Bảo vệ chống xung quá độ trong mạng hạ áp luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật điện

Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học trong việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống quá

Trang 1

M C L C

Trang tựa

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời c m ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các b ng ix

Danh sách các hình x

Ch ng 1 Tổng Quan 1

1.1 Giới thi u 1

1.2 Tổng quan về các thiết bị b o v quá áp trên đường nguồn h áp 3

1.2.1 Giới thi u 3

1.2.2.Hi n tượng quá độ 4

1.2.3.Tỷ l xuất hi n của hi n tượng quá độ 5

1.2.4.Hi n tượng quá độ tiêu biểu 7

1.2.5.B o v quá độ 8

1.2.6.Các thiết bị b o v quá áp 9

1.Bộ lọc 9

2.Máy biến áp cách ly 10

3.Khe hở phóng đi n 11

4.Diode thác Silic 12

5.Biến trở Oxit kim lo i (MOV) 13

1.2.7 So sánh các thiết bị b o v quá áp phổ biến 15

1.2.8.Lựa chọn các thiết bị b o v quá áp 16

1.3.Nhi m vụ của đề tài 16

Trang 2

1.4.Ph m vi nghiên cứu 16

1.5.Các bước tiến hành 16

1.6.Điểm mới của luận văn 17

1.7.Giá trị thực ti n của đề tài 17

1.8.Nội dung đề tài 18

Ch ng 2.Cấu t o và nguyên lý làm vi c của biến trở Oxit kim lo i (MOV) 19

2.1.Cấu t o cơ b n 19

2.1.1.Giới thi u 19

2.1.2 Cấu trúc vi mô 20

2.2.Tính năng ho t động của biến trở Oxit kim lo i (MOV) 23

2.3 Đặc tính V-I 27

2.4.Sơ đồ tương đương 29

2.4.1.Trong vùng dòng đi n rò thấp <10-4A 30

2.4.2.Trong vùng ho t động bình thường (10-5– 103A) 31

2.4.3.Trong vùng dòng đi n cao (>103A) 32

2.5.Thời gian đáp ứng 32

2.6.Năng lượng cho phép và công suất tiêu tán trung bình 33

2.6.1.Năng lượng cho phép 33

2.6.2 Công suất tiêu tán trung bình 35

2.7 nh hưởng của nhi t độ 36

2.8 Các đặc tính của MOV và các hư hỏng thường gặp khi quá áp x y ra 38

Ch ng 3.Xây dựng mô hình nguồn phát xung 39

3.1.Các d ng xung không chu kỳ chuẩn và phương trình toán của chúng 39

3.2.Xây dựng mô hình nguồn phát xung 42

Ch ng 4.Xây dựng mô hình biến trở Oxit kim lo i MOV 48

4.1.Mô hình MOV trong Matlab 48

4.2.Mô hình MOV h thế đề xuất 50

4.2.1.Khối look-up Table 53

Trang 3

4.2.2.Xây dựng mô hình đi n trở phi tuyến trên Matlab 53

4.2.3.Xây dựng mô hình MOV h thế hoàn chỉnh trên Matlab 55

4.3.Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với xung dòng chuẩn 59

4.4 Kết luận 64

Ch ng 5.Các yếu tố nh h ởng đến hi u qu b o v của thiết bị ch ống sét lan truyền trên đ ờng nguồn h áp 65

5.1 Phân vùng b o v 65

5.2 Tổng quan về các MOV h thế đang sử dụng để chế t o thiết bị chống sét trên đường nguồn h áp 66

5.3 Các chỉ tiêu chính đánh giá thiết bị chống sét lan truyền 67

5.4 MOV đơn khối 68

5.4.1 Mô phỏng và đo lường đi n áp dư (Vr) MOV đơn khối 68

5.5 MOV đa khối 79

5.5.1 H số dự trữ 79

5.5.2 Mô phỏng và đo lường đi n áp ngưỡng MOV đa khối 91

5.6 Đánh giá ưu, nhược điểm của MOV đơn và đa khối chống sét lan truyền trên đường nguồn h áp 98

5.6.1 Về kh năng t n sét 98

5.6.2 Kh năng t n nhi t 99

5.6.3 Kh năng chia t n các dòng sét 99

5.6.4 Kh năng hiển thị tuổi thọ của thiết bị 99

5.6.5 Kh năng dẫn dòng 99

5.6.6 Độ dự trữ an toàn 100

5.6.7 Đi n áp dư 100

5.6.8 Giá thành 100

Ch ng 6 Kết luận vƠ h ớng nghiên cứu phát triển 101

6.1 Kết luận 101

6.2 Hướng phát triển 102

TÀI LI U THAM KH O 103

Trang 4

DANH SÁCH CÁC B NG

B ng 1.1: Điện áp và dòng điện của quá độ điển hình trong nhà 7

B ng 1.2: Các lo ại thiết bị bảo vệ quá áp quá độ 15

B ng 3.1: B ảng thông số các hệ số 42

B ng 4.1: Thông s ố cho trong Catalogue của 5 loại MOV hạ thế của Siemens 60

B ng 4.2: Điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế Siemens với xung dòng 8/20µs 61

B ng 4.3: Thông s ố cho trong Catalogue của 2 loại MOV hạ thế hãng AVX 62

B ng 4.4: Điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế AVX với xung dòng 8/20µs 64

B ng 5.1: Xung sét c ực đại theo vùng bảo vệ và mật độ sét 66

B ng 5.2: B ảng tổng hợp kết quả điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế đơn khối khi mô ph ỏng với dòng xung 8/20µs với biên độ và điện áp ngưỡng khác nhau .70

B ng 5.3: B ảng tổng hợp phương trình liên hệ giữa điện áp dư (V r ) và điện áp ngưỡng (V n ) c ủa MOV đơn khối 71

B ng 5.4: B ảng tổng hợp thông số điện áp dư và đặc tuyến vừa xây dựng so với Catalogue c ủa nhà sản xuất và sai số 76

B ng 5.5: B ảng tổng kết hệ số dự trữ của MOV_8kA mắc song song 87

B ng 5.6: B ảng tổng hợp thông số điện áp dư khi tiến hành mô phỏng MOV đa khối trên Matlab 91

B ng 5.7: B ảng tổng hợp phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét c ủa MOV đa khối 93

Trang 5

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: T ỷ lệ xuất hiện của xung theo biên độ điện áp tại các khu vực không được

b ảo vệ 6

Hình 1.2: D ạng sóng 0.5µs_100kHz (áp mạch hở) 7

Hình 1.3: D ạng sóng gián tiếp (phía ngoài) 7

Hình 1.4: Kh ả năng chịu đựng xung lặp lại 14

Hình 2.1: Đặc tuyến V/I của MOV trong vùng tuyến tính 19

Hình 2.2: C ấu tạo MOV 20

Hình 2.3: C ấu trúc của biến trở và đặc tính V-I 21

Hình 2.4: Vi c ấu trúc của Ceramic 22

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 23

Hình 2.6: Lưu đồ chế tạo biến trở MOV 24

Hình 2.7: C ấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói 25

Hình 2.8: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp giữa hạt hạt ZnO-biên-hạt-ZnO 26

Hình 2.9: Quan h ệ điện rào với điện áp đặt vào 27

Hình 2.10: Đặc tính V-I của MOV 28

Hình 2.11: Đặc tính R-V của MOV 29

Hình 2.12: Mô hình m ạch tương đương của biến trở 30

Hình 2.13: Sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng dòng rò 30

Hình 2.14: Sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng hoạt động bình thường 31

Hình 2.15: Sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng dòng điện cao 32

