Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét van cao áp​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

TRẦN HỮU VIỆT
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

TRẦN HỮU VIỆT
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2017

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 19 tháng 11 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT

Chức danh Hội đồng

Họ và tên

1

TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt

Chủ tịch

2

PGS.TS. Huỳnh Châu Duy

Phản biện 1

3

TS. Phạm Đình Anh Khôi

Phản biện 2

4

PGS.TS. Trương Việt Anh

Ủy viên

5

TS. Đoàn Thị Bằng

Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày 20 tháng 11 năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên

: TRẦN HỮU VIỆT

Ngày, tháng, năm sinh: 07-01-1974
Chuyên ngành

Giới tính : NAM
Nơi sinh : Tỉnh ĐỒNG THÁP

: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV

: 1541830032

I- Tên đề tài:
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP
II- Nhiệm vụ và nội dung:
-

Nghiên cứu phối hợp cách điện, so sánh ưu nhược điểm của một số loại chống
sét van cao áp.

-

Nghiên cứu cấu tạo và tính năng kỹ thuật của thiết bị chống sét van cao áp.

-

Nghiên cứu các mô hình chống sét van cao áp.

-

Xây dựng mô hình chống sét van cao áp trong Matlab có độ chính xác và mức
tiện dụng cao.
III- Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 15/02/2017
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày 20/11/2017
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH

CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn

gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Trần Hữu Việt


ii

LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Công nghệ
TP.HCM, cùng với sự nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ của quý thầy cô, tôi đã hoàn
thành được luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Quyền Huy Ánh đã nhiệt
tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Ngoài ra, tôi cũng xin được nói lời cảm ơn đến các anh, chị học viên trong
lớp 15SMĐ21 đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp
này.
Việc thực hiện đề tài luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu
sót về kiến thức chuyên môn. Kính mong nhận được sự quan tâm, xem xét và đóng
góp ý kiến quý báu của quý thầy, cô và các anh chị để đề tài luận văn này hoàn
thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên thực hiện Luận văn

Trần Hữu Việt


iii

TÓM TẮT

Luận văn “Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét vao cao áp” đi sâu
vào nghiên cứu các mô hình chống sét van dạng oxyde kim loại (MOV) trên lưới
điện cao thế. Chống sét dạng MOV được dùng để bảo vệ quá điện áp do sét hoặc
xung đóng cắt trên lưới điện cao thế.
Luận văn tập trung nghiên cứu, phân tích và xây dựng các mô hình chống sét
van cao áp: IEEE, PINCETI và P-K trong môi trường Matlab. Các mô hình này đều
có sai số chấp nhận được (<10%), so với kết quả điện áp dư công bố bởi nhà sản
xuất ứng với xung sét chuẩn 5kA 8/20us và 10kA 8/20us. Đặc biệt, mô hình P-K có
ưu điểm là thông số đầu vào theo yêu cầu có thể tìm thấy một cách dễ dàng trong
catalogue của nhà sản xuất.
Các mô hình chống sét van cao áp được xây dựng, có giao diện thân thiện, dễ
sử dụng và có thể tích hợp vào thư viện của phần mềm Matlab, tạo điều kiện thuận
lợi cho người sử dụng khi tiến hành nghiên cứu các bài toán bảo vệ quá điện áp do
sét và các đóng cắt trong lưới điện cao áp trong điều không thể đo thử thực tế.


iv

ABSTRACT
The thesis "Modeling and Simulation of High Voltage Surge Arrester
Equipments" does research on metal oxide (MOV) models on the high voltage grid.
The MOV is used to protect the over-voltages caused by lightning or switching
pulse on the high voltage grid.
The Thesis focuses on research, analysis and building models of High Voltage
Surge Arrester: IEEE, PINCETI and P-K in Matlab environment. These models
have acceptable tolerances (<10%), as compared to declared by the manufacturer
for standard 5kA 8/20us and 10kA 8/20us standard. Specially, the P-K model has
the advantage that the required input parameters can be easily found in the
manufacturer's catalogue.
High Voltage lightning arrester models are built, have user-friendly interface,

