Nghiên cứu giải pháp chống sét lan truyền trên đường nguồn cho trạm phân phối

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

TÓM TẮT
Luận văn“Nghiên cứu giải pháp chống sét lan truyền trên đường nguồn
cho trạm phân phối” đi sâu vào nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau:
 Xây dựng mơ hình MVLA trung thế (MVLA) theo đề xuất của PINCETI
trong môi trƣờng Matlab. Mơ hình MVLA có giao diện thân thiện với các
thông số yêu cầu đƣợc cung cấp trong Catalogue của nhà sản xuất. Độ
chính xác của mơ hình MVLA đƣợc đánh giá thông qua việc so sánh giá trị
điện áp dƣ thông qua mô phỏng và giá trị diện áp dƣ cung cấp bởi nhà sản
xuất.
 Việc đề xuất vị trí lắp đặt hợp lý MVLA đối với trạm 1 máy biến áp và trạm
2 máy biến áp trong mạng phân phối điển hình tại Cơng ty Điện lực Thủ
Thiêm, Tp Hồ Chí Minh cũng đƣợc xem xét.
Kết quả nghiên cứu cung cấp cơng cụ mơ phỏng hữu ích với phần mềm
thông dụng Matlab cho các công ty điện lực, các nghiên cứu sinh, các học viên
cao học ngành kỹ thuật điện…trong việc nghiên cứu hiệu quả bảo vệ của
MVLA dƣới tác động của xung sét lan truyền vào trạm biến áp, đồng thời phân
tích kết quả mơ phỏng để xác định phƣơng án bố trí hợp lý MVLA trong việc
bảo vệ trạm biến áp trong mạng phân phối.

HVTH: Trần Như

Trang iv


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

ABSTRACT
Thesis "Research on surge protection solution for distribution substation"
deep research into research and solving the following issues:
 Building the MVLA (Medium Voltage Lightning Arrester) model which is
proposed by PINCETI in the Matlab environment. The MVLA model has a
friendly interface

with

the

required

parameters

provided

in

the

manufacturer's catalog. The accuracy of the MVLA model is evaluated by
the residual voltage value, according to the standard lightning impulse and
compared to the residual voltage provided in the manufacturer's catalog.
 The proposed installation location of MVLA for single transformer station
and dual transformer station in the typical distribution network in PC Thu
Thiem – HCM City is also considered.
Research results provide useful simulation tools with popular Matlab
software for power companies, electrical engineering majors…in studying the

protective effect of MVLA under the influence of surge current, spreading to
substation, and simultaneous analysis of simulation results to determine a
reasoning arrangement MVLA to protect substation in distribution network.

HVTH: Trần Như

Trang v


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Đơn vị

MVLA

Mô tả
Chống sét van trung áp

R



Điện trở

L

H

Độ tự cảm

C

F

Điện dung

D

nm

Bề dày của biến trở

Vb

V

Điện thế rào



Hằng số điện môi của chất bán dẫn

N

Hạt/cm3

P

W

Công suất tiêu tán trung bình

0

Nhiệt độ gia tăng trung bình

T

C



Mật độ hạt dẫn

Hệ số tiêu tán công suất

TOL

%

Độ sai số chuẩn

Vr

kV

Điện áp định mức của MVLA

Vr8/20

kV

Điện áp dƣ cho dòng sét 10 kA với bƣớc sóng 8/20 µs

L, R

kV

Độ lớn điện thế rào

o

kV

Điện thế phân cực tại gốc


VN

Hệ số phi tuyến.
kV

HVTH: Trần Như

Điện áp biến trở

Trang vi


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

q

Điện tích điện tử

K

Hệ số phụ thuộc biến trở

Vref

kV

Điện áp tham chiếu

d

m

Chiều cao của MVLA

n

HVTH: Trần Như

Số cột MOV song song trong MVLA.