Hình 2.16: Đáp ứng của biển trở MOV xung tốc độ cao 33

Trang 6

Hình 2.17: Đáp ứng của biển trởtính đến điện cảm đầu dây nối đối với xung dòng

điện 33

Hình 2.18: D ạng sóng thử nghiệm 2ms 34

Hình 2.19: S ố lần xung có thể chịu đựng được của một loại MOV 35

Hình 2.20: Quan h ệ công suất tiêu tán và điện áp (α = 10, 30, 50) 36

Hình 2.21: Đặc tính V-I của một MOV chuẩn theo nhiệt độ (vùng dòng rò) 36

Hình 2.22: Đặc tính V-I của một MOV chuẩn theo nhiệt độ (vùng dòng cao) 37

Hình 2.23: Hình ảnh hiển vi của sự đánh thủng gây nóng chảy tại cạnh của điện c ực (ảnh trên) và từ đỉnh của điện cực (bên dưới) 38

Hình 3.1: D ạng sóng xung không chu kỳ chuẩn 39

Hình 3.2: D ạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần 40

Hình 3.3: Đường cong xác định b/a từ tỷ số t 2 /t 1 40

Hình 3.4: Đường cong xác định at 1 t ừ tỷ số b/a, khi biết t 1 41

Hình 3.5: Đường cong xác định I 1 /I t ừ tỷ số b/a, khi biết I 1 41

Hình 3.6: Mô hình toán c ủa xung dòng 43

Hình 3.7a: Ngu ồn xung dòng không chu kỳ 43

Hình 3.7b: Ngu ồn xung áp không chu kỳ 43

Hình 3.8: Mô hình ngu ồn xung dòng và áp không chu kỳ 44

Hình 3.9a: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng 44

Hình 3.9b: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung áp 44

Hình 3.10: Thông s ố mô hình nguồn xung dòng 45

Hình 3.11: D ạng dòng xung 1/5µs_10kA 45

Trang 7

Hình 3.15: Thông s ố mô hình nguồn xung áp 46

Hình 3.16: D ạng xung áp 1.2/50µs_10kV 47

Hình 3.17: D ạng xung áp 10/700µs_10kV 47

Hình 4.1: Quan h ệdòng điện – điện áp của mô hình MOV 48

Hình 4.2: H ộp thoại của mô hình MOV trong Matlab 49

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý của mô hình 50

Hình 4.4: Sơ đồ mạch tương đương của mô hình MOV đề nghị 51

Hình 4.5: Đặc tính V-I của MOV có sai số TOL = ±10% 52

Hình 4.6: Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến V=f(I) của MOV 53

Hình 4.7: Mô hình MOV h ạ thế 55

Hình 4.8: Bi ểu tượng mô hình MOV hạ thế 56

Hình 4.9: H ộp thoại khai báo biến Parameters của mô hình MOV hạ thế 57

Hình 4.10: H ộp thoại Initialization của mô hình MOV hạ thế 58

Hình 4.11: Thông báo l ỗi của mô hình MOV hạ thế 58

Hình 4.12: H ộp thoại thông số của mô hình MOV hạ thế 59

Hình 4.13: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV hạ thế đề nghị 59

Hình 4.14: Dòng và áp c ủa mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV B40K275 (hãng Siemens) v ới xung 3kA 8/20s 60

Hình 4.15: Dòng và áp c ủa mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV B40K275 (hãng Siemens) v ới xung 20kA 8/20s 61

Hình 4.16: Dòng và áp c ủa mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV VE14M02750K (hãng AVX) v ới xung 2kA 8/20s 63

Trang 8

Hình 4.17: Dòng và áp c ủa mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV

VE14M02750K (hãng AVX) v ới xung 3kA 8/20s 63

Hình 5.1: Các d ạng xung sét tiêu chuẩn 65

Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng MOV hạ thế đơn khối 68

Hình 5.3: Dòng và áp c ủa mô hình MOV hạ thế đơn khối I n = 4.5kA (TOL = 10%) v ới xung thử 1.5kA 8/20µs 69

Hình 5.4: Dòng và áp c ủa mô hình MOV hạ thế đơn khối I n = 4.5kA (TOL = 10%) v ới xung thử 3kA 8/20µs 69

Hình 5.5: Dòng và áp c ủa mô hình MOV hạ thế đơn khối I n = 4.5kA (TOL = 10%) v ới xung thử 4.5kA 8/20µs 70

Hình 5.6: Đặc tính V r -V n c ủa MOV hạ thế đơn khối 4.5kA, TOL = 10% 73

Hình 5.7: Đặc tính V r -V n c ủa MOV hạ thế đơn khối 8kA, TOL = 10% 73

Hình 5.12: M ạch điện phân tích của những MOV hoạt động song song 80

Hình 5.13: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của hai MOV hạ thế 8kA 83

Hình 5.14: Dòng và áp c ủa mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 5% & -5%) v ới xung 10kA 8/20µs 83

Hình 5.15: Dòng qua MOV1 và MOV2 s ử dụng hai MOV-8kA (TOL = 5% & -5%) v ới xung 10kA 8/20µs 84

Hình 5.16: Dòng và áp c ủa mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 6%& -6%) v ới xung 10kA 8/20µs 84

Trang 9

Hình 5.17: Dòng qua MOV1 và MOV2 s ử dụng hai MOV-8kA (TOL = 6%& -6%)

v ới xung 10kA 8/20µs 84

Hình 5.19: Dòng qua MOV1 và MOV2 s ử dụng hai MOV-8kA (TOL = 7%& -7%) v ới xung 10kA 8/20µs 85

Hình 5.25: Dòng qua MOV1 và MOV2 s ử dụng hai MOV8kA (TOL = 10%& -10%) v ới xung 10kA 8/20µs 87

Hình 5.26: Quan h ệ giữa sai số điện áp ngưỡng và hệ số dự trữ với xung thử có biên độ 10, 15, 20, 25, 40kA 90

Hình 5.27: Quan h ệ giữa sai số điện áp ngưỡng và hệ số dự trữ với xung thử có biên độ 70, 100kA 91

Hình 5.28: Đặc tính V r -V n c ủa MOV đa khối 10kA (2xMOV-8kA) 95

Trang 10

Trang 11

CH NG 1

T NG QUAN 1.1 Giới thi u

Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hậu Việt Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét Số ngày dông có ở

Việt Nam trên toàn khu vực thuộc loại khá lớn Trong mạng điện, quá điện áp và quá trình quá độ do sét đánh là nguyên nhân chủ yếu gây ra các sự cố lưới điện và làm hư hỏng các thiết bị lắp đặt trên lưới Nên việc đề ra các giải pháp chống sét,

lựa chọn, phối hợp các thiết bị bảo vệ phù hợp và nghiên cứu chế tạo thiết bị chống sét đóng vai trò rất quan trọng Hiện nay chống sét trực tiếp đã được quan tâm tương đối với các giải pháp từ cổ điển đến hiện đại Tuy nhiên, số liệu thống kê chỉ

ra hơn 70% hư hỏng do sét gây ra lại do sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng theo đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu

Bên cạnh việc nghiên cứu chống sét đánh trực tiếp, việc nghiên cứu chống sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng trên đường nguồn cũng đóng một vai trò quan

trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ chống quá điện áp do sét phù hợp

Nhìn chung, mạng hạ áp không truyền tải công suất lớn nhưng lại trải trên diện

rộng và cung cấp điện năng trực tiếp cho các hộ tiêu thụ nên nó lại là nguyên nhân

dẫn sét vào công trình, gây ngừng dịch vụ, hư hỏng thiết bị Thống kê cho thấy, hậu

quả không mong muốn của quá áp do sét lan truyền trên mạng phân phối hạ áp gây

ra thiệt hại rất lớn và nhiều lúc không thể đánh giá cụ thể được Vấn đề được đề cập một cách cấp bách trong những năm gần đây là các trang thiết bị điện tử đã trở thành các thiết bị được sử dụng ngày càng nhiều và rất phổ biến trong các tòa nhà, các công trình ở mọi lĩnh vực như Bưu chính viễn thông, Phát thanh, Truyền hình, công nghiệp … Các thiết bị này vốn rất nhạy cảm với điện áp và cách điện dự trữ

của chúng rất mong manh vì thế cần phải tính toán lựa chọn, phối hợp và kiểm tra các thiết bị bảo vệ chống quá áp một cách hiệu quả, chính xác để tránh xảy ra hư hỏng cho các thiết bị này

