Tài liệu Xây dựng mô hình chống sét van trung thế

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

NGUYỄN THỊ KIM OANH

XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN
TRUNG THẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202

TP. HCM, tháng 02 năm 2016


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

NGUYỄN THỊ KIM OANH

XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN
TRUNG THẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH

TP. HCM, tháng 02 năm 2016

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH.

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Công nghệ TP HCM, ngày
12 tháng 02 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT

Họ và tên

Chức danh hội đồng

1

PGS.TS. Phan Thị Thanh Bình

Chủ tịch

2

TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt

Phản biện 1

3

TS. Huỳnh Quang Minh

Phản biện 2

4

TS. Võ Viết Cường

5

PGS.TS. Võ Ngọc Điều

Ủy viên
Ủy viên, thư ký.

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

PGS.TS. Phan Thị Thanh Bình


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 20 tháng 8 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ KIM OANH

Giới tính

: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 24/7/1983

Nơi sinh

: TP HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV

: 1441830018

I- Tên đề tài:
XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Chương : Mở Đầu.
Chương 1: Tổng quan về chống sét van trung thế.
Chương 2: Các mơ hình chống sét van trung thế.
Chương 3: Xây dựng các mơ hình chống sét van trung thế trong môi trường
Matlab.
Chương 4: Mô phỏng, đánh giá độ chính xác của các mơ hình chống sét van
trung thế.
Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển.

III- Ngày giao nhiệm vụ

: 8/2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ

: 02/2016

V- Cán bộ hướng dẫn

: PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kì cơng trình nào khác.
Tơi 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 ghi rõ
nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn.

NGUYỄN THỊ KIM OANH


ii

LỜI CÁM 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 q thầy cơ, tơi đã
hồn thành được luận văn tốt nghiệp này.
Trước hết, tơi xin chân thành cám ơn gia đình đã ln động viên, giúp
đỡ tôi trong suốt thời gian học tập.
Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, quý thầy cơ Khoa
Điện – Điện tử và Phịng quản lý sau đại học Trường Đại học Công nghệ
TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập, nghiên cứu, nâng cao
trình độ và thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp trong thời gian qua.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Thầy PGS. TS Quyền Huy
Ánh đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong suốt thời gian học tập cũng
như trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Ngồi ra, tơi cũng xin được nói lời cảm ơn đến các anh, chị học viên
trong lớp cao học 14SMD11 đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ tơi hoàn thành tốt
luận văn.
Việc thực hiện đề tài luận văn này chắc chắn khơng tránh khỏi những
thiếu sót về kiến thức chun mơn, kính mong nhận được sự quan tâm, xem
xét và đóng góp ý kiến quý báu của quý thầy, cô và các bạn để đề tài luận
văn này hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2016
Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Kim Oanh


iii

TĨM TẮT
Luận văn “XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG
THẾ” đi sâu vào nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van trung thế
dạng MOV trong mơi trường Matlab.
Cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tính của chống sét van trung thế và
hộp công cụ Simulink của phần mềm Matlab đã được nghiên cứu.
Các mơ hình chống sét van được xem xét và đánh giá bao gồm: mơ
hình Matlab, mơ hình IEEE, mơ hình Picenti, và mơ hình PK.
Các thơng số của mơ hình chống sét van được cung cấp trong catalogue
của nhà sản xuất.
Phân tích kết quả mô phỏng điện áp dư của các loại chống sét van trung
thế của các hãng sản xuất khác nhau ứng với dạng xung tiêu chuẩn 8/20µs,
biên độ 3kA, 5kA, 10kA, 20kA và so sánh giá trị điện áp dư cung cấp bởi nhà
sản xuất để đánh giá độ chính xác của các mơ hình chống sét van được xây
dựng.
Sai số điện áp dư đối với mơ hình PK là thấp nhất. Cụ thể, đối với mơ
hình của thiết bị chống sét van trung áp của Hãng Ohio Brass, sai số điện áp
dư trong khoảng từ 2.6% đến 10.2% và đối với mơ hình thiết bị chống sét
van trung áp của Hãng Copper sai số điện áp dư trong khoảng từ 0,04% đến
7.99% . Nhận thấy, các sai số này đều nhỏ hơn giá trị sai số cho phép (10%).
Luận văn cung cấp cơng cụ mơ phỏng hữu ích với phần mềm thông
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 van dưới tác động của xung
sét lan truyền trong điều kiện không thể đo thử trong thực tế.