Trang vii


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ..................................................................................................... i
I.SƠ LƢỢC ................................................................................................................. i
II.QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO ........................................................................................ i
III.Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN ........................................................ i
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................ii
LỜI CẢM TẠ ................................................................................................................. iii
TÓM TẮT ........................................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................ vi
MỤC LỤC ........................................................................... Error! Bookmark not defined.
DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................................. xi
DANH SÁCH CÁC BẢNG ........................................................................................... xiv
CHƢƠNG MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
I.TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................1
II.NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI....................................................................................2
III.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI....................................................................................2
IV.CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH. .................................................................................2
V.TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI .....................................................................................3
VI.TÍNH THỰC TIỄN .............................................................................................3

VII.NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................4
VIII.PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................4
Chương 1 ........................................................................................................................... 5
CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA MVLA TRUNG THẾ (MVLA) ........................ 5
1.1.CẤU TẠO ............................................................................................................5
1.2.TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO ......................................8
1.3.ĐẶC TÍNH V-I ..................................................................................................12

HVTH: Trần Như

Trang viii


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

1.4.THỜI GIAN ĐÁP ỨNG ...................................................................................13
1.5.MVLA TRUNG THẾ (MVLA) ........................................................................14
1. Chế độ xác lập ...................................................................................................15
2. Chế độ hoạt động khi có quá áp tạm thời..........................................................15
3. Chế độ hoạt động ở dịng xung .........................................................................15
4. Tính ổn định đối với hoạt động phóng điện ......................................................16
Chương 2 .......................................................................................................................... 17
MƠ HÌNH MVLA TRUNG THẾ ................................................................................. 17
1.1.CÁC DẠNG MƠ HÌNH MVLA TRUNG THẾ..............................................17
1. Mơ hình MVLA của Matlab .............................................................................17
2. Mơ hình MVLA theo đề xuất của Pincenti .......................................................18
Chương 3 ......................................................................................................................... 22
MƠ HÌNH MÁY PHÁT XUNG VÀ MVLA TRUNG THẾ TRONG MATLAB .... 22

3.1.MƠ HÌNH MÁY PHÁT XUNG DỊNG 8/20µs ..............................................22
1. Dạng xung dịng 8/20µs ....................................................................................22
2. Xây dựng sơ đồ khối máy phát xung 8/20µs ....................................................24
3. Thực hiện mơ phỏng .........................................................................................26
3.2.MƠ HÌNH MVLA CỦA MATLAB .................................................................27
1. Hộp thoại khai báo thơng số mơ hình ...............................................................27
2. Mạch mơ phỏng MVLA của Matlab .................................................................28
3.3.Mơ hình MVLA theo PINCETI .......................................................................28
1. Xây dựng mơ hình phần tử điện trở phi tuyến A0, A1 .....................................28
2. Xây dựng mơ hình MVLA hồn chỉnh .............................................................30
3. Mạch mơ phỏng MVLA theo PINCETI ...........................................................34
3.4.So sánh và đánh giá các mơ hình MVLA ........................................................35
1. Mơ phỏng đáp ứng của MVLA AZG2 của hãng Cooper .................................36
2. Mô phỏng đáp ứng của MVLA EVP của hãng Ohio Brass .............................38
3. Đánh giá chung .................................................................................................40
Chương 4 ......................................................................................................................... 41

HVTH: Trần Như

Trang ix


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƢỜNG
NGUỒN CHO TRẠM PHÂN PHỐI CÔNG TY ĐIỆN LỰC THỦ THIÊM ........... 41
4.1. Tổng quan về lƣới điện và trạm biến áp phân phối Cơng ty Điện Lực Thủ
Thiêm, Thành Phố Hồ Chí Minh..................................................................................41

4.2. Khảo sát điện áp đầu cực máy biến áp theo vị trí lắp đặt MVLA ...............43
1. Trƣờng hợp trạm có 1 MBA .............................................................................43
2. Trƣờng hợp trạm có 2 MBA .............................................................................46
Chương 5 ......................................................................................................................... 51
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ......................................... 51
5.1.KẾT LUẬN ........................................................................................................51
5.2.HƢỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ........................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 52
PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 56
PL 1.1: Thông số kỹ thuật MVLA EVP của Ohio Brass: .........................................56
PL 1.2.Thông số kỹ thuật MVLA AZG2 của Cooper ...............................................58

HVTH: Trần Như

Trang x


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình

Trang

Hình 1.1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I ............................................ 05
Hình 1.2: Vi cấu trúc của ceramic .................................................................. 06
Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO........................ 08
Hình 1.4: MVLA trung thế của Ohio Brass.................................................... 09

