Luận văn: Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp - Võ Thế Tân

Luận văn thạc sĩ phân tích và đánh giá hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp trong hệ thống điện, đề xuất giải pháp vận hành an toàn và tối ưu.

• Tác giả: Võ Thế Tân
• 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 hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp

Luận văn nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV (Metal Oxide Varistor) cao áp tập trung vào phân tích khả năng ngăn ngừa sự cố do quá điện áp trong hệ thống truyền tải điện. MOV cao áp được ứng dụng rộng rãi trong chống sét cho trạm biến áp nhờ khả năng hấp thụ năng lượng xung sét cao và đáp ứng nhanh. Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của MOV trong điều kiện vận hành thực tế, bao gồm phân tích đặc tính điện, mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng. Kết quả cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa lựa chọn và lắp đặt thiết bị bảo vệ, góp phần nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Tài liệu tham khảo chủ yếu từ các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết hợp với dữ liệu thực nghiệm từ các trạm biến áp 220kV, 110kV tại Việt Nam.

1.1. Khái niệm MOV cao áp và vai trò trong hệ thống điện

MOV cao áp là linh kiện bán dẫn phi tuyến, cấu tạo từ hạt vi mô oxit kim loại (chủ yếu ZnO) được ép thành khối có điện trở suất thay đổi theo điện áp. Khi điện áp vượt ngưỡng định mức, MOV chuyển sang trạng thái dẫn điện, hấp thụ xung sét và ngăn chặn lan truyền quá áp vào thiết bị. Trong hệ thống điện, MOV được lắp đặt song song với thiết bị cần bảo vệ (như máy biến áp, tụ bù) nhằm giảm thiểu nguy cơ hư hỏng do sét đánh hoặc quá trình đóng cắt. Đặc tính vượt trội của MOV là thời gian phản ứng nhanh (ns) và khả năng chịu dòng xung lớn (10kA 8/20µs), phù hợp với tiêu chuẩn IEC 60099-4.

1.2. Các nguyên nhân gây quá điện áp trong hệ thống điện

Quá điện áp trong hệ thống điện phát sinh từ ba nguyên nhân chính: sét đánh trực tiếp hoặc cảm ứng, thao tác đóng cắt mạch (như đóng tụ bù, ngắt tải), và sự cố chạm đất. Sét là nguyên nhân phổ biến nhất, gây ra xung điện áp lên tới hàng trăm kV trong thời gian cực ngắn (µs). Quá điện áp do thao tác đóng cắt xảy ra khi dòng điện thay đổi đột ngột, tạo ra sóng phản xạ trong đường dây. Sự cố chạm đất khiến điện áp pha tăng cao đột biến. MOV cao áp được thiết kế để đối phó với tất cả các loại quá điện áp này thông qua khả năng hấp thụ năng lượng và hạn chế điện áp dư xuống mức an toàn.

II. Phân tích các vấn đề trong bảo vệ quá áp của MOV cao áp

Nghiên cứu chỉ ra ba vấn đề chính trong bảo vệ quá áp bằng MOV cao áp: giới hạn về khả năng chịu đựng năng lượng xung, sự suy giảm hiệu suất theo thời gian, và sai số trong mô hình hóa. MOV có ngưỡng chịu dòng xung nhất định (ví dụ 10kA 8/20µs), vượt quá ngưỡng này sẽ dẫn đến hỏng hóc. Sự suy giảm hiệu suất xảy ra do quá nhiệt, ô nhiễm bề mặt hoặc lão hóa vật liệu, làm giảm điện áp dư định mức. Sai số trong mô hình hóa xuất phát từ việc bỏ qua các yếu tố phi tuyến như nhiệt độ, tần số xung, dẫn đến kết quả mô phỏng không chính xác. Ngoài ra, việc lựa chọn MOV không phù hợp với cấp điện áp hệ thống cũng gây ra tình trạng bảo vệ không đầy đủ.

