(Luận văn thạc sĩ hcmute) mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét van trên lưới điện phân phối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHÂU DUY KHÁNH

MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN
TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

S K C0 0 4 3 7 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHÂU DUY KHÁNH

MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT
VAN TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHÂU DUY KHÁNH

MƠ HÌNH HỐ VÀ MƠ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT
VAN TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60 52 50
Hướng dẫn khoa học:
PGS. TS QUYỀN HUY ÁNH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014

Luan van


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC.
Họ và tên: Châu Duy Khánh

Giới tính: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 19/12/1979

Nơi sinh: An Giang.

Quê quán: An Giang

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 169/40 Đường Thủ Khoa Nghĩa, Khóm 3,
Phường Châu Phú A, Tp Châu Đốc, tỉnh An Giang.
Điện thoại: 0963 999 953.

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO.
2.1. Hệ đại học.
Hệ đào tạo: chính quy.

Thời gian đào tạo: 1998 đến 2003.

Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, TP. Hồ
Chí Minh.
Ngành học: Hệ thống điện.
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: luận văn “Phòng chống sét trực
tiếp và lan truyền bằng phương pháp hiện đại”.
Người hướng dẫn: PGS. TS Quyền Huy Ánh
III. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC.
Thời gian

05/2003 –
05/2004

05/2004 –
8/2005

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Công ty Tư vấn thiết kế và xây
dựng ( New CC), Quận 10, Thành

Kỹ sư: M&E.

Phố Hồ Chí Minh
Phịng KHKT – Cơng ty Điện lực
An Giang.

i

Luan van

Cán bộ kỹ thuật


08/2005 –
12/2009

Điện lực Thành Phố Châu Đốc

2010 đến nay Điện lực Tịnh Biên

Trưởng phịng KHKT

Phó Giám Đốc

ii

Luan van


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ và tên học viên: Châu Duy Khánh
MSHV: 128520202033
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Khoá: 2012(B) – 2014
Tên đề tài: Mơ hình hóa và mơ phỏng thiết bị chống sét van trên lưới điện phân
phối.
Học viên đã hoàn thành LVTN theo đúng yêu cầu về nội dung và hình thức (theo
quy định) của một luận văn thạc sĩ.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng …. năm 2014.
Giảng viên hướng dẫn

(ký & ghi rõ họ tên)

PGS, TS. Quyền Huy Ánh

Luan van


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014.
Người cam đoan

Châu Duy Khánh

iii

Luan van


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS, TS. Quyền Huy Ánh đã tận tình hướng
dẫn tơi hồn thành luận văn này.
Chân thành cảm ơn quí thầy, quí cơ Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM và q thầy, q cơ Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã giảng dạy
tôi trong suốt hai năm học.
Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã động
viên tơi trong suốt q trình học tập.

iv

Luan van


TĨM TẮT
Luận văn “ Mơ hình hóa và mơ phỏng thiết bị chống sét van trên lưới điện
phân phối” đi sâu vào nghiên cứu mơ hình chống sét van dạng Metal - Oxide trên
lưới phân phối. Chống sét van dạng Metal - Oxide được dùng để bảo vệ quá điện áp
do sét hoặc xung đóng cắt trên lưới phân phối. Từ các mơ hình nghiên cứu, đưa ra
một mơ hình đơn giản và mơ hình này được mơ phỏng với chương trình Matlab
thơng qua cơng cụ mơ phỏng; rất cần thiết nhằm thực hiện nghiên cứu phối hợp
cách điện trên hệ thống. Các thông số được cung cấp trong catalogue của nhà sản
xuất đưa vào mơ hình chống sét van dạng Metal- Oxide, mơ hình cho kết quả phù
hợp với hành vi của thiết bị chống sét van thực tế với các cấp điện áp khác nhau và
của các nhà sản xuất khác nhau. Tính hiệu quả này đã được kiểm tra trên một số
chống sét van của các nhà sản xuất khác nhau. Để thử nghiệm mơ hình, các mơ hình
nguồn phát xung dịng và nguồn phát xung áp tiêu chuẩn cũng đã được xây dựng. Mơ
hình thiết bị chống sét van sẽ nhận sét cảm ứng từ ngõ ra của một mơ hình nguồn
phát xung sét tiêu chuẩn để đo thử, các đáp ứng sẽ được thử nghiệm và so sánh với
nhiều nhà sản xuất khác nhau.
Luận văn mong muốn sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích với phần
mềm thơng dụng Matlab cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sư, sinh viên… trong việc
nghiên cứu các hành vi và đáp ứng của thiết bị chống sét trên lưới điện phân phối
trong điều kiện không thể đo thử thực tế.

