Xây dựng mô hình chống sét van: luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện

Những nghiên cứu mô phỏng chống sét lan truyền bảo vệ các trạm biến áp điển hình của tài này là cơ sở để tiếp tục lập các sơ đồ mô phỏng nhằm kiểm tra đánh giá khả năng bảo vệ của chống

* * *

QUÁCH ĐẮC TRẬN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐỒNG NAI – NĂM 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

* * *

QUÁCH ĐẮC TRẬN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ: 85202101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH

ĐỒNG NAI – NĂM 2018

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Đồng Nai, ngày 28 tháng 11 năm 2018

Tác gi ả Luận Văn

Quách Đắc Trận

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Lạc Hồng, 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 gia đình 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, Khoa Sau đại họcTrường Đại học Lạc Hồng 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 2015 – 2017 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!

Đồng Nai, ngày 29 tháng 11 năm 2018

H ọc viên thực hiện

Quách Đắc Trận

Luận văn “Xây dựng mô hình chống sét van” đi sâu vào nghiên cứu mô

hình thiết bị chống sét van 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 từcatalogue của các nhà chế tạo

Vì đặc tính động của chống sét van, chưa thể mô phỏng bằng sử dụng điện trở phi tuyến tính Do đó, đã có một số mô hình được đề xuất để mô

phỏng các đặc tính động của chống sét van Mô hình pinceti là mô hình chính

đã được đề xuất để mô phỏng các đặc tính động của chống sét van Độ chính xác của mô hình chống sét van được đánh giá thông qua việc so sánh giá trịđiện áp dư thông qua mô phỏng và giá trị diện áp dư cung cấp bởi nhà sản

xuất

Việc đề xuất vị trí lắp đặt hợp lý chống sét van đối với trạm 1 máy biến áp và

trạm 3 máy biến áp trong mạng phân phối điển hình tại Công ty Điện lực Đồng Nai cũng được xem xét

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

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH SÁCH CÁC HÌNH

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

PHẦN TỔNG QUAN….………… ……….1

TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI………1

NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI………2

GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI……….……….…… 2

CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH………3

TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 3

TÍNH THỰC TIỄN……… ………4

NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI……… ……….4

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……….4

CHƯƠNG 1: THIẾT BỊ CHỐNG SÉT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN 6

1.1ĐẶT VẤN ĐỀ 6

1.2CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN 8

1.3KHÁI NIỆM VỀ SÉT 8

1.4THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN 10

1.5ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI CHỐNG SÉT 12

1.5.1 Khe hở phóng điện 12

1.5.2 Chống sét ống 13

1.5.3 Chống sét SiC 14

1.5.3.1 Cấu trúc của đĩa van SiC 14

1.5.3.2 Cấu trúc của khe hở 15

1.5.4.1 Cấu tạo một chống sét MOV (Metal Oxide Varistor) 15

1.5.4.2 Đặc tính của MOV 16

1.5.5 So sánh sự làm việc của các chống sét SIC và MOV………17

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……… 18

1.5.5.4 Tính ổn định đối với hoạt động phóng điện 18

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV 20

2.1CẤU TẠO CƠ BẢN MOV 20

2.2TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO 23

2.3ĐẶC TÍNH V-I 27

CHƯƠNG 3: CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN 28

3.1ĐẶT VẤN ĐỀ 28

3.2 CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN 29

3.2.1 Mô hình truyền thống ATP 29

3.2.2 Mô hình được đề nghị bởi IEEE 29

3.2.2.1 Mô hình IEE 30

3.2.2.2 Xác định các thông số 31

3.2.3 Mô hình được đề nghị bởi Pinceti 33

3.2.3.1 Mô hình Pinceti 33

3.2.3.2 Xác định thông số 33

3.2.4 Mô hình được đề nghị bởi P-K 34

3.2.4.1 Mô hình P-K 34

3.2.4.2 Xác định thông số 35

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 36

4.1GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB 36

4.1.1 Phần mềm MATLAB 36

4.1.2 Cơ sở về SIMULINK 36

4.2 MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT 37

4.2.1.2 Dạng sóng 8/20µs 37

4.2.2 Các dạng xung không chu kỳ chuẩn 38

4.2.3 Xây dựng mô hình nguồn phát xung 40

4.2.3.1 Xây dựng sơ đồ khối 40

4.2.4 Thực hiện mô phỏng 42

4.2.5 Nhận xét 43

4.3MÔ HÌNH LA CỦA MATLAB 44

4.4XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN THEO PINCETI BẰNG MATLAB .47

