Luận văn thạc sĩ: Bảo vệ chống xung quá độ trong mạng hạ áp - Dương Anh Hào

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu bảo vệ chống xung quá độ mạng hạ áp. Phân tích mô hình MOV, đề xuất giải pháp bảo vệ an toàn, hiệu quả cho thiết bị điện.

• Tác giả: Dương Anh Hào
• Người hướng dẫn: PGS. Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Bảo vệ chống xung quá độ trong mạng hạ áp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chống Xung Quá Độ Mạng Hạ Áp

Chống xung quá độ mạng hạ áp là một lĩnh vực quan trọng trong bảo vệ hệ thống điện xoay chiều. Hiện nay, các thiết bị điện-điện tử có mức cách điện xung áp thấp ngày càng được sử dụng rộng rãi, đòi hỏi phương pháp bảo vệ hiệu quả và kinh tế. Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu mô hình thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp. Mục tiêu chính là bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp và an toàn cho các thiết bị. Việc chọn lựa và lắp đặt các thiết bị bảo vệ có hiệu quả cao, khả năng làm việc lâu dài và đáng tin cậy là yếu tố then chốt trong chống xung quá độ hiệu quả.

1.1. Hiện Tượng Quá Độ và Tỷ Lệ Xuất Hiện

Hiện tượng quá độ là những sự thay đổi bất thường trong điện áp, dòng điện hoặc công suất xảy ra trong thời gian ngắn. Tỷ lệ xuất hiện của các hiện tượng này phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, cơ sở hạ tầng điện và vị trí địa lý. Quá áp xung sét là nguyên nhân gây ra nhiều thiệt hại cho các thiết bị điện-điện tử. Hiểu rõ tần suất và mức độ của các xung quá độ giúp thiết kế hệ thống bảo vệ phù hợp.

1.2. Các Thiết Bị Bảo Vệ Quá Áp Phổ Biến

Có nhiều loại thiết bị bảo vệ quá áp mạng hạ áp như máy biến áp cách ly, khe hở phóng điện, diode thác silic và biến trở oxit kim loại (MOV). MOV là lựa chọn hiệu quả nhất nhờ đặc tính bảo vệ ưu việt, chi phí thấp và độ tin cậy cao. Mỗi loại thiết bị có ưu và nhược điểm riêng, cần lựa chọn dựa trên yêu cầu cụ thể của hệ thống.

II. Cấu Tạo và Nguyên Lý Làm Việc của MOV

Biến trở oxit kim loại (MOV) là thiết bị bảo vệ bán dẫn phi tuyến được sử dụng rộng rãi trong hệ thống chống xung quá độ. Cấu tạo cơ bản của MOV bao gồm một lớp oxit kim loại (thường là oxit kẽm ZnO) được phủ giữa hai điện cực kim loại. Cấu trúc vi mô của MOV gồm các hạt ZnO được nối với nhau bằng các ranh giới hạt, tạo thành các điốt song song. Khi xảy ra quá áp xung, MOV sẽ chuyển đổi từ trạng thái cách điện sang trạng thái dẫn điện để bảo vệ các thiết bị phía sau. Tính năng hoạt động của MOV được chia thành ba vùng: vùng dòng điện rò thấp, vùng hoạt động bình thường và vùng dòng điện cao.

2.1. Cấu Trúc và Hoạt Động của MOV Hạ Thế

MOV hạ thế hoạt động dựa trên nguyên lý phi tuyến, cho phép nó cách biệt các xung áp cao trong thời gian siêu ngắn. Cấu trúc này được thiết kế để chịu được các dòng sét xung mạnh mà không bị hư hỏng. Đặc tính V-I phi tuyến giúp MOV bảo vệ hiệu quả thiết bị với sai số điện áp dư thấp hơn 5% so với dữ liệu nhà sản xuất.

2.2. Năng Lượng Cho Phép và Đặc Tính Nhiệt

Năng lượng cho phép của MOV được xác định bởi khả năng tản nhiệt và thời gian phơi nhiễm xung. Công suất tiêu tán trung bình phải được kiểm soát để tránh quá nhiệt. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất MOV là đáng kể, với mức dự trữ an toàn được xác định dựa trên điều kiện hoạt động thực tế.

