Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van trong matlab-simulink để bảo vệ chống quá điện áp cho thiết bị điện

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,
nhận tín hiệu xung không chu lỳ ngõ vào từ đó cho các đáp ứung ở ngõ ra gần như thực
tế, qua đó cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho sinh viên trong việc nghiên cứu
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 1
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
các hành vi và đáp ứng thiết bị CSV dưới tác dụng của xung sét. Đồng thời cũng làm
công cụ để lựa chọn, kiểm chứng, phát triển và áp dụng mô hình.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Đề tài đề xuất việc sử dụng mô hình CSV trong Matlab-Simulink để nghiên cứu
sự làm việc của CSV bảo vệ cho các thiết bị điện, đồng thời đề xuất việc lựa chọn các
thông số, số lượng của CSV cần đặt nhằm bảo vệ cho các thiết bị điện và cả CSV. Đồng
thời đề tài cũng đề xuất việc mô hình hóa thiết bị CSV để phục vụ nghiên cứu bảo vệ
máy điện khi có quá điện áp khí quyển.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của để tài là nghiên cứu cấu tạo, tính năng kỹ thuật, các
mô hình mô tả các đặc tính làm việc, xây dựng mô hình mô phỏng và tiến hành mô
phỏng đáp ứng của các loại chống sét van MOV, từ đó đánh giá chính xác, lựa chọn và
phát triển mô hình, sử dụng vào trong việc nghiên cứu tác dụng bảo vệ và phối hợp cách
điện cho TBA, tụ bù dọc, kháng bù ngang.
4. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp mô hình hóa trong Matlab-Simulink và mô phỏng CSV
dưới tác dụng của các dạng xung sét không chu kỳ.
5. Đặt tên đề tài
Căn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đề tài được đặt tên:
“NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRONG
MATLAB-SIMULINK ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP CHO THIẾT BỊ
ĐIỆN”
6. Bố cục của đề tài
Đề tài gồm những nội dung chính sau:
Chương 1: Cấu tạo, nguyên lý làm việc và tính năng kỹ thuật của chống sét van MOV
Chương 2: Công cụ Matlab-Simulink trong mô phỏng hệ thống điện


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
song song của biên hạt. Hoạt động của thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của
ceramic, kích thước hạt và phân bổ kích thước hạt đóng vai trò chính trong hành vi về
điện .
Hình 1.2. Vi cấu trúc của MOV
Hỗn hợp rắn ôxit kẽm với ôxyt 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 ôxyt kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt khoảng
15-100 µm), trong khi các ôxyt kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao. Chỉ tại
các điểm ôxyt 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. 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
tăng cao.
MOV được chế tạo từ việc hình thành và tạo hạt ZnO dạng bột vào trong 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 dược
hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài (hình 2.3).
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 4
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
Hình 1.3 Vi cấu trúc của MOV
Điện áp của MOV được xác định bởi bề dày của MOV và kích thước cả 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, khoảng từ (2-3,5V). Mối liên hệ này được xác định như sau:
Điện áp biến trở: V
N
= 3,5.n (1.1)
Bề dày của biến trở:
5,3
)1(
d
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
1000-1400
0
C. Hai phiến kim loaị thường là bằng bạc tiếp xúc với các hạt được vón cục
bên ngoài làm điện cực và được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài, thiết bị được
đóng gói bằng vật liệu trùng hợp. Sản phẩm được hoàn thành sau cùng được kiểm tra
đáp ứng các tính năng yêu cầu kỹ thuật. Quá trình được diễn tả theo lưu đồ hình 2.5.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 6
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
Giá trị tiêu biểu kích thước biến trở ôxyt kim loại được cho bảng 2.1:
Điện áp biến trở (V rms) D( µm ) N (hạt) Điện trường V/
mm tại 1mA
Bề dày của
MOV(mm)
150 20 75 150 1,5
25 80 12 39 1,0
Bảng 2.1. Kích thước biến trở
Đường kính đĩa danh định bảng 2.2.
