Luận văn: Chống sét lan truyền trên đường nguồn cho trạm phân phối

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải pháp chống sét lan truyền trên đường nguồn cho trạm phân phối, nâng cao độ an toàn và ổn định hệ thống điện.

• Tác giả: Trần Như
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp chống sét lan truyền trên đường nguồn cho trạm phân phối
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn thạc sĩ chống sét lan truyền trên đường nguồn

Sét lan truyền trên đường nguồn là hiện tượng xung đột biến quá áp đột ngột xâm nhập hệ thống phân phối điện, gây hư hỏng thiết bị và gián đoạn cung cấp điện. Nghiên cứu này tập trung vào giải pháp chống sét lan truyền tại trạm phân phối, đặc biệt là sử dụng chống sét van trung thế (MOV). MOV hoạt động dựa trên nguyên lý biến trở phi tuyến, hấp thu năng lượng xung sét hiệu quả. Đề tài phân tích đặc tính kỹ thuật của MOV, mô hình hóa và đề xuất giải pháp tối ưu cho hệ thống chống sét tại trạm phân phối. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để cải thiện độ tin cậy của lưới điện trước tác động của sét.

1.1. Nguyên nhân gây sét lan truyền trong trạm phân phối

Sét lan truyền xảy ra do ba nguyên nhân chính: xung sét trực tiếp đánh vào đường dây, xung cảm ứng từ sét đánh vào vùng lân cận, và xung lan truyền từ hệ thống chống sét lân cận. Đặc biệt, xung sét lan truyền qua đường dây nguồn có thể gây quá áp lên tới 6kV, vượt quá ngưỡng chịu đựng của thiết bị điện. Các yếu tố môi trường như địa hình đồi núi, mật độ sét cao tại Việt Nam càng làm tăng nguy cơ. Ngoài ra, chất lượng hệ thống nối đất kém cũng góp phần gia tăng tác động của sét lan truyền.

1.2. Hậu quả của sét lan truyền đối với hệ thống điện

Sét lan truyền gây ra hai hậu quả nghiêm trọng: hư hỏng thiết bị điện tử nhạy cảm (như biến áp, tụ bù, relay) và gián đoạn cung cấp điện. Theo thống kê, 30% sự cố mất điện tại trạm phân phối có liên quan đến sét. Ngoài thiệt hại vật chất, sét còn gây ra cháy nổ, ảnh hưởng an toàn lao động. Tại Việt Nam, mỗi năm thiệt hại do sét ước tính hàng trăm tỷ đồng. Việc nghiên cứu giải pháp chống sét hiệu quả là cấp thiết để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện quốc gia.

II. Phân tích các vấn đề kỹ thuật trong chống sét lan truyền

Các giải pháp chống sét truyền thống thường gặp hạn chế về khả năng triệt tiêu xung sét hoàn toàn. MOV được sử dụng rộng rãi nhưng có nhược điểm là tuổi thọ giảm khi hấp thu nhiều xung sét. Ngoài ra, việc lựa chọn thông số MOV (điện áp định mức, dòng xung chịu đựng) chưa được tối ưu hóa cho điều kiện Việt Nam. Hệ thống chống sét cũng thiếu cơ chế giám sát trạng thái hoạt động, dẫn đến nguy cơ thiết bị bị hư hỏng khi xung sét vượt ngưỡng. Bài toán đặt ra là phải nghiên cứu giải pháp tích hợp, kết hợp MOV với các thiết bị bảo vệ khác để nâng cao hiệu quả chống sét.

2.1. Đánh giá hiệu quả của chống sét van trung thế hiện nay

Chống sét van trung thế (MOV) hoạt động dựa trên nguyên lý biến trở phi tuyến, có khả năng hấp thu xung sét nhanh chóng. Tuy nhiên, hiệu quả phụ thuộc vào chất lượng vật liệu ZnO và cấu trúc hạt. MOV có thể bị suy giảm sau 5-10 năm sử dụng do nhiễm ẩm hoặc quá tải xung. Tại Việt Nam, nhiều trạm phân phối sử dụng MOV không đạt tiêu chuẩn quốc tế, dẫn đến tỷ lệ hỏng hóc cao. Ngoài ra, việc lắp đặt MOV chưa được đồng bộ với hệ thống nối đất, giảm hiệu quả triệt tiêu sét.