v

Luan van

ABSTRACT
The thesis “Modeling and simulation of Metal - Oxide surge arrester in medium voltage electric distribution system” studies on the model of medium-voltage MetalOxide surge arrester of the electrical distribution system. Metal - Oxide surge arrester
is used to protect the devices against the overvoltage caused by lightning and switching
pulses in the electrical distribution systems. Based on the research results, a simplified
model is proposed and implemented by the Matlab/Simulink in order to do the essential
studies of the insulation coordination in the power system. The parameters of the Metal
- Oxide surge arrester listed in the data sheets of the manufacturers which have been
used for simulation, give the results of its behaviors similarly to those of the real device
in the different voltage classes and from the various manufacturers. The effectiveness of
the model has been verified, based on several arresters of the different manufacturers.
To test this model, the standard models of the generator of the current and voltage pulses
have been established. The model of the metal- oxide surge arrester will withstand an
induced lightning from the output of the current pulse generator, the resulted responses
will be tested and compared with those of the different manufacturers.
The thesis is expected to support a useful simulation tool for researchers,
engineers, students and ect, thanks to the popular Matlab program in studying the
behaviors and responses of surge arrester in the electric distribution system without
without being able to measure in practical conditions.

vi

Luan van


MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học ....................................................................................................i
Lời cam đoan .......................................................................................................iii
Lời cảm ơn ..........................................................................................................iv
Tóm tắt..................................................................................................................v
Mục lục ..............................................................................................................vii
Danh sách các hình ...............................................................................................x

Chương 0. Tổng quan ....................................................................................... 01
I. Đặt vấn đề ................................................................................................... 01
II. Nhiệm vụ của luận văn ................................................................................2
III. Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................3
IV. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................3
V. Điểm mới của luận văn.................................................................................3
VI. Giá trị thực tiễn của đề tài. ..........................................................................3
VII. Nội dung của luận văn ...............................................................................4

Chương 1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc và các đặc tính kỹ thuật của chống sét
van MOV..............................................................................................................5
1.1 Cấu tạo .......................................................................................................5
1.2 Tính năng hoạt động của biến trở ZnO ........................................................8
1.3 Đặc tính V-I .............................................................................................. 12
1.4 Thời gian đáp ứng ..................................................................................... 12
1.5 Năng lượng cho phép và cơng suất tiêu tán trung bình............................... 14
1.6 Tính năng kỹ thuật..................................................................................... 16

vii

Luan van

Chương 2: Các mơ hình chống sét van và các công cụ mô phỏng Matlab –
Simulink ............................................................................................................ 29
2.1 Các mô hình chống sét van ....................................................................... 29
2.1.1 Mơ hình điện trở phi tuyến ..................................................................... 29
2.1.2 Mơ hình điện trở phi tuyến kết hợp điện cảm phi tuyến .......................... 31
2.1.3 Mơ hình của SCHMIDT ......................................................................... 34
2.1.4 Mơ hình của nhóm chun gia IEEE....................................................... 36
2.1.5 Mơ hình của MARDIRA ........................................................................ 39
2.2 Cơng cụ Matlab – Simulink dùng để mô phỏng ......................................... 42
2.2.1 Ý nghĩa của mơ hình mơ phỏng .............................................................. 42
2.1.2 Phần mềm Matlab - Simulink ................................................................. 42