III. Xây Dựng Mô Hình và Mô Phỏng Trên Matlab

Luận văn này xây dựng mô hình mô phỏng MOV hoàn chỉnh trong môi trường Matlab để phân tích hiệu quả bảo vệ. Mô hình bao gồm các máy phát xung dòng chuẩn (1/5µs, 4/10µs, 8/20µs, 10/350µs) và máy phát xung áp. Khối look-up Table được sử dụng để lưu trữ các đặc tuyến V-I của MOV, cho phép tính toán nhanh chóng điện áp dư (Vr) theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét. Mô hình được xác thực bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế từ nhà sản xuất. Việc xây dựng các phương trình và đặc tuyến liên hệ giúp xác định hệ số dự trữ một cách chính xác.

3.1. Mô Hình Nguồn Phát Xung Chuẩn

Các xung không chu kỳ chuẩn là công cụ quan trọng để kiểm tra hiệu suất chống xung quá độ của MOV. Mô hình nguồn phát xung được xây dựng với các tham số tuân theo tiêu chuẩn quốc tế, cho phép mô phỏng các điều kiện sét thực tế.

3.2. Kiểm Tra Đáp Ứng Mô Hình MOV

Đáp ứng của MOV được kiểm tra với các xung dòng chuẩn khác nhau để đánh giá hiệu suất bảo vệ. Các kết quả mô phỏng cho thấy MOV có thể giảm điện áp xung hiệu quả, bảo vệ các thiết bị phía sau khỏi quá áp.

IV. Đánh Giá Hiệu Quả Bảo Vệ và Khuyến Nghị

Hiệu quả bảo vệ của thiết bị chống sét lan truyền phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm phân vùng bảo vệ, loại MOV sử dụng và cách mắc kết nối. Luận văn so sánh ưu và nhược điểm của MOV đơn khối và MOV đa khối. MOV đơn khối có khả năng tản sét cao nhưng dự trữ an toàn thấp, trong khi MOV đa khối cung cấp dự trữ tốt hơn với khả năng chia tản dòng sét. Điện áp dư được đo lường và so sánh để xác định lựa chọn tối ưu. Khả năng hiển thị tuổi thọ của thiết bị thông qua các chỉ số hiện tại giúp dự báo thời điểm cần thay thế.

4.1. Phân Vùng Bảo Vệ và Các Chỉ Tiêu Chính

Phân vùng bảo vệ là chiến lược quan trọng để bảo vệ toàn bộ hệ thống điện. Các chỉ tiêu chính bao gồm hệ số dự trữ, điện áp dư, khả năng tản nhiệt và dòng cho phép. Lựa chọn MOV đúng cách mắc nối tiếp và song song giúp tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ.

4.2. Hướng Phát Triển và Kết Luận

Luận văn cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích cho nhà nghiên cứu, giảng viên và sinh viên trong việc nghiên cứu chống xung quá độ hiệu quả. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp các thiết bị bảo vệ khác và tối ưu hóa mô hình cho các điều kiện hoạt động phức tạp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hậu Việt Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét. Số ngày dông có ở Việt Nam trên toàn khu vực thuộc loại khá lớn. Trong mạng điện, quá điện áp và quá trình quá độ do sét đánh là nguyên nhân chủ yếu gây ra các sự cố lưới điện và làm hư hỏng các thiết bị lắp đặt trên lưới.

Nên việc đề ra các giải pháp chống sét, lựa chọn, phối hợp các thiết bị bảo vệ phù hợp và nghiên cứu chế tạo thiết bị chống sét đóng vai trò rất quan trọng. Hiện nay chống sét trực tiếp đã được quan tâm tương đối với các giải pháp từ cổ điển đến hiện đại. Tuy nhiên, số liệu thống kê chỉ ra hơn 70% hư hỏng do sét gây ra lại do sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng theo đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu. Bên cạnh việc nghiên cứu chống sét đánh trực tiếp, việc nghiên cứu chống sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng trên đường nguồn cũng đóng một vai trò quan trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ chống quá điện áp do sét phù hợp.

