Luận văn Xây dựng và đánh giá các mô hình chống sét van trung áp (Phần 1)

139 trang phuongnguyen 180

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Xây dựng và đánh giá các mô hình chống sét van trung áp (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_van_xay_dung_va_danh_gia_cac_mo_hinh_chong_set_van_trun.pdf

Nội dung text: Luận văn Xây dựng và đánh giá các mô hình chống sét van trung áp (Phần 1)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ THANH ÂU XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 6 5 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
BƠ ̣ GIÁ O DUC̣ VÀ ĐÀ O TAỌ TRƯỜ NG ĐAỊ HOC̣ SƯ PHAṂ KỸ THUÂṬ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ THANH ÂU XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Quyền Huy Ánh Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2015
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh LÝ LỊCH KHOA HỌC I. SƠ LƢỢC Họ và tên : Võ Thanh Âu Giới tính: Nam Ngày sinh : 15/09/1989 Nơi sinh: Long An Dân tộc : Kinh Tơn giáo: Khơng Địa chỉ liên lạc: Số 8, Đƣờng Tân Lập 2, Khu phố 3, P. Hiệp Phú, Q. 9, Tp.Hồ Chí Minh. Điện thoại: 0979 378 252 Email:Thanhau1509@gmail.com Cơ quan : Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Lƣờng Chất Lƣợng Thành Phố Hồ Chí Minh. Địa chỉ : 263, Điện Biên Phủ, P. 7, Q. 3, Tp. Hồ Chí Minh. II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy. Thời gian: Từ 2007 đến 2012 Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. Ngành học: Điện Cơng Nghiệp. 2. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy. Thời gian: Từ 2013 đến 2015 Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. Ngành học: Kỹ Thuật Điện. III. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MƠN Thời gian Nơi cơng tác Cơng việc Từ 06/2012đến Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Thử Nghiệm Viên nay Lƣờng Chất Lƣợng Thành Phố Hồ Chí Minh. Tp.Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2015 Ngƣời khai Võ Thanh Âu HVTH: Võ Thanh Âu Trang i
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2015 Tác giả Luận Văn Võ Thanh Âu HVTH: Võ Thanh Âu Trang ii
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh CẢM TẠ Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM, cùng với sự nhiệt tình hƣớng dẫn, giúp đỡ của quý thầy cơ, tơi đã hồn thành đƣợc luận văn tốt nghiệp này. Trƣớc hết, tơi xin chân thành cám ơn cha mẹ của tơi đã luơn động viên giúp đỡ tơi trong suốt thời gian học tập. Tơi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trƣờng, Ban chủ nhiệm Khoa Điện – Điện tử và Phịng quản lý sau đại học Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi học tập, nghiên cứu nâng cao trình độ và thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp trong thời gian qua. Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Thầy Quyền Huy Ánh đã nhiệt tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi trong suốt thời gian học tập cũng nhƣ trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Ngồi ra, tơi cũng xin đƣợc nĩi lời cảm ơn đến các anh, chị học viên trong lớp cao học 2013 – 2015A đã đĩng gĩp ý kiến và giúp đỡ tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp này. Việc thực hiện đề tài luận văn này chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sĩt về kiến thức chuyên mơn. Kính mong nhận đƣợc sự quan tâm, xem xét và đĩng gĩp ý kiến quý báu của quý thầy, cơ và các bạn để đề tài luận văn này hồn thiện hơn. Tơi xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2015 Học viên thực hiện Võ Thanh Âu HVTH: Võ Thanh Âu Trang iii
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh TĨM TẮT Luận văn “Xây dựng và đánh giá các mơ hình chống sét van trung áp” đi sâu vào nghiên cứu các mơ hình chống sét van dạng metal- oxide trên lƣới trung thế. Chống sét van dạng Metal-oxide đƣợc dùng để bảo vệ quá điện áp do sét hoặc xung đĩng cắt trên lƣới trung thế. Luận văn tập trung xây dựng đƣợc các mơ hình chống sét van trung thế dạng MOV đƣa vào phần mềm Matlab. Các thơng số của mơ hình chống sét van đƣợc cung cấp trong Catalogue của nhà sản xuất. Thử nghiệm các mơ hình dựa trên các thơng số kỹ thuật trên Catalogue của các nhà sản xuất khác nhau và với các cấp điện áp khác nhau. Kết quả của mơ phỏng để đánh giá độ chính xác của các mơ hình chống sét van khi mơ phỏng so với giá trị đƣợc cung cấp trong catalogue của nhà sản xuất. Luận văn cũng hy vọng sẽ cung cấp một cơng cụ mơ phỏng hữu ích với phần mềm thơng dụng Matlab cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sƣ, sinh viên trong việc nghiên cứu các hành vi và đáp ứng của thiết bị chống sét van dƣới tác động của xung sét lan truyền trong điều kiện khơng thể đo thử thực tế. HVTH: Võ Thanh Âu Trang iv
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh ABSTRACT The thesis “Develop and assessmentsurge arrester models of medium voltage lightning” carried out a research into metal- oxide surge arrester modelsfor medium-voltage class. Metal-oxide surge arrester are used as protective devies against lightning and switch overvoltage in medium and high voltage power systems. Thesis focus is on developing Metal- oxide surge arrester modelsformat included in the software Matlab. The parameters of the model for metal-oxide surge arrester are provided in the valve manufacturer's catalogue. Testing models based on the specifications in the catalogue of the different manufacturers and with different voltageslevels. The results of the simulations to assessment the accuracy of these models simulate lightning when it compared to the value provided in the manufacturer's catalogue. The thesis also provide a useful simulation tool with the common Matlab software for researchers, engineers, students in studying of behaviors and responses of the valve lightning equipment under the action of lightning impulse spreaded in conditions test can not be real. HVTH: Võ Thanh Âu Trang v
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Mơ tả MOV kA Chống sét van (Metal Oxide Varistor) R  Điện trở L H Độ tự cảm C F Điện dung D nm Bề dày của biến trở Vb V Điện thế rào  Hằng số điện mơi của chất bán dẫn N Hạt/cm3 Mật độ hạt dẫn P W Cơng suất tiêu tán trung bình 0 T C Nhiệt độ gia tăng trung bình  Hệ số tiêu tán cơng suất TOL % Độ sai số chuẩn Vr kV Điện áp định mức của chống sét van Vr8/20 kV Điện áp dƣ cho dịng sét 10 kA với bƣớc sĩng 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 HVTH: Võ Thanh Âu Trang vi
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh q Điện tích điện tử K Hệ số phụ thuộc biến trở Vref kV Điện áp tham chiếu d m Chiều cao của chống sét van n Số cột MOV song song trong chống sét van. HVTH: Võ Thanh Âu Trang vii
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TĨM TẮT iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi MỤC LỤC viii DANH SÁCH CÁC HÌNH xii DANH SÁCH CÁC BẢNG xviii CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1 I. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1 II. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 3 III. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 4 IV. CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH 4 V. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 3 VI. TÍNH THỰC TIỄN 4 VII. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 5 VIII. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5 CHƢƠNG 1: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN 6 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 6 1.2. CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN 8 1.3. KHÁI NIỆM VỀ SÉT 9 1.4. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN 10 1.5. ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI CHỐNG SÉT 12 1.5.1. Khe hở phĩng điện 13 1.5.2. Chống sét ống 14 1.5.3. Chống sét SiC 14 1.5.3.1. Cấu trúc của đĩa van SiC 15 1.5.3.2. Cấu trúc của khe hở 15 HVTH: Võ Thanh Âu Trang viii
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1.5.3.3. Thiết kế khe hở kèm theo điện trở 16 1.5.4. Chống sét van MOV khơng khe hở 16 1.5.4.1. Cấu tạo một chống sét MOV (Metal Oxide Varistor) 16 1.5.4.2. Đặc tính của MOV 16 1.5.5. So sánh sự làm việc của các chống sét SIC và MOV 18 1.5.5.1. Chế độ xác lập 18 1.5.5.2. Chế độ hoạt động khi cĩ quá áp tạm thời 18 1.5.5.3. Chế độ hoạt động ở dịng xung 19 1.5.5.4. Tính ổn định đối với hoạt động phĩng điện 19 CHƢƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV 21 2.1. CẤU TẠO CƠ BẢN MOV 21 2.2. TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO 224 2.3. ĐẶC TÍNH V-I 27 2.4. THỜI GIAN ĐÁP ỨNG 28 CHƢƠNG 3: CÁC MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN 30 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 30 3.2. CÁC MƠ HÌNH ĐƢỢC ĐỀ NGHỊ 31 3.2.1. Mơ hình truyền thống ATP 31 3.2.2. Mơ hình đƣợc đề nghị bởi IEEE 31 3.2.2.1. Mơ hình đề nghị 32 3.2.2.2. Xác định các thơng số 33 3.2.3. Mơ hình đƣợc đề nghị bởiPinceti 35 3.2.3.1. Mơ hình đƣợc đề nghị 35 3.2.3.2. Xác định thơng số 35 3.2.4. Mơ hình P-K 36 3.2.4.1. Mơ hình đƣợc đề nghị 36 3.2.4.2. Xác định thơng số 37 CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH MƠ PHỎNG BẰNG MATLAB 38 4.1. MỤC ĐÍCH MƠ PHỎNG 38 4.2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB 39 HVTH: Võ Thanh Âu Trang ix
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 4.2.1. Phần mềm MATLAB 39 4.2.2. Cơ sở về SIMULINK 39 4.2.3. Đánh giá mơ hình MATLAB 40 4.2.3.1. Giới thiệu mơ hình 40 4.2.3.2. Nguyên lý làm việc của mơ hình 42 4.2.3.3. Đánh giá mơ hình 42 4.2.3.4. Mạch mơ phỏng Matlab 43 4.3. MƠ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT 43 4.3.1. Dạng xung sét 43 4.3.1.1. Dạng sĩng 10/350µs 43 4.3.1.2. Dạng sĩng 8/20µs 44 4.3.2. Các dạng xung khơng chu kỳ chuẩn 45 4.3.3. Xây dựng mơ hình nguồn phát xung 48 4.3.3.1. Xây dựng sơ đồ khối 48 4.3.4. Thực hiện mơ phỏng 50 4.3.5. Kết luận 53 4.4. XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN DẠNG MOV PHỤ THUỘC TẦN SỐ 53 4.5. XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN DẠNG MOV PHỤ THUỘC TẦN SỐ TRONG MATLAB 55 4.5.1. Giới thiệu một số khối (block) dùng trong mơ hình 55 4.5.2. Xây dựng các mơ hinh chống sét van trung áp 57 4.5.2.1. Xây dựng mơ hình MOV theo IEEE: 57 4.5.2.2. Xây dựng mơ hình MOV theo Pinceti: 69 4.5.2.3. Xây dựng mơ hình MOV theo P-K: 78 CHƢƠNG 5: MƠ PHỎNG SO SÁNH CÁC MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP BẰNG MATLAB 88 5.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 88 5.2. MƠ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA CÁC CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP EVP VÀ AZG2 89 5.2.1. Chống sét van trung áp EVP ProtectiveCharacteristics 89 1. Thơng số kỹ thuật: 89 HVTH: Võ Thanh Âu Trang x
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 2. Thơng số mơ hình 90 3. Kết quả mơ phỏng 90 4. Dạng sĩng của mơ hình 91 5. Biểu đồ đánh giá sai số 96 6. Nhận xét : 97 5.2.2. Chống sét van loại Type AZG2 Surge Arresters 98 1. Thơng số kỹ thuật: 100 2. Thơng sơ mơ hình 100 3. Kết quả mơ phỏng 100 4. Dạng sĩng của mơ hình 98 5. Biểu đồ đánh giá sai số 100 6. Nhận xét : 110 5.2.3. NHẬN XÉT CHUNG: 111 CHƢƠNG KẾT LUẬN 113 I. KẾT LUẬN 113 II. HƢỚNG PHÁT TRIỂN TƢƠNG LAI 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC 114 HVTH: Võ Thanh Âu Trang xi
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Trang Hình 1.1: Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van 12 Hình 1.2: Đặc tính điện trở phi tuyến của chống sét van MOV 16 Hình 1.3: So sánh đặc tính phi tuyến của phần tử SiC và MOV 17 Hình 2.1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I 21 Hình 2.2: Vi cấu trúc của ceramic 22 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 24 Hình 2.4: Chống sét van trung thế của Ohio Brass 25 Hình 2.5: Mặt cắt cấu tạo của chống sét van 25 Hình 2.6: Sơ đồ năng lƣợng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO 27 Hình 2.7: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào 27 Hình 2.8: Đặc tính V-I của MOV 28 Hình 2.9: Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao 29 Hình 2.10: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dịng 29 Hình 3.1: Mơ hình của IEEE 32 Hình 3.2: Đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0 và A1 34 Hình 3.3: Mơ hình của Pinceti 35 Hình 3.4: Mơ hình P-K 36 Hình 4.1: Quan hệ dịng điện –điện áp của mơ hình chống sét van 41 Hình 4.2: Hộp thoại của mơ hình chống sét van 41 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý của mơ hình 42 HVTH: Võ Thanh Âu Trang xii