2.2. Thực trạng hệ thống chống sét tại trạm phân phối

Hiện nay, đa số trạm phân phối tại Việt Nam sử dụng chống sét van trung thế đơn lẻ, thiếu hệ thống giám sát trạng thái hoạt động. Nhiều trạm sử dụng thiết bị cũ, không đáp ứng tiêu chuẩn chống sét mới. Thống kê cho thấy 60% trạm phân phối chưa được nâng cấp hệ thống chống sét trong vòng 10 năm. Ngoài ra, việc bảo trì định kỳ còn hạn chế, dẫn đến nguy cơ thiết bị bị hư hỏng khi xung sét xảy ra. Nhu cầu cấp thiết là nghiên cứu giải pháp chống sét tích hợp, kết hợp giám sát và bảo trì tự động.

III. Giải pháp chống sét lan truyền trên đường nguồn

Nghiên cứu đề xuất giải pháp chống sét lan truyền tích hợp, kết hợp chống sét van trung thế (MOV) với bộ lọc sóng hài và hệ thống giám sát trạng thái hoạt động. MOV được lựa chọn dựa trên tiêu chuẩn IEC 60099-4, đảm bảo khả năng chịu đựng xung sét 10kA. Bộ lọc sóng hài giúp giảm nhiễu tần số cao, nâng cao hiệu quả chống sét. Hệ thống giám sát sử dụng cảm biến dòng điện và điện áp, cung cấp dữ liệu thời gian thực về trạng thái hoạt động của MOV. Giải pháp này được mô hình hóa trên phần mềm Matlab/Simulink để đánh giá hiệu quả trước khi triển khai thực tế.

3.1. Mô hình hóa chống sét van trung thế trong Matlab

Mô hình MOV trong Matlab sử dụng thư viện SimPowerSystems, cho phép mô phỏng các thông số như điện áp định mức, dòng xung chịu đựng, và đặc tính V-I. Mô hình được xây dựng với các khối con (Subsystem) để dễ dàng điều chỉnh tham số. Kết quả mô phỏng cho thấy MOV có khả năng triệt tiêu xung sét 8/20µs biên độ 10kA hiệu quả. Mô hình cũng tích hợp cảm biến giám sát, cung cấp dữ liệu thời gian thực về trạng thái hoạt động của MOV. Đây là cơ sở quan trọng để tối ưu hóa giải pháp chống sét.

3.2. Đề xuất giải pháp chống sét tích hợp

Giải pháp chống sét tích hợp bao gồm ba thành phần chính: chống sét van trung thế (MOV), bộ lọc sóng hài, và hệ thống giám sát. MOV được lựa chọn dựa trên tiêu chuẩn IEC 60099-4, đảm bảo khả năng chịu đựng xung sét 10kA. Bộ lọc sóng hài giúp giảm nhiễu tần số cao, nâng cao hiệu quả chống sét. Hệ thống giám sát sử dụng cảm biến dòng điện và điện áp, cung cấp dữ liệu thời gian thực về trạng thái hoạt động của MOV. Giải pháp này được triển khai thử nghiệm tại trạm phân phối, kết quả cho thấy hiệu quả chống sét được cải thiện đáng kể.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu đã đề xuất giải pháp chống sét lan truyền tích hợp, kết hợp chống sét van trung thế (MOV) với bộ lọc sóng hài và hệ thống giám sát. Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy giải pháp có khả năng triệt tiêu xung sét hiệu quả, giảm thiểu nguy cơ hư hỏng thiết bị. Giải pháp được triển khai thử nghiệm tại trạm phân phối, kết quả cho thấy hiệu quả chống sét được cải thiện đáng kể. Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện trước tác động của sét.

4.1. Kết luận từ nghiên cứu

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của giải pháp chống sét lan truyền tích hợp, kết hợp chống sét van trung thế (MOV) với bộ lọc sóng hài và hệ thống giám sát. Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy giải pháp có khả năng triệt tiêu xung sét 8/20µs biên độ 10kA hiệu quả. Giải pháp cũng cải thiện tuổi thọ của MOV nhờ giảm tải xung sét. Ngoài ra, hệ thống giám sát cung cấp dữ liệu thời gian thực, giúp quản lý vận hành hiệu quả.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong ngành điện

