Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét van trên lưới điện phân phối

vii
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 công suất tiêu tán trung bình 14
1.6 Tính năng kỹ thuật 16
viii
Chương 2: Các mô 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 Mô hình điện trở phi tuyến 29
2.1.2 Mô hình điện trở phi tuyến kết hợp điện cảm phi tuyến 31
2.1.3 Mô hình của SCHMIDT 34
2.1.4 Mô hình của nhóm chuyên gia IEEE 36
2.1.5 Mô hình của MARDIRA 39
2.2 Công cụ Matlab – Simulink dùng để mô phỏng 42
2.2.1 Ý nghĩa của mô hình mô phỏng 42
2.1.2 Phần mềm Matlab - Simulink 42

Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng chống sét van MOV 49
3.1. Mục đích mô phỏng 49
3.2. Đánh giá mô hình chống sét van trong Matlab 49
3.2.1. Giới thiệu mô hình 49
3.2.2. Hộp thoại và các thông số cần khai báo 50
3.2.3. Nguyên lý làm việc của mô hình 51
3.2.4. Đánh giá mô hình 51
3.3. Xây dựng mô hình chống sét van dạng MOV Phụ thuộc tần số 55
3.3.1. Mô hình đề nghị 56
3.3.2. Phương pháp xác định thông số 57
3.3.3. Phương pháp xây dựng mô hình trong Matlab 58
3.4. Xây dựng mô hình nguồn phát xung 65
3.4.1. Dạng xung không chu kỳ và các quan hệ của các thông số thời gian 65
3.4.2. Mô hình toán của nguồn phát xung trong Matlab 67
3.5. Thực thi mô hình 69
Chương 4: Mô phỏng các đáp ứng 73
4.1. Mô phỏng chống sét van của hãng ELPRO 73
ix
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 mô hình 85
Chương 5: Mô hình thực nghiệm 87
5.1. Thực trạng lưới điện của mô hình thực nghiệm 87
5.2. Nguyên tắc hoạt động 87
5.3. Mô hình hóa và mô 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

x
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 dòng 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: Mô hình điện trở phi tuyến 29
Hình 2.2: Đặc tính V-I mẫu của một dạng sóng đóng cắt 30
Hình 2.3: Mô hình và vòng trễ V-I 32
Hình 2.4: Đường cong V-A và vòng trễ 33
Hình 2.5: Mô hình chống sét van MOV 35
Hình 2.6: Đặc tính của phần tử A theo I và di/dt 35
Hình 2.7: Mô 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: Mô hình đề nghị của Mardira 39
xi
Hình 3.1: Quan hệ dòng điện – điện áp của mô hình CSV 50
Hình 3.2: Hộp thoại của mô hình CSV 50

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của mô hình 51
Hình 3.4a: Mạch mô 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 dòng phóng qua CSV (8/20s – 10kA) 52
Hình 3.5a: Mạch mô phỏng phóng điện qua chống sét van trong Matlab ứng với
xung dòng 4/10s – 10kA 53
Hình 3.5b: Giá trị điện áp dư và dòng phóng qua CSV (4/10s – 10kA) 53
Hình 3.6a: Mạch mô 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 dòng phóng qua CSV (1,2/50s – 10kA) 54
Hình 3.7: Mô hình phụ thuộc tần số của MOV 56
Hình 3.8: Sơ đồ thiết kế phần tử phi tuyến A0 59
Hình 3.9: Mô hình chống sét van và mạch mô 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: Mô hình toán của tín hiệu không chu kỳ 66
Hình 3.18.a: Nguồn dòng điện của xung không chu kỳ 67
Hình 3.18.b: Nguồn điện áp của xung không chu kỳ 67
Hình 3.19: Nguồn phát xung không 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
xii
Hình 3.22: Mạch mô phỏng phóng điện với xung dòng 8/20s – 10kA 69
Hình 3.23: Điện áp dư của CSV tại dòng 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 dòng 8/20s – 20kA 71
Hình 4.1: Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20s – 5kA(ELPRO) 74
Hình 4.2:Điện áp dư của CSV tại dòng 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 dòng 8/20s – 3kA(GE Tranquell) 76
Hình 4.5: Điện áp dư của CSV tại dòng 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 dòng 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 dòng 8/20s – 5kA(Siemens) 79
Hình 4.10: Điện áp dư của CSV tại dòng 8/20s – 10kA(Siemens) 79
Hình 4.11: Điện áp dư của CSV tại dòng 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 dòng 8/20s – 5kA(Cooper) 81
Hình 4.14: Điện áp dư của CSV tại dòng 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 dòng 8/20s – 3kA(Ohio_Brass) 83
Hình 4.17: Điện áp dư của CSV tại dòng 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 dòng 8/20s – 20kA(Ohio_Brass) 85
Hình 5.1: Mô hình mô phỏng SA bảo vệ nguồn và tải 87
Hình 5.2: Tín hiệu nguồn xung dòng 8/20s – 3kA 88
Hình 5.3: Tín hiệu nguồn xung dòng phía nguồn khi chưa lắp đặt SA(15km) 89
xiii
Hình 5.4: Tín hiệu nguồn xung dòng phía nguồn khi lắp đặt SA (15km) 89
Hình 5.5: Tín hiệu nguồn xung dòng phía tải khi chưa lắp đặt SA (15km) 90
Hình 5.6: Tín hiệu nguồn xung dòng phía tải khi lắp đặt SA (15km) 90
Hình 5.7: Tín hiệu nguồn xung dòng phía nguồn khi chưa lắp đặt SA(10km)

