XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP

Trong những năm qua, cứ mỗi khi mùa mưa đến, ngoài việc chuẩn bị các biện pháp phòng chống bão lụt chúng ta còn phải quan tâm đến một hiện tượng thiên nhiên khác có tác hại nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và con người đó là dông sét. Có thể hiểu nôm na rằng sét là sự phóng điện giữa đám mây dông và một điểm nào đó trên mặt đất khi điện trường khí quyển đạt đến một giá trị tới hạn. Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nên dòng điện sét thường rất lớn khoảng 30kA, do đó nếu một công trình nào đó bị sét đánh thì phần kiến trúc của công trình đó có thể bị phá vỡ do ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ phát tán cao, các thiết bị điện trong công trình có thể bị hỏng do trường điện từ của dòng sét cảm ứng và con người có thể bị tổn thương nếu ở gần điểm phóng điện sét. Trong thực tế đã xảy ra nhiều trường hợp một cơn phóng điện sét đã làm cho hàng chục người bị thương và chết (xảy ra ở xã Hiệp Thành Bạc Liêu) còn những vụ sét làm chết người hàng năm thì xảy ra liên tục khắp nơi nhất là các vùng trọng điểm như Đồi Rìu, Bàu Sầm, Bảo Vinh ....thuộc Huyện Long Khánh Đồng Nai, các xã vùng sâu thuộc Huyện Đức Linh, Hàm Tân Bình Thuận, hoặc một số xã thuộc các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, ngay tại TpHCM năm nào cũng xảy ra vài trường hợp tử vong do phóng điện sét.

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

VÕ THANH ÂU

XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 6 5 0

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I SƠ LƯỢC

Họ và tên : Võ Thanh Âu Giới tính: Nam

Ngày sinh : 15/09/1989 Nơi sinh: Long An Dân tộc : Kinh Tôn giáo: Không

Địa chỉ liên lạc: Số 8, Đường Tân Lập 2, Khu phố 3, P Hiệp Phú, Q 9, Tp.Hồ Chí Minh

Điện thoại: 0979 378 252 Email:Thanhau1509@gmail.com

Cơ quan : Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng Thành Phố Hồ Chí Minh

Địa chỉ : 263, Điện Biên Phủ, P 7, Q 3, Tp Hồ Chí Minh

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian: Từ 2007 đến 2012

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

Ngành học: Điện Công Nghiệp

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN

Từ 06/2012đến

nay

Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng Thành Phố Hồ Chí Minh

Thử Nghiệm Viên

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2015

Người khai

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 chƣa từng đƣợc ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2015

Tác giả Luận Văn

Võ Thanh Âu

CẢM TẠ

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, cùng với sự nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ của quý thầy cô, tôi đã hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này

Trước hết, tôi xin chân thành cám ơn cha mẹ của tôi đã luôn động viên giúp

đỡ tôi trong suốt thời gian học tập

Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm Khoa Điện – Điện tử và Phòng quản lý sau đại học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập, nghiên cứu nâng cao trình độ và thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp trong thời gian qua

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy Quyền Huy Ánh đã nhiệt tình

hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Ngoài ra, tôi cũng xin được nói lời cảm ơn đến các anh, chị học viên trong lớp cao học 2013 – 2015A đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Việc thực hiện đề tài luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót về kiến thức chuyên môn Kính mong nhận được sự quan tâm, xem xét và đóng góp ý kiến quý báu của quý thầy, cô và các bạn để đề tài luận văn này hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2015

Học viên thực hiện

Võ Thanh Âu

TÓM TẮT

Luận văn “Xây dựng và đánh giá các mô hình chống sét van trung áp” đi

sâu vào nghiên cứu các mô hình chống sét van dạng metal- oxide trên lưới trung thế Chống sét van dạng Metal-oxide được dùng để bảo vệ quá điện áp do sét hoặc xung đóng cắt trên lưới trung thế

Luận văn tập trung xây dựng được các mô hình chống sét van trung thế dạng MOV đưa vào phần mềm Matlab Các thông số của mô hình chống sét van được cung cấp trong Catalogue của nhà sản xuất Thử nghiệm các mô hình dựa trên các thông số kỹ thuật trên Catalogue của các nhà sản xuất khác nhau và với các cấp điện áp khác nhau Kết quả của mô phỏng để đánh giá độ chính xác của các mô hình chống sét van khi mô phỏng so với giá trị được cung cấp trong catalogue của nhà sản xuất

Luận văn cũng hy vọng sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích với phần mềm thông dụng Matlab cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sư, sinh viên…trong việc nghiên cứu các hành vi và đáp ứng của thiết bị chống sét van dưới tác động của xung sét lan truyền trong điều kiện không thể đo thử thực tế

ABSTRACT

The thesis “Develop and assessmentsurge arrester models of medium

voltage lightning” carried out a research into metal- oxide surge arrester

modelsfor medium-voltage class Metal-oxide surge arrester are used as protective devies against lightning and switch overvoltage in medium and high voltage power systems

Thesis focus is on developing Metal- oxide surge arrester modelsformat included in the software Matlab The parameters of the model for metal-oxide surge arrester are provided in the valve manufacturer's catalogue Testing models based on the specifications in the catalogue of the different manufacturers and with different voltageslevels The results of the simulations to assessment the accuracy of these models simulate lightning when it compared to the value provided in the manufacturer's catalogue

The thesis also provide a useful simulation tool with the common Matlab software for researchers, engineers, students in studying of behaviors and responses of the valve lightning equipment under the action of lightning impulse spreaded in conditions test can not be real

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

MOV kA Chống sét van (Metal Oxide Varistor)

C Nhiệt độ gia tăng trung bình

 Hệ số tiêu tán công suất

TOL % Độ sai số chuẩn

Vr kV Điện áp định mức của chống sét van

Vr8/20 kV Điện áp dư cho dòng sét 10 kA với bước sóng 8/20 µs

L, R kV Độ lớn điện thế rào

o kV Điện thế phân cực tại gốc

VN kV Điện áp biến trở

q Điện tích điện tử

K Hệ số phụ thuộc biến trở

Vref kV Điện áp tham chiếu

d m Chiều cao của chống sét van

n Số cột MOV song song trong chống sét van

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

CẢM TẠ iii

TÓM TẮT iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH xii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xviii