iv

ABSTRACT
Thesis "BUILDING MEDIUM VOLTAGE SURGE ARRESTER
MODELS" going into the study and modeling of medium voltage surge
arresters in Matlab environment.
Composition, working principle and characteristic of the mediumvoltage surge arresters and Simulink toolbox of Matlab software was studied.
The surge arrester models are reviewed and evaluated include: Matlab
model, IEEE model, model Picenti, and PK model.
The model parameters of surge arrester models are provided in the
manufacturer's catalogue.
Analysis of residual voltage simulation results of medium voltage
surge arresters of various manufacturers with standard wave form 8/20μs,
amplitude 3kA, 5kA, 10kA, 20kA and compare with

residual voltages,

provided by the manufacturers to assess the accuracy of the surge arrester
models.
The residual voltage error of PK model is the lowest. Specifically, for
the medium voltage surge arrester model of Ohio Brass Company, the
residual voltage errors are in the range from 2.6% đến 10.2% and for the
medium voltage surge arrester model of Copper Company the residual voltage
errors are in the range from 0,04% đến 7.99%. Recognizing that, these errors
are less than the enable error (10%).
Thesis provides useful simulation tools with universal Matlab software
for researchers, engineers, students ... in the study of the behavior and
response of lightning protection equipment under the influence of lightning

surges when the test conditions can not in reality.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................x
DANH SÁCH CÁC HÌNH ....................................................................................... xi
CHƯƠNG MỞ ĐẦU ..................................................................................................1
I. GIỚI THIỆU ........................................................................................................1
1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................1
2. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................2
II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................3
1. Mục tiêu của đề tài: .........................................................................................3
2. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................4
3. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................4
III. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ..............................................4
1. Giới thiệu tổng quan:.......................................................................................4
2. Tổng quan nghiên cứu:....................................................................................5
IV. NỘI DUNG LUẬN VĂN .................................................................................5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ .........................6
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ...............................................................................................6
1.2. CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN ..............................................................................8
1.3. KHÁI NIỆM VỀ SÉT....................................................................................9
1.4. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN ....................................................................10

1.5 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV
...............................................................................................................................12
1.4.1.

CẤU TẠO CƠ BẢN MOV ...............................................................12

1.4.2.

TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO ......................14


vi
1.4.3.

ĐẶC TÍNH V-I .................................................................................18

1.4.4.

THỜI GIAN ĐÁP ỨNG....................................................................19

CHƯƠNG 2 CÁC MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ ..........................21
2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................................21
2.2. CÁC MƠ HÌNH ĐƯỢC ĐỀ NGHỊ.............................................................22
2.2.1.

Mơ hình truyền thống ATP ...............................................................22

2.2.2.

Mơ hình được đề nghị bởi IEEE .......................................................22

2.2.2.1. Mơ hình đề nghị.....................................................................................23
2.2.2.2. Xác định các thơng số............................................................................23
2.2.3.

Mơ hình được đề nghị bởi Pinceti .....................................................26

2.2.3.1. Mơ hình được đề nghị ...........................................................................26
2.2.3.2. Xác định thơng số ..................................................................................26
2.2.4.

Mơ hình P-K ......................................................................................27

2.2.4.1. Mơ hình được đề nghị ...........................................................................27
2.2.4.2. Xác định thơng số ..................................................................................28
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ
TRONG MƠI TRƯỜNG MATLAB ........................................................................29
3.1. MỤC ĐÍCH MƠ PHỎNG ...........................................................................29
3.2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB .......................................................30
3.2.1.