4.4.1 Giới thiệu một số khối (block) dùng trong mô hình 47

4.4.2 Xây dựng các mô hinh chống sét van trung áp 49

4.4.2.1 Xây dựng mô hình MOV theo Pinceti: 59

4.4.2.2Xây dựng mô hình LA hoàn chỉnh:……….……… … 52

4.4.2.3 Kiểm tra đáp ứng mô hình LA với xung dòng chuẩn: ……….… … 56

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP BẰNG MATLAB 57

5.1Xây dựng mô hình mạch thử nghiệm so sánh 57

5.2MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA CÁC CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP 58

5.2.1 Môphỏng hống sét van trung áp Type 9L11XPA0xxS Hãng General Electric……… 58

5.2.2 Môphỏng hống sét van trung áp EVP – Ohio Brass………60

5.2.3 Môphỏng hống sét van trung áp ABB 62

5.2.4 NHẬN XÉT CHUNG: 65

CHƯƠNG 6: NGHIÊN CỨU CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP 22/0,4KV TẠI ĐIỆN LỰC TRỊ AN - CÔNG TY ĐIỆN LỰC ĐỒNG NAI 67

6.1Sơ lược về lưới điện do Điện lực Trị An quản lý vận hành: ……… …….….67

6.2 Khảo sát điện áp do sét ở đầu cực máy biến áp theo vị trí lắp đặt LA……….…… 70

6.2.1 Trường hợp trạm có 1 MBA……….……… … 70

6.2.2 Trường hợp trạm có 3 MBA……….………… ….… 72

KẾT LUẬN……… … 78HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI……… 78TÀI LIỆU THAM KHẢO.

PHỤ LỤC

Ký hi ệu Đơn vị Mô tả

0C Nhiệt độ gia tăng trung bình

Vr kV Điện áp định mức của chống sét van

Vref kV Điện áp tham chiếu

T ừ viết tắt Nghĩa tiếng việt Nghĩa tiếng anh

MOV Biến trở ô xít kim loại Metal Oxide Varistor

Hình Trang

Hình 1.1: Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van 11

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

Hình 2.1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I 20

Hình 2.2: Vi cấu trúc của ceramic 21

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 23

Hình 2.4: Chống sét van trung thế của Ohio Brass 24

Hình 2.5: Mặt cắt cấu tạo của chống sét van 24

Hình 2.6: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO 26

Hình 2.7: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào 26

Hình 2.8: Đặc tính V-I của MOV 27

Hình 2.9: Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao 28

Hình 3.1: Mô hình của IEEE 30

Hình 3.2: Đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0và A1 32

Hình 3.3: Mô hình của Pinceti 33

Hình 3.4: Mô hình P-K 34

Hình 4.1: Dạng sóng 10/350 µs 37

Hình 4.2: Dạng sóng 8/20 µs 38

Hình 4.3: Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn 38

Hình 4.4: Dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần 39

Hình 4.5: Đường cong xác định tỉ số b/a 39

Hình 4.6: Đường cong xác định tỉ số at1 40

Hình 4.7: Đường cong xác định tỉ số I1/I 40

Hình 4.10: Hộp thoại khai báo các thông số của mô hình xung dòng 8/20µs42

Hình 4.11: Mạch mô phỏng đáp ứng máy phát xung dòng 42

Hình 4.12: Các thông số nguồn xung dòng .43

Hình 4.13: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 5kA và 10 kA 43

Hình 4.14: Quan hệ dòng điện –điện áp của mô hình chống sét van …….….44

Hình 4.15: Hộp thoại của mô hình LA của Matlab .45

Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý của mô hình 46

Hình 4.17: Mạch mô phỏng đáp ứng của LA Matlab 47

Hình 4.18: Sơ đồ tương đương theo mô hình Pinceti 49

Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 theo Pinceti 51

Hình 4.20: Mô hình điện trở phi tuyến theoPinceti 51

Hình 4.21: Mô hình LA theo Pinceti trên Matlab 52

Hình 4.22: Biểu tượng LA theo Pinceti 52

Hình 4.23: Thông tin trong thanh Documentation 53

Hình 4.24: Thông tin cho khối trong thanh Prameters & Dialog theo Pinceti 54 Hình 4.25: Nhập lệnh tính thông số trong thanh Initialization theo Pinceti 54