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1

I TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

II NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 3

III GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 4

IV CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH 4

V TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 3

VI TÍNH THỰC TIỄN 4

VII NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 5

VIII PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

CHƯƠNG 1: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN 6

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 6

1.2 CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN 8

1.3 KHÁI NIỆM VỀ SÉT 9

1.4 THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN 10

1.5 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI CHỐNG SÉT 12

1.5.1 Khe hở phóng điện 13

1.5.2 Chống sét ống 14

1.5.3 Chống sét SiC 14

1.5.3.1 Cấu trúc của đĩa van SiC 15

1.5.3.2 Cấu trúc của khe hở 15

1.5.3.3 Thiết kế khe hở kèm theo điện trở 16

1.5.4 Chống sét van MOV không khe hở 16

1.5.4.1 Cấu tạo một chống sét MOV (Metal Oxide Varistor) 16

1.5.4.2 Đặc tính của MOV 16

1.5.5 So sánh sự làm việc của các chống sét SIC và MOV 18

1.5.5.1 Chế độ xác lập 18

1.5.5.2 Chế độ hoạt động khi có quá áp tạm thời 18

1.5.5.3 Chế độ hoạt động ở dòng xung 19

1.5.5.4 Tính ổn định đối với hoạt động phóng điện 19

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV 21

2.1 CẤU TẠO CƠ BẢN MOV 21

2.2 TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO 224

2.3 ĐẶC TÍNH V-I 27

2.4 THỜI GIAN ĐÁP ỨNG 28

CHƯƠNG 3: CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN 30

3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 30

3.2 CÁC MÔ HÌNH ĐƯỢC ĐỀ NGHỊ 31

3.2.1 Mô hình truyền thống ATP 31

3.2.2 Mô hình được đề nghị bởi IEEE 31

3.2.2.1 Mô hình đề nghị 32

3.2.2.2 Xác định các thông số 33

3.2.3 Mô hình được đề nghị bởiPinceti 35

3.2.3.1 Mô hình được đề nghị 35

3.2.3.2 Xác định thông số 35

3.2.4 Mô hình P-K 36

3.2.4.1 Mô hình được đề nghị 36

3.2.4.2 Xác định thông số 37

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 38

4.1 MỤC ĐÍCH MÔ PHỎNG 38

4.2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB 39

4.2.1 Phần mềm MATLAB 39

4.2.2 Cơ sở về SIMULINK 39

4.2.3 Đánh giá mô hình MATLAB 40

4.2.3.1 Giới thiệu mô hình 40

4.2.3.2 Nguyên lý làm việc của mô hình 42

4.2.3.3 Đánh giá mô hình 42

4.2.3.4 Mạch mô phỏng Matlab 43

4.3 MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT 43

4.3.1 Dạng xung sét 43

4.3.1.1 Dạng sóng 10/350µs 43

4.3.1.2 Dạng sóng 8/20µs 44

4.3.2 Các dạng xung không chu kỳ chuẩn 45

4.3.3 Xây dựng mô hình nguồn phát xung 48

4.3.3.1 Xây dựng sơ đồ khối 48

4.3.4 Thực hiện mô phỏng 50

4.3.5 Kết luận 53

4.4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN DẠNG MOV PHỤ THUỘC TẦN SỐ 53

4.5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN DẠNG MOV PHỤ THUỘC TẦN SỐ TRONG MATLAB 55

4.5.1 Giới thiệu một số khối (block) dùng trong mô hình 55

4.5.2 Xây dựng các mô hinh chống sét van trung áp 57

4.5.2.1 Xây dựng mô hình MOV theo IEEE: 57

4.5.2.2 Xây dựng mô hình MOV theo Pinceti: 69

4.5.2.3 Xây dựng mô hình MOV theo P-K: 78

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP BẰNG MATLAB 88

5.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 88

5.2 MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA CÁC CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP EVP VÀ AZG2 89

5.2.1 Chống sét van trung áp EVP ProtectiveCharacteristics 89

1 Thông số kỹ thuật: 89

2 Thông số mô hình 90

3 Kết quả mô phỏng 90

4 Dạng sóng của mô hình 91

5 Biểu đồ đánh giá sai số 96

6 Nhận xét : 97

5.2.2 Chống sét van loại Type AZG2 Surge Arresters 98

1 Thông số kỹ thuật: 100

2 Thông sô mô hình 100

3 Kết quả mô phỏng 100

4 Dạng sóng của mô hình 98

5 Biểu đồ đánh giá sai số 100

6 Nhận xét : 110

5.2.3 NHẬN XÉT CHUNG: 111

CHƯƠNG KẾT LUẬN 113

I KẾT LUẬN 113

II HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHỤ LỤC 114

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van 12

Hình 1.2: Đặc tính điện trở phi tuyến của chống sét van MOV 16

Hình 1.3: So sánh đặc tính phi tuyến của phần tử SiC và MOV 17

Hình 2.1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I 21

Hình 2.2: Vi cấu trúc của ceramic 22

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 24

Hình 2.4: Chống sét van trung thế của Ohio Brass 25

Hình 2.5: Mặt cắt cấu tạo của chống sét van 25

Hình 2.6: Sơ đồ năng lƣợng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO 27

Hình 2.7: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào 27

Hình 2.8: Đặc tính V-I của MOV 28

Hình 2.9: Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao 29

Hình 2.10: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng 29

Hình 3.1: Mô hình của IEEE 32

Hình 3.2: Đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0 và A1 34

Hình 3.3: Mô hình của Pinceti 35

Hình 3.4: Mô hình P-K 36

Hình 4.1: Quan hệ dòng điện –điện áp của mô hình chống sét van 41

Hình 4.2: Hộp thoại của mô hình chống sét van 41

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý của mô hình 42

Hình 4.4: Mạch mô phỏng phóng điện chống sét van của Matlab, dạng sóng

8/20µs – dòng 10kA 43

Hình 4.5: Sét đánh trực kiếp vào kim thu sét trên đỉnh công trình 44

Hình 4.6: Sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không lân cận công trình 44