Nhìn chung, mạng hạ áp không truyền tải công suất lớn nhưng lại trải trên diện rộng và cung cấp điện năng trực tiếp cho các hộ tiêu thụ nên nó lại là nguyên nhân dẫn sét vào công trình, gây ngừng dịch vụ, hư hỏng thiết bị. Thống kê cho thấy, hậu quả không mong muốn của quá áp do sét lan truyền trên mạng phân phối hạ áp gây ra thiệt hại rất lớn và nhiều lúc không thể đánh giá cụ thể được. Vấn đề được đề cập một cách cấp bách trong những năm gần đây là các trang thiết bị điện tử đã trở thành các thiết bị được sử dụng ngày càng nhiều và rất phổ biến trong các tòa nhà, các công trình ở mọi lĩnh vực như Bưu chính viễn thông, Phát thanh, Truyền hình, công nghiệp …. Các thiết bị này vốn rất nhạy cảm với điện áp và cách điện dự trữ của chúng rất mong manh vì thế cần phải tính toán lựa chọn, phối hợp và kiểm tra các thiết bị bảo vệ chống quá áp một cách hiệu quả, chính xác để tránh xảy ra hư hỏng cho các thiết bị này.

HVTH: Dương Anh Hào Trang 1 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. Quyền Huy Ánh Do các thiết bị chống quá áp là thiết bị phi tuyến cho nên việc đánh giá các đáp ứng ngõ ra ứng với sóng sét lan truyền với mức chính xác cao theo phương pháp giải tích truyền thống gặp nhiều khó khăn. Bên cạnh đó, do nước ta vẫn còn bị hạn chế về trang thiết bị thí nghiệm cao áp, số lượng phòng thí nghiệm cao áp còn khiêm tốn nên rất khó khăn cho công tác thiết kế, nghiên cứu bảo vệ chống quá áp do sét lan truyền tại Việt Nam. Tuy nhiên, ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật mô hình hoá và mô phỏng đã giúp cho chúng ta hiểu biết thêm về sự tương tác giữa các yếu tố cấu thành một hệ thống cũng như toàn bộ hệ thống, đặc biệt là rất hữu ích cho việc mô phỏng sét.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp cùng một số phần mềm mô phỏng hỗ trợ đã đề ra mô hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng mô hình khác nhau. Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hoá mô phỏng và yêu cầu về mức độ chính xác, mức tương đồng cao giữa mô hình và nguyên mẫu, các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng các thiết bị chống sét lan truyền vẫn còn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển. Luận văn này đi sâu vào nghiên cứu mô hình các thiết bị chống quá áp do sét trên đường nguồn hạ áp, sau đó sử dụng phần mềm mô phỏng đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống quá áp. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học trong việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống quá áp dưới tác động của xung sét lan truyền và đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ chống quá áp do sét lan truyền.

Tổng quan về các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp Bảo vệ hệ thống điện xoay chiều hạ áp chống lại các hiện tượng quá áp quá độ đang là mối quan tâm chủ yếu để bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp, bảo đảm an toàn cho các thiết bị. Hiện nay các thiết bị điện-điện tử có mức điện áp chịu xung HVTH: Dương Anh Hào Trang 2 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. Quyền Huy Ánh thấp ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện, phương pháp hữu hiệu và kinh tế nhất để bảo vệ quá áp cho thiết bị chính là chọn và lắp đặt các thiết bị bảo vệ có khả năng làm việc lâu dài và đáng tin cậy. Giới thiệu Việc sử dụng ngày càng nhiều các phần tử bán dẫn trong hệ thống điện hiện đại đã dẫn đến sự tăng cường mối quan tâm về độ tin cậy của hệ thống.

Đây là kết quả của việc các phần tử bán dẫn rất nhạy cảm với các hiện tượng quá áp có thể xuất hiện trong hệ thống điện phân phối xoay chiều. Việc sử dụng các phần tử bán dẫn ban đầu cũng bị hư hỏng rất nhiều mà không thể giải thích. Nghiên cứu các hư hỏng này cho thấy chúng bị hư hỏng là do các điều kiện quá áp khác nhau xuất hiện trong hệ thống phân phối. Điện áp quá độ là kết quả của sự phóng thích đột ngột của năng lượng tồn tại trước đó từ các điều kiện như sét đánh, đóng cắt tải có tính cảm, xung điện từ hay phóng điện các điện cực.

Các hư hỏng gây ra bởi hiện tượng quá độ phụ thuộc vào tần số xuất hiện, giá trị đỉnh và dạng sóng của quá độ. Quá áp trong mạch điện chính xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh viễn hay tạm thời của các phần tử điện tử và hệ thống. Bảo vệ chống lại quá áp quá độ có thể thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc biệt mà sẽ giới hạn biên độ của quá áp quá độ bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bởi việc làm chệch hướng quá độ bằng một trở kháng nhỏ mắc shunt. Các nhà thiết kế khôn ngoan sẽ quyết định sự cần thiết của việc bảo vệ quá áp quá độ trong giai đoạn thiết kế sớm nhất.

