Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Quá điện áp khí quyển và quá điện áp do các sự cố trong hệ thống điện có thể lớn
hơn điện áp thí nghiệm xung của cách điện, dẫn đến gây chọc thủng cách điện, phá hoại
thiết bị quan trọng như tụ bù dọc, kháng bù ngang và máy biến áp.
Thiết bị CSV được sử dụng để bảo vệ các thiết bị nói trên với mục đích là luôn
giới hạn điện áp trên các đầu cực thiết bị được bảo vệ ở dưới mức điện áp an toàn của
thiết bị.
Sự phát triển của HTĐ và yêu cầu chất lượng điện năng ngày càng cao, làm cho
vấn đề bảo vệ chống quá điện áp cho các thiết bị điện được quan tâm từ lâu và ngày
càng cao cùng với sự cần thiết của các thiết bị chống sét đến việc vận hành an toàn, tin
cậy của hệ thống cung cấp điện.
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 CSV, 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, nhiều nhà nghiên cứu và sản xuất thiết bị chống sét lan truyền trên
đường dây đã đi sâu nghiên cứu và đề ra các mô hình thiết bị chống sét với mức độ
chính xác cao, các quan điểm xây dựng mô hình cũng khác nhau. Mặt khác một số phần
mềm mô phỏng cũng đã hổ trợ trong việc xây dựng mô hình các thiết bị chống sét. Tuy
nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hóa và mô phỏng là có yêu cầu về mức độ
chính xác, mức độ tương đồng cao giữa mô hình và nguyên mẫu của đối tượng, các
phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng các phần tử chống sét lan truyển vẫn còn
nhiều tranh cãi và được tiếp tục nghiên cứu để phát triễn
Việc nghiên cứu lập mô hình và tiến hành mô phỏng thiết bị CSV dạng MOV,
Chương 3: Mô phỏng quá trình hoạt động của CSV bảo vệ quá điện áp cho tụ bù dọc và
kháng bù ngang.
Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng chống sét van MOV và áp dụng mô hình mô
phỏng CSV bảo vệ trạm biến áp
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 2
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
CHƯƠNG 1
CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TÍNH NĂNG KỸ
THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV
1.1. Cấu tạo
CSV dạng MOV là thiết bị có điện trở phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp đặt vào mà hành
vi về điện giống như 2 diode đấu ngược lại (back-to-back). Với đặc tính đối xứng, đặc
tính vùng đánh thủng rất dốc cho phép MOV có tính năng khử xung quá độ đột biến
hoàn hảo hình 1.1. 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 thụ bởi MOV cho nên các thành phần trong mạch được bảo vệ tránh hư
hại.
Hình 2.1 Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I
Thành phần cơ bản của biến trở là ZnO với thêm một lượng nhỏ bismuth, cobalt,
manganses và các ôxit 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.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 3
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của
hạt. Các biên hạt ZnO có thể quan sát được qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic như
hình 1.2. Hành vi phi tuyến về điện xảy ra tại biên tiếp giáp của 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
VdnD
N
=+=
(1.2)
Trong đó:
n là số tiếp giáp trung bình giữa các hạt ZnO
d là kích thước trung bình của hạt
V
N
là điện áp rơi trên MOV khi chuyển hoàn toàn từ vùng dòng rò tuyến tính
sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên vùng đặc tính V-I với dòng điện 1mA.
Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp. Chúng gồm 3 vùng cấu trúc (hình
2.4):
Vùng I: Biên có độ dày khoảng (100-1000 nm) và đây là lớp giàu bột Bi2O3.
Vùng II: Biên có độ mỏng khoảng (1-200 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.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 5
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO
1.2. Tính năng hoạt động của biến trở ZnO
Biến trở ZnO là rất phức tạp, nhiều thành phần, hành vi về điện các ôxyt ceramic
đa tinh thể tùy vào vi cấu trúc của thiết bị này và chi tiết quá trình xảy ra tại các biên
tiếp hạt ZnO. Thành phần chính của biến trở là ZnO chiếm 90% hoặc hơn nữa, còn lại là
các ôxyt kim loại khác. Một hỗn hợp tiêu biểu như sau: 97mol-%ZnO, 1mol-%Sb2O3,
0,5mol-% mỗi Bi2O3, Cô, MnO, 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
10
-10
12
Ωcm ), bên trong các hạt tính dẫn
điện rất cao( ρ=0.1-10Ωcm ). Điện trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt khoảng
50-100nm, vùng này được biết như là vùng hẹp.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 7
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
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, trong hạt ôxyt 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 lớp tiếp giáp theo biểu thức :
Nq
VV
C
S
b
ε
)(2
1
2
+
=
(1.3)
V
b
: điện thế rào
V: điện áp đặt vào
R
tăng dẫn đến điện thế rào
thấp hơn và sự dẫn điện được gia tăng.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 8
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
Hình 1.6. Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO- biên –ZnO.
Độ lớn điện thế rào Φ
L
của biến trở là một hàm theo điện áp (hình 1.7). Sự giảm
nhanh của điện thế rào ở điện áp cao tương ứng với lúc bắt đầu vùng dẫn phi tuyến.
Ở vùng dẫn cao, giá trị điện trở tùy thuộc vào tính dẫn điện của các hạt bán dẫn ZnO, ở
vùng dẫn này mật độ hạt dẫn khoảng từ 10
17
-10
18
cm
3
. Điện trở suất của ZnO có giá trị
dưới 0,3 Ωcm.
Hình 1.7.Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 9
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
1.3 Đặc tính V-I
Đặc tính V-I của MOV như hình 2.8, đặc tính V-I được biểu diễn bằng phương trình
hàm mũ:
I = K.V
α
α > 1 (1.4)
Trong đó :
I là dòng qua biến trở
+ B
4
e
-log(I)
(1.8)
V = 10
logV
= 10
B1 + B2log(I) + B3e-log(I) + B4e-log(I)
(1.9)
Hình 1.8. Đặc tính V-I của MOV
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 10
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
1.4. Thời gian đáp ứng
Hoạt động của biến trở tùy thuộc vào cơ chế dẫn điện giống như các thiết bị bán
dẫn khác. Sự dẫn điện xảy ra rất nhanh với thời gian trễ tính bằng nano giây. Hình 1.9
đường cong (1) phía trên là trường hợp không có biến trở, đường cong (2) phía
dưới là trường hợp có biến trở và không đồng bộ với đường (1) cho thấy ảnh
hưởng điện áp kẹp xảy ra rất nhanh.
Tuy nhiên thời gian đáp ứng của MOV bị thay đổi bởi một số lý do:
Điện áp đầu dây nối góp phần gia tăng dáng kể điện áp ngang qua đầu cực của
biến trở ở xung dòng cao và độ đốc sườn trước lớn .
Điện dung ký sinh của chính bản thân MOV.
Trở kháng ngoài của mạch.
Đáp ứng của biến trở bị ảnh hưởng bởi dạng sóng dòng điện và độ vọt điện áp
cực đại xuất hiện tại đầu cực của biến trở trong suốt quá trình tăng dòng điện như hình
1.9.
Hình 1.9. Đáp ứng của biến trở ZnO ứng với xung tốc độ cao
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 11
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 12
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
Hình 1.11. Số lần xung có thể chịu được của CSV MOV
1.5.2 Công suất tiêu tán trung bình
Giá trị công suất tiêu tán trung bình đặc biệt quan tâm trong trường hợp điện áp
thay đổi, hệ số phi tuyến cao. Từ công thức (1.4), công thức tiêu tán trung bình được xác
định:
P = K.V
α+1
(1.11)
Với sự thay đổi nhỏ của điện áp hiện hành có thể làm tăng công suất tiêu tán
trung bình
T
∆
vì sự tăng cao của hệ số phi tuyến α .
Nếu như MOV làm việc ở trạng thái quá độ tần số cao thì nhiệt độ trung bình sẽ gia tăng
và được cho bởi công thức :
δ
P
T
=∆
(1.12)
P là công suất tiêu tán trung bình, tùy thuộc vào năng lượng xung và tần số xung
lặp lại.
δ là hệ số tiêu tán
Nhiệt độ này phải luôn nhỏ hơn nhiệt độ cho phép của nhà sản xuất, nếu không
MOV sẽ bị phá hỏng do nhiệt.
1.6. Tính năng kỹ thuật
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 13
r
)
Thông thường điện áp định mức của một thiết bị là giá trị điện áp được đặt liên
tục lên thiết bị mà vẫn đảm bảo được tính năng của nó, trong nhiều trường hợp CSV
không phải là như vậy.
Theo IEC: Điện áp định mức của chống sét là giá trị hiệu dụng cho phép tối đa
của điện áp tần số công nghiệp đặt vào hai cực chống sét mà tại đó công suất được thiết
kế để vận hành đúng ở các điều kiện được thiết lập trong các thí nghiệm chu kỳ làm
việc.
Theo IEC: Một CSV đáp ứng tiêu chuẩn phải chịu đựng được điện áp định mức
của nó ít nhất trong 10 giây, sau khi đã được gia nhiệt trước đến 60
0
C và chịu tác động
một xung dòng cao hay hai xung dòng trong thời gian dài và sau đó được phối kiểm độ
ổn định nhiệt đối với điện áp vận hành liên tục trong khoảng 30 phút .