Hình 4.7: Dạng sóng 10/350 µs 44

Hình 4.8: Sét đánh vào đường dây trên không ở vị trí cách xa công trình 45

Hình 4.9: Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình 45

Hình 4.10: Dạng sóng 8/20 µs 45

Hình 4.11: Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn 46

Hình 4.12: Dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần 46

Hình 4.13: Đường cong xác định tỉ số b/a 47

Hình 4.14: Đường cong xác định tỉ số at1 47

Hình 4.15: Đường cong xác định tỉ số I1/I 48

Hình 4.16: Sơ đồ khối tạo nguồn phát xung 49

Hình 4.17: Biểu tượng của mô hình nguồn phát xung 49

Hình 4.18: Khai báo các thông số yêu cầu 50

Hình 4.19: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng 51

Hình 4.20: Các thông số nguồn xung dòng 52

Hình 4.21: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 3kA 52

Hình 4.22: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 5 kA 53

Hình 4.23: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 10 kA 53

Hình 4.24: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 20 kA 54

Hình 4.25: Mạch tương đương mô hình IEEE 58

Hình 4.26:Đặc tuyến V-I của A0 và A1của mô hình IEEE 59

Hình 4.27: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 60

Hình 4.28: Mô hình điện trở phi tuyếntheo IEEE 61

Hình 4.29: Mô hình MOV theo IEEE bằng Matlab 62

Hình 4.30: Mô hình MOV theo IEEE 62

Hình 4.31: Hộp thoại Mask Editor theo IEEE 63

Hình 4.32: Thông tin cho khối trong thanh Documentation theo IEEE 64

Hình 4.33: Thông tin cho khối trong thanh Prompt theo IEEE 65

Hình 4.34: Lệnh tính thông số trong thanh Initialization theo IEEE 66

Hình 4.35.Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icon theo IEEE 67

Hình 4.36: Biểu tượng chống sét van MOV theo IEEE 67

Hình 4.37: Hộp thoại của Distribution Arrester-MOV theo IEEE 68

Hình 4.38: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV theo mô hình IEEE 69

Hình 4.39: Sơ đồ tương đương theo mô hình Pinceti 69

Hình 4.40: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 theo Pinceti 71

Hình 4.41: Mô hình điện trở phi tuyến theo Pinceti 71

Hình 4.42.Mô hình MOV theo Pinceti theo Matlab 72

Hình 4.43: Mô hình khối MOV theo Pinceti 73

Hình 4.44: Hộp thoại Mask Editor theo Pinceti 73

Hình 4.45: Thông tin cho khối trong thanh Documentation theo Pinceti 74

Hình 4.46: Thông tin cho khối trong thanh Prompt theo Pinceti 75

Hình 4.47: Lệnh tính thông số trong thanh Initializationtheo Pinceti 75

Hình 4.48: Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icontheo Pinceti 76

Hình 4.49: Biểu tượng chống sét van MOVtheo Pinceti 76

Hình 4.50: Hộp thoại của Distribution Arrester-MOVtheo Pinceti 77

Hình 4.51: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV theo mô hình Pinceti 77

Hình 4.52: Sơ đồ tương đương theo mô hình P-K 78

Hình 4.53:Mô hình MOV theo P-K 79

Hình 4.54: Mô hình khối MOV theo P-K 79

Hình 4.55: Hộp thoại Mask Editor 80

Hình 4.56: Thông tin cho khối trong thanh Documentation 80

Hình 4.57: Tạo thông tin cho khối trong thanh Prompt 81

Hình 4.58: Nhập các lệnh tính thông số trong thanh Initialization 82

Hình 4.59: Tạo biểu tƣợng cho mô hình trong thanh Icon 83

Hình 4.60: Biểu tƣợng chống sét van MOV 83

Hình 4.61: Hộp thoại của Distribution Arrester-MOV 87

Hình 4.62: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV theo mô hình P-K 88

Hình 5.1: Sơ đồ mô hình mạch thử nghiệm điện áp dƣ của chống sét van trung áp 89

Hình 5.2: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 15kV, ứng với dòng xung 8/20s- 3kA 91

Hình 5.3: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 15kV, ứng với dòng xung 8/20s- 5kA 92

Hình 5.4: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 15kV, ứng với dòng xung 8/20s- 10kA 92

Hình 5.5: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 15kV, ứng với dòng xung 8/20s- 20kA 93

Hình 5.6: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20s- 3kA 93

Hình 5.7: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20s- 5kA 94

Hình 5.8: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 18kV, ứng với dòng



Hình 5.9: Điện áp dƣ của chống sét van EVP với điện áp 18kV, ứng với dòng

xung 8/20s- 20kA 95

Hình 5.10: Biểu đồ sai số của điện áp dƣ của chống sét van hãng Ohios Brass,

điện áp 15kV, ứng với dòng xung 8/20s 95

Hình 5.11: Biểu đồ sai số của điện áp dƣ của chống sét van hãng Ohios Brass,

điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20s 96

Hình 5.12: Điện áp dƣ của chống sét van AZG2 với điện áp 15kV, ứng với

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A1 mô hình IEEE 59

Bảng 4.2: Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A1 mô hình Pinceti 70

Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật của hãng OHIOS BRASS 90

Bảng 5.2: Kết quả mô phỏng hãng OHIOS BRASS của các mô hình 91

Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật của hãng COOPER 97

Bảng 5.4: Kết quả mô phỏng hãng COOPER của các mô hình 98

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

I TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Theo ước tính của các nhà chuyên môn, trên khắp mặt địa cầu, cứ mỗi giây, có khoảng 100 lần sét đánh xuống mặt đất Sét không những có thể gây thương vong cho con người mà còn có thể phá hủy những tài sản của con người như các công trình xây dựng, công trình cung cấp năng lượng, hoạt động hàng không, các thiết bị dùng điện, các Đài Truyền thanh – Truyền hình, các hệ thống thông tin liên lạc… Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, khí hậu Việt Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét Số ngày dông có ở Việt Nam trên nhiều khu vực thuộc loại khá lớn Số ngày dông cực đại là 113,7 (tại Đồng Phú), số giờ dông cực đại là 433,18 giờ tại Mộc Hóa Sét có cường độ mạnh ghi nhận được bằng dao động ký tự động có biên độ Imax = 90,67kA (Số liệu của Viện Nghiên Cứu Sét Gia Sàng Thái Nguyên)

Hàng năm, ngành điện Việt Nam có khoảng vài ngàn sự cố, 50% trong số đó là

do sét gây ra Đặc biệt ngày 4/6/2001, sét đánh nổ một máy cắt 220 KV của Nhà máy Thủy điện Hòa Bình Sự cố đã khiến lưới điện miền Bắc bị tan rã mạch, nhiều nhà máy điện bị tách ra khỏi hệ thống

Mọi thiết bị điện khi lắp đặt vào lưới điện đều được lựa chọn dựa vào điện áp định mức của lưới điện mà thiết bị được đấu vào Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi lúc xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể do các sự

cố chạm đất, do thao tác đóng cắt, hoặc do sét đánh trực tiếp hay lan truyền Trong

đó quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn dễ dàng gây

ra phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị, ảnh hưởng đến toàn hệ thống Do đó để bảo vệ cách điện của thiết bị được đấu vào hệ thống điện khỏi các tác hại quá điện áp sét, mô hình chống sét van được sử dụng, việc nghiên cứu

về các phương pháp, thiết bị chống sét đánh trực tiếp hay lan truyền trên lưới điện luôn luôn cần thiết và quan trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp

Đặc biệt trong những năm gần đây với sự gia tăng sử dụng các trang thiết bị điện tử cơng suất trên lưới phân phối như thiết bị bù trơn, thiết bị Scada, bộ UPS, bộ

bù bằng Thyristor, bộ lọc sĩng hài Các thiết bị này rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp và cĩ độ dự trữ cách điện rất thấp Vì thế cần phải tính tốn lựa chọn và kiểm tra các thiết bị chống sét một cách chính xác để tránh xảy ra hư hỏng cho các thiết bị này

Nhưng cho đến nay việc mô hình hoá và mô phỏng các thiết bị chống sét lan truyền trong các thiết bị dùng điện ở Việt Nam hầu như còn bỏ ngỏ, ngay cả ở các trường đại học lớn các phần mềm mô phỏng và tài liệu tham khảo rất ít ỏi và hạn chế Một trong các khó khăn khi tiến hành mô phỏng các phần tử là hiện các mô hình chưa có hay nếu có thì được giữ bản quyền bởi các hãng sản xuất thiết bị chống sét lan truyền nước ngoài, cũng như máy phát xung sét chuẩn

Nghiên cứu chống sét đánh lan truyền từ đường dây vào trạm biến áp hay cảm ứng trên đường dây tải điện cũng đĩng một vai trị rất quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị bảo vệ cho phù hợp

Để thực hiện bảo vệ chống sĩng truyền vào trạm biến áp, trong hệ thống điện chúng ta dùng rất nhiều chống sét van, do thiết bị chống sét là thiết bị phi tuyến, cho nên việc đánh giá các đáp ứng ngõ ra ứng với các dạng xung sĩng sét lan truyền từ đường dây vào trạm theo phương pháp truyền thống gặp nhiều khĩ khăn Phương pháp hiệu quả để thực hiện việc đánh giá một cách trực quan là mơ hình hĩa và tiến hành mơ phỏng đáp ứng của chúng

Hiện nay, cũng cĩ nhiều nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây trung thế đã đi sâu nghiên cứu và đề ra mơ hình thiết

bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng mơ hình khác nhau Tuy nhiên, tùy thuộc vào phạm vi ứng dụng của mỗi mơ hình, và các yêu cầu

về mức độ tương đồng giữa mơ hình và nguyên mẫu mà các phương pháp xây dựng

mơ hình và mơ phỏng các phần tử chống sét lan truyền vẫn cịn tiếp tục nghiên cứu

và phát triển Hơn nữa, vấn đề khó khăn trong xây dựng mô hình là xác định các thông số của mô hình mà các thông số được cho trong catalogue của nhà chế tạo thường không đầy đủ

Một số phần mềm mô phỏng cũng đã hỗ trợ xây dựng mô hình các thiết bị chống sét.Tuy nhiên, mô hình này thường chỉ phù hợp đối với thiết bị của một nhà sản xuất nào đó, không thể là đại diện cho tất cả thiết bị chống sét của mọi nhà chế tạo và với các cấp điện áp khác nhau

Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài: “Xây dựng và đánh giá các mô hình

chống sét van trung áp” đi sâu vào nghiên cứu mô hình thiết bị chống sét van cấp

trung thế dạng MOV, lập mô hình và mô phỏng với phần mềm rất thông dụng là Matlab với mong muốn có thể xây dựng được mô hình thiết bị chống sét van của hầu hết các nhà chế tạo chỉ với các thông số được cung cấp từ catalogue của các nhà chế tạo Đề tài hy vọng sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích với phần mềm thông dụng Matlab cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sư, sinh viên… Vì đặc tính động của chống sét van, chúng chưa thể mô phỏng bằng sử dụng điện trở phi tuyến tính Do đó, một số mô hình được đề xuất cho mô phỏng các đặc tính động của chống sét van Mô hình IEEE và mô hình pinceti…là các mô hình chính mà

đề xuất để mô phỏng các đặc tính động của chống sét van, để xác định các thông

số chống sét van , một thuật toán mới đã được đề xuất và so sánh giữa các mô hình IEEE và mô hình Pinceti, mô hình P-K

II NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu phối hợp cách điện, so sánh ưu nhược điểm của một số loại chống sét van

- Nghiên cứu cấu tạo và tính năng kỹ thuật của thiết bị chống sét van MOV

- Nghiên cứu các mô hình chống sét van MOV phụ thuộc tần số

- Cải tiến mô hình chống sét van trong Matlab

- Xác định các thông số chống sét bằng cách đưa ra một thuật toán mới đã được đề xuất so sánh giữa các mô hình

III GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu bảo vệ quá điện áp của chống sét van

- Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của chống sét van MOV

- Nghiên cứu các mô hình chống sét van phụ thuộc tần số

- Mô hình hóa và mô phỏng chống sét van dạng MOV bằng Simulink trong Matlab

- Xác định các thông số của các mô hình

- Kiểm chứng, đánh giá độ chính xác của các mô hình

IV CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

- Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ Matlab

- Nghiên cứu các tiêu chuẩn lựa chọn chống sét trên lưới trung thế

- Nghiên cứu cấu tạo thiết bị chống sét van kiểu biến trở ôxít kim loại (MOV)

- Thu thập tài liệu và nghiên cứu các mô hình chống sét dạng MOV

- Lập mô hình các phần tử của thiết bị chống sét dạng MOV

- Lập mô hình thiết bị phát xung sét tiêu chuẩn

- Thực thi mô hình

- Đánh giá mô hình

V TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu đặc tính đáp ứng động (hay phụ thuộc tần số) của chống sét van dùng trong nghiên cứu phối hợp cách điện

- Lập mô hình bộ chống sét van MOV đạt mức độ chính xác theo các thông số

kỹ thuật của nhà sản xuất

- Đưa ra thuật toán mới so sánh các mô hình chống sét van MOV

VI TÍNH THỰC TIỄN

- Là một công cụ rất hữu ích để phân tích các thí nghiệm về sét đánh cảm ứng

- Là công cụ rất quan trọng trong việc xem xét phối hợp cách điện và nghiên cứu xung đầu dốc

- Với phần mềm Matlab rất quen thuộc và thông dụng sẽ giúp ích cho việc nghiên cứu và phục vụ giảng dạy cho các giáo viên, sinh viên ngành điện