91

Hình 5.8: Tín hiệu nguồn xung dòng phía nguồn khi lắp đặt SA (10km) 91
Hình 5.9: Tín hiệu nguồn xung dòng phía tải khi chưa lắp đặt SA (10km) 92
Hình 5.10: Tín hiệu nguồn xung dòng phía tải khi lắp đặt SA (10km) 92
Hình 5.11: Tín hiệu nguồn xung dòng phía nguồn khi chưa lắp đặt SA(1km)

93
Hình 5.12: Tín hiệu nguồn xung dòng phía nguồn khi lắp đặt SA (1km) 93
Hình 5.13: Tín hiệu nguồn xung dòng phía tải khi chưa lắp đặt SA (1km) 94
Hình 5.14: Tín hiệu nguồn xung dòng 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: Mô hình mô phỏng phía tải không bảo vệ bởi SA 96
Hình 5.18: Tín hiệu nguồn xung áp phía tải SA không bảo vệ 97
Hình 5.19: Tín hiệu nguồn xung dòng phía tải

SA không bảo vệ 97
Hình 5.20: Tín hiệu nguồn xung áp phía tải SA bảo vệ 98
Hình 5.21: Tín hiệu nguồn xung dòng phía tải

SA bảo vệ 98
Hình 5.22: Mô hình mô phỏng phía nguồn không bảo vệ bởi SA 99
Hình 5.23: Tín hiệu nguồn xung áp phía nguồn SA không bảo vệ 99
Hình 5.24: Tín hiệu nguồn xung dòng phía nguồn

SA không bảo vệ 100
Hình 5.25: Tín hiệu nguồn xung áp phía nguồn SA bảo vệ 100
Hình 5.26: Tín hiệu nguồn xung dòng phía nguồn

SA bảo vệ 101

1
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, công 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 Đoàn 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 toán
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 toán 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.
2
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 mô hình và mô
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 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 hỗ trợ trong việc xây dựng mô hình các
thiết bị chống sét. Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hoá 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 truyền vẫn còn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển.
II. Nhiệm vụ của luận văn:
Luận văn ” Mô hình hóa và mô 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 mô hình máy phát xung sét dạng sóng 8/20s.
- Đề xuất mô hình cải tiến có xét đến đáp ứng động của chống sét van cấp
phân phối.
- Kiểm chứng độ chính xác của mô 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 mô hình chống sét van cấp phân phối.
IV. Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu tài liệu.

- Mô hình hóa và mô phỏng.
- Phân tích, tổng hợp.
3
V. Điểm mới của luận văn:
- Xây dựng mô hình máy phát xung sét dạng sóng 8/20s.
- Xây dựng mô 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 thông
qua mô hình mô phỏng.
VI. Giá trị thực tiễn của đề tài:
- Mô hình máy phát xung sét và mô hình chống sét van cấp phân phối được
đề xuất có thể sử dụng làm công cụ đánh giá bảo vệ quá áp do sét cảm ứng
đánh vào mạng phân phối trung áp.
- Các mô 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 mô hình CSV và công cụ mô phỏng Matlab – Simulink.
Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng chống sét van MOV.
Chương 4: Mô phỏng đáp ứng của các chống sét van
Chương 5: Mô hình thực nghiệm.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.



