(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của mov cao áp

Một số đề tài nghiên cứu gần đây cũng đã phân tích hiệu quả bảo vệ của giải pháp chống quá điện áp do sét sử dụng chống sét van cao áp cho các trạm biến áp phân phối 22kV

LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ THẾ TÂN

NGHIÊN CỨU HIỆU QỦA BẢO VỆ QUÁ ÁP

CỦA MOV CAO ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 8520201

S K C0 0 6 5 7 7

LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ THẾ TÂN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ BẢO VỆ QUÁ ÁP

CỦA MOV CAO ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 8520201

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 5 năm 2020

LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ THẾ TÂN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ BẢO VỆ QUÁ ÁP

CỦA MOV CAO ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 8520201

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I SƠ LƯỢC

Họ & tên : Võ Thế Tân Giới tính: Nam

Ngày sinh : 16/03/1982 Nơi sinh: Đồng Nai

Quê quán : Đồng Nai Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: Tổ 32-K.Phước Hải-TT.Long Thành-T.Đồng Nai

Điện thoại : 0972989188 Email:vothetandni@gmail.com

Cơ quan : Trường Cao đẳng nghề Công nghệ cao Đồng Nai

Địa chỉ : 47-Tôn Đức Thắng-K.Phước Hải-TT.Long Thành-T.Đồng Nai

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Đại học:

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Thời gian: Từ 2001 đến 2005

Nơi học: Trường Đại học Lạc Hồng

Ngành học: Điện tử viễn thông

2 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian: Từ 28/8/2019 đến 4/2020

Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ thuật điện

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN

Thời gian Nơi công tác Công việc

Từ 28/8/2019 đến nay Trường Cao đẳng nghề Công nghệ

cao Đồng Nai Giảng viên

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 5 năm 2020

Người khai

Võ Thế Tân

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 5 năm 2020

Tác giả Luận Văn

Võ Thế Tân

LỜI CẢM TẠ

Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM để đạt được kết quả cuối cùng của luận văn, bản thân tôi muốn gửi lời tri ân, cảm ơn sâu sắc đến BGH nhà Trường, Phòng Đào tạo sau đại học, thầy cô, gia đình, đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt khóa học này Lời đầu tiên tôi xin cám ơn gia đình là sự động viên, tạo điều kiện để tôi tiếp tục học tập và hoàn thành công việc nghiên cứu đề tài

Tôi cũng chân thành cảm ơn Quý Công ty truyền tải điện đã cung cấp những tài liệu, số liệu liên quan thực tế đáp ứng được kết quả nghiên cứu như mong muốn Bản thân tôi rất mong kết quả nghiên cứu này có thể mang lại lợi ích phục vụ tốt hơn nữa cho ngành điện

Sau cùng, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Quyền Huy Ánh, người thầy đã hướng dẫn, tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận văn tốt nghiệp đúng thời gian

Lĩnh vực khoa học kỹ thuật điện có thể nói khối lượng thông tin là vô hạn, nhưng trong nghiên cứu đề tài này chỉ là một phần nhỏ khơi dậy ý tưởng nghiên cứu khoa học của tôi Do vậy, việc thực hiện đề tài này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự quan tâm, xem xét và đóng góp ý kiến quý báu của Quý thầy, cô để đề tài này được hoàn thiện hơn, được ứng dụng vào khảo sát trong thực tế./

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh , ngày 24 tháng 5 năm 2020

Tác giả Luận Văn

Võ Thế Tân

TÓM TẮT

Luận văn “Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp” đi sâu

nghiên cứu và giải quyết các vấn đề cụ thể sau:

 Xây dựng mô hình máy phát xung tiêu chuẩn 8/20µs;

 Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và thông số kỹ thuật của chống sét van cao áp dạng MOV cấp 220kV, 110kV và 22kV;

 Xây dựng mô hình HVLA (HVLA-Model Porting), trong môi trường Matlab có giao diện thân thiện, dễ sử dụng và có độ chính xác cao Mô hình HVLA của hãng Siemens, hãng ABB, hãng Cooper theo đề xuất có sai số điện áp dư nhỏ nhất là 0.46%

và cao nhất là 6.12% đều nằm trong giá trị sai số cho phép (<10%);

 Xây dựng mô hình trạm biến áp Long Thành 250MVA 220kV/110kV, 40MVA 115/23kV có trang bị HVLA của hãng Cooper và đánh giá hiệu quả bảo vệ quá áp do sét phía 220kV, phía 115kV và phía 23kV Tất cả các giá trị điện áp đầu cực MBA đều thấp hơn giá trị điện áp cách điện xung cho phép qui định bởi TCVN 6306-3:2006

Kết quả nghiên cứu của luận văn được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các Công ty Truyền tải điện và các NCS, các học viên cao học Ngành Kỹ thuật điện trong nghiên cứu các biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho máy biến áp khu vực trong lưới điện truyền tải

ABSTRACT

The thesis "Researching the overvoltage protection efficiency of high-voltage MOV" researches and resolves the following specific issues:

 Building a standard surge generator model of 8/20µs waveform;

 Research the structure, working principles and specifications of high-voltage arrester valves of MOV type at 220kV, 110kV and 22kV;

 Building HVLA model (HVLA-Model Porting), in Matlab environment, has friendly interface, easy to use and has high accuracy The proposed HVLA model for HVLA of Siemens, ABB, and Cooper companies, has the smallest residual voltage error is 0.46% and the highest is 6.12%, all within the allowed error value (<10%);

