Luận văn thạc sĩ HCMUTE về mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét van trên lưới điện phân phối

Khám phá luận văn thạc sĩ HCMUTE về mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét van trong lưới điện phân phối, ứng dụng và hiệu quả.

• Tác giả: Châu Duy Khánh
• 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: Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng Thiết Bị Chống Sét Van Trong Lưới Điện Phân Phối
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• CHƯƠNG 0: TỔNG QUAN
• 0.1. Đặt vấn đề
• 0.2. Nhiệm vụ của luận văn
• 0.3. Phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Điểm mới của luận văn
• 0.6. Giá trị thực tiễn của đề tài
• 0.7. Nội dung của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV
• 1.1. Cấu tạo 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)
• 1.2. Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN VÀ CÁC CÔNG CỤ MÔ PHỎNG MATLAB – SIMULINK
• 2.1. Các mô hình chống sét van
• 2.1.1. Mô hình điện trở phi tuyến
• 2.1.2. Mô hình điện trở phi tuyến kết hợp điện cảm phi tuyến
• 2.1.3. Mô hình của SCHMIDT
• 2.1.4. Mô hình của nhóm chuyên gia IEEE
• 2.1.5. Mô hình của MARDIRA
• 2.2. Công cụ Matlab – Simulink dùng để mô phỏng
• 2.2.1. Ý nghĩa của mô hình mô phỏng
• 2.2.2. Phần mềm Matlab - Simulink
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CHỐNG SÉT VAN MOV
• 3.1. Mục đích mô phỏng
• 3.2. Đánh giá mô hình chống sét van trong Matlab
• 3.3. Giới thiệu mô hình
• 3.4. Hộp thoại và các thông số cần khai báo
• 3.5. Nguyên lý làm việc của mô hình
• 3.6. Đánh giá mô hình
• 3.7. Xây dựng mô hình chống sét van dạng MOV phụ thuộc tần số
• 3.8. Mô hình đề nghị
• 3.9. Phương pháp xác định thông số
• 3.10. Phương pháp xây dựng mô hình trong Matlab
• 3.11. Xây dựng mô hình nguồn phát xung
• 3.12. Dạng xung không chu kỳ và các quan hệ của các thông số thời gian
• 3.13. Mô hình toán của nguồn phát xung trong Matlab
• 3.14. Thực thi mô hình
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG CÁC ĐÁP ỨNG
• 4.1. Mô phỏng chống sét van của hãng ELPRO
• 4.2. Mô phỏng chống sét van của hãng GE Tranquell
• 4.3. Mô phỏng chống sét van của hãng Siemens
• 4.4. Mô phỏng chống sét van của hãng Cooper
• 4.5. Mô phỏng chống sét van của hãng Ohio-Brass
• 4.6. Đánh giá đáp ứng mô hình
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 5.1. Thực trạng lưới điện của mô hình thực nghiệm
• 5.2. Nguyên tắc hoạt động
• 5.3. Mô hình hóa và mô phỏng
• 5.4. SA cố định, thay đổi vị trí sét đánh với vị trí sét đánh cách nguồn 15km
• 5.5. SA cố định, thay đổi vị trí sét đánh với vị trí sét đánh cách nguồn 10km
• 5.6. SA cố định, thay đổi vị trí sét đánh với vị trí sét đánh cách nguồn 1km
• 5.7. Sét đánh ngoài phạm vi bảo vệ SA
• 5.8. Sét đánh về phía tải
• 5.9. Sét đánh về phía nguồn
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô hình hóa thiết bị chống sét van

Mô hình hóa thiết bị chống sét van là một phần quan trọng trong việc bảo vệ lưới điện phân phối khỏi các sự cố do sét. Thiết bị chống sét van dạng Metal-Oxide (MOV) được sử dụng để bảo vệ quá điện áp do sét hoặc xung đóng cắt. Mô hình hóa giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của thiết bị này. Các thông số kỹ thuật của MOV được cung cấp trong catalogue của nhà sản xuất, cho phép xây dựng mô hình chính xác. Mô hình này có thể được mô phỏng bằng phần mềm Matlab, giúp đánh giá hiệu suất và khả năng bảo vệ của thiết bị trong các tình huống khác nhau. Việc mô phỏng này không chỉ giúp kiểm tra tính hiệu quả của thiết bị mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế và cải tiến các giải pháp bảo vệ lưới điện.

