Mô hình hóa và mô phòng thiết bị chống sét van trên lưới điện phân phối

6 trang phuongnguyen 160

Download

Bạn đang xem tài liệu "Mô hình hóa và mô phòng thiết bị chống sét van trên lưới điện phân phối", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

mo_hinh_hoa_va_mo_phong_thiet_bi_chong_set_van_tren_luoi_die.pdf

Nội dung text: Mô hình hóa và mô phòng thiết bị chống sét van trên lưới điện phân phối

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎ NG THIẾ T BI ̣CHỐ NG SÉT VAN TRÊN LƢỚ I ĐIÊṆ PHÂN PHỐ I Quyền Huy Á nh Châu Duy Khá nh Trƣ ờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM Lớp TBM&NMĐ Trƣờng Đại Học SPKT TPHCM Abstract: Vietnamese is a tropical country with the frequence appearance of thunders. This phenomena are happened in the air between two cloud or between cloud and surface. Thunder have the hight voltage and hight current, which can kill the people and detroy things were affected. Specially, thunder is always considered in power system. Surge of thunder is the main causes of power network faulty, devices were detroyed by the vast electromagnetic force, demage electrical insulator material lead to short circuit in power grid additionally, there are many kind of electronic devices, which are broken easily by thunder surge, are used in the life, protection of electric equipment from thunder surge is more and more important. There are some devices were used to against the surge. It help people decrease the affection of the thunder. Recording thunder in actual environment or creating the thunder in the laboratory is very difficult, expensive and dangrous. Hence, creating the simulation modules of thunder surge and surge arresstor from acknowledgment obtain for previous research is essential work, the simulation module is the important for researcher, student can study about thunder surge and surge arrester. Tóm tắt : Viêṭ nam là môṭ nước nhiêṭ đới gió mùa nên hiêṇ tươṇ g sét đánh xảy ra thường xuyên . Sét là môṭ hiêṇ tươṇ g phóng điện xảy ra trong bầu không khí giữa các đám mây với nhau và giữa mây với đất . với điêṇ áp cao và dòng điêṇ lớn , sét có thể gây ra ch ết người cũng như phá hủy các vật khác nếu bị đánh trúng . Đặc biệt trong hệ thống điện, mối nguy hiểm về sét luôn đươc̣ quan tâm đăc̣ biêṭ , sét đánh là một trong những nguyên nhân chính gây ra các sư ̣ cố trong hê ̣thống điêṇ , phá hủy thiết bị bằng lực điện từ rất lớn của nó , đánh thủng cách điện làm dẫn đến cháy nổ thiết bị ngoài ra , với viêc̣ các thiết bi ̣điêṇ tử , vốn rất dê ̃ tổn thương bởi sóng điêṇ từ do xung sét gây ra , ngày càng đ ược áp dụng rộng rãi thì việc phòng chống sét lại cấp thiết hơn. Đa ̃ có nhiều thiết bi ̣chống sét đươc̣ thiết kế và áp duṇ g rôṇ g raĩ trong thưc̣ tế để giảm thiểu những tác hại mà sét gây ra trên hệ thống điện. Viêc̣ ghi nhâṇ hiêṇ tươṇ g sét đánh trong thưc̣ tế hay taọ ra các dòng sét nhâṇ taọ để nghiêṇ cứ u thử nghiêṃ là viêc̣ làm hết sứ c khó khăn , tốn kém và rất nguy hiểm . Chính vì vậy , viêc̣ taọ ra các mô hình mô phỏng trên máy tính từ những kết quả thu đươc̣ từ các công trình nghiên cứ u về sét và các thiết bị chống sét trước đây là môṭ yêu cầu cấp thiết , đó là công cu ̣quang troṇ g để cho các n hà nghiên cứu , các sinh viên, học viên tìm hiểu về cách thức hoaṭ đôṇ g của sét và các thiết bị chống sét. Bài báo giới thiệu về mô hình dòng sét cảm ứng và thiết bị chống sét kiểu MOV (Metal Oxide Varistor) đươc̣ xây