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.4: Mạch mơ phỏng phĩng điện chống sét van của Matlab, dạng sĩng 8/20µs – dịng 10kA 43 Hình 4.5: Sét đánh trực kiếp vào kim thu sét trên đỉnh cơng trình 44 Hình 4.6: Sét đánh trực tiếp vào đƣờng dây trên khơng lân cận cơng trình 44 Hình 4.7: Dạng sĩng 10/350 µs 44 Hình 4.8: Sét đánh vào đƣờng dây trên khơng ở vị trí cách xa cơng trình 45 Hình 4.9: Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào cơng trình 45 Hình 4.10: Dạng sĩng 8/20 µs 45 Hình 4.11: Dạng sĩng xung khơng chu kỳ chuẩn 46 Hình 4.12: Dạng sĩng xung gồm tổng của hai thành phần 46 Hình 4.13: Đƣờng cong xác định tỉ số b/a 47 Hình 4.14: Đƣờng cong xác định tỉ số at1 47 Hình 4.15: Đƣờng cong xác định tỉ số I1/I 48 Hình 4.16: Sơ đồ khối tạo nguồn phát xung 49 Hình 4.17: Biểu tƣợng của mơ hình nguồn phát xung 49 Hình 4.18: Khai báo các thơng số yêu cầu 50 Hình 4.19: Sơ đồ mơ phỏng nguồn xung dịng 51 Hình 4.20: Các thơng số nguồn xung dịng 52 Hình 4.21: Dạng sĩng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 3kA 52 Hình 4.22: Dạng sĩng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 5 kA 53 Hình 4.23: Dạng sĩng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 10 kA 53 Hình 4.24: Dạng sĩng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 20 kA 54 Hình 4.25: Mạch tƣơng đƣơng mơ hình IEEE 58 Hình 4.26:Đặc tuyến V-I của A0 và A1của mơ hình IEEE 59 Hình 4.27: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 60 HVTH: Võ Thanh Âu Trang xiii
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.28: Mơ hình điện trở phi tuyếntheo IEEE 61 Hình 4.29: Mơ hình MOV theo IEEE bằng Matlab 62 Hình 4.30: Mơ hình MOV theo IEEE 62 Hình 4.31: Hộp thoại Mask Editor theo IEEE 63 Hình 4.32: Thơng tin cho khối trong thanh Documentation theo IEEE 64 Hình 4.33: Thơng tin cho khối trong thanh Prompt theo IEEE 65 Hình 4.34: Lệnh tính thơng số trong thanh Initialization theo IEEE 66 Hình 4.35.Tạo biểu tƣợng cho mơ hình trong thanh Icon theo IEEE 67 Hình 4.36: Biểu tƣợng chống sét van MOV theo IEEE 67 Hình 4.37: Hộp thoại của Distribution Arrester-MOV theo IEEE 68 Hình 4.38: Sơ đồ mơ phỏng đáp ứng của MOV theo mơ hình IEEE 69 Hình 4.39: Sơ đồ tƣơng đƣơng theo mơ hình Pinceti 69 Hình 4.40: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 theo Pinceti 71 Hình 4.41: Mơ hình điện trở phi tuyến theo Pinceti 71 Hình 4.42.Mơ hình MOV theo Pinceti theo Matlab 72 Hình 4.43: Mơ hình khối MOV theo Pinceti 73 Hình 4.44: Hộp thoại Mask Editor theo Pinceti 73 Hình 4.45: Thơng tin cho khối trong thanh Documentation theo Pinceti 74 Hình 4.46: Thơng tin cho khối trong thanh Prompt theo Pinceti 75 Hình 4.47: Lệnh tính thơng số trong thanh Initializationtheo Pinceti 75 Hình 4.48: Tạo biểu tƣợng cho mơ hình trong thanh Icontheo Pinceti 76 Hình 4.49: Biểu tƣợng chống sét van MOVtheo Pinceti 76 Hình 4.50: Hộp thoại của Distribution Arrester-MOVtheo Pinceti 77 Hình 4.51: Sơ đồ mơ phỏng đáp ứng của MOV theo mơ hình Pinceti 77 Hình 4.52: Sơ đồ tƣơng đƣơng theo mơ hình P-K 78 HVTH: Võ Thanh Âu Trang xiv
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.53:Mơ hình MOV theo P-K 79 Hình 4.54: Mơ hình khối MOV theo P-K 79 Hình 4.55: Hộp thoại Mask Editor 80 Hình 4.56: Thơng tin cho khối trong thanh Documentation 80 Hình 4.57: Tạo thơng tin cho khối trong thanh Prompt 81 Hình 4.58: Nhập các lệnh tính thơng số trong thanh Initialization 82 Hình 4.59: Tạo biểu tƣợng cho mơ hình trong thanh Icon 83 Hình 4.60: Biểu tƣợng chống sét van MOV 83 Hình 4.61: Hộp thoại của Distribution Arrester-MOV 87 Hình 4.62: Sơ đồ mơ phỏng đáp ứng của MOV theo mơ hình P-K 88 Hình 5.1: Sơ đồ mơ hình mạch thử nghiệm điện áp dƣ của chống sét van trung áp 89 Hình 5.2: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 15kV, ứng với dịng xung 8/20s- 3kA 91 Hình 5.3: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 15kV, ứng với dịng xung 8/20s- 5kA 92 Hình 5.4: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 15kV, ứng với dịng xung 8/20s- 10kA 92 Hình 5.5: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 15kV, ứng với dịng xung 8/20s- 20kA 93 Hình 5.6: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s- 3kA 93 Hình 5.7: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s- 5kA 94 Hình 5.8: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s- 10kA 94 HVTH: Võ Thanh Âu Trang xv
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.9: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s- 20kA 95 Hình 5.10: Biểu đồ sai số của điện áp dƣ của chống sét van hãng Ohios Brass, điện áp 15kV, ứng với dịng xung 8/20s 95 Hình 5.11: Biểu đồ sai số của điện áp dƣ của chống sét van hãng Ohios Brass, điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s 96 Hình 5.12: Điện áp dƣ của chống sét van AZG2 với điện áp 15kV, ứng với dịng xung 8/20s -3kA 98 Hình 5.13: Điện áp dƣ của chống sét van AZG2 với điện áp 15kV, ứng với dịng xung 8/20s -5kA 99 Hình 5.14: Điện áp dƣ của chống sét van AZG2 với điện áp 15kV, ứng với dịng xung 8/20s-10kA 99 Hình 5.15: Điện áp dƣ của chống sét van AZG2 với điện áp 15kV, ứng với dịng xung 8/20s -20kA 100 Hình 5.16: Điện áp dƣ của chống sét van AZG2 với điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s -3kA 100 Hình 5.17: Điện áp dƣ của chống sét van AZG2 với điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s -5kA 101 Hình 5.18: Điện áp dƣ của chống sét van AZG2 với điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s -10kA 101 Hình 5.19: Điện áp dƣ của chống sét van AZG2 với điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s- 20kA 102 Hình 5.20: Biểu đồ sai số của điện áp dƣ chống sét van của hãng Cooper, điện áp 15kV, ứng với dịng xung 8/20s 102 Hình 5.21: Biểu đồ sai số của điện áp dƣ chống sét van của hãng Cooper, điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s 103 HVTH: Võ Thanh Âu Trang xvi
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 4.1: Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A1 mơ hình IEEE 59 Bảng 4.2: Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A1 mơ hình Pinceti 70 Bảng 5.1: Thơng số kỹ thuật của hãng OHIOS BRASS 90 Bảng 5.2: Kết quả mơ phỏng hãng OHIOS BRASS của các mơ hình 91 Bảng 5.3: Thơng số kỹ thuật của hãng COOPER 97 Bảng 5.4: Kết quả mơ phỏng hãng COOPER của các mơ hình 98 HVTH: Võ Thanh Âu Trang xvii
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh CHƢƠNG MỞ ĐẦU I. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Theo ƣớc tính của các nhà chuyên mơn, trên khắp mặt địa cầu, cứ mỗi giây, cĩ khoảng 100 lần sét đánh xuống mặt đất. Sét khơng những cĩ thể gây thƣơng vong cho con ngƣời mà cịn cĩ thể phá hủy những tài sản của con ngƣời nhƣ các cơng trình xây dựng, cơng trình cung cấp năng lƣợng, hoạt động hàng khơng, các thiết bị dùng điện, các Đài Truyền thanh – Truyền hình, các hệ thống thơng tin liên lạc Việt Nam là một nƣớc nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, khí hậu Việt Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dơng sét. Số ngày dơng cĩ ở Việt Nam trên nhiều khu vực thuộc loại khá lớn. Số ngày dơng cực đại là 113,7 (tại Đồng Phú), số giờ dơng cực đại là 433,18 giờ tại Mộc Hĩa. Sét cĩ cƣờng độ mạnh ghi nhận đƣợc bằng dao động ký tự động cĩ biên độ Imax = 90,67kA (Số liệu của Viện Nghiên Cứu Sét Gia Sàng Thái Nguyên). Hàng năm, ngành điện Việt Nam cĩ khoảng vài ngàn sự cố, 50% trong số đĩ là do sét gây ra. Đặc biệt ngày 4/6/2001, sét đánh nổ một máy cắt 220 KV của Nhà máy Thủy điện Hịa Bình. Sự cố đã khiến lƣới điện miền Bắc bị tan rã mạch, nhiều nhà máy điện bị tách ra khỏi hệ thống. Mọi thiết bị điện khi lắp đặt vào lƣới điện đều đƣợc lựa chọn dựa vào điện áp định mức của lƣới điện mà thiết bị đƣợc đấu vào. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đơi lúc xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, cĩ thể do các sự cố chạm đất, do thao tác đĩng cắt, hoặc do sét đánh trực tiếp hay lan truyền. Trong đĩ quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn dễ dàng gây ra phĩng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị, ảnh hƣởng đến tồn hệ thống. Do đĩ để bảo vệ cách điện của thiết bị đƣợc đấu vào hệ thống điện khỏi các tác hại quá điện áp sét, mơ hình chống sét van đƣợc sử dụng, việc nghiên cứu về các phƣơng pháp, thiết bị chống sét đánh trực tiếp hay lan truyền trên lƣới điện luơn luơn cần thiết và quan trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 1
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Đặc biệt trong những năm gần đây với sự gia tăng sử dụng các trang thiết bị điện tử cơng suất trên lƣới phân phối nhƣ thiết bị bù trơn, thiết bị Scada, bộ UPS, bộ bù bằng Thyristor, bộ lọc sĩng hài Các thiết bị này rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp và cĩ độ dự trữ cách điện rất thấp. Vì thế cần phải tính tốn lựa chọn và kiểm tra các thiết bị chống sét một cách chính xác để tránh xảy ra hƣ hỏng cho các thiết bị này. Nhưng cho đến nay việc mô hình hoá và mô phỏng các thiết bị chống sét lan truyền trong các thiết bị dùng điện ở Việt Nam hầu như còn bỏ ngỏ, ngay cả ở các trường đại học lớn các phần mềm mô phỏng và tài liệu tham khảo rất ít ỏi và hạn chế. Một trong các khó khăn khi tiến hành mô phỏng các phần tử là hiện các mô hình chưa có hay nếu có thì được giữ bản quyền bởi các hãng sản xuất thiết bị chống sét lan truyền nước ngoài, cũng như máy phát xung sét chuẩn. Nghiên cứu chống sét đánh lan truyền từ đƣờng dây vào trạm biến áp hay cảm ứng trên đƣờng dây tải điện cũng đĩng một vai trị rất quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị bảo vệ cho phù hợp. Để thực hiện bảo vệ chống sĩng truyền vào trạm biến áp, trong hệ thống điện chúng ta dùng rất nhiều chống sét van, do thiết bị chống sét là thiết bị phi tuyến, cho nên việc đánh giá các đáp ứng ngõ ra ứng với các dạng xung sĩng sét lan truyền từ đƣờng dây vào trạm theo phƣơng pháp truyền thống gặp nhiều khĩ khăn. Phƣơng pháp hiệu quả để thực hiện việc đánh giá một cách trực quan là mơ hình hĩa và tiến hành mơ phỏng đáp ứng của chúng. Hiện nay, cũng cĩ nhiều nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống sét lan truyền trên đƣờng dây trung thế đã đi sâu nghiên cứu và đề ra mơ hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng mơ hình khác nhau. Tuy nhiên, tùy thuộc vào phạm vi ứng dụng của mỗi mơ hình, và các yêu cầu về mức độ tƣơng đồng giữa mơ hình và nguyên mẫu mà các phƣơng pháp xây dựng mơ hình và mơ phỏng các phần tử chống sét lan truyền vẫn cịn tiếp tục nghiên cứu HVTH: Võ Thanh Âu Trang 2
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh và phát triển. Hơn nữa, vấn đề khĩ khăn trong xây dựng mơ hình là xác định các thơng số của mơ hình mà các thơng số đƣợc cho trong catalogue của nhà chế tạo thƣờng khơng đầy đủ. Một số phần mềm mơ phỏng cũng đã hỗ trợ xây dựng mơ hình các thiết bị chống sét.Tuy nhiên, mơ hình này thƣờng chỉ phù hợp đối với thiết bị của một nhà sản xuất nào đĩ, khơng thể là đại diện cho tất cả thiết bị chống sét của mọi nhà chế tạo và với các cấp điện áp khác nhau. Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài: “Xây dựng và đánh giá các mơ hình chống sét van trung áp” đi sâu vào nghiên cứu mơ hình thiết bị chống sét van cấp trung thế dạng MOV, lập mơ hình và mơ phỏng với phần mềm rất thơng dụng là Matlab với mong muốn cĩ thể xây dựng đƣợc mơ hình thiết bị chống sét van của hầu hết các nhà chế tạo chỉ với các thơng số đƣợc cung cấp từ catalogue của các nhà chế tạo. Đề tài hy vọng sẽ cung cấp một cơng cụ mơ phỏng hữu ích với phần mềm thơng dụng Matlab cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sƣ, sinh viên Vì đặc tính động của chống sét van, chúng chƣa thể mơ phỏng bằng sử dụng điện trở phi tuyến tính. Do đĩ, một số mơ hình đƣợc đề xuất cho mơ phỏng các đặc tính động của chống sét van. Mơ hình IEEE và mơ hình pinceti là các mơ hình chính mà đề xuất để mơ phỏng các đặc tính động của chống sét van, để xác định các thơng số chống sét van , một thuật tốn mới đã đƣợc đề xuất và so sánh giữa các mơ hình IEEE và mơ hình Pinceti, mơ hình P-K. II. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI - Nghiên cứu phối hợp cách điện, so sánh ƣu nhƣợc điểm của một số loại chống sét van. - Nghiên cứu cấu tạo và tính năng kỹ thuật của thiết bị chống sét van MOV. - Nghiên cứu các mơ hình chống sét van MOV phụ thuộc tần số. - Cải tiến mơ hình chống sét van trong Matlab - Xác định các thơng số chống sét bằng cách đƣa ra một thuật tốn mới đã đƣợc đề xuất so sánh giữa các mơ hình. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 3
