Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét van cao áp

TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 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 lư

Mã số ngành: 60520202

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 19 tháng 11 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

1 TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt Chủ tịch

2 PGS.TS Huỳnh Châu Duy Phản biện 1

3 TS Phạm Đình Anh Khôi Phản biện 2

4 PGS.TS Trương Việt Anh Ủy viên

5 TS Đoàn Thị Bằng Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : TRẦN HỮU VIỆT Giới tính : NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 07-01-1974 Nơi sinh : Tỉnh ĐỒNG THÁP Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV : 1541830032

I- Tên đề tài:

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP

II- Nhiệm vụ và nội dung:

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

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

- Nghiên cứu các mô hình chống sét van cao áp

- Xây dựng mô hình chống sét van cao áp trong Matlab có độ chính xác và mức tiện dụng cao

III- Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 15/02/2017

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày 20/11/2017

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Trần Hữu Việt

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Công nghệ 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

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Quyền Huy Ánh đã nhiệt

tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt 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 15SMĐ21 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 anh chị để đề tài luận văn này hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện Luận văn

Trần Hữu Việt

TÓM TẮT

Luận văn “Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét vao cao áp” đi sâu

vào nghiên cứu các mô hình chống sét van dạng oxyde kim loại (MOV) trên lưới điện cao thế Chống sét dạng MOV được dùng để bảo vệ quá điện áp do sét hoặc xung đóng cắt trên lưới điện cao thế

Luận văn tập trung nghiên cứu, phân tích và xây dựng các mô hình chống sét van cao áp: IEEE, PINCETI và P-K trong môi trường Matlab Các mô hình này đều

có sai số chấp nhận được (<10%), so với kết quả điện áp dư công bố bởi nhà sản xuất ứng với xung sét chuẩn 5kA 8/20us và 10kA 8/20us Đặc biệt, mô hình P-K có

ưu điểm là thông số đầu vào theo yêu cầu có thể tìm thấy một cách dễ dàng trong catalogue của nhà sản xuất

Các mô hình chống sét van cao áp được xây dựng, có giao diện thân thiện, dễ

sử dụng và có thể tích hợp vào thư viện của phần mềm Matlab, tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng khi tiến hành nghiên cứu các bài toán bảo vệ quá điện áp do sét và các đóng cắt trong lưới điện cao áp trong điều không thể đo thử thực tế

ABSTRACT

The thesis "Modeling and Simulation of High Voltage Surge Arrester Equipments" does research on metal oxide (MOV) models on the high voltage grid The MOV is used to protect the over-voltages caused by lightning or switching pulse on the high voltage grid

The Thesis focuses on research, analysis and building models of High Voltage Surge Arrester: IEEE, PINCETI and P-K in Matlab environment These models have acceptable tolerances (<10%), as compared to declared by the manufacturer for standard 5kA 8/20us and 10kA 8/20us standard Specially, the P-K model has the advantage that the required input parameters can be easily found in the manufacturer's catalogue

High Voltage lightning arrester models are built, have user-friendly interface, and are easy to use and can be integrated into the Matlab software library, making it easy for users to conduct research on issues such as The over-voltage protection of the surge arrester and the switches on the high voltage grid, which we cannot measure in pratical

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH xi

CHƯƠNG: MỞ ĐẦU 1

1.TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2.NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 4

3.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 4

4.CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH 4

5.TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 4

6.TÍNH THỰC TIỄN 5

7.NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 5

8.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

CHƯƠNG 1: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT 7

CỦA CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP 7

1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ 7

1.2.CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN 9

1.3.KHÁI NIỆM VỀ SÉT 10

1.4.THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN 11

1.5.ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI CHỐNG SÉT 13

1.5.1.Chống sét van cao áp không khe hở 13

1.5.2.So sánh sự làm việc của các chống sét SIC và chống sét van 15

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 18

VÀ MÔ HÌNH CỦA CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP 18

2.1.CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP 18

2.2.TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO 21

2.3.ĐẶC TÍNH V-I 24

2.4.THỜI GIAN ĐÁP ỨNG 25

2.5.CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN 27

2.5.1.Mô hình được đề nghị bởi IEEE 27

2.5.2.Mô hình được đề nghị bởi PINCETI 30

2.5.3.Mô hình P-K 31

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB 33

3.1.MỤC ĐÍCH 33

3.2.KHÁI QUÁT PHẦN MỀM MATLAB 34

3.2.1.Phần mềm MATLAB 34

3.2.2.Cơ sở về SIMULINK 34

3.3.MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT 35

3.3.1.Dạng xung sét 35

3.3.2.Các dạng xung không chu kỳ chuẩn 37

3.3.3.Xây dựng mô hình nguồn phát xung 40

3.3.4.Thực hiện mô phỏng nguồn phát sung dòng 42

3.3.5.Kết luận 44

3.4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP PHỤ THUỘC TẦN SỐ 44

3.5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP PHỤ THUỘC TẦN SỐ TRONG MATLAB 46