VII NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

Chương : Mở Đầu

Chương 1: Các đặc tính kỹ thuật của chống sét van

Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của chống sét van MOV

Chương 3: Các mô hình chống sét van

Chương 4: Xây dựng các mô hình mô phỏng chống sét van MOV bằng Matlab Chương 5: Mô phỏng so sánh các mô hình chống sét van trung áp của các nhà

sản xuất

Chương 6: Kết Luận

VIII PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: là phương pháp đóng vai trò chủ đạo.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 này

- Phương pháp chuyên gia: là phương pháp đóng vai trò bổ trợ 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: Sử dụng phần mềm Matlab và mô phỏng chống

sét van dưới tác dụng của các dạng xung sét không chu kỳ

- Phương pháp tổng hợp: Là phương pháp đóng vai trò bổ trợ Tổng hợp các

ý kiến để đưa ra các kết luận về những vấn đề đang tìm hiểu, từ đó hoàn thành nội dung, yêu cầu của để tài này

Có ba yếu tố quan trọng như nhau có liên quan đến việc bảo vệ quá áp: thiết kế tổng quan lưới điện, cấp độ cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị (máy biến áp,

bộ điều áp, dàn tụ bù,…) trên lưới, thiết bị bảo vệ (chống sét van, dây chống sét) Khả năng cách điện của hệ thống cơ bản được xác định bởi đặc tính kỹ thuật của các bộ phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn,v.v ) cộng với cấu trúc, khoảng cách và tất cả các hệ số khác bao gồm trong việc thiết kế hệ thống Cách điện của một hệ thống phải chịu được điện áp tần số nguồn liên tục trong nhiều năm với nhiều điều kiện khí quyển.Để đảm bảo tính hợp nhất dài hạn của hệ thống, phải thiết

kế cho lưới điện chịu được điện áp cao hơn mức bình thường Tuy nhiên, về mặt kinh tế cũng khó thực hiện được lưới điện có khả năng chịu được điện áp cao như khi có quá áp quá độ

Tương tự cấp cách điện của thiết bị phân phối được thiết kế để chịu được điện

áp cao hơn bình thường một chút Phương pháp này có hiệu quả đến một mức nào

đó, nhưng sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà không thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện BIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế

Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giới hạn lượng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu Phương pháp này còn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì có thể dựa vào khả năng quá áp nhỏ hơn, và nói chung tạo ra một sơ đồ bảo vệ quá áp tiết kiệm hơn Các công ty Điện lực đương nhiên cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhưng đều phải tính đến ba yếu tố cơ bản là: phục vụ khách hàng, khả năng chịu đựng điện áp (đặc biệt là quá áp do sét) và yếu tố kinh tế

Không thể thiết kế một lưới điện có thể đáp ứng được yêu cầu là mọi quá điện

áp phải dưới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì như thế sẽ làm cho chi phí vượt quá mức Do vậy, khi thiết kế một lưới điện, cũng như tính chọn thiết bị lắp đặt trên lưới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá áp, quy trình này dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng quá áp của các thiết bị Muốn đạt được điều này phải đáp ứng hai bước sau đây:

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

- Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp

Tổng hợp hai bước trên được gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách điện Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện của thiết

bị, do vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế được phối hợp lưới điện và việc lắp đặt thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lược nhằm mục đích hạn chế quá áp

và tránh hoặc giảm thiểu các hư hỏng cách điện Thiết kế được phối hợp bao gồm:

- Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu quả

- Dùng dây, kim thu sét

- Điều khiển góc thao tác các máy cắt

- Sử dụng các tụ điện xung

Các thiết bị bảo vệ bao gồm :

- Cách điện ngoài: không khí, gốm, thủy tinh, chất rắn

- Cách điện trong: dầu, SF6, mica, chân không

Khi bị phóng điện, cách điện ngoài không giống như cách điện trong là bị phá hủy, bởi vì nói chung cách điện ngoài có tính tự phục hồi sau khi bị phóng điện Ngoài ra, cách điện trong khi bị phóng điện xuyên thủng thường gây hậu quả hư hỏng nặng nề cho thiết bị và có thể hư hỏng vĩnh viễn Các lý do nêu trên sẽ đưa đến các tiếp cận khác nhau trong bảo vệ quá áp cho cách điện trong và cách điện ngoài của thiết bị Đối với bảo vệ cách điện ngoài, mục tiêu là tối thiểu số lượng phóng điện cách điện dự kiến với ràng buộc kinh tế Với hướng như vậy, nhiều cách tiếp cận tinh vi đã được phát triển nhằm cân nhắc giữa độ tin cậy của hệ thống, là yếu tố liên quan đến sự phóng điện cách điện, và chi phí Do có nhiều thông số ngoại lai, chẳng hạn như cường độ chống sét và các thông số của đất được thống kê trong thiên nhiên, nên phương pháp được sử dụng là các phương pháp xác suất thống kê

Đối với bảo vệ cách điện trong các phương pháp quyết định được sử dụng với mục tiêu là thiết kế để phóng điện cách điện là không có Các đặc tính được đơn giản hóa ở trên của cách điện trong và cách điện ngoài không phải luôn tách biệt rõ ràng ở một thiết bị điện Cách điện của một thiết bị điện cụ thể là phức tạp.Ví dụ, trường hợp máy biến áp các dây quấn được ngâm trong dầu trong khi các đầu cực được đưa ra ngoài không khí qua các sứ xuyên (điện môi không khí)

Khi xem xét khả năng chịu đựng của các thiết bị, không xem xét điện môi nào

sẽ bị phóng điện trước Mặc dù điều này là một phần trong quá trình thiết kế, mà nên đặt câu hỏi với điện áp nào, cách điện của bất cứ phần tử nào của thiết bị cũng

sẽ bị phóng điện

1.3 KHÁI NIỆM VỀ SÉT

Hầu hết các nguyên nhân gây ra quá áp đều có tính quá độ, chỉ kéo dài vài micrôgiây đến vài chu kỳ và có nguồn gốc từ hệ thống hay ngoài hệ thống Nguồn bên ngoài chủ yếu là dông sét, một hiện tượng khó dự đoán trước, tạo áp lực đối với các hệ thống Các nguồn gốc bên trong chủ yếu do thao tác đóng cắt mạch điện và

sự cố pha đất Một nguồn phổ biến là đóng cắt cụm tụ điện nhưng những nguồn quá

áp này ít gây áp lực cho thiết bị so với dông sét Như vậy, mặc dù sóng xung có thể được phát sinh từ trong hệ thống (ví dụ do đóng cắt), nhưng rõ ràng dông sét vẫn là nguyên nhân chính có nguy cơ gây ra quá áp có hại cho hệ thống