dưṇ g trên nền chương trình mô phỏng Matlab /Simulink. Đây se ̃ là cô ng cu ̣mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu muốn tìm hiểu về hoạt động của sét khi không có điều kiện tiếp xúc trong môi trường thưc̣ tế. Mô hiǹ h dòng sét cảm ƣ́ ng Độ dốc dòng điện sét: là độ dốc giảm xuống của dòng điêṇ Dòng điêṇ do sét đánh vào đường dây là một xung dòng sét ở nữa quá trình sau điêṇ không có chu kỳ như được mô tả trong hình 1 bên dưới. Độ dài dòng sét: đươc̣ tính từ đầu dòng sét đến khi biên đô ̣ Thời gian xuất hiêṇ dòng xung sét chỉ diêñ ra trong khoảng 20 dòng sét còn phân nữa giá trị cực đại μs, tuy nhiên, với sư ̣ biến thiên dòng điê ̣ n rất lớn lên đến vài KA/s, điều này làm cho lưc̣ điêṇ từ sinh ra trên đường dây cũng như các thiết là rất lớn. Khi bi ̣đánh trúng, dòng điện này sẽ làm vỡ thiết bị bằng lực điện từ hoặc các thiết bị dưới điện áp cao sẽ bị phá hủy cách điện và gây ra các sự cố cháy nổ sau sét đánh. Trong suốt quá trình tồn taị , dòng sét có dạng một sóng xung. Thường trong vài micro giây ban đầu dòng điện tăng nhanh đến tri ̣số cưc̣ đaị taọ thanh phần đầu song , sau đo giam ̀ ́ ́ ̉ Hình 1 dạng sóng dòng sét có thông số 8/20 μs 3KA châṃ trong 20-100 μs taọ nên phần đuôi song . Có một số khái ́ Trong mô hinh mô phong đươc̣ thưc̣ hiêṇ , ngươi nghiên niêṃ về dong set cơ ban như sau: ̀ ̉ ̀ ̀ ́ ̉ cưu chi cần nhâp̣ cac thông số cơ ban như thơi gian đầu song , Biên đô ̣dong set: là giá trị lớn nhất của dòng điện sét ́ ̉ ́ ̉ ̀ ́ ̀ ́ thơi gian tồn taị va biên đô ̣dong set thi khối se xuất ra đươc̣ Thơi gian đầu song: là thời gian dòng sét tăng từ 0 đến giá ̀ ̀ ̀ ́ ̀ ̃ ̀ ́ môṭ dong điêṇ theo yêu cầu mô phong . Trong hinh 2 là cửa sổ trị cực đại ̀ ̉ ̀ nhâp̣ thông số cho mô hình.
I. Cấ u taọ củ a thiết bi c̣ hống sét van MOV bên ngoài có điện trở rất cao. Chỉ tại các điểm ôxýt kẽm gặp MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, phụ nhau tạo nên “vi biến trở”, tựa như hai diode zener đối xứng, thuộc vào điện áp mà hành vi về điện giống như hai diode với mức bảo vệ khoảng 3,5V. Chúng có thể nối nối tiếp hoặc đấu ngược lại (back –to –back). Với đặc tính đối xứng, đặc song song (hình 1.1); việc nối nối tiếp hoặc song song các vi tính vùng đánh thủng (về điện) rất dốc cho phép MOV có tính biến trở làm cho MOV có khả năng tải được dòng điện cao năng khử xung quá độ đột biến hoàn hảo (hình 2). Trong điều hơn so với các chất bán dẫn, hấp thu nhiệt tốt và có khả năng kiện bình thường biến trở là thành phần có trở kháng cao gần chịu được dòng xung đột biến cao. như hở mạch. Khi xuất hiện xung đột biến quá áp cao, MOV sẽ nhanh chóng trở thành đường dẫn trở kháng thấp để triệt II. Mô hiǹ h củ a thiết bi c̣ hống sét van MOV xung đột biến. Phần lớn năng lượng xung quá độ được hấp Mô hình chống sét van trong Matlab thực chất là một thu bởi MOV cho nên các thành phần trong mạch được bảo điện trở phi tuyến. Đặc tuyến phi tuyến V-I của mô hình được vệ tránh hư hại. thành lập bởi ba đoạn khác nhau của phương trình hàm mũ: 1/ i V I k  i Vref Iref (1) Các giá trị ki và i được khai báo trên hộp thoại. Với mỗi đoạn khác nhau của phương trình hàm mũ, giá trị k và sẽ khác nhau và như thế quan hệ dòng áp của mô hình sẽ Hình 2 Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I như hình 4 Thành phần cơ bản của biến trở là ZnO với thêm một lượng nhỏ bismuth, cobalt, manganses và các ôxít 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 không dẫn ở điện áp thấp và là nguồn dẫn phi tuyến khi điện áp cao. MOV được chế tạo từ ZnO. Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt. Các biên hạt ZnO có thể quan sát được qua hình ảnh vi Hình 4 Quan hệ dòng điện –điện áp của mô hình chống sét cấu trúc của ceramic như hình 1.2. Hành vi phi tuyến về điện van xảy ra tại biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở có Sau khi đươc̣ thiết lâp̣ để sẵn sàng cho viêc̣ mô phỏng, giao thể xem như là ộm t thiết bị nhiều tiếp giáp tạo ra từ nhiều diêṇ để thiết lâp̣ các thông số mô phỏng đươc̣ thể hiêṇ như liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt. Hành vi của trong hình 5. thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của ceramic, Các thông số cần khai báo: kích thước hạt và phân bố kích thước hạt đóng vai trò chính Điện áp định mức: Vref (là điện áp quy chuẩn của trong hành vi về điện. một đĩa MOV}. Số đĩa trong một chống sét van: n Dòng điện quy chuẩn trên một đĩa MOV : Iref 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. Hình 3 Vi cấu trúc của ceramic Hỗn hợp rắn ôxýt kẽm với ôxýt kim loại khác dưới điều kiện đặc biệt tạo nên ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng biến trở. Bản thân hạt ôxýt kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt khoảng 15 –100m), trong khi ôxýt kim loại khác bao
Nguyên lý làm việc của mô hình như sau: điện áp được đưa ngõ vào của mô hình, giá trị điện áp được lấy giá trị tuyệt đối và đưa vào ba khối Math Function được đặt tên lần lượt là segment1, segment2, segment3 có công thức: ai v p . Các tín hiệu từ đầu ra của các khối Math i Vref Function sau đó được đưa vào hai khối Switch1 và Switch2. Các khối này sẽ so sánh các giá trị từ segment1, segment2, segment3 với giá trị dòng điện đặt trước nhằm lựa chọn một trong ba dạng hàm mũ, sau đó tín hiệu được đưa tới khối nhân để chọn dấu và cuối cùng đưa giá trị của tín hiệu dòng tới ngõ ra của mô hình. III. Mô phỏng hiêṇ tƣơṇ g sét đá nh vớ i mô hiǹ h đƣơc̣ xây dƣṇ g Mô hình xung sét và mô hình chống sét van MOV đươc̣ đưa vào thử nghiêṃ trên đường dây phân phối 22KV như trong hình 7. hê ̣thống thử ngiêṃ gồm môṭ nguồn áp 22KV cấp điêṇ cho môṭ phu ̣tai ba pha thông qua môṭ đương dây Hình 5 Hộp thoại của mô hình chống sét van ̉ ̀ thông số rai hinh π có chiều dài 10Km. Mô phỏng cả hai Mô hình là một điện trở phi tuyến nên về nguyên lý có ̃ ̀ trương hơp̣ co va không co sư ̣ bảo vê ̣của SA ( Surge Arrester) chức năng giống như một nguồn dòng được điều chỉnh bởi ̀ ́ ̀ ́ để đánh giá tầm quang trọng của thiết bi ̣chống set van trên điện áp đặt vào hai cực. ́ lưới điêṇ . Hình 6 Sơ đồ nguyên lý của mô hình i3 i1 u3 u1 i4 u2 i2 u4 Conn1 current surge A A a A a A A A A A a A a A B B b B b B B B B B b B b B C C c C c C C C C C c C c C Three-Phase Source VOM 1 VOM 2 Three-Phase Three-Phase VOM 3 VOM 4 PI Section Line1 PI Section Line3 A B A B C C SA1 SA2 Out1 Out2 Out3 Out1 Out2 Out3 Continuous pow ergui Hình 7 Sơ đồ kết nối của mô hình mô phỏng