and are easy to use and can be integrated into the Matlab software library, making it
easy for users to conduct research on issues such as The over-voltage protection of
the surge arrester and the switches on the high voltage grid, which we cannot
measure in pratical.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ viii
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................x
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... xi
CHƯƠNG: MỞ ĐẦU .................................................................................................1
1.TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................1
2.NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................................4
3.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ....................................................................................4
4.CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH...................................................................................4
5.TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI ....................................................................................4
6.TÍNH THỰC TIỄN ..............................................................................................5
7.NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI ...................................................................................5
8.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................................5
CHƯƠNG 1: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT .............................................................7
CỦA CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP ............................................................................7
1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................7
1.2.CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN .................................................................................9

1.3.KHÁI NIỆM VỀ SÉT .....................................................................................10
1.4.THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN .......................................................................11
1.5.ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI CHỐNG SÉT ...................................13
1.5.1.Chống sét van cao áp không khe hở.........................................................13
1.5.2.So sánh sự làm việc của các chống sét SIC và chống sét van .................15
CHƯƠNG 2: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC .............................................18


vi

VÀ MÔ HÌNH CỦA CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP ................................................18
2.1.CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP .............................18
2.2.TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO ....................................21
2.3.ĐẶC TÍNH V-I ...............................................................................................24
2.4.THỜI GIAN ĐÁP ỨNG .................................................................................25
2.5.CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN .............................................................27
2.5.1.Mô hình được đề nghị bởi IEEE ..............................................................27
2.5.2.Mô hình được đề nghị bởi PINCETI .......................................................30
2.5.3.Mô hình P-K .............................................................................................31
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHỐNG SÉT VAN
CAO ÁP TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB .........................................................33
3.1.MỤC ĐÍCH .....................................................................................................33
3.2.KHÁI QUÁT PHẦN MỀM MATLAB ..........................................................34
3.2.1.Phần mềm MATLAB ...............................................................................34
3.2.2.Cơ sở về SIMULINK ...............................................................................34
3.3.MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT ........................................................35
3.3.1.Dạng xung sét ...........................................................................................35
3.3.2.Các dạng xung không chu kỳ chuẩn ........................................................37
3.3.3.Xây dựng mô hình nguồn phát xung ........................................................40
3.3.4.Thực hiện mô phỏng nguồn phát sung dòng ............................................42

3.3.5.Kết luận ....................................................................................................44
3.4. ... XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP PHỤ THUỘC TẦN
SỐ ..........................................................................................................................44
3.5. ... XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP PHỤ THUỘC TẦN
SỐ TRONG MATLAB .........................................................................................46
3.5.1.Giới thiệu một số khối (block) dùng trong mô hình ................................46
3.5.2.Xây dựng các mô hinh chống sét van cao áp ...........................................49
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ MỨC TIỆN ÍCH MÔ HÌNH
CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP ĐỀ XUẤT .................................................................78


vii

4.1.ĐẶT VẤN ĐỀ .....................................................................................................78
4.2.MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA CÁC CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP EVP VÀ
3EL2 ..........................................................................................................................79
4.2.1Chống sét van cao áp EVP ........................................................................79
4.2.2.Chống sét van loại 3EL2 .........................................................................81
4.2.3.NHẬN XÉT CHUNG ..............................................................................85
CHƯƠNG: KẾT LUẬN ...........................................................................................87
I.KẾT LUẬN.........................................................................................................87
II.HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI .............................................................87
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................88
PHỤ LỤC


viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

Mô tả

ANSI

Viện tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ

IEC

Ủy Ban kỹ thuật điện Quốc tế

IEEE

Hiệp hội các kỹ sư điện và Điện tử Quốc tế

CT

Current Transformer

VT

Voltage Transformer

HV

High Voltage

MOV

kA

Chống sét van (Metal Oxide Varistor)

R



Điện trở

L

H

Độ tự cảm

C

F

Điện dung

D

Nm

Vb

V



Bề dày của biến trở
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 chống sét van


ix

Vr8/20

kV

Điện áp dư cho dòng sét 10 kA với bước 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

Điện áp biến trở

Q

Điện tích điện tử

K

Hệ số phụ thuộc biến trở

Vref

kV

Điện áp tham chiếu

D

M

Chiều cao của chống sét van

N

Số cột song song trong chống sét van.