Hình 4.26: Tạo biểu tượng cho mô hình LA trong thanh Icon & Ports theo Pinceti 55

Hình 4.27: Biểu tượng mô hình chống sét van theo Pinceti 55

Hình 4.28: Hộp thoại của mô hình LA theo Pinceti .56

Hình 4.29: Mạch mô phỏng đáp ứng của LA theo mô hình Pinceti 56

Hình 5.1: Sơ đồ mô hình mạch thử nghiệm điện áp dư của LA………….… 57

Hình 5.2: Điện áp dư của LA hãng GE điện áp 18kV, ứng với dòng xung 5kA - 8/20ms 59

Hình 5.4: Điện áp dư của LA hãng Ohio điện áp 18kV, ứng với 62Hình 5.5: Điện áp dư của LA hãng Ohio điện áp 18kV, ứng với

dòng xung 10kA - 8/20 µs 62

Hình 5.6: Điện áp dư của LA hãng ABB điện áp 18kV, ứng với

dòng xung 10kA - 8/20µs 64Hình 5.7: Điện áp dư của LA hãng ABB điện áp 18kV, ứng với

dòng xung 10kA - 8/20 µs 64Hình 6.1: Vị trí lắp đặt LA trên trạm biến áp kiểu giàn 68Hình 6.2: Vị trí lắp đặt LA trên trạm biến áp kiểu đặt trên nền 69Hình 6.3: Sơ đồ mô phỏng điện áp tại đầu cực MBA phân phối theo khoảng cách lắp đặt LA 71Hình 6.4: Dạng sóng điện áp đầu cực MBA theo thời gian

khi LA gắn cách đầu cực máy biến áp 1m (D=1m) và cách 12m (D=12m) 71Hình 6.5: Sơ đồ 1 LA bảo vệ 3 MBA 73Hình 6.6: Sơ đồ mô phỏng 1 LA bảo vệ 3 trạm biến áp 73Hình 6.7: Sơ đồ mô phỏng mạng điện của ba trạm biến áp:

Công nghệ Chang shin 1, 2, 3 74Hình 6.8: Dạng sóng điện áp đầu cực MBA Công nghệ CS 1 (D1=7m), Công nghệ CS 2 (D2=3m) và MBA Công nghệ CS 3 (D3=8m) 75Hình 6.9: Dạng sóng điện áp đầu cực MBA Công nghệ CS 1 (D1=7m), Công nghệ CS 2 (D2=3m) và MBA Công nghệ CS 3 (D3=12m) 75Hình 6.10: Dạng sóng điện áp đầu cực MBA Công nghệ CS 1 (D1=12m), Công nghệ CS 2 (D2=3m) và MBA Công nghệ CS 3 (D3=14m) 76

B ảng Trang

Bảng 4.1: Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0và A1 50

Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật của hãng General Electric 58

Bảng 5.2: Kết quả mô phỏng ứng với LA của Hãng GE 59

Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật của hãng OHIOS BRASS 60

Bảng 5.4: Kết quả mô phỏng ứng với LA của Hãng OHIOS BRASS 61

Bảng 5.5: Thông số kỹ thuật của hãng ABB 63

Bảng 5.6: Kết quả mô phỏng ứng với LA của Hãng ABB 64

Bảng 5.7: Bảng tổng hợp mô phỏng 65

Bảng 6.1: Giá trị điện áp đầu cực máy biến áp theo khoảng cách D… … 72

Bảng 6.2: Bảng thống kê giá trị điện áp đầu cực 3 máy biến áp ứng với các khoảng cách từ LA đến đầu cực MBA khác nhau, trong đó D2=3m không hay đổi, D1 và D3 thay đỏi từ 7m đến 14m 76

PHẦN TỔNG QUAN

1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Mỗi năm, hệ thống lưới điện 22kV Công ty Điện lực Đồng Nai quản lý có khoảng trên 100 sự cố khác nhau, 40% trong số đó là do sét gây ra 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