Phần mềm MATLAB ........................................................................30

3.2.2.

Cơ sở về SIMULINK ........................................................................30

3.2.3.

Đánh giá mơ hình MATLAB ............................................................31

3.2.3.1. Giới thiệu mơ hình .................................................................................31
3.2.3.2. Ngun lý làm việc của mơ hình ...........................................................33
3.2.3.3. Đánh giá mơ hình ..................................................................................33
3.2.3.4. Mạch mơ phỏng Matlab.........................................................................34
3.3. MƠ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT ....................................................34
3.3.1.

Dạng xung sét ....................................................................................34

3.3.1.1. Dạng sóng 10/350µs ..............................................................................34
3.3.1.2. Dạng sóng 8/20µs ..................................................................................35
3.3.2.

Xây dựng mơ hình nguồn phát xung .................................................37


vii
3.3.3.

Thực hiện mơ phỏng ..........................................................................39

3.3.4.

Kết luận .............................................................................................42

3.4. XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN DẠNG MOV PHỤ THUỘC
TẦN SỐ TRONG MATLAB ................................................................................42
3.4.1.

Xây dựng mơ hình MOV theo IEEE: ....................................................42

3.4.1.1. Xây dựng mơ hình phần tử điện trở phi tuyến A0, A1 ...........................43
3.4.1.2. Xây dựng mơ hình MOV hồn chỉnh ....................................................46
3.4.1.3. Tạo hộp thoại và các thông số cần khai báo .........................................47
3.4.1.4. Tạo biểu tượng cho mơ hình ..................................................................50
3.4.1.5. Kiểm tra đáp ứng mơ hình MOV với xung dịng chuẩn........................52
3.4.2.

Xây dựng mơ hình MOV theo Pinceti: .................................................53

3.4.2.1. Xây dựng mơ hình phần tử điện trở phi tuyến A0, A1: ..........................53
3.4.2.2. Xây dựng mơ hình MOV hồn chỉnh ....................................................55
3.4.2.3. Tạo hộp thoại và các thông số cần khai báo .........................................56
3.4.2.4. Tạo biểu tượng cho mơ hình ..................................................................58
3.4.2.5. Kiểm tra đáp ứng mơ hình MOV với xung dịng chuẩn........................60
3.4.3.

Xây dựng mơ hình MOV theo P-K ...................................................61

3.4.3.1. Xây dựng mơ hình phần tử điện trở phi tuyến A0, A1 (Điện trở phi
tuyến xây dựng giống như mơ hình Pinceti). ................................................61
3.4.3.2. Xây dựng mơ hình MOV hồn chỉnh ....................................................61
3.4.3.3. Tạo hộp thoại và các thơng số cần khai báo ..........................................63
3.4.3.4. Tạo biểu tượng cho mô hình ..................................................................65
3.4.3.5. Kiểm tra đáp ứng mơ hình MOV với xung dịng chuẩn................ Error!
Bookmark not defined.
CHƯƠNG 4 MƠ PHỎNG - ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CÁC MƠ HÌNH
CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ ...........................................................................68
4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................................68

4.2. MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA CÁC CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP EVP
VÀ AZG2 ..............................................................................................................69
4.2.1.

Chống sét van trung áp EVP .............................................................69

4.2.1.1. Thông số kỹ thuật ..................................................................................69


viii
4.2.1.2. Thơng số mơ hình ..................................................................................69
4.2.1.3. Kết quả mơ phỏng .................................................................................70
4.2.1.4. Nhận xét .................................................................................................80
4.2.2.