 Building models of Long Thanh 250MVA 220kV / 110kV, 40MVA 115 / 23kV substations equipped with Cooper HVLA and evaluated the effectiveness of surge overvoltage protection at 220kV, 115kV and 23kV All transformer terminal voltage values are lower than the values of the impulse insulated voltage specified by TCVN 6306-3: 2006

The research results of the thesis are used as a reference for Power Transmission Company and PhD students, Master's degree students in Electrical Engineering in studying measures of surge overvoltage protection for main substations in the transmission grid

CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Mô tả

MOV Điện trở Oxit kim loại

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i

LÝ LỊCH KHOA HỌC ii

I SƠ LƯỢC ii

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO ii

1 Đại học: ii

2 Thạc sĩ: ii

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN ii

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM TẠ iv

TÓM TẮT v

ABSTRACT vi

CHỮ VIẾT TẮC vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH xii

Chương 1 1

MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cần thiết của đề tài 1

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.2.1 Các nghiên cứu nước ngoài 2

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước 3

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu 4

1.4 Giới hạn của đề tài 5

1.5 Tính mới của đề tài 5

1.6 Tính thực tiễn 5

1.7 Phương pháp nghiên cứu 5

1.8 Nội dung của đề tài 6

Chương 2 7

TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP 7

2.1 Đặt vấn đề 7

2.2 Chống sét van cao áp (HVLA) 7

2.2.1 Dẫn nhập 7

2.2.2 Các đặc tính của MOV 8

2.2.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của MOV 9

2.3 Phân loại HVLA 9

2.3.1 Theo công nghệ thiết kế 9

2.3.2 Theo cấp bảo vệ 10

2.4 Các chức năng của HVLA 11

2.5 Thông số kỹ thuật chính của HVLA 12

2.6 Điều kiện lựa chọn HVLA 13

Chương 3 14

MÔ HÌNH MÁY PHÁT XUNG DÒNG VÀ CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP 14

3.1 Đặt vấn đề 14

3.2 Dạng xung dòng sét tiêu chuẩn 14

3.2.1 Thời gian đầu sóng T1 15

3.2.2 Thời gian toàn sóng T2 15

3.2.3 Điểm gốc giả định O1 15

3.2.4 Dung sai 15

3.3 Mô hình toán dạng xung dòng tiêu chuẩn 15

3.3.1 Xác định quan hệ giữa b/a và t2/t1 16

3.3.2 Xác định quan hệ giữa b/a và at1 16

3.3.3 Xác định quan hệ giữa b/a và at1 17

3.3.4 Sơ đồ khối máy phát xung dòng tiêu chuẩn 17

3.3.5 Mô phỏng xung dòng tiêu chuẩn dạng sóng 8/20µs 19

3.4 Mô hình HVLA cải tiến (HVLA- Model Porting) 20

3.4.1 Mô hình toán HVLA theo đề xuất của IEEE 20

3.4.2 Mô hình toán HVLA cải tiến (Model Porting) 22

3.5 Mô hình HVLA cải tiến (HVLA-Model Porting) trong Matlab 24

3.5.1 Xây dựng mô hình phần tử phi tuyến A0, A1 24

3.5.2 Xây dựng mô hình HVLA cải tiến 25

3.6 Đánh giá sai số mô hình HVLA 28

3.6.1 Đặt vấn đề 28

3.6.2 Mạch mô phỏng điện áp dư 28

3.6.3 Thông số các HVLA được khảo sát 29

3.6.4 Đánh giá sai số mô hình HVLA của Matlab cải tiến 29

Chương 4 32

KHẢO SÁT HIỆU QUẢ BẢO VỆ QUÁ ÁP DO SÉT TẠI TBA 220kV/110kV VÀ TBA 115kV/23kV TRẠM LONG THÀNH 32

4.1 Các thông tin chung về TBA Long Thành 32

4.1.1 Vị trí địa lý của trạm 32

4.1.2 Qui mô lưới điện 32

4.1.3 Các HVLA ở các cấp điện áp 34

4.1.4 Kiểm tra độ chính xác mô hình HVLA của Hãng Cooper 34

4.2 Mô phỏng điện áp dư của trạm biến áp 250MVA 230kV/115kV 36

4.2.1 Trường hợp xung sét đi vào phía 220kV 39

4.2.2 Trường hợp xung sét đi vào phía 110kV 41

4.3 Mô phỏng điện áp dư của TBA Long Thành 40MVA 115kV/23kV 43

4.3.1 Trường hợp xung sét đi vào phía 115kV 45

4.3.2 Trường hợp xung sét đi vào phía 23kV 46

Chương 5 48

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 48

5.1 Kết luận 48

5.2 Hướng nghiên cứu phát triển 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC 51

Phụ lục A Thông số kỹ thuật HVLA của hãng ABB 51

Phụ lục B Thông số kỹ thuật HVLA của hãng Cooper 54

Phụ lục C Thông số kỹ thuật HVLA của hãng Siemens 55

Phụ lục D Sơ đồ trạm Long Thành 57

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Sai số biên độ xung dòng tiêu chuẩn 8/20µs 20

Bảng 3.2 Đặc tuyến V-I của A0 và A1 24

Bảng 3.3 Thông số HVLA của hai Hãng ABB và Siemens 29

Bảng 3.3 Điện áp dư ứng với xung 10kA 8/20µs của các HVLA khảo sát 30

Bảng 4.1 Thông số các HVLA của Hãng Cooper 34

Bảng 4.2 Điện áp dư ứng với xung 10kA 8/20µs của các HVLA Cooper 36

Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng điện áp dư VLA và điện áp đầu cực MBA phía 220kV 41