Hình 1.5: Mặt cắt cấu tạo của MVLA ............................................................ 09
Hình 1.6: Sơ đồ năng lƣợng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO ................................ 11
Hình 1.7: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào ....................................... 12
Hình 1.8: Đặc tính V-I của MOV ................................................................... 13
Hình 1.9: Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao .................................. 13
Hình 1.10: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung
dịng ................................................................................................................. 14
Hình 1.11: Chức năng phối hợp cách điện của MVLA .................................. 14
Hình 2.1: Quan hệ V(I) của mơ hình MVLA ................................................ 17
Hình 2.2: Sơ đồ ngun lý của mơ hình MVLA ............................................ 18
Hình 2.3: Mơ hình IEEE ................................................................................. 18
Hình 2.4: Mơ hình PINCETI .......................................................................... 19
Hình 2.5: Đặc tuyến V-I của A0 và A1 của mơ hình IEEE ............................. 19
Hình 3.1: Dạng xung dịng 8/20µs.................................................................. 22
Hình 3.2: Hai thành phần của dạng xung dịng ............................................. 23
Hình 3.3: Đƣờng cong quan hệ giữa b/a và t2/t1 ............................................. 23
Hình 3.4: Đƣờng cong quan hệ giữa b/a và at1 .............................................. 24
Hình 3.5: Đƣờng cong quan hệ giữa b/a và I1/I ............................................. 24

HVTH: Trần Như

Trang xi


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Hình 3.6: Sơ đồ khối máy phát xung dịng 8/20µs ......................................... 25
Hình 3.7: Biểu tƣợng của mơ hình nguồn phát xung dịng 8/20µs ................ 25

Hình 3.8: Khai báo thơng số của mơ hình xung dịng 8/20µs ........................ 26
Hình 3.9: Sơ đồ mơ phỏng máy phát xung dịng 8/20µs ................................ 26
Hình 3.10: Các thơng số máy phát xung dịng 8/20µs ................................... 26
Hình 3.11: Dạng nguồn xung dịng 3kA, 5kA, 10kA 8/20µs ......................... 27
Hình 3.12: Hộp thoại của mơ hình MVLA trong Matlab ............................... 27
Hình 3.13: Mạch mô phỏng đáp ứng của MVLA ứng với xung dịng 10kA
8/20µs .............................................................................................................. 28
Hình 3.14: Sơ đồ ngun lý của phần tử phi tuyến A0 ................................... 29
Hình 3.15: Mơ hình điện trở phi tuyến của MVLA theo PINCETI ............... 30
Hình 3.16: Mơ hình MVLA theo PINCETI bằng Matlab ............................. 30
Hình 3.17: Mơ hình MVLA theo PINCETI ................................................... 30
Hình 3.18: Thông tin cho khối trong thanh Documentation theo PINCETI .. 31
Hình 3.19: Tạo thơng tin cho khối trong thanh Parameters & Dialog theo
PINCETI .......................................................................................................... 32
Hình 3.20: Nhập các lệnh tính thơng số trong thanh Initialization theo
PINCETI .......................................................................................................... 32
Hình 3.21. Tạo biểu tƣợng cho mơ hình trong thanh Icon & Ports theo
PINCETI .......................................................................................................... 33
Hình 3.22: Biểu tƣợng MVLA theo PINCETI .............................................. 33
Hình 3.23: Hộp thoại của MVLA theo PINCETI .......................................... 34
Hình 3.24: Sơ đồ mơ phỏng đáp ứng của mơ hình MVLA theo PINCETI .... 34
Hình 3.25: Sơ đồ mơ hình mạch thử nghiệm điện áp dƣ của MVLA ............ 35

HVTH: Trần Như

Trang xii


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Hình 3.26: Quan hệ điện áp dƣ theo thời gian của MVLA của Hãng Cooper
(5kA – 8/20µs) ................................................................................................. 37
Hình 3.27: Quan hệ điện áp dƣ theo thời gian của MVLA của Hãng Cooper
(10kA – 8/20µs) ............................................................................................... 37
Hình 3.28. Quan hệ điện áp dƣ theo thời gian của MVLA của Hãng Ohio
(5kA – 8/20µs) ................................................................................................. 39
Hình 3.29: Quan hệ điện áp dƣ theo thời gian của MVLA của Hãng Ohio
(10kA – 8/20µs) ............................................................................................... 39
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng điện áp tại đầu cực MBA phân phối theo khoảng
cách lắp đặt MVLA ......................................................................................... 43
Hình 4.2: Quan hệ điện áp đầu cực MBA theo thời gian khi MVLA gắn ở
đầu cực MBA (D=2m) ..................................................................................... 44
Hình 4.3. Cơng cụ Curve Fitting Tool trong Matlab ...................................... 45
Hình 4.4 Sơ đồ 1 MVLA bảo vệ 2 MBA(IEEE Std C62.22.2009). ............... 46
Hình 4.5. Mạch mơ phỏng mạng phân phối điện cung cấp trạm Tân Cảng 1 và
trạm Tân Cảng 2 .............................................................................................. 47
Hình 4.5. Mạch mơ phỏng mạng phân phối điện cung cấp trạm Tân Cảng 1 và
trạm Tân Cảng 2 .............................................................................................. 47
Hình 4.7. Quan hệ điện áp đầu cực MBA Tân Cảng 1 (D1=3m)và MBA Tân
Cảng 2 (D2=11m) ............................................................................................ 48