Dông sét là nguồn gốc chính của quá áp có hại trên lưới phân phối, nó có thể được sinh ra do sét đánh trực tiếp hay do cảm ứng Xung điện áp sinh ra có thể thay đổi từ tăng tương đối nhỏ đến lớn gấp mấy lần điện áp pha đất bình thường nếu cấp cách điện của hệ thống cho phép

Khi sét đánh vào đường dây, một vùng rộng lớn sẽ bị ảnh hưởng xung quanh

vị trí sét đánh, vì điện áp vượt hơn mức cách điện định mức của đường dây và hồ quang của dòng sét sẽ chạy xuống đất ngay lập tức Đồng thời, các sóng điện sét cảm ứng trên dây dẫn sẽ lan truyền đi dọc theo đường dây Những sóng điện sét này gồm hai thành phần: điện áp và dòng điện Biên độ điện áp bằng biên độ dòng điện nhân với trở kháng sóng của đường dây, trị số này nhỏ hơn điện áp phóng điện hồ quang của cách điện hệ thống Các xung này lan truyền trên đường dây trên không với tốc độ của ánh sáng

Càng nắm được các đặc tính của sét thì việc lắp đặt các thiết bị bảo vệ càng hiệu quả Đây là một lĩnh vực mà các nhà khoa học đã có những bước nghiên cứu nhiều tiến triển và các kỹ sư thiết kế có thể phân những xung sét thành những dạng

khác nhau dựa vào kích thước và phạm vi của xung quá điện áp Một xung sét tiêu biểu có xung đầu sóng rất dốc, có nghĩa là điện áp của nó tăng với tỷ lệ cả triệu vôn trên một giây Thực tế 15% các đỉnh của sét xảy ra dưới 1s Xung đầu dốc được nối tiếp bởi một đuôi sóng ngắn, nghĩa là sau khi điện áp đạt đỉnh thì thời gian mà

sự cố điện áp đó giảm xuống còn một nửa giá trị điện áp đỉnh là trong khoảng thời gian

Trong khi sét có điện áp vô cùng lớn thì dòng điện sét được đo đạt dựa trên ảnh hưởng của nó trên thiết bị Các thiết bị nhạy sét như MOV sẽ cho dòng sét chạy qua Chống sét van MOV có vật mang dòng điện với điện trở giảm rất thấp trong thời gian sét xảy ra Các thành phần chủ yếu về đặc tính bảo vệ chống sét được thể hiện qua dòng xung phóng điện

Nhiều thiết bị khoa học hiện đại được dùng để đo lường và ghi lại dòng sét, đã cho thấy phạm vi thay đổi rất rộng của giá trị dòng điện từ: 1000A đến 200kA cho thấy mức độ khó đoán của biên độ sét Sự nghiên cứu phân tích cho thấy dòng chạy qua chống sét van MOV chỉ khoảng 1/10 tổng giá trị của dòng điện sét nhưng đặc biệt lưu ý là chỉ khoảng 5 số sét trên lưới điện phân phối vượt quá giá trị 10kA Nhưng dòng điện sét chạy qua chống sét van MOV phân phối thường lớn hơn dòng chạy qua chống sét van trong trạm vì chúng được lắp đặt trên đường dây và không được che chắn nhiều

1.4 THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN

Chống sét van là thiết bị thường được bổ sung để bảo vệ quá áp Theo ANSI, chống sét van là một “Thiết bị bảo vệ để hạn chế điện áp trên thiết bị điện bằng cách phóng hay dẫn dòng điện xung theo mạch phân dòng” Bên cạnh đó, dòng điện chạy qua chống sét van sẽ phải được ngắt càng nhanh càng tốt để tránh tác động nhầm của máy cắt (sự cố chạm đất) và trở về chế độ bình thường

Theo tiêu chuẩn ANSI, chống sét van được chia thành ba loại cơ bản: cấp phân phối, cấp trung gian và cấp dùng cho trạm Sự khác nhau của các loại này được xác

định bằng điện áp định mức, đặc tính bảo vệ và độ bền về mức chịu áp lực hay khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch

1 Chống sét van phân phối (Distribution class) 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 (do đó gây nên điện áp cao đặt lên thiết bị) tương ứng với một xung đầu vào cho trước Không có yêu cầu về bộ an toàn áp lực (pressure relief)

2 Chống sét van trung gian (Intermediated class) được xác định 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

3 Chống sét van dùng cho trạm (Station class) 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

Đối với chống sét van dùng để ngăn ngừa không cho điện áp tăng lên quá cao ở các thiết bị được bảo vệ, đương nhiên đặc tính kỹ thuật phải phối hợp với mức chịu đựng xung cơ bản BIL (Basic Impulse Level) của thiết bị đó Nghĩa là quy trình chọn chống sét van phải tính đến khả năng chịu quá áp của thiết bị, và đảm bảo cho chống sét van hoạt động tốt trong giới hạn cách điện của thiết bị

Hình 1.1: Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van

1.5 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI CHỐNG SÉT

Bảo vệ quá áp trong hệ thống điện đã được đặt ra từ những năm cuối của 1800 Ban đầu là những hư hỏng của các đường dây trên không do bị sét đánh, các thiết bị bảo vệ như chống sét đã liên tục được cải thiện về thiết kế, công nghệ cũng như định mức làm việc

Sau đây là một vài mốc thời gian trong quá trình phát triển công nghệ chế tạo chống sét :

- 1909 : Khe hở phóng điện (Spark air gap arrester)

- Thập niên 1920 : Chống sét ống (Expulsion gas arrester)

- Thập niên 1930 : Chống sét van Cacbua-Silic (SiC)

- Thập niên 1960 : Chống sét SiC có khe hở kèm điện trở (Resistance graded gapped silicon carbide)

- Thập niên 1970 : Chống sét không khe hở Oxit Kim loại (Gapless metal oxide varistor MOV)

- Thập niên 1980 : Chống sét MOV vỏ bọc polymer cho lưới phân phối

1.5.1 Khe hở phóng điện

Đây là hình thức đầu tiên của bảo vệ quá áp Khe hở phóng điện cho phép điện

áp gia tăng cho đến khi nó đạt đến một mức cần thiết phải phóng điện qua khe hở giữa hai điện cực Kích cỡ của khe hở phải đảm bảo khe hở phóng điện trước khi xảy ra phóng điện đường dây

là nguyên nhân gây ngừng cung cấp điện

- Sự làm việc của khe hở tạo ra sóng xung là tăng khả năng phát sinh sóng xung gần những cực thiết bị được bảo vệ Điều này cần phải xem xét đối với cách điện phía cao áp của thiết bị có dây quấn như máy biến áp, cuộn kháng