1.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị chống sét van

Thiết bị chống sét van hoạt động dựa trên nguyên lý phi tuyến, với khả năng chuyển đổi từ trạng thái hở mạch sang trạng thái dẫn điện khi có xung điện áp cao. Khi điện áp vượt quá ngưỡng cho phép, MOV sẽ trở thành một đường dẫn với trở kháng thấp, giúp triệt tiêu xung điện áp. Điều này giúp bảo vệ các thiết bị điện trong lưới điện phân phối khỏi hư hỏng do quá điện áp. Đặc tính này của MOV cho phép nó hấp thụ phần lớn năng lượng xung quá độ, từ đó bảo vệ các thiết bị khác trong mạch. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động này là rất cần thiết để tối ưu hóa việc sử dụng thiết bị chống sét trong thực tế.

II. Mô phỏng lưới điện phân phối

Mô phỏng lưới điện phân phối là một bước quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của thiết bị chống sét van. Sử dụng phần mềm Matlab, các mô hình lưới điện có thể được xây dựng để mô phỏng các tình huống khác nhau, từ đó phân tích các đáp ứng của thiết bị chống sét van. Mô phỏng này cho phép kiểm tra khả năng bảo vệ của thiết bị trong các điều kiện thực tế, như khi có sét đánh hoặc xung điện áp đột ngột. Các mô hình này cũng giúp xác định các thông số tối ưu cho thiết bị chống sét, từ đó nâng cao hiệu quả bảo vệ cho lưới điện phân phối.

2.1. Công cụ mô phỏng Matlab Simulink

Matlab và Simulink là những công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng các hệ thống điện. Chúng cho phép người dùng xây dựng các mô hình phức tạp và thực hiện các phép tính cần thiết để đánh giá hiệu suất của thiết bị chống sét van. Việc sử dụng Matlab giúp đơn giản hóa quá trình mô phỏng, từ đó tiết kiệm thời gian và chi phí cho các nghiên cứu. Các mô hình được xây dựng trong Matlab có thể dễ dàng điều chỉnh và tối ưu hóa, giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu có thể nhanh chóng tìm ra giải pháp hiệu quả nhất cho các vấn đề liên quan đến bảo vệ lưới điện.

III. Đánh giá hiệu suất thiết bị chống sét van

Đánh giá hiệu suất của thiết bị chống sét van là một phần không thể thiếu trong nghiên cứu này. Các mô hình mô phỏng cho phép so sánh các đáp ứng của thiết bị với các tiêu chuẩn kỹ thuật và thông số của nhà sản xuất. Qua đó, có thể xác định được mức độ hiệu quả của thiết bị trong việc bảo vệ lưới điện phân phối. Việc đánh giá này không chỉ dựa vào các số liệu mô phỏng mà còn cần phải kết hợp với các thử nghiệm thực tế để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Điều này giúp các kỹ sư có thể đưa ra các quyết định chính xác trong việc lựa chọn và lắp đặt thiết bị chống sét van.

3.1. So sánh với các nhà sản xuất khác

Việc so sánh hiệu suất của thiết bị chống sét van với các sản phẩm từ các nhà sản xuất khác là rất quan trọng. Điều này không chỉ giúp xác định được thiết bị nào có hiệu suất tốt nhất mà còn giúp người dùng có cái nhìn tổng quan về thị trường thiết bị chống sét. Các mô hình mô phỏng có thể được sử dụng để thực hiện các thử nghiệm so sánh, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho người tiêu dùng. Sự so sánh này cũng giúp các nhà sản xuất cải tiến sản phẩm của mình, nhằm đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm với tần suất hoạt động dông sét cao, gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng cho hệ thống điện quốc gia. Theo ước tính, sét là nguyên nhân chính dẫn đến sự cố gián đoạn cung cấp điện và hư hỏng thiết bị trên lưới điện phân phối. Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành điện, đặc biệt là hệ thống truyền tải và phân phối điện trung áp và cao áp, việc bảo vệ lưới điện khỏi quá điện áp do sét là vấn đề cấp thiết. Thiết bị chống sét van dạng Metal-Oxide Varistor (MOV) được sử dụng phổ biến để bảo vệ các thiết bị điện khỏi các xung quá áp do sét hoặc xung đóng cắt.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét van MOV trên lưới điện phân phối nhằm đánh giá chính xác hành vi và hiệu quả bảo vệ của thiết bị trong điều kiện thực tế. Nghiên cứu tập trung vào mô hình máy phát xung sét dạng sóng 8/20µs, đề xuất mô hình cải tiến có xét đến đáp ứng động của chống sét van, đồng thời kiểm chứng độ chính xác của mô hình thông qua so sánh với số liệu thực nghiệm từ các nhà sản xuất khác nhau. Phạm vi nghiên cứu bao gồm lưới điện phân phối trung áp tại Việt Nam, với các mô phỏng thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích, giúp các kỹ sư, nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện có thể đánh giá và lựa chọn thiết bị chống sét phù hợp, góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện phân phối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiệu ứng biến trở ZnO (Metal Oxide Varistor - MOV): MOV là thiết bị phi tuyến, cấu tạo từ các hạt ZnO đa tinh thể với đặc tính điện trở phụ thuộc điện áp. Khi điện áp vượt ngưỡng, MOV chuyển từ trạng thái cách điện sang dẫn điện, hấp thụ năng lượng xung quá áp để bảo vệ thiết bị.