Qua kết quả đưa ra như t rong hình , xung dòng điêṇ do Giả định đường dây bị sét đánh bằng việc bơm một sét tao ra đã được SA chuyển xuống đất và điện áp vọt lố dưới xung dòng xung dòng 8/20s – 3kA vào giữa đường dây phân sư ̣ tác đôṇ g của dòng sét cảm ứ ng cũng đa ̃ bi ̣khử taị các vi ̣trí phối. Thông qua các VOM để đo dòng áp đăṭ taị các điểm đầu lắp đăṭ SA. Như vâỵ mô hình đươc̣ xây dưṇ g đa ̃ đáp ứ ng đươc̣ và cuối nguồn , kết quả thu đươc̣ đươc̣ thể hiêṇ qua các hình các đăc̣ tính cơ bản của môṭ SA như trong thưc̣ tế vâṇ hành . bên dưới IV. Kết luâṇ : Mô hình thiết bi ̣phát xung dòng điện sét và mô hình khối chống sét van đa ̃ đươc̣ xây dưṇ g thành công , chúng đáp ứng tốt những yêu cầu, đăc̣ điểm kỹ thuâṭ cơ bản đề ra. Mô hình có thể đươc̣ sử duṇ g trong các nghiên cứ u về hiêṇ tươṇ g sét đánh lan truyền trên đường dây truyền tải của hê ̣thống điêṇ . Đây là môṭ công cu ̣hữu ích cho các nhà nghiên cứ u cũng như các sinh viên dùng là m thí nghiêṃ khi các điều kiêṇ thưc̣ tế không thể thưc̣ hiêṇ đươc̣ do vấn đề kinh tế và trình độ an toàn không cho phép. V. Tài liệu tham khảo: Tiếng viêṭ (a) 1. PGS, TS Quyền Huy Ánh, giáo trình “Mô hình hóa mô phỏng”. 2. TS Hoàng Việt, “ Kỹ thuật điện cao áp” phần 2 TP.HCM 2001. 3. TS Hồ Văn Nhật Chương, “Đo lường Xung Điện Áp Cao”, NXB ĐHQG TP.HCM 2001 4. Chuyên đề “Lựa Chọn Chống Sét Lưới Phân Phối”, Ths Huỳnh Bá Minh, EVN 2003. 5. Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp “ Kỹ thuật điện cao áp “ , tác giả Nguyễn Minh Chước – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. 6. Tiêu chuẩn chống sét cho công trình xây dựng – (b) TCXDVN 46: 2007 7. Tiêu chuẩn chống sét quốc gia Pháp – NFC 17-102- 7/1995 8. Tiêu chuẩn chống sét quốc gia Úc và NewZealand – NZS/AS 1768-1991 9. tiêu chuẩn chống sét các công trình viễn thông – TCN 68 – 135 – 1995 Tổng cục bưu điện. 10. Cooper Power System, người dịch: Huỳnh Bá Minh, Lê Văn Tâm, “Bảo vệ hệ thống điện phân phối”. 11. Siemens, người dịch: Huỳnh Bá Minh, “Thiết bị đóng cắt trung áp”. (c) 12. Nguyễn Phùng Quang, “Matlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, NXB KHKT, Hà Nội_2004. 13. Catalogue và hướng dẫn sử dụng chống sét van của các hãng: GE, ABB, COOPER, SIEMENS, ELPRO, OHIO- BRASS. Tiếng nƣớ c ngoài 14. The Mathworks, Inc, User’s Guide, “Power System Blockset” for Use with SIMULINK, 1984-1999 . 15. Daniel W. Durbak, “Surge Arrester Modeling”, Power Technologies, Schenectady, New York. 16. Ikmo Kim, Toshihisa Funabashi, Haruo Sasaki, (d) Toyohisa Hagiwara, Misao Kobayashi, “Study of ZnO Hình 8 Kết quả mô phỏng của dòng điêṇ và điêṇ áp tác đôṇ g arrester model for steep front wave”, IEEE Transactions lên nguồn cung cấp on Power Delivery Vol.11, No.2, April 1996, pp 834- a) dòng điện phía nguồn khi không có sự bảo vệ của SA 841. b) dòng điện phía nguồn khi có sự bảo vệ của SA 17. W. Schmidt, J. Meppelink, B. Richter, “Behaviour of c) điêṇ áp của nguồn khi không có sự bảo vệ của SA MO-surge-Arrester Blocks to Fast Transients”, IEEE d) điêṇ áp phía nguồn khi có sư ̣ bảo vê ̣của SA Transactions on Power Delivery Vol.4, No.1, January 1989, pp 292-300.
18. IEEE Working group 3.4.11, “Modeling of metal oxide conference on power system transients, IPST’01, 20-24 surge arresters”, IEEE Transactions on Power Delivery June 2001, pp 144 Vol.7, No.1, Jan 1992, pp 302- 309. 21. IEEE surge protective devices committee report, 19. K. P. Mardira, T. K. Saha, “A Simplified lightning “Bibliography of metal oxide surge arresters, 1980- Model For Metal Oxide Surge Arrester”, The University 1989”, IEEE Transactions on Power Delivery Vol.8, of Queensland, Australia. No.3, July 1991, pp 1000-1034. 20. F. Fernández, R. Díaz, “Metal-oxide surge arrester 22. The Mathworks, Inc, “Using Simulink _Version 4”, model for fast transient simulation” International 1990-2000.
BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.