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

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
130
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN
TRONG MATLAB-SIMULINK ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP
CHO THIẾT BỊ ĐIỆN
THE STUDY AND BUILD OF THE SURGE ARRESTER SIMULATION MODEL IN
MATLAB-SIMULINK ON PROTECTION THE ELECTRICAL EQUIPMENT

SVTH. Nguyễn Hồ Sĩ Hùng, Trần Ngọc Thẩm
Lớp 05 DHT - Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa
GVHD. TS. Đoàn Anh Tuấn
Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa

TÓM TẮT
Quá điện áp xảy ra trong hệ thống điện gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bị, đặc
biệt là các thiết bị quan trọng. Bài báo cáo trình bày tác dụng của chống sét van (CSV) trong việc
bảo vệ thiết bị điện khi xảy ra quá điện áp. Các mô phỏng dùng phương pháp mô hình hóa trong
công cụ Simulink để thể hiện rõ quá trình hoạt động, các đặc tính và khả năng bảo vệ của CSV
trong việc hạn chế quá điện áp trên tụ bù dọc, kháng bù ngang và các cuộn dây của máy điện. Kết
quả nghiên cứu cho thấy sự cần thiết phải trang bị CSV cho các thiết bị quan trọng, từ đó nghiên
cứu việc tính toán lựa chọn loại CSV cũng như số lượng CSV cần lắp đặt để đảm bảo sự làm việc
độ tin cậy của CSV trong việc bảo vệ thiết bị điện.
ABSTRACT
Overvoltage in power system is harmful for insulator of electrical equipments, especially for
important equipments.The report presents the effect of surge arrester on protecting electrical
equipment during overvoltage.The simulations that used the modeling method in Simulink tool
present clearly the operation, characteristics and protective capability of the surge arrester in
limiting the overvoltage on the the series capacitor,the impedance compensator and the windings
of a electrical machine.The results of this research show the need for setting surge arrester with
important equipments, the research is also useful for calculating to select the class and the number
of surge arresters to ensure the reliability of the electrical equipment protection.

1. Đặt vấn đề
Quá điện áp khí quyển do sét lan truyền trên các đường dây trên không và quá điện
áp do các sự cố trong hệ thống điện có thể lớn hơn điện áp thí nghiệm xung của cách điện
của các thiết bị 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. Đề tài này 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.
2. Sử dụng mô hình CSV trong Simulink mô phỏng quá trình bảo vệ quá điện áp cho
tụ bù dọc và kháng bù ngang
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
131
2.1. Mô hình mô phỏng
Xét hệ thống đường dây cung cấp điện cho phụ tải dài 200km có cấp điện áp
500kV. Sự cố chạm đất trong mô phỏng xảy ra ở cuối đường dây và được loại trừ khi máy
cắt tải cắt. Đường dây được bù với hệ số bù 40%. Kháng bù ngang được đặt tại cuối đường
dây có công suất 110Mvar. Đặt CSV MOV1 bảo vệ cho tụ bù dọc, dựa vào mức cách điện
dọc của tụ, điện áp phóng điện yêu cầu của CSV là 2,5 lần điện áp định mức của tụ. Từ đó
ta xác định được điện áp bảo vệ tương ứng cài đặt cho mô hình CSV MOV1 là U
prot
=
154,15kV. Kháng bù ngang được bảo vệ bởi khối chống sét MOV2 có điện áp phóng điện
gấp 1,5 lần điện áp pha. Điện áp bảo vệ tương ứng cài đặt cho MOV2 là U
prot
=
612,238kV.