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh III. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI - Nghiên cứu bảo vệ quá điện áp của chống sét van. - Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của chống sét van MOV. - Nghiên cứu các mơ hình chống sét van phụ thuộc tần số. - Mơ hình hĩa và mơ phỏng chống sét van dạng MOV bằng Simulink trong Matlab. - Xác định các thơng số của các mơ hình - Kiểm chứng, đánh giá độ chính xác của các mơ hình. IV. CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH - Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ Matlab. - Nghiên cứu các tiêu chuẩn lựa chọn chống sét trên lƣới trung thế. - Nghiên cứu cấu tạo thiết bị chống sét van kiểu biến trở ơxít kim loại (MOV). - Thu thập tài liệu và nghiên cứu các mơ hình chống sét dạng MOV. - Lập mơ hình các phần tử của thiết bị chống sét dạng MOV. - Lập mơ hình thiết bị phát xung sét tiêu chuẩn. - Thực thi mơ hình. - Đánh giá mơ hình. V. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI - Nghiên cứu đặc tính đáp ứng động (hay phụ thuộc tần số) của chống sét van dùng trong nghiên cứu phối hợp cách điện. - Lập mơ hình bộ chống sét van MOV đạt mức độ chính xác theo các thơng số kỹ thuật của nhà sản xuất. - Đƣa ra thuật tốn mới so sánh các mơ hình chống sét van MOV. VI. TÍNH THỰC TIỄN - Là một cơng cụ rất hữu ích để phân tích các thí nghiệm về sét đánh cảm ứng. - Là cơng cụ rất quan trọng trong việc xem xét phối hợp cách điện và nghiên cứu xung đầu dốc. - Với phần mềm Matlab rất quen thuộc và thơng dụng sẽ giúp ích cho việc nghiên cứu và phục vụ giảng dạy cho các giáo viên, sinh viên ngành điện. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 4
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh VII. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI Chƣơng : Mở Đầu. Chƣơng 1: Các đặc tính kỹ thuật của chống sét van. Chƣơng 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của chống sét van MOV. Chƣơng 3: Các mơ hình chống sét van. Chƣơng 4: Xây dựng các mơ hình mơ phỏng chống sét van MOV bằng Matlab. Chƣơng 5: Mơ phỏng so sánh các mơ hình chống sét van trung áp của các nhà sản xuất Chƣơng 6: Kết Luận VIII. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài sử dụng các phƣơng pháp sau: - Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu: là phƣơng pháp đĩng vai trị chủ đạo.Sử dụng các tài liệu cĩ sẵn, các tài liệu trên internet, các bài báo khoa học, Để phục vụ cho để tài nghiên cứu này - Phƣơng pháp chuyên gia: là phƣơng pháp đĩng vai trị bổ trợ. Tham khảo ý kiến của các giáo viên hƣớng dẫn, các giảng viên và các chuyên gia trong lĩnh vực chống sét. - Phƣơng pháp mơ hình hĩa: Sử dụng phần mềm Matlab và mơ phỏng chống sét van dƣới tác dụng của các dạng xung sét khơng chu kỳ. - Phƣơng pháp tổng hợp: Là phƣơng pháp đĩng vai trị bổ trợ. Tổng hợp các ý kiến để đƣa ra các kết luận về những vấn đề đang tìm hiểu, từ đĩ hồn thành nội dung, yêu cầu của để tài này. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 5
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương 1 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều đƣợc dự kiến đƣa vào vận hành lâu dài ở một cấp điện áp nào đĩ và thƣờng đƣợc lựa chọn dựa trên điện áp định mức của lƣới điện mà thiết bị đĩ đƣợc đấu nối vào. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đơi lúc lại xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, cĩ thể là do các sự cố chạm đất, do thao tác, do sét. Trong đĩ quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn gây phĩng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị. Cĩ ba yếu tố quan trọng nhƣ nhau cĩ liên quan đến việc bảo vệ quá áp: thiết kế tổng quan lƣới điện, cấp độ cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị (máy biến áp, bộ điều áp, dàn tụ bù, ) trên lƣới, thiết bị bảo vệ (chống sét van, dây chống sét). Khả năng cách điện của hệ thống cơ bản đƣợc xác định bởi đặc tính kỹ thuật của các bộ phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn,v.v ) cộng với cấu trúc, khoảng cách và tất cả các hệ số khác bao gồm trong việc thiết kế hệ thống. Cách điện của một hệ thống phải chịu đƣợc điện áp tần số nguồn liên tục trong nhiều năm với nhiều điều kiện khí quyển.Để đảm bảo tính hợp nhất dài hạn của hệ thống, phải thiết kế cho lƣới điện chịu đƣợc điện áp cao hơn mức bình thƣờng. Tuy nhiên, về mặt kinh tế cũng khĩ thực hiện đƣợc lƣới điện cĩ khả năng chịu đƣợc điện áp cao nhƣ khi cĩ quá áp quá độ. Tƣơng tự cấp cách điện của thiết bị phân phối đƣợc thiết kế để chịu đƣợc điện áp cao hơn bình thƣờng một chút. Phƣơng pháp này cĩ hiệu quả đến một mức nào đĩ, nhƣng sẽ nhanh chĩng đến một giai đoạn mà khơng thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện BIL cao hơn đƣợc nữa vì khơng khả thi về kinh tế. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 6
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giới hạn lƣợng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đƣờng dây) phải chịu. Phƣơng pháp này cịn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì cĩ thể dựa vào khả năng quá áp nhỏ hơn, và nĩi chung tạo ra một sơ đồ bảo vệ quá áp tiết kiệm hơn. Các cơng ty Điện lực đƣơng nhiên cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhƣng đều phải tính đến ba yếu tố cơ bản là: phục vụ khách hàng, khả năng chịu đựng điện áp (đặc biệt là quá áp do sét) và yếu tố kinh tế. Khơng thể thiết kế một lƣới điện cĩ thể đáp ứng đƣợc yêu cầu là mọi quá điện áp phải dƣới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì nhƣ thế sẽ làm cho chi phí vƣợt quá mức. Do vậy, khi thiết kế một lƣới điện, cũng nhƣ tính chọn thiết bị lắp đặt trên lƣới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá áp, quy trình này dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng quá áp của các thiết bị. Muốn đạt đƣợc điều này phải đáp ứng hai bƣớc sau đây: - Thiết kế lƣới điện thích hợp để cĩ thể kiểm sốt và hạn chế tối thiểu các quá áp. - Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp. Tổng hợp hai bƣớc trên đƣợc gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách điện. Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phĩng điện đánh thủng cách điện của thiết bị, do vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế đƣợc phối hợp lƣới điện và việc lắp đặt thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lƣợc nhằm mục đích hạn chế quá áp và tránh hoặc giảm thiểu các hƣ hỏng cách điện. Thiết kế đƣợc phối hợp bao gồm: - Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu quả. - Dùng dây, kim thu sét. - Điều khiển gĩc thao tác các máy cắt. - Sử dụng các tụ điện xung. Các thiết bị bảo vệ bao gồm : HVTH: Võ Thanh Âu Trang 7
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh - Khe hở phĩng điện. - Các loại van chống sét. Mục tiêu cơ bản của các bảo vệ quá áp trong hệ thống điện là tránh các hƣ hỏng cách điện, ngừng làm việc hoặc hƣ hỏng của thiết bị. 1.2. CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN Cách điện thiết bị đƣợc chia ra làm hai loại: cách điện ngồi và cách điện trong. Vật liệu cách điện thơng dụng đƣợc sử dụng ở các thiết bị điện hiện nay gồm: - Cách điện ngồi: khơng khí, gốm, thủy tinh, chất rắn. - Cách điện trong: dầu, SF6, mica, chân khơng. Khi bị phĩng điện, cách điện ngồi khơng giống nhƣ cách điện trong là bị phá hủy, bởi vì nĩi chung cách điện ngồi cĩ tính tự phục hồi sau khi bị phĩng điện. Ngồi ra, cách điện trong khi bị phĩng điện xuyên thủng thƣờng gây hậu quả hƣ hỏng nặng nề cho thiết bị và cĩ thể hƣ hỏng vĩnh viễn. Các lý do nêu trên sẽ đƣa đến các tiếp cận khác nhau trong bảo vệ quá áp cho cách điện trong và cách điện ngồi của thiết bị. Đối với bảo vệ cách điện ngồi, mục tiêu là tối thiểu số lƣợng phĩng điện cách điện dự kiến với ràng buộc kinh tế. Với hƣớng nhƣ vậy, nhiều cách tiếp cận tinh vi đã đƣợc phát triển nhằm cân nhắc giữa độ tin cậy của hệ thống, là yếu tố liên quan đến sự phĩng điện cách điện, và chi phí. Do cĩ nhiều thơng số ngoại lai, chẳng hạn nhƣ cƣờng độ chống sét và các thơng số của đất đƣợc thống kê trong thiên nhiên, nên phƣơng pháp đƣợc sử dụng là các phƣơng pháp xác suất thống kê. Đối với bảo vệ cách điện trong các phƣơng pháp quyết định đƣợc sử dụng với mục tiêu là thiết kế để phĩng điện cách điện là khơng cĩ. Các đặc tính đƣợc đơn giản hĩa ở trên của cách điện trong và cách điện ngồi khơng phải luơn tách biệt rõ ràng ở một thiết bị điện. Cách điện của một thiết bị điện cụ thể là phức tạp.Ví dụ, trƣờng hợp máy biến áp các dây quấn đƣợc ngâm trong dầu trong khi các đầu cực đƣợc đƣa ra ngồi khơng khí qua các sứ xuyên (điện mơi khơng khí). HVTH: Võ Thanh Âu Trang 8
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Khi xem xét khả năng chịu đựng của các thiết bị, khơng xem xét điện mơi nào sẽ bị phĩng điện trƣớc. Mặc dù điều này là một phần trong quá trình thiết kế, mà nên đặt câu hỏi với điện áp nào, cách điện của bất cứ phần tử nào của thiết bị cũng sẽ bị phĩng điện. 1.3. KHÁI NIỆM VỀ SÉT Hầu hết các nguyên nhân gây ra quá áp đều cĩ tính quá độ, chỉ kéo dài vài micrơgiây đến vài chu kỳ và cĩ nguồn gốc từ hệ thống hay ngồi hệ thống. Nguồn bên ngồi chủ yếu là dơng sét, một hiện tƣợng khĩ dự đốn trƣớc, tạo áp lực đối với các hệ thống. Các nguồn gốc bên trong chủ yếu do thao tác đĩng cắt mạch điện và sự cố pha đất. Một nguồn phổ biến là đĩng cắt cụm tụ điện nhƣng những nguồn quá áp này ít gây áp lực cho thiết bị so với dơng sét. Nhƣ vậy, mặc dù sĩng xung cĩ thể đƣợc phát sinh từ trong hệ thống (ví dụ do đĩng cắt), nhƣng rõ ràng dơng sét vẫn là nguyên nhân chính cĩ nguy cơ gây ra quá áp cĩ hại cho hệ thống. Dơng sét là nguồn gốc chính của quá áp cĩ hại trên lƣới phân phối, nĩ cĩ thể đƣợc sinh ra do sét đánh trực tiếp hay do cảm ứng. Xung điện áp sinh ra cĩ thể thay đổi từ tăng tƣơng đối nhỏ đến lớn gấp mấy lần điện áp pha đất bình thƣờng nếu cấp cách điện của hệ thống cho phép. Khi sét đánh vào đƣờng dây, một vùng rộng lớn sẽ bị ảnh hƣởng xung quanh vị trí sét đánh, vì điện áp vƣợt hơn mức cách điện định mức của đƣờng dây và hồ quang của dịng sét sẽ chạy xuống đất ngay lập tức. Đồng thời, các sĩng điện sét cảm ứng trên dây dẫn sẽ lan truyền đi dọc theo đƣờng dây. Những sĩng điện sét này gồm hai thành phần: điện áp và dịng điện. Biên độ điện áp bằng biên độ dịng điện nhân với trở kháng sĩng của đƣờng dây, trị số này nhỏ hơn điện áp phĩng điện hồ quang của cách điện hệ thống. Các xung này lan truyền trên đƣờng dây trên khơng với tốc độ của ánh sáng. Càng nắm đƣợc các đặc tính của sét thì việc lắp đặt các thiết bị bảo vệ càng hiệu quả. Đây là một lĩnh vực mà các nhà khoa học đã cĩ những bƣớc nghiên cứu nhiều tiến triển và các kỹ sƣ thiết kế cĩ thể phân những xung sét thành những dạng HVTH: Võ Thanh Âu Trang 9
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh khác nhau dựa vào kích thƣớc và phạm vi của xung quá điện áp. Một xung sét tiêu biểu cĩ xung đầu sĩng rất dốc, cĩ nghĩa là điện áp của nĩ tăng với tỷ lệ cả triệu vơn trên một giây. Thực tế 15% các đỉnh của sét xảy ra dƣới 1s. Xung đầu dốc đƣợc nối tiếp bởi một đuơi sĩng ngắn, nghĩa là sau khi điện áp đạt đỉnh thì thời gian mà sự cố điện áp đĩ giảm xuống cịn một nửa giá trị điện áp đỉnh là trong khoảng thời gian. Trong khi sét cĩ điện áp vơ cùng lớn thì dịng điện sét đƣợc đo đạt dựa trên ảnh hƣởng của nĩ trên thiết bị. Các thiết bị nhạy sét nhƣ MOV sẽ cho dịng sét chạy qua. Chống sét van MOV cĩ vật mang dịng điện với điện trở giảm rất thấp trong thời gian sét xảy ra. Các thành phần chủ yếu về đặc tính bảo vệ chống sét đƣợc thể hiện qua dịng xung phĩng điện. Nhiều thiết bị khoa học hiện đại đƣợc dùng để đo lƣờng và ghi lại dịng sét, đã cho thấy phạm vi thay đổi rất rộng của giá trị dịng điện từ: 1000A đến 200kA cho thấy mức độ khĩ đốn của biên độ sét. Sự nghiên cứu phân tích cho thấy dịng chạy qua chống sét van MOV chỉ khoảng 1/10 tổng giá trị của dịng điện sét nhƣng đặc biệt lƣu ý là chỉ khoảng 5 số sét trên lƣới điện phân phối vƣợt quá giá trị 10kA. Nhƣng dịng điện sét chạy qua chống sét van MOV phân phối thƣờng lớn hơn dịng chạy qua chống sét van trong trạm vì chúng đƣợc lắp đặt trên đƣờng dây và khơng đƣợc che chắn nhiều. 1.4. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN Chống sét van là thiết bị thƣờng đƣợc bổ sung để bảo vệ quá áp. Theo ANSI, chống sét van là một “Thiết bị bảo vệ để hạn chế điện áp trên thiết bị điện bằng cách phĩng hay dẫn dịng điện xung theo mạch phân dịng”. Bên cạnh đĩ, dịng điện chạy qua chống sét van sẽ phải đƣợc ngắt càng nhanh càng tốt để tránh tác động nhầm của máy cắt (sự cố chạm đất) và trở về chế độ bình thƣờng. Theo tiêu chuẩn ANSI, chống sét van đƣợc chia thành ba loại cơ bản: cấp phân phối, cấp trung gian và cấp dùng cho trạm. Sự khác nhau của các loại này đƣợc xác HVTH: Võ Thanh Âu Trang 10