Chương 3: Mơ hình hóa và mơ phỏng chống sét van MOV ............................ 49
3.1. Mục đích mơ phỏng.................................................................................. 49
3.2. Đánh giá mơ hình chống sét van trong Matlab.......................................... 49
3.2.1. Giới thiệu mơ hình................................................................................. 49
3.2.2. Hộp thoại và các thông số cần khai báo ................................................. 50
3.2.3. Nguyên lý làm việc của mơ hình ........................................................... 51
3.2.4. Đánh giá mơ hình .................................................................................. 51
3.3. Xây dựng mơ hình chống sét van dạng MOV Phụ thuộc tần số................. 55
3.3.1. Mơ hình đề nghị .................................................................................... 56
3.3.2. Phương pháp xác định thông số ............................................................. 57
3.3.3. Phương pháp xây dựng mơ hình trong Matlab ....................................... 58
3.4. Xây dựng mơ hình nguồn phát xung ......................................................... 65
3.4.1. Dạng xung không chu kỳ và các quan hệ của các thơng số thời gian ...... 65
3.4.2. Mơ hình toán của nguồn phát xung trong Matlab................................... 67
3.5. Thực thi mơ hình ..................................................................................... 69
Chương 4: Mơ phỏng các đáp ứng.................................................................... 73
4.1. Mô phỏng chống sét van của hãng ELPRO............................................... 73

viii

Luan van


4.2. Mô phỏng chống sét van của hãng GE Tranquell...................................... 75
4.3. Mô phỏng chống sét van của hãng Siemens.............................................. 78
4.4. Mô phỏng chống sét van của hãng Cooper................................................ 80
4.5. Mô phỏng chống sét van của hãng Ohio-Brass ......................................... 83
4.6. Đánh giá đáp ứng mơ hình........................................................................ 85
Chương 5: Mơ hình thực nghiệm...................................................................... 87
5.1. Thực trạng lưới điện của mơ hình thực nghiệm......................................... 87
5.2. Ngun tắc hoạt động ............................................................................... 87
5.3. Mơ hình hóa và mơ phỏng ........................................................................ 88
5.3.1. SA cố định, thay đổi vị trí sét đánh với ... 8/20s – 3kA ........................ 88
5.3.1.1. Vị trí sét đánh cách nguồn 15km......................................................... 89
5.3.1. SA cố định, thay đổi vị trí sét đánh với ... 8/20s – 3kA ........................ 88
5.3.1.1. Vị trí sét đánh cách nguồn 15km......................................................... 89
5.3.1.2. Vị trí sét đánh cách nguồn 10km......................................................... 91
5.3.1.3. Vị trí sét đánh cách nguồn 1km........................................................... 93
5.3.2 Sét đánh ngoài phạm vi bảo vệ SA ......................................................... 93
5.3.2 Sét đánh ngoài phạm vi bảo vệ SA ......................................................... 93
5.3.2 Sét đánh ngoài phạm vi bảo vệ SA ......................................................... 96
5.3.2.1. Sét đánh về phía tải............................................................................. 96
5.3.2.2. Sét đánh về phía nguồn ....................................................................... 99
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển ....................................................... 102
6.1. Kết Luận ................................................................................................ 102
6.2. Hướng phát triển của đề tài..................................................................... 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 103