Hình 1. Mô hình được sử dụng cho mô phỏng
2.2. Quá trình mô phỏng
Tại thời điểm sự cố chạm đất xảy ra (thời điểm t= 0,02s), điện áp đặt lên tụ bù tăng
lên. Khi đạt tới điện áp bảo vệ tương ứng V
prot
của MOV1 thì MOV1 bắt đầu phóng điện.
Dòng phóng điện qua MOV1 đạt đến 8kA sau 0,026s kể từ thời điểm sự cố, điện áp đặt lên
MOV1 là 150,3kV. Giá trị này thấp hơn điện áp chịu đựng của cách điện của tụ. Do đó
CSV MOV1 đã thực hiện chức năng bảo vệ chống quá điện áp cho tụ bù khi có ngắn mạch
cuối đường dây.

Hình 2. Điện áp và dòng trên chống sét van MOV1
Tại thời điểm sự cố được loại trừ (lúc máy cắt tải Load CB cắt vào thời điểm t=
0,1s) thì tại thanh góp B2 xuất hiện quá điện áp và CSV MOV2 có nhiệm vụ bảo vệ quá
điện áp cho kháng bù ngang phía cuối đường dây. Xung dòng qua MOV2 có độ lớn 1300A
ứng với điện áp đặt lên MOV2 là 620kV.

Hình 3. Điện áp và dòng trên chống sét van MOV2
2.3. Đánh giá vai trò của CSV trong quá trình bảo vệ quá điện áp
Từ kết quả mô phỏng sự làm việc của các CSV để bảo vệ cho tụ bù dọc và kháng
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
132
bù ngang, đưa ra các đặc tính so sánh quá điện áp đặt vào các thiết bị cần bảo vệ khi có đặt
CSV và khi không có đặt CSV.

Hình 4. Điện áp trên bộ tụ trong trường hợp không lắp đặt CSV và trường hợp có lắp đặt CSV

Hình 5. Điện áp trên kháng bù ngang trong trường hợp không lắp đặt CSV và có lắp đặt CSV
1
5.2987

2.4641
0
1
2
3
4
5
6
pu
1
Điện áp lớn nhất trên tụ bù dọc trong các trường hợp
Điện áp làm việc bình
thường lớn nhất của tụ
bù(cột bên trái)
Quá điện áp trên tụ bù khi
không đặt CSV(cột ở
giữa)
Quá điện áp trên tụ bù khi
có lắp đặt CSV(cột bên
phải)

1
2.3595
1.7729
0
0.5
1
1.5
2
2.5

pu
1
Điện áp lớn nhất trên kháng bù ngang trong các trường hợp
Điện áp làm việc bình
thường lớn nhất của
kháng bù ngang(cột bên
trái)
Quá điện áp trên kháng
bù ngang khi không đặt
CSV(cột ở giữa)
Quá điện áp trên kháng
bù ngang khi có lắp đặt
CSV(cột bên phải)

Hình 6. Điện áp lớn nhất trên tụ bù dọc và kháng bù ngang trong 3 trường hợp
2.4. Năng lượng hấp thụ của các CSV trong thời gian phóng điện
Năng lượng hấp thụ là một thông số quan trọng của chống sét van. Nếu mức năng
lượng vượt quá khả năng hấp thụ của chống sét có thể dẫn tới việc phá hủy tức thời đối với
chống sét và làm hư hỏng chống sét. Mô phỏng đã tính được mức năng lượng hấp thụ đó
theo thời gian phóng điện của chống sét.

a) Chống sét van MOV1 b) Chống sét van MOV2
Hình 7. Năng lượng hấp thụ bởi CSV của tụ bù dọc và kháng bù ngang trong thời gian phóng điện
Kết quả cho thấy mức năng lượng được chống sét van MOV1 hấp thụ là 9MJ trong
thời gian phóng điện của nó,còn đối với MOV2 là 0,62MJ. Mức năng lượng hấp thụ bởi
CSV bảo vệ cho tụ bù dọc là rất cao, do đó cần phải tính toán lựa chọn các CSV có khả
năng hấp thụ các mức năng lượng cần thiết để mắc song song các CSV với nhau nhằm đảm
bảo cho các CSV làm việc an toàn. Trong trường hợp này, nếu ta chọn loại CSV có điện áp
định mức 60kV, mức năng lượng hấp thụ là 12kJ/kV(U
R