• Đặc tính V-I phi tuyến của MOV: Đặc tính này được mô tả bằng phương trình hàm mũ, thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện qua thiết bị, với hệ số phi tuyến α và hệ số K đặc trưng cho từng loại MOV.

• Mô hình điện trở phi tuyến kết hợp điện cảm phi tuyến: Mô hình này mở rộng mô hình điện trở phi tuyến truyền thống bằng cách bổ sung thành phần điện cảm phi tuyến để mô phỏng chính xác đáp ứng động của MOV với các xung dòng có độ dốc cao, đặc biệt là các xung đầu sóng nhanh như 1/2µs, 4/10µs và 8/20µs.

• Phối hợp cách điện và các biên hạn bảo vệ: Các thông số kỹ thuật như điện áp định mức, dòng điện quy chuẩn, điện áp quy chuẩn, điện áp vận hành liên tục, quá điện áp tạm thời và điện áp kẹp được sử dụng để đánh giá khả năng bảo vệ và phối hợp cách điện của thiết bị chống sét với hệ thống điện.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Số liệu kỹ thuật và đặc tính của các thiết bị chống sét van MOV được thu thập từ catalogue của các nhà sản xuất uy tín như Cooper, GE Tranquell, Siemens, Ohio-Brass và ELPRO. Dữ liệu thực nghiệm về đặc tính V-I, điện áp dư, dòng điện phóng và các thông số kỹ thuật khác được sử dụng để xây dựng và kiểm chứng mô hình.

• Phương pháp phân tích: Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Mô hình máy phát xung sét dạng sóng 8/20µs được xây dựng để tạo nguồn xung chuẩn. Mô hình chống sét van MOV được phát triển dựa trên các đặc tính phi tuyến và đáp ứng động, bao gồm mô hình điện trở phi tuyến và điện cảm phi tuyến. Các mô phỏng được thực hiện với các dòng xung khác nhau (3kA, 5kA, 10kA, 20kA) để đánh giá điện áp dư và hiệu quả bảo vệ.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong hai năm (2012-2014), bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và kiểm chứng kết quả với số liệu thực nghiệm.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được kiểm chứng trên nhiều loại chống sét van của các nhà sản xuất khác nhau nhằm đảm bảo tính tổng quát và độ chính xác của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình máy phát xung sét dạng sóng 8/20µs được xây dựng thành công trên Matlab, tạo ra các xung dòng chuẩn với biên độ từ 3kA đến 20kA, đáp ứng yêu cầu mô phỏng các xung sét thực tế trên lưới điện phân phối.

2. Mô hình chống sét van MOV với đặc tính điện trở phi tuyến và điện cảm phi tuyến cho kết quả mô phỏng điện áp dư phù hợp với số liệu thực nghiệm của các nhà sản xuất khác nhau. Ví dụ, điện áp dư tại dòng 10kA dao động trong khoảng 1,2 đến 1,5 lần điện áp định mức, tương ứng với các giá trị thực tế đo được.

3. Đáp ứng động của mô hình thể hiện rõ sự phụ thuộc vào dạng sóng và độ dốc của xung dòng. Điện áp dư tăng khi thời gian đạt đỉnh của dòng xung giảm, phù hợp với các đặc tính động của MOV trong thực tế. Sai số mô hình so với thực nghiệm ở mức khoảng 1% đối với xung đầu dốc và khoảng 7% đối với xung chuẩn 8/20µs.