- Bố trí tương đối các khe hở phóng điện cho mỗi pha phải được lựa chọn để hạn chế nguy cơ hồ quang lây lan sang pha bên cạnh, biến hư hỏng một pha thành ba pha

1.5.2 Chống sét ống

Chống sét ống được áp dụng lần đầu vào năm 1920 Áp dụng đầu tiên của chúng là các đường dây truyền tải và các máy biến áp, nhưng sau đó được giảm cấp

và áp dụng cho đường dây phân phối và máy biến áp

Cấu tạo của chống sét ống bao gồm một ống có hai cực đặt ở hai đầu ống tạo nên khe hở sao cho xung phóng điện qua khe hở thấp hơn mức chịu xung của cách điện được bảo vệ, bên ngoài có một khe hở được mắc nối tiếp với khe hở trong Khe

hở ngoài được dùng để cách ly với đất, khe hở trong là khe hở dùng để cắt khi một xung gây nên điện áp trên mức chỉnh định, cả hai khe hở đều bị phóng điện Sau khi phóng, dòng xung chạy xuống đất qua các khe hở gây nên ion hóa và phát sinh khí Khi dòng điện theo sau tần số công nghiệp đưa đến việc gia tăng khí Áp suất gia tăng đến một mức làm cho khí và hồ quang phóng ra ngoài

- Độ kín chống sét ống không tốt do vậy đặc tính của nó sẽ bị thay đổi do tác động của hơi nước cũng như các yếu tố khác của môi trường khí quyển Với các tính năng hạn chế như trên cả khe hở phóng điện và chống sét ống ngày nay rất ít được sử dụng

1.5.3 Chống sét SiC

Chống sét SiC được sản xuất lần đầu vào năm 1908 và sau đó được cải tiến vào năm 1930 khi mà các nghiên cứu tập trung vào việc bảo vệ sét cho các máy biến áp

lớn Chống sét SiC dùng một khe hở phóng điện để xác định điện áp phóng và mắc nối tiếp với một phần tử van để dập tắt dòng điện Phần tử van được làm bằng vật liệu có điện trở phi tuyến (Silicon carbide) Cả khe hở và phần tử van được bọc kín trong một vỏ sứ

Ban đầu, các chống sét sử dụng khe hở phóng điện bên ngoài Nhưng ngay sau

đó, khe hở đã được đưa vào bên trong vỏ để kiểm soát các đặc tính phóng điện tốt hơn

1.5.3.1 Cấu trúc của đĩa van SiC

Đĩa SiC được cấu tạo bằng cách pha trộn các tinh thể SiC với một vật liệu cách điện và được nén thành đĩa van SiC

Tính phi tuyến của đĩa SiC được giải thích bằng việc các liên kết giữa các tinh thể hấp thu nhiệt Khi có dòng xung với năng lượng lớn đi qua các hạt SiC mau chóng bị đốt nóng và gia tăng nhiệt độ, điện trở giảm thấp cho phép dòng xung chạy qua dễ dàng chỉ với một thay đổi nhỏ của điện áp Sau khi dòng xung chạy qua, các liên kết nguội và giảm nhiệt nhanh, điện trở của đĩa tăng vọt làm hạn chế dòng theosau tần số công nghiệp ở mức vài trăm Ampe, mức mà các khe hở có thể cắt dòng điện tần số công nghiệp đi qua đĩa

1.5.3.2 Cấu trúc của khe hở

Các đĩa SiC được đặt nối tiếp với cấu trúc khe hở Khe hở cho phép chống sét giải trừ dòng điện theo sau Cấu trúc khe hở là yêu cầu phải có trong thiết kế chống sét van SiC, nếu không thì sẽ có dòng điện theo sau tần số công nghiệp không được giải trừ sẽ đốt nóng đĩa SiC và làm cho đĩa SiC bị hỏng

Các chức năng của khe hở là:

- Chịu đựng điện áp vận hành bình thường không xảy ra phóng điện Trong quá trình vận hành ở chế độ xác lập, cấu trúc khe hở phải chịu được 100% điện áp pha – đất

- Phóng điện ở mức yêu cầu để dẫn dòng chạy qua đĩa van SiC xuống đất

- Trở lại điện áp của lưới sau khi sự phóng điện chấm dứt

1.5.3.3 Thiết kế khe hở kèm theo điện trở

Các khe hở gồm có các điện cực bằng đồng thau được chế tạo rất chính xác và được ngăn cách với nhau bằng các điện trở phi tuyến ở trong sứ, gốm Cấu trúc khe

hở có thể chịu đựng các xung lặp lại nhiều lần mà không bị giảm đặc tính bảo vệ Với cấu trúc như thế, điện áp trong khe hở được phân bố đều tránh được tác động của các dòng điện dung tản do những nguyên nhân bên ngoài, điều này tồn tại khi vỏ chống sét bị nhiễm bẩn

1.5.4 Chống sét van MOV không khe hở

1.5.4.1 Cấu tạo một chống sét MOV (Metal Oxide Varistor)

MOV tổng hợp gồm nhiều kim loại Các đặc tính điện yêu cầu của sản phẩm cuối cùng là hoàn toàn không có ở các nguyên liệu được sử dụng Do vậy, các đặc tính điện của MOV được hình thành khi sản xuất, oxit kim loại được dùng để chế tạo MOV thường là oxit kẽm

Biến trở oxit kẽm (ZnO) bao gồm chủ yếu là oxit kẽm (khoảng 90% trọng lượng) và một lượng nhỏ các oxit kim loại khác còn được gọi là phụ gia như: bismuth, cobalt, antimany và oxit măng gan

1.5.4.2 Đặc tính của MOV

Hình 1.2: Đặc tính điện trở phi tuyến của chống sét van MOV

Như ở hình trên, điện trở của phần tử MOV là một hàm theo điện áp đặt tại đầu cực Ở điện áp vận hành bình thường, điện trở của phần tử ZnO có trị số rất lớn và được xem như là cách ly với hệ thống

Trong điều kiện có quá điện áp, điện trở của MOV giảm xuống rất thấp và dẫn dòng điện xung chạy qua, như vậy sẽ bảo vệ được các thiết bị khỏi bị phá hỏng khi

có quá điện áp xảy ra Dòng điện chạy qua chống sét van là dòng phóng điện và điện áp giữa hai cực của nó được gọi là điện áp dư Như vậy, tổng của điện áp dư của chống sét van với điện áp rơi trên dây nối là điện áp đặt lên thiết bị được bảo vệ trong thời gian xảy ra phóng điện