Theo ANSI: Điện áp chu kỳ làm việc cũng được định nghĩa là một chu kỳ thử
nghiệm khá phức tạp. Định mức chu kỳ làm việc là điện áp mà tại giá trị này các mẫu
thử nghiệm được nạp điện mà không gia nhiệt trước. Điện áp thử nghiệm này được giử
khoảng 20 phút, trong thời gian đó 20 xung dòng loại (8/20µs-10kA), được sử dụng với
khoảng thời gian giữa các lần tao tác là 50 giây đến 60 giây.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 15
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
Hiển nhiên, sự xác định định mức chống sét ANSI không thể đo trực tiếp trên
chống sét, cũng không liên quan đến các điều kiện làm việc gắn chặt với các đánh giá
thử nghiệm .
Mặc dầu các thử nghiệm là khác nhau giữa IEC và ANSI, trong thực tế các định
mức được xác định bởi các nhà sản xuất khác nhau, đối với các đặc tính chính thì hầu
như tương tự dù là được xác định theo IEC hay ANSI. Lý do là trong thực tế điện áp
định mức được sử dụng như là một thông số tham khảo các đặc tính khác của chống sét
mà sẽ được xác định từ hệ thống hay các yêu cầu thử nghiệm. Do vậy trong lựa chọn
2
được sử dụng cho chống sét để đạt dòng điện quy chuẩn.
Điện áp quy chuẩn là một tổ hợp nhiều chống sét ghép lại là tổng số của các điện áp quy
chuẩn thành phần.
Theo ANSI: Điện áp quy chuẩn là giá trị đỉnh thấp nhất của điện áp tần số công
nghiệp của cực độc lập chia cho
2
, được yêu cầu tạo ra thành điện trở của dòng điện
bằng dòng quy chuẩn của chống sét. Điện áp quy chuẩn của một tổ hợp gồm nhiều
chống sét ghép nối tiếp là tổng số của các điện áp quy chuẩn của từng thành phần. Mức
điện áp này do nhà sản xuất quy định.
1.6.4. Quá điện áp tạm thời (TOV)
Quá điện áp với tần số vài Hz đến vài trăm Hz, thời gian kéo dài từ vài ms đến
hàng giờ. Các nguyên nhân của quá áp tạm thời có thể là do chạm đất một pha, hai pha,
cộng hưởng sắt từ trong lưới điện, sa thải phụ thải. Thông thường xung này không được
quá
3
pu và không gây nguy hiểm trong vận hành luới điện. Tuy nhiên, nó là yếu tố
quyết định đến kích cỡ của chống sét.
1.6.5. Điện áp vận hành liên tục (U
c
)
Theo IEC: U
c
là giá trị hiệu dụng của điện áp tần số công nghiệp tối đa được thiết
kế mà điện áp này có thể sử dụng liên tục giữa hai cực của chống sét .
Khi so sánh U
c
của chống sét các nhà sản xuất khác nhau cần lưu ý là không phải
khi một chống sét có U
sét cho áp dụng giống nhau, điều hiển nhiên là các thử nghiệm phải được thực hiện với
điện áp công tác tối đa thực tế để đạt được một giá trị thích đáng.
Các định nghĩa cho Uc và MCOV ở các tiêu chuẩn là tương đương.Tuy nhiên,
khi xem xét đến sự phân bố điện áp không đồng nhất không có ở tiêu chuẩn ANSI, do
vậy MCOV chỉ được xem như là giá trị áp liên tục tối đa được sử dụng trong thử
nghiệm phân loại, được chia theo tỷ lệ cho các đĩa trong một CSV, không phải của
chống sét hoàn chỉnh.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 18
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
1.6.6. Hệ số bền chịu đựng quá áp tạm thời (T)
Hình 1.13. Hệ số chịu đựng quá điện áp tạm thời
TOV là một hàm số theo thời gian t ở nhiệt độ môi trường t = 60°C (nhiệt độ
không khí bên ngoài chống sét), t là khoảng thời gian quá áp tần số công nghiệp (hình
1.13).
Hệ số bền chịu đựng quá áp tạm thời T là khả năng chịu đựng TOV của CSV
được định nghĩa như sau:
C
U
TOV
T
=
(1.13)
Để thể hiện khả năng quá áp tạm thời của chống sét MOV các nhà sản xuất
thường cung cấp kèm theo chống sét đặc tính khả năng quá áp tạm thời theo thời gian.