), với thời gian ngắn mạch là 0,1s
thì số lượng CSV cần nối song song ít nhất là 12 CSV.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
133
3. Chống sét van bảo vệ quá điện áp do xung sét cho máy điện
3.1. Mô hình dạng xung sét chuẩn
Biểu thức toán học các dạng xung sét không chu kỳ được sử dụng rộng rãi trong
lĩnh vực điện cao áp có dạng:

12
0()
tt
TT
i t KI e e
(1)

12
0()
tt
TT
u t KU e e
(2)
Trên cơ sơ các biểu thức toán học thành lập mô hình trong matlab

Hình 8. Nguồn dòng của xung không chu kỳ Hình 9. Nguồn áp của xung không chu kỳ
Chạy mô hình ta được kết quả dạng sóng

Hình 10.Nguồn phát xung 8/20μs – 10kA Hình 11. Nguồn phát xung 1,2/50μs -10kA
3.2. Mô hình CSV dạng MOV
3.2.1. Mô hình đề nghị

Hình 12. Mô hình CSV mô phỏng Hình 13. Đặc tính V-I của MOV
Các điện trở phi tuyến A0, A1 được xác định dựa vào các đường đặc tính V-I ở hình 13.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
134
3.2.2. Mô hình sử dụng CSV bảo vệ máy biến áp (MBA) khi có xung điện áp sét truyền vào trạm

Hình 14. Mô hình trạm biến áp Hình 15. Mô hình thay thế trạm biến áp
Xét mô hình trạm biến áp 110kV/22kV như hình 14. Hệ thống truyền tải qua MBA
110kV/22KV công suất 20MVA, điện trở nối đất của CSV là 1Ω. Cách điện của MBA được
thiết kế là 360 kV. Chống sét được sử dụng là loại AZG3008G070090 của hãng Cooper:
Đặc tính kỹ thuật của CSV
Rate
Voltage
(KV)
Continuous
operating
voltage (KV)
1/5 μs-10 kA
(KV)
High
Arrester
(mm)
8/20 μs Maximum Discharge
Voltage (kV)
5 (kA) 10 (kA) 20 (kA)
90 70 242 1219 199 213 235
Kết quả điện áp thu được trong trường hợp có và
không có đặt CSV

U
1:
điện áp đặt vào MBA khi không có CSV bảo vệ
U
1:
điện áp đặt vào MBA khi có CSV bảo vệ
Từ kết quả ở hình 16 ta thấy khi không đặt CSV
thì điện áp đặt vào cách điện của MBA là 2MV lớn hơn
nhiều lần cách điện của MBA sẽ gây ra phá hỏng MBA.
Trong trường hợp đặtCSV, ta thấy rằng điện áp đặt lên
MBA sẽ nhỏ hơn điện áp cách điện của MBA.
Hình 16. Có đặt CSV
3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở nối đất và độ dốc đầu sóng đến điện áp dư của CSV
3.3.1. Ảnh hưởng của điện trở nôi đất đến điện áp dư
Tiến hành mô phỏng với việc thay đổi giá
trị điện trở nối đất của CSV ta có kết quả ở hình 7.
Trên cơ sở mô phỏng ta thấy điện trở nối
đất ảnh hưởng rất lớn đối với điện áp dư, kết quả
mô phỏng giúp ta chọn giới hạn cho điện trở nối
đất phù hợp. Với MBA công suất lớn, thông
thường hệ số dự trữ là 1.5 nên điện trở đất của
CSV phải nhỏ hơn 4 Ω.
Hình 17. Đặc tính U
dư
theo R
đ

3.3.2. Ảnh hưởng của độ dốc đầu sóng đến điện áp dư
Tiến hành mô phỏng với việc thay đổi độ dốc xung sét truyền vào trạm.