PHỤ LỤC......................................................................................................... 105

ix

Luan van


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I .....................................................5
Hình 1.2: Vi cấu trúc của ceramic .........................................................................6
Hình 1.3: Vi cấu trúc của MOV ............................................................................7
Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO.................................8
Hình 1.5: Lưu đồ chế tạo biến trở ZnO ............................................................... 10
Hình 1.6: Chống sét van trung thế Cooper .......................................................... 11
Hình 1.7: Mặt cắt cấu tạo của chống sét van ....................................................... 11
Hình 1.8: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO – biên - ZnO ..................................... 13
Hình 1.9: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào.............................................. 13
Hình 1.10: Đặc tính V-I của MOV ...................................................................... 14
Hình 1.11: Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao ....................................... 15
Hình 1.12: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dịng .. 15
Hình 1.13: Số lần xung chịu được của chống sét van MOV ................................ 16
Hình 1.14: Quan hệ công suất tiêu tán và điện áp ............................................... 17
Hình 1.15: Chức năng phối hợp của chống sét van ............................................. 18
Hình 1.16: Hệ số quan hệ quá áp với quá áp tạm thời ......................................... 22
Hình 1.17: Khả năng quá tạm thời của CSV McGraw-Edison ................................ 23
Hình 1.18: Phối hợp cách điện – điện áp chịu xung của thiết bị ......................... 26
Hình 2.1: Mơ hình điện trở phi tuyến .................................................................. 29
Hình 2.2: Đặc tính V-I mẫu của một dạng sóng đóng cắt ................................... 30
Hình 2.3: Mơ hình và vịng trễ V-I ...................................................................... 32

Hình 2.4: Đường cong V-A và vịng trễ .............................................................. 33
Hình 2.5: Mơ hình chống sét van MOV .............................................................. 35
Hình 2.6: Đặc tính của phần tử A theo I và di/dt ................................................. 35
Hình 2.7: Mơ hình phụ thuộc tần số của IEEE .................................................... 36
Hình 2.8: Đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0 và A1 .............................. 38
Hình 2.10: Mơ hình đề nghị của Mardira ............................................................ 39

x

Luan van


Hình 3.1: Quan hệ dịng điện – điện áp của mơ hình CSV .................................. 50
Hình 3.2: Hộp thoại của mơ hình CSV ................................................................ 50
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của mơ hình ............................................................... 51
Hình 3.4a: Mạch mơ phỏng phóng điện qua chống sét van trong Matlab ứng với
xung dòng 8/20s – 10kA ................................................................................... 52
Hình 3.4b: Giá trị điện áp dư và dịng phóng qua CSV (8/20s – 10kA).............. 52
Hình 3.5a: Mạch mơ phỏng phóng điện qua chống sét van trong Matlab ứng với
xung dịng 4/10s – 10kA ................................................................................... 53
Hình 3.5b: Giá trị điện áp dư và dịng phóng qua CSV (4/10s – 10kA) ............. 53
Hình 3.6a: Mạch mơ phỏng phóng điện qua chống sét van trong Matlab ứng với
xung dòng 1,2/50s – 10kA ................................................................................ 54
Hình 3.6b: Giá trị điện áp dư và dịng phóng qua CSV (1,2/50s – 10kA) .......... 54
Hình 3.7: Mơ hình phụ thuộc tần số của MOV ................................................... 56
Hình 3.8: Sơ đồ thiết kế phần tử phi tuyến A0 .................................................... 59
Hình 3.9: Mơ hình chống sét van và mạch mơ phỏng phóng điện ....................... 60
Hình 3.10: Thanh Documentation trong cửa sổ Mask editor ............................... 61
Hình 3.11: Thanh Parameters trong Mask editor ................................................. 62
Hình 3.12: Thanh Initialization trong Mask editor .............................................. 62

Hình 3.13: Hộp giao diện của Arrester - MOV ................................................... 63
Hình 3.14: Dùng lệnh “Plot” tạo hình cho biểu tượng chống sét van .................. 64
Hình 3.15: Biểu tượng chống sét van MOV......................................................... 64
Hình 3.16: Hộp giao diện của Arrester - MOV đã được tạo thông tin .................. 65
Hình 3.17: Mơ hình tốn của tín hiệu khơng chu kỳ ............................................ 66
Hình 3.18.a: Nguồn dịng điện của xung khơng chu kỳ ....................................... 67
Hình 3.18.b: Nguồn điện áp của xung khơng chu kỳ ........................................... 67
Hình 3.19: Nguồn phát xung khơng chu kỳ ......................................................... 67
Hình 3.20: Nguồn phát xung 8/20s – 10kA........................................................ 67
Hình 3.21: Tín hiệu nguồn phát xung 8/20s – 10kA trên Scope ........................ 69