4. Mô phỏng trên các thiết bị chống sét van của các hãng ELPRO, GE Tranquell, Siemens, Cooper và Ohio-Brass cho thấy mô hình có tính ứng dụng cao, có thể sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ và phối hợp cách điện trong hệ thống điện phân phối.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình đề xuất có độ chính xác cao trong việc mô phỏng hành vi điện áp dư và dòng phóng của thiết bị chống sét van MOV. Việc bổ sung thành phần điện cảm phi tuyến giúp mô hình phản ánh chính xác đặc tính đáp ứng động, điều mà các mô hình điện trở phi tuyến truyền thống không thể hiện được. So sánh với các nghiên cứu trước đây, mô hình này cải tiến hơn về độ chính xác và khả năng ứng dụng trong môi trường Matlab/Simulink phổ biến.

Các biểu đồ điện áp dư theo dòng xung và dạng sóng mô phỏng có thể được trình bày dưới dạng đồ thị V-I và các biểu đồ thời gian điện áp dư, giúp trực quan hóa hiệu quả bảo vệ của thiết bị. Bảng so sánh điện áp dư giữa mô hình và số liệu thực nghiệm từ các nhà sản xuất cũng minh chứng tính khả thi của mô hình.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp công cụ mô phỏng tiện lợi, chính xác, giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu đánh giá và lựa chọn thiết bị chống sét phù hợp, từ đó nâng cao độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện phân phối trong điều kiện không thể đo thử thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng mô hình mô phỏng trong thiết kế và vận hành lưới điện phân phối: Các công ty điện lực và đơn vị thiết kế nên sử dụng mô hình để đánh giá hiệu quả bảo vệ của thiết bị chống sét van trước khi lắp đặt, nhằm giảm thiểu sự cố do sét gây ra. Thời gian áp dụng trong vòng 1-2 năm.

2. Đào tạo và nâng cao năng lực cho kỹ sư và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tổ chức các khóa học, hội thảo về mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét van trên nền tảng Matlab/Simulink, giúp nâng cao kỹ năng và kiến thức chuyên môn. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và viện nghiên cứu.

3. Phát triển và cập nhật mô hình theo các tiêu chuẩn kỹ thuật mới: Tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện mô hình, tích hợp các đặc tính mới của thiết bị chống sét van và các dạng xung phức tạp hơn, đảm bảo mô hình luôn phù hợp với thực tế vận hành. Thời gian nghiên cứu liên tục, cập nhật định kỳ.

4. Khuyến khích hợp tác giữa các nhà sản xuất, viện nghiên cứu và đơn vị vận hành: Tăng cường trao đổi số liệu thực nghiệm và kinh nghiệm vận hành để kiểm chứng và hoàn thiện mô hình, nâng cao độ tin cậy và tính ứng dụng thực tiễn. Chủ thể thực hiện là các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp ngành điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia ngành điện: Có thể sử dụng mô hình để đánh giá, lựa chọn và thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét trên lưới điện phân phối, giảm thiểu rủi ro sự cố và nâng cao độ tin cậy vận hành.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên đại học: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình thực nghiệm để phục vụ nghiên cứu khoa học và giảng dạy chuyên sâu về thiết bị chống sét và mô phỏng hệ thống điện.

3. Sinh viên ngành kỹ thuật điện: Hỗ trợ học tập, thực hành mô phỏng và hiểu rõ hơn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như các đặc tính kỹ thuật của thiết bị chống sét van MOV.

4. Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện: Giúp đánh giá hiệu quả bảo vệ của thiết bị chống sét, từ đó xây dựng kế hoạch bảo trì, nâng cấp và đầu tư phù hợp nhằm đảm bảo an toàn và ổn định cung cấp điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị chống sét van MOV hoạt động như thế nào để bảo vệ lưới điện?
   MOV có đặc tính điện trở phi tuyến, khi điện áp vượt ngưỡng, nó chuyển sang trạng thái dẫn điện thấp, hấp thụ năng lượng xung quá áp do sét hoặc xung đóng cắt, từ đó bảo vệ các thiết bị điện phía sau khỏi hư hỏng.

2. Tại sao cần mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét van?
   Do tính phi tuyến và đáp ứng động phức tạp của MOV, việc đo thử thực tế gặp nhiều khó khăn. Mô hình hóa và mô phỏng giúp đánh giá chính xác hành vi thiết bị trong các điều kiện khác nhau, hỗ trợ thiết kế và vận hành hiệu quả.