3.5.1.Giới thiệu một số khối (block) dùng trong mô hình 46

3.5.2.Xây dựng các mô hinh chống sét van cao áp 49

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ MỨC TIỆN ÍCH MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP ĐỀ XUẤT 78

4.1.ĐẶT VẤN ĐỀ 78

4.2.MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA CÁC CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP EVP VÀ 3EL2 79

4.2.1Chống sét van cao áp EVP 79

4.2.2.Chống sét van loại 3EL2 81

4.2.3.NHẬN XÉT CHUNG 85

CHƯƠNG: KẾT LUẬN 87

I.KẾT LUẬN 87

II.HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ANSI Viện tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ

IEC Ủy Ban kỹ thuật điện Quốc tế

IEEE Hiệp hội các kỹ sư điện và Điện tử Quốc tế

CT

VT

Current Transformer Voltage Transformer

 0C 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

Vref kV Điện áp tham chiếu

D M Chiều cao của chống sét van

N Số cột song song trong chống sét van

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A 52

Bảng 3.2: Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A 62

Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của hãng OHIO BRASS 79

Bảng 4.2: Kết quả mô phỏng hãng OHIO BRASS của các mô hình 80

Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật của hãng SIEMENS 82

Bảng 4.4: Kết quả mô phỏng hãng SIEMENS của các mô hình 83

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1: Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van 13

Hình 1 2: Đặc tính điện trở phi tuyến của chống sét van cao áp 14

Hình 1 3: So sánh đặc tính phi tuyến của phần tử SiC và chống sét van 15

Hình 2 1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I 18

Hình 2 2: Vi cấu trúc của ceramic 19

Hình 2 3: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 21

Hình 2 4:Chống sét van cao thế của SIEMENS 22

Hình 2 5: Mặt cắt cấu tạo của chống sét van SIEMENS 22

Hình 2 6: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO 23

Hình 2 7: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào 24

Hình 2 8: Đặc tính V-I của chống sét van cao áp 25

Hình 2 9: Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao 26

Hình 2 10: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng 26

Hình 2 11:Mô hình của IEEE 27

Hình 2 12: Đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0 và A1 29

Hình 2 13: Mô hình của PINCETI 30

Hình 2 14: Mô hình P-K 31

Hình 3 1: Sét đánh trực tiếp vào kim thu sét và đường dây trên không lân cận công trình 36

Hình 3 2: Dạng sóng 10/350 µs 36

Hình 3 3: Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào đường dây trên không ở vị trí cách xa công trình 37

Hình 3 4: Dạng sóng 8/20 µs 37

Hình 3 5: Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn 38

Hình 3 6: Dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần 38

Hình 3 7: Đường cong xác định tỉ số b/a 39

Hình 3 8: Đường cong xác định tỉ số at1 39

Hình 3 9: Đường cong xác định tỉ số I1/I 40

Hình 3 10: Sơ đồ khối tạo nguồn phát xung 41

Hình 3 11: Biểu tượng của mô hình nguồn phát xung 41

Hình 3 12: Khai báo các thông số 42

Hình 3 13: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng 42

Hình 3 14: Các thông số nguồn xung dòng 43

Hình 3 15: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 5kA 43

Hình 3 16: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 10kA 44

Hình 3 17: Khối Inportvà Outport 46

Hình 3 18: Khối Subsystem 47

Hình 3 19: Khối Transfer Fcn 48

Hình 3 20: Khối Look-up table 48

Hình 3 21: Khối Nguồn dòng 49

Hình 3 22: Khối nguồn áp 49

Hình 3 23: Mạch tương đương mô hình IEEE 50

Hình 3 24: Đặc tuyến V-I của A0 và A1của mô hình IEEE 51

Hình 3 25: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 52

Hình 3 26: Mô hình điện trở phi tuyếntheo IEEE 54

Hình 3 27: Mô hình chống sét van cao áp theo IEEE bằng Matlab 54

Hình 3 28: Mô hình chống sét van cao áp theo IEEE 55

Hình 3 29: Hộp thoại Mask Editor theo IEEE 56

Hình 3 30: Thông tin cho khối trong thanh Documentation theo IEEE 56

Hình 3 31: Thông tin cho khối trong thanh Prompt theo IEEE 57

Hình 3 32: Lệnh tính thông số trong thanh Initialization theo IEEE 58

Hình 3 33: Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icontheo IEEE 59

Hình 3 34: Biểu tượng chống sét van cao áp theo IEEE 59

Hình 3 35: Hộp thoại của chống sét van cao áp theo IEEE 60

Hình 3 36 Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của mô hình chống sét van cao áp (IEEE) 61