xi

Luan van


Hình 3.22: Mạch mơ phỏng phóng điện với xung dịng 8/20s – 10kA .............. 69
Hình 3.23: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 5kA ...................................... 70
Hình 3.24: Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20s – 10kA .................................... 71
Hình 3.25: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 20kA .................................... 71
Hình 4.1: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 5kA(ELPRO) ......................... 74
Hình 4.2:Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 10kA(ELPRO) ........................ 74
Hình 4.3: Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20s – 20kA(ELPRO) ....................... 75
Hình 4.4: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 3kA(GE Tranquell) ................ 76
Hình 4.5: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 5kA(GE Tranquell) ................ 76
Hình 4.6: Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20s – 10kA(GE Tranquell) .............. 77
Hình 4.7: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 20kA(GE Tranquell) .............. 77
Hình 4.8: Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20s – 1kA(Siemens) ........................ 78
Hình 4.9: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 5kA(Siemens) ........................ 79
Hình 4.10: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 10kA(Siemens) .................... 79

Hình 4.11: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 20kA(Siemens) .................... 80
Hình 4.12: Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20s – 3kA(Cooper) ........................ 81
Hình 4.13: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 5kA(Cooper) ........................ 81
Hình 4.14: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 10kA(Cooper) ...................... 82
Hình 4.15: Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20s – 20kA(Cooper) ....................... 82
Hình 4.16: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 3kA(Ohio_Brass) ................. 83
Hình 4.17: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 5kA(Ohio_Brass) ................. 84
Hình 4.18: Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20s – 10kA(Ohio_Brass) ............... 84
Hình 4.19: Điện áp dư của CSV tại dịng 8/20s – 20kA(Ohio_Brass) ............... 85
Hình 5.1: Mơ hình mơ phỏng SA bảo vệ nguồn và tải ........................................ 87
Hình 5.2: Tín hiệu nguồn xung dịng 8/20s – 3kA ............................................ 88
Hình 5.3: Tín hiệu nguồn xung dịng phía nguồn khi chưa lắp đặt SA(15km) ..... 89

xii

Luan van


Hình 5.4: Tín hiệu nguồn xung dịng phía nguồn khi lắp đặt SA (15km).............. 89
Hình 5.5: Tín hiệu nguồn xung dịng phía tải khi chưa lắp đặt SA (15km) ........... 90
Hình 5.6: Tín hiệu nguồn xung dịng phía tải khi lắp đặt SA (15km) .................. 90
Hình 5.7: Tín hiệu nguồn xung dịng phía nguồn khi chưa lắp đặt SA(10km) .... 91
Hình 5.8: Tín hiệu nguồn xung dịng phía nguồn khi lắp đặt SA (10km).............. 91
Hình 5.9: Tín hiệu nguồn xung dịng phía tải khi chưa lắp đặt SA (10km) ........... 92
Hình 5.10: Tín hiệu nguồn xung dịng phía tải khi lắp đặt SA (10km) ................ 92
Hình 5.11: Tín hiệu nguồn xung dịng phía nguồn khi chưa lắp đặt SA(1km) .... 93
Hình 5.12: Tín hiệu nguồn xung dịng phía nguồn khi lắp đặt SA (1km).............. 93
Hình 5.13: Tín hiệu nguồn xung dịng phía tải khi chưa lắp đặt SA (1km) ........... 94
Hình 5.14: Tín hiệu nguồn xung dịng phía tải khi lắp đặt SA (1km) .................. 94
Hình 5.15: Tín hiệu nguồn xung áp khi chưa lắp đặt SA...................................... 95