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Đặc tính V-I của MOV 8

Hình 2.2 Công nghệ thiết kế HVLA cao áp 10

Hình 2.3 Hình dạng của HVLA 11

Hình 3.1 Xung dòng tiêu chuẩn dạng 8/20 µs 14

Hình 3.2 Các thành phần của xung dòng tiêu chuẩn 15

Hình 3.3 Đường cong quan hệ b/a = f1(t2/t1) 16

Hình 3.4 Đường cong quan hệ b/a = f2(at2) 16

Hình 3.5 Đường cong quan hệ b/a = f3(I1/I) 17

Hình 3.6 Sơ đồ khối máy phát xung dòng tiêu chuẩn 17

Hình 3.7 Biểu tượng mô hình máy phát xung dòng tiêu chuẩn 18

Hình 3.8 Lập Icon của máy phát xung dòng tiêu chuẩn 18

Hình 3.9 Các thông số của mô hình máy phát xung dòng tiêu chuẩn 18

Hình 3.10 Mô tả mô hình máy phát xung dòng tiêu chuẩn 19

Hình 3.11 Mô phỏng xung dòng tiêu chuẩn 8/20µs 19

Hình 3.12 Giao diện nhập thông số xung dòng tiêu chuẩn 10kA 8/20µs 19

Hình 3.13 Xung dòng tiêu chuẩn 3kA, 5kA, 10kA, 20kA, 40kA dạng 8/20µs 20

Hình 3.14 Đặc tuyến V-I của các phần tử A0 và A1 21

Hình 3.15 Mô hình của HVLA theo đề xuất của IEEE 21

Hình 3.16 Các điện trở được loại bỏ 23

Hình 3.17 Lưu đồ xác định giá trị L1 và L0 23

Hình 3.18 Sơ đồ khối của phần tử phi tuyến A0 24

Hình 3.19 Biểu tượng mô hình điện trở phi tuyến của HVLA cải tiến 25

Hình 3.20 Sơ đồ mô hình HVLA cải tiến 25

Hình 3.21 Biểu tưởng mô hình HVLA cải tiến 26

Hình 3.22 Giao diện khai báo thông số của mô hình HVLA 26

Hình 3.23 Giao diện mô tả mô hình HVLA 26

Hình 3.24 Giao diện mô tả các dòng lệnh trong mô hình HVLA 27

Hình 3.25 Giao diện tạo icon cho mô hình HVLA 27

Hình 3.26 Giao diện nhập thông số của mô hình HVLA 28

Hình 3.27 Mạch mô phỏng điện áp dư của mô hình HVLA 29

Hình 3.28 Giao diện nhập thông số của mô hình HVLA PoLim-HM18 và của xung dòng 10kA 8/20µs 30

Hình 3.29 Điện áp dư ứng với xung dòng 10kA 8/20µs của HVLA mã PoLim-HM18 30

Hình 3.30 Giao diện nhập thông số của mô hình HVLA PoLim-HM18 và của xung dòng 10kA 8/20µs 31

Hình 3.31 Điện áp dư ứng với xung dòng 10kA 8/20µs của HVLA mã PoLim-HM18 31

Hình 4.1 Mạch mô phỏng điện áp dư của mô hình HVLA Cooper 35

Hình 4.2 Giao diện nhập thông số của mô hình HVLA VariSTAR UXL_18 và của xung dòng 10kA 8/20µs 33

Hình 4.3 Điện áp dư ứng với xung dòng 10kA 8/20µs của HVLA mã VariSTAR UXL_18 36

Hình 4.4 Mạch mô phỏng trạm biến áp Long Thành 37

Hình 4.5 Thông số nguồn 230kV 37

Hình 4.6 Thông số máy biến áp 250MVA 230/121kV 37

Hình 4.7 Thông số tuyến dây 220kV 38

Hình 4.8 Thông số HVLA VariStar UXL_192 38

Hình 4.9.Thông số tuyến dây 110kV 38

Hình 4.10 Thông số HVLA VariStar UXL_96 38

Hình 4.11 Điện áp dư VLA của HVLA 192kV ứng trường hợp xung sét tác động ở vị trí cách 20m so với thanh góp 220kV tại trạm biến áp 39

Hình 4.12 Điện áp đầu cực MBA VT1 phía 220kV ứng trường hợp xung sét tác động ở vị trí cách 20m so với thanh góp 220kV tại trạm biến áp 40

Hình 4.13 Điện áp dư VLA của HVLA 220kV ứng trường hợp xung sét tác động tại thanh góp 220kV tại trạm biến áp 40

Hình 4.14 Điện áp đầu cực MBA VT1 ứng trường hợp xung sét tác động tại thanh góp 220kV tại trạm biến áp 41

Hình 4.15 Điện áp dư VLA của HVLA 96kV ứng trường hợp xung sét tác động tại thanh góp 110kV của trạm biến áp 42

Hình 4.16 Điện áp đầu cực MBA VT2 phía 110kV ứng trường hợp xung sét tác động tại thanh góp 110kV của trạm biến áp 42

Hình 4.17 Mạch mô phỏng trạm biến áp Long Thành 40MVA 115kV/23kV 43

Hình 4.18 Thông số nguồn 115kV 43

Hình 4.19 Thông số máy biến áp 40MVA 115/23kV 43

Hình 4.20 Thông số tuyến dây 110kV 44

Hình 4.21 Thông số HVLA VariStar UXL_96 44

Hình 4.22.Thông số tuyến dây 23kV 44

Hình 4.23 Thông số HVLA VariStar UXL_18 44

Hình 4.24 Điện áp dư VLA của HVLA 96kV ứng trường hợp xung sét tác động ở

vị trí cách 0m so với thanh góp 115kV tại trạm biến áp 45 Hình 4.25 Điện áp đầu cực MBA VT1 phía 115kV ứng trường hợp xung sét tác động ở vị trí cách 0m so với thanh góp 115kV tại trạm biến áp 45 Hình 4.26 Điện áp dư VLA của HVLA 18kV ứng trường hợp xung sét tác động tại thanh góp 23kV của trạm biến áp 46 Hình 4.27 Điện áp đầu cực MBA VT2 phía 23kV ứng trường hợp xung sét tác động tại thanh góp 23kV của trạm biến áp 46