5
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 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 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 ôxít 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.
6
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 trò 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 ôxýt kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao.
Chỉ tại các điểm ôxýt 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 dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn, hấp thu nhiệt tốt và có
khả năng chịu được dòng 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 ngoài (hình 1.3).

7

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 : V
N
= (3,5)n (1.1)
Và bề dày của biến trở: D = (n+1)d  (V
N
d)/3,5 (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 MOV chuyển hoàn toàn từ vùng
dòng rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên đường đặc tính V-
I với dòng 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 Bi
2
O
3.
฀
Vùng II: biên có độ mỏng khoảng (1-100 nm) và đây là lớp giàu bột Bi
2
O
3.
฀ Vùng III: biên này có đặc tính là tiếp xúc trực tiếp với các hạt ZnO. Ngoài ra
Bi, C
o
và một lượng các ion ôxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với độ dày
vài nanomet.

8

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, còn lại là các ôxít 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 1000-1400
0
C. Hai phiến kim loại 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 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 1.5.
Một vài giá trị tiêu biểu về kích thước của biến trở ôxýt kim loại được cho
như sau:
Điện áp biến trở
(V
RMS
)
d ( m)
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

9

Đường kính đĩa danh định:

Đường kính đĩa danh định -mm 3

5

7

10

14

20 32 34 40 62


10
Lưu đồ chế tạo chống sét van MOV


Hình 1.5 Lưu đồ chế tạo biến trở ZnO

11

Hình 1.6 Chống sét van trung thế của Cooper

Hình 1.7 Mặt cắt cấu tạo của chống sét van
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 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
12

tiếp giáp của các hạt ôxýt kẽm, một vài lý thuyết ban đầu đã giải thích dựa trên cơ
sở của hiện tượng 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 quá trình xử lý, sự biến đổi các thành
phần hoá học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO có điện trở suất
rất cao ( = 10
10
-10
12
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 đến 100nm,
vùng này được biết như 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 không gian trong hạt ôxít 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 điện áp đặt vào tiếp giáp theo biểu
thức:
sNq
VV
C
b

)(2
1
2


(1.3)
Trong đó:

V
b
: điện thế rào
V: điện áp đặt vào
q: điện tích điện tử
s: hằng số điện môi của chất bán dẫn
N: mật độ hạt dẫn.
Từ mối liên hệ này, mật độ hạt dẫn của ZnO, N được xác định khoảng
2x10
17
/cm
3
.
Ở các vùng hẹp các hạt dẫn trôi tự do và đây là nguyên nhân gây ra dòng điện
rò. 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
o
C.
Hình 1.8 chỉ ra 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
, với độ lớn điện thế rào tương ứng là 
L

và

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.
13

Hình 1.8. Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO
Độ lớn điện thế rào 
L
của biến trở là một hàm theo điện áp (hình 1.9). Sự
giảm nhanh của điện thế rào ở điện áp cao tương 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 10
17
-10
18
/cm
3
.
Điện trở suất của ZnO có giá trị dưới 0,3cm.

Hình 1.9 Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào

1.3 Đặc tính V-I
Đặc tính V-I của MOV như hình 1.10, đặc tính V-I được biểu diễn bằng
phương trình dạng hàm mũ (1.4):
I= KV

 > 1 (1.4)
Trong đó:
I là dòng qua biến trở
V điện áp đặt lên biến trở
14
K 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

=
K
1
V
1- 
(1.5)
Từ (3.4 ) và (3.5) suy ra:
LogI = logK + logV (1.6)
LogR = log(
K
1
) + (1-)logV (1.7)
Theo đề nghị của Manfred Holzer và Willi Zapsky, xấp xỉ hoá đặc tính V/I của

biến trở được quan hệ giữa điện áp và dòng điện theo phương trình:
log V = B
1
+ B
2
log( I) + B
3·
e
-log ( I)
+ B
4
e
log ( I)
với I > 0 (1.8)
Hay
)log(
4
)log(
321
)log(
10
II
eBeBIBB
V




(1.9)

Hình 1.10 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 như các thiết bị
bán dẫn khác. Sự dẫn điện xảy ra rất nhanh với thời gian trễ tính bằng nano giây.