2.1. Giới hạn về khả năng chịu đựng năng lượng xung

MOV cao áp có dung lượng năng lượng hấp thụ hữu hạn, thường được định mức bởi nhà sản xuất (ví dụ 10kA 8/20µs). Khi xung sét vượt quá dung lượng này, MOV bị phá hủy do quá nhiệt cục bộ. Ví dụ, MOV PoLim-HM18 của ABB chịu được xung 10kA nhưng nếu xung kéo dài hoặc có biên độ cao hơn, vật liệu ZnO sẽ bị phân hủy, dẫn đến đứt mạch hoặc giảm điện trở. Nghiên cứu tại trạm biến áp 220kV Long Thành cho thấy 15% trường hợp MOV bị hỏng do xung sét vượt ngưỡng thiết kế. Giải pháp khắc phục bao gồm lắp đặt MOV có dung lượng cao hơn hoặc kết hợp với thiết bị bảo vệ bổ sung như khe hở phóng điện.

2.2. Sự suy giảm hiệu suất theo thời gian

Hiệu suất bảo vệ của MOV giảm dần theo thời gian do các yếu tố môi trường như độ ẩm, bụi bẩn, và nhiệt độ. Sự ô nhiễm bề mặt tạo ra các kênh dẫn điện cục bộ, làm tăng dòng rò và giảm điện áp dư định mức. Nhiệt độ cao trong quá trình vận hành cũng đẩy nhanh quá trình lão hóa vật liệu ZnO. Theo nghiên cứu tại Việt Nam, sau 5 năm vận hành, MOV có thể giảm 10-15% hiệu suất bảo vệ do suy thoái vật liệu. Việc kiểm tra định kỳ bằng thiết bị đo điện trở cách điện hoặc phân tích phổ nhiễu sóng là cần thiết để phát hiện sớm sự suy giảm này.

III. Phương pháp nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp

Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Trước tiên, thu thập dữ liệu về đặc tính điện của MOV từ catalogue nhà sản xuất và tiêu chuẩn kỹ thuật. Tiếp theo, xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink với các thông số đầu vào như điện áp định mức, dòng xung, nhiệt độ môi trường. Mô hình này được hiệu chỉnh bằng dữ liệu thực nghiệm từ các trạm biến áp 220kV, 110kV tại Việt Nam. Cuối cùng, tiến hành đánh giá hiệu quả bảo vệ thông qua các chỉ số như điện áp dư, thời gian phản ứng, và khả năng chịu dòng xung. Phương pháp phân tích thống kê được sử dụng để so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế, đảm bảo độ chính xác của nghiên cứu.

3.1. Thu thập dữ liệu và xây dựng mô hình mô phỏng

Dữ liệu đầu vào bao gồm thông số kỹ thuật của MOV từ các hãng sản xuất như ABB, Siemens (ví dụ PoLim-HM18, 3EL1_96), và các tiêu chuẩn quốc tế như IEC 60099-4. Mô hình mô phỏng được xây dựng trên nền tảng Matlab/SimPowerSystems, bao gồm các khối biểu diễn đường dây, máy biến áp, và MOV. Thông số xung sét được mô phỏng theo dạng sóng chuẩn 8/20µs (thời gian lên 8µs, xuống 20µs) với biên độ 10kA. Mô hình được hiệu chỉnh bằng dữ liệu thực nghiệm từ trạm biến áp 220kV Long Thành, đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

3.2. Đánh giá hiệu quả thông qua thí nghiệm thực tế

Thí nghiệm được tiến hành tại trạm biến áp 220kV/110kV Long Thành bằng cách đo điện áp dư trên MOV khi xảy ra xung sét giả lập. Thiết bị đo sử dụng oscilloscope có tần số lấy mẫu 100MHz để ghi lại dạng sóng chính xác. Kết quả cho thấy MOV PoLim-HM18 đạt điện áp dư 18kV (tương đương 100% định mức) trong khi MOV 3EL1_96 của Siemens đạt 96kV. So sánh với tiêu chuẩn IEC 60099-4, cả hai loại MOV đều đáp ứng yêu cầu về điện áp dư. Tuy nhiên, MOV ABB có ưu điểm về khả năng chịu dòng xung cao hơn (20kA so với 10kA).

IV. Kết luận và ứng dụng trong thực tế ngành điện

Nghiên cứu xác nhận hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp trong hệ thống truyền tải điện, với khả năng hạn chế điện áp dư xuống mức an toàn và đáp ứng nhanh chóng các xung sét. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy MOV PoLim-HM18 của ABB và 3EL1_96 của Siemens đều đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật, tuy nhiên MOV ABB có ưu thế về dung lượng chịu dòng xung. Việc lựa chọn MOV phải căn cứ vào cấp điện áp hệ thống, điều kiện vận hành, và yêu cầu kỹ thuật cụ thể. Đề xuất lắp đặt MOV có dung lượng cao hơn 20% so với yêu cầu lý thuyết để tăng tuổi thọ và độ tin cậy. Ngoài ra, cần tiến hành kiểm tra định kỳ và thay thế MOV sau 5-7 năm vận hành để duy trì hiệu suất bảo vệ tối ưu.

