Nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện phú tân, tỉnh cà mau Nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện phú tân, tỉnh cà mau Nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện phú tân, tỉnh cà mau
TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới ẩm, là nơi thuận lợi cho sự phát triển của dông sét, dẫn đến nhiều ngày dông trong năm Ngành điện lực Việt Nam ghi nhận hàng ngàn sự cố hàng năm, trong đó hơn 60% nguyên nhân do sét Một sự cố nghiêm trọng xảy ra vào lúc 19h41 phút ngày 30/5/2016, khi sét đánh vào hệ thống đường dây, làm bật 2 đường dây 500kV Hà Tĩnh – Đà Nẵng và Vũng Áng – Đà Nẵng, gây mất điện ở nhiều khu vực miền Trung và miền Nam trong khoảng 50 phút.
Khi lắp đặt thiết bị điện vào lưới điện, việc lựa chọn dựa trên điện áp định mức là rất quan trọng Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, có thể xảy ra hiện tượng quá điện áp do nhiều nguyên nhân như sự cố chạm đất, thao tác đóng cắt, hoặc sét đánh Trong số đó, quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, vì nó có thể tạo ra điện áp rất lớn, dễ dàng gây phóng điện, làm hỏng cách điện và phá hủy thiết bị, ảnh hưởng nghiêm trọng đến toàn bộ hệ thống.
MVLA thường được sử dụng để bảo vệ cách điện của thiết bị kết nối với hệ thống điện khỏi tác hại của quá điện áp do sét gây ra.
Nhiều nghiên cứu về mô hình chống sét oxit kim loại đã chỉ ra rằng, mặc dù các giải pháp bảo vệ quá áp dựa trên chống sét kim loại rất hiệu quả, nhưng để đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật ngày càng cao của thiết bị, cần xây dựng các mô hình kết hợp với thuật toán để so sánh và lựa chọn mô hình chống sét van phù hợp Việc này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ mà còn đáp ứng các đặc thù của từng hệ thống điện Các tài liệu từ các trường đại học danh tiếng như Trường Đại học Kỹ thuật Quốc gia Athens và Trường Đại học Queensland Úc đã chứng minh điều này.
Trong bối cảnh hiện tại, khi không thể thử nghiệm hiệu quả bảo vệ của MVLA trên hệ thống phân phối thực, việc áp dụng phương pháp mô hình hóa mô phỏng trở nên ưu tiên Phần mềm Matlab đã cung cấp mô hình chống sét van cao áp trong thư viện SymPowerSystems; tuy nhiên, mô hình này còn nhiều hạn chế như tính đơn giản và yêu cầu các thông số đầu vào khó tìm trong catalogue của nhà sản xuất Do đó, nghiên cứu và đề xuất một mô hình MVLA có độ chính xác cao so với nguyên mẫu mà không cần các thông số đầu vào phức tạp là một nhu cầu cấp thiết.
Đề tài “Nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau” tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển mô hình chống sét van oxyt kim loại trung thế (MVLA) Bài viết cũng đề xuất phương án hợp lý để bố trí các thiết bị chống sét van nhằm bảo vệ trạm biến áp phân phối điển hình tại huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau.
Nghiên cứu này cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích bằng phần mềm Matlab cho các công ty điện lực và học viên cao học ngành kỹ thuật điện, giúp nghiên cứu hành vi và phản ứng của MVLA dưới tác động của xung sét lan truyền trong các điều kiện không thể thực hiện đo thử thực tế Kết quả mô phỏng cũng được sử dụng để xác định phương án bố trí hợp lý MVLA nhằm bảo vệ trạm biến áp trong mạng phân phối.
NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
✓ Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tính của chống sét van trung áp dạng MOV (MVLA)
✓ Nghiên cứu mô hình MVLA theo đề xuất của Matlab và theo đề xuất của P-K
✓ Xây dựng mô hình máy phát xung tiêu chuẩn 8/20us
✓ Xây dựng mô hình MVLA theo đề xuất của P-K trong môi trường Matlab
✓ Đề xuất vị trí lắp đặt hợp lý MVLA bảo vệ MBA trong trạm phân phối điển hình (1 MBA và 2 MBA) tại Huyện Phú Tân, Tỉnh Cà Mau.
GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
✓ Nghiên cứu và xây dựng mô hình MVLA;
✓ Nghiên cứu, đánh giá và đề xuất vị trí hợp lý lắp đặt MVLA bảo vệ MBA trong mạng phân phối Huyện Phú Tân, Tỉnh Cà Mau.
CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH
✓ Thu thập tài liệu liên quan đến luận văn;
✓ Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ Matlab;
✓ Lập mô hình máy phát xung sét 8/20us;
TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Xây dựng mô hình MVLA theo đề xuất của P-K và mô hình máy phát xung 8/20, cho phép giao diện và thông số sử dụng thuận tiện trong môi trường Matlab, với độ chính xác cao so với nguyên mẫu.
Nghiên cứu và đánh giá vị trí lắp đặt MVLA nhằm bảo vệ MBA trong mạng phân phối điện tại Huyện Phú Tân, Tỉnh Cà Mau là cần thiết để đảm bảo hiệu quả và an toàn cho hệ thống điện Việc xác định vị trí hợp lý không chỉ giúp nâng cao chất lượng cung cấp điện mà còn giảm thiểu rủi ro sự cố trong quá trình vận hành.
TÍNH THỰC TIỄN
Cung cấp công cụ mô phỏng hiệu quả bằng phần mềm Matlab cho các công ty điện lực và sinh viên cao học ngành kỹ thuật điện, giúp nghiên cứu hành vi và phản ứng của MVLA trước tác động của xung sét lan truyền trong những điều kiện không thể thực hiện thí nghiệm thực tế.
✓ Đề xuất vị trí hợp lý lắp đặt MVLA bảo vệ MBA trong mạng phân phối Huyện Phú Tân, Tỉnh Cà Mau.
NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
Chương 1: Chống sét van trung áp dạng MOV
Chương 3: Xây dựng mô hình máy phát xung và mô hình MVLA trong Matlab
Chương 4: Biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho trạm biến áp phân phối, huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau
Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp phân tích và tổng hợp
Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng.
CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP DẠNG MOV (MVLA)
CẤU TẠO BIẾN TRỞ OXYT KIM LOẠI
MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị điện tử phi tuyến có khả năng bảo vệ mạch khỏi các xung điện áp quá mức Với cấu trúc tương tự như hai diode đấu ngược, MOV có đặc tính đối xứng và vùng đánh thủng dốc, giúp nó triệt tiêu hiệu quả các xung quá độ Trong trạng thái bình thường, MOV hoạt động như một thành phần có trở kháng cao, gần như hở mạch Tuy nhiên, khi gặp xung điện áp cao, MOV nhanh chóng chuyển sang trạng thái dẫn điện với trở kháng thấp, hấp thụ phần lớn năng lượng xung và bảo vệ các thành phần trong mạch khỏi hư hại.
Biến trở chủ yếu được cấu tạo từ ZnO, kèm theo một lượng nhỏ bismuth, cobalt, mangan và các ôxít kim loại khác Cấu trúc của biến trở bao gồm ma trận hạt dẫn ZnO, nối qua biên hạt để tạo ra đặc tính tiếp giáp P-N của chất bán dẫn Những biên này khiến biến trở không dẫn ở điện áp thấp và trở thành nguồn dẫn phi tuyến khi điện áp cao.
Hình 1.1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I
Hỗn hợp rắn ôxýt kẽm với ôxýt kim loại khác tạo ra ceramic đa tinh thể dưới điều kiện đặc biệt, với điện trở phụ thuộc vào điện áp, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng biến trở Hạt ôxýt kẽm có khả năng dẫn điện tốt (đường kính khoảng 15 – 100 μm), trong khi ôxýt kim loại bên ngoài có điện trở cao Tại các điểm tiếp xúc của ôxýt kẽm, hiện tượng “vi biến trở” xuất hiện, tương tự như hai diode zener đối xứng với mức bảo vệ khoảng 3,5V Việc kết nối nối tiếp hoặc song song các vi biến trở giúp MOV có khả năng tải dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn, đồng thời hấp thu nhiệt tốt và chịu được dòng xung đột biến cao.
MOV được sản xuất bằng cách hình thành và tạo ra các hạt ZnO dạng bột trong các thành phần gốm Các hạt ZnO có kích thước trung bình là d, trong khi 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 Điện áp của MOV được xác định bởi bề dày của MOV và kích thước của hạt ZnO Một đặc tính cơ bản của biến trở ZnO là điện áp rơi qua biên tiếp giáp giữa các hạt ZnO gần như là hằng số, và khoảng từ (2-3,5)V Mối liên hệ này được xác định như sau: Điện áp biến trở : VN = (3,5)n (1.1)
Và bề dày của biến trở: D = (n+1)d (VN d)/3,5 (1.2)
Trong nghiên cứu này, n đại diện cho số tiếp giáp trung bình giữa các hạt ZnO, trong khi d là kích thước trung bình của các hạt Điện áp VN là giá trị điện áp rơi trên MOV khi nó chuyển hoàn toàn từ vùng dòng rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, được xác định tại điểm trên đường đặc tính V-I với dòng điện 1mA (Hình 2.8).
Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp Chúng gồm 3 vùng cấu trúc (Hình 1.2):
Vùng I: biên có độ dày khoảng (100-1000) nm và đây là lớp giàu bột Bi2O3
Vùng II: biên có độ mỏng khoảng (1-100) nm và đây là lớp giàu bột Bi2O3
Vùng III: biên này có đặc tính là tiếp xúc trực tiếp với các hạt ZnO Ngoài ra
Bi, Co và một lượng các ion ôxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với độ dày vài nanomet
Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO
ĐẶC TÍNH V-I
Đặc tính V-I của MOV như Hình 1.3, đặc tính V-I được biểu diễn bằng phương trình dạng hàm mũ (2.4):
I= KV > 1 (1.3) Ở đây: I là dòng qua biến trở; V là điện áp đặt lên biến trở; K là 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:
Theo Manfred Holzer và Willi Zapsky, đặc tính V/I của biến trở có thể được xấp xỉ hóa bằng phương trình: log V = B1 + B2 log(I) + B3 e^(-log(I)) + B4 e^(log(I)), với I > 0.
Hình 1.3: Đặc tính V-I của MOV.
THỜI GIAN ĐÁP ỨNG
Biến trở hoạt động dựa trên cơ chế dẫn điện tương tự như các thiết bị bán dẫn khác, với sự dẫn điện diễn ra nhanh chóng trong khoảng thời gian tính bằng nano giây Hình 1.4 cho thấy đường cong (1) là trường hợp không có biến trở, trong khi đường cong (2) là trường hợp có biến trở, không đồng bộ với đường (1), thể hiện rõ ảnh hưởng của điện áp kẹp xảy ra rất nhanh.
Tuy nhiên thời gian đáp ứng của MOV bị thay đổi do một số lý do:
Điện áp cảm ứng tại đầu dây nối có vai trò quan trọng trong việc tăng cường điện áp qua đầu cực của biến trở, đặc biệt trong các xung dòng cao và khi độ dốc sườn lớn Đáp ứng và điện áp kẹp của biến trở chịu ảnh hưởng từ dạng sóng dòng điện, cũng như độ vọt lố điện áp cực đại tại đầu cực biến trở trong quá trình tăng dòng điện.
Biến trở ZnO cho thấy đáp ứng xung tốc độ cao, với đặc tính V-I rõ rệt Khi điện áp kẹp thay đổi, thời gian tăng xung dòng cũng thay đổi, ảnh hưởng đến đỉnh dòng xung với thông số 8/20μs.
MVLA
MVLA là các loại chống sét dùng khá phổ biến hiện nay trên lưới phân phối điện Việt Nam
MVLA được thiết kế để ngăn ngừa điện áp vượt quá mức cho phép ở các thiết bị bảo vệ, đồng thời cần phải phù hợp với mức chịu đựng xung cơ bản BIL của thiết bị Việc chọn lựa MVLA phải xem xét khả năng chịu quá áp của thiết bị, đảm bảo rằng MVLA hoạt động hiệu quả trong giới hạn cách điện của thiết bị đó.
Hình 1.6: Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van
Hoạt động của MVLA bao gồm:
1.4.1 Chế độ xác lập Ở chế độ xác lập, điện áp đặt trên hai cực của chống sét là điện áp pha – đất Trong chế độ này, điện áp hoàn toàn phân bố đều lên các đĩa MOV
1.4.2 Chế độ hoạt động khi có quá áp tạm thời
Do không có khe hở nên MVLA có khả năng chịu được quá áp tạm thời tốt hơn chống sét van SiC rất nhiều
1.4.3 Chế độ hoạt động ở dòng xung
Khi xảy ra quá áp xung, các khe hở bắt đầu phóng điện và các đĩa trong thiết bị chống sét MOV hấp thu năng lượng, khiến chúng nóng lên Điều này cho phép dòng xung đi qua các đĩa MOV một cách dễ dàng Khi dòng xung ngừng lại, điện áp chủ yếu rơi trên vòng điện trở, làm giảm điện áp trên các đĩa MOV và giảm năng lượng tiêu tán Nhờ đó, các đĩa MOV phục hồi nhanh chóng, giúp thiết bị chống sét MOV có khả năng chịu đựng tốt hơn.
1.4.4 Tính ổn định đối với hoạt động phóng điện Đối với chống sét MOV, dòng điện theo sau tần số công nghiệp rất bé (khoảng (02) A so với dòng điện duy trì của chống sét SiC (100500) A Ngoài ra, các đĩa MOV không cho dòng theo sau tần số công nghiệp chạy qua một khi điện áp lưới xuống dưới mức ngưỡng của đặc tính V-I, do vậy chống sét MOV có tính ổn định cao đối với hiện tượng phóng điện khe hở so với chống sét SiC
Khảo sát các đặc tính làm việc ở các chế độ nêu trên, nhận thấy MVLA có các ưu điểm sau:
Cải thiện đặc tính bảo vệ xung sét cho thiết bị phân phối, đặc biệt là hệ thống cách điện rắn như cáp ngầm và máy biến áp phân phối, là rất quan trọng Việc sử dụng điện áp phóng thấp không chỉ nâng cao biên hạn bảo vệ giữa chống sét và điện áp xung mà còn giúp giảm thiểu hư hỏng cách điện, từ đó kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
✓ Khả năng chịu quá áp tạm thời tốt hơn sẽ đưa đến độ tin cậy được cải thiện trong các trường hợp quá áp bất thường xảy ra.
MÔ HÌNH MVLA
ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, do không thể thử nghiệm hiệu quả bảo vệ của MVLA trên hệ thống phân phối thực, phương pháp mô hình hóa mô phỏng trở thành lựa chọn ưu tiên Phần mềm Matlab cung cấp mô hình chống sét van cao áp trong thư viện SymPowerSystems, tuy nhiên, mô hình này có nhiều hạn chế như tính đơn giản và yêu cầu các thông số đầu vào khó tìm Do đó, nghiên cứu và đề xuất mô hình MVLA với độ chính xác cao so với nguyên mẫu, nhưng không cần các thông số đầu vào phức tạp, là một yêu cầu cấp thiết.
CÁC MÔ HÌNH MVLA
2.2.1 Mô hình MVLA trong SimPowerSystems của Matlab
Mô hình MVLA trong Matlab được hiểu là một điện trở phi tuyến, với đặc tuyến phi tuyến V-I được hình thành từ ba đoạn khác nhau của phương trình hàm mũ.
Các giá trị k và α được khai báo trong hộp thoại Mỗi đoạn khác nhau của phương trình hàm mũ sẽ có giá trị k và α khác nhau, dẫn đến sự thay đổi trong quan hệ dòng áp của mô hình, như thể hiện trong Hình 2.1.
Hình 2.1: Quan hệ dòng điện –điện áp của mô hình chống sét van
Mô hình trình bày trong Hình 2.2 hoạt động dựa trên nguyên lý điện áp được đưa vào ngõ vào Giá trị điện áp này sẽ được lấy giá trị tuyệt đối và chuyển đến ba khối Math Function, được đặt tên là segment1, segment2 và segment3 Các khối này sử dụng công thức a i ref i V p v.
Các tín hiệu đầu ra từ các khối Math Functions sẽ được chuyển vào hai khối Switch 1 và Switch 2 Các khối này thực hiện so sánh giá trị của segment 1, segment 2 và segment 3 với giá trị dòng điện đã định trước để lựa chọn một trong ba dạng hàm mũ Sau đó, tín hiệu sẽ được đưa tới khối nhân để xác định dấu và cuối cùng, giá trị tín hiệu dòng sẽ được xuất ra từ mô hình.
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của mô hình
2.2.2 Mô hình MVLA theo đề xuất của P-K
Mô hình chống sét van MOV được phát triển dựa trên mô hình phụ thuộc tần số do IEEE đề xuất, với đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0 và A1 được trình bày trong Hình 2.3.
Tuy nhiên, ở đây sẽ xây dựng mô hình hai điện trở phi tuyến A0 và A1 dựa vào các đường cong đặc tuyến V-I được đề nghị bởi IEEE cho ở Hình 2.4:
Hình 2.4: Đặc tuyến V-I của A0 và A1của mô hình IEEE
Bảng 2.1 trình bày giá trị đỉnh của điện áp dư đo được trong thí nghiệm phóng xung dòng điện sét 10kA, 8/20s như sau:
Bảng 2.1: Quan hệ i=f(u) đặc tuyến V-I của A0 và A1
Như trong Hình 2.3, giữa các điện trở phi tuyến tính kháng A0 và A1 chỉ có độ tự cảm L1, độ tự cảm được xác định theo phương trình (μH):
Điện áp định mức của chống sét van là Vr, trong khi Vr1/T2 biểu thị điện áp dư cho dòng sét nhanh 10kA tại 1/T2 Đối với dòng sét 10kA với dạng sóng 8/20, điện áp dư được ghi nhận là Vr8/20 Để đảm bảo hiệu suất, R được cài đặt ở mức 1MΩ giữa các thiết bị đầu cuối.
MÔ HÌNH MÁY PHÁT XUNG
Dạng xung sột 8/20às thường xảy ra do sột đỏnh vào đường dây trên không từ xa, sét đánh vào vật gần đường dây, hoặc sự gia tăng điện thế đất do sét đánh gần công trình Hình 3.1 minh họa rõ nét dạng xung này.
Phương trình mô tả của xung dòng tiêu chuẩn có dạng:
Dạng xung dòng gồm 2 thành phần Ie -at và Ie -bt như Hình 3.2
Hỡnh 3.1: Dạng xung sột 8/20 às
Hình 3.2: Dạng xung dòng gồm tổng của hai thành phần
Giá trị của I, a, b có thể được xác định cho từng dạng xung dòng chuẩn thông qua các thông số như giá trị đỉnh I1, thời gian đạt đỉnh t1 và thời gian đạt giá trị đỉnh t2, dựa trên các đường cong chuẩn như Hình 3.3 và Hình 3.4.
Sử dụng công cụ Curve Fitting Toolbox tìm được quan hệ giữa b/a và t2/t1:
Hình 3.3: Đường cong quan hệ giữa b/a và t2/t1
Sử dụng công cụ Curve Fitting Toolbox tìm được quan hệ giữa b/a và at1:
Hình 3.4: Đường cong quan hệ giữa b/a và at1
Sử dụng công cụ Curve Fitting Toolbox tìm được quan hệ giữa b/a và at1: (I1/I) = [0,9925 (b/a) 3 – 3,255(b/a) 2 +1,809(b/a) + 2,935]/[ (b/a) 3 + 1,353(b/a) 2 – 16,02(b/a) +24,51] (3.4)
Hình 3.5: Đường cong quan hệ giữa b/a và I1/I
3.1.2 Xây dựng sơ đồ khối
Để thực hiện các bước, đầu tiên từ thông số (t2/t1) và phương trình (3.2), ta xác định giá trị (b/a) Sau đó, thay giá trị này vào các phương trình (3.3) và (3.4) để tìm ra các giá trị cần thiết là a và b.
Hình 3.6: Sơ đồ khối máy phát xung dòng tiêu chuẩn
Nhóm các khối thành một khối con Subsystem và sử dụng Edit Mask để phát triển khối này thành nguồn phát xung hoàn chỉnh với biên độ và dạng sóng do người dùng nhập Cuối cùng, hãy sao chép vào thư viện My Library.
Hình 3.7: Biểu tượng của mô hình nguồn phát xung
Dùng Edit Mask để tạo biến yêu cầu nhập vào cho mô hình nguồn phát xung như Hình 3.8:
Hình 3.8: Khai báo các thông số yêu cầu
Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng máy phát xung dòng
Nhập các thông số cho nguồn xung dòng như Hình 3.10:
Thực hiện mụ phỏng với xung dũng 8/20às biờn độ 5 kA thu được kết quả như Hình 3.11:
Hỡnh 3.11: Dạng súng nguồn xung dũng 5kA 8/20às
Thực hiện mụ phỏng với xung dũng 8/20às biờn độ 10 kA thu được kết quả như Hình 3.12:
Hỡnh 3.12: Dạng súng nguồn xung dũng 10kA 8/20às
Thực hiện mụ phỏng với xung dũng 8/20às biờn độ 20 kA thu được kết quả như Hình 3.13:
Hỡnh 3.13: Dạng súng nguồn xung dũng 20kA.8/20às.
MÔ HÌNH MVLA CỦA MATLAB
3.2.1 Hộp thoại khai báo thông số mô hình
Mô hình MVLA của Matlab có thể truy xuất từ thư viện của công cụ SimPowerSystems với hộp thoại khai báo thông số trình bày ở Hình 3.14
Hình 3.14: Hộp thoại của mô hình MVLA
Các thông số cần khai báo bao gồm:
- Điện áp định mức: Vref (điện áp quy chuẩn của một đĩa MOV)
- Số đĩa trong một chống sét van: n
- Dòng điện quy chuẩn trên một đĩa MOV : Iref
- Đặc tuyến V-I của đoạn thứ nhất: giá trị k1 và1
- Đặc tuyến V-I của đoạn thứ hai: giá trị k2 và 2
- Đặc tuyến V-I của đoạn thứ ba: giá trị k3 và 3
3.2.2 Mạch mô phỏng MVLA của Matlab
Hình 3.15: Mạch mô phỏng đáp ứng của MVLA của Matlab ứng với xung dòng
MÔ HÌNH MVLA THEO P-K
3.3.1 Xây dựng mô hình phần tử điện trở phi tuyến A0, A1
Mô hình hai điện trở phi tuyến A0 và A1 được xây dựng dựa trên đường cong đặc tuyến V-I Để thực hiện, cần tính toán và lựa chọn một số điểm trên đặc tuyến Bảng 3.1 cung cấp giá trị đỉnh của điện áp dư được đo trong thí nghiệm phóng xung dòng điện sét 10kA với dạng sóng 8/20μs.
Bảng 3.1 Đặc tuyến V-I của A0 và A1
Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 Để tính dòng điện I = f(U), theo Bảng 3.1, khai báo trong khối “Look-Up
1.277]*Vl*1000 (giá trị điện áp đơn vị nhân với giá trị điện áp dư trờn chống sột van tại dũng phúng điện10kA, 8/20às_ đơn vị kV)
✓ Vector of Output Values (i) : [0 0.00001 0.1 1 3 10 20]*1000 (đơn vị kA)
Phần tử A1 cũng được xây dựng tương tự như trên, dòng điện I = f(U) được khai báo trong khối “Look-Up Table” như sau:
Vector giá trị đầu ra (i) được xác định là: [0 0.00001 0.1 1 3 10 20]*1000 (đơn vị kA) Để thuận tiện cho việc mô phỏng, hãy sử dụng lệnh Edit > "Create subsystem" để nhóm tất cả các khối trong sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0, A1 thành một biểu tượng.
Hình 3.17: Mô hình điện trở phi tuyến theo Pinceti
Như vậy, hai điện trở phi tuyến A và A đã được tạo xong
3.3.2 Xây dựng mô hình MVLA hoàn chỉnh
Sử dụng Simulink trong MatLab xây dựng mô hình MVLA theo hoàn chỉnh như Hình 3.18 :
Mô hình MVLA theo P-K được mô phỏng dễ dàng cho các loại MOV khác nhau bằng cách sử dụng Edit Mask để nhóm các phần tử thành một khối Sau đó, chúng ta đặt lại tên cho MOV, khai báo các biến cho mô hình và xây dựng biểu tượng cho MOV Kết quả cuối cùng là mô hình MVLA hoàn chỉnh như được thể hiện trong Hình 3.19.
Hình 3.19: Mô hình MVLA theo P-K
Hộp thông số của mô hình MVLA theo P-K.Thực hiện khai báo tính toán các giá trị cho L1, A0 và A1 để tiến hành mô phỏng MVLA
Các thông số R0 và R1 được bổ sung để khắc phục vấn đề kết nối phần tử phi tuyến với cuộn cảm hoặc nguồn dòng trong Matlab Giá trị của R0, R1 và Rp thường khoảng 1MΩ Để dễ dàng sử dụng, cần tạo hộp thoại và khai báo các thông số cần thiết.
Chọn khối chống sét van, vào trong thư mục Edit, chọn Mask Subsystem 3
Hộp thoại “Mask Editor” sẽ hiện ra như Hình 3.20:
Hình 3.20: Hộp thoại Mask Editortheo P-K
Chọn thanh Documentation, trong mục “Mask Type”, gõ dòng: “High
Voltage MOV”, và trong phần “Mask description” ghi các dòng mô tả hoạt động của mô hình
Hình 3.21: Thông tin cho khối trong thanh Documentationtheo P-K
Chọn thanh Parameters để khai báo các thông số quan trọng, bao gồm điện áp định mức (Vn), điện áp dư của chống sột van tại xung sột 8/20às (V_lightning) và điện áp dư tại xung đầu sóng tăng nhanh với trị số dòng điện 10kA (V_steep).
Trong mục Prompt, gõ dòng: Arrester rated voltage (kV);
Trong mục Variable, đặt tên biến: V n ;
Lặp lại các bước trên để định nghĩa các giá trị trong hộp thoại của mô hình tương ứng các biến là: V 1 và V s
Hình 3.22: Tạo thông tin cho khối trong thanh Prompttheo P-K
Chọn thanh Initialization trong mục Initialization commands, viết các dòng lệnh sau để xác định giá trị L1,:
Hình 3.23: Nhập các lệnh tính thông số trong thanh Initializationtheo P-K Để thuận lợi cho sử dụng, tạo biểu tượng cho mô hình:
Chọn thanh Icon, trong phần “Drawing Commands”, dùng hàm Plot để vẽ các hình đặt tuyến cho mô hình: plot(-100,-45,100,45,[-100 -35],[0 0],[100 35],[0 0],[-30 -30],[40 -40],[-20 -20],[40 -40],[-
Hình 3.24:Tạo biểu tượng cho mô hình trong thanh Icontheo P-K
Nhấn nút Apply, Ok để đóng cửa sổ “Mask Editor”
Lúc này mô hình đã có biểu tượng của một chống sét van hoàn chỉnh:
Hình 3.25: Biểu tượng chống sét van MVLA theo P-K
Nhấp kép vào biểu tượng mô hình chống sét van MOV Hộp thoại “Block
Parameters” sẽ mở ra với các thông số cần khai báo
Hình 3.26: Hộp thoại của MVLA theo P-K
Trước khi sử dụng mô hình, cần xác định lại các biến đã khai báo ở phần đầu Tiếp theo, chọn mô hình chống sét van và trong thư mục Edit, hãy chọn Look Under.
Mask Phần tử Subsystem của chống sét van hiện ra Nhấp lại giá trị các khối điện cảm, khối phi tuyến A0, A1
3.3.3 Mạch mô phỏng MVLA theo P-K
Sử dụng xung dòng chuẩn dạng sóng 8/20s kiểm tra đáp ứng của mô hình MVLA theo P-K vừa xây dựng theo mạch mô phỏng ở Hình 3.27:
Hình 3.27: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của mô hình MVLA_P-K.
SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC MÔ HÌNH MVLA
Để kiểm tra độ chính xác của các mô hình MVLA, chúng tôi xây dựng mô hình mạch thử nghiệm cho các thiết bị chống sét van trung áp từ một số nhà sản xuất và tiến hành mô phỏng điện áp dư tương ứng với xung sét tiêu chuẩn.
Kết quả mô phỏng điện áp dư được so sánh biên độ điện áp dư cung cấp trong catalogue của nhà sản xuất
Đánh giá độ chính xác của các mô hình được thực hiện thông qua biên độ điện áp dư cho sản phẩm chống sét van trung áp AZG2 của Hãng Cooper (Catalogue –PL 5.1) và EVP của Hãng Ohio Brass (Catalogue –PL 5.2).
Sơ đồ mô hình mạch thử nghiệm điện áp dư của chống sét van trung áp trình bày ở Hình 3.28:
Hình 3.28: Sơ đồ mô hình mạch thử nghiệm điện áp dư của MVLA
3.4.1 Mô phỏng đáp ứng của MVLA AZG2 của hãng Cooper
+ Điện áp định mức:18kV
+ Dạng xung sét: sóng 8/20us
+ Biên độ xung: 5kA, 10kA, 20kA
Thông số kỹ thuật sản phẩm chống sét van trung áp AZG2 của Hãng Cooper được trình bày ở Bảng 3.2:
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật MVLA của hãng COOPER
8/20às Maximum Discharge Voltage (kV) 3kA 5kA 10kA 20kA
Protection voltage Vref (kV): 39.7 + Mô hình MVLA P-K
Arrester rated voltage (kV): 18 Residual voltage for 10kA steep curent pulse (kV): 59.7 Residual voltage for 10kA lightning current pulse 8/20us (kV): 50.7
Kết quả mô phỏng điện áp dư của MVLA – Hãng Cooper khi áp dụng xung dòng 10kA 8/20us được thể hiện trong Hình 3.29, cùng với tổng hợp các kết quả mô phỏng được trình bày trong Bảng 3.3.
Hình 3.29: Quan hệ điện áp dư theo thời gian của MVLA của Hãng Cooper Bảng 3.3: Tổng hợp kết quả mô phỏng ứng với MVLA của Hãng Cooper
Lightning Impluse Residual Voltage 8/20us Current Wave
Ghi chú: Vrcat (kV) là điện áp dư ứng với xung dòng tiêu chuẩn do nhà sản xuất cung cấp; Vrsim (kV) là điện áp dư mô phỏng Sai số mô hình được tính bằng công thức Er(%) = ((|Vrcat – Vrsim|)/Vrcat) * 100%.
Sai số điện áp dư trong mô hình MVLA-Matlab dao động từ 4,5% đến 8,8%, trong khi mô hình MVLA-PK có sai số điện áp dư thấp hơn, với giá trị từ 2,3% đến 5,5%.
3.4.2 Mô phỏng đáp ứng của MVLA EVP của hãng Ohio
+ Điện áp định mức:18kV
+ Dạng xung sét: sóng 8/20us
+ Biên độ xung: 5kA, 10kA, 20kA
8/20às Maximum Discharge Voltage (kV) 3kA 5kA 10kA 20kA OHIOS
Residual voltage for 10kA steep curent pulse (kV): 51.6
Residual voltage for 10kA lightning current pulse 8/20us (kV): 45.5
Kết quả mô phỏng điện áp dư của MVLA – Hãng Ohio với xung dòng 10kA 8/20us được thể hiện trong Hình 3.29, cùng với tổng hợp các kết quả mô phỏng được trình bày trong Bảng 3.30.
Hình 3.30: Quan hệ điện áp dư theo thời gian của MVLA của Hãng Ohio Bảng 3.4: Tổng hợp kết quả mô phỏng ứng với MVLA của Hãng Ohio
Lightning Impluse Residual Voltage 8/20us Current Wave
Điện áp dư ứng với xung dòng tiêu chuẩn được gọi là Vrcat (kV), trong khi điện áp dư mô phỏng được ký hiệu là Vrsim (kV) Sai số mô hình được tính bằng công thức Er(%) = ((|Vrcat – Vrsim|)/Vrcat) * 100%.
Sai số điện áp dư của mô hình MVLA-Matlab có giá trị thấp nhất 6,8% và
Mô hình MVLA theo P-K và mô hình MVLA của Matlab đều cho thấy sai số điện áp dư nhỏ hơn 10% khi áp dụng cho các dòng xung tiêu chuẩn 5kA, 10kA và 20kA với dạng sóng 8/20us.
✓ Mô hình MVLA theo P-K có sai số điện áp dư thấp hơn mô hình MVLA của Matlab
Mô hình MVLA theo P-K dễ sử dụng hơn so với mô hình MVLA của Matlab, nhờ vào khả năng tra cứu trực tiếp các thông số đầu vào từ catalogue của nhà sản xuất.
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP PHÂN PHỐI HUYỆN PHÚ TÂN, TỈNH CÀ MAU
Huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau, có diện tích 446 km² và đặc trưng là huyện ven biển với hệ thống sông ngòi chằng chịt và độ nhiễm mặn cao Kinh tế địa phương chủ yếu dựa vào nuôi trồng thủy sản và sản xuất nhỏ Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện của người dân, ngành điện đã đầu tư nhiều nguồn lực nhằm đảm bảo cung cấp điện ổn định cho khu vực này.
Nguồn cấp điện được phân phối từ trạm 110kV/22kV, công suất 40MVA có
Trên địa bàn huyện, lưới điện được phân bố đồng đều với sơ đồ hình tia, bao gồm 137 km lưới điện trung thế 3 pha và 323 km lưới điện trung thế 1 pha.
968 trạm với công suất đặt là 43MVA cấp điện cho 678km đường dây hạ thế đảm bảo cung cấp điện cho 26.745 khách hàng
Trạm biến áp phân phối 3 pha 22/0,4kV và 1 pha 12,7/0,23kV được trang bị chống sét van ở phía trung áp nhằm bảo vệ khỏi quá áp do sét lan truyền Các chống sét van này được lắp đặt ở đầu trụ trung thế có chiều cao 10,5m hoặc 12m, kết nối với đầu sứ cao áp của máy biến áp.
QUAN HỆ ĐIỆN ÁP TẠI ĐẦU CỰC MÁY BIẾN ÁP VỚI CÁC PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ LA
PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ LA
4.2.1 Trạm 1 MBA Ở lưới phân phối Huyện Phú Tân, các trạm biến áp đơn 22/0,4kV thường được bảo vệ bằng CSV Do chống sét van còn phải bảo vệ cho toàn bộ cách điện
Bài viết này sẽ xác định quan hệ điện áp tại đầu cực của máy biến áp 1 pha 12.7/0,23kV dựa trên khoảng cách lắp đặt CSV, thông qua việc mô hình hóa và mô phỏng.
Sơ đồ mạch mô phỏng trình bày ở Hình 4.1 Với các thông số mạch điện như sau:
✓ Máy biến áp 1 pha, 12,7/0,23kV/0,23kV, 50kVA, 50Hz
✓ CVS: Hãng Cooper, điện áp định mức 18kV, Điện áp vận hành lâu dài cực đại 15,3kV, IskA, điện áp dư ứng 50,7kV ứng với dòng 10kA 8/20us
✓ Nguồn điện lưới phía trung áp: điện áp định mức 12.7kV, tổng trở nguồn
✓ Tổng trở dây nối từ CSV đến đầu cực MBA: thay đổi theo chiều dài dây nối từ 0-12m với Ro=0,72m/m, L0=1.27àH/m,C0=1nF/m
✓ Tổng trở đường dây hạ áp: R3=R4=0.15, L3=L4 -4 H
✓ Tải 1 pha: PL1=PL2.4kW, QL1=QL2,8kVar, V#0V, tương ứng với I0A, cos=0,8
Dạng sóng đầu cực MBA với CSV gắn ở đầu cực (L=0m) được minh họa trong Hình 4.2 Bảng 4.1 trình bày các giá trị điện áp đầu cực máy biến áp tương ứng với các chiều dài L khác nhau.
Hình 4.1: Sơ đồ mô hình mạch thử nghiệm điện áp tại đầu cực MBA theo khoảng cách lắp đặt chống sét van
Hình 4.2: Dạng điện áp đầu cực MBA, khi CSV gắn vị trí L = 0m
Bảng 4.1 Giá trị điện áp đầu cực máy biến áp ứng với chiều dài L khác nhau
Từ kết quả mô phỏng giá trị điện áp đầu cực MBA theo khoảng cách lắp đặt CSV, nhận thấy:
✓ CSV càng đặt gần đầu cực MBA càng tốt vì giá trị điện áp đầu cực càng giảm ứng với dòng xung định mức 10kA 8/20us
Giá trị giới hạn Lmaxm rất quan trọng, vì nếu vượt quá mức này, điện áp đầu cực của máy biến áp (MBA) sẽ vượt quá giá trị cho phép (VcpukV) Điều này đặc biệt áp dụng cho các MBA có điện áp phía cao áp là 12.7kV, theo tiêu chuẩn TCVN 6306-3:2006 về máy biến áp điện lực.
Sử dụng Curve Fitting Toolbox của Matlab, tìm được quan hệ giữa điện áp đầu cực MBA (V) theo khoảng cách lắp đặt L của CSV:
Trong mạng lưới điện tại Huyện Phú Tân, Tỉnh Cà Mau, có hai trạm biến áp gần nhau, cụ thể là Trạm biến áp Lô 1 và trạm khách hàng Nguyễn Văn Minh Mỗi trạm biến áp được bảo vệ bởi các cầu chì (CSV) riêng biệt, được lắp đặt ở phía trung áp tại đầu vào trụ điện Để đánh giá hiệu quả bảo vệ của các cầu chì cho từng trạm biến áp, có thể áp dụng kết quả nghiên cứu từ phần 4.2.1.
Theo tiêu chuẩn IEEE Std C62.22.2009, tùy thuộc vào đặc tính của mạng điện và vị trí lắp đặt, có thể sử dụng một CSV để bảo vệ cho cả hai MBA.
Hình 4.3: Trạm 2 MBA được bảo vệ bởi 1 CSV
Trạm Lô 1 kết nối trực tiếp với đường trục cách 4m, trong khi trạm biến áp khách hàng được nối vào đường trục tại điểm đấu nối của Trạm Lô 1 với khoảng cách thay đổi, ví dụ như trạm Nguyễn Văn Minh có khoảng cách 10m.
Xây dựng mô hình mạng phân phối cung cấp điện cho hai trạm: trạm Lô 1 và trạm khách hàng Nguyễn Văn Minh (Hình 4.4)
Hình 4.4: Mạch mô phỏng 2 trạm biến áp được bảo vệ bởi 1 CSV
Mô phỏng điện áp đầu cực của từng máy biến áp (MBA) trong trường hợp sử dụng chung một CSV cho thấy kết quả điện áp đầu cực của MBA Lô 1 ứng với khoảng cách cụ thể.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng cho khoảng cách L1=4m và MBA Nguyễn Văn Minh với khoảng cách L2 thay đổi từ 4m đến 12m, sử dụng xung dòng 10kA 8/20us như được thể hiện trong Hình 4.5 Các kết quả mô phỏng tương ứng đã được tổng hợp trong Bảng 4.2.
Hình 4.5: Dạng điện áp đầu cực MBA LÔ 1 (l1=4m)và MBA MVM (L2m),
Bảo vệ bằng 1 CSV gắn ở điểm đấu nối giữa 2 MBA
Bảng 4.2 Giá trị điện áp đầu cực máy biến áp ứng với chiều dài L của 2 MBA
4 12 53,74 77,52 MBA Lô 1 được bảo vệ;
MBA NVM hỏng cách điện
Từ kết quả mô phỏng giá trị điện áp đầu cực các MBA nhận thấy:
✓ CSV càng đặt gần đầu cực MBA càng tốt vì giá trị điện áp đầu cực càng giảm ứng với dòng xung định mức 10kA 8/20us
✓ Khi khoảng cách giữa các MBA và CSV không vượt quá 10m thì có thể sử dụng 1 CSV bảo vệ cho cả hai MBA trong hai trạm đặt gần nhau
Khi khoảng cách giữa CSV và đầu cực MBA lớn hơn 10m, cần sử dụng một CSV cho mỗi trạm biến áp để bảo vệ MBA khỏi hư hỏng cách điện do quá áp gây ra bởi sét lan truyền vào trạm.
Sử dụng Curve Fitting Toolbox của Matlab, tìm được quan hệ giữa điện áp đầu cực MBA (V) theo khoảng cách lắp đặt L của CSV:
Việc lắp đặt CSV để bảo vệ máy biến áp cần tuân thủ khoảng cách cụ thể, không được vượt quá giới hạn đã thống kê trong Bảng 4.1 và Bảng 4.2.
Để đảm bảo an toàn trong việc vận hành nhiều máy biến áp và thiết bị điện khác, cần sử dụng một CSV và tuân thủ các khoảng cách an toàn cần thiết.