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh định bằng điện áp định mức, đặc tính bảo vệ và độ bền về mức chịu áp lực hay khả năng chịu đựng dịng ngắn mạch. 1. Chống sét van phân phối (Distribution class) đƣợc sử dụng phổ biến nhất, xác định bởi tiêu chuẩn là chống sét cĩ định mức từ 1kV đến 30kV. So với các cấp khác, chống sét van cấp phân phối cĩ điện áp dƣ cao nhất (do đĩ gây nên điện áp cao đặt lên thiết bị) tƣơng ứng với một xung đầu vào cho trƣớc. Khơng cĩ yêu cầu về bộ an tồn áp lực (pressure relief). 2. Chống sét van trung gian (Intermediated class) đƣợc xác định cĩ điện áp định mức từ 3kV đến 120kV. Loại chống sét van này cĩ đặc tính bảo vệ tốt hơn chống sét van cấp phân phối. Tính năng an tồn áp lực thực sự rất cần thiết dù rằng vài loại chống sét van trung gian đặc biệt dùng bảo vệ hệ thống cáp ngầm khơng cĩ thiết bị an tồn áp lực. 3. Chống sét van dùng cho trạm (Station class) cĩ điện áp dƣ nhỏ nhất (do đĩ điện áp đặt trên thiết bị khi xảy ra phĩng điện sẽ thấp) và nhƣ thế sẽ cung cấp mức bảo vệ cao nhất. Theo tiêu chuẩn, loại này cĩ định mức từ 3kV đến 648kV và phải cĩ tính năng an tồn áp lực. Đối với chống sét van dùng để ngăn ngừa khơng cho điện áp tăng lên quá cao ở các thiết bị đƣợc bảo vệ, đƣơng nhiên đặc tính kỹ thuật phải phối hợp với mức chịu đựng xung cơ bản BIL (Basic Impulse Level) của thiết bị đĩ. Nghĩa là quy trình chọn chống sét van phải tính đến khả năng chịu quá áp của thiết bị, và đảm bảo cho chống sét van hoạt động tốt trong giới hạn cách điện của thiết bị. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 11
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 1.1: Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van 1.5. ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI CHỐNG SÉT Bảo vệ quá áp trong hệ thống điện đã đƣợc đặt ra từ những năm cuối của 1800. Ban đầu là những hƣ hỏng của các đƣờng dây trên khơng do bị sét đánh, các thiết bị bảo vệ nhƣ chống sét đã liên tục đƣợc cải thiện về thiết kế, cơng nghệ cũng nhƣ định mức làm việc. Sau đây là một vài mốc thời gian trong quá trình phát triển cơng nghệ chế tạo chống sét : - 1909 : Khe hở phĩng điện (Spark air gap arrester). - Thập niên 1920 : Chống sét ống (Expulsion gas arrester) - Thập niên 1930 : Chống sét van Cacbua-Silic (SiC) - Thập niên 1960 : Chống sét SiC cĩ khe hở kèm điện trở (Resistance graded gapped silicon carbide) - Thập niên 1970 : Chống sét khơng khe hở Oxit Kim loại (Gapless metal oxide varistor MOV). - Thập niên 1980 : Chống sét MOV vỏ bọc polymer cho lƣới phân phối (Polymer housed distribution overhead arrester). HVTH: Võ Thanh Âu Trang 12
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1.5.1. Khe hở phĩng điện Đây là hình thức đầu tiên của bảo vệ quá áp. Khe hở phĩng điện cho phép điện áp gia tăng cho đến khi nĩ đạt đến một mức cần thiết phải phĩng điện qua khe hở giữa hai điện cực. Kích cỡ của khe hở phải đảm bảo khe hở phĩng điện trƣớc khi xảy ra phĩng điện đƣờng dây. Ƣu điểm : - Giá thành thấp. - Là phƣơng tiện kiểm sốt phĩng điện bề mặt và tạo đƣờng dẫn dịng sét xuống đất. Nhƣợc điểm : - Mức phĩng điện thay đổi do phụ thuộc điều kiện mơi trƣờng xung quanh, sau mỗi lần phĩng điện, điện cực bị ăn mịn khoảng cách phĩng điện thay đổi. - Khi một khe hở phĩng điện tác động do quá áp sẽ hình thành hồ quang điện, hồ quang này tồn tại cho đến khi bị cắt do các thiết bị bảo vệ lƣới điện. Điều này tạo nên sự cố pha – đất ở lƣới trung tính trực tiếp nối đất và là nguyên nhân gây ngừng cung cấp điện. - Sự làm việc của khe hở tạo ra sĩng xung là tăng khả năng phát sinh sĩng xung gần những cực thiết bị đƣợc bảo vệ. Điều này cần phải xem xét đối với cách điện phía cao áp của thiết bị cĩ dây quấn nhƣ máy biến áp, cuộn kháng. - Bố trí tƣơng đối các khe hở phĩng điện cho mỗi pha phải đƣợc lựa chọn để hạn chế nguy cơ hồ quang lây lan sang pha bên cạnh, biến hƣ hỏng một pha thành ba pha. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 13
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1.5.2. Chống sét ống Chống sét ống đƣợc áp dụng lần đầu vào năm 1920. Áp dụng đầu tiên của chúng là các đƣờng dây truyền tải và các máy biến áp, nhƣng sau đĩ đƣợc giảm cấp và áp dụng cho đƣờng dây phân phối và máy biến áp. Cấu tạo của chống sét ống bao gồm một ống cĩ hai cực đặt ở hai đầu ống tạo nên khe hở sao cho xung phĩng điện qua khe hở thấp hơn mức chịu xung của cách điện đƣợc bảo vệ, bên ngồi cĩ một khe hở đƣợc mắc nối tiếp với khe hở trong. Khe hở ngồi đƣợc dùng để cách ly với đất, khe hở trong là khe hở dùng để cắt khi một xung gây nên điện áp trên mức chỉnh định, cả hai khe hở đều bị phĩng điện. Sau khi phĩng, dịng xung chạy xuống đất qua các khe hở gây nên ion hĩa và phát sinh khí. Khi dịng điện theo sau tần số cơng nghiệp đƣa đến việc gia tăng khí. Áp suất gia tăng đến một mức làm cho khí và hồ quang phĩng ra ngồi. Ƣu điểm : - Chống sét cĩ thể cắt dịng theo sau tần số cơng nghiệp mà khơng cần dùng thêm cầu chì. Nhƣợc điểm : - Chống sét cĩ khả năng hạn chế trong việc giải trừ dịng ngắn mạch (tối đa vào khoảng 3000A) và tuổi thọ ngắn vì dịng điện theo sau ăn mịn ống sau mỗi lần tác động. - Độ kín chống sét ống khơng tốt do vậy đặc tính của nĩ sẽ bị thay đổi do tác động của hơi nƣớc cũng nhƣ các yếu tố khác của mơi trƣờng khí quyển. Với các tính năng hạn chế nhƣ trên cả khe hở phĩng điện và chống sét ống ngày nay rất ít đƣợc sử dụng. 1.5.3. Chống sét SiC Chống sét SiC đƣợc sản xuất lần đầu vào năm 1908 và sau đĩ đƣợc cải tiến vào năm 1930 khi mà các nghiên cứu tập trung vào việc bảo vệ sét cho các máy biến áp HVTH: Võ Thanh Âu Trang 14
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh lớn. Chống sét SiC dùng một khe hở phĩng điện để xác định điện áp phĩng và mắc nối tiếp với một phần tử van để dập tắt dịng điện. Phần tử van đƣợc làm bằng vật liệu cĩ điện trở phi tuyến (Silicon carbide). Cả khe hở và phần tử van đƣợc bọc kín trong một vỏ sứ. Ban đầu, các chống sét sử dụng khe hở phĩng điện bên ngồi. Nhƣng ngay sau đĩ, khe hở đã đƣợc đƣa vào bên trong vỏ để kiểm sốt các đặc tính phĩng điện tốt hơn. 1.5.3.1. Cấu trúc của đĩa van SiC Đĩa SiC đƣợc cấu tạo bằng cách pha trộn các tinh thể SiC với một vật liệu cách điện và đƣợc nén thành đĩa van SiC. Tính phi tuyến của đĩa SiC đƣợc giải thích bằng việc các liên kết giữa các tinh thể hấp thu nhiệt. Khi cĩ dịng xung với năng lƣợng lớn đi qua các hạt SiC mau chĩng bị đốt nĩng và gia tăng nhiệt độ, điện trở giảm thấp cho phép dịng xung chạy qua dễ dàng chỉ với một thay đổi nhỏ của điện áp. Sau khi dịng xung chạy qua, các liên kết nguội và giảm nhiệt nhanh, điện trở của đĩa tăng vọt làm hạn chế dịng theosau tần số cơng nghiệp ở mức vài trăm Ampe, mức mà các khe hở cĩ thể cắt dịng điện tần số cơng nghiệp đi qua đĩa. 1.5.3.2. Cấu trúc của khe hở Các đĩa SiC đƣợc đặt nối tiếp với cấu trúc khe hở. Khe hở cho phép chống sét giải trừ dịng điện theo sau. Cấu trúc khe hở là yêu cầu phải cĩ trong thiết kế chống sét van SiC, nếu khơng thì sẽ cĩ dịng điện theo sau tần số cơng nghiệp khơng đƣợc giải trừ sẽ đốt nĩng đĩa SiC và làm cho đĩa SiC bị hỏng. Các chức năng của khe hở là: - Chịu đựng điện áp vận hành bình thƣờng khơng xảy ra phĩng điện. Trong quá trình vận hành ở chế độ xác lập, cấu trúc khe hở phải chịu đƣợc 100% điện áp pha – đất. - Phĩng điện ở mức yêu cầu để dẫn dịng chạy qua đĩa van SiC xuống đất. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 15
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh - Trở lại điện áp của lƣới sau khi sự phĩng điện chấm dứt. 1.5.3.3. Thiết kế khe hở kèm theo điện trở Các khe hở gồm cĩ các điện cực bằng đồng thau đƣợc chế tạo rất chính xác và đƣợc ngăn cách với nhau bằng các điện trở phi tuyến ở trong sứ, gốm. Cấu trúc khe hở cĩ thể chịu đựng các xung lặp lại nhiều lần mà khơng bị giảm đặc tính bảo vệ. Với cấu trúc nhƣ thế, điện áp trong khe hở đƣợc phân bố đều tránh đƣợc tác động của các dịng điện dung tản do những nguyên nhân bên ngồi, điều này tồn tại khi vỏ chống sét bị nhiễm bẩn. 1.5.4. Chống sét van MOV khơng khe hở 1.5.4.1. Cấu tạo một chống sét MOV (Metal Oxide Varistor) MOV tổng hợp gồm nhiều kim loại. Các đặc tính điện yêu cầu của sản phẩm cuối cùng là hồn tồn khơng cĩ ở các nguyên liệu đƣợc sử dụng. Do vậy, các đặc tính điện của MOV đƣợc hình thành khi sản xuất, oxit kim loại đƣợc dùng để chế tạo MOV thƣờng là oxit kẽm. Biến trở oxit kẽm (ZnO) bao gồm chủ yếu là oxit kẽm (khoảng 90% trọng lƣợng) và một lƣợng nhỏ các oxit kim loại khác cịn đƣợc gọi là phụ gia nhƣ: bismuth, cobalt, antimany và oxit măng gan. 1.5.4.2. Đặc tính của MOV Hình 1.2: Đặc tính điện trở phi tuyến của chống sét van MOV HVTH: Võ Thanh Âu Trang 16
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Nhƣ ở hình trên, điện trở của phần tử MOV là một hàm theo điện áp đặt tại đầu cực. Ở điện áp vận hành bình thƣờng, điện trở của phần tử ZnO cĩ trị số rất lớn và đƣợc xem nhƣ là cách ly với hệ thống. Trong điều kiện cĩ quá điện áp, điện trở của MOV giảm xuống rất thấp và dẫn dịng điện xung chạy qua, nhƣ vậy sẽ bảo vệ đƣợc các thiết bị khỏi bị phá hỏng khi cĩ quá điện áp xảy ra. Dịng điện chạy qua chống sét van là dịng phĩng điện và điện áp giữa hai cực của nĩ đƣợc gọi là điện áp dƣ. Nhƣ vậy, tổng của điện áp dƣ của chống sét van với điện áp rơi trên dây nối là điện áp đặt lên thiết bị đƣợc bảo vệ trong thời gian xảy ra phĩng điện. Sau khi cho dịng điện phĩng qua, và điện áp hệ thống trở lại điện áp vận hành bình thƣờng thì điện trở của chống sét van MOV lại tăng cao và trở về chế độ làm việc nhƣ một thiết bị cách ly. Đối với chống sét SiC nếu quá áp tạm thời lớn hơn điện áp phĩng của chống sét thì dịng điện duy trì là dịng điện tần số cơng nghiệp cĩ giá trị lớn thƣờng vào khoảng (100-500) A. Tuy nhiên, đối với chống sét MOV khơng cĩ dịng điện duy trì do tính phi tuyến cực mạnh của MOV. Đây là lý do chống sét MOV cĩ khả năng gia tăng điện áp vận hành. Hình 1.6 so sánh các đặc tính phi tuyến của các phần tử SiC và MOV. Hình 1.3:So sánh đặc tính phi tuyến của phần tử SiC và MOV HVTH: Võ Thanh Âu Trang 17
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1.5.5. So sánh sự làm việc của các chống sét SIC và MOV Để thấy rõ các ƣu điểm của chống sét MOV, cần xem xét sự hoạt động của các chống sét trong các chế độ: xác lập, quá áp tạm thời và làm việc ở dịng xung. Ở đây sẽ tiến hành so sánh sự làm việc của các chống sét SiC và chống sét MOV là các loại chống sét dùng khá phổ biến hiện nay trên lƣới điện Việt Nam. Các chống sét van SiC cịn lại do lắp đặt cũ, bên cạnh đĩ chống sét van MOV đƣợc lắp đặt nhiều trong vịng 20 năm trở lại đây. 1.5.5.1. Chế độ xác lập Ở chế độ xác lập, điện áp đặt trên hai cực của chống sét là điện áp pha – đất. Trong chế độ này, điện áp đặt vào chống sét phân bố tỷ lệ dọc theo phần khe hở và phần các đĩa. Sự phân bố điện áp phụ thuộc vào tổng trở từng thành phần, đây cũng là sự khác nhau cơ bản giữa cơng nghệ củ và cơng nghệ mới. Đối với chống sét SiC, các đĩa SiC khơng chịu một sự phân bố điện áp nào, tồn bộ điện áp đặt lên phần các khe hở kèm điện trở. Đối với chống sét MOV điện áp hồn tồn phân bố đều lên các đĩa MOV. Trong chế độ xác lập, việc nhiễm bẩn vỏ bọc do yếu tố mơi trƣờng bên ngồi ảnh hƣởng đến hoạt động của chống sét SiC do sự phân bố điện áp khơng đều. Đối với chống sét MOV do khơng cĩ khe hở nên cĩ thể loại trừ ảnh hƣởng này. 1.5.5.2. Chế độ hoạt động khi cĩ quá áp tạm thời Do khơng cĩ khe hở nên chống sét van dạng MOV khơng quan tâm đến khả năng phục hồi khe hở nhƣ đối với chống sét van SiC. Khi điện áp trên đầu cực chống sét tăng lên, điện áp trên các khe hở / vịng điện trở tăng nhanh hơn điện áp đặt trên các đĩa MOV. Điều này đƣợc giải thích là do các vịng SiC ít phi tuyến hơn so với các đĩa MOV. Ít phi tuyến hơn cĩ nghĩa là điện trở của vật liệu giảm với tốc độ chậm hơn đối với điện áp đặt vào. Nhƣ vậy, phần lớn điện áp đặt lên chống sét van SiC sẽ chuyển qua phân bố trên khe hở/ vịng điện trở. Nhƣ vậy khe hở của chống sét van SiC sẽ cĩ khả năng phĩng điện ở lần quá áp tạm thời thứ hai. Và nhƣ HVTH: Võ Thanh Âu Trang 18
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh thế chống sét van MOV cĩ khả năng chịu đƣợc quá áp tạm thời tốt hơn chống sét van SiC rất nhiều. 1.5.5.3. Chế độ hoạt động ở dịng xung Khi cĩ quá áp xung, các khe hở bắt đầu phĩng điện. Các đĩa trong chống sét MOV bắt đầu hấp thu năng lƣợng của dịng xung trở nên nĩng hơn, do vậy dịng xung chạy qua các đĩa MOV dễ dàng. Ngay khi dịng xung khơng cịn, phần lớn điện áp rơi trên vịng điện trở (do ít phi tuyến hơn MOV) sẽ làm giảm điện áp đặt trên các đĩa MOV, nhƣ vậy năng lƣợng tiêu tán trên các đĩa MOV giảm. Do vậy, các đĩa MOV phục hồi nhanh và tạo cho chống sét MOV cĩ khả năng chịu đựng các dịng xung cĩ biên độ lớn thời gian ngắn hay dịng thấp thời gian dài tốt hơn chống sét SiC. 1.5.5.4. Tính ổn định đối với hoạt động phĩng điện Một trong những nhƣợc điểm cố hữu của cơng nghệ chống sét SiC là sự thối hĩa xảy ra đối với khe hở và các đĩa SiC khi chịu tác động các dịng xung liên tiếp. Điều thƣờng thấy là điện áp phĩng của chống sét SiC gia tăng đáng kể sau một chu trình thử nghiệm dịng xung cao, thời gian ngắn. Ngồi ra, giá trị điện áp phĩng của khe hở bị giảm dần do các khe hở này bị đốt cháy do dịng theo sau tần số cơng nghiệp cĩ giá trị lớn. Điều này sẽ dẫn đến việc chống sét cĩ thể phĩng điện ngay cả ở giá trị điện áp làm việc bình thƣờng của lƣới điện hoặc chống sét mất khả năng phục hồi sau khi dẫn dịng xung. Đối với chống sét MOV, dịng điện theo sau tần số cơng nghiệp rất bé (khoảng (02) A so với dịng điện duy trì của chống sét SiC (100500) A. Ngồi ra, các đĩa MOV khơng cho dịng theo sau tần số cơng nghiệp chạy qua một khi điện áp lƣới xuống dƣới mức ngƣỡng của đặc tính V-I, do vậy chống sét MOV cĩ tính ổn định cao đối với hiện tƣợng phĩng điện khe hở so với chống sét SiC. Qua sự khảo sát các đặc tính làm việc ở các chế độ ở trên cho thấy chống sét MOV cĩ ưu điểm sau: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 19