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cần thiết của đề tài

Tại khu công nghiệp Nhơn Trạch, trạm biến áp (TBA) 220kV/110kV/22kV Long Thành thuộc Truyền tải điện Miền Đông 1 trực thuộc Công ty Truyền tải điện

4 quản lý Đây là khu vực có mật độ hoạt động dông sét khá cao nên tăng khả năng rủi ro thiệt hại do sét khi sét đánh trực tiếp hay sét cảm ứng vào đường dây gồm: 8 lộ 220kV đi nổi, 12 lộ 110kV đi nổi, 10 lộ 22kV đi ngầm, 02 MBA 220kV/110kV, 02 MBA 110kV/22kV Vì vậy, việc đề ra giải pháp bảo vệ quá điện áp cho máy biến áp

và các thiết bị cao áp và trung áp trong trạm biến áp 220kV Long thành là rất quan trọng

Hiện tại, nhằm giảm hư hỏng do sét gây ra cho trạm biến áp 220kV/110kV/22kV Long Thành, Truyền tải điện Miền Đông 1 có rất nhiều biện pháp như: gắn các chống sét van trên tất cả các phát tuyến 220kV và 110kV Tuy nhiên, hiệu quả bảo vệ quá

áp do sét gây ra chưa được đánh giá một cách chi tiết và đầy đủ

Một số đề tài nghiên cứu gần đây cũng đã phân tích hiệu quả bảo vệ của giải pháp chống quá điện áp do sét sử dụng chống sét van cao áp cho các trạm biến áp phân phối 22kV thông qua phương pháp mô hình hóa và mô phỏng nhằm đề xuất số lượng và khoảng cách lắp đặt hợp lý của chống sét van trung áp Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình chống sét van cấp 220kV và 110kV có tính tương đồng cao so với nguyên mẫu và việc đánh giá hiệu quả bảo vệ cho trạm biến áp khu vực Long Thành – Nhơn Trạch 220kV/110kV/22kV chưa được xem xét và nghiên cứu một cách đầy đủ

Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài: “Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp” đi sâu vào nghiên cứu và xây dựng mô hình HVLA (HVLA) cấp

220kV, cấp 110kV, cấp 22kV và đánh giá hiệu quả bảo vệ của phương án bố trí HVLA bảo vệ trạm biến áp khu vực 250MVA 220kV/110kV và 40MVA 115/23kV Long Thành

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Các nghiên cứu nước ngoài

1 Evaluation of metal oxide surge arrester models based on laboratory experiments; G A Alonso, S Cardenas, B Alba; International Journal of Mechanical And Production Engineering, ISSN: 2320-2092, Volume- 5, Issue-1, Jan.-2017 Bài báo này trình bày phương thức xây dựng mô hình chống sét van kiểu oxit kim loại bằng phần mềm ATP trên cơ sở các thông số thử nghiệm

2 Analysis of MOV Surge Arrester Models by using Alternative Transient Program ATP/EMTP; Vishal R Rakholiya, Dr H R Sudarshana Reddy; IJSTE - International Journal of Science Technology & Engineering | Volume 3 | Issue 02 | August 2016

Bài báo này trình bày cách xây dựng mô hình chống sét van với sự trợ giúp của phần mềm ATP/EMTP

3 Comparison of IEEE and Pinceti Models of Surge Arresters, Mehdi Nafar, Ghahraman Solookinejad, Masoud Jabbari, Research Journal of Engineering Sciences, Vol 3(5), 32-34, ISSN 2278 – 9472, May (2014)

Bài báo này so sánh hai mô hình chống sét van theo đề xuất của IEEE và của Picenti Các mô hình này được xây dựng bằng phần mềm EMTP

4 Simulations of lightning overvoltages in HV electric power system for various surge arresters and transmission lines models; Piotr Oramus, Marek Florkowski; Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R 90 NR 10/2014 Bài báo này mô phỏng quá điện áp do sét khi sét đánh vào đường dây truyền tải

và sét đánh vào đỉnh cột với các mô hình chống sét van và mô hình đường dây truyền tải khác nhau

5 Simplified Modeling of Metal Oxide Surge Arresters; Pramuk Unahalekhaka; 11th Eco-Energy and Materials Science and Engineering (11th EMSES), Energy Procedia 56 ( 2014)

Bài báo này trình bày cách xây dựng mô hình chống sét van theo đề xuất của

P-K với sự trợ giúp của phần mềm ATP/EMTP Sai số lớn nhất là 5,39%

6 Parameters’ selection for metal oxide surge arresters models using genetic algorithm; P.F Evangelides, C.A Christodoulou, I.F Gonos, I.A Stathopulos; 30th International Conference on Lightning Protection - ICLP 2010

Bài báo này trình bày phương thức lựa chọn thông số cho mô hình chống sét van sử dụng giải thuật GEN

Các công trình nghiên cứu nêu trên đều xây dựng mô hình chống sét với sự trợ giúp của phần mềm ATP hay EMTP Tuy nhiên, hiện nay phần mềm Matlab sử dụng phổ biến tại các trường đại học trong nước vì vậy việc xây dựng mô hình chống sét van trong môi trường Matlab là cần thiết