Để giảm số vụ sự cố cũng như giảm thiệt hại do sét gây ra trên lưới điện, trong những năm qua, Công ty Điện lực Đồng Nai đã triển khai thực hiện nhiều giải pháp Trong đó, lắp bổ sung chống sét van là một trong những giải pháp chính Tuy nhiên, tại Công ty vẫn còn hạn chế trong việc nghiên cứu chuyên sâu để chọn vị trí, số lượng, thông số kỹ thuật của LA cần lắp sao cho hiệu quả nhất

Do đó cần thiết phải nghiên cứu xây dựng các mô hình chống sét van, từ đó ứng dụng để nghiên cứu, tính toán lựa chọn vị trí số lượng và thông số kỹ thuật của LA phù hợp từng khu vực đường dây, trạm biến áp để đem lại hiệu quả cao nhất trong việc hạn chế sự cố do sét gây ra

Hiện nay, cũng có nhiều nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống sét lan truyền 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

Ở trong nước đã có một số nghiên cứu về xây dựng mô hình chống sét van sử dụng Matlab/Simulink như đề tài “Nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van trong Matlab – Simulink để bảo vệ chống quá điện áp cho thiết bị điện” của tác giả

Nguyễn Sỹ Hùng, Trần Ngọc Thắm Đề tài này đã nghiên cứu xây dựng mô hình chống sét van theo để xuất của IEEE đồng thời sử dụng mô hình để nghiên cứu đánh giá vai trò của chống sét van trong bảo vệ chống quá điện áp do xung sét lan truyền Tuy nhiên đề tài này chưa nghiên cứu vị trí đặt chống sét van sao cho hiệu quả nhất để bảo vệ thiết bị điện

Ngoài ra còn có đề tài “Xây dựng và đánh giá các mô hình chống sét van trung áp” của tác giả Võ Thanh Âu Đề tài này đã nghiên cứu xây dựng các mô hình chống sét theo các đề xuất của IEEE, PK, Pinceti đồng thời mô phỏng so sánh độ chính xác của các mô hình với nhau và với mô hình có sẵn trong Matlab Tuy nhiên

đề tài này chỉ giới hạn ở việc đánh giá so sánh điện áp dư của chống sét van qua mô phỏng so với thông số cho bởi nhà sản xuất, chưa nghiên cứu đề xuất vị trí lắp đặt chống sét van

Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài: “Xây dựng mô hình chống sét van”

nghiên cứu mô hình thiết bị chống sét van dạng MOV (Metal Oxide Varistor), sử dụng đề xuất của mô hình Pinceti lập mô hình và mô phỏng bởi phần mềm Matlab với mong muốn mô phỏng thiết bị chống sét van của hầu hết các nhà chế tạo chỉ với các thông số được cung cấp từ catalogue Đề tài đặt ra hướng nghiên cứu để đề xuất phương án hợp lý bố trí lắp đặt chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối điển hình Điện lực Trị An thuộc Công ty Điện lực Đồng Nai Với đề tài này, hy vọng sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho các sinh viên, các kỹ sư điện trong việc nghiên cứu sự hoạt động của chống sét van hoặc để lựa chọn chủng loại, số lượng và vị trí lắp đặt chống sét van cho các sơ đồ trạm biến áp khác nhau sao cho phù hợp, hiệu quả nhất

2 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu phối hợp cách điện, so sánh ưu nhược điểm của một số loại chống sét van (Lightning Arrester – LA)

- 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

- Cải tiến mô hình chống sét van trong Matlab

- Nghiên cứu vị trí lắp đặt chống sét van hợp lý trên lưới điện thực tế

3 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

- Mô hình hóa và mô phỏng chống sét van dạng MOV bằng Simulink trong Matlab; đánh giá độ chính xác của các mô hình

- Nghiên cứu, mô phỏng chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối với các

sơ đồ thực tế khác nhau

4 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

- Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ Matlab

- Nghiên cứu các tiêu chuẩn lựa chọn chống sét

- 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 thiết bị phát xung sét tiêu chuẩn

