trên AXOS8 65 Bảng 5.9: Tiêu chuẩn áp dụng cho AXOS8 66 HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang xiii
16. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Bảng 5.10: Thông số kỹ thuật của thiết bị triệt xung hạ áp MFV 20D511K 68 Bảng 5.11: So sánh điện áp dư thực tế và mô hình 73 Bảng 5.12: Thông số kỹ thuật của thiết bị triệt xung hạ áp ESP 415D1 73 Bảng 5.13: Đánh giá sai số của thiết bị triệt xung hạ áp ESP 41D51 74 HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang xiv
17. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh CHƯƠNG MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Sự phát triển của hệ thống điện và yêu cầu chất lượng điện năng ngày càng cao, làm cho vấn đề bảo vệ chống quá điện áp cho các thiết bị được quan tâm từ lâu và ngày càng cao cùng với sự cần thiết của các thiết bị triệt xung đến việc vận hành an toàn, tin cậy của hệ thống cung cấp điện. Mọi thiết bị điện khi lắp đặt vào lưới điện đều được lựa chọn dựa vào điện áp định mức của lưới điện mà thiết bị được đấu vào. Tuy nhiên trong thực tế vận hành, đôi lúc xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể do các sự cố chạm đất, do thao tác đóng cắt hoặc do sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền trên đường dây. Trong đó quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn dễ dàng gây ra phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị, ảnh hưởng đến toàn hệ thống. Do đó để bảo vệ cách điện của thiết bị của hệ thống điện khỏi các tác hại quá điện áp sét, mô hình triệt xung hạ áp được áp dụng. Việc nghiên cứu về các phương pháp, thiết bị triệt xung đánh trực tiếp hay lan truyền trên đường dây lưới điện luôn cần thiết và quan trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp. Đặc biệt trong những năm gần đây, với sự gia tăng của các thiết bị điện tử công suất trên lưới phân phối cũng như thiết bị bù trơn, thiết bị SCADA, bộ UPS, bộ bù bằng Thyristor, bộ lọc sóng hài các thiết bị này rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp và có độ dự trữ cách điện rất thấp. Vì vậy, cần phải tính toán lựa chọn và kiểm tra các thiết bị triệt xung một cách chính xác để tránh những hư hỏng cho các thiết bị này. Nghiên cứu triệt xung lan truyền từ đường nguồn hạ áp hay cảm ứng trên đường dây tải điện cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị bảo vệ cho phù hợp. Để thực hiện triệt xung lan truyền trên đường nguồn hạ áp, trong hệ thống điện ta dùng rất nhiều triệt xung hạ áp. Do thiết bị này có tính phi tuyến nên việc đánh giá các đáp ứng ngõ ra ứng với các dạng xung sóng sét lan truyền từ đường dây vào trạm theo phương pháp truyền thống gặp rất nhiều khó khăn. Phương pháp hiệu quả để thực hiện việc đánh giá một cách trực quan là mô hình hóa và tiến hành mô phỏng đáp ứng của chúng. HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang 1
18. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hiện nay cũng có nhiều nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị triệt xung lan truyền trên đường dây hạ áp đã đi sâu nghiên cứu và đề ra mô hình thiết bị triệt xung lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng mô hình khác nhau. Tuy nhiên, tùy thuộc vào phạm vi ứng dụng của mỗi mô hình và các yêu cầu về mức độ tương đồng giữa mô hình và nguyên mẫu mà các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng cách phần tử triệt xung lan truyền vẫn còn tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Hơn nữa, các vấn đề khó khăn trong xây dựng mô hình là xác định các thông số của mô hình mà các thông số được cho trong catalogue của nhà sản xuất thường không đầy đủ. Một số phần mềm mô phỏng cũng đã hỗ trợ xây dựng mô hình các thiết bị triệt xung hạ áp. Tuy nhiên, các mô hình này còn đơn giản và độ chính xác không cao do chưa xét đến các yếu tố như: ảnh hưởng của nhiệt độ, chiều dài dây kết nối, số phần tử MOV tích hợp bên trong thiết bị triệt xung hạ áp. Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “ Nghiên cứu và xây dựng mô hình thiết bị triệt xung trên lưới phân phối hạ áp ” đi sâu vào nghiên cứu và xây dựng mô hình thiết bị triệt xung hạ áp có xem xét đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng nêu trên. Đề tài hy vọng cung cấp được công cụ mô phỏng hữu ích với phần mềm thông dụng Matlab cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sư, các sinh viên quan tâm đến việc nghiên cứu quá độ do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp. Nhiệm vụ đề tài + Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các thông số, yêu cầu kỹ thuật của thiết bị triệt xung hạ áp MOV. + Xây dựng mô hình thiết bị triệt xung hạ áp có ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, chiều dài dây kết nối và số phần tử MOV tích hợp bên trong thiết bị triệt xung. + Kiểm tra qua hệ thống AXOS8, so sánh kết quả với mô hình MOV xây dựng. + Đánh giá và rút ra kết luận. Giới hạn đề tài Xây dựng mô hình thiết bị triệt xung hạ thế có tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ, chiều dài dây kết nối và số phần tử MOV tích hợp bên trong thiết bị triệt xung. HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang 2
19. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Các bước tiến hành + Tổng hợp và phân tích tài liệu liên quan đến luận văn. + Nghiên cứu phần mềm Matlab. + Nghiên cứu các tiêu chuẩn liên quan đến thiết bị triệt xung hạ áp. + Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, thiết bị triệt xung hạ áp và các yếu tố ảnh hưởng như: nhiệt độ, chiều dài dây kết nối, số phần tử MOV tích hợp bên trong. + Lập mô hình thiết bị triệt xung hạ áp. + Mô phỏng và đánh giá sai số của mô hình thiết bị triệt xung hạ áp bằng cách so sánh giá trị điện áp dư mô phỏng và giá trị điện áp dư cho trong catalogue thiết bị. + Đánh giá sai số của mô hình thiết bị triệt xung hạ áp bằng cách so sánh dạng, giá trị điện áp dư mô phỏng và dạng, giá trị điện áp dư thông qua thử nghiệm thiết bị triệt xung hạ áp trên hệ thống AXOS8. Tính mới của đề tài Xây dựng mô hình thiết bị triệt xung hạ áp có tính đến các yếu tố ảnh hưởng như: nhiệt độ MOV, chiều dài dây kết nối, số phần tử MOV tích hợp bên trong thiết bị triệt xung hạ áp với sai số thấp hơn 5%. Tính thực tiễn Kết quả nghiên cứu bổ xung vào thư viện Matlab mô hình thiết bị triệt xung hạ áp. Đây là công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sư, sinh viên trong việc nghiên cứu các hành vi và đáp ứng của thiết bị triệt xung hạ áp dưới tác động của xung sét lan truyền trong điều kiện không thể đo thử thực tế. Nội dung đề tài Chương mở đầu Chương 1: Tổng quan về triệt xung lan truyền trên đường nguồn hạ áp. Chương 2: Cấu tạo nguyên lý làm việc của thiết bị triệt xung hạ áp. Chương 3: Mô hình thiết bị triệt xung hạ áp. Chương 4: Mô phỏng thiết bị triệt xung hạ áp. Chương 5: Thực nghiệm và kiếm tra độ chính xác của mô hình thiết bị triệt xung hạ áp. HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang 3
20. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương kết luận. Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: + Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Sử dụng các tài sách, các tài liệu trên internet, các bài báo khoa học để phục vụ cho đề tài nghiên cứu này. + Phương pháp mô hình hoá-mô phỏng: Sử dụng công cụ Simulink trong Matlab để xây dựng và mô phỏng thiết bị triệt xung hạ áp dưới tác dụng của các dạng xung sét lan truyền trên đường nguồn. + Phương pháp thực nghiệm: tiến hành thực nghiệm, đo thử trên thiết bị triệt xung hạ áp thực để có cơ sở đánh giá độ chính xác của mô hình đề xuất. + Phương pháp tổng hợp:Tổng hợp các kết quả nghiên cứu để đưa ra các kết luận về những vấn đề đang tìm hiểu, từ đó hoàn thành nội dung, yêu cầu của đề tài. HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang 4
21. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRIỆT XUNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP Giới thiệu Hiện nay, các thiết bị điện tử ngày càng được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện. Các thiết bị điện tử này rất nhạy cảm với các hiện tượng quá áp có thể xuất hiện trong hệ thống điện phân phối xoay chiều [2]. Quá áp trong mạch điện xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh cửu hay tạm thời của các phần tử điện – điện tử và hư hỏng kể cả hệ thống điện. Việc bảo vệ chống lại quá áp quá độ có thể thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc biệt mà nó sẽ giới hạn biên độ của quá áp bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bằng một trở kháng nhỏ mắc shunt. Trong đó, quá áp quá độ là kết quả của sự phóng thích đột ngột năng lượng tồn tại trước đó từ các điều kiện tự nhiên như sét đánh hoặc điều kiện phát sinh từ việc đóng cắt tải có tính cảm hay việc phóng điện các điện cực. Các hư hỏng gây ra bởi hiện tượng quá áp phụ thuộc vào tần suất xuất hiện, giá trị đỉnh và dạng sóng của quá áp. Sóng quá điện áp có dạng sóng xung gia tăng đột ngột (do sét hay do các thao tác đóng cắt có tải trên lưới) và có khả năng gây hư hỏng các thiết bị, mạng máy tính, các thiết bị trong mạng viễn thông mà trong vấn đề vận hành rất khó phát hiện, đặc biệt là các thiết bị điện tử rất nhạy cảm. Hình 1.1: Dạng sóng xung quá áp trên đường nguồn hạ áp (với thời gian ngắn 1ms) HVTH: Nguyễn Hà Giang Trang 5
22. S K L 0 0 2 1 5 4