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh - Cải thiện đặc tính bảo vệ xung sét tốt hơn cho các thiết bị phân phối, đặc biệt là đối với các hệ thống cĩ cách điện rắn nhƣ cáp ngầm và máy biến áp phân phối. Điện áp phĩng thấp khơng những cải thiện biên hạn bảo vệ giữa chống sét và điện áp xung mà cịn làm giảm sự hƣ hỏng cách điện và tuổi thọ thiết bị đƣợc kéo dài. - Khả năng chịu quá áp tạm thời tốt hơn sẽ đƣa đến độ tin cậy đƣợc cải thiện trong các trƣờng hợp quá áp bất thƣờng xảy ra. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 20
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV 2.1. CẤU TẠO CƠ BẢN MOV MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp mà hành vi về điện giống nhƣ hai diode đấu ngƣợc lại (back –to –back). Với đặc tính đối xứng, đặc tính vùng đánh thủng (về điện) rất dốc cho phép MOV cĩ tính năng khử xung quá độ đột biến hồn hảo. Trong điều kiện bình thƣờng biến trở là thành phần cĩ trở kháng cao gần nhƣ hở mạch. Khi xuất hiện xung đột biến quá áp cao, MOV sẽ nhanh chĩng trở thành đƣờng dẫn trở kháng thấp để triệt xung đột biến. Phần lớn năng lƣợng xung quá độ đƣợc hấp thu bởi MOV cho nên các thành phần trong mạch đƣợc bảo vệ tránh hƣ hại. Thành phần cơ bản của biến trở là ZnO với thêm một lƣợng nhỏ bismuth, cobalt, manganses và các ơxít kim loại khác. Cấu trúc của biến trở bao gồm một ma trận hạt dẫn ZnO nối qua biên hạt cho đặc tính tiếp giáp P-N của chất bán dẫn. Các biên này là nguyên nhân làm cho biến trở khơng dẫn ở điện áp thấp và là nguồn dẫn phi tuyến khi điện áp cao. Hình 2.1:Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I. MOV đƣợc chế tạo từ ZnO.Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động nhƣ tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt. Các biên hạt ZnO cĩ thể HVTH: Võ Thanh Âu Trang 21
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh quan sát đƣợc qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic nhƣ Hình 2.2. Hành vi phi tuyến về điện xảy ra tại biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở cĩ thể xem nhƣ là một thiết bị nhiều tiếp giáp tạo ra từ nhiều liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt. Hành vi của thiết bị cĩ thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của ceramic, kích thƣớc hạt và phân bố kích thƣớc hạt đĩng vai trị chính trong hành vi về điện. Hình 2.2: Vi cấu trúc của ceramic. Hỗn hợp rắn ơxýt kẽm với ơxýt kim loại khác dƣới điều kiện đặc biệt tạo nên ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp. Hiện tƣợng này gọi là hiệu ứng biến trở. Bản thân hạt ơxýt kẽm dẫn điện rất tốt (đƣờng kính hạt khoảng (15 –100) m, trong khi ơxýt kim loại khác bao bên ngồi cĩ điện trở rất cao. Chỉ tại các điểm ơxýt kẽm gặp nhau tạo nên “vi biến trở”, tựa nhƣ hai diode zener đối xứng, với mức bảo vệ khoảng 3,5V. Chúng cĩ thể nối nối tiếp hoặc song song (Hình 2.1). Việc nối nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV cĩ khả năng tải đƣợc dịng điện cao hơn so với các chất bán dẫn, hấp thu nhiệt tốt và cĩ khả năng chịu đƣợc dịng xung đột biến cao. MOV đƣợc chế tạo từ việc hình thành và tạo hạt ZnO dạng bột vào trong các thành phần ceramic. Các hạt ZnO cĩ kích thƣớc trung bình là d, bề dày biến trở là HVTH: Võ Thanh Âu Trang 22
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh D, ở hai bề mặt khối MOV đƣợc áp chặt bằng hai phiến kim loại phẳng. Hai phiến kim loại này lại đƣợc hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngồi Điện áp của MOV đƣợc xác định bởi bề dày của MOV và kích thƣớc của hạt ZnO. Một đặc tính cơ bản của biến trở ZnO là điện áp rơi qua biên tiếp giáp giữa các hạt ZnO gần nhƣ là hằng số, và khoảng từ (2-3,5)V. Mối liên hệ này đƣợc xác định nhƣ sau: Điện áp biến trở : VN = (3,5)n (2.1) Và bề dày của biến trở: D = (n+1)d (VN d)/3,5 (2.2) Trong đĩ: n là số tiếp giáp trung bình giữa các hạt ZnO; d là kích thƣớc trung bình của hạt; VN là điện áp rơi trên MOV khi MOV chuyển hồn tồn từ vùng dịng rị tuyến tính sang vùng khơng tuyến tính cao, tại điểm trên đƣờng đặc tính V-I với dịng điện 1mA (Hình 2.8). Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp. Chúng gồm 3 vùng cấu trúc (Hình 2.3): - Vùng I: biên cĩ độ dày khoảng (100-1000) nm và đây là lớp giàu bột Bi2O3. - Vùng II: biên cĩ độ mỏng khoảng (1-100) nm và đây là lớp giàu bột Bi2O3. - Vùng III: biên này cĩ đặc tính là tiếp xúc trực tiếp với các hạt ZnO. Ngồi ra Bi, Co và một lƣợng các ion ơxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với độ dày vài nanomet. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 23
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 2.2. TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO Biến trở ZnO là rất phức tạp, nhiều thành phần, hành vi về điện các ơxýt ceramic đa tinh thể tùy vào vi cấu trúc của thiết bị này và chi tiết quá trình xảy ra tại các biên tiếp giáp hạt ZnO. Thành phần chính của biến trở là ZnO chiếm 90% hoặc hơn nữa, cịn lại là các ơxít kim loại khác. Một hỗn hợp tiêu biểu nhƣ sau: 97mol- %ZnO, 1mol-% Sb2O3, 0,5mol-% mỗi Bi2O3,CoO, MnO, và Cr2O3. Quá trình chế tạo biến trở ZnO theo tiêu chuẩn kỹ thuật ceramic. Các thành phần đƣợc trộn thành hỗn hợp và xay thành bột. Hỗn hợp bột đƣợc làm khơ và nén thành hình dạng mong muốn. Sau đĩ, các viên đƣợc vĩn cục ở nhiệt độ cao, cụ thể là từ (1000-1400)0C. Hai phiến kim loại thƣờng là bằng bạc tiếp xúc với các hạt đƣợc vĩn cục bên ngồi làm điện cực và đƣợc hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngồi, thiết bị đƣợc đĩng gĩi bằng vật liệu tổng hợp. Sản phẩm hồn thành sau cùng đƣợc kiểm tra đáp ứng các tính năng yêu cầu kỹ thuật. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 24
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 2.4:Chống sét van trung thế của Ohio Brass Hình 2.5:Mặt cắt cấu tạo của chống sét van (Trích Datasheet Dyna Arester của Hãng Ohio Brass) Vì cấu trúc biến trở ơxýt kim loại đa tinh thể tự nhiên nên hoạt động vật lý của biến trở là phức tạp hơn chất bán dẫn thơng thƣờng. Giải thích nguyên lý hoạt động của biến trở ZnO dựa trên sự hiểu biết về hiện tƣợng điện xảy ra ở vùng biên tiếp HVTH: Võ Thanh Âu Trang 25
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh giáp của các hạt ơxýt kẽm. Một vài lý thuyết ban đầu đã giải thích dựa trên cơ sở của hiện tƣợng xuyên hầm. Tuy nhiên, tốt hơn là cĩ thể diễn tả bằng sự sắp xếp các diode bán dẫn nối nối tiếp –song song (Hình 2.1).Cấu trúc cơ bản của khối biến trở ZnO là kết quả tạo hạt ZnO. Trong suốt quá trình xử lý, sự biến đổi các thành phần hố học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO cĩ điện trở suất rất cao ( = 1010-1012cm) và bên trong hạt tính dẫn điện rất cao ( =(0,1-10) cm). Điện trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt với khoảng cách khoảng (50-100) nm, vùng này đƣợc biết nhƣ là vùng hẹp. Vì vậy, tại một biên hạt cĩ sự tồn tại vùng hẹp cả hai phía đến các hạt kế cận. Hoạt động của biến trở chính là do sự cĩ mặt của vùng hẹp này. Bởi vì vùng này thiếu hụt các điện tử tự do, cho nên hình thành vùng hẹp (vùng nghèo) điện tích khơng gian trong hạt ơxít kẽm tại miền gần các biên tiếp giáp của các hạt. Điều này giống nhƣ ở tiếp giáp p-n của diode bán dẫn và điện dung của lớp tiếp giáp này phụ thuộc vào điện áp đặt vào tiếp giáp theo biểu thức: 1 2(V V) b (2.3) C 2 qsN Ở đây: Vb là điện thế rào; V là điện áp đặt vào; q là điện tích điện tử; s là hằng số điện mơi của chất bán dẫn; N là mật độ hạt dẫn. Từ mối liên hệ này, mật độ hạt dẫn N của ZnO đƣợc xác định khoảng 2x1017/cm3. Ở các vùng hẹp các hạt dẫn trơi tự do và đây là nguyên nhân gây ra dịng điện rị. Dịng rị đƣợc gây ra do các hạt dẫn trơi tự do qua điện trƣờng rào thấp và đƣợc kích hoạt bởi nhiệt độ ít nhất là trên 25oC. Hình 2.6 chỉ ra sơ đồ năng lƣợng của ZnO-biên tiếp giáp-ZnO.Điện áp phân cực thuận VL phía bên trái của hạt, điện áp phân cực ngƣợc VR phía bên phải của hạt. Độ rộng vùng nghèo là XL và XR, với độ lớn điện thế rào tƣơng ứng là L và R. Điện thế phân cực tại gốc là o. Khi điện áp phân cực gia tăng, L giảm và R tăng, dẫn đến điện thế rào thấp hơn và sự dẫn điện gia tăng. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 26
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 2.6: Sơ đồ năng lƣợng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO. Độ lớn điện thế rào L của biến trở là một hàm theo điện áp (Hình 2.7). Sự giảm nhanh của điện thế rào ở điện áp cao tƣơng ứng với lúc bắt đầu vùng dẫn phi tuyến. Cơ chế vận chuyển của vùng phi tuyến là rất phức tạp và vẫn cịn tiếp tục nghiên cứu. Ở vùng dẫn cao, giá trị điện trở giới hạn tùy thuộc vào tính dẫn điện của các hạt bán dẫn ZnO, ở vùng dẫn này mật độ hạt dẫn khoảng từ 1017-1018/cm3. Điện trở suất của ZnO cĩ giá trị dƣới 0,3cm. Hình 2.7: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào. 2.3. ĐẶC TÍNH V-I Đặc tính V-I của MOV nhƣ hình 2.8, đặc tính V-I đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình dạng hàm mũ (2.4): HVTH: Võ Thanh Âu Trang 27
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh I= KV > 1 (2.4) Ở đây: I là dịng qua biến trở; V là điện áp đặt lên biến trở; K là hệ số phụ thuộc vào loại biến trở; là hệ số phi tuyến. Nguyên lý bảo vệ của biến trở thể hiện qua điện áp phụ thuộc giá trị điện trở: 1 R = V/I = V/ KV = V1- (2.5) K Từ (2.4 ) và (2.5) suy ra: LogI = logK + logV (2.6) LogR = log( ) + (1- )logV (2.7) Theo đề nghị của Manfred Holzer và Willi Zapsky, xấp xỉ hố đặc tính V/I của biến trở đƣợc quan hệ giữa điện áp và dịng điện theo phƣơng trình: -log ( I) log ( I) log V = B1 + B2 log( I) + B3· e + B4 e với I > 0 (2.8) B B log(I ) B e log(I ) B elog(I ) Hay V 10 1 2 3 4 (2.9) Hình 2.8: Đặc tính V-I của MOV. 2.4. THỜI GIAN ĐÁP ỨNG Hoạt động của biến trở tùy thuộc vào cơ chế dẫn điện giống nhƣ các thiết bị bán dẫn khác.Sự dẫn điện xảy ra rất nhanh với thời gian trễ tính bằng nano giây. Hình 2.9 đƣờng cong (1) phía trên là trƣờng hợp khơng cĩ biến trở, đƣờng cong (2) HVTH: Võ Thanh Âu Trang 28
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh phía dƣới là trƣờng hợp cĩ biến trở và khơng đồng bộ với đƣờng (1) và cho thấy ảnh hƣởng điện áp kẹp xảy rất nhanh. Tuy nhiên thời gian đáp ứng của MOV bị thay đổi do một số lý do: - Điện áp cảm ứng đầu dây nối gĩp phần gia tăng đáng kể điện áp ngang qua đầu cực của biến trở ở xung dịng cao và độ dốc sƣờn trƣớc lớn. - Điện dung ký sinh của chính bản thân MOV. - Trở kháng ngồi của mạch. Đáp ứng và điện áp kẹp của biến trở bị ảnh hƣởng bởi dạng sĩng dịng điện và độ vọt lố điện áp cực đại xuất hiện tại đầu cực của biến trở trong suốt quá trình tăng dịng điện nhƣ Hình 2.10 : 500ps/DIV Hình 2.9:Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao. a. Đặc tính V-I của biến trở ZnO khi b. Điện áp kẹp thay đổi tƣơng ứng với thay đổi thời gian tăng xung dịng. thay đổi đỉnh dịng xung 8/20s. Hình 2.10: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dịng. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 29
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương 3 CÁC MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Mơ hình MOV đƣợc dùng để bảo vệ quá áp do sét hoặc xung đĩng cắt trên lƣới trung và cao thế. Các cơng cụ mơ phỏng là rất cần thiết nhằm thực hiện nghiên cứu phối hợp cách điện trên hệ thống. Hiện nay, vài mơ hình chống sét van đã đƣợc đề nghị để mơ tả hành vi của chống sét van dƣới các xung điện áp/dịng điện khác nhau. Nhiệm vụ khĩ khăn nhất là việc xác định mơ hình động đối với các xung sét hay các xung đầu sĩng tăng nhanh. Vấn đề khĩ khăn gặp phải khi tiến hành xây dựng mơ hình mơ phỏng là xác định các thơng số của mơ hình từ các dữ liệu sẵn cĩ của nhà sản xuất. Mơ hình MOV của IEEE đề nghị mơ tả nhƣ là hai điện trở phi tuyến đƣợc tách ra bởi bộ lọc R-L. Các phần tử của bộ lọc đƣợc xác định bằng phƣơng pháp lặp. Các giá trị ban đầu cĩ thể đƣợc tính từ giá trị điện áp dƣ và dữ liệu vật lý của chống sét van. Điều trở ngại của mơ hình này là thủ tục để xấp xỉ các thơng số, phƣơng pháp lặp đƣợc thực hiện với các phần tử khác nhau cho đến khi thoả mãn yêu cầu. Bắt đầu từ mơ hình của IEEE, hàng loạt các mơ hình khác của nhiều tác giả đƣợc xây dựng dựa trên mơ hình chuẩn này nhƣ: Pinceti, P-K, Ikmo Kim, W. Schmidt . Các mơ hình sau đƣợc cải tiến từ mơ hình của IEEE và đề nghị các phƣơng pháp xác định thơng số khác nhau. Phần lớn các tác giả đều đƣa ra các thuật tốn xác định thơng số của mơ hình với độ chính xác chấp nhận đƣợc. Trong vài trƣờng hợp việc tính tốn và hiệu chỉnh thơng số cần thực hiện thủ tục lặp, thí nghiệm hay địi hỏi những thơng số khĩ đƣợc cung cấp từ nhà sản xuất. Mục đích của nghiên cứu này là tiến hành so sánh các mơ hình chống sét van. Kết quả cho thấy tất cả các mơ hình cĩ hiệu quả tƣơng tự cĩ sự gia tăng đột biến. Kết luận đƣợc rút ra sẽ giúp các lựa chọn mơ hình thích hợp hơn đối với từng loại HVTH: Võ Thanh Âu Trang 30