Chống sét van loại AZG2 .................................................................80

4.2.2.1. Thông số kỹ thuật: .................................................................................80
4.2.2.2. Thơng sơ mơ hình ..................................................................................81
4.2.2.3. Kết quả mơ phỏng .................................................................................81
4.2.2.4. Dạng sóng của mơ hình .........................................................................82
4.2.2.5. Biểu đồ đánh giá sai số ..........................................................................90
4.2.2.6. Nhận xét .................................................................................................91
4.2.3.

NHẬN XÉT CHUNG .......................................................................91

CHƯƠNG KẾT LUẬN.............................................................................................94
I.

KẾT LUẬN ...................................................................................................94

II.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI .........................................................94

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................95


ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

MOV

kA

Chống sét van (Metal Oxide Varistor)

R



Điện trở

L

H

Độ tự cảm

C

F

Điện dung

D

nm

Bề dày của biến trở

Vb

V

Điện thế rào



Mô tả

Hằng số điện môi của chất bán dẫn

N

Hạt/cm3

P

W

Cơng suất tiêu tán trung bình

0

Nhiệt độ gia tăng trung bình

T

C



Mật độ hạt dẫn

Hệ số tiêu tán cơng suất

TOL

%

Độ sai số chuẩn

Vr

kV

Điện áp định mức của chống sét van
Điện áp dư cho dịng sét 10 kA với bước sóng

Vr8/20

kV

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 MOV 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 A1 ...............................................44

Bảng 3.2. Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A1 ..............................................54
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của hãng OHIO BRASS ..............................................69
Bảng 4.2: Kết quả mơ phỏng hãng OHIOS BRASS của các mơ hình .......................70
Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật của hãng COOPER .....................................................81
Bảng 4.4: Kết quả mơ phỏng hãng COOPER của các mơ hình ...............................82


xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van ...................................11
Hình 1.2:Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I. ......................................................12
Hình 1.3: Vi cấu trúc của ceramic ............................................................................13
Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO .................................14
Hình 1.5 :Chống sét van trung thế của Ohio Brass ..................................................15
Hình 1.6:Mặt cắt cấu tạo của chống sét van ............................................................16
Hình 1.7: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO. .........................................17
Hình 1.8: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào. ...............................................18
Hình 1.10:Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao. ..........................................20
Hình 1.11: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dịng. ..20
Hình 2.1:Mơ hình của IEEE......................................................................................23
Hình 2.2: Đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0 và A1 .....................................25
Hình 2.3: Mơ hình của Pinceti.................................................................................26
Hình 2.4: Mơ hình P-K..............................................................................................27
Hình 3.1: Quan hệ dịng điện –điện áp của mơ hình chống sét van. ........................32
Hình 3.2:Hộp thoại của mơ hình chống sét van. ......................................................32
Hình 3.3: Sơ đồ ngun lý của mơ hình ....................................................................33
Hình 3.4: Mạch mơ phỏng phóng điện chống sét van của Matlab, dạng xung dịng
8/20µs –10kA. ............................................................................................................34
Hình 3.5: Sét đánh trực kiếp vào kim thu sét trên đỉnh cơng trình. ..........................34

Hình 3.6: Sét đánh trực tiếp vào đường dây trên khơng lân cận cơng trình. ...........35
Hình 3.7: Dạng sóng 10/350 µs ................................................................................35
Hình 3.8: Sét đánh vào đường dây trên khơng ở vị trí cách xa cơng trình...............36
Hình 3.9:Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào cơng trình. ..............................................36
Hình 3.10: Dạng sóng 8/20 µs. .................................................................................37
Hình 3.11: Sơ đồ khối tạo nguồn phát xung. ............................................................38
Hình 3.12: Biểu tượng của mơ hình nguồn phát xung. .............................................38
Hình 3.13:Khai báo các thơng số u cầu ................................................................39
Hình 3.14: Sơ đồ mơ phỏng nguồn xung dịng..........................................................39
Hình 3.15:Các thơng số nguồn xung dịng ...............................................................40