Đường kính đĩa danh định -mm 3 5 7 10 14 20 32 34 40 62
Bảng 2.2. Đường kính danh định
Lưu đồ chế tạo MOV hình 2.5
Hình 2.5.Lưu đồ chế tạo biến trở ZnO
Cấu trúc biến trở oxyt kim loại là đa tinh thể tự nhiên nên hoạt động vật lý 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
ôxyt kẽm, một vài lý thuyết ban đầu đã giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng xuyên
hầm. Tuy nhiên, có thể diễn tả bằng sự sắp xếp các diode bán dẫn 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 hóa học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp
giáp hạt ZnO có điện trở suất rất cao ( ρ=10
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
q: điện tích điện tử
ε : hằng số điện môi của chất bán dẫn
N: mật độ hạt dẫn được xác định khoảng 2x10
17
/cm
3
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 25
0
C.
Trên hình 1.6, sơ đồ năng lượng của ZnO- biên tiếp giáp-ZnO. Điện áp phân cực
thuận V
L
phía bên trái của hạt, điện áp phân cực ngược V
R
phía bên phải của hạt. Độ
rộng vùng nghèo là X
L
và X
R
, độ lớn điện thế rào tương ứng là Φ
L
và Φ
R
. Điện thế phân
cực tại gốc là Φ
o
, khi điện áp phân cực gia tăng Φ
L
giảm, Φ
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
V điện áp đặt lên biến trở
K hệ số phụ thuộc vào loại biến trở
α là hệ số phi tuyến
Nguyên lý bảo vệ của biến trở thể hiện qua điện áp phụ thuộc giá trị điện trở:
α
α

===
1
1
V
KKV
V
I
V
R
(1.5)
Từ (1.4) và (1.5) suy ra:
logI = logK + αlogV (1.6)
logR = log(1/K) + (1-α)logV (1.7)
Theo đề nghị của Marned Holzer và Willi Zapsky, xấp xỉ hóa đặc tính V-I của
biến trở được biểu diễn theo phương trình:
logV = B
1
+ B
2
log(I) + B
3
e
-log(I)
+ 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
Hình 1.10. Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng
a) Đặc tính V-I của biến trở ZnO khi thay đổi thời gian tăng xung dòng
b) Điện áp kẹp thay đổi tương ứng với thay đổi dòng xung 8/20µs
1.5. Năng lượng cho phép và công suất tiêu tán trung bình
1.5.1. Năng lượng cho phép
Sự già hóa của biến trở liên quan đến năng lượng quá độ, được xác định bởi giá
trị điện áp dư cực đại V
p
với dòng điện đỉnh I
p
cũng như dạng xung. Đối với dạng xung
sét chuẩn, năng lượng cho phép và được tính toán theo công thức (1.10):
W = V
P
I
P
(1,4T
2
– 0,88T
1
)10
-6
(1.10)
Năng lượng cho phép của MOV phụ thuộc vào đường kính của MOV và năng
lượng vượt giá trị cho phép khi:
Dòng điên rò cao.
Điện áp tại 1mA bị suy giảm (điện áp ngưỡng).
Hệ số phi tuyến bị suy giảm.
Tuổi thọ của MOV còn thể hiện qua số lần xung tối đa mà MOV có thể chịu
đựng được với xung vuông (hình 1.11).
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
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
CSV là thiết bị dùng để bảo vệ qúa áp. Theo ANSI, CSV là một “thiết bị bảo vệ
để hạn chế điện áp trên thiết bị bằng cách phóng hay dẫn dòng điện xung theo mạch
phân dòng”. Bên cạnh đó, dòng điện chạy qua CSV 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, CSV được chia thành 3 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.
CSV phân phối 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, CSV 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.
Các CSV trung gian được xác định có điện áp định mức từ 3kV đến 120 kV.