Cần lưu ý có hai cách thể hiện :
Cách 1: Cách này thường gặp ở các nhà sản xuất Châu Âu và theo tiêu chuẩn IEC
Trên hình 1.13, đường đặc tuyến ở phía trên có giá trị đối với các chống sét
không có mang tải trước đáng kể. Vì lý do ổn định nhiệt nên nhiệt độ MOV không thể
1.6.8. Năng lượng định mức
Năng lượng định mức của các CSV dạng MOV phụ thuộc vào nhiều thông số
như khoảng thời gian phóng năng lượng, biên độ dòng và số lần phóng điện. Nói chung,
chống sét không được dùng để bảo vệ các thiết bị để ngăn ngừa TOV vì như vậy sẽ đòi
hỏi một số lượng lớn các chống sét nối song song. Những áp dụng có thể xem xét chỉ
trong trường hợp để hạn chế hay loại trừ TOV cộng hưởng. Trong những trường hợp
như thế cần phải nghiên cứu một cách cẩn thận để chọn lựa chống sét có dung lượng
thích hợp.
Tổng trở ngắn mạch nhìn từ chống sét trong quá trình xảy ra TOV đóng vai trò
quan trọng để xác định yêu cầu năng lượng, các yếu tố khác ảnh hưởng đến dung lượng
TOV là năng lượng hấp thụ như nhiệt độ ban đầu của các thớt của bộ chống sét khi có
TOV và điện áp đưa vào sau TOV. Đối với các TOV có tần số cao hơn tần số công
nghiệp có thể giả thiết ở cùng một biên độ điện áp thì khoảng thời gian chịu đựng của
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 21
Phương thức nối đất của lưới điện K
e
Hệ thống 4 dây nối đất lặp lại 1,25-1,35
Cáp (4 dây) 1,50
Hệ thống 3 dây nối đất tổng trở nhỏ 1,40
Hệ thống 3 dây nối đất tổng trở cao 1,73
Hệ thống 3 dây nối delta 1,73
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
chống sét trong hai trường hợp này được xem như nhau nếu quá trình này ngắn hơn
10s. Đối với các trường hợp khác thì phải tham khảo ý kiến nhà sản xuất.
Theo IEC là các thử nghiệm chịu đựng xung dòng thời gian dài(Long duration
current impulse withstand test). Và theo ANSI là thí nghiệm chịu đựng dòng phóng
(Discharge curent withstand test) đó là các xung dòng chữ nhật dài 2-3,2ms, biên độ
200-1000A và số xung là 18 hay 20. Nói chung, các yêu cầu IEC là khắc nghiệt hơn
ANSI do năng lượng mỗi xung là cao hơn. Thông thường các chống sét MOV chịu
đựng mức năng lượng cao hơn ở các dòng thấp có thời gian dài (như các ứng suất tần số
BIL: Mức cách điện cơ bản của thiết bị
LPL: là điện áp phóng ở dòng xung sét được xếp loại chống sét
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 23
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
1.6.9.3. Biên hạn bảo vệ xung thao tác thiết bị (PM3)
13
−=
SPL
BSL
PM
BSL : là mức cách điện xung thao tác cơ bản của thiết bị
SPL : Mức bảo vệ chống sét đối với một xung thao tác
Độ bền của các thiết bị có cách điện thiết bị khô tăng không đáng kể khi thời
gian chịu điện áp xung giảm. Vì vậy với mục đích phối hợp cách điện, độ bền của cách
điện thiết bị được xem như các giá trị BIL là tương đương cho tất cả các phóng điện
xung. Khi xây dựng các thiết bị cách điện khô có cùng trị số BIL như thiết bị loại cách
điện dầu cho cùng một điện áp vận hành là không thực tế. Do đó, vấn đề phối hợp cách
điện đối với thiết bị loại khô gặp khó khăn hơn so với thiết bị loại dầu. Để bảo vệ áp cho
thiết bị loại này phải dùng CSV đặc biệt.
Các biên hạn bảo vệ tối thiểu theo ANSI đề xuất là:
PM1 (Mức thử nghiệm sóng cắt): 20%
PM2 (Mức BIL): 20%
PM3 (Dãy xung đóng cắt ): 15%
Biên hạn bảo vệ tối thiểu này có chứa 1 hệ số an toàn để giải thích các trường
hợp phát sinh đa dạng, không biết trước như sai số trong các tính toán dòng xung lớn
nhất, khoảng cách đến máy biến áp và thiết bị khác, trường hợp giảm khả năng chịu
đựng điện áp do sự xuống cấp của thiết bị đã cũ. Trong phạm vi các thông số đã được
nêu ra, một biên hạn bảo vệ qui định không phải là mối quan tâm đáng kể khi so sánh
việc bảo vệ bởi hai CSV với định mức gần nhau của nhà sản xuất. Tuy nhiên chúng phải
được đặc biệt chú trọng khi so sánh các CSV có cùng định mức do nhà sản xuất khác
cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức
năng cho các loại hệ thống khác nhau. Hơn thế nữa người sử dụng cũng có thể tạo nên
các khối riêng của mình.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 25
Copyright: Tài liệu đại học ©