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A ..............................................52
Bảng 3.2: Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A ..............................................62
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của hãng OHIO BRASS .............................................79
Bảng 4.2: Kết quả mô phỏng hãng OHIO BRASS của các mô hình ........................80
Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật của hãng SIEMENS ....................................................82
Bảng 4.4: Kết quả mô phỏng hãng SIEMENS của các mô hình ..............................83


xi

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1: Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van ...................................13
Hình 1. 2: Đặc tính điện trở phi tuyến của chống sét van cao áp .............................14
Hình 1. 3: So sánh đặc tính phi tuyến của phần tử SiC và chống sét van .................15
Hình 2. 1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I. .....................................................18
Hình 2. 2: Vi cấu trúc của ceramic. ...........................................................................19
Hình 2. 3: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO .................................21
Hình 2. 4:Chống sét van cao thế của SIEMENS.......................................................22
Hình 2. 5: Mặt cắt cấu tạo của chống sét van SIEMENS .........................................22
Hình 2. 6: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO..........................................23

Hình 2. 7: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào .................................................24
Hình 2. 8: Đặc tính V-I của chống sét van cao áp ...................................................25
Hình 2. 9: Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao ............................................26
Hình 2. 10: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng ...26
Hình 2. 11:Mô hình của IEEE ...................................................................................27
Hình 2. 12: Đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0 và A1 .................................29
Hình 2. 13: Mô hình của PINCETI ...........................................................................30
Hình 2. 14: Mô hình P-K...........................................................................................31
Hình 3. 1: Sét đánh trực tiếp vào kim thu sét và đường dây trên không lân cận công
trình ...........................................................................................................................36
Hình 3. 2: Dạng sóng 10/350 µs ...............................................................................36
Hình 3. 3: Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào đường dây trên không ở vị trí cách xa
công trình...................................................................................................................37
Hình 3. 4: Dạng sóng 8/20 µs ...................................................................................37
Hình 3. 5: Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn ......................................................38
Hình 3. 6: Dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần ........................................38
Hình 3. 7: Đường cong xác định tỉ số b/a .................................................................39
Hình 3. 8: Đường cong xác định tỉ số at1 ..................................................................39


xii

Hình 3. 9: Đường cong xác định tỉ số I1/I ................................................................40
Hình 3. 10: Sơ đồ khối tạo nguồn phát xung ............................................................41
Hình 3. 11: Biểu tượng của mô hình nguồn phát xung .............................................41
Hình 3. 12: Khai báo các thông số ............................................................................42
Hình 3. 13: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng ........................................................42
Hình 3. 14: Các thông số nguồn xung dòng ..............................................................43
Hình 3. 15: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 5kA.................................43
Hình 3. 16: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 10kA...............................44

Hình 3. 17: Khối Inportvà Outport ............................................................................46
Hình 3. 18: Khối Subsystem .....................................................................................47
Hình 3. 19: Khối Transfer Fcn...................................................................................48
Hình 3. 20: Khối Look-up table ................................................................................48
Hình 3. 21: Khối Nguồn dòng ...................................................................................49
Hình 3. 22: Khối nguồn áp ........................................................................................49
Hình 3. 23: Mạch tương đương mô hình IEEE .........................................................50
Hình 3. 24: Đặc tuyến V-I của A0 và A1của mô hình IEEE .....................................51
Hình 3. 25: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 ............................................52
Hình 3. 26: Mô hình điện trở phi tuyếntheo IEEE ....................................................54
Hình 3. 27: Mô hình chống sét van cao áp theo IEEE bằng Matlab ........................54
Hình 3. 28: Mô hình chống sét van cao áp theo IEEE ..............................................55
Hình 3. 29: Hộp thoại Mask Editor theo IEEE .........................................................56
Hình 3. 30: Thông tin cho khối trong thanh Documentation theo IEEE ..................56
Hình 3. 31: Thông tin cho khối trong thanh Prompt theo IEEE ...............................57
Hình 3. 32: Lệnh tính thông số trong thanh Initialization theo IEEE .......................58
Hình 3. 33: Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icontheo IEEE ......................59
Hình 3. 34: Biểu tượng chống sét van cao áp theo IEEE ..........................................59
Hình 3. 35: Hộp thoại của chống sét van cao áp theo IEEE .....................................60
Hình 3. 36 Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của mô hình chống sét van cao áp (IEEE) .....61
Hình 3. 37: Sơ đồ tương đương theo mô hình PINCETI ..........................................61