Ngoài ra, các mô hình chống sét van nêu trên chưa tính đến tổng trở dây nối giữa chống van và dây pha, giữa chống sét van và đất nên việc cải tiến mô hình chống sét van có xét đến yếu tố này là yêu cầu bức thiết

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước

1 Nghiên cứu và lập mô hình mô phòng chống sét van kiểu MOV trên lưới trung thế; Lê Vũ Minh Quang; LV ThS, Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, 2004 Công trình này trình bày phương thức xây dựng mô hình chống sét van trung áp dựa trên đề xuất của IEEE

2 Nghiên cứu và lập mô hình mô phỏng thiết bị chống sét van trên lưới trung thế; Võ Thị Thảo Phương; LV ThS, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh,

Công trình này tính toán vị trí lắp đặt tối ưu chống sét van bảo vệ cách điện máy biến áp trong trường hợp trạm có một máy và hai máy biến áp

5 Mô hình biến trở oxit kẽm cho các nghiên cứu về sự phối hợp cách điện; Nguyễn Thị Lệ Hải; LV ThS, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2013 Công trình này xây dựng mô hình biến trở oxyt kẽm cho các nghiên cứu phối hợp bảo vệ cách điện khi xuất hiện quá áp do sét

6 Nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện Phú tân, tỉnh Cà Mau; Mai Nguyễn Trưởng; LV ThS, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp

Hồ Chí Minh, 2017

Công trình này trình bày cách sử dụng mô hình chống sét van trung áp theo đề xuất của P-K và giải pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau

Các công trình nghiên cứu trên đây xây dựng mô hình chống sét van trung áp theo đề xuất của IEEE, IEEE cải tiến, P-K, Picenti trong môi trường Matlab nhưng chưa xét đến tính đến tổng trở dây nối giữa chống van và dây pha, giữa chống sét van

và đất nên việc cải tiến mô hình chống sét van có xét đến yếu tố này là yêu cầu bức thiết

Luận văn sẽ xây dựng mô hình chống sét van cao áp (HLVA) theo đề xuất của Fernandez, Diaz, and Model Porting Đồng thời đánh giá hiệu quả bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV/110kV/22kV Long Thành trực thuộc Công ty Truyền tải điện Miền Đông 1 quản lý

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

 Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét liên quan đến chống sét van cao áp;

 Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và thông số kỹ thuật của chống sét van cao áp dạng MOV (HVLA) cấp 220kV, cấp 110kV và cấp 22kV;

 Nghiên cứu và xây dựng mô hình HVLA cải tiến (HVLA - Model Porting) trong môi trường Matlab;

 Xây dựng mô hình máy phát xung tiêu chuẩn 8/20µs;

 Đánh giá độ chính xác của mô hình HVLA đề xuất cho HVLA của Siemens, của ABB, và của Cooper bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng;

 Đánh giá hiệu quả bảo vệ quá áp do sét cho trạm biến áp khu vực 250MVA 220kV/110kV và 40MVA 115/23kV Long Thành

1.4 Giới hạn của đề tài

 Nghiên cứu và xây dựng mô hình HVLA cải tiến (HVLA-Model Porting) trong môi trường Matlab;

 Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả bảo vệ quá áp do sét cho trạm biến áp khu vực 250MVA 220kV/110kV và 40MVA 115/23kV Long Thành

1.5 Tính mới của đề tài

 Xây dựng mô hình HVLA cải tiến (HVLA-Model Porting) và mô hình máy phát xung 8/20µs có giao diện thân thiện và dễ sử dụng trong môi trường Matlab, có độ chính xác cao so với nguyên mẫu;

 Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả bảo vệ quá điện áp do sét bằng phương pháp

mô hình hóa và mô phỏng cho trạm biến áp 250MVA 220/110kV và 40MVA 115/23kV Long Thành

1.6 Tính thực tiễn

 Kết quả nghiên cứu được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các Công ty Truyền tải điện, các NCS và các học viên cao học Ngành Kỹ thuật điện trong nghiên cứu các biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho sứ cách điện và cho cách điện máy biến

áp khu vực trong lưới điện truyền tải

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng các phương pháp sau:

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Sử dụng các tài liệu có sẵn, các tài liệu trên Internet, các bài báo khoa học, để phục vụ cho để tài nghiên cứu;

 Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến của các giáo viên hướng dẫn, các giảng viên và các chuyên gia trong lĩnh vực chống sét;

 Phương pháp mô hình hóa – mô phỏng: Sử dụng công cụ Simulink và công cụ SimPowerSystem của phần mềm Matlab phục vụ bài toán nghiên cứu;

 Phương pháp phân tích và tổng hợp: Phân tích và tổng hợp các kết quả nghiên cứu và đưa ra kết luận và hướng nghiên cứu phát triển đề tài

1.8 Nội dung của đề tài

Chương 1: Mở Đầu

Chương 2: Tổng quan về chống sét van cao áp

Chương 3: Mô hình máy phát xung dòng và chống sét van cao áp

Chương 4: Khảo sát và đánh giá hiệu quả bảo vệ quá áp do sét cho TBA

220kV/110kV và TBA 115kV/22kV Long Thành

Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển đề tài

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

do quá điện áp này có giá trị rất lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị

Các vấn đề cần quan tâm khi tính toán và thiết kế bảo vệ quá áp bao gồm:

 Thiết kế tổng quan lưới điện;

 Cấp cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị;

 Chọn chủng loại, vị trí lắp đặt thiết bị bảo vệ quá điện áp

Quy trình thiết kế bảo vệ quá áp dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng quá áp của các thiết bị và thường bao gồm hai bước sau:

 Thiết kế lưới điện thích hợp để có thể kiểm soát và hạn chế tối thiểu quá áp;

 Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp, thường là chống sét van

2.2 Chống sét van cao áp (HVLA)

2.2.1 Dẫn nhập

Các chủng loại chống sét van cao áp hiện có bao gồm: chống sét van silicon có khe hở, chống sét van oxit kim loại lại có/không khe hở Tất cả các loại chống sét van cao áp này đều hoạt động theo nguyên tắc: có trở kháng cao ở điện áp có giá trị bình thường và trở thành trở kháng thấp trong điều kiện quá áp vượt quá điện áp ngưỡng vận hành Từ đó, nhanh chóng tản nhanh năng lượng sét xuống dất và giới hạn quá điện áp do sét trên thiết bị được bảo vệ

Mặc dù các chống sét van cao áp có cấu tạo là biến trở làm bằng Silicon-Cacbua (SiC) vẫn còn được sử dụng; nhưng hiện nay các chống sét van cao áp ngày nay thường là loại có cấu tạo là biến trở làm bằng oxit kim loại (MOV) không có khe hở

2.2.2 Các đặc tính của MOV

Metal Oxide Varistor (MOV) là phần tử có đặc tuyến V-I phi tuyến và hoạt động về điện giống như hai diode đấu ngược lại (Back – to – Back) Với đặc tính đối xứng, đặc tính vùng đánh thủng (về điện) rất dốc cho phép MOV có tính năng khử xung quá điện áp do sét hoàn hảo

Trong điều kiện bình thường MOV là thành phần có trở kháng cao gần như hở mạch Khi xuất hiện xung quá áp do sét cao, MOV sẽ nhanh chóng trở thành đường dẫn trở kháng thấp để dẫn xung sét xuống đất Phần lớn năng lượng xung sét được hấp thu bởi MOV cho nên các phần tử được bảo vệ tránh hư hại

Thành phần cơ bản của MOV là các hạt ZnO 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

Đặc tính V-I của MOV trình bày ở Hình 2.1 Phương trình quan hệ V-I của MOV có dạng hàm mũ (2.1):

Nguyên lý bảo vệ của MOV thể hiện qua điện áp phụ thuộc giá trị điện trở:

Theo đề nghị của Manfred Holzer và Willi Zapsky, xấp xỉ hoá đặc tính V/I của biến trở được quan hệ giữa điện áp và dòng điện trình bày ở biểu thức (2.5):

log V = B1 + B2 log( I) + B3· e -log ( I) + B4 e log ( I) với I > 0 (2.5) Hay 𝑉 = 10𝐵 1 +𝐵 2 log(𝐼)+𝐵 3 𝑒− log(𝐼)+ 𝐵 4 𝑒log⁡(𝐼) (2.6) Các phần tử MOV, trong chế tạo chống sét van cao áp, có khả năng tản xung sét 5kA 8/20µs, 10kA 8/20µs, 20kA 8/20µs và thời gian đáp ứng vào khoảng 25ns (không kể chiều dài dây nối)

2.2.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của MOV

 Dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp ngang qua MOV vượt quá điện áp ngưỡng;

 Giới hạn sự biến động của điện áp trong phạm vi cho phép;

 Về cơ bản sẽ ngừng dẫn ở rất gần điện áp mà tại đó bắt đầu dẫn

2.3 Phân loại HVLA

2.3.1 Theo công nghệ thiết kế

Chống sét van cao áp loại không khe hở được chế tạo theo 3 cách (Hình 2.2):

 Lõi đặc (Solid core design): Các khối MOV được sắp xếp trước trong “Mô đun thiết kế rắn” Các mô đun có cấu trúc dệt được gia cố bằng sợi thủy tinh và đổ silicon để đảm bảo tính linh hoạt cao theo yêu cầu của khách hàng Thường chống sét van cao áp chế tạo theo công nghệ lõi đặc áp dụng cho cấp điện áp đến 170kV;

 Lồng (Cage design): Lồng của các thanh FRP bao quanh các khối MOV, các thanh FRP được cố định vào các điện cực bằng các kẹp có bằng sáng chế; các khối silione được gắn trực tiếp vào các khối MOV không cần có khí, không cần niêm phong và giảm áp Thường chống sét van cao áp chế tạo theo công nghệ lồng áp dụng cho cấp điện áp đến 420kV;

 Ống (Tube design): Ống FRP với thể tích khí kèm theo (cách điện rỗng), khối silicone được đúc trực tiếp lên ống FRP Thường chống sét van cao áp chế tạo theo công nghệ lồng áp dụng cho cấp điện áp đến 550kV

Hình 2.2 Công nghệ thiết kế HVLA cao áp

2.3.2 Theo cấp bảo vệ

Theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE C62.11-2012, chống sét van được chia thành ba loại cơ bản:

 Cấp bảo vệ trạm biến áp: có điện áp dư nhỏ nhất (do đó điện áp đặt trên thiết

bị khi xảy ra phóng điện sẽ thấp) và như thế sẽ cung cấp mức bảo vệ cao nhất Theo tiêu chuẩn, loại này có định mức từ 3kV đến 648kV và phải có tính năng an toàn áp lực

 Cấp trung gian: có điện áp định mức từ 3kV đến 120kV Loại chống sét van này có đặc tính bảo vệ tốt hơn chống sét van cấp phân phối Tính năng an toàn 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 không có thiết bị an toàn áp lực

 Cấp phân phối: được sử dụng phổ biến nhất, xác định bởi tiêu chuẩn là chống sét có định mức từ 1kV đến 30kV So với các cấp khác, chống sét van cấp phân phối có điện áp dư cao nhất, tương ứng với một xung đầu vào cho trước Không có yêu cầu về bộ an toàn áp lực