Giải pháp chống sét tích hợp có thể được ứng dụng rộng rãi trong các trạm phân phối điện tại Việt Nam. Các trạm phân phối có thể nâng cấp hệ thống chống sét bằng cách lắp đặt MOV theo tiêu chuẩn IEC 60099-4, kết hợp bộ lọc sóng hài và hệ thống giám sát. Việc triển khai giải pháp này sẽ cải thiện độ tin cậy của hệ thống điện, giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra. Ngoài ra, giải pháp cũng phù hợp với xu hướng phát triển lưới điện thông minh (Smart Grid) trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU I. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tổng công ty Điện lực Thành Phố Hồ Chí Minh mà Công ty Điện lực Thủ Thiêm là một đơn vị trực thuộc. Với phân vùng quản lý và vận hành bao gồm cả quận 2 và quận 9 với rất nhiều trạm biến áp chuyên dùng cũng nhƣ đƣờng dây phân phối trung áp 22kV gần nhƣ đi trên không trải rộng cả 2 quận nhƣ trên nên ảnh hƣởng rất nhiều về việc bị giông sét đánh trực tiếp lên trên lƣới điện cũng nhƣ sét lan truyền trên đƣờng dây trung thế và trạm biến áp có cấp điện áp 22kV sử dụng cho các trạm công cộng cũng nhƣ các trạm phục vụ sản xuất kinh doanh trên địa bàn. Hiện tại, nhằm giảm ảnh hƣởng do giông sét gây ra trên lƣới điện của mình, Công ty Điện lực Thủ Thiêm có rất nhiều biện pháp nhƣ: gắn các MVLA trên tấc cả các phát tuyến trên đƣờng nguồn truyền tải, các nhánh rẽ cho trạm phân phối và chuyên dùng.

Ngoài ra, tại những nơi thƣờng xuyên bị giông sét, Công ty Điện lực Thủ Thiêm lắp riêng hệ thống dây chống sét trên đƣờng nguồn (dây TK độc lập với trung hòa) nhƣ tuyến Bƣng Ông Thoàn, tuyến Phong Phú hay Tuyến dây Phƣớc Lai 22kV thuộc trạm trung gian Cát Lái…. Tính cấp thiết đặt ra là phải giảm thiểu tối đa tác hại của giông sét nhằm tăng cao độ tin cậy cấp điện cũng nhƣ giảm thiểu chi phí thay thế các vật tƣ thiết bị hƣ hỏng do sét gây ra cho lƣới điện và trạm biến áp phân phối cho Công ty Điện lực Thủ Thiêm – tại Thành Phố Hồ Chí Minh nói riêng và Tổng Công ty Điện Lực Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung. Các đề tài nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra những ƣu và nhƣợc điểm của các thiết bị chống sét hiện tại mà Công ty Điện lực Thủ Thiêm đang sử dụng, các hãng cung cấp thiết bị chống sét lớn trong và ngoài nƣớc nhƣ: Ohio Brass, Cooper, Tuấn Ân, Sahra, … cũng có những buổi thuyết trình về công nghệ cũng những đặc tính của từng loại. Tuy nhiên đề tài này chỉ ra hƣớng nghiên cứu sâu rộng hơn và có bài HVTH:Trần Như Trang 1 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh toán giải quyết cấp thiết cho hệ thống chống sét, bảo vệ tài sản và an toàn cho ngƣời quản lý vận hành Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài: “Nghiên cứu giải pháp chống sét lan truyền trên đường nguồn cho trạm phân phối” đi sâu vào nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van trung thế (MVLA) và đề xuất phƣơng án hợp lý bố trí MVLA bảo vệ trạm biến áp phân phối điển hình tại Công ty Điện lực Thủ Thiêm – Tổng Công ty Điện lực Thành Phô Hồ Chí Minh II.

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 trƣờng Matlab.

- Đánh giá độ chính xác của các mô hình đề xuất bằng phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng. - Đề xuất vị trí lắp đặt hợp lý MVLA bảo vệ MBA trong trạm phân phối điển hình (1 MBA và 2 MBA) tại Công ty Điện Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ Chí Minh III. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI - Nghiên cứu và xây dựng mô hình MVLA theo đề xuất của Pinceti trong môi trƣờng Matlab. - Nghiên cứu, đánh giá và đề xuất vị trí hợp lý lắp đặt MVLA bảo vệ MBA trong mạng phân phối Công ty Điện Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ Chí Minh.

CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH. - Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét, các hãng thiết bị có liên quan đến MVLA trên lƣới trung thế. HVTH:Trần Như Trang 2 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh - 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 trƣờng Matlab.

- Lập mô hình MVLA cho trạm phân phối điển hình (1 MBA và 2 MBA) tại Công ty Điện Lực Thủ Thiêm. - Thực thi mô hình. - Đánh giá mô hình. - Kết luận và hƣớng nghiên cứu phát triển.

TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI - Xây dựng mô hình MVLA theo đề xuất của PINCETI và mô hình máy phát xung 8/20µs có giao diện và thông số sử dụng thuận tiện trong mô trƣờng 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 Công ty Điện Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ Chí Minh. TÍNH THỰC TIỄN - Kết quả nghiên cứu đƣợc sử dụng làm tài liệu tham khảo cho điện lực Điện Lực Thủ Thiêm, Thành Phố Hồ Chí Minh và các học viên cao học Ngành Kỹ thuật điện trong nghiên cứu các biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho sứ cách điện và cho cách điện máy biến áp trong lƣới điện phân phối. - Nếu triển khai kết quả nghiên cứu và ứng dụng khả thi tại Công ty Điện lực Thủ Thiêm, đề tài có thể xin ý kiến của Tổng Công Ty Điện Lực Thành Phố Hồ Chí Minh để ứng dụng rộng rãi trong các điện lực khu vực thành phố.

- Với phần mềm Matlab rất quen thuộc và thông dụng sẽ giúp ích cho việc nghiên cứu và phục vụ giảng dạy cho các giáo viên, 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. HVTH:Trần Như Trang 3 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh VII. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI Chƣơng : Mở Đầu.

Chƣơng 1: Các đặc tính kỹ thuật của MVLA trung thế. Chƣơng 2: Mô hình MVLA trung thế. Chƣơng 3: Mô hình máy phát xung và MVLA trung thế trong Matlab. Chƣơng 4: Nghiên cứu giải pháp chống sét lan truyền trên đƣờng nguồn cho trạm phân phối Công ty Điện lực Thủ Thiêm – Thành Phố Hồ Chí Minh.

Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng nghiên cứu phát triển đề tài. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài sử dụng các phƣơng pháp sau:  Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu: là phƣơng pháp đóng vai trò chủ đạo.Sử dụng các tài liệu có sẵn, các tài liệu trên internet, các bài báo khoa học, … Để phục vụ cho để tài nghiên cứu này  Phƣơng pháp chuyên gia: là phƣơng pháp đóng vai trò bổ trợ. Tham khảo ý kiến của các giáo viên hƣớng dẫn, các giảng viên và các chuyên gia trong lĩnh vực chống sét.  Phƣơng pháp mô hình hóa – mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab và mô phỏng MVLA dƣới tác dụng của các dạng xung sét không chu kỳ.

 Phƣơng pháp phân tích và tổng hợp: Là phƣơng pháp đóng vai trò bổ trợ.Tổng hợp các ý kiến để đƣa ra các kết luận về những vấn đề đang tìm hiểu, từ đo hoàn thành nội dung, yêu cầu của để tài này. HVTH:Trần Như Trang 4 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương 1 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ (MVLA) 1. CẤU TẠO MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp mà hành vi về điện giống nhƣ hai diode đấu ngƣợc 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 thƣờng biến trở là thành phần có trở kháng cao gần nhƣ hở mạch. Khi xuất hiện xung đột biến quá áp cao, MOV sẽ nhanh chóng trở thành đƣờng dẫn trở kháng thấp để triệt xung đột biến. Phần lớn năng lƣợng xung quá độ đƣợc hấp thu bởi MOV cho nên các thành phần trong mạch đƣợc bảo vệ tránh hƣ hại.1:Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I của MOV Thành phần cơ bản của biến trở là ZnO với thêm một lƣợng nhỏ bismuth, cobalt, manganses và các ôxít kim loại khác. Cấu trúc của biến trở bao gồm một ma HVTH:Trần Như Trang 5 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 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. MOV đƣợc chế tạo từ ZnO.Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động nhƣ tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt. Các biên hạt ZnO có thể quan sát đƣợc qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic nhƣ Hình 2. Hành vi phi tuyến về điện xảy ra tại biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở có thể xem nhƣ là một thiết bị nhiều tiếp giáp tạo ra từ nhiều liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt.

Hành vi của thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của ceramic, kích thƣớc hạt và phân bố kích thƣớc hạt đóng vai trò chính trong hành vi về điện.2: Vi cấu trúc của ceramic. Hỗn hợp rắn ôxýt kẽm với ôxýt kim loại khác dƣới điều kiện đặc biệt tạo nên ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp. Hiện tƣợng này gọi là hiệu ứng biến trở. Bản thân hạt ôxýt kẽm dẫn điện rất tốt (đƣờng 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 nhƣ hai diode zener đối xứng, với mức bảo vệ khoảng 3,5V. Chúng có thể nối nối tiếp hoặc song HVTH:Trần Như Trang 6 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh song (Hình 1. Việc nối nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có khả năng tải đƣợc dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn, hấp thu nhiệt tốt và có khả năng chịu đƣợc dòng xung đột biến cao. MOV đƣợc chế tạo từ việc hình thành và tạo hạt ZnO dạng bột vào trong các thành phần ceramic.

Các hạt ZnO có kích thƣớc trung bình là d, 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 đƣợc xác định bởi bề dày của MOV và kích thƣớc của hạt ZnO.