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh nghiên cứu. Cuối cùng, những ƣu điểm, nhƣợc điểm, và các lỗi liên quan đến việc sử dụng các mơ hình này đƣợc đề cập. Việc đổi mới chính của bài viết này nằm trong sự so sánh kỹ thuật của các mơ hình với kết quả của một nghiên cứu phối hợp cách điện của các mơ hình ở điện áp 500 kV trƣớc sự đột biến nhanh của dịng sét. Dƣới đây, sẽ phân tích một số mơ hình chống sét van đã đƣợc đề nghị. 3.2. CÁC MƠ HÌNH ĐƢỢC ĐỀ NGHỊ 3.2.1. Mơ hình truyền thống ATP Trong chƣơng trình ATP, bất chấp sự tồn tại của nhiều loại mơ hình chống sét van, thiết bị điện trở phi tuyến theo cấp số nhân đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Các đặc tính điện áp-dịng điện đƣợc biểu diễn bằng nhiều phần theo cấp số nhân, mỗi ngƣời đƣợc xác định bởi phƣơng trình (3.1) (3.1) Trong đĩ: q là số mũ , p là thừa số, and Vref là điện áp tham chiếu. Ở giai đoạn đầu tiên thiết bị là tuyến tính cĩ tốc độ mơ phỏng tăng. Giai đoạn thứ hai đƣợc xác định bởi các thơng số p, q và một mức điện áp tối thiểu. Khi điện áp của chống sét van đạt đến một mức điện áp tối thiểu xác định trƣớc, thuật tốn sẽ cố gắng để tìm một phƣơng pháp giải cho phƣơng trình. Mơ hình càng nhiều mũ cho kết quả càng chính xác. Mơ phỏng của mơ hình này cho thấy cho dịng sét mạnh, điện áp và dịng điện đỉnh xảy ra cùng một lúc. Do đĩ khơng phù hợp để biểu diễn hiện tƣợng đĩ là tần số phụ thuộc. 3.2.2. Mơ hình đƣợc đề nghị bởi IEEE Đáp động rất quan trọng đối với các dạng sĩng dịng điện cĩ đỉnh trong phạm vi 8s hay nhanh hơn, dữ liệu về dạng sĩng dịng đạt đỉnh nhanh tới 0,5s cũng đƣợc quan tâm. Các số liệu ở thời gian s khơng nghiên cứu vì rất khĩ để thí nghiệm đo lƣờng một cách tin cậy. Đối với các dịng điện cĩ thời gian đạt đỉnh từ 0,5s đến 4s hay thấp hơn, thì bất kỳ một điện cảm ký sinh trong mạch đo cĩ thể HVTH: Võ Thanh Âu Trang 31
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh cho kết quả đo cĩ giá trị mà thực sự cũng xảy ra trong chống sét van. Sai số này làm rõ thêm các hiệu ứng động đƣợc đề cập ở trên. Các số liệu đo đạc đƣợc từ thí nghiệm cho thấy điện áp dƣ đối với bất kỳ biên độ dịng điện nào sẽ tăng lên xấp xỉ 6% khi thời gian đạt đỉnh của dịng điện giảm từ 8s đến 1,3s. 3.2.2.1. Mơ hình đề nghị Dƣới đây là mơ hình phụ thuộc tần số. Với mơ hình này, đặc tính V-I phi tuyến của chống sét van đƣợc biểu diễn bằng hai điện trở phi tuyến A0 và A1 Hình 3.1: Hình 3.1:Mơ hình của IEEE Hai phần tử điện trở phi tuyến này đƣợc tách ra bởi bộ lọc R-L. Với các xung đầu dốc thấp, bộ lọc này cĩ trở kháng rất nhỏ và nhƣ thế A0 và A1 xem nhƣ mắc song song nhau. Đối với xung đầu dốc cao, điện kháng bộ lọc lớn, nĩ sẽ cho dịng điện chạy qua A0 nhiều hơn A1. Từ đĩ A0 sẽ cĩ điện áp rơi trên nĩ lớn hơn A1 khi cĩ dịng chạy qua. Kết quả là điện áp dƣ trên mơ hình chống sét van sẽ cĩ trị số cao hơn. Nhƣ vậy các chống sét van MOV cĩ điện áp dƣ cao hơn đối với xung đầu dốc cao, mơ hình sẽ phù hợp tất cả các tính chất của một chống sét van MOV. Các phiên bản của mơ hình này đƣợc tạo ra bằng cách thêm vào nhiều phần của điện trở phi tuyến đƣợc tách ra bởi những bộ lọc. Tuy nhiên, ở đây chỉ cần dùng mơ hình hai phần tử (hai điện trở phi tuyến) vì nĩ cho kết quả phù hợp với các số liệu trong phịng thí nghiệm. Bƣớc tiếp theo là xác định các thơng số của mơ hình. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 32
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 3.2.2.2. Xác định các thơng số Kết quả từ các số liệu thu thập cho thấy mơ hình phụ thuộc tần số cho đáp ứng chính xác với các dịng điện cĩ biên độ và thời gian đạt đỉnh khác nhau. Vấn đề là làm cách nào lựa chọn đúng các thơng số của mơ hình. Dƣới đây, đề nghị các cơng thức để lựa chọn thơng số dựa trên chiều cao và số cột song song của các lớp MO. Điện cảm L1 và điện trở R1 của mơ hình tạo nên bộ lọc giữa hai điện trở phi tuyến A0 và A1. Cơng thức xác định hai thơng số này là: 15d L (H) (3.2) 1 n 65d R () (3.3) 1 n Với: d là chiều cao của chống sét van (m) (tổng chiều cao chống sét van ); n là số cột MOV song song trong chống sét van. Điện cảm L0 trong mơ hình biểu diễn điện cảm tƣơng ứng với trƣờng điện từ lân cận của chống sét van.Điện trở R0 dùng để tránh dao động số (tràn số) trong khi chạy mơ hình trong máy tính. Điện dung C là điện dung cực đối cực. 0.2d L (H) (3.4) 0 n 100d R () (3.5) 0 n 100n C () (3.6) d (Trích Tài liệu tham khảo [1]) Các đặc tuyến V-I phi tuyến của A0 và A1 cĩ thể nhận đƣợc từ các đƣờng cong đơn vị. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 33
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 3.2: Đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0 và A1 Các thơng số đƣợc lựa chọn trên khơng phải lúc nào cũng cho kết quả chính xác trong khi hiệu chỉnh mơ hình để cho kết quả phù hợp với các số liệu trong phịng thí nghiệm. Tuy nhiên, các giá trị này là một điểm khởi đầu rất tốt để tính các thơng số đĩ. Và trong khi thực hiện thí nghiệm, kết quả cho thấy L1 là thơng số cĩ ảnh hƣởng nhiều nhất đến đáp ứng của mơ hình. Trong khi các thơng số khác cĩ ít ảnh hƣởng hơn nhiều. Từ đĩ cĩ chƣơng trình nhƣ sau để lựa chọn thơng số của mơ hình phụ thuộc tần số: 1. Dùng cơng thức đƣợc cho ở trên để nhận giá trị đầu tiên của L0, R0, L1, R1, C và đặc tính phi tuyến của A0 và A1. 2. Hiệu chỉnh giá trị đơn vị trên đƣờng cong đặc tính A0 và A1 để cho kết quả thích hợp nhất đối với điện áp phĩng đƣợc cho tƣơng ứng dịng phĩng điện xung đĩng cắt (thời gian đạt đỉnh xấp xỉ 45s). 3. Hiệu chỉnh giá trị L1 để cho biết kết quả khớp với điện áp dƣ cho bởi nhà chế tạo đối với các dịng phĩng điện 8/20s. Các thơng số cuối cùng nhận đƣợc sẽ cho kết quả phù hợp đối với các xung cĩ thời gian đạt đỉnh trong phạm vi từ 0,5s đến 45s. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 34
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Các thí nghiệm cho điện áp phĩng qua một chống sét van MOV đối với dịng điện phĩng cĩ biên độ từ 1kA đến 20kA và thời gian đạt đỉnh từ 30s xuống đến 2s. 3.2.3. Mơ hình đƣợc đề nghị bởi Pinceti Là một mơ hình đơn giản hĩa cho chống sét van MOV đƣợc phát triển dựa trên mơ hình phụ thuộc tần số đƣợc đề nghị bởi IEEE. 3.2.3.1. Mơ hình đƣợc đề nghị Trong mơ hình này, cũng xuất phát từ mơ hình IEEE, tất cả các dữ liệu cần thiết cĩ thể dễ dàng thu thập trong datasheets, khơng cĩ yêu cầu điều chỉnh lặp đi lặp lại của các thơng số và hiệu suất của mơ hình là chính xác (Meister và Oliveira, 2005a). Bên cạnh đĩ, điện dung đƣợc loại bỏ do ảnh hƣởng đáng kể của nĩ, và chỉ cĩ các thơng số điện đƣợc sử dụng. Hai điện trở R0 và R1 mắc song song đƣợc thay thế bằng một điện trở R, để tránh sự bất ổn số học nhƣ Hình 3.3: Hình3.3:Mơ hình của Pinceti. 3.2.3.2. Xác định thơng số Các đặc tính của điện trở phi tuyến A0 và A1 giống nhƣ của mơ hình IEEE. Các thơng số L0 và L1của mơ hình chống sét van đƣợc tính từ: 1 V V L r1/T 2 r8/ 20 V (3.7) 1 4 V r r8/ 20 HVTH: Võ Thanh Âu Trang 35
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1 V V (3.8) L r1/T 2 r8/ 20 V 0 12 V r r8/ 20 Trong đĩ : Vr là điện áp định mức của chống sét van; Vr1/T2 là điện áp dƣ cho dịng sét nhanh 10kA ở (1/T2); Vr8/20 là điện áp dƣ cho dịng sét 10kA với dạng sĩng 8/20µs; R= 1 MW để tránh bất ổn số học. (Trích Tài liệu tham khảo [16]) Phƣơng pháp này giúp xác định các thơng số của mơ hình đơn giản chống sét van MOV đã đƣợc trình bày, với các dữ liệu đƣợc cung cấp từ nhà sản xuất. Phƣơng pháp tính đơn giản, khơng phức tạp, khơng dùng phƣơng pháp lặp. Đặc biệt khi dữ liệu về điện áp dƣ khơng cĩ sẵn, mơ hình vẫn thực thi. Độ chính xác của mơ hình sẽ đƣợc kiểm chứng thơng qua việc xây dựng mơ hình và mơ phỏng với chƣơng trình MATLAB . 3.2.4. Mơ hình P-K Là một mơ hình đơn giản hĩa cho chống sét van MOV đƣợc phát triển dựa trên mơ hình phụ thuộc tần số đƣợc đề nghị bởi IEEE. 3.2.4.1. Mơ hình đƣợc đề nghị Trong mơ hình này, cũng xuất phát từ mơ hình IEEE, tất cả các dữ liệu cần thiết cĩ thể dễ dàng thu thập trong datasheets nhƣ Hình 3.4: Hình 3.4: Mơ hình P-K. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 36
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 3.2.4.2. Xác định thơng số Mơ hình (P-K) đƣợc đề xuất đƣợc thể hiện trong Hình 3.4. Nĩ đƣợc thiết kế để mơ phỏng các đặc tính năng động cho các dịng xả với thời gian bắt đầu từ (0,5-8 ) μs. Nhƣ trong Hình 3.4, giữa các điện trở phi tuyến tính kháng A0 và A1 chỉ cĩ độ tự cảm L1, độ tự cảm đƣợc xác định theo phƣơng trình (μH): 9 Vr1/T 2 Vr8/ 20 L1 Vn (3.9) 10 Vr8/ 20 Trong đĩ : Vr là điện áp định mức của chống sét van; Vr1/T2 là điện áp dƣ cho dịng sét nhanh 10kA ở (1/T2); Vr8/20 là điện áp dƣ cho dịng sét 10kA với dạng sĩng 8/20µs; R= 1 MΩ dùng cài đặt giữa các thiết bị đầu cuối. (Trích Tài liệu tham khảo [16]) HVTH: Võ Thanh Âu Trang 37
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương 4: XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH MƠ PHỎNG BẰNG MATLAB 4.1. MỤC ĐÍCH MƠ PHỎNG Trƣớc khi xây dựng hệ thống thực, để kiểm tra tính chính xác của hệ thống theo yêu cầu, con ngƣời cần thực hiện mơ hình hệ thống thực và mơ phỏng nĩ nhằm hiểu biết thêm về sự tƣơng tác giữa các yếu tố cấu thành hệ thống, cũng nhƣ tồn bộ hệ thống. Mơ hình mơ phỏng đã trở thành một ngành khoa học giúp con ngƣời hiểu đƣợc sự vận động của hệ thống thực nhƣng hồn tồn tách biệt về thời gian và khơng gian thơng qua mơ phỏng mơ hình hệ thống thực. Mơ phỏng cho phép nhận biết đƣợc tác động qua lại bên trong hệ thống thực nhờ sự tách biệt theo thời gian hoặc khơng gian. Một cách tổng quát, mơ phỏng là sự lặp lại và phát triển của mơ hình. Một ngƣời xây dựng mơ hình, mơ phỏng nĩ, nghiên cứu quá trình mơ phỏng, sửa đổi mơ hình và tiếp tục mơ phỏng cho đến khi thu đƣợc một mức độ hiểu biết đầy đủ từ mơ hình nhằm xây dựng hệ thống thực càng cĩ độ chính xác cao với mục đích ban đầu. Vì vậy, khoa học về mơ hình mơ phỏng ngày càng đƣợc sử dụng nhiều để phân tích và đốn trƣớc những đáp ứng, diễn biến của một hệ thống kỹ thuật. Trong phạm vi đề tài này, ngƣời thực hiện sẽ đề nghị một mơ hình với những ƣu điểm đƣợc khắc phục từ những nhƣợc điểm của các mơ hình trong Chƣơng 3. Sau đĩ, sẽ tiến hành xây dựng mơ hình chống sét van cấp phân phối dạng MOV (Metal Oxide Varistor) phụ thuộc tần số trong phần mềm Matlab. Khi cĩ mơ hình hồn chỉnh sẽ tiến hành mơ phỏng đặc tính của mơ hình chống sét van này dƣới tác dụng của các xung sét chuẩn và các xung đầu sĩng tăng nhanh. Độ chính xác của mơ hình sẽ đƣợc so sánh với đặc tính thực đƣợc cung cấp từ nhà sản xuất. Mục đích sau cùng là cung cấp một mơ hình chống sét van hồn chỉnh với các thơng số đƣợc xác định dễ dàng dùng trong nghiên cứu phối hợp cách điện. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 38
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 4.2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB 4.2.1. Phần mềm MATLAB Phần mềm Matlab là một phần mềm viết cho máy tính cá nhân nhằm hỗ trợ cho các tính tốn khoa học kỹ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân đƣợc viết bởi cơng ty “The MATHWORKS”. Matlab đƣợc điều khiển bởi các tập lệnh, tác động qua bàn phím. Nĩ cung cấp khả năng lập trình với cú pháp thơng dịch lệnh, cịn gọi là Script file. Các lệnh hay bộ lệnh của Matlab lên đến số hàng trăm và ngày càng đƣợc mở rộng bởi các Toolbox (hộp cơng cụ) hay thơng qua các hàm ứng dụng đƣợc xây dựng từ ngƣời sử dụng. Matlab cĩ hơn 25 Tools Box để trợ giúp cho việc khảo sát những vấn đề cĩ liên quan. Tools Box Simulink là phần mở rộng của Matlab, sử dụng để mơ phỏng các hệ thống động học một cách nhanh chĩng và tiện lợi. Matlab 3.5 trở xuống hoạt động trong mơi trƣờng MS – DOS. Matlab 4.0, 4.2, 5.1, 5.2, hoạt động trong mơi trƣờng Windows. Các version 4.0, 4.2 muốn hoạt động tốt phải sử dụng cùng với Winword 6.0. Hiện tại, đã cĩ version 7.0. Chƣơng trình Matlab cĩ thể chạy liên kết với các chƣơng trình ngơn ngữ cấp cao nhƣ C, C++, Fortran, Việc cài đặt Matlab thật dễ dàng và cần chú ý việc dùng thêm vào các thƣ viện trợ giúp hay muốn liên kết phần mềm này với một vài ngơn ngữ cấp cao. 4.2.2. Cơ sở về SIMULINK Simulinklà phần chƣơng trình mở rộng của Matlab nhằm mục đích mơ hình hố, mơ phỏng và khảo sát các hệ thống động học. Giao diện đồ họa trên màn hình của Simulink cho phép thể hiện hệ thống dƣới dạng sơ đồ tín hiệu và các khối chức năng quen thuộc. Simulink cung cấp cho ngƣời sử dụng một thƣ viện rất phong phú, cĩ sẵn với số lƣợng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn. Hơn thế, ngƣời sử dụng cũng cĩ thể tạo nên các khối riêng của mình. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 39