Trang 12

Do các thiết bị chống quá áp là thiết bị phi tuyến cho nên việc đánh giá các đáp ứng ngõ ra ứng với sóng sét lan truyền với mức chính xác cao theo phương pháp giải tích truyền thống gặp nhiều khó khăn Bên cạnh đó, do nước ta vẫn còn bị

hạn chế về trang thiết bị thí nghiệm cao áp, số lượng phòng thí nghiệm cao áp còn khiêm tốn nên rất khó khăn cho công tác thiết kế, nghiên cứu bảo vệ chống quá áp

do sét lan truyền tại Việt Nam Tuy nhiên, ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật

mô hình hoá và mô phỏng đã giúp cho chúng ta hiểu biết thêm về sự tương tác giữa các yếu tố cấu thành một hệ thống cũng như toàn bộ hệ thống, đặc biệt là rất hữu ích cho việc mô phỏng sét

Hiện nay, các nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp cùng một số phần mềm mô phỏng hỗ trợ đã

đề ra mô hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng mô hình khác nhau Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hoá

mô phỏng và yêu cầu về mức độ chính xác, mức tương đồng cao giữa mô hình và nguyên mẫu, các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng các thiết bị chống sét lan truyền vẫn còn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển

Luận văn này đi sâu vào nghiên cứu mô hình các thiết bị chống quá áp do sét trên đường nguồn hạ áp, sau đó sử dụng phần mềm mô phỏng đánh giá hiệu quả bảo

vệ của hệ thống chống quá áp Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp một công cụ mô

phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học trong việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống quá áp dưới tác động của xung sét lan truyền và đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ chống quá áp do sét lan truyền

1.2 Tổng quan về các thiết bị b o v quá áp trên đ ờng nguồn h áp

Bảo vệ hệ thống điện xoay chiều hạ áp chống lại các hiện tượng quá áp quá độ đang là mối quan tâm chủ yếu để bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp, bảo đảm

an toàn cho các thiết bị Hiện nay các thiết bị điện-điện tử có mức điện áp chịu xung

Trang 13

thấp ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện, phương pháp hữu hiệu

và kinh tế nhất để bảo vệ quá áp cho thiết bị chính là chọn và lắp đặt các thiết bị bảo

vệ có khả năng làm việc lâu dài và đáng tin cậy

1.2.1 Giới thi u

Việc sử dụng ngày càng nhiều các phần tử bán dẫn trong hệ thống điện hiện đại đã dẫn đến sự tăng cường mối quan tâm về độ tin cậy của hệ thống Đây là kết quả của việc các phần tử bán dẫn rất nhạy cảm với các hiện tượng quá áp có thể xuất hiện trong hệ thống điện phân phối xoay chiều Việc sử dụng các phần tử bán dẫn ban đầu cũng bị hư hỏng rất nhiều mà không thể giải thích Nghiên cứu các hư hỏng này cho thấy chúng bị hư hỏng là do các điều kiện quá áp khác nhau xuất hiện trong hệ thống phân phối Điện áp quá độ là kết quả của sự phóng thích đột ngột của năng lượng tồn tại trước đó từ các điều kiện như sét đánh, đóng cắt tải có tính cảm, xung điện từ hay phóng điện các điện cực Các hư hỏng gây ra bởi hiện tượng quá

độ phụ thuộc vào tần số xuất hiện, giá trị đỉnh và dạng sóng của quá độ

Quá áp trong mạch điện chính xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh viễn hay tạm thời của các phần tử điện tử và hệ thống Bảo vệ chống lại quá áp quá độ có thể thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc biệt mà sẽ giới hạn biên độ của quá áp quá độ bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bởi việc làm chệch hướng quá độ bằng một trở kháng nhỏ mắc shunt

Các nhà thiết kế khôn ngoan sẽ quyết định sự cần thiết của việc bảo vệ quá áp quá độ trong giai đoạn thiết kế sớm nhất Nếu không phải tốn nhiều thời gian để thấy thật cần thiết phải trang bị các bộ bảo vệ quá áp quá độ cho các thiết bị hiện hữu Điều này sẽ tốn nhiều tiền do phải tạm ngưng hoạt động của các máy móc của khách hàng và phải chịu tổn thất kinh doanh tiềm tàng khi ngừng hoạt động Không

kể đến trong một số hệ thống việc trang bị thêm các bộ bảo vệ quá áp sẽ làm hệ thống trở nên mất ngăn nắp bởi vì không gian yêu cầu cho chúng không có trong thiết kế ban đầu Các thiết bị được chọn bảo vệ hệ thống phải có khả năng làm tiêu

Trang 14

tán năng lượng xung của quá độ vì thế hệ thống đang được bảo vệ sẽ không còn bị ảnh hưởng

1.2.2 Hi n t ng quá độ

Vấn đề căn bản chính là sự xuất hiện các xung quá áp trên điện áp bình thường của hệ thống Quá áp trong hệ thống điện đôi lúc có thể giải thích và đôi khi lại thật khó giải thích; chúng là một dạng nhiễu loạn, sự tăng lên, sự sụt xuống, sự cắt điện hay là sự kết hợp các yếu tố trên và đây là các khái niệm tổng quát hóa về hiện tượng quá độ Một kết quả phổ biến khi hiện tượng quá áp này xuất hiện là sự hư hỏng nhanh chóng của các phần tử bán dẫn và các phần tử nhạy cảm khác Một ảnh hưởng nghiêm trọng khác là sự mất khả năng điều khiển hệ thống logic, khi đó hệ thống có thể hiểu các xung quá độ là tín hiệu điều khiển và cố gắng thực hiện theo Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định nguyên nhân của xung quá

độ trong hệ thống điện, và kết quả thu được có thể cho là do một trong những nguyên nhân sau:

 Sét

 Đóng, cắt các tiếp điểm ở trạng thái mang tải

 Sự lan truyền xung thông qua các máy biến áp

 Sự thay đổi tải trong các hệ thống gần kề

 Sự dao động và các xung công suất

Trang 15

trực tiếp vào hệ thống bảo vệ chống sét hay các cấu trúc kim loại của các tòa nhà cũng gây nên hiện tượng quá áp trên hệ thống điện trong tòa nhà do việc lan truyền của xung sét Thậm chí khi tia sét không đánh trúng đường dây cũng có thể cảm ứng một điện áp đáng kể trên đường dây sơ cấp, các chống sét van hoạt động và sinh ra quá độ

Quá độ do đóng cắt ít nguy hiểm hơn nhưng xảy ra thường xuyên hơn Đóng cắt lưới điện có thể gây ra quá độ làm hư hỏng các thiết bị đấu nối trên lưới Việc sử dụng các Thyristor trong mạch đóng cắt hay điều khiển công suất cũng có thể tạo ra quá độ như vậy

Nghiên cứu và thực nghiệm đã cho thấy trong hệ thống điện hạ áp xoay chiều công nghiệp hay dân dụng, biên độ của quá độ tương ứng với tỷ lệ xuất hiện của nó,

ví dụ như biên độ quá độ nhỏ thì xuất hiện thường hơn Tổ chức IEEE và ANSI, đã thiết lập một tài liệu cung cấp các nguyên tắc chủ yếu về các điều kiện quá độ có thể bắt gặp trong hệ thống điện hạ áp xoay chiều Tài liệu này được gọi là tiêu chuẩn IEEE/ANSI C62.41 được phát triển năm 1980 Từ sự bắt đầu này, nhiều kiến thức chính xác hơn đã được cập nhật và tạo thành một tiêu chuẩn có giá trị hơn