Nếu không phải tốn nhiều thời gian để thấy thật cần thiết phải trang bị các bộ bảo vệ quá áp quá độ cho các thiết bị hiện hữu. Điều này sẽ tốn nhiều tiền do phải tạm ngưng hoạt động của các máy móc của khách hàng và phải chịu tổn thất kinh doanh tiềm tàng khi ngừng hoạt động. Không kể đến trong một số hệ thống việc trang bị thêm các bộ bảo vệ quá áp sẽ làm hệ thống trở nên mất ngăn nắp bởi vì không gian yêu cầu cho chúng không có trong thiết kế ban đầu. Các thiết bị được chọn bảo vệ hệ thống phải có khả năng làm tiêu HVTH: Dương Anh Hào Trang 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.

Quyền Huy Ánh tán năng lượng xung của quá độ vì thế hệ thống đang được bảo vệ sẽ không còn bị ảnh hưởng. Hiện tượng quá độ Vấn đề căn bản chính là sự xuất hiện các xung quá áp trên điện áp bình thường của hệ thống. Quá áp trong hệ thống điện đôi lúc có thể giải thích và đôi khi lại thật khó giải thích; chúng là một dạng nhiễu loạn, sự tăng lên, sự sụt xuống, sự cắt điện hay là sự kết hợp các yếu tố trên và đây là các khái niệm tổng quát hóa về hiện tượng quá độ. Một kết quả phổ biến khi hiện tượng quá áp này xuất hiện là sự hư hỏng nhanh chóng của các phần tử bán dẫn và các phần tử nhạy cảm khác.

Một ảnh hưởng nghiêm trọng khác là sự mất khả năng điều khiển hệ thống logic, khi đó hệ thống có thể hiểu các xung quá độ là tín hiệu điều khiển và cố gắng thực hiện theo. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định nguyên nhân của xung quá độ trong hệ thống điện, và kết quả thu được có thể cho là do một trong những nguyên nhân sau:  Sét.  Đóng, cắt các tiếp điểm ở trạng thái mang tải.  Sự lan truyền xung thông qua các máy biến áp.

 Sự thay đổi tải trong các hệ thống gần kề.  Sự dao động và các xung công suất.  Ngắn mạch hay nổ cầu chì. Hệ thống điện gồm một mạng lớn các đường dây truyền tải, phân phối nối với nhau và thường bị nhiễu bởi các quá độ bắt nguồn từ một trong các nguồn đã đề cập ở trên.

Quá độ do sét có thể tạo ra một dòng điện rất cao trong hệ thống. Các tia sét này thường đánh vào các dây truyền tải sơ cấp, nhưng có thể truyền qua các dây thứ cấp thông qua các điện cảm hay tụ điện mắc trong mạch. Đôi khi các tia sét đánh HVTH: Dương Anh Hào Trang 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. Quyền Huy Ánh trực tiếp vào hệ thống bảo vệ chống sét hay các cấu trúc kim loại của các tòa nhà cũng gây nên hiện tượng quá áp trên hệ thống điện trong tòa nhà do việc lan truyền của xung sét.

Thậm chí khi tia sét không đánh trúng đường dây cũng có thể cảm ứng một điện áp đáng kể trên đường dây sơ cấp, các chống sét van hoạt động và sinh ra quá độ. Quá độ do đóng cắt ít nguy hiểm hơn nhưng xảy ra thường xuyên hơn. Đóng cắt lưới điện có thể gây ra quá độ làm hư hỏng các thiết bị đấu nối trên lưới. Việc sử dụng các Thyristor trong mạch đóng cắt hay điều khiển công suất cũng có thể tạo ra quá độ như vậy.

Nghiên cứu và thực nghiệm đã cho thấy trong hệ thống điện hạ áp xoay chiều công nghiệp hay dân dụng, biên độ của quá độ tương ứng với tỷ lệ xuất hiện của nó, ví dụ như biên độ quá độ nhỏ thì xuất hiện thường hơn. Tổ chức IEEE và ANSI, đã thiết lập một tài liệu cung cấp các nguyên tắc chủ yếu về các điều kiện quá độ có thể bắt gặp trong hệ thống điện hạ áp xoay chiều. Tài liệu này được gọi là tiêu chuẩn IEEE/ANSI C62.41 được phát triển năm 1980.