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Sau khi đã xây dựng mơ hình của hệ thống, cần nghiên cứu bằng cách ghép các khối cần thiết thành sơ đồ cấu trúc của hệ và cĩ thể khởi động quá trình mơ phỏng. Trong quá trình mơ phỏng, cĩ thể trích tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ cấu trúc và hiển thị đặc tính của tín hiệu đĩ trên màn hình. Hơn thế nữa, nếu cĩ nhu cầu cĩ thể cất giữ các đặc tính đĩ vào mơi trƣờng nhớ (ví dụ: cất lên đĩa cứng). Việc nhập hoặc thay đổi tham số của tất cả các khối cũng cĩ thể đƣợc thực hiện rất đơn giản bằng cách nhập trực tiếp hay thơng qua Matlab. Để khảo sát hệ thống, cĩ thể sử dụng thêm các Toolbox nhƣ Signal Processing (xử lý tín hiệu), Optimization (tối ƣu hay Control System (hệ thống điều khiển). Điểm nhấn mạnh quan trọng trong việc mơ phỏng một quá trình là việc thành lập đƣợc mơ hình. Để sử dụng tốt chƣơng trình này, ngƣời sử dụng phải cĩ kiến thức cơ bản về điều khiển, xây dựng mơ hình tốn học theo quan điểm của lý thuyết điều khiển và từ đĩ thành lập nên mơ hình của bài tốn. 4.2.3. Đánh giá mơ hình MATLAB 4.2.3.1. Giới thiệu mơ hình Mơ hình chống sét van trong Matlab thực chất là một điện trở phi tuyến. Đặc tuyến phi tuyến V-I của mơ hình đƣợc thành lập bởi ba đoạn khác nhau của phƣơng trình hàm mũ: 1/ i V I k  i (4.1) Vref Iref Các giá trị ki và i đƣợc khai báo trên hộp thoại. Với mỗi đoạn khác nhau của phƣơng trình hàm mũ, giá trị k và sẽ khác nhau và nhƣ thế quan hệ dịng áp của mơ hình sẽ nhƣ Hình 4.1: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 40
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.1: Quan hệ dịng điện –điện áp của mơ hình chống sét van. Hình 4.2:Hộp thoại của mơ hình chống sét van. Các thơng số cần khai báo: - Điện áp định mức: Vref (điện áp quy chuẩn của một đĩa MOV). - Số đĩa trong một chống sét van: n - Dịng điện quy chuẩn trên một đĩa MOV : Iref HVTH: Võ Thanh Âu Trang 41
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh - Đặc tuyến V-I của đoạn thứ nhất: giá trị k1 và 1. - Đặc tuyến V-I của đoạn thứ hai: giá trị k2 và 2. - Đặc tuyến V-I của đoạn thứ ba: giá trị k3 và 3. 4.2.3.2. Nguyên lý làm việc của mơ hình Mơ hình là một điện trở phi tuyến nên về nguyên lý cĩ chức năng giống nhƣ một nguồn dịng đƣợc điều chỉnh bởi điện áp đặt vào hai cực. Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý của mơ hình Nguyên lý làm việc của mơ hình nhƣ sau: điện áp đƣợc đƣa tới ngõ vào của mơ hình, giá trị điện áp đƣợc lấy giá trị tuyệt đối và đƣa vào ba khối Math Functionđƣợc đặt tên lần lƣợt là segment1, segment2, segment3 cĩ cơng thức: ai v p i V ref (4.2) Các tín hiệu từ đầu ra của các khối Math Functionsau đĩ đƣợc đƣa vào hai khối Switch 1 và Switch 2.Các khối này sẽ so sánh các giá trị từ segment 1, segment 2, segment 3 với giá trị dịng điện đặt trƣớc nhằm lựa chọn một trong ba dạng hàm mũ, sau đĩ tín hiệu đƣợc đƣa tới khối nhân để chọn dấu và cuối cùng đƣa giá trị của tín hiệu dịng tới ngõ ra của mơ hình. 4.2.3.3. Đánh giá mơ hình Nhƣ vậy về nguyên lý, mơ hình này cĩ chức năng giống nhƣ mơ hình điện trở phi tuyến đã đƣợc đề cập ở Chƣơng 3. Mơ hình này chỉ cĩ thể dùng để mơ phỏng HVTH: Võ Thanh Âu Trang 42
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh xung đĩng cắt vì bản thân nĩ khơng cĩ các đặc tính đáp ứng động dùng để mơ phỏng với các xung sét hay các xung cĩ đầu sĩng tăng nhanh rất quan trọng trong nghiên cứu phối hợp cách điện. 4.2.3.4. Mạch mơ phỏng Matlab Hình 4.4: Mạch mơ phỏng phĩng điện chống sét van của Matlab, dạng xung dịng 8/20µs –10kA. 4.3. MƠ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT 4.3.1. Dạng xung sét Dạng xung sét phụ thuộc vào cách thức sét tác động vào đƣờng dây tải điện hay đƣờng tín hiệu. 4.3.1.1. Dạng sĩng 10/350µs Dạng sĩng 10/350µs thƣờng là xung sét lan truyền do sét đánh trực tiếp vào đƣờng dây trên khơng lân cận cơng trình hoặc đánh trực tiếp vào kim thu sét trên đỉnh cơng trình. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 43
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.5: Sét đánh trực kiếp vào kim Hình 4.6: Sét đánh trực tiếp vào đƣờng thu sét trên đỉnh cơng trình. dây trên khơng lân cận cơng trình. sggds Dạng sĩng 10/350 µs đƣợc biểu diễn trong Hình 4.7. Hình 4.7: Dạng sĩng 10/350 µs. 4.3.1.2. Dạng sĩng 8/20µs Dạng sĩng 8/20µs thƣờng là xung sét cảm ứng do sét đánh vào đƣờng dây trên khơng cách vị trí cơng trình một khoảng cách xa hoặc do sét đánh vào một vật gần đƣờng dây trên khơng hoặc do sự gia tăng điện thế đất do sét đánh vào vị trí gần cơng trình. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 44
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.8: Sét đánh vào đƣờng dây Hình 4.9:Sét đánh gián tiếp cảm trên khơng ở vị trí cách xa cơng trình ứng vào cơng trình. Dạng sĩng 8/20 µs đƣợc biểu diễn trong Hình 4.10: Hình 4.10: Dạng sĩng 8/20 µs. 4.3.2. Các dạng xung khơng chu kỳ chuẩn Các xung khơng chu kỳ chuẩn gồm xung dịng điện và xung điện áp là những dạng xung cơ bản rất cần thiết cho việc thử nghiệm các thiết bị bảo vệ quá áp cũng nhƣ thử nghiệm cách điện của các thiết bị điện. Dạng sĩng của các xung này đƣợc trình bày trong Hình 4.11: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 45
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.11: Dạng sĩng xung khơng chu kỳ chuẩn. Phƣơng trình mơ tả của xung dịng điện và điện áp chuẩn cĩ dạng: at bt i(t) I(e e ) (4.2) Xung dịng và xung áp cĩ dạng hồn tồn giống nhau, dƣới đây ta chỉ xét dạng xung dịng điện từ đĩ cĩ thể suy ra xung áp tƣơng tự. Dạng xung dịng gồm 2 thành phần Ie-at và Ie-bt nhƣ Hình 4.12. Hình 4.12:Dạng sĩng xung gồm tổng của hai thành phần. Giá trị của I, a, b từ biểu thức trên cĩ thể xác định đối với từng dạng xung dịng chuẩn từ các giá trị: giá trị đỉnh I1 của xung dịng, thời gian đạt đỉnh t1, thời gian đạt ½ giá trị đỉnh t2 thơng qua các đƣờng cong chuẩn nhƣ Hình 4.13, Hình 4.14, Hình 4.15. Sử dụng cơng cụ Curve Fitting Toolbox tìm đƣợc quan hệ giữa b/a và t2/t1: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 46
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 4 3 2 (b/a) = 2,859e-005(t2/t1) – 0,004598. (t2/t1) + 0,2502.(t2/t1) +3,914. (t2/t1) – 9,286.(4.3) Hình 4.13: Đƣờng cong xác định tỉ số b/a. Sử dụng cơng cụ Curve Fitting Toolbox tìm đƣợc quan hệ giữa b/a và at1: (at1)=[4,5352. (b/a)2 – 4,644.(b/a) + 22,45)]/[1. (b/a)3 + 8,66. (b/a)2 – 20,37. (b/a) + 39,65]. (4.4) Hình 4.14:Đƣờng cong xác định tỉ số at1. Sử dụng cơng cụ Curve Fitting Toolbox tìm đƣợc quan hệ giữa b/a và at1: 3 2 3 (I1/I) = [0,9925. (b/a) – 3,255. (b/a) +1,809. (b/a) + 2,935]/[1. (b/a) + 1,353. (b/a)2 – 16,02. (b/a) +24,51]. (4.5) HVTH: Võ Thanh Âu Trang 47
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.15: Đƣờng cong xác định tỉ số I1/I. 4.3.3. Xây dựng mơ hình nguồn phát xung 4.3.3.1. Xây dựng sơ đồ khối Việc xây dựng mơ hình tốn nguồn phát xung trên Matlab dựa vào các phƣơng trình sau:  i(t)=I.(e-at – e-bt). (4.6) 4 3 2  (b/a) = 2,859e-005(t2/t1) – 0,004598. (t2/t1) + 0,2502.(t2/t1) +3,914. (t2/t1) – 9,286. (4.7)  (at1)=[4,5352. (b/a)2 – 4,644.(b/a) + 22,45)]/[1. (b/a)3 + 8,66. (b/a)2 – 20,37. (b/a) + 39,65]. (4.8) 3 2 3  (I1/I)y = [0,9925. (b/a) – 3,255. (b/a) +1,809. (b/a) + 2,935]/[1. (b/a) + 1,353. (b/a)2 – 16,02. (b/a) +24,51]. (4.9) Các biến đầu vào là t1, t2 và I hay U (tùy theo nguồn phát xung dịng hoặc xung áp). Các bƣớc thực hiện: từ thơng số (t2/t1) và phƣơng trình (4.7) sẽ tìm đƣợc giá trị (b/a), tiếp tục thay giá trị này vào các phƣơng trình (4.8) và (4.9). Sau cùng sẽ tìm đƣợc các giá trị cần tìm là a,b. Kết quả thực hiện mơ hình trên Matlab nhƣ Hình 4.16: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 48
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.16: Sơ đồ khối tạo nguồn phát xung. Tiến hành nhĩm các khối vào một khối con Subsystem, dùng Edit Mask xây dựng khối này thành nguồn phát xung hồn chỉnh cĩ biên độ và dạng sĩng đƣợc nhập bởi ngƣời sử dụng nhƣ hình, sau đĩ chép vào thƣ viện My Library. Hình 4.17:Biểu tƣợng của mơ hình nguồn phát xung. Dùng Edit Mask để tạo biến yêu cầu nhập vào cho mơ hình nguồn phát xung nhƣ Hình 4.18: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 49
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.18:Khai báo các thơng số yêu cầu. 4.3.4. Thực hiện mơ phỏng Mơ phỏng nguồn phát xung dịng Hình 4.19: Sơ đồ mơ phỏng nguồn xung dịng. Nhập các thơng số cho nguồn xung dịng nhƣ Hình 4.20: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 50
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.20:Các thơng số nguồn xung dịng. Thực hiện mơ phỏng với xung dịng 8/20µs biên độ 3kA thu đƣợc kết quả nhƣ Hình 4.21: Hình 4.21: Dạng sĩng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 3kA. Thực hiện mơ phỏng với xung dịng 8/20µs biên độ 5 kA thu đƣợc kết quả nhƣ Hình 4.22: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 51
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.22: Dạng sĩng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 5kA Thực hiện mơ phỏng với xung dịng 8/20µs biên độ 10 kA thu đƣợc kết quả nhƣ Hình 4.23: Hình 4.23: Dạng sĩng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 10kA. Thực hiện mơ phỏng với xung dịng 8/20µs biên độ 20 kA thu đƣợc kết quả nhƣ Hình 4.24: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 52
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.24:Dạng sĩng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 20kA. 4.3.5. Kết luận Từ các kết quả mơ phỏng các nguồn xung cho thấy đáp ứng dạng sĩng của mơ hình phù hợp với các thơng số yêu cầu, việc sử dụng mơ hình rất dễ dàng và là cơng cụ khơng thể thiếu trong việc cung cấp nguồn xung để khảo sát đáp ứng của các thiết bị bảo vệ chống sét. 4.4. XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN DẠNG MOV PHỤ THUỘC TẦN SỐ Phần lớn các tác giả đều đƣa ra các thuật tốn xác định thơng số của mơ hình với độ chính xác chấp nhận đƣợc. Trong vài trƣờng hợp việc tính tốn và hiệu chỉnh thơng số cần thực hiện thủ tục lặp, thí nghiệm, hay địi hỏi những thơng số khĩ đƣợc cung cấp từ nhà sản xuất. Trong luận văn này sẽ đƣa ra một số mơ hình đề nghị một mơ hình đơn giản hĩa của chống sét van MOV khơng cĩ khe hở. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 53
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Phạm vi và ưu điểm của các mơ hình như sau: - Mơ hình cĩ đặc tính động (giống nhƣ đặc tính phụ thuộc tần số) xét trong trƣờng hợp xung sét hay xung cĩ đầu sĩng tăng nhanh (thời gian đạt đỉnh trong khoảng 8s). - Thuật tốn xác định thơng số của mơ hình chỉ dựa vào tất cả số liệu cung cấp về điện bởi nhà sản xuất, khơng cần đến các đặc tính vật lý của chống sét van. Do đĩ, mơ hình cĩ thể dùng để mơ phỏng cho chống sét van cấp phân phối (loại trung thế) của tất cả các nhà sản xuất khác nhau và với các cấp điện áp khác nhau. - Trong bảng dữ liệu cung cấp bởi nhà sản xuất, khơng phải lúc nào các dữ liệu cần thiết cũng đƣợc cung cấp đầy đủ. Trong trƣờng hợp dữ liệu về điện áp dƣ của xung dịng điện tăng nhanh( với thời gian đạt đỉnh trong khoảng 0,5 đến 1s) khơng đƣợc cung cấp, thì mơ hình vẫn thực thi (đƣơng nhiên với độ chính xác thấp hơn). - Độ chính xác của mơ hình sẽ đƣợc đánh giá bằng cách so sánh kết quả kiểm tra phĩng điện tiêu chuẩn qua mơ hình đƣợc tính tốn mơ phỏng bằng chƣơng trình Matlab với các giá trị điện áp dƣ cung cấp trong catalogue của nhà sản xuất. Sử dụng Matlab cĩ những ƣu điểm sau: - Matlab là một phần mềm thơng dụng, dễ sử dụng. Các giải thuật cĩ thể đƣợc hợp nhất tạo thành một khối biểu tƣợng chung. - Mơi trƣờng mơ phỏng linh hoạt, kết quả cĩ thể đƣợc thể hiện dƣới dạng đồ họa hay các dạng logic đặc biệt để nghiên cứu phối hợp cách điện. - Cĩ thể tạo thành một thƣ viện riêng để bổ sung vào thƣ viện mẹ Simulink thuận lợi trong việc sử dụng sau này. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 54