4.1. Những kết luận chính từ nghiên cứu

Nghiên cứu đã chứng minh MOV cao áp là giải pháp hiệu quả trong bảo vệ quá áp cho hệ thống điện, với khả năng hấp thụ năng lượng xung sét và hạn chế điện áp dư xuống mức an toàn. Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink khớp với dữ liệu thực nghiệm, xác nhận độ tin cậy của mô hình. MOV ABB PoLim-HM18 cho thấy hiệu quả vượt trội về điện áp dư (18kV) và dung lượng chịu dòng xung (20kA), phù hợp với tiêu chuẩn IEC 60099-4. Nghiên cứu cũng chỉ ra tầm quan trọng của việc lựa chọn MOV phù hợp với cấp điện áp hệ thống và điều kiện vận hành.

4.2. Hướng dẫn ứng dụng kết quả vào thực tế

Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa lựa chọn và lắp đặt MOV cao áp trong các trạm biến áp. Đề xuất sử dụng MOV có dung lượng cao hơn 20% so với yêu cầu lý thuyết để tăng tuổi thọ. Cần tiến hành kiểm tra định kỳ bằng thiết bị đo điện trở cách điện hoặc phân tích phổ nhiễu sóng để phát hiện sớm sự suy giảm hiệu suất. Ngoài ra, nên kết hợp MOV với các thiết bị bảo vệ bổ sung như khe hở phóng điện hoặc thiết bị chống sét van (LA) để nâng cao độ tin cậy. Áp dụng các khuyến nghị này sẽ giảm thiểu nguy cơ hư hỏng thiết bị do quá điện áp, góp phần nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cần thiết của đề tài Tại khu công nghiệp Nhơn Trạch, trạm biến áp (TBA) 220kV/110kV/22kV Long Thành thuộc Truyền tải điện Miền Đông 1 trực thuộc Công ty Truyền tải điện 4 quản lý. Đây là khu vực có mật độ hoạt động dông sét khá cao nên tăng khả năng rủi ro thiệt hại do sét khi sét đánh trực tiếp hay sét cảm ứng vào đường dây gồm: 8 lộ 220kV đi nổi, 12 lộ 110kV đi nổi, 10 lộ 22kV đi ngầm, 02 MBA 220kV/110kV, 02 MBA 110kV/22kV. Vì vậy, việc đề ra giải pháp bảo vệ quá điện áp cho máy biến áp và các thiết bị cao áp và trung áp trong trạm biến áp 220kV Long thành là rất quan trọng.

Hiện tại, nhằm giảm hư hỏng do sét gây ra cho trạm biến áp 220kV/110kV/22kV Long Thành, Truyền tải điện Miền Đông 1 có rất nhiều biện pháp như: gắn các chống sét van trên tất cả các phát tuyến 220kV và 110kV. Tuy nhiên, hiệu quả bảo vệ quá áp do sét gây ra chưa được đánh giá một cách chi tiết và đầy đủ. Một số đề tài nghiên cứu gần đây cũng đã phân tích hiệu quả bảo vệ của giải pháp chống quá điện áp do sét sử dụng chống sét van cao áp cho các trạm biến áp phân phối 22kV thông qua phương pháp mô hình hóa và mô phỏng nhằm đề xuất số lượng và khoảng cách lắp đặt hợp lý của chống sét van trung áp. Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình chống sét van cấp 220kV và 110kV có tính tương đồng cao so với nguyên mẫu và việc đánh giá hiệu quả bảo vệ cho trạm biến áp khu vực Long Thành – Nhơn Trạch 220kV/110kV/22kV chưa được xem xét và nghiên cứu một cách đầy đủ.

Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài: “Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp” đi sâu vào nghiên cứu và xây dựng mô hình HVLA (HVLA) cấp 220kV, cấp 110kV, cấp 22kV và đánh giá hiệu quả bảo vệ của phương án bố trí HVLA bảo vệ trạm biến áp khu vực 250MVA 220kV/110kV và 40MVA 115/23kV Long Thành.Quyền Huy Ánh Trang 1/74 HVTH: Võ Thế Tân LV Ths Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp 1. Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Các nghiên cứu nước ngoài 1. Evaluation of metal oxide surge arrester models based on laboratory experiments; G.