Hình 5.16: Tín hiệu nguồn xung áp khi lắp đặt SA .............................................. 95
Hình 5.17: Mơ hình mơ phỏng phía tải khơng bảo vệ bởi SA ............................. 96
Hình 5.18: Tín hiệu nguồn xung áp phía tải SA khơng bảo vệ ............................. 97
Hình 5.19: Tín hiệu nguồn xung dịng phía tải SA khơng bảo vệ ........................ 97
Hình 5.20: Tín hiệu nguồn xung áp phía tải SA bảo vệ ........................................ 98
Hình 5.21: Tín hiệu nguồn xung dịng phía tải SA bảo vệ ................................... 98
Hình 5.22: Mơ hình mơ phỏng phía nguồn khơng bảo vệ bởi SA ....................... 99
Hình 5.23: Tín hiệu nguồn xung áp phía nguồn SA khơng bảo vệ ....................... 99
Hình 5.24: Tín hiệu nguồn xung dịng phía nguồn SA khơng bảo vệ ................ 100
Hình 5.25: Tín hiệu nguồn xung áp phía nguồn SA bảo vệ ................................ 100
Hình 5.26: Tín hiệu nguồn xung dịng phía nguồn SA bảo vệ ........................... 101

xiii

Luan van


Chương 0

TỔNG QUAN
I. Đặt vấn đề:
Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, mưa nhiều cường độ hoạt
động dông sét rất mạnh. Thực tế sét đã gây nhiều tác hại đến đời sống sinh hoạt và
tính mạng con người, gây hư hỏng thiết bị, cơng trình và là một trong những tác
nhân gây sự cố trong hoạt động của hệ thống điện quốc gia.
Bước vào thế kỷ 21, Tập Đồn Điện lực Việt Nam đang có những bước phát
triển đáng kể nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng của nền kinh tế Việt Nam. Nhiều
nhà máy nhiệt điện, thủy điện, năng lượng tái tạo… cùng hệ thống truyền tải, phân
phối điện trung và cao áp được quy hoạch, thiết kế và xây dựng trên toàn đất nước
tạo thành một hệ thống lưới điện quốc gia ổn định đảm bảo cho nhu cầu điện năng

của các ngành kinh tế và phục vụ đời sống sinh hoạt cộng đồng.
Để đảm bảo lưới điện được phủ kín đến hộ người tiêu dùng, nhà máy cũng như
đảm bảo phục vụ an ninh địa phương thì việc sử dụng điện áp cao trong truyền tải
điện đi xa là một điều tất yếu. Bên cạnh những nguyên nhân chủ quan làm gián
đoạn việc cung cấp điện như: quản lý vận hành chưa đạt yêu cầu; thì quá trình quá
độ do sét đánh là nguyên nhân gây ra sự cố lưới điện làm gián đoạn việc cung cấp
điện cũng như làm hư hỏng các thiết bị lắp đặt trên lưới điện ảnh hưởng rất lớn đến
phát triển kinh tế địa phương ... Đối với các thiết bị cơ điện như: máy biến áp,
recloser, máy cắt ... có độ dự trữ cách điện cao thì với những phương pháp tính tốn
truyền thống đã đủ để lựa chọn thiết bị bảo vệ chống sét đánh cảm ứng hợp lý. Tuy
nhiên, vấn đề được đề cập một cách cấp bách trong những năm gần đây là các trang
thiết bị điện tử công suất đã trở thành các thiết bị được sử dụng ngày càng nhiều và
rất phổ biến trên lưới truyền tải, phân phối cũng như trong trạm biến áp, ví dụ như
thiết bị bù trơn, thiết bị Scada, bộ UPS, bộ bù bằng Thyristor, bộ lọc sóng hài
v.v..và các thiết bị này rất nhạy cảm, cách điện dự trữ của chúng rất mong manh vì
thế cần phải tính tốn lựa chọn và kiểm tra các thiết bị chống sét một cách chính xác
để tránh xảy ra hư hỏng cho các thiết bị này.