1.2 3 Tỷ l xuất hi n của hi n t ng quá độ

Tỷ lệ xuất hiện của các xung quá độ khác nhau rất nhiều và phụ thuộc vào từng hệ thống Tỷ lệ này liên quan với biên độ của các xung, và xung có biên độ nhỏ thì xuất hiện nhiều hơn xung biên độ cao Theo số liệu thống kê được, xung 1kV hay nhỏ hơn thì tương đối phổ biến, trong khi xung 3kV thì hiếm hơn Hình 1.1

đã minh họa các dữ liệu thu thập được về số lần xuất hiện của các xung quá độ cùng với giá trị đỉnh của nó từ các nghiên cứu đã thực hiện Số lần xuất hiện của các

xung quá độ được mô tả bởi các đường giới hạn thấp, trung bình và cao: “low

exposure ”, “medium exposure” và “high exposure”

Trang 16

Hình 1.1. Tỷ lệ xuất hiện của xung theo biên độ điện áp tại

các khu vực không được bảo vệ

Vùng xuất hiện thấp (low exposure) là vùng có rất ít xung sét hoạt động và số

lần đóng cắt tải trong hệ thống điện xoay chiều cũng rất ít Vùng xuất hiện trung

bình (medium exposure) là vùng xung sét hoạt động cao hơn và quá độ do đóng cắt xảy ra thường xuyên, nguy hiểm hơn Khi thiết kế mang tính tổng thể, thiết thực, lâu dài, ít nhất phải thiết kế thiết bị trong điều kiện như được đặt trong vùng xuất

hiện xung quá độ trung bình Vùng xuất hiện cao (high exposure) rất hiếm xảy ra

nhưng trên thực tế vẫn xuất hiện đối với hệ thống được cung cấp bởi các đường dây truyền tải dài trên không và còn tùy thuộc vào sự phản xạ tại cuối đường dây, trường hợp này mức phóng điện của các khe hở thì cao

Quá độ do phóng điện trong hệ thống điện xoay chiều hạ áp sẽ sinh ra một năng lượng cao, xung trở kháng thấp Cách xa nguồn quá độ, tại vị trí thiết bị bảo vệ được đặt, năng lượng quá độ sẽ giải phóng qua trở kháng của dây dẫn và nhiều thiết

bị sẽ được bảo vệ hơn Vì thế, cho phép nhiều bộ bảo vệ quá áp kích cỡ khác nhau được sử dụng tại các vị trí khác nhau trong hệ thống

1.2 4 Hi n t ng quá độ tiêu biểu

Bảng 1.1 trình bày điện áp và dòng điện xung được cho là điển hình của quá

độ trong hệ thống xoay chiều hạ áp trong nhà Khi quyết định chọn loại thiết bị như

là bộ bảo vệ quá áp quá độ, bảng này chính là tài liệu tham khảo Ít nhất là thiết bị

Trang 17

bảo vệ phải đáp ứng điều kiện trong mục A, còn tốt nhất là thiết bị phải vượt qua được các quá độ xuất hiện trong mục B

B ng 1.1 Điện áp và dòng điện của quá độ điển hình trong nhà

Nghiên cứu trong mạng điện hạ áp trong nhà phát hiện rằng quá độ bắt gặp trong mục A (mạch nhánh dài và mạch ra) có dạng sóng với tần số thay đổi từ 5kHz đến hơn 500kHz; trong đó dạng sóng với tần số 100kHz được xem là phổ biến nhất Hình 1.2 Xung đo được tại đường nguồn trong mục B (mạch cung cấp chính và mạch nhánh ngắn), dao động và không trực tiếp trong tự nhiên Dạng xung sét đã được chuẩn hóa: sóng áp 1.2/50s và sóng dòng 8/20s Hình 1.3

Hình 1.2. Dạng sóng 0.5  s_100kHz (áp mạch hở)

a Dạng sóng mạch hở b Dạng sóng dòng phóng điện

Dạng sóng gián tiếp (phía ngoài)

Trang 18

Có một số kỹ thuật khác nhau có thể sử dụng trong các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ trong hệ thống hạ áp chính Nhưng nhìn chung, các kỹ thuật này có thể chia thành 2 nhóm chính:

a Kỹ thuật làm suy giảm quá độ, từ đó có thể ngăn chặn sự lan truyền của chúng trong mạch điện nhạy cảm

b Kỹ thuật làm chệch hướng quá độ khỏi các thiết bị tải điện nhạy cảm và từ

đó giới hạn điện áp dư

Kỹ thuật làm suy giảm quá độ chính là ngăn chặn sự lan truyền quá độ từ nguồn của nó hay là ngăn chặn ảnh hưởng của nó lên các thiết bị tải nhạy cảm Việc này được thực hiện bằng cách lắp đặt các bộ lọc hay là máy biến áp cách ly nối tiếp với mạch điện Các bộ cách ly làm suy giảm quá độ (tần số cao) và cho tín hiệu hay công suất (tần số thấp) chảy tiếp tục trong mạch, không bị nhiễu loạn

Kỹ thuật làm chệch hướng quá độ có thể thực hiện với một loại thiết bị dạng đòn bẫy (Crowbar) hay với một thiết bị dạng kẹp áp Thiết bị dạng đòn bẫy (Crowbar) bao gồm một hoạt động đóng cắt, có thể bằng cách đánh thủng cách điện của khí giữa các điện cực hay là đóng cắt một khóa Thyristor Sau khi khóa đóng, chúng sẽ tạo ra một đường dẫn trở kháng rất thấp làm chệch hướng quá độ khỏi các thiết bị tải mắc song song Thiết bị dạng kẹp áp có trở kháng thay đổi rất lớn phụ thuộc vào dòng chảy qua thiết bị hay là áp ở hai đầu thiết bị Các thiết bị này có đặc

Trang 19

tính của một điện trở phi tuyến Giá trị điện trở thay đổi liên tục, không gián đoạn ngược với các thiết bị dạng đòn bẫy (Crowbar) chỉ có đóng hoặc cắt

1.2 6 Các thiết bị b o v quá áp

1 Bộ lọc

Việc lắp đặt một bộ lọc nối tiếp với các thiết bị dường như là một giải pháp hiển nhiên có tác dụng giảm quá áp Trở kháng của bộ lọc thông thấp, ví dụ như tụ điện, làm thành bộ ngăn cách áp với trở kháng nguồn Khi tần số của quá độ lớn hơn một vài lần tần số làm việc của mạch điện xoay chiều, bộ lọc sẽ làm việc và làm suy giảm quá độ ở tần số cao Một cách đáng tiếc, cách tiếp cận đơn giản này

có thể có một vài ảnh hưởng không mong muốn bên cạnh:

a Sự cộng hưởng không mong muốn với thành phần cảm kháng trong hệ thống sẽ dẫn đến đỉnh áp tăng cao

b Dòng điện quẩn cao trong suốt quá trình đóng cắt

c Tải phản kháng quá mức trong điện áp hệ thống điện

Những ảnh hưởng không mong muốn này có thể giảm bớt nếu lắp thêm một điện trở nối tiếp, vì thế việc sử dụng các bộ giảm sóc (snubber) RC ngày càng thông dụng Tuy nhiên, việc lắp thêm trở kháng này sẽ làm giảm tác dụng kẹp điện áp