Loại CSV có đặc tính bảo vệ tốt hơn CSV phân phối. Tính năng an toàn áp lực thực sự
rất cần thiết dù rằng vài loại CSV trung gian đặc biệt dùng bảo vệ hệ thống cáp ngầm
không có thiết bị an toàn áp lực.
CSV dùng cho trạm 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 3 kV đến 648 kV và phải có tính năng an toàn áp lực.
Đối với CSV dùng để ngăn ngừa không cho điện áp tăng lên quá cao ở các thiết
bị được bảo vệ, phải phối hợp với các mức chịu đựng xung cơ bản BIL của thiết bị đó.
Nghĩa là quy trình chọn CSV phải tính đến khả năng chịu quá áp của thiết bị và đảm bảo
cho CSV hoạt động tốt trong giới hạn cách điện của thiết bị.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 14
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
Hình 1.12.Chức năng phối hợp cách điện của CSV
Hiện nay có hai tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến để thiết kế chống sét là IEC và ANSI.
Một số thuật ngữ cơ bản được sử dụng như sau:
1.6.1. Điện áp định mức (U
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
chống sét, điều quan trọng quyết định là các thông số đo được, chẳng hạn như các mức
bảo vệ tuyệt đối.
1.6.2. Dòng điện quy chẩn (I
ref
)
Theo IEC : Dòng điện quy chuẩn là giá trị đỉnh (giá trị đỉnh của hai cực sẽ cao
hơn nếu dòng điện bất đối xứng) của thành phần điện trở ở dòng điện tần số công
nghiệp được sử dụng để xác định điện áp quy chuẩn của chống sét. Dòng điện quy
chuẩn phải đủ lớn để có thể bỏ qua các ảnh hưởng của điện dung tản của chống sét tại
giá trị điện áp quy chuẩn đo được và được quy định bởi nhà sản xuất.
Theo tiêu chuẩn IEC 99-4 thì dòng điện quy chuẩn cho phép khi đặt dòng điện
xoay chiều tần số công nghiệp vào hai cực của chống sét là tương ứng với mật độ dòng
điện khoảng (0,05mA ÷ 1,0mA)/cm
2
của tiết diện đĩa MOV của các chống sét loại một
trụ.
Theo ANSI: Dòng điện quy chuẩn là giá trị đỉnh của thành phần điện trở của
dòng điện tần số công nghiệp đủ lớn để có thể bỏ qua các ảnh hưởng của các điện dung
tản của chống sét. Mức dòng điện này là do nhà sản xuất quy định.
Theo tiêu chuẩn ANSI C62-11 thì khi nâng điện áp lên 1,25 lần điện áp làm việc
liên tục lớn nhất vào hai cực của chống sét thì dòng điện qua chống sét là dòng điện quy
chuẩn. Dòng điện quy chuẩn cho phép theo tiêu chuẩn này là (0,05mA ÷1,0mA)/cm2
của tiết diện đĩa MOV.
1.6.3. Điện áp quy chuẩn (U
ref
)
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 16
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
Theo IEC :Điện áp quy chẩn là giá trị đỉnh của điện áp tần số công nghiệp chia
cho
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
c
lớn hơn là đặc tính chống sét tốt hơn. Bởi vì giá trị U
c
được
thiết kế là khác nhau giữa các nhà sản xuất, nó phụ thuộc vào các thông số sau đây:
Sự phân bố điện áp phi tuyến đặc biệt là các chống sét có thân dài.
Các ứng suất xung thao tác và xung sét.
Đặc tính lão hóa .
Đặc tính ô nhiễm .
Các quá áp tạm thời.
U
c
cao hơn không tương ứng đối với điện áp ngưỡng cao hơn, không cải thiện
đặc tính ô nhiễm hoặc khả năng chịu đựng TOV.