- Lập mô hình chống sét van dạng MOV

- Lập mô hình chống sét van bảo vệ các thiết bị điện cụ thể

- Thực thi các mô hình

- Đánh giá mô hình

5 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài sử dụng mô hình Pinceti để xây mô hình và mô phỏng chống sét van của hầu hết các nhà chế tạo trên phần mềm Matlab chỉ với các thông số được cung cấp từ catalogue Đề tài đặt ra hướng nghiên cứu ứng dụng vào thực tế, đề xuất phương án hợp lý bố trí lắp đặt chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối trên lưới điện Điện lực Trị An thuộc Công ty Điện lực Đồng Nai

Những nghiên cứu mô phỏng chống sét lan truyền bảo vệ các trạm biến áp điển hình của tài này là cơ sở để tiếp tục lập các sơ đồ mô phỏng nhằm kiểm tra đánh giá khả năng bảo vệ của chống sét van cho các trạm biến áp 22/0,4kV, hoặc các thiết bị khác trên lưới điện thực tế

6 TÍNH THỰC TIỄN

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

- Kết quả nghiên cứu được sử dụng làm tài liệu tham khảo tại Công ty Điện lực Đồng Nai và các học viên cao học Ngành Kỹ thuật điện trong nghiên cứu các biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho cách điện máy biến áp và các thiết bị khác trong lưới điện phân phối

- 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 và cán bộ kỹ thuật ngành điện

- Đề xuất vị trí hợp lý lắp đặt chống sét van bảo vệ Máy biến áp trong mạng phân phối tại Điện lực Trị An - Công ty Điện lực Đồng Nai

7 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

Phần 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 bằng Matlab

Chương 5: Mô phỏng so sánh các mô hình chống sét van trung áp bằng

Matlab

Chương 6: Nghiên cứu chống sét lan chuyền bảo vệ trạm biến áp 22/0,4kV tại

Điện lực Trị An – Công ty Điện lực Đồng Nai

Kết luận và kiến nghị

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 THIẾT BỊ CHỐNG SÉT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

VÀ CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài ở một cấp điện áp nào đó 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 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 :

- Khe hở phóng điện

- Các loại van chống sét

Mục tiêu cơ bản của các bảo vệ quá áp trong hệ thống điện là tránh các hư hỏng cách điện, ngừng làm việc hoặc hư hỏng của thiết bị

1.2 CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN

Cách điện thiết bị được chia ra làm hai loại: cách điện ngoài và cách điện trong Vật liệu cách điện thông dụng được sử dụng ở các thiết bị điện hiện nay 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)

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 đạc 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

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)

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

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

(Nguồn: [3])

1.5 ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI CHỐNG SÉT

Bảo vệ quá áp trong hệ thống điện đã được đặt ra từ những năm cuối của thế

kỷ XIX 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 (Polymer housed distribution overhead arrester)

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

- Mức phóng điện thay đổi do phụ thuộc điều kiện môi trường xung quanh, sau mỗi lần phóng điện, điện cực bị ăn mòn khoảng cách phóng điện thay đổi

- Khi một khe hở phóng điện tác động do quá áp sẽ hình thành hồ quang điện, hồ quang này tồn tại cho đến khi bị cắt do các thiết bị bảo vệ lưới điện Điều này tạo nên sự cố pha – đất ở lưới trung tính trực tiếp nối đất và

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

Ưu điểm :

- Chống sét có thể cắt dòng theo sau tần số công nghiệp mà không cần dùng thêm cầu chì

Nhược điểm :

- Chống sét có khả năng hạn chế trong việc giải trừ dòng ngắn mạch (tối đa vào khoảng 3000A) và tuổi thọ ngắn vì dòng điện theo sau ăn mòn ống sau mỗi lần tác động

- 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 van 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

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

(Nguồn: [1])

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

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

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 KIỂU MOV 1.2 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

(Nguồn: [4])

MOV được chế tạo từ ZnO.Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt Các biên hạt ZnO có thể quan sát được qua hình ảnh vi 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

(Nguồn: [4])

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 MOV 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

MOV 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 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

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 (2.2) 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 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 2.8)

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

(Nguồn: [4])

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

(Nguồn: [4])

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, cụ thể

là 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 trung thế

Hình 2.5: Mặt cắt cấu tạo của chống sét van

(Trích Datasheet Dyna Arester của Hãng Ohio Brass)

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