Có một giới hạn cơ bản về cách sử dụng bộ lọc cho việc bảo vệ quá áp Bộ lọc

có đáp ứng như là một hàm tuyến tính của dòng điện Đây là một bất lợi lớn trong trường hợp không biết nguồn quá độ và phải giả định trở kháng nguồn hay điện áp

hở mạch Nếu sự giả định đặc tính của quá độ tác động sai, hậu quả là bộ bảo vệ quá

áp tuyến tính không còn tác dụng Một thay đổi nhỏ của trở kháng nguồn có thể làm tăng điện áp kẹp một cách không tương xứng

2 Máy biến áp cách ly

Tổng quát, máy biến áp cách ly gồm hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, với tấm chắn tĩnh điện giữa các cuộn dây Máy biến áp cách ly được đặt giữa nguồn và thiết

Trang 20

bị được yêu cầu bảo vệ Như tên gọi, không có đường dẫn nào giữa cuộn sơ và cuộn thứ cấp Đã có một sự tin tưởng rộng rãi là “máy biến áp cách ly làm suy giảm các gai nhọn điện áp” và “quá độ không thể vượt qua các cuộn dây của máy biến áp” Khi được ứng dụng một cách đúng đắn, máy biến áp cách ly có tác dụng cắt mạch vòng nối đất, ví dụ như ngăn chặn điện áp làm việc chung

Thật đáng tiếc, một máy biến áp cách ly đơn giản không cung cấp sự suy giảm trong các phương thức làm việc khác nhau Vì thế một quá độ phương thức khác có thể truyền xuyên qua các cuộn dây của thiết bị Cũng vậy máy biến áp cách ly sẽ không có tác dụng điều khiển điện áp

3 Khe hở phóng đi n

Khe hở phóng điện là một kỹ thuật triệt xung quá áp dạng đòn bẫy Trong suốt quá trình quá áp, thiết bị đòn bẫy thay đổi từ cách điện sang dẫn điện gần như lý tưởng Thiết bị đòn bẫy triệt quá độ bởi một lực rất mạnh, (chúng có hiệu quả như việc thả một đòn bẫy kim loại băng ngang hệ thống) Dạng chính của thiết bị đòn bẫy là chống sét van ống phóng khí

Khe hở phóng điện đầu tiên được đề cập là các khối Carbon Các bộ triệt xung khối Carbon này sử dụng nguyên tắc hồ quang điện áp xuyên qua khe hở không khí Khe hở kích thước nhỏ nhất được dùng để cung cấp mức độ bảo vệ thấp nhất mà không gây nhiễu hoạt động bình thường của hệ thống Khi một quá áp quá độ xuất hiện trong hệ thống, khe hở không khí trong khối Carbon sẽ bị ion hóa và bị đánh thủng Sự đánh thủng khe hở tạo thành một đường dẫn đến đất với trở kháng rất thấp vì thế làm chệch hướng xung quá độ khỏi các thiết bị Ngay sau khi tình trạng quá áp kết thúc, khe hở không khí phục hồi và hệ thống hoạt động tiếp tục

Sự bất lợi của kỹ thuật khe hở phóng điện khối Carbon là các xung phá hủy bề mặt của khối carbon trong khoảng thời gian ngắn, vì thế tạo ra các mảnh nhỏ của bề mặt chất liệu trong khe hở Chất liệu này tích tụ sau một số xung và cuối cùng là thu ngắn khe hở lại dẫn đến phải thay thiết bị bảo vệ Một bất lợi khác của kỹ thuật này

Trang 21

là khó để điều khiển chính xác đặc tính đánh thủng trên một dãy điều kiện hoạt động rộng và khác nhau của thiết bị

Trong quá trình cố gắng khắc phục các bất lợi của khối Carbon, một khe hở phóng điện kín được phát triển sử dụng khí trơ trong một vỏ bọc gốm (Ceramic)

Kỹ thuật này được biết như là chống sét van xung dạng ống phóng khí Trong chế

độ không dẫn điện, trở kháng của nó lên đến hàng GOhm Khí này bị ion hóa tại một điện áp định trước và cung cấp một đường dẫn đến đất có trở kháng cực thấp Ngay sau khi tình trạng quá áp kết thúc, khí này hết bị ion hóa và mạch điện phục hồi lại hoạt động bình thường tiếp tục

ng phóng khí là một thiết bị 2 chiều vốn có và bao gồm 2 hay 3 cực nằm đối diện nhau trong một buồng bịt kín Khi mà điện áp ngang qua ống phóng khí vượt quá một giới hạn nào đó, như là điện áp đánh thủng hay điện áp cháy, nó sinh ra hồ quang điện Hồ quang này giới hạn điện áp của các thiết bị nối với nó ng phóng khí có điện áp cháy một chiều từ 150V đến 1000V Chúng có điện trở shunt nhỏ nhất trong tất cả các bộ triệt xung quá độ phi tuyến, nó khoảng vài mOhm Điện dung của chúng thì nhỏ từ 1pF đến 5pF, và chúng rất phổ biến trong các ứng dụng truyền tải tần số cao, chẳng hạn như hệ thống điện thoại Một thuận lợi của kỹ thuật này là nó có thể chịu đựng xung dòng cao (lên đến 20kA)

Trong các ứng dụng có điện áp hoạt động bình thường trong mạch xoay chiều chính, có khả năng ống phóng khí sẽ không phục hồi lại một khi nó đã cháy và triệt xung quá độ Điều kiện này phụ thuộc vào dòng điện mà được định nghĩa bởi ANSI như sau: “dòng điện chảy qua thiết bị tần số công nghiệp cung cấp bởi nguồn, dòng điện kèm theo dòng phóng điện hồ quang” Dòng điện kèm theo này chảy trong khe

hở khí đã bị ion hóa sau khi quá điện áp chấm dứt và điều đáng quan tâm là dòng điện kèm theo này có thể không thể tự dập tắt khi dòng đi qua giá trị 0

4 Diode thác Silic

Mặc dù hiếm khi được sử dụng trong mạch điện xoay chiều chính, do khả năng chịu đựng xung quá độ rất thấp, diode thác silic là một bộ triệt xung quá độ

Trang 22

tuyệt vời trong mạch điện điện áp thấp một chiều Diode thác được thiết kế với mối nối lớn hơn diode Zener tiêu chuẩn Mối nối lớn này tạo cho chúng khả năng giải phóng năng lượng lớn hơn diode Zener Diode thác cung cấp điện áp kẹp chặt nhất

mà một thiết bị có thể làm Khi điện áp cung cấp lớn hơn ngưỡng đánh thủng của thiết bị, diode sẽ dẫn điện theo hướng ngược lại

Công suất xung đỉnh định mức thường được cho trong bảng dữ liệu của diode Giá trị thông dụng là 600W và 1.500W Công suất xung đỉnh này là kết quả của dòng điện xung đỉnh định mức lớn nhất IPP và điện áp kẹp lớn nhất VC trong suốt khoảng thời gian quá độ xung 10/1000s Việc sử dụng công suất đỉnh định mức

có thể nhầm lẫn khi xung quá độ khác 10/1000s Năng lượng định mức lớn nhất của những xung quá độ ngắn, không lặp lại được cung cấp tương tự như MOV có lẽ

sẽ hữu ích hơn cho công tác thiết kế

Đặc tính V-I chính là đặc trưng tốt nhất của diode thác Một thiết bị hạ áp cực tốt Diode thác có khả năng kẹp điện áp tuyệt vời, nhưng chỉ vượt phạm vi dòng một chút (10 lần) Điểm bất lợi lớn nhất khi sử dụng diode thác như là bộ triệt xung quá độ trong mạch xoay chiều chính là khả năng chịu đựng dòng đỉnh thấp