Do vậy, tốt nhất là cần quy định Uc, TOV và các thông số khác riêng lẻ dựa trên
yêu cầu thực tế của lưới điện và theo đó lựa chọn chống sét thích hợp
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 17
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
Theo ANSI: Thuật ngữ MCOV là giá trị hiệu dụng của điện áp tần số công nghiệp tối đa
có thể áp đặt liên tục vào hai cực của chống sét.
Theo tiêu chuẩn ANSI tất cả các định mức chống sét đều được liệt kê trong một
bảng có MCOV tương ứng cho mỗi định mức điện áp chu kì làm việc.
Trong trường hợp này, có một sự quan hệ cố định giữa MCOV và định mức chu
kì làm việc và không xem xét đến việc áp dụng thực tế. Do vậy, MCOV được sử dụng
như là điện áp thí nghiệm trong các thí nghiệm chủng loại theo tiêu chuẩn ANSI. Không
có xem xét sự phân bố điện áp không tuyến tính làm cho các thử nghiệm theo ANSI ít
khắc nghiệt so với các thử nghiệm theo IEC.
Hơn nữa, các thuận lợi trong việc lựa chọn một điện áp định mức cao hơn cho
một áp dụng riêng biệt không được chỉ ra ở các thí nghiệm như thế, như các thí nghiệm
nhiễm bẩn và các phối kiểm TOV. Bất kỳ khi nào có sự lựa chọn hai định mức chống
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
vượt quá một giá trị xác định, năng lượng do chống sét hấp thụ cũng bị giới hạn. Với lý
do đó, tải cho phép khoảng thời gian t sẽ giảm theo giá trị của T đáp ứng với TOV.
Đường đặc tuyến phía dưới có giá trị đối với chống sét khi ở thời điểm t=0 đã mang tải
trước là U
c
. Đường đặc tuyến này nằm bên dưới đường đặc tuyến chưa mang tải bởi vì
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 19
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
trong từng trường hợp, năng lượng hấp thụ vào CSV trong khoảng thời gian t của đường
đặc tuyến mang tải phải nhỏ hơn.
Cách 2: Cách này thường gặp ở các nhà sản xuất Châu Mĩ tyheo tiêu chuẩn ANSI.
Hình 1.14. Khả năng quá áp tạm thời của CSV McGraw-Edison VariSTAR loại AZL8
Ở hình 1.15, đường cong được thiết lập bằng cách sử dụng điện áp tần số công
nghiệp để gia nhiệt trước đến 60° mẫu thử nghiêm, trên định mức chu kỳ làm việc của
chống sét nhiều lần từ 0,1 đến 104 giây. Một thí nghiệm quá áp được giảm đến giá trị
MCOV trong vòng 200ms trước khi bị hỏng do nhiệt. Khu vực bên dưới đường cong là
đặc tính điện áp, thời gian mà ở đó các mẫu thử đã được xác định ổn định nhiệt trong
khoảng thời gian chu kỳ sau 30 phút với tổn thất bằng hay ít hơn giá trị gốc. Tuy nhiên
điều này không phải là thí nghiệm được bắt buộc hay được mô tả tiêu chuẩn ANSI hay
IEC. Cần lưu ý ở tiêu chuẩn ANSI thử nghiệm mang tải trước để có đường cong Prior
Duty chỉ yêu cầu áp dụng đối với chống sét loại trạm và loại trung gian.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 20
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
1.6.7. Hệ số sự cố chạm đất (K
e
)
Hệ số chạm đất Ke là tỷ số điện áp ở các pha không bị sự cố trong quá trình sự
cố đối với điện áp trước khi bị sự cố chạm đất (xem bảng 1.3)

Bảng 1.3. Độ gia tăng điện áp pha-đất trên pha không bị sự cố.