HVTH: Trần Như

Trang xiii


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1: Điện áp - dòng điện (V-I) cho điện trở phi tuyến A0 và A1 ....... 20
Bảng 2.2: Thông số mơ hình của IEEE và Pinceti...................................... 21
Bảng 3.1: Đặc tuyến V-I của A0 và A1 ....................................................... 29
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của hãng Cooper ........................................... 36
Bảng 3.3: Tổng hợp kết quả mô phỏng ứng với MVLA của Hãng
Cooper.......................................................................................................... 37
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật MVLA của hãng Ohio Brass ........................ 38
Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả mô phỏng ứng với MVLA Ohio Brass ........... 39
Bảng 4.1: Giá trị điện áp đầu cực máy biến áp theo khoảng cách D .......... 44
Bảng 4.2: Giá trị điện áp đầu cực máy biến áp Tân Cảng 1, Tân Cảng 2 .. 49

HVTH: Trần Như

Trang xiv


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

CHƢƠNG MỞ ĐẦU
TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

I.

Tổng công ty Điện lực Thành Phố Hồ Chí Minh mà Cơng ty Điện lực Thủ
Thiêm là một đơn vị trực thuộc. Với phân vùng quản lý và vận hành bao gồm cả
quận 2 và quận 9 với rất nhiều trạm biến áp chuyên dùng cũng nhƣ đƣờng dây phân
phối trung áp 22kV gần nhƣ đi trên không trải rộng cả 2 quận nhƣ trên nên ảnh
hƣởng rất nhiều về việc bị giông sét đánh trực tiếp lên trên lƣới điện cũng nhƣ sét
lan truyền trên đƣờng dây trung thế và trạm biến áp có cấp điện áp 22kV sử dụng
cho các trạm công cộng cũng nhƣ các trạm phục vụ sản xuất kinh doanh trên địa
bàn.
Hiện tại, nhằm giảm ảnh hƣởng do giông sét gây ra trên lƣới điện của mình, Cơng
ty Điện lực Thủ Thiêm có rất nhiều biện pháp nhƣ: gắn các MVLA trên tấc cả các
phát tuyến trên đƣờng nguồn truyền tải, các nhánh rẽ cho trạm phân phối và chuyên
dùng. Ngoài ra, tại những nơi thƣờng xuyên bị giông sét, Công ty Điện lực Thủ
Thiêm lắp riêng hệ thống dây chống sét trên đƣờng nguồn (dây TK độc lập với
trung hòa) nhƣ tuyến Bƣng Ơng Thồn, tuyến Phong Phú hay Tuyến dây Phƣớc Lai
22kV thuộc trạm trung gian Cát Lái…..
Tính cấp thiết đặt ra là phải giảm thiểu tối đa tác hại của giông sét nhằm tăng
cao độ tin cậy cấp điện cũng nhƣ giảm thiểu chi phí thay thế các vật tƣ thiết bị hƣ
hỏng do sét gây ra cho lƣới điện và trạm biến áp phân phối cho Công ty Điện lực
Thủ Thiêm – tại Thành Phố Hồ Chí Minh nói riêng và Tổng Cơng ty Điện Lực
Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung.
Các đề tài nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra những ƣu và nhƣợc điểm của các
thiết bị chống sét hiện tại mà Công ty Điện lực Thủ Thiêm đang sử dụng, các hãng
cung cấp thiết bị chống sét lớn trong và ngoài nƣớc nhƣ: Ohio Brass, Cooper, Tuấn
Ân, Sahra, … cũng có những buổi thuyết trình về cơng nghệ cũng những đặc tính
của từng loại. Tuy nhiên đề tài này chỉ ra hƣớng nghiên cứu sâu rộng hơn và có bài