Hình dạng của HVLA ở các cấp điện áp khác nhau trình bày ở Hình 2.3

Hình 2.3 Hình dạng của HVLA

2.4 Các chức năng của HVLA

 Không cho phép dòng điện tản xuống đất khi điện áp hệ thống ở trạng thái bình thường;

 Cung cấp một đường dẫn đến mặt đất, khi điện áp hệ thống tăng lên một ngưỡng điện áp định trước;

 Tiêu tán năng lượng sét mà không làm tăng điện áp của mạng điện đang hoạt động;

 Dừng tản dòng sét xuống đất, ngay khi điện áp hệ thống giảm xuống dưới giá trị định trước và khôi phục chất lượng cách điện giữa dây dẫn và đất;

 Không bị hư hại bởi việc xả dòng sét và có khả năng tự động lặp lại quá trình xả dòng sét thường xuyên khi được yêu cầu

2.5 Thông số kỹ thuật chính của HVLA

Các thông số kỹ thuật của chính HVLA bao gồm:

 Vật liệu vỏ: Silicone Rubber/Porcelain;

 Điện áp định mức Ur(kV): Theo tiêu chuẩn IEC, điện áp định mức (Ur) là điện áp mà HVLA chịu được trong 10 giây sau được làm nóng đến 60°C và chịu năng lượng do dòng sét theo quy định trong tiêu chuẩn;

 Điện áp cực đại Us(kV): Điện áp lớn nhất giữa các pha ở chế độ vận hành bình thường;

 Tần số định mức (Hz): 50Hz;

 Điện áp làm việc liên tục MCOV (VMCOV -Vrms): Điện áp hiệu dụng tối đa cho phép ở tần số nguồn có thể được áp dụng liên tục giữa các thiết bị đầu cuối của HVLA Điện áp này được xác định theo các cách khác nhau qui định theo IEC và IEEE;

 Điện áp quá áp tạm thời trong 10 giây TOV (VTOV -Vrms): Quá điện áp áp tần

số 50Hz dao động trong thời gian tương đối dài (từ một vài chu kỳ đến vài giờ) Dạng TOV phổ biến nhất xảy ra trên các pha bình thường và một pha chạm đất hay cắt tải, cộng hưởng sắt từ, v.v

 Dòng điện phóng định mức In(kA): Giá trị cực đại của xung dòng sét được sử dụng để phân loại bộ chống sét;

 Dòng điện phóng đỉnh Ip(kA);

 Cấp phóng điện theo IEC: Cấp phân phối (IEC designations: DL, DM, DH) sử dụng cho mạng điện Us≤ 52 kV, Cấp trạm (IEC designations: SL, SM, SH) bảo vệ quá áp do sét cho các thiết bị cho mạng điện Us ≥ 72.5 kV;

 Khả năng hấp thụ năng lượng tối thiểu (kJ/kV*Ur): Năng lượng mà một thiết

bị chống sét có thể hấp thụ, trong một hoặc nhiều xung, không bị hư hại và không mất ổn định nhiệt Khả năng hấp thu năng lượng của thiết bị chống sét là khác nhau

tùy thuộc vào loại, thời gian và nhóm các xung áp dụng cũng như những gì xảy ra sau đó (IEC 60099-4);

 Điện áp dư lớn nhất với xung sét tiêu chuẩn 8/20μs Vr(kV): Giá trị cực đại của điện áp xuất hiện giữa các cực của thiết bị chống sét trong quá trình dòng điện phóng qua nó Điện áp dư phụ thuộc vào cả cường độ và dạng sóng của dòng phóng

2.6 Điều kiện lựa chọn HVLA

Các bước xác định UMCOV và UTOV:

 Bước 1: Xác định điện áp pha định mức của lưới điện:

𝑈𝑝 = 𝑈𝑛

√3

 Bước 2: Xác định điện áp vận hành cực đại của hệ thống:

𝑈𝑚 = 𝑈𝑛+ ∆𝑈

 Bước 3: Xác định hệ số chạm đất KE:

KE=1,4 đối với hệ thống TT, TN

 Bước 4: Xác định điện áp quá áp tạm thời (TOV):

Mục đích của nghiên cứu này đề xuất các bước xây dựng hai mô hình nêu trên

và tiến hành so sánh độ chính xác của các mô hình máy phát xung sét dựa trên sai số về biên độ, độ dốc đầu sóng, độ dốc đuôi sóng qui định bởi tiêu chuẩn và độ chính xác của mô hình HVLA dựa trên sai số điện áp dư bằng phương pháp mô hình hóa -

mô phỏng và số liệu cung cấp bởi nhà sản xuất

3.2 Dạng xung dòng sét tiêu chuẩn

Dạng xung dòng tiêu chuẩn (Hình 3.1) được qui định trong tất cả các tiêu chuẩn trong và ngoài nước về bảo vệ chống quá áp đột biến do sét Các thông số của xung dòng tiêu chuẩn bao gồm:

Hình 3.1 Xung dòng tiêu chuẩn dạng 8/20 µs

3.2.1 Thời gian đầu sóng T 1

Thời gian đầu sóng T1 của dòng điện xung sét là một tham số giả định được xác định bằng 1,25 lần khoảng thời gian T giữa các thời điểm khi xung là 10% và 90% của giá trị đỉnh (Hình 3.1)

3.2.2 Thời gian toàn sóng T 2

Thời gian toàn sóng T2 của dòng điện xung sét là một tham số giả định được xác định bằng khoảng thời gian giữa điểm gốc giả định O1 và thời điểm khi điện áp đã giảm tới nửa giá trị đỉnh