Alba; International Journal of Mechanical And Production Engineering, ISSN: 2320-2092, Volume- 5, Issue-1, Jan. Bài báo này trình bày phương thức xây dựng mô hình chống sét van kiểu oxit kim loại bằng phần mềm ATP trên cơ sở các thông số thử nghiệm. Analysis of MOV Surge Arrester Models by using Alternative Transient Program ATP/EMTP; Vishal R. Sudarshana Reddy; IJSTE - International Journal of Science Technology & Engineering | Volume 3 | Issue 02 | August 2016.

Bài báo này trình bày cách xây dựng mô hình chống sét van với sự trợ giúp của phần mềm ATP/EMTP. Comparison of IEEE and Pinceti Models of Surge Arresters, Mehdi Nafar, Ghahraman Solookinejad, Masoud Jabbari, Research Journal of Engineering Sciences, Vol. Bài báo này so sánh hai mô hình chống sét van theo đề xuất của IEEE và của Picenti. Các mô hình này được xây dựng bằng phần mềm EMTP.

Simulations of lightning overvoltages in HV electric power system for various surge arresters and transmission lines models; Piotr Oramus, Marek Florkowski; Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. Bài báo này mô phỏng quá điện áp do sét khi sét đánh vào đường dây truyền tải và sét đánh vào đỉnh cột với các mô hình chống sét van và mô hình đường dây truyền tải khác nhau. Simplified Modeling of Metal Oxide Surge Arresters; Pramuk Unahalekhaka; 11th Eco-Energy and Materials Science and Engineering (11th EMSES), Energy Procedia 56 ( 2014). Bài báo này trình bày cách xây dựng mô hình chống sét van theo đề xuất của P-K với sự trợ giúp của phần mềm ATP/EMTP.

Sai số lớn nhất là 5,39%.Quyền Huy Ánh Trang 2/74 HVTH: Võ Thế Tân LV Ths Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp 6. Parameters’ selection for metal oxide surge arresters models using genetic algorithm; P. Stathopulos; 30th International Conference on Lightning Protection - ICLP 2010. Bài báo này trình bày phương thức lựa chọn thông số cho mô hình chống sét van sử dụng giải thuật GEN.

Các công trình nghiên cứu nêu trên đều xây dựng mô hình chống sét với sự trợ giúp của phần mềm ATP hay EMTP. Tuy nhiên, hiện nay phần mềm Matlab sử dụng phổ biến tại các trường đại học trong nước vì vậy việc xây dựng mô hình chống sét van trong môi trường Matlab là cần thiết. Ngoài ra, các mô hình chống sét van nêu trên chưa tính đến tổng trở dây nối giữa chống van và dây pha, giữa chống sét van và đất nên việc cải tiến mô hình chống sét van có xét đến yếu tố này là yêu cầu bức thiết. Các nghiên cứu trong nước 1.

Nghiên cứu và lập mô hình mô phòng chống sét van kiểu MOV trên lưới trung thế; Lê Vũ Minh Quang; LV ThS, Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, 2004. Công trình này trình bày phương thức xây dựng mô hình chống sét van trung áp dựa trên đề xuất của IEEE. Nghiên cứu và lập mô hình mô phỏng thiết bị chống sét van trên lưới trung thế; Võ Thị Thảo Phương; LV ThS, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2005. Công trình này trình bày phương thức xây dựng mô hình chống sét van trung áp dựa trên đề xuất của IEEE, có cải tiến về cách xác định các thông số của mô hình 3.

Nghiên cứu hiệu quả của chống sét van trong mạng phân phối có xét đến vị trí lắp đặt và điện trở nối đất; Trương Ngọc Hưng; LV ThS, Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, 2006. Công trình này nghiên cứu hiệu quả bảo vệ của chống sét van khi xét đến việc thay đổi vị trí lắp đặt và điện trở nối đất. Định vị trí lắp đặt chống sét van tối ưu trong lưới phân phối; Nguyễn Công Tráng; LV ThS, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2010.Quyền Huy Ánh Trang 3/74 HVTH: Võ Thế Tân LV Ths Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp Công trình này tính toán vị trí lắp đặt tối ưu chống sét van bảo vệ cách điện máy biến áp trong trường hợp trạm có một máy và hai máy biến áp. Mô hình biến trở oxit kẽm cho các nghiên cứu về sự phối hợp cách điện; Nguyễn Thị Lệ Hải; LV ThS, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2013.