xiii

Hình 3. 38: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 theo PINCETI.....................63
Hình 3. 39: Mô hình điện trở phi tuyến theo PINCETI ............................................63
Hình 3. 40: Mô hình chống sét van cao áp theo PINCETI .......................................64
Hình 3. 41: Mô hình chống sét van cao áp theo PINCETI .......................................64
Hình 3. 42: Hộp thoại Mask Editor theo PINCETI...................................................65

Hình 3. 43: Thông tin cho khối trong thanh Documentation theo PINCETI ............66
Hình 3. 44: Thông tin cho khối trong thanh Prompt theo PINCETI.........................67
Hình 3. 45: Lệnh tính thông số trong thanh Initialization theo PINCETI ................67
Hình 3. 46: Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icon theo PINCETI ..............68
Hình 3. 47: Biểu tượng chống sét van cao áp theo PINCETI ...................................68
Hình 3. 48: Hộp thoại của chống sét van cao áp theo PINCETI ..............................69
Hình 3. 49: Sơ đồ mô phỏng chống sét van cao áp theo mô hình PINCETI ............70
Hình 3. 50: Sơ đồ tương đương theo mô hình P-K ...................................................70
Hình 3. 51: Mô hình chống sét van cao áp theo P-K ................................................71
Hình 3. 52: Mô hình chống sét van cao áp theo P-K ................................................71
Hình 3. 53: Hộp thoại Mask Editor theo P-K ...........................................................72
Hình 3. 54: Thông tin cho khối trong thanh Documentationtheo P-K......................73
Hình 3. 55: Tạo thông tin cho khối trong thanh Prompt theo P-K............................74
Hình 3. 56: Nhập các lệnh tính thông số trong thanh Initialization theo P-K...........74
Hình 3. 57: Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icon theo P-K .......................75
Hình 3. 58: Biểu tượng chống sét van cao áp theo P-K ............................................75
Hình 3. 59: Hộp thoại của chống sét van cao áp theo P-K .......................................76
Hình 3. 60: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của chống sét van theo mô hình P-K ............77
Hình 4. 1: Sơ đồ mô hình mạch thử nghiệm điện áp dư ...........................................78
Hình 4. 2: Điện áp dư của chống sét van điện áp 96kV, ...........................................80
Hình 4. 3: Điện áp dư của chống sét van điện áp 96kV, ứng với .............................81
Hình 4. 4: Điện áp dư của chống sét van điện áp 96kV, ứng với .............................83
Hình 4. 5: Điện áp dư của chống sét van điện áp 96kV, ứng với .............................84


1

CHƯƠNG: MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Sét không những có thể gây thương vong cho con người mà còn có thể phá

hủy những tài sản của con người như các công trình xây dựng, công trình cung cấp
năng lượng, hoạt động hàng không, các thiết bị dùng điện, các Đài Truyền thanh –
Truyền hình, các hệ thống thông tin liên lạc…
Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, diễn biến thời tiết rất
thất thường do biến đổi khí hậu toàn cầu: nắng hạn kéo dài, mưa giông phức tạp,
với lượng mưa lớn gây lũ lụt cục bộ, cường độ sét, mật độ sét thay đổi, vì vậy suất
sự cố trên lưới điện do sét tăng lên.
Mặc dù qua đúc kết các kinh nghiệm trong thực tế và đã đưa ra những giải
pháp khắc phục, nhưng sự cố các năm sau có chiều hướng tăng so với những năm
trước là do các giải pháp chưa được triển khai thực hiện kịp thời, đồng bộ và dứt
điểm, thời điểm xử lý yêu cầu phải trước mùa mưa bão do khó khăn về kinh phí, và
việc mua sắm vật tư để triển khai giải pháp là chậm, chưa đáp ứng tiến độ yêu cầ
Bảng: Thống kê sự cố qua các năm