Hình 3 37: Sơ đồ tương đương theo mô hình PINCETI 61

Hình 3 38: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 theo PINCETI 63

Hình 3 39: Mô hình điện trở phi tuyến theo PINCETI 63

Hình 3 40: Mô hình chống sét van cao áp theo PINCETI 64

Hình 3 41: Mô hình chống sét van cao áp theo PINCETI 64

Hình 3 42: Hộp thoại Mask Editor theo PINCETI 65

Hình 3 43: Thông tin cho khối trong thanh Documentation theo PINCETI 66

Hình 3 44: Thông tin cho khối trong thanh Prompt theo PINCETI 67

Hình 3 45: Lệnh tính thông số trong thanh Initialization theo PINCETI 67

Hình 3 46: Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icon theo PINCETI 68

Hình 3 47: Biểu tượng chống sét van cao áp theo PINCETI 68

Hình 3 48: Hộp thoại của chống sét van cao áp theo PINCETI 69

Hình 3 49: Sơ đồ mô phỏng chống sét van cao áp theo mô hình PINCETI 70

Hình 3 50: Sơ đồ tương đương theo mô hình P-K 70

Hình 3 51: Mô hình chống sét van cao áp theo P-K 71

Hình 3 52: Mô hình chống sét van cao áp theo P-K 71

Hình 3 53: Hộp thoại Mask Editor theo P-K 72

Hình 3 54: Thông tin cho khối trong thanh Documentationtheo P-K 73

Hình 3 55: Tạo thông tin cho khối trong thanh Prompt theo P-K 74

Hình 3 56: Nhập các lệnh tính thông số trong thanh Initialization theo P-K 74

Hình 3 57: Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icon theo P-K 75

Hình 3 58: Biểu tượng chống sét van cao áp theo P-K 75

Hình 3 59: Hộp thoại của chống sét van cao áp theo P-K 76

Hình 3 60: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của chống sét van theo mô hình P-K 77

Hình 4 1: Sơ đồ mô hình mạch thử nghiệm điện áp dư 78

Hình 4 2: Điện áp dư của chống sét van điện áp 96kV, 80

Hình 4 3: Điện áp dư của chống sét van điện áp 96kV, ứng với 81

Hình 4 4: Điện áp dư của chống sét van điện áp 96kV, ứng với 83

Hình 4 5: Điện áp dư của chống sét van điện áp 96kV, ứng với 84

CHƯƠNG: MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

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, diễn biến thời tiết rất thất thường do biến đổi khí hậu toàn cầu: nắng hạn kéo dài, mưa giông phức tạp, với lượng mưa lớn gây lũ lụt cục bộ, cường độ sét, mật độ sét thay đổi, vì vậy suất

sự cố trên lưới điện do sét tăng lên

Mặc dù qua đúc kết các kinh nghiệm trong thực tế và đã đưa ra những giải pháp khắc phục, nhưng sự cố các năm sau có chiều hướng tăng so với những năm trước là do các giải pháp chưa được triển khai thực hiện kịp thời, đồng bộ và dứt điểm, thời điểm xử lý yêu cầu phải trước mùa mưa bão do khó khăn về kinh phí, và việc mua sắm vật tư để triển khai giải pháp là chậm, chưa đáp ứng tiến độ yêu cầ

Bảng: Thống kê sự cố qua các năm

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 công suất trên lưới phân phối như thiết bị bù trơn, thiết bị SCADA, bộ UPS,

bộ bù bằng Thyristor, bộ lọc sóng hài Các thiết bị này rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp và có độ dự trữ cách điện rất thấp Vì thế, cần phải tính toán 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 đóng một vai trò rất quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị bảo vệ cho phù hợp

Để thực hiện bảo vệ chống sóng 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 sóng sét lan truyền từ đường dây vào trạm theo phương pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn Phương pháp hiệu quả để thực hiện việc đánh giá một cách trực quan là mô hình hóa và tiến

hành mô phỏng đáp ứng của chúng

Hiện nay, các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây cao thế đã đi sâu nghiên cứu và 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, tùy thuộc vào phạm vi ứng dụng của mỗi mô hình, và các yêu cầu về mức độ tương đồng giữa mô hình và nguyên mẫu mà các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng các phần tử chống sét lan truyền vẫn còn 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 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: “Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét van cao áp” đi sâu vào nghiên cứu mô hình thiết bị chống sét van cấp cao