5 Biến trở Oxit kim lo i (MOV)

Biến trở oxide kim loại (MOV) là một thiết bị phi tuyến có đặc tính duy trì mối quan hệ: điện áp 2 đầu của nó thay đổi rất ít trong khi dòng điện xung không đối xứng rất lớn chảy qua nó Hoạt động phi tuyến này cho phép MOV làm chệch hướng dòng điện xung khi mắc song song băng ngang đường dây và giữ điện áp ở mức mà bảo vệ được thiết bị nối với đường dây đó Bởi vì điện áp ngang qua thiết

bị MOV được giữ tại một số mức cao hơn điện áp đường dây bình thường khi dòng xung chảy qua, nên sẽ có năng lượng tồn tại trên biến trở trong suốt thời gian làm chệch hướng xung quá độ của nó

Kỹ thuật dẫn điện cơ bản của MOV là kết quả của các mối nối bán dẫn (mối nối P-N) tại biên của các hạt oxit kẽm (ZnO) MOV là một thiết bị nhiều mối nối

Trang 23

với hàng triệu hạt hoạt động phối hợp mắc nối tiếp-song song giữa 2 điện cực Điện

áp rơi trên 1 hạt đơn gần như là hằng số và không phụ thuộc vào kích cỡ của hạt MOV cấu tạo chính bởi oxit Zn cộng với một số kim loại như Bismuth, Cobalt, Manganses và các oxit kim loại khác Cấu trúc biến trở gồm một ma trận các hạt oxit ZnO dẫn điện bị ngăn cách nhau bởi biên của các hạt, chính là mối nối P-N mang đặc tính bán dẫn Khi MOV tiếp xúc với xung, oxit ZnO biểu lộ đặc tính

“hoạt động chủ yếu” cho phép nó dẫn một lượng lớn dòng mà không bị hư hỏng Hành động chủ yếu này có thể dễ dàng giải thích bởi việc hình dung cấu tạo của MOV gồm một dãy các mối nối P-N sắp xếp nối tiếp và song song vì thế dòng xung được chia nhỏ giữa các hạt Bởi vì trở kháng có hạn của các hạt, chúng hoạt động như các điện trở giới hạn dòng điện và do đó dòng điện được phân phối thông qua phần chủ yếu của chất liệu theo cách mà làm giảm sự tập trung dòng tại mỗi mối nối

Thiết bị MOV đã được nghiên cứu rất nhiều và trở thành một thiết bị bảo vệ quá áp hoàn thiện trên mạng xoay chiều hạ thế Bản chất chủ yếu của cấu trúc của

nó đã khiến nó có đủ khả năng để xử lý các hậu quả quá độ mức II từ các nguồn sét không trực tiếp

MOV vừa có giá cả hợp lý lại có nhiều kích cỡ và không có số lần vượt quá đáng kể Không có dòng điện chảy kèm theo tần số công nghiệp và thời gian đáp ứng của chúng thì đủ tốt hơn đối với các dạng quá độ trong mạch xoay chiều chính Dưới điều kiện quá độ năng lượng cao vượt quá định mức thiết bị, đặc tính V-I của biến trở được thay đổi Sự thay đổi này phản ánh qua việc giảm điện áp của biến trở Sau khi chịu một xung lần thứ hai hay thứ 3, điện áp biến trở có thể trở về giá trị ban đầu của nó (Hình 1.4) Một cách thận trọng, giới hạn xung đỉnh đã được thiết lập, trong nhiều trường hợp, đã vượt quá nhiều lần mà không làm hư hại thiết

bị Những nghiên cứu và kiểm tra thí nghiệm đã chỉ ra rằng sự giảm phẩm chất của MOV có lẽ là nguyên nhân ảnh hưởng đối với sự an toàn của thiết bị được bảo vệ sau khi một số xung vượt ngoài định mức của thiết bị Điều này không có nghĩa là

Trang 24

giới hạn thiết lập sẽ được bỏ qua nhưng lại được xem xét trong triển vọng định nghĩa một thiết bị hư hỏng Một thiết bị hư hỏng được định nghĩa bởi việc thay đổi

10% điện áp của biến trở tại 1mA Điều này không đưa đến kết quả là thiết bị đó không còn bảo vệ, nhưng đúng hơn đó là một thiết bị mà điện áp kẹp đã biến đổi một ít

Hình 1.4. Khả năng chịu đựng xung lặp lại

1.2.7 So sánh các thiết bị b o v quá áp phổ biến

Các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ phổ biến: khe hở phóng điện, ống phóng khí, biến trở oxit kim loại (MOV), tụ lọc, Diode zener, Diode thác, và thiết bị bảo

vệ lý tưởng đã được đánh giá hiệu quả bảo vệ qua các thông số chính và được tổng hợp trong Bảng 1.2

1.2 8 Lựa chọn các thiết bị b o v quá áp

Để chọn các thiết bị bảo vệ quá áp thích hợp cho các ứng dụng, căn cứ trên các đại lượng sau:

 Điện áp hiệu dụng cực đại của hệ thống

 Chế độ bảo vệ của thiết bị bảo vệ quá áp

 Thiết bị bảo vệ quá áp có điện áp lớn hơn 10%-25% điện áp hệ thống

 Năng lượng quá độ trường hợp xấu nhất mà thiết bị bảo vệ quá áp phải hấp thu (Sử dụng hướng dẫn trong ANSI/IEEE C62.41-1980)

 Điện áp kẹp yêu cầu để bảo vệ hệ thống

Trang 25

B ng 1.2 Các loại thiết bị bảo vệ quá áp quá độ

Thiết Bị B o V Chống

Thời Gian Đáp ng

Chế Độ Tri t Xung Đi n Áp Kẹp

Năng

L ng Tiêu Tán

Giá

1 Khe hở phóng điện

(Spark Gap) Xung đột

biến Chậm (Crowbar) Đòn bẫy 1500V Cao

Trung bình

2 ng phóng khí (Gas

Discharge Tube) Xung đột

biến Chậm (Crowbar) Đòn bẫy

496÷

893V (Sparkove r)

Cắt xung (Crowbar Transient Clipping)

Trung bình Thấp

5 Điốt Zener (Zener

Diode) Xung đột

biến 40ps

Cắt xung (Transient Clipping)

202Vpc 700Vps 82J

Trung bình thấp

6 Điốt Avalanche

(Avalanche Diode)

Xun g đột biến 5ps

Cắt xung (Transient Clipping)

200Vpc 300Vps

Rất nhanh

< 3ps

Cắt xung (Transient Clipping

130Vrms

105÷

900VA (dạng xung 100ms)

Trung bình

1.3 Nhi m v c ủa đề tƠi

 Nghiên cứu cấu tạo và xây dựng mô hình thiết bị biến trở oxit kim loại MOV (Metal Oxide Varistor)

 Xây dựng một số mô hình nguồn xung dòng và áp không chu kỳ tiêu chuẩn

 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của MOV

 Tính toán hệ số dự trữ, xây dựng đặc tuyến liên hệ của hệ số dự trữ theo sai

số điện áp ngưỡng và dòng xung sét của MOV hạ thế mắc song song

 Xây dựng phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường

 Xây dựng đặc tính liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường

Trang 26

 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả của MOV

số điện áp ngưỡng và dòng xung sét của MOV hạ thế mắc song song Xây dựng phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường Xây dựng đặc tính liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường

 Nghiên cứu phần mềm mô phỏng hỗ trợ

1.5 Các b ớc tiến hành

 Thu thập tài liệu từ các nguồn khác nhau như Sách báo, Tạp chí và Internet

 Tổng hợp và phân tích tài liệu

 Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ mô phỏng

 Nghiên cứu cấu tạo thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn

hạ áp

 Lập mô hình phần tử MOV (Metal Oxide Varistor)