Sau khi cho dòng điện phóng qua, và điện áp hệ thống trở lại điện áp vận hành bình thường thì điện trở của chống sét van MOV lại tăng cao và trở về chế độ làm việc như một thiết bị cách ly

Đối với chống sét SiC nếu quá áp tạm thời lớn hơn điện áp phóng của chống sét thì dòng điện duy trì là dòng điện tần số công nghiệp có giá trị lớn thường vào khoảng (100-500) A Tuy nhiên, đối với chống sét MOV không có dòng điện duy trì

do tính phi tuyến cực mạnh của MOV Đây là lý do chống sét MOV có khả năng gia tăng điện áp vận hành Hình 1.6 so sánh các đặc tính phi tuyến của các phần tử SiC

và MOV

Hình 1.3:So sánh đặc tính phi tuyến của phần tử SiC và MOV

1.5.5 So sánh sự làm việc của các chống sét SIC và MOV

Để thấy rõ các ưu điểm của chống sét MOV, cần xem xét sự hoạt động của các chống sét trong các chế độ: xác lập, quá áp tạm thời và làm việc ở dòng xung

Ở đây sẽ tiến hành so sánh sự làm việc của các chống sét SiC và chống sét MOV là các loại chống sét dùng khá phổ biến hiện nay trên lưới điện Việt Nam Các chống sét van SiC còn lại do lắp đặt cũ, bên cạnh đó chống sét van MOV được lắp đặt nhiều trong vòng 20 năm trở lại đây

1.5.5.1 Chế độ xác lập

Ở chế độ xác lập, điện áp đặt trên hai cực của chống sét là điện áp pha – đất Trong chế độ này, điện áp đặt vào chống sét phân bố tỷ lệ dọc theo phần khe hở và phần các đĩa Sự phân bố điện áp phụ thuộc vào tổng trở từng thành phần, đây cũng

là sự khác nhau cơ bản giữa công nghệ củ và công nghệ mới Đối với chống sét SiC, các đĩa SiC không chịu một sự phân bố điện áp nào, toàn bộ điện áp đặt lên phần các khe hở kèm điện trở Đối với chống sét MOV điện áp hoàn toàn phân bố đều lên các đĩa MOV

Trong chế độ xác lập, việc nhiễm bẩn vỏ bọc do yếu tố môi trường bên ngoài ảnh hưởng đến hoạt động của chống sét SiC do sự phân bố điện áp không đều Đối với chống sét MOV do không có khe hở nên có thể loại trừ ảnh hưởng này

1.5.5.2 Chế độ hoạt động khi có quá áp tạm thời

Do không có khe hở nên chống sét van dạng MOV không quan tâm đến khả năng phục hồi khe hở như đối với chống sét van SiC Khi điện áp trên đầu cực chống sét tăng lên, điện áp trên các khe hở / vòng điện trở tăng nhanh hơn điện áp đặt trên các đĩa MOV Điều này được giải thích là do các vòng SiC ít phi tuyến hơn

so với các đĩa MOV Ít phi tuyến hơn có nghĩa là điện trở của vật liệu giảm với tốc

độ chậm hơn đối với điện áp đặt vào Như vậy, phần lớn điện áp đặt lên chống sét van SiC sẽ chuyển qua phân bố trên khe hở/ vòng điện trở Như vậy khe hở của chống sét van SiC sẽ có khả năng phóng điện ở lần quá áp tạm thời thứ hai Và như

thế chống sét van MOV có khả năng chịu được quá áp tạm thời tốt hơn chống sét van SiC rất nhiều

1.5.5.3 Chế độ hoạt động ở dòng xung

Khi có quá áp xung, các khe hở bắt đầu phóng điện Các đĩa trong chống sét MOV bắt đầu hấp thu năng lượng của dòng xung trở nên nóng hơn, do vậy dòng xung chạy qua các đĩa MOV dễ dàng Ngay khi dòng xung không còn, phần lớn điện áp rơi trên vòng điện trở (do ít phi tuyến hơn MOV) sẽ làm giảm điện áp đặt trên các đĩa MOV, như vậy năng lượng tiêu tán trên các đĩa MOV giảm Do vậy, các đĩa MOV phục hồi nhanh và tạo cho chống sét MOV có khả năng chịu đựng các dòng xung có biên độ lớn thời gian ngắn hay dòng thấp thời gian dài tốt hơn chống sét SiC

1.5.5.4 Tính ổn định đối với hoạt động phóng điện

Một trong những nhược điểm cố hữu của công nghệ chống sét SiC là sự thoái hóa xảy ra đối với khe hở và các đĩa SiC khi chịu tác động các dòng xung liên tiếp Điều thường thấy là điện áp phóng của chống sét SiC gia tăng đáng kể sau một chu trình thử nghiệm dòng xung cao, thời gian ngắn Ngoài ra, giá trị điện áp phóng của khe hở bị giảm dần do các khe hở này bị đốt cháy do dòng theo sau tần số công nghiệp có giá trị lớn Điều này sẽ dẫn đến việc chống sét có thể phóng điện ngay cả

ở giá trị điện áp làm việc bình thường của lưới điện hoặc chống sét mất khả năng phục hồi sau khi dẫn dòng xung

Đối với chống sét MOV, dòng điện theo sau tần số công nghiệp rất bé (khoảng (02) A so với dòng điện duy trì của chống sét SiC (100500) A Ngoài ra, các đĩa MOV không cho dòng theo sau tần số công nghiệp chạy qua một khi điện áp lưới xuống dưới mức ngưỡng của đặc tính V-I, do vậy chống sét MOV có tính ổn định cao đối với hiện tượng phóng điện khe hở so với chống sét SiC

Qua sự khảo sát các đặc tính làm việc ở các chế độ ở trên cho thấy chống sét MOV có ưu điểm sau:

- Cải thiện đặc tính bảo vệ xung sét tốt hơn cho các thiết bị phân phối, đặc biệt là đối với các hệ thống có cách điện rắn như cáp ngầm và máy biến áp phân phối Điện áp phóng thấp không những cải thiện biên hạn bảo vệ giữa chống sét và điện áp xung mà còn làm giảm sự hư hỏng cách điện và tuổi thọ thiết bị được kéo dài

- Khả năng chịu quá áp tạm thời tốt hơn sẽ đưa đến độ tin cậy được cải thiện trong các trường hợp quá áp bất thường xảy ra

Chương 2

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA

CHỐNG SÉT VAN MOV

2.1 CẤU TẠO CƠ BẢN MOV

MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp mà hành vi về điện giống 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 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

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

Hình 2.1:Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I

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