áp, 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 và 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 được đề xuất để mô phỏng các đặc tính động của chống sét van Ở đây, xây dựng mô hình chống sét van cao áp như: mô hình IEEE, mô hình PINCETI và mô hình P-K trong môi trường Matlab và so sánh độ chính xác, cũng như mức tiện dụng của từng loại mô hình này trong thực tế

2 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

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

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

- Nghiên cứu các mô hình chống sét van cao áp

- Xây dựng mô hình chống sét van cao áp trong Matlab có độ chính xác và mức tiện dụng cao

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

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

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

- Nghiên cứu các mô hình chống sét van cao áp

- Mô hình hóa và mô phỏng chống sét van dạng cao áp bằng Simulink - Matlab

- Xác định các thông số của các mô hình

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

4 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

- Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ Matlab

- Nghiên cứu các tiêu chuẩn lựa chọn chống sét van cao áp

- Nghiên cứu cấu tạo thiết bị chống sét van cao áp

- Thu thập tài liệu và nghiên cứu các mô hình chống sét cao áp

- Lập mô hình các phần tử của thiết bị chống sét van cao áp

- Lập mô hình máy phát xung sét tiêu chuẩn

- Đánh giá độ chính xác và mức tiện ích mô hình đề xuất

5 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu đặc tính đáp ứng động (hay phụ thuộc tần số) của chống sét van cao áp

- Lập mô hình bộ chống sét van cao áp có mức độ chính xác và độ tiện dụng cao trên cơ sở sử dụng các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất

6 TÍNH THỰC TIỄN

- Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sinh, các học viên cao học ngành kỹ thuật điện trong bài toán nghiên cứu các biện pháp bảo vệ quá áp trong lưới điện cao áp bằng cách sử dụng các chống sét van cao áp,

- 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

7 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

Chương : Mở Đầu

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

Chương 2: Cấu tạo, nguyên lý làm việc và mô hình của chống sét van cao áp Chương 3: Xây dựng các mô hình mô phỏng chống sét van cao áp trong môi

trường Matlab

Chương 4: Đánh giá độ chính xác và mức tiện ích mô hình chống sét van cao áp

đề xuất

Chương : Kết Luận

8 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

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

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Tất cả các thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài

ở một cấp điện áp nhất định và thường được lựa chọn dựa trên điện áp định mức của lưới điện mà thiết bị đó được đấu nối vào Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi lúc lại xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể là do các sự

cố chạm đất, do thao tác, do sét Trong đó, quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi

vì quá điện áp này rất lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị

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 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 Ngành Điện lực cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhưng đều phải tính đến ba yếu tố cơ bản là: phục vụ đáp ứng nhu cầu sử dụng điện của 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

- Tăng cường tiếp địa, giảm trị số điện trở đường dây

- Tăng cường dây thoát sét

- Tăng cường cách điện

- Cải tạo góc bảo vệ của dây chống sét

- Dùng dây, kim thu sét

- Lắp chống sét đường dây

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

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

Khi bị phóng điện, cách điện ngoài không giống như cách điện trong là bị phá hủy Bởi vì, 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 Như vậy, nhiều cách tiếp cận tinh vi đã được phát triển nhằm tăng độ tin cậy của hệ thống, 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 rất phức tạp, như

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, nên đặt câu hỏi với cấp 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 rõ 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 chia 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 volt 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 chống sét van sẽ cho dòng sét chạy qua Chống sét van cao áp 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 cao áp 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 cao áp 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

1.5.1 Chống sét van cao áp không khe hở

1 Cấu tạo một chống sét van cao áp

chống sét van 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 chống sét van được hình thành khi sản xuất, oxit kim loại được dùng để chế tạo chống sét van cao áp 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

2 Đặc tuyến của chống sét van cao áp

Hình 1 2: Đặc tính điện trở phi tuyến của chống sét van cao áp

Như ở hình trên, điện trở của phần tử chống sét van cao áp 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 chống sét van cao áp 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 cao áp 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 van cao áp không có dòng điện duy trì do tính phi tuyến cực mạnh của chống sét van Đây là lý do chống sét van cao áp có khả năng gia tăng điện áp vận hành

Hình 1 3: So sánh đặc tính phi tuyến của phần tử SiC và chống sét van

1.5.2 So sánh sự làm việc của các chống sét SIC và chống sét van

Để thấy rõ các ưu điểm của chống sét cao áp, 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 van cao áp 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 cao áp được lắp đặt nhiều trong vòng 20 năm trở lại đây