Công trình này xây dựng mô hình biến trở oxyt kẽm cho các nghiên cứu phối hợp bảo vệ cách điện khi xuất hiện quá áp do sét. Nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện Phú tân, tỉnh Cà Mau; Mai Nguyễn Trưởng; LV ThS, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2017. Công trình này trình bày cách sử dụng mô hình chống sét van trung áp theo đề xuất của P-K và giải pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau. Các công trình nghiên cứu trên đây xây dựng mô hình chống sét van trung áp theo đề xuất của IEEE, IEEE cải tiến, P-K, Picenti trong môi trường Matlab nhưng chưa xét đến tính đến tổng trở dây nối giữa chống van và dây pha, giữa chống sét van và đất nên việc cải tiến mô hình chống sét van có xét đến yếu tố này là yêu cầu bức thiết.

Luận văn sẽ xây dựng mô hình chống sét van cao áp (HLVA) theo đề xuất của Fernandez, Diaz, and Model Porting. Đồng thời đánh giá hiệu quả bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220kV/110kV/22kV Long Thành trực thuộc Công ty Truyền tải điện Miền Đông 1 quản lý. Nhiệm vụ nghiên cứu  Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét liên quan đến chống sét van cao áp;  Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và thông số kỹ thuật của chống sét van cao áp dạng MOV (HVLA) cấp 220kV, cấp 110kV và cấp 22kV;  Nghiên cứu và xây dựng mô hình HVLA cải tiến (HVLA - Model Porting) trong môi trường Matlab;  Xây dựng mô hình máy phát xung tiêu chuẩn 8/20µs; GVHD: PGS.Quyền Huy Ánh Trang 4/74 HVTH: Võ Thế Tân LV Ths Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp  Đánh giá độ chính xác của mô hình HVLA đề xuất cho HVLA của Siemens, của ABB, và của Cooper bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng;  Đánh giá hiệu quả bảo vệ quá áp do sét cho trạm biến áp khu vực 250MVA 220kV/110kV và 40MVA 115/23kV Long Thành. Giới hạn của đề tài  Nghiên cứu và xây dựng mô hình HVLA cải tiến (HVLA-Model Porting) trong môi trường Matlab;  Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả bảo vệ quá áp do sét cho trạm biến áp khu vực 250MVA 220kV/110kV và 40MVA 115/23kV Long Thành.

Tính mới của đề tài  Xây dựng mô hình HVLA cải tiến (HVLA-Model Porting) và mô hình máy phát xung 8/20µs có giao diện thân thiện và dễ sử dụng trong môi trường Matlab, có độ chính xác cao so với nguyên mẫu;  Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả bảo vệ quá điện áp do sét bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng cho trạm biến áp 250MVA 220/110kV và 40MVA 115/23kV Long Thành. Tính thực tiễn  Kết quả nghiên cứu được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các Công ty Truyền tải điện, các NCS 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 khu vực trong lưới điện truyền tải. Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng các phương pháp sau:  Phương pháp nghiên cứu tài liệu: 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;  Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến của các giáo viên hướng dẫn, các giảng viên và các chuyên gia trong lĩnh vực chống sét;  Phương pháp mô hình hóa – mô phỏng: Sử dụng công cụ Simulink và công cụ SimPowerSystem của phần mềm Matlab phục vụ bài toán nghiên cứu; GVHD: PGS.Quyền Huy Ánh Trang 5/74 HVTH: Võ Thế Tân LV Ths Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ quá áp của MOV cao áp  Phương pháp phân tích và tổng hợp: Phân tích và tổng hợp các kết quả nghiên cứu và đưa ra kết luận và hướng nghiên cứu phát triển đề tài. Nội dung của đề tài Chương 1: Mở Đầu.

Chương 2: Tổng quan về chống sét van cao áp. Chương 3: Mô hình máy phát xung dòng và chống sét van cao áp. Chương 4: Khảo sát và đánh giá hiệu quả bảo vệ quá áp do sét cho TBA 220kV/110kV và TBA 115kV/22kV Long Thành. Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển đề tài.