SƠ LƢỢC
Họ và tên : Trần Nhƣ Giới tính: Nam
Ngày sinh : 10/02/1983 Nơi sinh: Bình Định
Dân tộc : Kinh Tôn giáo: Không Địa chỉ liên lạc: 147 đường 9, P Phước Bình, quận 9, Thành Phố Hồ Chí Minh Điện thoại: 0974655157 Email:nhu.annhon.eng @gmail.com
Cơ quan : Công ty Cổ Phần Thương Mại Xây Dựng Điện An Nhơn Địa chỉ : 29 đường 6, phường Phước Bình, quận 9, Thành Phố Hồ Chí Minh.
QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
Hệ đào tạo: Liên thông chính quy
Nơi học: Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội
Ngành học: Điện Công Nghiệp
Hệ đào tạo: Chính quy
Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ Thuật Điện.
QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN
Thời gian Nơi công tác Công việc
Từ tháng 12/2012 đến nay Công ty CP TM XD Điện An Nhơn P.Dự Án
Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Hồ Chí Minh , ngày tháng năm 2018
HVTH: Trần Như Trang iii
Không có thành công nào đạt được mà không có sự hỗ trợ từ người khác, dù là ít hay nhiều, trực tiếp hay gián tiếp Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tại Trường Đại Học Sư Phạm, sự giúp đỡ này đóng vai trò quan trọng.
Kỹ Thuật TP.HCM, phối hợp cùng các bạn lớp KDD 16B, đã tạo ra môi trường học tập thuận lợi, giúp tôi tự tin hơn trong việc nghiên cứu và hoàn thiện đề tài của mình.
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình đã luôn động viên và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu Bên cạnh đó, tôi cũng rất biết ơn những người bạn và đồng nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Quý lãnh đạo, Phòng, Ban, Đội của Công ty Điện lực Thủ Thiêm đã hỗ trợ cung cấp tài liệu và thông số liên quan đến đề tài này Hy vọng rằng sau khi bảo vệ thành công, đề tài sẽ được ứng dụng để cải tạo và thay thế các thiết bị chống sét, nhằm nâng cao hiệu quả cho lưới điện tại Điện lực.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Quyền Huy Ánh, người đã tận tâm hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như khi thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Khi nghiên cứu đề tài này, tôi nhận thấy rằng kiến thức chuyên môn là vô hạn, trong khi nghiên cứu của tôi chỉ là một phần nhỏ Do đó, luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự quan tâm, xem xét và ý kiến đóng góp quý báu từ các thầy cô và bạn bè để hoàn thiện đề tài này hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hồ Chí Minh , ngày tháng năm 2018
Luận văn “Nghiên cứu giải pháp chống sét lan truyền trên đường nguồn cho trạm phân phối” đi sâu vào nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau:
Mô hình MVLA trung thế được xây dựng theo đề xuất của PINCETI trong môi trường Matlab, với giao diện thân thiện và các thông số yêu cầu từ Catalogue của nhà sản xuất Độ chính xác của mô hình này được đánh giá thông qua việc so sánh giá trị điện áp dư từ mô phỏng với giá trị diện áp dư do nhà sản xuất cung cấp.
Việc đề xuất vị trí lắp đặt hợp lý MVLA đối với trạm 1 máy biến áp và trạm
2 máy biến áp trong mạng phân phối điển hình tại Công ty Điện lực Thủ Thiêm, Tp Hồ Chí Minh cũng đƣợc xem xét
Nghiên cứu cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích bằng phần mềm Matlab cho các công ty điện lực, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành kỹ thuật điện Công cụ này hỗ trợ trong việc nghiên cứu hiệu quả bảo vệ của MVLA trước tác động của xung sét lan truyền vào trạm biến áp, đồng thời phân tích kết quả mô phỏng để xác định phương án bố trí hợp lý MVLA nhằm bảo vệ trạm biến áp trong mạng phân phối.
Thesis "Research on surge protection solution for distribution substation" deep research into research and solving the following issues:
The MVLA (Medium Voltage Lightning Arrester) model, developed by PINCETI in the Matlab environment, features a user-friendly interface that incorporates essential parameters from the manufacturer's catalog The model's accuracy is assessed by analyzing the residual voltage values in accordance with standard lightning impulse tests, and these values are compared with those provided in the manufacturer's specifications.
The proposed installation location of MVLA for single transformer station and dual transformer station in the typical distribution network in PC Thu Thiem – HCM City is also considered
Recent research offers valuable simulation tools using the widely-used Matlab software, aimed at power companies and electrical engineering students These tools facilitate the study of the protective effects of Metal Oxide Varistor Lightning Arresters (MVLA) against surge currents impacting substations Additionally, the simultaneous analysis of simulation results assists in optimizing the arrangement of MVLA to enhance substation protection within distribution networks.
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu Đơn vị Mô tả
MVLA Chống sét van trung áp
D nm Bề dày của biến trở
Hằng số điện môi của chất bán dẫn
N Hạt/cm 3 Mật độ hạt dẫn
P W Công suất tiêu tán trung bình
T 0 C Nhiệt độ gia tăng trung bình
Hệ số tiêu tán công suất
TOL % Độ sai số chuẩn
Vr kV Điện áp định mức của MVLA
V r8/20 kV Điện ỏp dư cho dũng sột 10 kA với bước súng 8/20 às
L , R kV Độ lớn điện thế rào
o kV Điện thế phân cực tại gốc
V N kV Điện áp biến trở
HVTH: Trần Như Trang vii q Điện tích điện tử
K Hệ số phụ thuộc biến trở
Vref kV Điện áp tham chiếu d m Chiều cao của MVLA n Số cột MOV song song trong MVLA
II.QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO i
III.QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi
MỤC LỤC Error! Bookmark not defined
DANH SÁCH CÁC HÌNH xi
DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv
I.TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1
II.NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 2
III.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 2
IV.CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH 2
V.TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 3
VII.NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 4
VIII.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4
CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA MVLA TRUNG THẾ (MVLA) 5
1.2.TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO 8
HVTH: Trần Như Trang ix
2 Chế độ hoạt động khi có quá áp tạm thời 15
3 Chế độ hoạt động ở dòng xung 15
4 Tính ổn định đối với hoạt động phóng điện 16
MÔ HÌNH MVLA TRUNG THẾ 17
1.1.CÁC DẠNG MÔ HÌNH MVLA TRUNG THẾ 17
1 Mô hình MVLA của Matlab 17
2 Mô hình MVLA theo đề xuất của Pincenti 18
MÔ HÌNH MÁY PHÁT XUNG VÀ MVLA TRUNG THẾ TRONG MATLAB 22
3.1.Mễ HèNH MÁY PHÁT XUNG DềNG 8/20às 22
2 Xõy dựng sơ đồ khối mỏy phỏt xung 8/20às 24
3.2.MÔ HÌNH MVLA CỦA MATLAB 27
1 Hộp thoại khai báo thông số mô hình 27
2 Mạch mô phỏng MVLA của Matlab 28
3.3.Mô hình MVLA theo PINCETI 28
1 Xây dựng mô hình phần tử điện trở phi tuyến A0, A1 28
2 Xây dựng mô hình MVLA hoàn chỉnh 30
3 Mạch mô phỏng MVLA theo PINCETI 34
3.4.So sánh và đánh giá các mô hình MVLA 35
1 Mô phỏng đáp ứng của MVLA AZG2 của hãng Cooper 36
2 Mô phỏng đáp ứng của MVLA EVP của hãng Ohio Brass 38
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG
NGUỒN CHO TRẠM PHÂN PHỐI CÔNG TY ĐIỆN LỰC THỦ THIÊM 41
4.1 Tổng quan về lưới điện và trạm biến áp phân phối Công ty Điện Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ Chí Minh 41
4.2 Khảo sát điện áp đầu cực máy biến áp theo vị trí lắp đặt MVLA 43
1 Trường hợp trạm có 1 MBA 43
2 Trường hợp trạm có 2 MBA 46
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 51
5.2.HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 51
PL 1.1: Thông số kỹ thuật MVLA EVP của Ohio Brass: 56
PL 1.2.Thông số kỹ thuật MVLA AZG2 của Cooper 58
HVTH: Trần Như Trang xi
Hình 1.1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I 05
Hình 1.2: Vi cấu trúc của ceramic 06
Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 08
Hình 1.4: MVLA trung thế của Ohio Brass 09
Hình 1.5: Mặt cắt cấu tạo của MVLA 09
Hình 1.6: Sơ đồ năng lƣợng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO 11
Hình 1.7: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào 12
Hình 1.8: Đặc tính V-I của MOV 13
Hình 1.9: Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao 13
Hình 1.10: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng 14
Hình 1.11: Chức năng phối hợp cách điện của MVLA 14
Hình 2.1: Quan hệ V(I) của mô hình MVLA 17
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của mô hình MVLA 18
Hình 2.5: Đặc tuyến V-I của A0 và A 1 của mô hình IEEE 19
Hỡnh 3.1: Dạng xung dũng 8/20às 22
Hình 3.2: Hai thành phần của dạng xung dòng 23
Hình 3.3: Đường cong quan hệ giữa b/a và t2/t 1 23
Hình 3.4: Đường cong quan hệ giữa b/a và at 1 24
Hình 3.5: Đường cong quan hệ giữa b/a và I1/I 24
Hỡnh 3.6: Sơ đồ khối mỏy phỏt xung dũng 8/20às 25
Hỡnh 3.7: Biểu tƣợng của mụ hỡnh nguồn phỏt xung dũng 8/20às 25
Hỡnh 3.8: Khai bỏo thụng số của mụ hỡnh xung dũng 8/20às 26
Hỡnh 3.9: Sơ đồ mụ phỏng mỏy phỏt xung dũng 8/20às 26
Hỡnh 3.10: Cỏc thụng số mỏy phỏt xung dũng 8/20às 26
Hỡnh 3.11: Dạng nguồn xung dũng 3kA, 5kA, 10kA 8/20às 27
Hình 3.12: Hộp thoại của mô hình MVLA trong Matlab 27
Hình 3.13: Mạch mô phỏng đáp ứng của MVLA ứng với xung dòng 10kA 8/20às 28
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A 0 29
Hình 3.15: Mô hình điện trở phi tuyến của MVLA theo PINCETI 30
Hình 3.16: Mô hình MVLA theo PINCETI bằng Matlab 30
Hình 3.17: Mô hình MVLA theo PINCETI 30
Hình 3.18: Thông tin cho khối trong thanh Documentation theo PINCETI 31
Hình 3.19: Tạo thông tin cho khối trong thanh Parameters & Dialog theo
Hình 3.20: Nhập các lệnh tính thông số trong thanh Initialization theo
Hình 3.21 Tạo biểu tƣợng cho mô hình trong thanh Icon & Ports theo
Hình 3.22: Biểu tƣợng MVLA theo PINCETI 33
Hình 3.23: Hộp thoại của MVLA theo PINCETI 34
Hình 3.24: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của mô hình MVLA theo PINCETI 34
Hình 3.25: Sơ đồ mô hình mạch thử nghiệm điện áp dƣ của MVLA 35
HVTH: Trần Như Trang xiii
Hình 3.26: Quan hệ điện áp dƣ theo thời gian của MVLA của Hãng Cooper
Hình 3.27: Quan hệ điện áp dƣ theo thời gian của MVLA của Hãng Cooper
Hình 3.28 Quan hệ điện áp dƣ theo thời gian của MVLA của Hãng Ohio
Hình 3.29: Quan hệ điện áp dƣ theo thời gian của MVLA của Hãng Ohio
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng điện áp tại đầu cực MBA phân phối theo khoảng cách lắp đặt MVLA 43
Hình 4.2: Quan hệ điện áp đầu cực MBA theo thời gian khi MVLA gắn ở đầu cực MBA (D=2m) 44
Công cụ Curve Fitting Tool trong Matlab (Hình 4.3) giúp người dùng thực hiện các phép điều chỉnh đường cong hiệu quả Sơ đồ 1 MVLA bảo vệ 2 MBA theo tiêu chuẩn IEEE Std C62.22.2009 (Hình 4.4) cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu trúc bảo vệ Hình 4.5 minh họa mạch mô phỏng mạng phân phối điện, phục vụ cho trạm Tân Cảng 1 và trạm Tân Cảng 2, cho thấy sự kết nối và hoạt động của hệ thống điện trong khu vực.
Hình 4.5 Mạch mô phỏng mạng phân phối điện cung cấp trạm Tân Cảng 1 và trạm Tân Cảng 2 47
Hình 4.7 Quan hệ điện áp đầu cực MBA Tân Cảng 1 (D1=3m)và MBA Tân
Bảng 2.1 trình bày mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện (V-I) cho các điện trở phi tuyến A0 và A1 Bảng 2.2 cung cấp thông số mô hình của IEEE và Pinceti Bảng 3.1 thể hiện đặc tuyến V-I của A0 và A1, trong khi Bảng 3.2 nêu rõ thông số kỹ thuật của hãng Cooper Cuối cùng, Bảng 3.3 tổng hợp kết quả mô phỏng ứng với MVLA của hãng.
Bảng 3.4 trình bày thông số kỹ thuật của MVLA từ hãng Ohio Brass, trong khi Bảng 3.5 tổng hợp kết quả mô phỏng liên quan đến MVLA Ohio Brass Bảng 4.1 cung cấp giá trị điện áp đầu cực của máy biến áp theo khoảng cách D, và Bảng 4.2 nêu rõ giá trị điện áp đầu cực của máy biến áp Tân Cảng 1 và Tân Cảng 2.
TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Công ty Điện lực Thủ Thiêm, thuộc Tổng công ty Điện lực Thành Phố Hồ Chí Minh, quản lý và vận hành lưới điện tại quận 2 và quận 9 Khu vực này có nhiều trạm biến áp chuyên dụng và đường dây phân phối trung áp 22kV, chủ yếu đi trên không Do đó, lưới điện thường xuyên bị ảnh hưởng bởi hiện tượng giông sét, gây ra các sự cố như sét đánh trực tiếp và sét lan truyền trên đường dây và trạm biến áp, ảnh hưởng đến cấp điện cho các trạm công cộng và hoạt động sản xuất kinh doanh trong khu vực.
Để giảm thiểu tác động của giông sét lên lưới điện, Công ty Điện lực Thủ Thiêm đã triển khai nhiều biện pháp như lắp đặt các MVLA trên tất cả các phát tuyến và nhánh rẽ cho trạm phân phối Đặc biệt, tại những khu vực thường xuyên bị giông sét, công ty còn lắp đặt hệ thống dây chống sét độc lập với dây trung hòa, như ở tuyến Bưng Ông Thoàn, tuyến Phong Phú và tuyến dây Phước Lai 22kV thuộc trạm trung gian Cát Lái.
Việc giảm thiểu tác hại của giông sét là vô cùng cần thiết để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giảm chi phí thay thế thiết bị hư hỏng do sét gây ra cho lưới điện và trạm biến áp phân phối Điều này đặc biệt quan trọng đối với Công ty Điện lực Thủ Thiêm tại Thành phố Hồ Chí Minh và Tổng Công ty Điện Lực Thành phố Hồ Chí Minh.
Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra những ưu và nhược điểm của thiết bị chống sét mà Công ty Điện lực Thủ Thiêm đang sử dụng Các nhà cung cấp thiết bị chống sét lớn trong và ngoài nước như Ohio Brass, Cooper, Tuấn Ân, và Sahra đã tổ chức các buổi thuyết trình về công nghệ và đặc tính của từng loại thiết bị Tuy nhiên, nghiên cứu này nhấn mạnh cần có hướng đi sâu hơn và giải quyết các vấn đề cấp thiết cho hệ thống chống sét, nhằm bảo vệ tài sản và đảm bảo an toàn cho người vận hành.
Đề tài "Nghiên cứu giải pháp chống sét lan truyền trên đường nguồn cho trạm phân phối" tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển mô hình chống sét van trung thế (MVLA) Bài viết cũng đề xuất phương án hợp lý để bố trí MVLA nhằm bảo vệ trạm biến áp phân phối điển hình tại Công ty Điện lực Thủ Thiêm, thuộc Tổng Công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh.
NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét liên quan đến MVLA
- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và thông số kỹ thuật của MVLA dạng MOV
- Nghiên cứu mô hình MVLA theo đề xuất của Matlab và theo đề xuất của Pinceti
- Xây dựng mô hình máy phát xung tiêu chuẩn 8/20us
- Xây dựng mô hình MVLA theo đề xuất của Pinceti trong môi trường Matlab
- Đánh giá độ chính xác của các mô hình đề xuất bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng
Đề xuất vị trí lắp đặt hợp lý MVLA bảo vệ MBA trong trạm phân phối điện tại Công ty Điện Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ Chí Minh, bao gồm các mô hình trạm với 1 MBA và 2 MBA, nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động và an toàn cho hệ thống điện.
GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình MVLA theo đề xuất của Pinceti trong môi trường Matlab
Nghiên cứu và đánh giá vị trí lắp đặt MVLA nhằm bảo vệ MBA trong mạng phân phối của Công ty Điện Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ Chí Minh là cần thiết để nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn điện Việc xác định vị trí hợp lý không chỉ giúp tối ưu hóa hệ thống mà còn giảm thiểu rủi ro sự cố, góp phần vào sự phát triển bền vững của mạng lưới điện tại khu vực này.
CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH
- Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét, các hãng thiết bị có liên quan đến MVLA trên lưới trung thế
- Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ Maplap
- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc, thông số kỹ thuật của MVLA kiểu biến trở ôxít kim loại (MOV)
- Lập mô hình MVLA theo đề xuất của Pinceti trong môi trường Matlab
- Lập mô hình MVLA cho trạm phân phối điển hình (1 MBA và 2 MBA) tại Công ty Điện Lực Thủ Thiêm
- Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển.
TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Xây dựng mô hình MVLA theo đề xuất của PINCETI và máy phát xung 8/20, mang lại giao diện và thông số sử dụng thuận tiện trong môi trường Matlab, đảm bảo 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 của Công ty Điện Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ Chí Minh là cần thiết để nâng cao hiệu quả hoạt động và đảm bảo an toàn cho hệ thống điện Việc đề xuất vị trí hợp lý sẽ giúp tối ưu hóa việc sử dụng thiết bị và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.
TÍNH THỰC TIỄN
Nghiên cứu này cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho Điện lực Thủ Thiêm, TP Hồ Chí Minh, cũng như cho các học viên cao học ngành Kỹ thuật điện, nhằm tìm hiểu các biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho sứ cách điện và máy biến áp trong lưới điện phân phối.
Nếu áp dụng kết quả nghiên cứu tại Công ty Điện lực Thủ Thiêm, đề tài có thể được trình bày để xin ý kiến từ Tổng Công Ty Điện Lực Thành Phố.
Hồ Chí Minh để ứng dụng rộng rãi trong các điện lực khu vực thành phố
Phần mềm Matlab, nổi tiếng và phổ biến, đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ nghiên cứu và giảng dạy cho giáo viên và sinh viên ngành điện.
- Đề xuất vị trí hợp lý lắp đặt MVLA bảo vệ Máy biến áp trong mạng phân phối Công ty Điện lực Thủ Thiêm.
NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
Chương 1: Các đặc tính kỹ thuật của MVLA trung thế
Chương 2: Mô hình MVLA trung thế
Chương 3: Mô hình máy phát xung và MVLA trung thế trong Matlab
Chương 4: Nghiên cứu giải pháp chống sét lan truyền trên đường nguồn cho trạm phân phối Công ty Điện lực Thủ Thiêm – Thành Phố Hồ Chí Minh
Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển đề tài.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài sử dụng các phương pháp sau:
Phương pháp nghiên cứu tài liệu là phương pháp chủ đạo trong nghiên cứu, sử dụng các tài liệu có sẵn, tài liệu trên internet và các bài báo khoa học để phục vụ cho đề tài nghiên cứu.
Phương pháp chuyên gia là một phương pháp hỗ trợ quan trọng, trong đó việc tham khảo ý kiến từ các giáo viên hướng dẫn, giảng viên và chuyên gia trong lĩnh vực chống sét được thực hiện để nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng.
Phương pháp mô hình hóa – mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab và mô phỏng MVLA dưới tác dụng của các dạng xung sét không chu kỳ
Phương pháp phân tích và tổng hợp là một công cụ hỗ trợ quan trọng, giúp tổng hợp các ý kiến để rút ra kết luận về những vấn đề đang nghiên cứu Qua đó, phương pháp này giúp hoàn thành nội dung và đáp ứng yêu cầu của đề tài một cách hiệu quả.
CẤU TẠO
MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, hoạt động tương tự như hai diode đấu ngược, với đặc tính đối xứng và vùng đánh thủng dốc, giúp khử xung quá độ đột biến hiệu quả Trong điều kiện bình thường, MOV có trở kháng cao gần như hở mạch, nhưng khi xuất hiện xung đột biến quá áp, nó nhanh chóng chuyển thành đường dẫn trở kháng thấp để triệt tiêu xung Nhờ khả năng hấp thụ năng lượng xung quá độ, MOV bảo vệ các thành phần trong mạch khỏi hư hại.
Hình 1.1:Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I của MOV
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, kết nối qua các biên hạt, tạo nên đặc tính tiếp giáp P-N của chất bán dẫn Những biên này là nguyên nhân khiến biến trở không dẫn điện ở điện áp thấp, đồng thời trở thành nguồn dẫn phi tuyến khi điện áp tăng cao.
MOV được chế tạo từ ZnO, trong đó mỗi hạt ZnO hoạt động như một tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt Hình ảnh vi cấu trúc của ceramic cho thấy các biên hạt ZnO, nơi mà hành vi phi tuyến về điện xảy ra Biến trở có thể được xem như một thiết bị nhiều tiếp giáp, được hình thành từ các liên kết nối tiếp và song song của biên hạt Hành vi điện của thiết bị này có thể được phân tích chi tiết thông qua vi cấu trúc của ceramic, trong đó kích thước hạt và phân bố kích thước hạt đóng vai trò quan trọng.
Hình 1.2: Vi cấu trúc của ceramic
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 với đường kính từ 15 đến 100 μm, trong khi ôxýt kim loại khác 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, cho phép chúng được kết nối nối tiếp hoặc song song.
Việc kết nối các vi biến trở theo kiểu nối tiếp hoặc song song giúp MOV có khả năng tải dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn, đồng thời cải thiện khả năng hấp thu nhiệt và chịu đựng dòng xung đột biến cao.
MOV được sản xuất bằng cách hình thành và tạo 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 đƣợc áp chặt bằng hai phiến kim loại phẳng Hai phiến kim loại này lại đƣợc 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 nhƣ là hằng số, và khoảng từ (2-3,5)V Mối liên hệ này đƣợc xác định nhƣ sau: Điện áp biến trở : V N = (3,5)n (1.1)
Và bề dày của biến trở: D = (n+1)d (V N d)/3,5 (1.2)
Trong bài viết, n đại diện cho số tiếp giáp trung bình giữa các hạt ZnO, trong khi d là kích thước trung bình của các hạt V N là điện áp rơi trên MOV khi nó chuyển từ vùng dòng rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên đường đặc tính V-I với dòng điện 1mA (Hình 1.8).
Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp Chúng gồm 3 vùng cấu trúc (Hình 1.3):
- Vùng I: biên có độ dày khoảng (100-1000) nm và đây là lớp giàu bột
- Vùng II: biên có độ mỏng khoảng (1-100) nm và đây là lớp giàu bột Bi2O 3
Vùng III có đặc điểm nổi bật là tiếp xúc trực tiếp với các hạt ZnO, đồng thời cũng chứa Bi, Co và một số ion oxy xen kẽ, với độ dày chỉ vài nanomet.
Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO
TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO
Biến trở ZnO có cấu trúc phức tạp với nhiều thành phần và hành vi điện của các ôxít ceramic đa tinh thể phụ thuộc vào vi cấu trúc và quá trình xảy ra tại các biên tiếp giáp hạt ZnO Thành phần chính của biến trở là ZnO, chiếm từ 90% trở lên, trong khi phần còn lại bao gồm các ôxít kim loại khác Một hỗn hợp tiêu biểu có thể chứa khoảng 97mol- ZnO.
%ZnO, 1mol-% Sb 2 O 3 , 0,5mol-% mỗi Bi 2 O 3 ,CoO, MnO, và Cr 2 O 3
Quá trình chế tạo biến trở ZnO theo tiêu chuẩn kỹ thuật ceramic bắt đầu bằng việc trộn các thành phần thành hỗn hợp và xay thành bột Hỗn hợp bột sau đó được làm khô và nén thành hình dạng mong muốn Tiếp theo, các viên được vón cục ở nhiệt độ cao từ 1000-1400 độ C Hai phiến kim loại, thường là bằng bạc, được sử dụng làm điện cực tiếp xúc với các hạt vón cục bên ngoài và được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài Cuối cùng, thiết bị được đóng gói bằng vật liệu tổng hợp và sản phẩm hoàn thành được kiểm tra để đảm bảo đáp ứng các tính năng kỹ thuật yêu cầu.
Hình 1.4:MVLA trung thế của Ohio Brass
Hình 1.5:Mặt cắt cấu tạo của MVLA
(Trích Datasheet Dyna Arester của Hãng Ohio Brass trang 204-8)
Cấu trúc của biến trở ôxít kim loại đa tinh thể tự nhiên khiến hoạt động vật lý của nó phức tạp hơn so với chất bán dẫn thông thường Nguyên lý hoạt động của biến trở ZnO được giải thích thông qua hiện tượng điện xảy ra tại vùng biên tiếp giáp của các hạt ôxít kẽm Các lý thuyết ban đầu dựa trên hiện tượng xuyên hầm, nhưng mô hình diode bán dẫn nối tiếp – song song có thể mô tả tốt hơn Cấu trúc cơ bản của biến trở ZnO hình thành từ quá trình tạo hạt ZnO, trong đó vi cấu trúc gần biên tiếp giáp có điện trở suất rất cao (ρ = 10^10 - 10^12 Ωcm) và bên trong hạt có tính dẫn điện cao (ρ = (0,1-10) Ωcm) Điện trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt trong khoảng cách (50-100) nm, tạo thành vùng hẹp, nơi sự thiếu hụt điện tử tự do hình thành vùng nghèo điện tích không gian gần các biên tiếp giáp Hiện tượng này tương tự như tại tiếp giáp p-n của diode bán dẫn, với điện dung của lớp tiếp giáp phụ thuộc vào điện áp đặt vào.
(1.3) Ở đây: V b là điện thế rào; V là điện áp đặt vào; q là điện tích điện tử; s là hằng số điện môi của chất bán dẫn; N là mật độ hạt dẫn
Mật độ hạt dẫn N của ZnO được xác định khoảng 2x10^17/cm^3, trong đó các hạt dẫn trôi tự do tại các vùng hẹp gây ra dòng điện rò Dòng rò này xuất hiện do sự di chuyển của các hạt dẫn qua điện trường rào thấp, được kích hoạt khi nhiệt độ đạt ít nhất 25°C.
Sơ đồ năng lượng của ZnO-biên tiếp giáp-ZnO được thể hiện qua hình 1.6, trong đó điện áp phân cực thuận V L nằm bên trái hạt và điện áp phân cực ngược V R nằm bên phải Độ rộng vùng nghèo được xác định là X L và X R, tương ứng với điện thế rào là L.
Điện thế phân cực tại gốc là o Khi điện áp phân cực tăng, điện thế rào giảm và điện thế tại điểm L tăng lên, dẫn đến sự gia tăng dẫn điện.
Hình 1.6 minh họa sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO, trong đó độ lớn điện thế rào L của biến trở phụ thuộc vào điện áp (Hình 2.7) Sự giảm nhanh chóng của điện thế rào xảy ra ở điện áp cao, đánh dấu thời điểm bắt đầu vùng dẫn phi tuyến.
Cơ chế vận chuyển trong vùng phi tuyến của ZnO rất phức tạp và đang được nghiên cứu sâu hơn Trong vùng dẫn cao, điện trở giới hạn phụ thuộc vào tính dẫn điện của các hạt bán dẫn ZnO, với mật độ hạt dẫn dao động từ 10^17 đến 10^18 /cm^3 Điện trở suất của ZnO đạt giá trị dưới 0,3 Ωcm.
Hình 1.7: Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào.
ĐẶC TÍNH V-I
Đặc tính V-I của MOV như hình 1.8, đặc tính V-I được biểu diễn bằng phương trình dạng hàm mũ (1.4):
I= KV > 1 (1.4) 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 được mô tả qua phương trình log V = B1 + B2 log(I) + B3 e^(-log(I)) + B4 e^(log(I)), với điều kiện I > 0.
Hình 1.8: 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 xảy ra rất nhanh trong khoảng thời gian nano giây Hình 1.9 minh họa đường cong (1) cho trường hợp không có biến trở, trong khi đường cong (2) thể hiện trường hợp có biến trở, cho thấy sự không đồng bộ với đường (1) và ảnh hưởng nhanh chóng của điện áp kẹp.
Tuy nhiên thời gian đáp ứng của MOV bị thay đổi do một số lý do:
Điện áp cảm ứng tại đầu dây nối đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng đáng kể điện áp tại đầu cực của biến trở, đặc biệt trong các trường hợp xung dòng cao và độ dốc sườn trước lớn.
- Điện dung ký sinh của chính bản thân MOV
Trở kháng ngoài của mạch ảnh hưởng đến đáp ứng và điện áp kẹp của biến trở, đặc biệt là dưới tác động của dạng sóng dòng điện và độ vọt lố điện áp cực đại tại đầu cực của biến trở trong quá trình tăng dòng điện, như thể hiện trong Hình 1.9.
Hình 1.9: Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao
Hình 1.10: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng
1.5 CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ (MVLA)
MVLA (Medium Voltage Lightning Arrester) là các loại chống sét dùng khá phổ biến hiện nay trên lưới phân phối điện Việt Nam
MVLA được sử dụng để ngăn ngừa điện áp tăng quá cao ở các thiết bị bảo vệ, với yêu cầu kỹ thuật phải phù hợp với mức chịu đựng xung cơ bản BIL của thiết bị Quy trình chọn MVLA cần xem xét khả năng chịu quá áp của thiết bị và đảm bảo hoạt động hiệu quả trong giới hạn cách điện của nó Đặc tính V-I của biến trở ZnO sẽ thay đổi theo thời gian tăng xung dòng, trong khi điện áp kẹp cũng sẽ thay đổi tương ứng với đỉnh dòng xung 8/20μs.
Hình 1.11: Chức năng phối hợp cách điện của MVLA
Hoạt động của MVLA bao gồm:
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
2 Chế độ hoạt động khi có quá áp tạm thời
Do không có khe hở nên MVLA có khả năng chịu đƣợc quá áp tạm thời tốt hơn MVLA SiC rất nhiều
3 Chế độ hoạt động ở dòng xung
Khi xảy ra quá áp xung, các khe hở bắt đầu phóng điện, khiến các đĩa MOV trong hệ thống chống sét hấp thu năng lượng dòng xung và trở nên nóng hơn, từ đó cho phép dòng xung dễ dàng đi qua Khi dòng xung ngừng lại, điện áp chủ yếu rơi trên vòng điện trở, làm giảm điện áp trên các đĩa MOV, dẫn đến giảm năng lượng tiêu tán Nhờ đó, các đĩa MOV phục hồi nhanh chóng, giúp hệ thống chống sét MOV có khả năng chịu đựng tốt hơn các dòng xung có biên độ lớn trong thời gian ngắn hoặc dòng thấp trong thời gian dài so với chống sét SiC.
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 tƣợng 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 ƣu 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 Điện áp phóng thấp không chỉ nâng cao biên hạn bảo vệ giữa chống sét và điện áp xung mà còn giảm thiểu hư hỏng cách điện, từ đó kéo dài tuổi thọ thiết bị.
Khả năng chịu quá áp tạm thời tốt hơn sẽ đƣa đến độ tin cậy đƣợc cải thiện trong các trường hợp quá áp bất thường xảy ra.
Chế độ xác lập
Trong chế độ xác lập, điện áp giữa hai cực của chống sét được xác định là điện áp pha – đất, dẫn đến việc điện áp phân bố đồng đều trên các đĩa MOV.
Chế độ hoạt động khi có quá áp tạm thời
Do không có khe hở nên MVLA có khả năng chịu đƣợc quá áp tạm thời tốt hơn MVLA SiC rất nhiều.
Chế độ hoạt động ở dòng xung
Khi xảy ra quá áp xung, các khe hở bắt đầu phóng điện, khiến các đĩa trong chống sét MOV hấp thu năng lượng và tăng nhiệt độ Điều này cho phép dòng xung dễ dàng chạy qua các đĩa MOV 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 vậy, các đĩa MOV phục hồi nhanh chóng, giúp chống sét MOV có khả năng chịu đựng tốt hơn các dòng xung có biên độ lớn trong thời gian ngắn hoặc dòng thấp trong thời gian dài so với chống sét SiC.
Tính ổn định đối với hoạt động phóng điện
Chống sét MOV có dòng điện theo tần số công nghiệp rất nhỏ, chỉ khoảng 0 đến 2 A, so với dòng điện duy trì của chống sét SiC dao động từ 100 đến 500 A Hơn nữa, các đĩa MOV không cho phép dòng điện theo tần số công nghiệp chạy qua khi điện áp lưới giảm xuống dưới ngưỡng của đặc tính V-I, điều này giúp chống sét MOV có tính ổn định cao hơn 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 ƣu điểm sau:
Cải thiện khả năng bảo vệ chống sét cho thiết bị phân phối là rất quan trọng, đặc biệt đối với các hệ thống sử dụng cách điện rắn như cáp ngầm và máy biến áp phân phối Việc giảm điện áp phóng không chỉ nâng cao biên hạn bảo vệ giữa chống sét và điện áp xung mà còn 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 đƣa đến độ tin cậy đƣợc cải thiện trong các trường hợp quá áp bất thường xảy ra
Mô hình MVLA của Matlab
Mô hình MVLA trong Matlab được hiểu là một điện trở phi tuyến, với đặc tuyến phi tuyến V-I được xây dựng từ ba đoạn khác nhau của phương trình hàm mũ Cụ thể, dòng điện i phụ thuộc vào điện áp V và các tham số như dòng tham chiếu i_ref và I_ref, cùng với hệ số k.
Các giá trị k và α được xác định trong hộp thoại, với mỗi đoạn của phương trình hàm mũ sẽ có giá trị k và α khác nhau Do đó, mối quan hệ dòng áp của mô hình sẽ được thể hiện như Hình 2.1.
Hình 2.1: Quan hệ V(I) của mô hình MVLA
Sơ đồ nguyên lý của mô hình MVLA được trình bày trong Hình 2.2, thể hiện cách thức hoạt động của mô hình Khi điện áp được đưa vào ngõ vào, giá trị điện áp sẽ được lấy giá trị tuyệt đối và chuyển tới ba khối Math Function, được đặt tên lần lượt là segment1, segment2 và segment3, với công thức a i i V ref p v.
The outputs from the Math Function blocks are fed into two Switch blocks, Switch 1 and Switch 2 These blocks compare the values from Segment 1 to determine the results.
Để lựa chọn một trong ba dạng hàm mũ, giá trị dòng điện được đặt trước tại segment 3 Tín hiệu sau đó được chuyển đến khối nhân để xác định dấu, và cuối cùng, giá trị tín hiệu dòng được đưa ra ngõ ra của mô hình.
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của mô hình MVLA.
Mô hình MVLA theo đề xuất của Pincenti
Mô hình đơn giản hóa cho MVLA được xây dựng 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 minh họa trong Hình 2.3.
Mô hình này, dựa trên mô hình IEEE, cho phép thu thập dữ liệu dễ dàng từ datasheets mà không cần điều chỉnh lặp đi lặp lại các thông số Hiệu suất của mô hình được đảm bảo chính xác (Meister và Oliveira, 2005a) Điện dung đã được loại bỏ do ảnh hưởng lớn của nó, chỉ sử dụng các thông số điện Hai điện trở R0 và R1 mắc song song được thay thế bằng một điện trở R để tránh sự bất ổn số học, như thể hiện trong Hình 2.4.
Tuy nhiên, ở đây sẽ xây dựng mô hình hai điện trở phi tuyến A0 và A 1 dựa vào các đường cong đặc tuyến V-I được đề nghị bởi IEEE cho ở Hình 2.4: n r r T r V
Hình 2.4: Đặc tuyến V-I của A0 và A 1 của mô hình IEEE
Bảng 2.1 sau đây trình bày giá trị đỉnh của điện áp dƣ đo đƣợc trong thí nghiệm phóng xung dòng điện sét 10kA, 8/20s nhƣ sau:
Bảng 2.1: Điện áp - dòng điện (V-I) cho điện trở phi tuyến A0 và A1 b Xác định thông số
Các đặc tính của điện trở phi tuyến A0 và A 1 giống nhƣ của mô hình IEEE Các thông số L 0 và L 1 của mô hình MVLA đƣợc tính từ:
Điện áp định mức của MVLA được ký hiệu là V n, trong khi V r1/T 2 đại diện cho điện áp dư cho dòng sét nhanh 10kA ở (1/T 2) Đồng thời, V r8/20 là điện áp dư cho dòng sét 10kA với dạng sóng 8/20às Cuối cùng, R = 1MΩ được thiết lập giữa các thiết bị đầu cuối.
Điện áp định mức của MVLA được ký hiệu là Vr, trong khi V r1/T 2 đại diện cho điện áp dƣ cho dòng sét nhanh 10kA tại (1/T2) Đối với dòng sét 10kA với dạng sóng 8/20às, điện áp dƣ được ký hiệu là V r8/20 Để tránh bất ổn số học, giá trị trở R được đặt là 1 MW.
Phương pháp xác định các thông số của mô hình đơn giản MVLA MOV được trình bày với dữ liệu từ nhà sản xuất Phương pháp này đơn giản, không phức tạp và không yêu cầu phương pháp lặp Đặc biệt, mô hình vẫn có thể thực thi ngay cả khi dữ liệu về điện áp dư không có sẵn Độ chính xác của mô hình sẽ được kiểm chứng thông qua việc xây dựng và mô phỏng bằng chương trình MATLAB.
Các phương trình cho tính toán tham số của mô hình IEEE và Pinceti được trình bày theo Bảng 2.2
Bảng 2.2: Thông số mô hình của IEEE và Pinceti.
Dạng xung dũng 8/20às
Dạng xung sột 8/20às thường xảy ra do cảm ứng từ sét, khi sét đánh vào đường dây trên không ở khoảng cách xa công trình hoặc vào vật gần đường dây Ngoài ra, sự gia tăng điện thế đất do sét đánh gần vị trí công trình cũng có thể gây ra dạng xung này Hình 3.1 minh họa rõ hơn về dạng xung 8/20às.
Hỡnh 3.1: Dạng xung dũng 8/20às
Phương trình mô tả của xung dòng tiêu chuẩn có dạng:
Dạng xung dòng gồm 2 thành phần Ie -at và Ie -bt nhƣ Hình 3.2
Hình 3.2: Hai thành phần của dạng xung dòng
Giá trị của I, a, b có thể xác định từ các dạng xung dòng chuẩn thông qua giá trị đỉnh I1, thời gian đạt đỉnh t1 và thời gian đạt giá trị đỉnh t2, dựa vào các đường cong chuẩn được minh họa trong Hình 3.3, Hình 3.4 và Hình 3.5.
Sử dụng công cụ Curve Fitting Toolbox tìm đƣợc quan hệ giữa b/a và t 2 /t 1 : (b/a)=2,859e-005(t 2 /t 1 ) 4 –0,004598(t2/t 1 ) 3 +0,2502.(t 2 /t 1 ) 2 +3,914.(t 2 /t 1 ) – 9,286 (3.2)
Hình 3.3: Đường cong quan hệ giữa b/a và t 2 /t 1
Sử dụng công cụ Curve Fitting Toolbox tìm đƣợc quan hệ giữa b/a và at 1 :
Hình 3.4:Đường cong quan hệ giữa b/a và at 1
Sử dụng công cụ Curve Fitting Toolbox tìm đƣợc quan hệ giữa b/a và at 1 :
Hình 3.5: Đường cong quan hệ giữa b/a và I 1 /I.
Xõy dựng sơ đồ khối mỏy phỏt xung 8/20às
Để thực hiện các bước, đầu tiên từ thông số (t2/t1) và phương trình (3.2), chúng ta sẽ xác định giá trị (b/a) Sau đó, giá trị này sẽ được thay vào các phương trình (3.3) và (3.4) Cuối cùng, chúng ta sẽ tìm ra các giá trị cần thiết là a và b.
Kết quả thực hiện mụ hỡnh mỏy phỏt xung tiờu chuẩn dạng súng 8/20às trong Matlab trình bày ở Hình 3.6:
Hỡnh 3.6: Sơ đồ khối mỏy phỏt xung dũng 8/20às
Nhóm các khối thành một Subsystem và sử dụng Edit Mask để xây dựng nguồn phát xung hoàn chỉnh với biên độ và dạng sóng do người sử dụng nhập Cuối cùng, lưu lại vào thư viện My Library.
Hỡnh 3.7:Biểu tƣợng của mụ hỡnh xung dũng 8/20às
Dùng Edit Mask để tạo biến yêu cầu nhập vào cho mô hình nguồn phát xung nhƣ Hình 3.8:
Hỡnh 3.8:Khai bỏo thụng số của mụ hỡnh xung dũng 8/20às.
Thực hiện mô phỏng
Hỡnh 3.9: Sơ đồ mụ phỏng mỏy phỏt xung dũng 8/20às
Nhập các thông số cho nguồn xung dòng nhƣ Hình 3.10:
Hỡnh 3.10:Cỏc thụng số mỏy phỏt xung dũng 8/20às
Thực hiện mụ phỏng với xung dũng 8/20às biờn độ 3kA, 5kA, 10kA thu đƣợc kết quả nhƣ Hình 3.11:
Hỡnh 3.11: Dạng nguồn xung dũng 3kA, 5kA, 10kA 8/20às
3.2 MÔ HÌNH MVLA CỦA MATLAB
Hộp thoại khai báo thông số mô hình
Mô hình MVLA trong Matlab có thể được truy xuất từ thư viện của công cụ SimPowerSystems hoặc tìm kiếm bằng từ khóa "Arrester", sau đó một hộp thoại khai báo thông số sẽ xuất hiện như trình bày trong Hình 3.14.
Hình 3.12: Hộp thoại của mô hình MVLA trong Matlab
Các thông số cần khai báo bao gồm:
- Điện áp định mức: V ref (điện áp quy chuẩn của một đĩa MOV)
- Số đĩa trong một MVLA: n
- Dòng điện quy chuẩn trên một đĩa MOV : I ref
- Đặc tuyến V-I của đoạn thứ nhất: giá trị k 1 và 1
- Đặc tuyến V-I của đoạn thứ hai: giá trị k 2 và 2
- Đặc tuyến V-I của đoạn thứ ba: giá trị k 3 và 3
Mạch mô phỏng MVLA của Matlab
Hình 3.13: Mạch mô phỏng đáp ứng của MVLA ứng với xung dũng 10kA 8/20às
3.3 Mô hình MVLA theo PINCETI
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 đo được trong thí nghiệm phóng xung dòng điện sét 10kA với dạng sóng 8/20μs.
Bảng 3.1 Đặc tuyến V-I của A 0 và A 1
Sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 và A 1 tương tự nhau, sau đây sẽ trình bày sơ đồ nguyên lý của phần tử A 0 :
Hình 3.14: 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 trên MVLA 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” nhƣ sau:
Vector giá trị đầu ra (i) là [0 0.00001 0.1 1 3 10 20]*1000 (đơn vị kA) Để thuận tiện cho việc mô phỏng, sử dụng lệnh Edit > "Create subsystem" để nhóm tất cả các khối trong sơ đồ nguyên lý của phần tử phi tuyến A0 và A1 thành biểu tượng như sau:
Hình 3.15: Mô hình điện trở phi tuyến ủa MVLA theo Pinceti
Nhƣ vậy, hai điện trở phi tuyến A 0 và A 1 đã đƣợc tạo xong.
Xây dựng mô hình MVLA hoàn chỉnh
Sử dụng Simulink trong MatLab xây dựng mô hình MVLA theo hoàn chỉnh nhƣ Hình 3.18 :
Mô hình MVLA theo Pinceti được xây dựng bằng Matlab để dễ dàng mô phỏng các loại MOV khác nhau Qua việc sử dụng Edit Mask, các phần tử được nhóm lại thành một khối và đặt lại tên MOV Các biến cho mô hình cũng được khai báo, cùng với việc xây dựng biểu tượng cho MOV, cuối cùng dẫn đến một mô hình MVLA hoàn chỉnh như thể hiện trong Hình 3.19.
Hình 3.17: Mô hình MVLA theo PINCETI
Hộp thông số của mô hình MVLA theo PINCETI.Thực hiện khai báo tính toán các giá trị cho L 1 , A 0 và A 1 để tiến hành mô phỏng MVLA
Các thông số R0 và R1 được bổ sung để khắc phục hạn chế khi kết nối phần tử phi tuyến với cuộn cảm hoặc nguồn dòng khác trong Matlab Giá trị của R0, R1 và Rp khoảng 1MΩ Để tiện lợi trong việc sử dụng, cần tạo hộp thoại và khai báo các thông số cần thiết.
Chọn thanh Documentation, trong mục “Mask Type”, gõ dòng: “MVLA -
PINCETI”, và trong phần “Mask description” ghi các dòng mô tả hoạt động của mô hình (MVLA – PINCETI – MODEL)
Hình 3.18: Thông tin cho khối trong thanh Documentation theo PINCETI
Chọn thanh Parameters and dialog, các thông số cần khai báo bao gồm điện áp định mức (Vn), điện áp dư của MVLA 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 Parameters, gõ dòng: Arrester rated voltage (kV);
- Trong mục Arrester rates votage, đặt tên biến: V n ;
Repeat the above steps to define the values in the dialog box for the model corresponding to the variables: Residual voltage for lightning current impulse (kV) as V1 and Residual voltage for fast front current surge (kV) as Vs.
Hình 3.19: Tạo thông tin cho khối trong thanh Prameters & Dialog theo
Chọn thanh Initialization trong mục Initialization commands, viết các dòng lệnh sau để xác định giá trị L 0 , L 1 :
Hình 3.20: Nhập các lệnh tính thông số trong thanh Initialization theo PINCETI Để thuận lợi cho sử dụng, tạo biểu tƣợng cho mô hình:
Chọn thanh Icon & Ports, trong phần “Icon 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 3.21:Tạo biểu tƣợng cho mô hình trong thanh Icon & Ports theo PINCETI
Nhấn nút Apply, Ok để đóng cửa sổ “Mask Editor”
Lúc này mô hình đã có biểu tƣợng của một MVLA hoàn chỉnh:
Hình 3.22: Biểu tƣợng MVLA theo PINCETI
Nhấp kép vào biểu tƣợng mô hình MVLA Hộp thoại “Block Parameters” sẽ mở ra với các thông số cần khai báo
Hình 3.23: Hộp thoại của MVLA theo PINCETI
Trước khi sử dụng mô hình, cần xác định lại các biến đã được khai báo ở phần đầu Để chọn lại mô hình MVLA, hãy vào thư mục Edit và chọn Look Under Mask.
Phần tử Subsystem của MVLA hiện ra Nhấp lại giá trị các khối điện cảm, khối phi tuyến A0, A1.
Mạch mô phỏng MVLA theo PINCETI
Sử dụng xung dòng chuẩn dạng sóng 8/20s kiểm tra đáp ứng của mô hình MVLA theo PINCETI vừa xây dựng theo mạch mô phỏng ở Hình 3.27:
Hình 3.24: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của mô hình MVLA theo PINCETI
3.3.1 So sánh và đánh giá các mô hình MVLA Để đánh giá độ chính xác của các mô hình MVLA nêu trên, tiến hành xây dựng mô hình mạch thử nghiệm MVLA của một số hãng sản xuất và mô phỏng điện áp dƣ ứng với xung sét tiêu chuẩn
Kết quả mô phỏng điện áp dƣ đƣợc so sánh biên độ điện áp dƣ 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 MVLA 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 dƣ của MVLA trình bày ở Hình 3.25:
Hình 3.25: Sơ đồ mô hình mạch thử nghiệm điện áp dƣ của MVLA
Mô phỏng đáp ứng của MVLA AZG2 của hãng Cooper
+ Điện áp định mức:18kV
+ Dạng xung sột: súng 8/20às
+ Biên độ xung: 5kA, 10kA (trong đề tài chỉ mô phỏng 2 biên độ xung này) b Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật sản phẩm MVLA AZG2 của Hãng Cooper đƣợc 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
Residual voltage for 10kA steep curent pulse (kV): 59.7
Residual voltage for 10kA lightning current pulse 8/20às (kV): 50.7
Residual voltage for 5kA lightning current pulse 8/20às (kV): 46.9 d Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng điện áp dư của MVLA – Hãng Cooper được trình bày cho hai loại xung dòng: 5kA 8/20às trong Hình 3.29 và 10kA 8/20às trong Hình 3.30 Tổng hợp các kết quả mô phỏng được thể hiện trong Bảng 3.X.
Hình 3.26 Quan hệ điện áp dƣ theo thời gian của MVLA của Hãng Cooper
Hình 3.27 Quan hệ điện áp dƣ 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 8/20às Current Wave
Vrcat (kV) là điện áp dư ứng với xung dòng tiêu chuẩn do nhà sản xuất cung cấp, trong khi 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 của mô hình MVLA-Matlab dao động từ 0,05% đến 5,09%, trong khi mô hình MVLA-PINCETI có sai số điện áp dư từ 1,43% đến 3,0%.
Mô phỏng đáp ứng của MVLA EVP của hãng Ohio Brass
+ Điện áp định mức:18kV
+ Dạng xung sột: súng 8/20às
+ Biên độ xung: 5kA, 10kA (trong đề tài chỉ mô phỏng 2 biên độ xung này)
HVTH:Trần Như Trang 39 b Thông số kỹ thuật
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật MVLA của hãng Ohio Brass
8/20às Maximum Discharge Voltage (kV) 3kA 5kA 10kA 20kA
Characteristics 18 15.3 51.6 37.6 344 1 40.4 42.4 45.5 49 c Thông số mô hình
Residual voltage for 10kA steep curent pulse (kV): 51.6
Residual voltage for 10kA lightning current pulse 8/20às (kV): 45.5
Residual voltage for 5kA lightning current pulse 8/20às (kV): 42.4 d Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng điện áp dƣ của MVLA – Hãng OHIO Brass ứng với xung dũng 5kA 8/20às trỡnh bày ở Hỡnh 3.30 và ứng với xung dũng 10kA 8/20às Hỡnh
Hình 3.28 Quan hệ điện áp dƣ theo thời gian của MVLA của Hãng Ohio
Hình 3.29 Quan hệ điện áp dƣ theo thời gian của MVLA của Hãng Ohio (10kA –
Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả mô phỏng ứng với MVLA Ohio Brass
Lightning Impluse Residual Voltage 8/20às Current Wave
Ghi chú về các điện áp trong mô hình điện: Vrcat (kV) là điện áp dư ứng với xung dòng tiêu chuẩn do nhà sản xuất cung cấp, trong khi Vrsim (kV) là điện áp dư mô phỏng Sai số mô hình được tính bằng công thức Er(%) = ((|Vrcat – Vrsim|)/Vrcat) x 100%.
Sai số điện áp dư trong mô hình MVLA-Matlab dao động từ 10,3% đến 14,2%, trong khi đó, mô hình MVLA-PINCETI có sai số điện áp dư thấp hơn, với giá trị từ 1,3% đến 3,2%.
Đánh giá chung
Mô hình MVLA theo PINCETI và mô hình MVLA của Matlab đều cho thấy sai số điện áp dư nhỏ hơn giá trị cho phép (