xii
Hình 3.16: Dạng sóng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 3kA ..................................40
Hình 3.17: Dạng sóng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 5kA ..................................41
Hình 3.18: Dạng sóng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 10kA ................................41
Hình 3.19:Dạng sóng nguồn xung dịng 8/20µs biên độ 20kA ................................42
Hình 3.20: Mạch tương đương mơ hình IEEE ..........................................................42
Hình 3.21: Đặc tuyến V-I của A0 và A1của mơ hình IEEE .......................................44
Hình 3.22: Sơ đồ ngun lý của phần tử phi tuyến A0 ..............................................45
Hình 3.23: Mơ hình điện trở phi tuyếntheo IEEE .....................................................46
Hình 3.24: Mơ hình MOV theo IEEE bằng Matlab .................................................47
Hình 3.25: Mơ hình MOV theo IEEE ........................................................................47
Hình 3.26: Hộp thoại Mask Editortheo IEEE. ..........................................................48
Hình 3.27: Thơng tin cho khối trong thanh Documentationtheo IEEE ....................49
Hình 3.28: Thơng tin cho khối trong thanh Prompttheo IEEE .................................49
Hình 3.29: Lệnh tính thơng số trong thanh Initializationtheo IEEE. .......................50
Hình 3.30. Tạo biểu tượng cho mơ hình trong thanh Icon theo IEEE. .....................51
Hình 3.31: Biểu tượng chống sét van MOVtheo IEEE .............................................51
Hình 3.32:Hộp thoại của Distribution Arrester-MOVtheo IEEE .............................52

Hình 3.33: Sơ đồ mơ phỏng đáp ứng của MOV theo mơ hình IEEE ........................52
Hình 3.34: Sơ đồ tương đương theo mơ hình Pinceti ...............................................53
Hình 3.35: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 theo Pinceti ..........................54
Hình 3.36: Mơ hình điện trở phi tuyến theo Pinceti .................................................55
Hình 3.37 Mơ hình MOV theo Pinceti ......................................................................55
Hình 3.38: Mơ hình MOV theo Pinceti. ....................................................................56
Hình 3.39: Hộp thoại Mask Editortheo Pinceti ........................................................56
Hình 3.40: Thơng tin cho khối trong thanh Documentationtheo Pinceti .................57
Hình 3.41: Thơng tin cho khối trong thanh Prompttheo Pinceti ..............................58
Hình 3.42: Lệnh tính thơng số trong thanh Initializationtheo Pinceti. .....................58
Hình 3.43: Tạo biểu tượng cho mơ hình trong thanh Icontheo Pinceti ....................59
Hình 3.44. Biểu tượng chống sét van MOVtheo Pinceti ..........................................59
Hình 3.45:Hộp thoại của Distribution Arrester-MOVtheo Pinceti ..........................60
Hình 3.46: Sơ đồ mơ phỏng đáp ứng của MOV theo mơ hình Pinceti .....................60


xiii
Hình 3.47: Sơ đồ tương đương theo mơ hình P-K. ...................................................61
Hình 3.48: Mơ hình MOV theo P-K. .........................................................................62
Hình 3.49: Mơ hình MOV theo P-K. .........................................................................62
Hình 3.50: Hộp thoại Mask Editortheo P-K. ............................................................63
Hình 3.51: Thơng tin cho khối trong thanh Documentationtheo P-K. .....................63
Hình 3.52: Tạo thơng tin cho khối trong thanh Prompttheo P-K .............................64
Hình 3.53: Nhập các lệnh tính thơng số trong thanh Initializationtheo P-K ...........65
Hình 3.54:Tạo biểu tượng cho mơ hình trong thanh Icontheo P-K. .........................65
Hình 3.55:Biểu tượng chống sét van MOVtheo P-K.................................................66
Hình 3.56:Hộp thoại của Distribution Arrester-MOV theo P-K. .............................66
Hình 3.57: Sơ đồ mơ phỏng đáp ứng của MOV theo mơ hình P_K..........................67
Hình 4.1: Sơ đồ mơ hình mạch thử nghiệm điện áp dư của chống sét van trung áp
...................................................................................................................................68