1

Luan van


Do thiết bị chống sét trên lưới điện phân phối là thiết bị phi tuyến cho nên việc
đánh giá các đáp ứng ngõ ra ứng với sóng sét trực tiếp hoặc lan truyền với mức
chính xác cao theo phương pháp giải tích truyền thống gặp nhiều khó khăn. Một
phương pháp hiệu quả để thực hiện việc đánh giá này là thực hiện mơ hình và mơ
phỏng.
Hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị chống sét lan truyền
trên đường dây phân phối đã đi sâu nghiên cứu và đề ra mơ hình thiết bị chống sét

với mức độ chính xác cao, các quan điểm xây dựng mơ hình cũng khác nhau. Mặt
khác một số phần mềm mơ phỏng cũng đã hỗ trợ trong việc xây dựng mô hình các
thiết bị chống sét. Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mơ hình hố mơ phỏng
là có u cầu về mức độ chính xác, mức độ tương đồng cao giữa mơ hình và ngun
mẫu của đối tượng, các phương pháp xây dựng mơ hình và mơ phỏng các phần tử
chống sét lan truyền vẫn còn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển.
II. Nhiệm vụ của luận văn:
Luận văn ” Mơ hình hóa và mơ phỏng thiết bị chống sét van trên lưới điện phân
phối ” có nhiệm vụ chủ yếu:
-

Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc của thiết bị chống sét van cấp phân
phối.

-

Xây dựng mơ hình máy phát xung sét dạng sóng 8/20s.

-

Đề xuất mơ hình cải tiến có xét đến đáp ứng động của chống sét van cấp
phân phối.

-

Kiểm chứng độ chính xác của mơ hình chống sét van cấp phân phối trên cơ
sở so sánh kết quả mô phỏng và số liệu thực nghiệm được cung cấp bởi nhà
sản xuất.

III. Phạm vi nghiên cứu :

Nghiên cứu mơ hình chống sét van cấp phân phối.
IV. Phương pháp nghiên cứu:
-

Nghiên cứu tài liệu.

-

Mô hình hóa và mơ phỏng.

-

Phân tích, tổng hợp.

2

Luan van


V. Điểm mới của luận văn:
-

Xây dựng mơ hình máy phát xung sét dạng sóng 8/20s.

-

Xây dựng mơ hình bộ chống sét van cấp phân phối có độ chính xác cao theo
thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.

-

Kiểm tra khả năng bảo vệ của thiết bị khi lắp đặt trên hệ thống điện thơng
qua mơ hình mơ phỏng.

VI. Giá trị thực tiễn của đề tài:
-

Mơ hình máy phát xung sét và mơ hình chống sét van cấp phân phối được
đề xuất có thể sử dụng làm cơng cụ đánh giá bảo vệ quá áp do sét cảm ứng
đánh vào mạng phân phối trung áp.

-

Các mơ hình được xây dựng trong môi trường Matlab rất quen thuộc và
thông dụng, điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu và phục
vụ giảng dạy của các giáo viên, sinh viên ngành kỹ thuật điện.

VII. Nội dung của luận văn:
Chương 0: Tổng quan
Chương 1: Cấu tạo, nguyên lý làm việc và các đặc tính kỹ thuật của chống sét
van MOV.
Chương 2: Các mơ hình CSV và cơng cụ mơ phỏng Matlab – Simulink.
Chương 3: Mơ hình hóa và mơ phỏng chống sét van MOV.
Chương 4: Mô phỏng đáp ứng của các chống sét van
Chương 5: Mơ hình thực nghiệm.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.

3

Luan van

Chương 1
CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH
KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV
1.1 Cấu tạo
MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp mà
hành vi về điện giống như hai diode đấu ngược lại (back –to –back). Với đặc tính
đối xứng, đặc tính vùng đánh thủng (về điện) rất dốc cho phép MOV có tính năng
khử xung q độ đột biến hồn 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 thu bởi MOV cho nên các thành

phần trong mạch được bảo vệ tránh hư hại.
Hình 1.1 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 ơxít 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.
MOV được chế tạo từ ZnO. Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động như
tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt. Các biên hạt ZnO có thể quan sát được
qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic như hình 1.2. Hành vi phi tuyến về điện xảy
ra tại biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở có thể xem như là một thiết
bị nhiều tiếp giáp tạo ra từ nhiều liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt.