Hình 1.11 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) và cho
thấy ảnh hưởng điện áp kẹp xảy rất nhanh.
Tuy nhiên thời gian đáp ứng của MOV bị thay đổi do một số lý do:
15
฀ 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 sườn trước lớn.
฀ Điện dung ký sinh của chính bản thân MOV.
฀ Trở kháng ngoài của mạch.
Đáp ứng và điện áp kẹp của biến trở bị ảnh hưởng bởi dạng sóng dòng điện và
độ vọt lố điện áp cực đại xuất hiện tại đầu cực của biến trở trong suốt quá trình tăng
dòng điện như hình 1.12 .

500ps/DIV
Hình 1.11 Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao


(a) (b)
Hình 1.12 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 đỉnh dòng xung
8/20
s

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)
16
Năng lượng cho phép của MOV phụ thuộc vào đường kính của MOV và năng
lượng vượt giá trị cho phép khi:
฀ Dòng điện 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).

Hình 1.13 Số lần xung có chịu được của chống sét van 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 suất tiêu tán trung bình được
xác định:
P = KV
+1
(1.11)
Với sự thay đổi nhỏ của điện áp vận hành có thể làm tăng công suất tiêu tán
trung bình vì sự tăng cao của hệ số phi tuyến  (hình 1.14).
Nếu như MOV làm việc ở trạng thái quá độ tần số cao thì nhiệt độ trung bình T
sẽ gia tăng và được cho bởi công thức:
T = P/ (1.12)
Trong đó:
P là công suất tiêu tán trung bình, tuỳ thuộc vào năng lượng xung và
tần số xung lặp lại.
 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.
17

Hình 1.14 Quan hệ công suất tiêu tán và điện áp (=10, 30, 50)
1.6 Tính năng kỹ thuật

Chống sét van là thiết bị thường được bổ sung để bảo vệ quá áp. Theo ANSI,
chống sét van 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 chống sét van 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, chống sét van được chia thành ba 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.
1. Chống sét van phân phối (Distribution class) 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, chống sét van 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. Không có yêu cầu
về bộ an toàn áp lực (pressure relief).
2. Các chống sét van trung gian (Intermediated class) được xác định có điện áp
định mức từ 3kV đến 120kV. Loại chống sét van này có đặc tính bảo vệ tốt hơn
chống sét van cấp phân phối. Tính năng an toàn áp lực thực sự rất cần thiết dù rằng
vài loại chống sét van trung gian đặc biệt dùng bảo vệ hệ thống cáp ngầm không có
thiết bị an toàn áp lực.
18
3. Chống sét van dùng cho trạm (Station class) 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 3kV đến 648kV và phải
có tính năng an toàn áp lực.
Đối với chống sét van dùng để ngăn ngừa không cho điện áp tăng lên quá cao ở
các thiết bị được bảo vệ, đương 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 chống sét van phải tính đến khả năng chịu quá áp của thiết bị, và đảm bảo cho
chống sét van hoạt động tốt trong giới hạn cách điện của thiết bị.

Hình 1.15 Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van
1.6.1 Điện áp định mức
r
U
(Rated Voltage)
Thông thường điện áp định mức của một thiết bị là giá trị điện áp được đặt liên

tục trên thiết bị mà thiết bị vẫn đảm bảo tính năng của nó, trong nhiều trường hợp
đối với chống sét van 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 chống sét được
thiết kế để vận hành đúng ở các điều kiện được thiết lập trong các thí nghiệm chu
kỳ làm việc (Operating duty test).
Điện áp định mức được sử dụng như là một thông số tham khảo các đặc tính
vận hành của chống sét.
Theo IEC, một chống sét van 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
o
C và
19
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 (Continuos
operating voltage) trong khoảng thời gian 30 phút.
Chu trình thử nghiệm này khá phức tạp và hiển nhiên U
r
không phải là giá trị đo
trực tiếp trên chống sét.
Theo ANSI
: Định mức điện áp chu kỳ làm việc (Duty Cycle Voltage Rating) là
thuật ngữ gần với U
r
của IEC. 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 giữ khoảng 20 phút, trong thời gian đó 20 xung dòng
phân loại (thí dụ 10kA,8/20 s) được sử dụng với khoảng thời gian giữa các lần

thao tác là 50 giây đến 60 giây.
Hiển nhiên, sự xác định định mức chống sét theo 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 chuẩn
ref
I
(Reference current)
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 điện áp
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.