Hình 4.2: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dịng xung 8/20 s3kA. ............................................................................................................................71
Hình 4.3: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, dịng xung 8/20s-5kA. .....72
Hình 4.4: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dòng xung 8/20 s10kA. ..........................................................................................................................73
Hình 4.5: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dịng xung 8/20 s20kA. ..........................................................................................................................74
Hình 4.6: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20 s3kA. ............................................................................................................................75
Hình 4.7: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20 s5kA. ............................................................................................................................76
Hình 4.8: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20 s10kA. ..........................................................................................................................77
Hình 4.9: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20 s20kA. ..........................................................................................................................78
Hình 4.10: Biểu đồ sai số điện áp dư của chống sét van hãng Ohios Brass, điện áp
18kV, ứng với dòng xung 8/20s...............................................................................79


xiv
Hình 4.11: Biểu đồ sai số điện áp dư của chống sét van hãng Ohios Brass, điện áp
21kV, ứng với dịng xung 8/20s...............................................................................79
Hình 4.12: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dịng xung 8/20s3kA. ............................................................................................................................82
Hình 4.13: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dịng xung 8/20 s5kA. ............................................................................................................................83
Hình 4.14: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dịng xung 8/20s10kA. ..........................................................................................................................84
Hình 4.15: Điện áp dư của chống sét van điện áp 21kV, ứng với dòng xung 8/20s20kA. ..........................................................................................................................85
Hình 4.16: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s3kA. ............................................................................................................................86
Hình 4.17: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s5kA. ............................................................................................................................87
Hình 4.18: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dòng xung 8/20s10kA. ..........................................................................................................................88
Hình 4.19: Điện áp dư của chống sét van điện áp 18kV, ứng với dịng xung 8/20s20kA. ..........................................................................................................................89
Hình 4.20: Biểu đồ sai số điện áp dư của chống sét van hãng Cooper, điện áp 18kV,
ứng với dòng xung 8/20s. ........................................................................................90
Hình 4.21: Biểu đồ sai số điện áp dư của chống sét van hãng Cooper, điện áp 21kV,
ứng với dòng xung 8/20s. ........................................................................................90


1

CHƯƠNG MỞ ĐẦU
I. GIỚI THIỆU
1. Đặt vấn đề
Đã từ lâu, tại các nước phát triển ở châu Âu và châu Mỹ, do nhu cầu
bảo vệ thiết bị tránh hư hỏng và ngừng dịch vụ do sét, việc nghiên cứu dông
sét và các giải pháp phòng chống sét phát triển rất mạnh mẽ. Người ta đã tiến
hành thu thập số liệu về dông sét trong nhiều năm nhằm phân vùng hoạt động
dông, nghiên cứu các quy luật phát triển của chúng phục vụ công tác dự báo
dông. Hàng loạt các công trình xác định mật độ sét, cũng như các thơng số
của sét, từ đó đề xuất các biện pháp dự phòng chống sét, cụ thể như cho các
đường dây tải điện, các cơng trình cơng nghiệp quan trọng, cơng trình viễn
thông, các trung tâm dữ liệu, các sân bay, kho xăng,...
Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, khí hậu Việt
Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét. Số ngày dông có
ở Việt Nam trên nhiều khu vực thuộc loại khá lớn. Số ngày dông cực đại là
113,7 (tại Đồng Phú), số giờ dông cực đại là 433,18 giờ tại Mộc Hóa. Hàng
năm, ngành điện Việt Nam có khoảng vài ngàn sự cố, 50% trong số đó là do
sét gây ra. Đặc biệt ngày 4/6/2001, sét đánh nổ một máy cắt 220 KV của Nhà
máy Thủy điện Hịa Bình. Sự cố đã khiến lưới điện miền Bắc bị tan rã mạch,
nhiều nhà máy điện bị tách ra khỏi hệ thống.
Mọi thiết bị điện khi lắp đặt vào lưới điện đều được lựa chọn theo điện
áp định mức của lưới điện mà thiết bị được đấu vào. Tuy nhiên, trong thực tế
vận hành, 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.
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 SVC, thiết bị

2

SCADA, bộ UPS, 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.
2. Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, chống sét van thường được sử dụng để bảo vệ chống quá áp
do sét đánh trực tiếp vào đường dây hay sét cảm ứng trên đường dây. Và để
đánh giá hiệu quả bảo vệ của chống sét van cần có các thử nghiệm điện áp dư
ứng với các xung sét tiêu chuẩn. Điều này chỉ có thể thực hiện tại các trung
tâm thử nghiệm chuyên ngành. Hơn nữa, các bài toán nghiên cứu quá độ
trong hệ thống điện với rất nhiều thành phần khác nhau như máy biến áp, máy
cắt, đường dây, tải,…và chống sét van cũng địi hỏi mơ hình chống sét van có
mức độ tương thích với ngun mẫu.
Nhưng cho đến nay việc mơ hình hóa và mơ phỏng các chống sét van
trong mạng phân phối trung áp 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 những khó khăn khi tiến hành mơ phỏng các chống sét
van trung áp là các mơ hình chưa có hay nếu có thì được giữ bản quyền bởi
các hãng sản xuất thiết bị chống sét van nước ngồi, cũng như mơ hình các
máy phát xung sét chuẩn cũng khơng được xây dựng trong phần mềm Matlab,
vốn là phần mềm thông dụng nhất hiện nay.
Hiện nay, cũng có nhiều nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị
chống sét lan truyền trên đường dây trung thế đã đi sâu nghiên cứu và đề ra
mơ hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây
dựng mơ hình khác nhau. Tuy nhiên, tùy thuộc vào phạm vi ứng dụng của
mỗi mơ hình, và các u cầu về mức độ tương đồng giữa mơ hình và ngun
mẫu mà các phương pháp xây dựng mơ hình và mơ 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 mơ hình là xác định các thơng số của mơ hình mà các
thơng số được cho trong catalogue của nhà chế tạo thường không đầy đủ.


3

Một số phần mềm mô phỏng cũng đã hỗ trợ xây dựng mơ hình các thiết
bị chống sét.Tuy nhiên, mơ hình này thường chỉ phù hợp đối với thiết bị của
một nhà sản xuất nào đó, khơng 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: “Xây dựng mơ hình chống sét
van trung thế” đi sâu vào nghiên cứu mơ hình thiết bị chống sét van cấp
trung thế dạng MOV, lập mơ hình và mơ phỏng với phần mềm rất thơng dụng
là Matlab với mong muốn có thể xây dựng được mơ 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 mơ
phỏng hữu ích với phần mềm thơng dụng Matlab cho các nhà nghiên cứu, các
kỹ sư, sinh viên… Vì đặc tính động của chống sét van, chúng khơng thể mơ
phỏng chỉ bằng một điện trở phi tuyến tính. Do đó, một số mơ hình được đề
xuất cho mơ phỏng các đặc tính động của chống sét van. Trong đó, mơ hình
IEEE và mơ hình Pinceti…là các mơ hình chính được đề xuất để mơ phỏng
các đặc tính động của chống sét van. Để xác định các thông số của mô hình
chống sét van, một thuật tốn mới đã được đề xuất và tiến hành
II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1. Mục tiêu của đề tài:
- Nghiên cứu phối hợp cách điện, so sánh ưu nhược điểm của một số loại
chống sét van.
- Nghiên cứu cấu tạo và tính năng kỹ thuật của thiết bị chống sét van

MOV.
- Nghiên cứu các mơ hình chống sét van MOV phụ thuộc tần số.
- Cải tiến mơ hình chống sét van trong Matlab.
- Đề xuất thuật toán mới xác định các thơng số của mơ hình chống sét
van.
- So sánh sự khác biệt giữa các mơ hình Matlab, mơ hình IEEE, mơ
hình Pincenti, mơ hình P-K.


4

2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu các tiêu chuẩn lựa chọn chống sét van trung áp.
- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc của chống sét van trung áp kiểu
biến trở ơxít kim loại (MOV).
- Thu thập tài liệu và nghiên cứu các mơ hình chống sét dạng MOV.
- Nghiên cứu phần mềm Matlab.
- Lập mơ hình các phần tử của thiết bị chống sét dạng MOV.
- Lập mơ hình thiết bị phát xung sét tiêu chuẩn.
- Tiến hành mô phỏng, đánh giá biên độ điện áp dư thông qua mô phỏng,
so với giá trị điện áp dư công bố của các nhà sản xuất.
- Đánh giá độ chính xác của các mơ hình chống sét van trung áp được xây
dựng.
3. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp sau:
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: là phương pháp đóng vai trị chủ
đạo.Sử dụng các tài liệu có sẵn, các tài liệu trên internet, các bài báo
khoa học, … Để phục vụ cho để tài nghiên cứu này
- 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.
- Phương pháp mơ 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 trị bổ trợ. Tổng hợp
các ý kiến để đưa ra các kết luận về những vấn đề đang tìm hiểu, từ đó
hồn thành nội dung, u cầu của để tài này.
III. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1. Giới thiệu tổng quan:

Xây dựng mơ hình chống sét van trung thế có mức độ tương thích cao
so với nguyên mẫu.


5

Các mơ hình chống sét van trung thế được xây dựng có giao diện đơn
giản, dễ sử dụng trong mơi trường Matlab.
2. Tổng quan nghiên cứu:

Hiện nay, các nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống sét
van trung thế dùng một số phần mềm mô phỏng hỗ trợ đã đề ra mơ hình thiết
bị chống sét van trung thế với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng mơ hình
khác nhau.
Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mơ hình hóa mơ phỏng và u
cầu về mức độ chính xác, mức tương đồng cao giữa mơ hình và ngun mẫu,
các phương pháp xây dựng mơ hình và mơ phỏng van chống sét trung thế vẫn
cịn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển.
Các mơ hình chống sét van trung thế được xây dựng là cơng cụ rất hữu ích để
thực hiện phân tích các bài toán quá điện áp do sét trong mạng phân phối trung thế.
Luận văn là tài liệu tham khảo cho sinh viên Ngành Công nghệ Kỹ thuật điệnĐiện tử và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện.

IV. NỘI DUNG LUẬN VĂN

Chương : Mở Đầu.
Chương 1: Tổng quan về chống sét van trung thế.
Chương 2: Các mơ hình chống sét van trung thế.
Chương 3: Xây dựng các mơ hình chống sét van trung thế trong môi trường
Matlab.
Chương 4: Mô phỏng, đánh giá độ chính xác của các mơ hình chống sét van
trung thế.
Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển.


6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài ở
một cấp điện áp nào đó 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 q 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 một chút. Phương pháp này có hiệu quả đến một
mức nào đó, nhưng sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà khơng thể thêm chi
phí để tạo cấp cách điện BIL cao hơn được nữa vì khơng 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 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


7

áp tiết kiệm hơn. Các công ty Điện lực đương nhiên cũng áp dụng các thực tế
khác nhau nhưng đều phải tính đến ba yếu tố cơ bản là: phục vụ 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 q 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.

-

Dùng dây, kim thu sét.

-

Điều khiển góc thao tác các máy cắt.

-

Sử dụng các tụ điện xung.

Các thiết bị bảo vệ bao gồm :
-

Khe hở phóng điện.

-

Các loại van chống sét.

Mục tiêu cơ bản của các bảo vệ quá áp trong hệ thống điện là tránh các
hư hỏng cách điện, ngừng làm việc hoặc hư hỏng của thiết bị.