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 4.5. XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN DẠNG MOV PHỤ THUỘC TẦN SỐ TRONG MATLAB 4.5.1. Giới thiệu một số khối (block) dùng trong mơ hình Khối Inport và Outport Inportvà Outport là các khối đầu vào, đầu ra của một mơ hình mơ phỏng. Tại hộp thoại Block Parameters cĩ thể điền vào ơ Port number số thứ tự của khối. Simulink tự động đánh số các khối Inport và Outport một cách độc lập với nhau, bắt đầu từ 1. Khi bổ sung thêm khối Inport hay Outport, khối mới sẽ nhận số thứ tự kế tiếp. Khi xĩa một khối nào đĩ, các khối cịn lại sẽ đƣợc tự động đánh số mới.Trong hộp thoại Block Parameters của Inport, cịn cĩ ơ Port with dùng để khai báo bề rộng của tín hiệu vào. Khi ghép một tín hiệu cĩ bề rộng lớn hoặc bé hơn bề rộng đã khai báo với Inport, ngay lập tức Simulink báo lỗi. Cần lƣu tâm tới một vài tham số quan trọng khác của khối Outport. Ví dụ, Output when disabled cho hệ thống biết cần xử lý tín hiệu ra nhƣ thế nào khi hệ thống mơ phỏng đang ngừng khơng chạy (xĩa về khơng hay giữ nguyên giá trị cuối cùng). Initial Outport cho biết giá trị cần phải lập cho đầu ra. Thơng qua các khối Inport và Outport thuộc tầng trên cùng (chứ khơng phải thuộc các hệ thống con), cĩ thể cất vào hay lấy số liệu ra khỏi mơi trƣờng Workspace. Để làm điều đĩ, phải kích hoạt các ơ Input và Outport ở trang Workspace I/O của hộp thoại Simulation Parameter và khai báo (ở ơ điền chữ bên cạnh) tên của biến cần lấy số liệu vào, hay tên của các biến mà sẽ gởi số liệu tới. Khối Subsystem Khối Subsystem đƣợc sử dụng để tạo hệ thống con trong khuơn khổ của một mơ hình Simulink. Việc ghép các mơ hình thuộc các tầng cấp trên đƣợc thực hiện nhờ khối Inport (cho tín hiệu vào) và HVTH: Võ Thanh Âu Trang 55
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Outport(cho tín hiệu ra). Số lƣợng đầu vào/ra của khối subsystem phụ thuộc số lƣợng khối Inport và Outport. Đầu vào/ra của khối Subsystem sẽ đƣợc đặt theo tên mặc định của các khối Inport và Outport. Nếu chọn Format / Hide Port Labels trên menu của cửa sổ khối Subsystem, cĩ thể ngăn chặn đƣợc cách đặt tên kể trên và chủ động đặt cho Inport và Outport các tên phù hợp hơn với ý nghĩa vật lý của chúng. Khối Transfer Fnc KhốiTransfer Fcn cĩ thể mơ hình hĩa hàm truyền đạt của một hệ tuyến tính. Tham số của khối là các hệ số của đa thức tử số (Numerator) và mẫu số (Denominator), khai báo theo thứ tự số mũ của s giảm dần. Bậc của mẫu số phải lớn hơn hoặc bằng bậc của tử số. Mặc dù chức năng của Simulink cĩ thể giải quyết đƣợc các bài tốn cĩ xuất hiện vịng lặp đại số nhƣng thời gian giải các bài tốn rất chậm.Nhờ khối Transfer Fcn, cĩ thể tránh đƣợc vịng lặp bằng cách đƣa tín hiệu liên tục về rời rạc với một thời gian trích mẫu phù hợp mà vẫn đảm bảo tính đúng đắn của mơ hình. Ví dụ cho khối trên, thời gian trích mẫu là T=0,01µs. Khối look-up Table Khối Look-up table tạo tín hiệu ra từ tín hiệu vào trên cơ sở thơng tin một bảng tra (Vector of input values x Vector of output values).Nếu giá trị hiện tại của tín hiệu vào trùng với một giá trị thuộc Vector of input values, giá trị tƣơng đƣơng trong bảng thuộc Vector of output values sẽ đƣợc đƣa tới đầu ra. Nếu giá trị của tín hiệu vào nằm giữa hai giá trị thuộc Vector of input values, Simulink sẽ thực hiện nội suy hai giá trị tƣơng ứng của Vector of outputvalues. Nếu giá trị của tín hiệu vào bé hơn / lớn hơn giá trị đầu tiên / giá trị cuối cùng của Vector of input values, Simulink sẽ thực hiện ngoại suy hai giá trị đầu tiên / cuối cùng của Vector of output values. Vector of input values cĩ thể là một vector hàng hay một vector cột. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 56
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Khối Controlled Current Source Khối Controlled Current Source cung cấp một nguồn dịng đƣợc điều khiển bởi một tín hiệu Simulink. Chiều dƣơng của dịng điện đƣợc biểu diễn theo chiều mũi tên. Giá trị ban đầu của dịng điện đƣợc nhập vào hộp thoại khai báo thơng số. Khối Controlled Voltage Source Khối Controlled Voltage Source cung cấp một nguồn áp đƣợc điều khiển bởi một tín hiệu Simulink. Hai ngõ ra của khối tƣơng ứng với đầu âm và dƣơng của nguồn áp. Giá trị ban đầu của điện áp đƣợc nhập vào hộp thoại khai báo thơng số. 4.5.2. Xây dựng các mơ hinh chống sét van trung áp 4.5.2.1. Xây dựng mơ hình MOV theo IEEE: Mạch tƣơng đƣơng của mơ hình đƣợc trình bày trong Hình 4.25: Hình 4.25: Mạch tƣơng đƣơng mơ hình IEEE. Thơng số của mơ hình đƣợc xác định một cách dễ dàng từ số liệu đƣợc cho bởi nhà sản xuất, đĩ là: 15d LH1 () (4.10) n 65d R1 () (4.11) n 0,2d LH0 () (4.12) n HVTH: Võ Thanh Âu Trang 57
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 100d R0 () (4.13) n 100n C () pF (4.14) d Với: . d : chiều cao của MOV (m) (tổng chiều cao MOV). . n : số cột MOV song song. Hai phần tử điện trở phi tuyến A0 và A1 đƣợc xác định theo 2 đƣờng cong đơn vị đƣợc đề nghị bởi IEEE trong hình 4.26 và cĩ giá trị nhƣ trong bảng 4.1. Chỉ lƣu ý giá trị đỉnh của điện áp dƣ đo đƣợc trong thí nghiệm phĩng xung dịng điện 10kA 8/20s V10 ứng với 1 đơn vị trong hệ đơn vị tƣơng đối. 4.5.2.1.1. Xây dựng mơ hình phần tử điện trở phi tuyến A0, A1 4.5.2.1.1.1. Nguyên lý xây dựng mơ hình Một điện trở phi tuyến cĩ đặc tính V-I nhƣ sau: V i I ref (4.15) Vref Ở đây: V, i lần lƣợt là điện áp và dịng điện qua điện trở phi tuyến; Vref là điện áp qui chuẩn; Iref là dịng điện qui chuẩn theo điện áp qui chuẩn; là số mũ đƣợc xác định theo đặc tính phi tuyến. Tuy nhiên, ở đây sẽ xây dựng mơ hình hai điện trở phi tuyến A0 và A1 dựa vào các đƣờng cong đặc tuyến V-I đƣợc đề nghị bởi IEEE cho ở Hình 4.26: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 58
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.26: Đặc tuyến V-I của A0 và A1của mơ hình IEEE. Tính tốn lựa chọn từ vài điểm trên đặc tuyến V-I ở Hình 3.8; Bảng 4.1 trình bày giá trị đỉnh của điện áp dƣ đo đƣợc trong thí nghiệm phĩng xung dịng điện sét 10kA, 8/20s nhƣ sau: Bảng 4.1:Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A1. 4.5.2.1.1.2. Sơ đồ nguyên lý của mơ hình Mơ hình điện trở phi tuyến A0 và A1 đƣợc xem nhƣ một khối “Controlled Current Source” cĩ đặc tính phi tuyến với dịng điện i là một hàm phi tuyến theo điện áp u. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 59
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 và A1 tƣơng tự nhau, sau đây sẽ trình bày sơ đồ nguyên lý của phần tử A0 : Hình 4.27: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0. Trong sơ đồ nguyên lý A0 chức năng của các khối nhƣ sau: - Hai khối của Powerlib là “Voltage measurement” để ghi lại điện áp ở hai cực của phần tử phi tuyến và một khối “Controlled Current Source” để chuyển tín hiệu Simulink từ khối “Look-Up Table” thành tín hiệu dịng điện. - Hai khối của Simulink là khối “TransferFcn” từ thƣ viện “Continuous” để chuyển tín hiệu điện áp liên tục sang rời rạc đƣa vào khối “Look-Up Table” xử lý tín hiệu điện áp đƣa vào. Khối “Look-Up Table” cĩ chức năng chuyển giá trị điện áp đƣa vào và cho ra giá trị dịng điện tƣơng ứng. Khối “Transfer Fcn” cĩ chức năng làm cho thuật tốn trên máy tính đƣợc giải nhanh hơn tránh vịng lặp đại số trong mạch. 1 H(s) - Hàm chuyển đổi bậc nhất: Ts 1 cĩ hằng số thời gian (chu kỳ lấy mẫu) là 0,01s. - Để tính dịng điện i = f(u), theo bảng 4.1, khai báo trong khối “Look-Up Table” nhƣ sau: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 60
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Vector of Input Values (u) :[0 1.40 1.54 1.68 1.74 1.80 1.82 1.87 1.90 1.93 1.97 2.00 2.05 2.10]*Vn*1000 (giá trị điện áp đơn vị nhân với giá trị điện áp dư trên chống sét van tại dịng phĩng điện10kA, 8/20µs_ đơn vị kV); Vector of Output Values (i) : [0 0.01 0.1 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20]*1000 (đơn vị kA). Phần tử A1 cũng đƣợc xây dựng tƣơng tự nhƣ trên, dịng điện i = f(u) đƣợc khai báo trong khối “Look-Up Table” nhƣ sau: Vector of Input Values (u) : [ 0 1.23 1.36 1.43 1.48 1.50 1.53 1.55 1.56 1.58 1.59 1.60 1.61]*Vn*1000 ; Vector of Output Values (i) : [ 0 0.1 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20]*1000 (đơn vị kA). 4.5.2.1.1.3. Tạo biểu tượng cho mơ hình Để tiện cho việc mơ phỏng, dùng lệnh Edit\ “Create subsystem” nhĩm tất cả các khối trong sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0, A1 thành biểu tƣợng nhƣ sau: Hình 4.28: Mơ hình điện trở phi tuyếntheo IEEE. Nhƣ vậy, hai điện trở phi tuyến A0 và A1 đã đƣợc tạo xong. 4.5.2.1.2. Xây dựng mơ hình MOV hồn chỉnh Sử dụng Simulink trong MatLab xây dựng mơ hình MOV theo IEEE hồn chỉnh nhƣ Hình 4.29: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 61
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.29: Mơ hình MOV theo IEEE bằng Matlab. Để dễ dàng mơ phỏng các loại MOV khác nhau, sử dụng Edit Mask nhĩm các phần tử trên thành một khối, đặt lại tên MOV, khai báo các biến cho mơ hình, xây dựng biểu tƣợng cho MOV và cuối cùng ta đƣợc mơ hình MOV hồn chỉnh nhƣ Hình 4.30: Hình 4.30: Mơ hình MOV theo IEEE. Hộp thơng số của mơ hình MOV theo IEEE Thực hiện khai báo tính tốn các giá trị cho L0 , L1, A0 và A1 để tiến hành mơ phỏng chống sét van MOV. Nhƣ thế, mỗi lần mơ phỏng là mỗi lần phải nhập lại các giá trị mới. Để tạo thành một mơ hình cĩ thể mơ phỏng tất cả các chống sét van cĩ các cấp điện áp khác nhau và của các nhà sản xuất khác nhau, thì phải tạo một biểu tƣợng cho mơ hình kèm theo hộp thoại khai báo tham số để mơ hình tự động tính tốn các giá trị thơng số của mơ hình. 4.5.2.1.3. Tạo hộp thoại và các thơng số cần khai báo MATLAB cĩ chức năng tuyệt vời là đánh dấu các hệ con (Mask Subsystems). Khả năng đánh dấu các hệ con cho phép làm đơn giản việc tham số hĩa hệ thống con rất nhiều. Nhờ đánh dấu, tất cả tham số cần thiết sẽ đƣợc gom lại trong một hộp HVTH: Võ Thanh Âu Trang 62
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh thoại Block Parameters duy nhất. Một hệ con phức hợp sẽ đƣợc thu lại chỉ cịn là một khối với các đầu vào / ra tƣơng ứng. Đây chính là cách để tạo ra một thƣ viện con mới. Các biến sử dụng trong hệ con đã đánh dấu (Subsystem) đƣợc gán giá trị cụ thể tại hộp thoại Block Parameters. Do đĩ, cĩ thể sử dụng chúng lặp lại nhiều lần trong cùng một mơ hình mơ phỏng. Với cơng cụ này, sau đây sẽ tạo hộp thoại với các thơng số cần thiết cho mơ hình chống sét van phụ thuộc tần số MOV. Khai báo các giá trị thơng số cần nhập: Chọn khối chống sét van, vào trong thƣ mục Edit, chọn Mask Subsystem 3. Hộp thoại “Mask Editor” sẽ hiện ra nhƣ Hình 4.31: Hình 4.31: Hộp thoại Mask Editortheo IEEE. Chọn thanh Documentation, trong mục “Mask Type”, gõ dịng: “High Voltage MOV” và trong phần “Mask description” ghi các dịng mơ tả hoạt động của mơ hình. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 63
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.32: Thơng tin cho khối trong thanh Documentationtheo IEEE Chọn thanh Parameters, những thơng số khai báo là: điện áp định mức (Vn), điện áp dƣ của chống sét van tại xung sét 8/20µs (V_lightning) và điện áp dƣ tại xung đầu sĩng tăng nhanh cĩ trị số dịng điện 10kA (V_steep). - Trong mục Prompt, gõ dịng: Arrester rated voltage (kV); - Trong mục Variable, đặt tên biến: Vn; - Lặp lại các bƣớc trên để định nghĩa các giá trị trong hộp thoại của mơ hình tƣơng ứng các biến là: d và n. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 64
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.33: Thơng tin cho khối trong thanh Prompttheo IEEE. - Chọn thanh Initialization trong mục Initialization commands, viết các dịng lệnh sau để xác định giá trị L1, L0, R0, R1, C: L0=(0.2*(d/n))/1000000; R0=100*(d/n); L1=(15*(d/n))/1000000; R1=65*(d/n); C=(100*(n/d))/1000000000; HVTH: Võ Thanh Âu Trang 65
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.34: Lệnh tính thơng số trong thanh Initializationtheo IEEE. 4.5.2.1.4. Tạo biểu tượng cho mơ hình Chọn thanh Icon,trong phần “Drawing Commands”, dùng hàm Plot để vẽ các hình đặt tuyến cho mơ hình: plot(-100,-45,100,45,[-100 -35],[0 0],[100 35],[0 0],[-30 -30],[40 -40],[-20 - 20],[40 -40],[-10 -10],[40 -40],[0 0],[40 -40],[10 10],[-40 40],[20 20],[-40 40],[30 30],[-40 40]) HVTH: Võ Thanh Âu Trang 66
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.35. Tạo biểu tƣợng cho mơ hình trong thanh Icontheo IEEE. Nhấn nút Apply, Ok để đĩng cửa sổ “Mask Editor” Lúc này mơ hình đã cĩ biểu tƣợng của một chống sét van hồn chỉnh: Hình 4.36: Biểu tƣợng chống sét van MOVtheo IEEE. Nhấp kép vào biểu tƣợng mơ hình chống sét van MOV. Hộp thoại “Block Parameters” sẽ mở ra với các thơng số cần khai báo. HVTH: Võ Thanh Âu Trang 67
Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.37:Hộp thoại của Distribution Arrester-MOVtheo IEEE Trƣớc khi sử dụng mơ hình phải xác định lại các biến đã khai báo ở phần đầu mơ hình. Chọn lại mơ hình chống sét van, trong thƣ mục Edit, chọn Look Under Mask. Phần tử Subsystem của chống sét van hiện ra. Nhấp lại giá trị các khối điện cảm, khối phi tuyến A0, A1. Trong đĩ giá trị :Arrester rated voltage = Vđiện áp dƣ/1.6. 4.5.2.1.5. Kiểm tra đáp ứng mơ hình MOV với xung dịng chuẩn Dùng một xung dịng chuẩn 8/20s kiểm tra đáp ứng của mơ hình MOV theo IEEE vừa xây dựng nhƣ sơ đồ hình 4.38: HVTH: Võ Thanh Âu Trang 68