Mọi thiết bị điện khi lắp đặt vào lưới điện đều được lựa chọn dựa vào điện áp
định mức của lưới điện mà thiết bị được đấu vào. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành,


2

đôi lúc xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể do các sự
cố chạm đất, do thao tác đóng cắt, hoặc do sét đánh trực tiếp hay lan truyền. Trong
đó quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn dễ dàng gây
ra phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị, ảnh hưởng đến toàn hệ
thống. Do đó, để bảo vệ cách điện của thiết bị được đấu vào hệ thống điện khỏi
các tác hại quá điện áp sét, mô hình chống sét van được sử dụng, việc nghiên cứu
về các phương pháp, thiết bị chống sét đánh trực tiếp hay lan truyền trên lưới điện
luôn luôn cần thiết và quan trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp.
Đặc biệt, trong những năm gần đây với sự gia tăng sử dụng các trang thiết bị
điện tử công suất trên lưới phân phối như thiết bị bù trơn, thiết bị SCADA, bộ UPS,

bộ bù bằng Thyristor, bộ lọc sóng hài .. Các thiết bị này rất nhạy cảm với sự thay
đổi của điện áp và có độ dự trữ cách điện rất thấp. 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.
Nhưng cho đến nay việc mô hình hoá và mô phỏng các thiết bị chống sét lan
truyền trong các thiết bị dùng điện ở Việt Nam hầu như còn bỏ ngỏ, ngay cả ở các
trường đại học lớn các phần mềm mô phỏng và tài liệu tham khảo rất ít ỏi và hạn
chế. Một trong các khó khăn khi tiến hành mô phỏng các phần tử là hiện các mô
hình chưa có hay nếu có thì được giữ bản quyền bởi các hãng sản xuất thiết bị
chống sét lan truyền nước ngoài, cũng như máy phát xung sét chuẩn.
Nghiên cứu chống sét đánh lan truyền từ đường dây vào trạm biến áp hay cảm
ứng trên đường dây tải điện cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong việc lựa
chọn thiết bị bảo vệ cho phù hợp.
Để thực hiện bảo vệ chống sóng truyền vào trạm biến áp, trong hệ thống điện
chúng ta dùng rất nhiều chống sét van, do thiết bị chống sét là thiết bị phi tuyến, cho
nên việc đánh giá các đáp ứng ngõ ra ứng với các dạng xung sóng sét lan truyền từ
đường dây vào trạm theo phương pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn. Phương
pháp hiệu quả để thực hiện việc đánh giá một cách trực quan là mô hình hóa và tiến


3

hành mô phỏng đáp ứng của chúng.
Hiện nay, các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị chống sét lan truyền trên
đường dây cao thế đã đi sâu nghiên cứu và đề ra mô hình thiết bị chống sét lan
truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng mô hình khác nhau. Tuy nhiên,
tùy thuộc vào phạm vi ứng dụng của mỗi mô hình, và các yêu cầu về mức độ tương
đồng giữa mô hình và nguyên mẫu mà các phương pháp xây dựng mô hình và mô
phỏng các phần tử chống sét lan truyền vẫn còn tiếp tục nghiên cứu và phát triển.
Hơn nữa, vấn đề khó khăn trong xây dựng mô hình là xác định các thông số của mô