5

Luan van

Hành vi của thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của ceramic, kích thước
hạt và phân bố kích thước hạt đóng vai trị chính trong hành vi về điện.

Hình 1.2 Vi cấu trúc của ceramic

Hỗn hợp rắn ôxýt kẽm với ôxýt kim loại khác dưới điều kiện đặc biệt tạo nên
ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp. Hiện tượng này
gọi là hiệu ứng biến trở. Bản thân hạt ôxýt kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt
khoảng 15 –100m), trong khi ơxýt kim loại khác bao bên ngồi có điện trở rất cao.
Chỉ tại các điểm ơxýt kẽm gặp nhau tạo nên “vi biến trở”, tựa như hai diode zener
đối xứng, với mức bảo vệ khoảng 3,5V. Chúng có thể nối nối tiếp hoặc song song
(hình 1.1); việc nối nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có khả
năng tải được dịng điện cao hơn so với các chất bán dẫn, hấp thu nhiệt tốt và có
khả năng chịu được dịng xung đột biến cao.
MOV được chế tạo từ việc hình thành và tạo hạt ZnO dạng bột vào trong các
thành phần ceramic. Các hạt ZnO có kích thước trung bình là d, bề dày biến trở là
D, ở hai bề mặt khối MOV được áp chặt bằng hai phiến kim loại phẳng. Hai phiến
kim loại này lại được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngồi (hình 1.3).

6

Luan van


Hình 1.3 Vi cấu trúc của MOV

Điện áp của MOV được xác định bởi bề dày của MOV và kích thước của hạt
ZnO. Một đặc tính cơ bản của biến trở ZnO là điện áp rơi qua biên tiếp giáp giữa

các hạt ZnO gần như là hằng số, và khoảng từ (2-3,5)V. Mối liên hệ này được xác
định như sau:
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 thước 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 đường đặc tính VI với dịng điện 1mA (hình 1.10).
Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp. Chúng gồm 3 vùng cấu trúc
(hình 1.4):
Vùng I: biên có độ dày khoảng (100-1000 nm) và đây là lớp giàu bột Bi2O3.
Vùng II: biên có độ mỏng khoảng (1-100 nm) và đây là lớp giàu bột Bi2O3.
Vùng III: biên này có đặc tính là tiếp xúc trực tiếp với các hạt ZnO. Ngoài ra
Bi, Co và một lượng các ion ơxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với độ dày
vài nanomet.

7

Luan van

Hình 1.4 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 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 như sau: 97mol%ZnO, 1mol-% Sb2O3, 0,5mol-% mỗi Bi2O3, CoO, MnO, và Cr2O3.
Quá trình chế tạo biến trở ZnO theo tiêu chuẩn kỹ thuật ceramic. Các thành
phần được trộn thành hỗn hợp và xay thành bột. Hỗn hợp bột được làm khô và nén
thành hình dạng mong muốn. Sau đó các viên được vón cục ở nhiệt độ cao, cụ thể là
từ 1000-14000C. Hai phiến kim loại thường là bằng bạc tiếp xúc với các hạt được
vón cục bên ngồi 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 hoàn thành sau cùng được
kiểm tra đáp ứng các tính năng u cầu kỹ thuật. Q trình được diễn tả theo lưu đồ
hình 1.5.
Một vài giá trị tiêu biểu về kích thước của biến trở ơxýt kim loại được cho
như sau:
Điện áp biến trở

d ( m)

n (hạt)

(VRMS)

Điện trường

Bề dày của MOV

V/mm tại 1mA

(mm)

150

20

75

150

1,5

25

80

12

39

1,0

8

Luan van


Đường kính đĩa danh định:

Đường kính đĩa danh định -mm

3 5 7 10 14 20

9

Luan van

32

34

40

62