HVTH:Trần Như

Trang 1


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

toán giải quyết cấp thiết cho hệ thống chống sét, bảo vệ tài sản và an toàn cho ngƣời
quản lý vận hành
Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài: “Nghiên cứu giải pháp chống sét lan
truyền trên đường nguồn cho trạm phân phối” đi sâu vào nghiên cứu và xây dựng
mơ hình chống sét van trung thế (MVLA) và đề xuất phƣơng án hợp lý bố trí
MVLA bảo vệ trạm biến áp phân phối điển hình tại Cơng ty Điện lực Thủ Thiêm –
Tổng Cơng ty Điện lực Thành Phơ Hồ Chí Minh
NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

II.
-

Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét liên quan đến MVLA.

-

Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và thông số kỹ thuật của MVLA dạng
MOV.

-

Nghiên cứu mơ hình MVLA theo đề xuất của Matlab và theo đề xuất của
Pinceti.

-

Xây dựng mơ hình máy phát xung tiêu chuẩn 8/20us

-

Xây dựng mơ hình MVLA theo đề xuất của Pinceti trong mơi trƣờng Matlab.

-

Đánh giá độ chính xác của các mơ hình đề xuất bằng phƣơng pháp mơ hình
hóa và mơ phỏng.

-

Đề xuất vị trí lắp đặt hợp lý MVLA bảo vệ MBA trong trạm phân phối điển
hình (1 MBA và 2 MBA) tại Công ty Điện Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ
Chí Minh

III. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
-

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình MVLA theo đề xuất của Pinceti trong môi
trƣờng Matlab.

-

Nghiên cứu, đánh giá và đề xuất vị trí hợp lý lắp đặt MVLA bảo vệ MBA
trong mạng phân phối Công ty Điện Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ Chí

Minh.

IV. CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH.
-

Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét, các hãng thiết bị có liên quan đến
MVLA trên lƣới trung thế.

HVTH:Trần Như

Trang 2


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

-

Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ Maplap

-

Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc, thơng số kỹ thuật của MVLA kiểu
biến trở ơxít kim loại (MOV).

-

Lập mơ hình MVLA theo đề xuất của Pinceti trong mơi trƣờng Matlab.

-

Lập mơ hình MVLA cho trạm phân phối điển hình (1 MBA và 2 MBA) tại
Cơng ty Điện Lực Thủ Thiêm.

-

Thực thi mơ hình.

-

Đánh giá mơ hình.

-

Kết luận và hƣớng nghiên cứu phát triển.
TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

V.
-

Xây dựng mơ hình MVLA theo đề xuất của PINCETI và mơ hình máy phát
xung 8/20µs có giao diện và thông số sử dụng thuận tiện trong mô trƣờng
Matlab, có độ chính xác cao so với ngun mẫu.

-

Nghiên cứu, đánh giá và đề xuất vị trí hợp lý lắp đặt MVLA bảo vệ MBA
trong mạng phân phối Công ty Điện Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ Chí
Minh.

VI. TÍNH THỰC TIỄN
-

Kết quả nghiên cứu đƣợc sử dụng làm tài liệu tham khảo cho điện lực Điện
Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ Chí Minh và các học viên cao học Ngành Kỹ
thuật điện trong nghiên cứu các biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho sứ cách
điện và cho cách điện máy biến áp trong lƣới điện phân phối.

-

Nếu triển khai kết quả nghiên cứu và ứng dụng khả thi tại Cơng ty Điện lực
Thủ Thiêm, đề tài có thể xin ý kiến của Tổng Công Ty Điện Lực Thành Phố
Hồ Chí Minh để ứng dụng rộng rãi trong các điện lực khu vực thành phố.

-

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

-

Đề xuất vị trí hợp lý lắp đặt MVLA bảo vệ Máy biến áp trong mạng phân
phối Công ty Điện lực Thủ Thiêm.

HVTH:Trần Như

Trang 3

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

VII. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
Chƣơng : Mở Đầu.
Chƣơng 1: Các đặc tính kỹ thuật của MVLA trung thế.
Chƣơng 2: Mơ hình MVLA trung thế.
Chƣơng 3: Mơ hình máy phát xung và MVLA trung thế trong Matlab.
Chƣơng 4: Nghiên cứu giải pháp chống sét lan truyền trên đƣờng nguồn cho
trạm phân phối Công ty Điện lực Thủ Thiêm – Thành Phố Hồ Chí
Minh.
Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng nghiên cứu phát triển đề tài.
VIII. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài sử dụng các phƣơng pháp sau:


Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu: là phƣơng pháp đóng vai trị 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



Phƣơng pháp chun gia: là phƣơng pháp đóng vai trị bổ trợ. Tham
khảo ý kiến của các giáo viên hƣớng dẫn, các giảng viên và các chuyên
gia trong lĩnh vực chống sét.