 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả của MOV

số điện áp ngưỡng và dòng xung sét của MOV hạ thế mắc song song Xây

dựng phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường Xây dựng

Trang 27

đặc tính liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường

1.6 Điểm mới của luận văn

số điện áp ngưỡng và dòng xung sét của MOV hạ thế mắc song song

 Xây dựng phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường

 Xây dựng đặc tính liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường

1.7 Giá tr ị thực ti n của đề tài

Đề tài đạt được những kết quả mang tính thực tiễn như sau:

 Kết quả nghiên cứu đáp ứng phần nào tính cấp bách trong công tác nghiên

cứu lựa chọn, phối hợp và kiểm tra hiệu quả các thiết bị bảo vệ chống quá áp

do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp một cách chính xác trong điều kiện thiếu phòng thí nghiệm hiện nay

 Cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học trong việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống quá áp do sét lan truyền dưới tác động của xung sét lan truyền

và đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ chống quá áp đa cấp trong các công trình

 Tài liệu này sẽ giúp cho học viên hiểu sâu hơn về sự tương tác của các phần

tử trong một hệ thống, đặc biệt là trong hệ thống chống quá áp do sét lan truyền Ngoài ra, còn giúp cho người học những kinh nghiệm trong công tác

thực hành lập mô hình và mô phỏng thiết bị trên các phần mềm tương tự

Trang 28

1.8 N ội dung đề tƠi

Đề tài gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến trở Oxide kim loại (MOV)

Chương 3: Xây dựng mô hình nguồn phát xung

Chương 4: Xây dựng mô hình biến trở Oxide kim loại (MOV)

Chương 5: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ của thiết bị chống sét

lan truyền trên đường nguồn hạ áp

Chương 6: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển

Trang 29

MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp với đặc tuyến V/I đối xứng (Hình 2.1), điện trở của nó sẽ giảm khi điện áp tăng kết hợp với dòng điện rò cực thấp trong vùng điện áp làm việc bình thường Đặc tính vùng đánh thủng (về điện) rất dốc cho phép MOV có tính năng khử xung quá độ đột biến hoàn hảo Trong điều kiện bình thường biến trở là thành phần có trở kháng cao gần 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 xung đột biến Phần lớn năng lượng xung quá độ được hấp thu bởi MOV cho nên các thành phần trong mạch được bảo vệ tránh hư hại

Hình 2.1. Đặc tuyến V/I của một MOV trong vùng tuyến tính

Trang 30

Sự phụ thuộc của dòng điện vào điện áp của MOV có thể biểu diễn qua công thức:

Với  là số mũ phi tuyến và đặc trưng cho độ dốc của đặc tuyến V/I của MOV Số mũ phi tuyến  này càng lớn thì tính phi tuyến càng cao

Khả năng tản dòng sét kết hợp với thời gian đáp ứng nhỏ hơn 25ns của MOV

đã khiến nó trở thành một thiết bị bảo vệ quá áp gần như hoàn hảo và không thể thiếu trong hệ thống

2.1.2 Cấu trúc vi mô

Biến trở oxit kim loại MOV (Hình 2.2) gồm một khối Ceramic đa tinh thể, với các tiếp xúc kim loại và dây nối Oxit kẽm ZnO và oxit Bismuth, thành phần không thể thiếu, thêm một lượng nhỏ Cobalt, Manganses và các oxit kim loại khác được pha trộn với các chất phụ gia bột được giữ độc quyền bởi các nhà sản xuất, và được nén lại, sau đó nung ở nhiệt độ từ 1000-14000C Hỗn hợp rắn oxit kẽm ZnO với oxit Bismuth và oxit 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

Hình 2.2 Cấu tạo của MOV

Bản thân hạt oxit kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt khoảng 15 –100m), trong khi oxit kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao Chỉ tại các điểm oxit

Trang 31

kẽm gặp nhau tạo nên “vi biến trở’’, tựa như hai Diode zener đối xứng, với mức bảo

vệ khoảng 3,5V Chúng có thể mắc nối tiếp hoặc song song (Hình 2.3) Việc mắc nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có khả năng tải được dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn (năng lượng tiêu hao trong chất bán dẫn hầu như chỉ xảy ra trên biên P-N rất mỏng, trong khi đó đối với MOV nó phân phối trên tất cả các “vi biến trở”), MOV hấp thu nhiệt tốt và có khả năng chịu được dòng xung đột biến cao

Hình 2.3. Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I

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 cấu trúc của ceramic như hình 2.4 Hành vi phi tuyến về điện xảy ra tại biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở có thể xem như 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 có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của Ceramic, kích thước hạt và phân bố kích thước hạt đóng vai trò chính trong hành vi về điện

Điều này đưa đến các tính chất về điện của MOV gần như được điều khiển bởi kích thước vật lý của nó:

 Khi tăng bề dày của MOV 2 lần sẽ làm cho mức bảo vệ của nó cũng tăng 2 lần do số vi biến trở nối tiếp cũng tăng 2 lần

 Khi tăng tiết diện của MOV 2 lần sẽ làm cho khả năng tải dòng điện của nó cao hơn 2 lần do số đường dẫn dòng nối song song cũng tăng 2 lần

Trang 32

Hình 2.4. Vi cấu trúc của Ceramic

Cấu trúc của biến trở bao gồm một ma trận hạt dẫn ZnO tiếp xúc nhau qua biên hạt cho đặc tính như tiếp giáp P-N của chất bán dẫn Các hạt ZnO có kích thước trung bình là d, bề dày biến trở là D, ở hai bề mặt khối MOV được áp chặt bằng hai phiến kim loại phẳng Hai phiến kim loại này lại được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài (Hình 2.2)

Điện áp của MOV được xác định bởi bề dày của MOV và kích thước 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 như là hằng số, và khoảng từ (2-3,5)V Mối liên hệ này được xác định như sau:

Và bề dày của biến trở: D = (n+1)d  (VN d)/3,5 (2.3) Trong đó n là số tiếp giáp trung bình giữa các hạt ZnO, d là kích thước trung bình của hạt, VN là điện áp rơi trên MOV khi MOV chuyển hoàn toàn từ vùng dòng

rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên đường đặc tính V-I với dòng điện 1mA (Hình 2.10)

Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp Chúng gồm 3 vùng cấu trúc (Hình 2.5):

 Vùng I: biên có độ dày khoảng (100-1000 nm) và đây là lớp giàu bột Bi2O3

 Vùng II: biên có độ mỏng khoảng (1-100 nm) và đây là lớp giàu bột Bi2O3

Trang 33

 Vùng III: biên này có đặc tính là tiếp xúc trực tiếp với các hạt ZnO Ngoài ra

Bi, Co và một lượng các ion oxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với độ dày vài nm

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO

2.2 Tính năng ho t động của biến trở Oxit kim lo i (MOV)

Biến trở MOV rất phức tạp, nhiều thành phần, hành vi về điện các oxit 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, còn lại là các ôxít kim loại khác Một hỗn hợp tiêu biểu như sau: 97mol-

%ZnO, 1mol-% Sb2O3, 0,5mol-% mỗi Bi2O3,CoO, MnO, và Cr2O3

Quá trình chế tạo biến trở MOV theo tiêu chuẩn kỹ thuật Ceramic Các thành phần được trộn thành hỗn hợp và xay thành bột Hỗn hợp bột được làm khô và nén thành hình dạng mong muốn Sau đó các viên được vón cục ở nhiệt độ cao, cụ thể là

từ 1000-14000C Hai phiến kim loại thường là bằng bạc tiếp xúc với các hạt được vón cục bên ngoài làm điện cực và được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài, thiết bị được đóng gói bằng vật liệu trùng hợp Quá trình có thể diễn tả theo lưu đồ Hình 2.6, Hình 2.7 là cấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói Sản phẩm hoàn thành sau cùng được kiểm tra đáp ứng các tính năng yêu cầu kỹ thuật Trước khi đưa vào sử dụng, MOV phải trải qua các thử nghiệm thông thường như:

 Kiểm tra siêu âm (phát hiện các vết nứt bên trong)

Trang 34

 Độ bền đối với xung vuông năng lượng cao

 Điện áp phóng điện

 Tổn hao công suất W

 Điện dung

 Kiểm tra bằng mắt

 Sau đó MOV còn phải trải qua các thử nghiệm chất lượng như:

 Kiểm tra hư hỏng đối với xung vuông

 Kiểm tra chu kỳ công suất

 Kiểm tra với dòng cao

 Kiểm tra tuổi thọ, …

Hình 2.6. Lưu đồ chế tạo biến trở MOV

Một vài giá trị tiêu biểu về kích thước của biến trở oxit kim loại được cho như sau: Điện áp biến trở

Điện trường V/mm tại 1mA của MOV Bề dày D

(mm)

Trang 35

Đường kính đĩa danh định (mm): 3, 5, 7, 10, 14, 20, 32, 34, 40, 62 mm

Hình 2.7 Cấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói

Vì cấu trúc biến trở oxit kim loại đa tinh thể tự nhiên nên hoạt động vật lý của

biến trở là phức tạp hơn chất bán dẫn thông thường Giải thích nguyên lý hoạt động của biến trở ZnO dựa trên sự hiểu biết về hiện tượng điện xảy ra ở vùng biên tiếp giáp của các hạt oxit kẽm, một vài lý thuyết ban đầu đã giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng xuyên hầm Tuy nhiên, tốt hơn là có thể diễn tả bằng sự sắp xếp các diode bán dẫn nối nối tiếp –song song (Hình 2.3) Cấu trúc cơ bản của khối biến trở MOV là kết quả tạo hạt ZnO Trong suốt quá trình xử lý, sự biến đổi các thành phần hoá học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO có điện trở suất rất cao ( = 1010-1012 cm) và ngược lại bên trong hạt thì tính dẫn điện lại rất cao (điện trở suất thấp =0,1-10cm) Điện trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt với khoảng cách khoảng 50 đến 100nm, vùng này được biết như là vùng hẹp Vì vậy, tại một biên hạt

Trang 36

có sự tồn tại vùng hẹp cả hai phía đến các hạt kế cận Hoạt động của biến trở chính

là do sự có 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 không gian trong hạt oxit kẽm tại miền gần các biên tiếp giáp của các hạt Điều này giống như ở tiếp giáp P-N của diode bán dẫn và điện dung của lớp tiếp giáp này phụ thuộc vào điện áp đặt vào lớp tiếp giáp theo biểu thức:

N ε q

) V + V ( 2

= C

Hình 2.8. Sơ đồ năng lượng tiếp giáp giữa hạt ZnO –biên –hạt ZnO

các vùng hẹp các hạt dẫn trôi tự do và đây là nguyên nhân gây ra dòng điện

rò Dòng rò được gây ra do các hạt dẫn trôi tự do qua điện trường rào thấp và được kích hoạt bởi nhiệt độ ít nhất là trên 25oC

Hình 2.8 chỉ ra sơ đồ năng lượng của hạt ZnO-biên tiếp giáp–hạt ZnO Điện

áp phân cực thuận VL phía bên trái của hạt, điện áp phân cực ngược VR phía bên

Trang 37

phải của hạt Độ rộng vùng nghèo là XL và XR, với độ lớn điện thế rào tương ứng là

L và R Điện thế phân cực tại gốc là o Khi điện áp phân cực gia tăng, Lgiảm

và Rtăng, dẫn đến điện thế rào thấp hơn và sự dẫn điện gia tăng

Độ lớn điện thế rào L của biến trở hạ áp là một hàm theo điện áp (Hình 2.9)

Sự giảm nhanh của điện thế rào ở điện áp cao tương ứng với lúc bắt đầu vùng dẫn phi tuyến

Hình 2.9. Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào

Cơ chế vận chuyển của vùng phi tuyến là rất phức tạp và vẫn còn tiếp tục nghiên cứu 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 có giá trị dưới 0,3cm Tính chất dẫn điện phi tuyến cao của MOV có thể giải thích bởi sự hồi tiếp mà nó xuất hiện khi các điện tử bắt đầu vượt qua điện thế rào thoát khỏi lực hút mạnh mẽ của lớp biên tiếp giáp giữa các hạt Khi

mà các điện tử vượt qua điện thế rào này chúng đã đạt được đủ năng lượng và làm giảm điện thế ở phía mà nó tạo ra các lỗ hổng điện tử Các lỗ hổng điện tử này sinh

ra và di chuyển trở lại vùng điện thế rào, ở đó chúng kết hợp với các điện tử bị giữ lại bởi điện thế rào và khiến cho điện thế rào sụt xuống và cứ thế dòng qua MOV ngày càng tăng

2.3 Đặc tính V-I

Đặc tính V-I của MOV như Hình 2.10, đặc tính V-I được biểu diễn bằng phương trình dạng hàm mũ (2.4):

Trang 38

I = KV  > 1 (2.5) Trong đó I là dòng qua biến trở, V điện áp đặt lên biến trở, K là hệ số phụ thuộc vào loại biến trở, : là hệ số phi tuyến

Hình 2.10. Đặc tính V-I của MOV

Đặc tính V-I của biến trở gồm 2 đoạn tuyến tính đối với dòng cực thấp và cực cao, và đoạn phi tuyến trong dãy điện áp làm việc của biến trở (trên một dãy rộng của dòng điện, điện áp biến trở tương ứng trong một vùng hẹp mà thường được gọi

là điện áp làm việc của biến trở hay điện áp biến trở) Tại điện áp thấp, đặc tính tuyến tính của thiết bị có thể được cho là chủ yếu, trường hợp này dòng rò chảy qua lớp tiếp giáp giữa các hạt, hoạt động của thiết bị gần như là một chất cách điện Trong dãy điện áp làm việc của biến trở, lớp tiếp giáp trở nên phi tuyến, và dòng chảy qua nó tăng nhanh trong khi điện áp thì tăng chậm

Nguyên lý bảo vệ của biến trở thể hiện qua việc điện áp phụ thuộc giá trị điện trở (như Hình 2.11):

Trang 39

) / log(

log log

2

2 1

2

Í

Í Í

V V

I I V

V

I I

4 ) log(

3 2

Trang 40

Hình 2.12. Mô hình mạch tương đương của biến trở

Trong đó L là điện cảm dây nối ( 1nH/mm), C là điện dung biến trở oxit kim loại, RIG là điện trở miền tiếp giáp giữa hạt oxit kẽm ( = 1012  1013cm), RV là biến trở lý tưởng, điện trở phi tuyến (0   ), RB là điện trở của oxit kẽm ( =1

L

IG

Hình 2.13. Sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng dòng rò

cấp độ dòng thấp, đặc tính V-I gần như tuyến tính, dòng điện rò phụ thuộc vào nhiệt độ Biến trở có trở kháng rất cao xem như hở mạch Điện trở phi tuyến RV

có giá trị rất lớn có thể bỏ qua, vì RBkhông đáng kể so với RIG nên cũng được bỏ qua trong vùng dòng rò thì điện dung hầu như là không đổi trong một dãy rộng tần số và điện áp Điện dung gần như hằng số khi tần số thay đổi đến 100kHz Tương tự như vậy đối với nhiệt độ, điện dung (250C) cũng thay đổi rất ít khoảng

10% khi nhiệt độ thay đổi từ –400C đến 1250C

Định dạng
Số trang	116
Dung lượng	4,7 MB

Bảo vệ chống xung quá độ trong mạng hạ áp luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật điện

Trong vùng dòng đ in cao (&gt;10 3A)

Công suất tiêu tán trung bình

Trong vùng dòng đ in cao (>10 3A)