hình mà các thông số được cho trong catalogue của nhà chế tạo thường không đầy
đủ.
Một số phần mềm mô phỏng cũng đã hỗ trợ xây dựng mô hình các thiết bị
chống sét. Tuy nhiên, mô hình này chỉ phù hợp đối với thiết bị của một nhà sản xuất
nào đó, không thể là đại diện cho tất cả thiết bị chống sét của mọi nhà chế tạo và với
các cấp điện áp khác nhau.
Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài: “Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị
chống sét van cao áp” đi sâu vào nghiên cứu mô hình thiết bị chống sét van cấp cao
áp, lập mô hình và mô phỏng với phần mềm rất thông dụng là Matlab với mong
muốn có thể xây dựng được mô hình thiết bị chống sét van của hầu hết các nhà chế
tạo chỉ với các thông số được cung cấp từ Catalogue của các nhà chế tạo. Đề tài hy
vọng sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích với phần mềm thông dụng Matlab
cho các Nhà nghiên cứu, các kỹ sư và sinh viên… Vì đặc tính động của chống sét
van, chúng chưa thể mô phỏng bằng sử dụng điện trở phi tuyến tính. Do đó, một
số mô hình được đề xuất cho mô phỏng các đặc tính động của chống sét van. Mô
hình IEEE và mô hình PINCETI…là các mô hình chính được đề xuất để mô
phỏng các đặc tính động của chống sét van. Ở đây, xây dựng mô hình chống sét
van cao áp như: mô hình IEEE, mô hình PINCETI và mô hình P-K trong môi
trường Matlab và so sánh độ chính xác, cũng như mức tiện dụng của từng loại mô
hình này trong thực tế .


4

2. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
-

Nghiên cứu phối hợp cách điện, so sánh ưu nhược điểm của một số loại chống
sét van cao áp.

-

Nghiên cứu cấu tạo và tính năng kỹ thuật của thiết bị chống sét van cao áp.

-

Nghiên cứu các mô hình chống sét van cao áp.

-

Xây dựng mô hình chống sét van cao áp trong Matlab có độ chính xác và mức
tiện dụng cao.
3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

-

Nghiên cứu bảo vệ quá điện áp của chống sét van cao áp.

-

Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của chống sét van cao áp.

-

Nghiên cứu các mô hình chống sét van cao áp.

-

Mô hình hóa và mô phỏng chống sét van dạng cao áp bằng Simulink - Matlab.

-

Xác định các thông số của các mô hình

-

Kiểm chứng, đánh giá độ chính xác của các mô hình.
4. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

-

Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ Matlab.

-

Nghiên cứu các tiêu chuẩn lựa chọn chống sét van cao áp.

-

Nghiên cứu cấu tạo thiết bị chống sét van cao áp.

-

Thu thập tài liệu và nghiên cứu các mô hình chống sét cao áp.

-

Lập mô hình các phần tử của thiết bị chống sét van cao áp.

-

Lập mô hình máy phát xung sét tiêu chuẩn.

-

Đánh giá độ chính xác và mức tiện ích mô hình đề xuất.
5. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

-

Nghiên cứu đặc tính đáp ứng động (hay phụ thuộc tần số) của chống sét van
cao áp.

-

Lập mô hình bộ chống sét van cao áp có mức độ chính xác và độ tiện dụng
cao trên cơ sở sử dụng các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.


5

6. TÍNH THỰC TIỄN
-

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho
các nghiên cứu sinh, các học viên cao học ngành kỹ thuật điện trong bài toán
nghiên cứu các biện pháp bảo vệ quá áp trong lưới điện cao áp bằng cách sử
dụng các chống sét van cao áp,

-

Là một công cụ rất hữu ích để phân tích các thí nghiệm về sét đánh cảm ứng.

-

Là công cụ rất quan trọng trong việc xem xét phối hợp cách điện và nghiên
cứu xung đầu dốc.

-

Với phần mềm Matlab rất quen thuộc và thông dụng sẽ giúp ích cho việc
nghiên cứu và phục vụ giảng dạy cho các giáo viên, sinh viên ngành điện.
7. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

Chương : Mở Đầu.
Chương 1: Các đặc tính kỹ thuật của chống sét van cao áp.
Chương 2: Cấu tạo, nguyên lý làm việc và mô hình của chống sét van cao áp.
Chương 3: Xây dựng các mô hình mô phỏng chống sét van cao áp trong môi
trường Matlab.
Chương 4: Đánh giá độ chính xác và mức tiện ích mô hình chống sét van cao áp
đề xuất
Chương : Kết Luận
8. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài sử dụng các phương pháp sau:
-

Phương pháp nghiên cứu tài liệu: là phương pháp đóng vai trò 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

-

Phương pháp chuyên gia: là phương pháp đóng vai trò bổ trợ. Tham khảo ý
kiến của các giáo viên hướng dẫn, các giảng viên và các chuyên gia trong lĩnh
vực chống sét.