Phƣơng pháp mơ hình hóa – mơ phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab và

mô phỏng MVLA dƣới tác dụng của các dạng xung sét khơng chu kỳ.



Phƣơng pháp phân tích và tổng hợp: Là phƣơng pháp đóng vai trị bổ
trợ.Tổng hợp các ý kiến để đƣa ra các kết luận về những vấn đề đang tìm
hiểu, từ đo hồn thành nội dung, yêu cầu của để tài này.

HVTH:Trần Như

Trang 4


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Chương 1

CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN
TRUNG THẾ (MVLA)
1.1.

CẤU TẠO
MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp mà

hành vi về điện giống nhƣ hai diode đấu ngƣợc 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 q độ đột biến hồn hảo. Trong điều kiện bình thƣờng biến trở là thành
phần có trở kháng cao gần nhƣ hở mạch. Khi xuất hiện xung đột biến quá áp cao,

MOV sẽ nhanh chóng trở thành đƣờng dẫn trở kháng thấp để triệt xung đột biến.
Phần lớn năng lƣợng xung quá độ đƣợc hấp thu bởi MOV cho nên các thành phần
trong mạch đƣợc bảo vệ tránh hƣ hại.

Hình 1.1:Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I của MOV
Thành phần cơ bản của biến trở là ZnO với thêm một lƣợng nhỏ bismuth,
cobalt, manganses và các ơxít kim loại khác. Cấu trúc của biến trở bao gồm một ma

HVTH:Trần Như

Trang 5


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

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.
MOV đƣợc chế tạo từ ZnO.Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động nhƣ tiếp
giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt. Các biên hạt ZnO có thể quan sát đƣợc qua
hình ảnh vi cấu trúc của ceramic nhƣ 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 nhƣ 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 thƣớc hạt và phân bố
kích thƣớc hạt đóng vai trị chính trong hành vi
về điện.

-

10µm

- 1µm
Hình 1.2: Vi cấu trúc của ceramic.

Hỗn hợp rắn ôxýt kẽm với ôxýt kim loại khác dƣới điều kiện đặc biệt tạo nên
ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp. Hiện tƣợng này
gọi là hiệu ứng biến trở. Bản thân hạt ơxýt kẽm dẫn điện rất tốt (đƣờng kính hạt
khoảng (15 –100) m, trong khi ôxýt kim loại khác bao bên ngồi có điện trở rất
cao. Chỉ tại các điểm ôxýt kẽm gặp nhau tạo nên “vi biến trở”, tựa nhƣ hai diode
zener đối xứng, với mức bảo vệ khoảng 3,5V. Chúng có thể nối nối tiếp hoặc song

HVTH:Trần Như

Trang 6


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

song (Hình 1.1). Việc nối nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có
khả năng tải đƣợc dịng điện cao hơn so với các chất bán dẫn, hấp thu nhiệt tốt và có
khả năng chịu đƣợc dịng xung đột biến cao.
MOV đƣợc chế tạo từ việc hình thành và tạo hạt ZnO dạng bột vào trong các
thành phần ceramic. Các hạt ZnO có kích thƣớc trung bình là d, bề dày biến trở là
D, ở hai bề mặt khối MOV đƣợc áp chặt bằng hai phiến kim loại phẳng. Hai phiến
kim loại này lại đƣợc hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài

Điện áp của MOV đƣợc xác định bởi bề dày của MOV và kích thƣớc 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 nhƣ là hằng số, và khoảng từ (2-3,5)V. Mối liên hệ này đƣợc xác
định nhƣ sau:
Điện áp biến trở

: VN = (3,5)n

Và bề dày của biến trở: D = (n+1)d (VN d)/3,5

(1.1)
(1.2)

Trong đó: n là số tiếp giáp trung bình giữa các hạt ZnO; d là kích thƣớc trung
bình của hạt; VN là điện áp rơi trên MOV khi MOV chuyển hồn tồn từ vùng dịng
rị tuyến tính sang vùng khơng tuyến tính cao, tại điểm trên đƣờng đặc tính V-I với
dịng điện 1mA (Hình 1.8).
Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp. Chúng gồm 3 vùng cấu
trúc (Hình 1.3):
-

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. Ngồi
ra Bi, Co và một lƣợng các ion ơxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với độ
dày vài nanomet.