 Thời gian đầu sóng: 10%

 Thời gian tới nửa giá trị sóng: 10%

3.3 Mô hình toán dạng xung dòng tiêu chuẩn

Xung dòng tiêu chuẩn được mô tả bởi biểu thức:

) (

) ( t I e at e bt

Xung dòng bao gồm 2 hàm mũ: Ie-at và Ie-bt (Hình 3.2):

Hình 3.2 Các thành phần của xung dòng tiêu chuẩn

Giá trị của I, a, b từ biểu thức (3.1) có giá trị khác nhau với từng dạng xung dòng chuẩn từ các giá trị: giá trị đỉnh I1, thời gian đạt đỉnh t1, thời gian đạt ½ giá trị đỉnh t2 thông qua các đường cong chuẩn (Hình 3.3, Hình 3.4, Hình 3.5)

Để thuận lợi cho việc lập trình, sử dụng công cụ Curve Fitting Toolbox của phần mềm Matlab để xác định quan hệ giữa các đại lượng

3.3.1 Xác định quan hệ giữa b/a và t 2 /t 1

(b/a)=2,859e-005(t2/t1)4–0,004598(t2/t1)3+0,2502.(t2/t1)2 +3,914(t2/t1) – 9,286 (3.2)

Hình 3.3 Đường cong quan hệ b/a = f1(t2/t1)

3.3.2 Xác định quan hệ giữa b/a và f 2 at 1

(at1)=[4,5352(b/a)2–4,644(b/a)+22,45)]/[(b/a)3+8,66(b/a)2–20,37(b/a)+39,65] (3.3)

Hình 3.4 Đường cong quan hệ b/a = f2(at1)

3.3.3 Xác định quan hệ giữa b/a và I 1 /I

(I 1 /I)=[0,9925(b/a) 3 –3,255(b/a) 2 +1,809(b/a)+2,935]/[(b/a) 3 +1,353(b/a) 2 –16,02(b/a)+24,51]. (3.4)

Hình 3.5 Đường cong quan hệ b/a = f3(I1/I)

3.3.4 Sơ đồ khối máy phát xung dòng tiêu chuẩn

Từ tỷ số (t2/t1) và phương trình (3.2) tìm được tỷ số (b/a), thay giá trị này vào các phương trình (3.3) và (3.4); tìm được các giá trị cần tìm là a, b

Sơ đồ khối máy phát xung dòng tiêu chuẩn trình bày ở Hình 3.6

Nhóm các khối vào khối Subsystem, sử dụng Edit Mask xây dựng khối này thành nguồn phát xung dòng tiêu chuẩn có biên độ và dạng sóng được nhập bởi người sử dụng (Hình 3.7)

Hình 3.6 Sơ đồ khối máy phát xung dòng tiêu chuẩn

Hình 3.7 Biểu tượng mô hình máy phát xung dòng tiêu chuẩn

Sử dụng Edit Mask để tạo:

 Giao diện tạo Icon của máy phát xung dòng tiêu chuẩn trình bày ở (Hình 3.8):

Hình 3.8 Giao diện lập Icon của máy phát xung dòng tiêu chuẩn

 Giao diện các thông số cần nhập vào của mô hình máy phát xung dòng tiêu chuẩn trình bảy ở (Hình 3.9)

Hình 3.9 Giao diện các thông số của mô hình máy phát xung dòng tiêu chuẩn

 Giao diện mô tả mô hình máy phát xung dòng tiêu chuẩn trình bày ở (Hình 3.10):

Hình 3.10 Giao diện mô tả mô hình máy phát xung dòng tiêu chuẩn

3.3.5 Mô phỏng xung dòng tiêu chuẩn dạng sóng 8/20µs

 Mạch mô phỏng máy phát xung dòng tiêu chuẩn 8/20µs trình bảy ở (Hình

3.11):

Hình 3.11 Mạch mô phỏng xung dòng tiêu chuẩn 8/20µs

Giao diện nhập thông số xung dòng tiêu chuẩn 10kA 8/20µs trình bày ở (Hình 3.12)

Hình 3.12 Giao diện nhập thông số xung dòng tiêu chuẩn 10kA 8/20µs

Thực hiện mô phỏng xung dòng 3kA, 5kA, 10kA, 20kA, 40kA dạng sóng 8/20µs, kết quả trình bày ở Hình 3.13:

Hình 3.13 Xung dòng tiêu chuẩn 3kA, 5kA, 10kA, 20kA, 40kA dạng sóng 8/20µs Sai số biên độ xung dòng tiêu chuẩn 8/20µs trình bày ở bảng 3.1:

Bảng 3.1 Sai số biên độ xung dòng tiêu chuẩn 8/20µs

Biên độ theo yêu cầu

3.4 Mô hình HVLA cải tiến (HVLA- Model Porting)

3.4.1 Mô hình toán HVLA theo đề xuất của IEEE

Mô hình HVLA theo đề xuất của IEEE (Hình 3.14) bao gồm hai thành phần phi tuyến A0 và A1 và năm thành phần tuyến tính L0, R0, L1, R1 và C0 Các thành phần cảm kháng trong mô hình có chức năng mô tả đáp ứng của mô hình với xung có độ dốc tăng nhanh

Dạng đặc tuyến quan hệ V-I của các phần tử phi tuyến A0 và A1 trình bày ở Hình 3.14 Trong Hình 3.14, giá trị điện áp được tính trong hệ đơn vị tương đối với giá trị điện áp cơ bản là giá trị đỉnh của điện áp dư ứng với xung dòng thử nghiệm 10kA 8/20µs