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
công nghiệp). So với dòng cao có thời gian ngắn (như dòng phóng của tụ điện). Khi đề
cập đến dung lượng năng lượng phải kèm theo chu trình thử nghiệm nếu không thì
không có nghĩa. Cũng cần lưu ý các số liệu cho bởi các nhà sản xuất thường khác nhau
và khó so sánh trừ khi chúng cũng được tiến hành bởi các chu trình thử nghiệm tương
đương. Các số liệu có thể được giới thiệu bằng nhiều cách chẳng hạn như kJ/kV MCOV
hay kJ/kV định mức. Có thể xem sự khác nhau là 25% định mức khảng là 1,25 lần
MCOV.
1.6.9. Biên hạn bảo vệ (PM)
Sau khi xác định được một CSV có thể làm việc trên một hệ thống, khả năng bảo
vệ một CSV đối với một thiết bị phải xem xét. Điều này thực hiện bởi so sánh đặc tính
bảo vệ của CSV với BIL của thiết bị được bảo vệ. Sử dụng điện áp dư của CSV so với
mức cách điện chung của máy biến áp để xác định biên hạn bảo vệ nhỏ nhất. Đồng thời
về cơ bản một phép so sánh khác sẽ được so sánh với giá trị đỉnh của CSV với thử
nghiệm đầu sóng. Tuy nhiên thử nghiệm đầu sóng không được sử dụng ở tất cả các máy
biến áp nên sự so sánh thường được thực hiện ở mức thử nghiệm sóng cắt.
1.6.9.1. Biên hạn bảo vệ đầu sóng tương đương (PM1)
11 −=
FOW
CWW
PM
CWW : là điện áp chịu đựng sóng cắt ngọn của thiết bị
FOW : Là mức bảo vệ của chống sét đối với điện áp dư đầu sóng
1.6.9.2 Biên hạn bảo vệ xung thiết bị (PM2)
12
−=
LPL
BIL
PM
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 22
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
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
nhau chế tạo hoặc khi so sánh các kiểu CSV khác nhau.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 24
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn
CHƯƠNG 2
CÔNG CỤ MATLAB - SIMULINK TRONG MÔ PHỎNG HỆ
THỐNG ĐIỆN
2.1. Matlab-Simulink
2.1.1. Matlab
MATLAB có nguồn gốc từ chữ Matrix laboratory, là ngôn ngữ máy tính dùng để
tính toán kỹ thuật. Matlab kết hợp tính toán với lập trình và đồ họa trong môi trường
phát triển tương tác, với các hàm và công cụ có sẵn. Phần cốt lõi của chương trình bao
gồm một số hàm toán, các chức năng nhập xuất cũng như khả năng điều khiển chu trình,
thêm vào đó có thể thêm vào các bộ công cụ (toolbox) với phạm vi chức năng chuyên
dùng mà người sử dụng cần.
Những năm gần đây, Matlab-simulink và các toolbox kèm theo đã trở thành công
cụ không thể thiếu đối với các ngành kỹ thuật. Điều này trước hết là do Matlab cung cấp
một công cụ tính toán và lập trình bậc cao dễ sử dụng, hiệu quả và thân thiện với người
dùng.
Matlab-Simulink giúp người sử dụng dễ dàng thực hiện các bài toán mô hình
hóa, mô phỏng trên máy tính và sau cùng là tạo ra được các sản phẩm ứng dụng trong
thực tế.
Ưu điểm tiếp theo của Matlab là tính mở. Các hàm Matlab và các toolbox không
ngừng phát triễn bổ sung theo sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, là công cụ trợ giúp
phong phú và trực tiếp. Do đó người dùng dễ dàng tra cứu bất kỳ một vấn đề nào đó cần
thiết.
2.1.2. Simulink
Simulink là phần mở rộng của Matlab. Simulink là công cụ dùng để mô phỏng và
phân tích hệ thống động liên tục, rời rạc, tuyến tinh và phi tuyến thông qua giao diện
GUI dưới dạng sơ đồ khối. Giao diện đồ họa trên màn hình của Simulink cho phép thể
hiện hệ thống dưới dạng tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc. Simulink cung cấp
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

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×
x