HVTH:Trần Như

Trang 7


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Hình 1.3: 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 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, cịn lại là các ơxít kim loại khác. Một hỗn hợp tiêu biểu nhƣ 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 đƣợc trộn thành hỗn hợp và xay thành bột. Hỗn hợp bột đƣợc làm khơ và nén
thành hình dạng mong muốn. Sau đó, các viên đƣợc vón cục ở nhiệt độ cao, cụ thể
là từ (1000-1400)0C. Hai phiến kim loại thƣờng là bằng bạc tiếp xúc với các hạt
đƣợc vón cục bên ngoài làm điện cực và đƣợc hàn chắc chắn với hai chân nối ra
ngồi, thiết bị đƣợc đóng gói bằng vật liệu tổng hợp. Sản phẩm hoàn thành sau cùng
đƣợc kiểm tra đáp ứng các tính năng yêu cầu kỹ thuật.

HVTH:Trần Như

Trang 8


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Hình 1.4:MVLA trung thế của Ohio Brass

Hình 1.5:Mặt cắt cấu tạo của MVLA
(Trích Datasheet Dyna Arester của Hãng Ohio Brass trang 204-8)

HVTH:Trần Như

Trang 9


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

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 thơng thƣờng. Giải thích ngun lý hoạt động
của biến trở ZnO dựa trên sự hiểu biết về hiện tƣợng điện xảy ra ở vùng biên tiếp
giáp của các hạt ôxýt kẽm. Một vài lý thuyết ban đầu đã giải thích dựa trên cơ sở
của hiện tƣợng xuyên hầm. Tuy nhiên, tốt hơn là có thể diễn tả bằng sự sắp xếp các
diode bán dẫn nối nối tiếp –song song (Hình 1.1).Cấu trúc cơ bản của khối biến trở
ZnO là kết quả tạo hạt ZnO. Trong suốt q trình xử lý, sự biến đổi các thành phần

hố học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO có điện trở suất rất cao
( = 1010-1012cm) và bên trong hạt tính dẫn điện rất cao (=(0,1-10) cm). Điện
trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt với khoảng cách khoảng (50-100) nm, vùng này
đƣợc biết nhƣ là vùng hẹp. Vì vậy, tại một biên hạt có sự tồn tại vùng hẹp cả hai
phía đến các hạt kế cận. Hoạt động của biến trở chính là do sự có mặt của vùng hẹp
này. Bởi vì vùng này thiếu hụt các điện tử tự do, cho nên hình thành vùng hẹp
(vùng nghèo) điện tích khơng gian trong hạt ôxít kẽm tại miền gần các biên tiếp
giáp của các hạt. Điều này giống nhƣ ở tiếp giáp p-n của diode bán dẫn và điện
dung của lớp tiếp giáp này phụ thuộc vào điện áp đặt vào tiếp giáp theo biểu thức:
2(Vb  V )
1

2
qsN
C

(1.3)

Ở đây: Vb là điện thế rào; V là điện áp đặt vào; q là điện tích điện tử; s là hằng
số điện mơi của chất bán dẫn; N là mật độ hạt dẫn.
Từ mối liên hệ này, mật độ hạt dẫn N của ZnO đƣợc xác định khoảng
2x1017/cm3.
Ở các vùng hẹp các hạt dẫn trôi tự do và đây là nguyên nhân gây ra dòng điện
rò. Dòng rò đƣợc gây ra do các hạt dẫn trơi tự do qua điện trƣờng rào thấp và
đƣợc kích hoạt bởi nhiệt độ ít nhất là trên 25oC.
Hình 1.6 chỉ ra sơ đồ năng lƣợng của ZnO-biên tiếp giáp-ZnO.Điện áp phân
cực thuận VL phía bên trái của hạt, điện áp phân cực ngƣợc VR phía bên phải của
hạt. Độ rộng vùng nghèo là XL và XR, với độ lớn điện thế rào tƣơng ứng là L và

HVTH:Trần Như

Trang 10


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

R. Điện thế phân cực tại gốc là o. Khi điện áp phân cực gia tăng, L giảm và R
tăng, dẫn đến điện thế rào thấp hơn và sự dẫn điện gia tăng.