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 van cao áp điện áp hoàn toàn phân bố đều lên các cách điện

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 van cao áp do không có khe hở nên có thể loại trừ ảnh hưởng này

2 Chế độ hoạt động khi có quá áp tạm thời

Do không có khe hở nên chống sét van cao áp 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 chống sét van Điều này được giải thích là do các vòng SiC ít phi tuyến hơn so với các đĩa chống sét van cao áp 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 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 cao áp có khả năng chịu được quá áp tạm thời tốt hơn chống sét van SiC rất nhiều

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 van cao áp bắt đầu hấp thu năng lượng của dòng xung trở nên nóng hơn, do vậy dòng xung chạy qua các đĩa chống sét van dễ dàng Ngay khi dòng xung không còn, phần lớn điện áp rơi trên vòng điện trở (do ít phi tuyến hơn chống sét van) sẽ làm giảm điện áp đặt trên các đĩa chống sét van, như vậy năng lượng tiêu tán trên các đĩa chống sét van giảm Do vậy, các đĩa chống sét van phục hồi nhanh và tạo cho chống sét van cao áp 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

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 van cao áp, 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 chống sét van cao áp 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 van cao áp 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 van cao áp 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, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

VÀ MÔ HÌNH CỦA CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP

2.1 CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP

Chống sét van cao áp là thiết bị phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp mà hành vi về điện giống như hai diode đấu ngược lại Với đặc tính đối xứng, đặc tính vùng đánh thủng (về điện) rất dốc cho phép chống sét van 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, chống sét van 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 chống sét van 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

Chống sét van cao áp được chế tạo từ ZnO Mỗi 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 2.2 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

Hình 2 2: Vi cấu trúc của ceramic

Hỗn hợp rắn ôxýt kẽm với ôxýt kim loại khác dưới điều kiện đặc biệt tạo nên ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp Hiện tượng này gọi là hiệu ứng biến trở Bản thân hạt ôxýt kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt khoảng (15 –100) m, trong khi ôxýt kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao Chỉ tại các điểm ôxýt 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 nối nối tiếp hoặc song song (Hình 2.1) Việc nối nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho chống sét van có khả năng tải được dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn, hấp thu nhiệt tốt và có khả năng chịu được dòng xung đột biến cao

chống sét van được chế tạo từ việc hình thành và tạo hạt ZnO dạng bột vào trong các thành phần ceramic Các hạt ZnO có kích thước trung bình là d, bề dày

biến trở là D, ở hai bề mặt khối chống sét van 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 Điện áp của chống sét van được xác định bởi bề dày của chống sét van 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:

Điện áp biến trở : VN = (3,5)n (2.1)

Và bề dày của biến trở: D = (n+1)d (VN d)/3,5 (2.2) Trong 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 chống sét van khi chống sét van 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 2.8)

Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp Chúng gồm 3 vùng cấu trúc (Hình 2.3):

- Vùng I: biên 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

- 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 ôxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với độ dày vài nanomet

Hình 2 3: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO

2.2 TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO

Biến trở ZnO là rất phức tạp, nhiều thành phần, hành vi về điện các ôxýt 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 ZnO 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 từ (1000-1400)0C 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 tổng hợp Sản phẩm hoàn thành sau cùng được kiểm tra đáp ứng các tính năng yêu cầu kỹ thuật

Hình 2 4:Chống sét van cao thế của SIEMENS

Hình 2 5: Mặt cắt cấu tạo của chống sét van SIEMENS

Vì cấu trúc biến trở ôxýt 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 ôxýt 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 2.1) Cấu trúc cơ bản của khối biến trở ZnO là kết quả tạo hạt ZnO Trong suốt quá trình xử lý, sự biến đổi các thành phần hoá học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO có điện trở suất rất cao ( = 1010-1012cm) và bên trong hạt tính dẫn điện rất cao (=(0,1-10) cm) Điện trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt với khoảng cách khoảng (50-100) nm, vùng này được biết như là vùng hẹp Vì vậy, tại một biên hạt 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 ôxít 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 tiếp giáp theo biểu thức:

sN q

V V C

b



)(

21

Ở 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 25o

C

Hình 2.6 chỉ ra sơ đồ năng lượng của ZnO-biên tiếp giáp-ZnO.Điện áp phân cực thuận VL phía bên trái của hạt, điện áp phân cực ngược VR phía bên 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, L giảm và R tăng, dẫn đến điện thế rào thấp hơn và sự dẫn điện gia tăng

Hình 2 6: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO