MỞ ĐẦU I. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 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. Hàng năm, ngành điện Việt Nam có khoảng vài ngàn sự cố, trên 60% trong số đó là do sét gây ra.
Đặc biệt ngày vào 19h41 phút ngày 30/5/2016, sét đánh trên hệ thống đường dây làm bật 2 đường dây 500kV Hà Tĩnh – Đà Nẵng và Vũng Áng – Đà Nẵng, gây mất liên kết hệ thống điện làm mất điện nhiều khu vụ miền Trung và miền Nam khoảng 50 phút. Mọi thiết bị điện khi lắp đặt vào lưới điện đều được lựa chọn dựa vào điện áp định mức của lưới điện mà thiết bị được đấu vào. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi lúc xảy ra quá điện áp do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể do các sự cố chạm đất, do thao tác đóng cắt, hoặc do sét đánh trực tiếp hay lan truyền. Trong đó quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn dễ dàng gây ra phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị, ảnh hưởng đến toàn hệ thống.
Do đó, MVLA thường được sử dụng để bảo vệ cách điện của thiết bị được đấu vào hệ thống điện khỏi các tác hại quá điện áp do sét. Trong khá nhiều nghiên cứu các mô hình chống sét oxit kim loại của nhiều tác giả trong và ngoài nước, cũng như các giải pháp bảo vệ quá áp dựa trên các chống sét kim loại rất hiệu quả, tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu về tiêu chuẩn kỹ thuật ngày càng cao của các thiết bị cần được bảo vệ, vì thế để lựa chọn được một mô chống sét kim loại với các đặt tính kỹ thuật phù hợp chúng ta cần xây dựng các mô hình kết hợp với các thuật toán để so sánh đưa ra một mô hình chống sét van hiệu quả phù hợp với thực tế và đặt thù của từng hệ thống điện cũng như nhu cầu bảo vệ cao của thiết bị, điều này đã được chứng minh từ các tài liệu của một số tác giả của các trường nổi tiếng trên thế giới như: Trường Đại học Kỹ thuật Quốc gia Athens; Trường Đại học Queensland Úc;…v. HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 1 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hiện nay, trong điều kiện không thể thử nghiệm hiệu quả bảo vệ của MVLA trên hệ thống phân phối thực thì phương pháp mô hình hóa mô phỏng được ưu tiên áp dụng. Phần mềm Matlab cũng đề xuất mô hình chống sét van cao áp trong thư viện của SymPowerSystems.
Tuy nhiên, mô hình này cũng có nhiều hạn chế như: mô hình đơn giản, yêu cầu các thông số đầu vào không dễ tìm thấy trong catalogue của nhà sản xuất. Vì vậy, việc nghiên cứu và đề xuất mô hình MVLA có độ chính xác cao so với nguyên mẫu nhưng không đòi hỏi các thông số đầu vào phức tạp là yêu cầu bức thiết. Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài: “Nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau” đi sâu vào nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van dạng oxyt kim loại trung thế (MVLA) và đề xuất phương án hợp lý bố trí chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối điển hình tại Huyện Phú Tân, Tỉnh Cà Mau. Kết quả nghiên cứu cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích với phần mềm thông dụng Matlab cho các công ty điện lực, các học viên cao học ngành kỹ thuật điện…trong việc nghiên cứu các hành vi và đáp ứng của MVLA dưới tác động của xung sét lan truyền trong điều kiện không thể đo thử thực tế, đồng thời sử dụng kết quả mô phỏng để xác định phương án bố trí hợp lý MVLA trong việc 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. ✓ Đánh giá độ chính xác của các mô hình đề xuất bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng.
HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 2 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh ✓ 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 MVLA; ✓ Lập mô hình máy phát xung sét 8/20us; ✓ Thực thi mô hình; ✓ Đánh giá mô hình. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI ✓ Xây dựng mô hình MVLA theo đề xuất của P-K và mô hình máy phát xung 8/20µs có giao diện và thông số sử dụng thuận tiện trong mô trường Matlab, có độ chính xác cao so với nguyên mẫu.
✓ 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 Huyện Phú Tân, Tỉnh Cà Mau. TÍNH THỰC TIỄN ✓ Cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích với phần mềm thông dụng Matlab cho các công ty điện lực, các học viên cao học ngành kỹ thuật điện…trong việc nghiên cứu các hành vi và đáp ứng của MVLA dưới tác động của xung sét lan truyền trong điều kiện không thể đo thử 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 : Mở Đầu.
HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 3 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương 1: Chống sét van trung áp dạng MOV. Chương 2: Mô hình MVLA 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. HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 4 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương 1 CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP DẠNG MOV (MVLA) 1. CẤU TẠO BIẾN TRỞ OXYT KIM LOẠI MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp mà hành vi về điện giống như hai diode đấu ngược lại (back –to –back).
Với đặc tính đối xứng, đặc tính vùng đánh thủng (về điện) rất dốc cho phép MOV có tính năng khử xung quá độ đột biến hoàn hảo. Trong điều kiện bình thường biến trở là thành phần có trở kháng cao gần như hở mạch. Khi xuất hiện xung đột biến quá áp cao, MOV sẽ nhanh chóng trở thành đường dẫn trở kháng thấp để triệt xung đột biến. Phần lớn năng lượng xung quá độ được hấp thu bởi MOV cho nên các thành phần trong mạch được bảo vệ tránh hư hại.
Thành phần cơ bản của biến trở là ZnO với thêm một lượng nhỏ bismuth, cobalt, manganses và các ôxít kim loại khác. Cấu trúc của biến trở bao gồm một ma trận hạt dẫn ZnO nối qua biên hạt cho đặc tính tiếp giáp P-N của chất bán dẫn. Các biên này là nguyên nhân làm cho biến trở không dẫn ở điện áp thấp và là nguồn dẫn phi tuyến khi điện áp cao.1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I. Hỗn hợp rắn ôxýt kẽm với ôxýt kim loại khác dưới điều kiện đặc biệt tạo nên ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp.
Hiện tượng này HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 5 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh gọi là hiệu ứng biến trở. Bản thân hạt ôxýt kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt khoảng (15 –100) m, trong khi ôxýt kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao. Chỉ tại các điểm ôxýt kẽm gặp nhau tạo nên “vi biến trở”, tựa như hai diode zener đối xứng, với mức bảo vệ khoảng 3,5V. Chúng có thể nối nối tiếp hoặc song song (Hình 2.
Việc nối nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có khả năng tải được dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn, hấp thu nhiệt tốt và có khả năng chịu được dòng xung đột biến cao. MOV được chế tạo từ việc hình thành và tạo hạt ZnO dạng bột vào trong các thành phần ceramic. Các hạt ZnO có kích thước trung bình là d, bề dày biến trở là D, ở hai bề mặt khối MOV được áp chặt bằng hai phiến kim loại phẳng. Hai phiến kim loại này lại được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài 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 đó: n là số tiếp giáp trung bình giữa các hạt ZnO; d là kích thước trung bình của hạt; VN là điện áp rơi trên MOV khi MOV chuyển hoàn toàn từ vùng dòng rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên đường đặc tính V-I với dòng điện 1mA (Hình 2. 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. HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 6 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 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.2: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 1. 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.