Hình 1.6: Sơ đồ năng lƣợng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO.
Độ lớn điện thế rào L của biến trở là một hàm theo điện áp (Hình 2.7). Sự
giảm nhanh của điện thế rào ở điện áp cao tƣơng ứng với lúc bắt đầu vùng dẫn phi
tuyến.
Cơ chế vận chuyển của vùng phi tuyến là rất phức tạp và vẫn còn tiếp tục
nghiên cứu. Ở vùng dẫn cao, giá trị điện trở giới hạn tùy thuộc vào tính dẫn điện
của các hạt bán dẫn ZnO, ở vùng dẫn này mật độ hạt dẫn khoảng từ 1017-1018/cm3.
Điện trở suất của ZnO có giá trị dƣới 0,3cm.

HVTH:Trần Như

Trang 11


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Hình 1.7: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào.

1.3.

ĐẶC TÍNH V-I
Đặc tính V-I của MOV nhƣ hình 1.8, đặc tính V-I đƣợc biểu diễn bằng phƣơng

trình dạng hàm mũ (1.4):
I= KV

> 1

(1.4)

Ở đây: I là dòng qua biến trở; V là điện áp đặt lên biến trở; K là hệ số phụ
thuộc vào loại biến trở;  là hệ số phi tuyến.
Nguyên lý bảo vệ của biến trở thể hiện qua điện áp phụ thuộc giá trị điện trở:
R = V/I = V/ KV =

1 1- 
V
K

(1.5)

Từ (2.4 ) và (2.5) suy ra:
LogI = logK + logV
LogR = log(

(1.6)

1

) + (1-)logV
K

(1.7)

Theo đề nghị của Manfred Holzer và Willi Zapsky, xấp xỉ hố đặc tính V/I của
biến trở đƣợc quan hệ giữa điện áp và dịng điện theo phƣơng trình:
log V = B1 + B2 log( I) + B3· e -log ( I) + B4 e log ( I)
Hay

V  10

HVTH:Trần Như

B1  B2 log(I )  B3e  log(I )  B4e log(I )

với

I>0

(1.8)
(1.9)

Trang 12


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Hình 1.8: Đặc tính V-I của MOV.
1.4.

THỜI GIAN ĐÁP ỨNG
Hoạt động của biến trở tùy thuộc vào cơ chế dẫn điện giống nhƣ các thiết bị

bán dẫn khác.Sự dẫn điện xảy ra rất nhanh với thời gian trễ tính bằng nano giây.
Hình 1.9 đƣờng cong (1) phía trên là trƣờng hợp khơng có biến trở, đƣờng cong (2)
phía dƣới là trƣờng hợp có biến trở và không đồng bộ với đƣờng (1) và cho thấy
ảnh hƣởng điện áp kẹp xảy rất nhanh.
Tuy nhiên thời gian đáp ứng của MOV bị thay đổi do một số lý do:
- Điện áp cảm ứng đầu dây nối góp phần gia tăng đáng kể điện áp ngang qua
đầu cực của biến trở ở xung dòng cao và độ dốc sƣờn trƣớc lớn.
- Điện dung ký sinh của chính bản thân MOV.
- Trở kháng ngồi của mạch.
Đáp ứng và điện áp kẹp của biến trở bị ảnh hƣởng bởi dạng sóng dịng điện và
độ vọt lố điện áp cực đại xuất hiện tại đầu cực của biến trở trong suốt q trình tăng
dịng điện nhƣ Hình 1.9 :

HVTH:Trần Như

Trang 13


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Hình 1.9: Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao.

a. Đặc tính V-I của biến trở ZnO khi
thay đổi thời gian tăng xung dòng.

b. Điện áp kẹp thay đổi tƣơng ứng với
thay đổi đỉnh dịng xung 8/20s.

Hình 1.10: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng.
1.5.

CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ (MVLA)
MVLA (Medium Voltage Lightning Arrester) là các loại chống sét dùng khá

phổ biến hiện nay trên lƣới phân phối điện Việt Nam.
MVLA đƣợc sử dụng để ngăn ngừa không cho điện áp tăng lên quá cao ở các
thiết bị đƣợc bảo vệ, đƣơng 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 MVLA phải tính đến khả năng chịu quá áp của thiết bị, và đảm bảo cho
MVLA hoạt động tốt trong giới hạn cách điện của thiết bị.

HVTH:Trần Như

Trang 14