6

-

Phương pháp mô hình hóa: Sử dụng phần mềm Matlab và mô phỏng chống
sét van dưới tác dụng của các dạng xung sét không chu kỳ.

-

Phương pháp tổng hợp: Là phương pháp đóng vai trò bổ trợ. Tổng hợp các
ý kiến để đưa ra các kết luận về những vấn đề đang tìm hiểu, từ đó hoàn thành
nội dung, yêu cầu của để tài này.


7

CHƯƠNG 1: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT
CỦA CHỐNG SÉT VAN CAO ÁP
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ
Tất cả các thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài

ở một cấp điện áp nhất định và thường được lựa chọn dựa trên điện áp định mức của
lưới điện mà thiết bị đó được đấu nối vào. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi
lúc lại xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể là do các sự
cố chạm đất, do thao tác, do sét. Trong đó, quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi
vì quá điện áp này rất lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị.
Có ba yếu tố quan trọng như nhau có liên quan đến việc bảo vệ quá áp: thiết kế
tổng quan lưới điện, cấp độ cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị (máy biến áp,
bộ điều áp, dàn tụ bù,…) trên lưới, thiết bị bảo vệ (chống sét van, dây chống sét).
Khả năng cách điện của hệ thống cơ bản được xác định bởi đặc tính kỹ thuật
của các bộ phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn,v.v..) cộng với cấu trúc, khoảng
cách và tất cả các hệ số khác bao gồm trong việc thiết kế hệ thống. Cách điện của
một hệ thống phải chịu được điện áp tần số nguồn liên tục trong nhiều năm với
nhiều điều kiện khí quyển. Để đảm bảo tính hợp nhất dài hạn của hệ thống, phải
thiết kế cho lưới điện chịu được điện áp cao hơn mức bình thường. Tuy nhiên, về
mặt kinh tế cũng khó thực hiện được lưới điện có khả năng chịu được điện áp cao
như khi có quá áp quá độ.
Tương tự cấp cách điện của thiết bị phân phối được thiết kế để chịu được điện
áp cao hơn bình thường. Phương pháp này có hiệu quả đến một mức nào đó, nhưng
sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà không thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện
BIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế.
Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giới
hạn lượng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu. Phương pháp


8

này còn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì có thể dựa vào khả năng
quá áp nhỏ hơn, và nói chung tạo ra một sơ đồ bảo vệ quá áp tiết kiệm hơn. Ngành
Điện lực cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhưng đều phải tính đến ba yếu tố cơ
bản là: phục vụ đáp ứng nhu cầu sử dụng điện của khách hàng, khả năng chịu đựng

điện áp (đặc biệt là quá áp do sét) và yếu tố kinh tế.
Không thể thiết kế một lưới điện có thể đáp ứng được yêu cầu là mọi quá điện
áp phải dưới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì như thế sẽ làm
cho chi phí vượt quá mức. Do vậy, khi thiết kế một lưới điện, cũng như tính chọn
thiết bị lắp đặt trên lưới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá áp, quy trình này
dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng quá áp của các
thiết bị. Muốn đạt được điều này phải đáp ứng hai bước sau đây:
-

Thiết kế lưới điện thích hợp để có thể kiểm soát và hạn chế tối thiểu các
quá áp.

-

Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp.

Tổng hợp hai bước trên được gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách điện.
Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện của thiết
bị, do vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế được phối hợp lưới điện và việc lắp đặt
thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lược nhằm mục đích hạn chế quá áp
và tránh hoặc giảm thiểu các hư hỏng cách điện. Thiết kế được phối hợp bao gồm:
-

Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu quả.

-

Tăng cường tiếp địa, giảm trị số điện trở đường dây.

-

Tăng cường dây thoát sét.

-

Tăng cường cách điện.

-

Cải tạo góc bảo vệ của dây chống sét.

-

Dùng dây, kim thu sét.

-

Lắp chống sét đường dây.