3. Mô hình điện trở phi tuyến kết hợp điện cảm phi tuyến có ưu điểm gì?
   Mô hình này phản ánh chính xác đặc tính đáp ứng động của MOV với các xung dòng có độ dốc cao, giúp mô phỏng điện áp dư và dòng phóng sát với thực tế hơn so với mô hình điện trở phi tuyến đơn thuần.

4. Phần mềm Matlab/Simulink có phù hợp để mô phỏng thiết bị chống sét không?
   Matlab/Simulink là phần mềm phổ biến, dễ sử dụng và có khả năng mô phỏng các hệ thống điện phức tạp, phù hợp để xây dựng và kiểm chứng mô hình thiết bị chống sét van MOV.

5. Làm thế nào để lựa chọn thiết bị chống sét van phù hợp cho lưới điện phân phối?
   Cần dựa trên các thông số kỹ thuật như điện áp định mức, dòng điện quy chuẩn, điện áp vận hành liên tục, khả năng chịu quá áp tạm thời và biên hạn bảo vệ phối hợp với đặc tính cách điện của hệ thống để đảm bảo hiệu quả bảo vệ và độ bền thiết bị.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình máy phát xung sét dạng sóng 8/20µs và mô hình chống sét van MOV với đặc tính điện trở phi tuyến kết hợp điện cảm phi tuyến trên nền tảng Matlab/Simulink.
• Mô hình cho kết quả mô phỏng điện áp dư và dòng phóng phù hợp với số liệu thực nghiệm của nhiều nhà sản xuất, với sai số nhỏ, đáp ứng yêu cầu nghiên cứu phối hợp cách điện.
• Nghiên cứu cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích cho kỹ sư, nhà nghiên cứu và sinh viên trong việc đánh giá và lựa chọn thiết bị chống sét van trên lưới điện phân phối.
• Đề xuất áp dụng mô hình trong thiết kế, vận hành và đào tạo nhằm nâng cao độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển mô hình nâng cao, cập nhật theo tiêu chuẩn mới và mở rộng ứng dụng trong các hệ thống điện phức tạp hơn.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị liên quan nên áp dụng mô hình này trong thực tiễn để tối ưu hóa công tác bảo vệ lưới điện, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển để nâng cao hiệu quả và độ chính xác của mô hình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV 1.1 Cấu tạo 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 (hình 1. 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.1 Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I 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. MOV được chế tạo từ ZnO.

Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt. Các biên hạt ZnO có thể quan sát được qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic như hình 1. Hành vi phi tuyến về điện xảy ra tại biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở có thể xem như là một thiết bị nhiều tiếp giáp tạo ra từ nhiều liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt. 5 Luan van Hành vi của thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của ceramic, kích thước hạt và phân bố kích thước 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 dưới điều kiện đặc biệt tạo nên ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp.

Hiện tượng này 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 1.1); 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 (hình 1. 6 Luan van Hình 1.3 Vi cấu trúc của MOV 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 1.

Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp. Chúng gồm 3 vùng cấu trúc (hình 1.4): 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. 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. 7 Luan van Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 1.2 Tính năng hoạt động của biến trở ZnO Biến trở ZnO là rất phức tạp, nhiều thành phần, hành vi về điện các ôxýt ceramic đa tinh thể tùy vào vi cấu trúc của thiết bị này và chi tiết quá trình xảy ra tại các biên tiếp giáp hạt ZnO. Thành phần chính của biến trở là ZnO chiếm 90% hoặc hơn nữa, còn lại là các ôxít kim loại khác. Một hỗn hợp tiêu biểu như sau: 97mol- %ZnO, 1mol-% Sb2O3, 0,5mol-% mỗi Bi2O3, CoO, MnO, và Cr2O3.

Quá trình chế tạo biến trở ZnO theo tiêu chuẩn kỹ thuật ceramic. Các thành phần được trộn thành hỗn hợp và xay thành bột. Hỗn hợp bột được làm khô và nén thành hình dạng mong muốn. Sau đó các viên được vón cục ở nhiệt độ cao, cụ thể là từ 1000-14000C.

Hai phiến kim loại thường là bằng bạc tiếp xúc với các hạt được vón cục bên ngoài làm điện cực và được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài, thiết bị được đóng gói bằng vật liệu trùng hợp. Sản phẩm hoàn thành sau cùng được kiểm tra đáp ứng các tính năng yêu cầu kỹ thuật. Quá trình được diễn tả theo lưu đồ hình 1. Một vài giá trị tiêu biểu về kích thước của biến trở ôxýt kim loại được cho như sau: Điện áp biến trở d ( m) n (hạt) Điện trường Bề dày của MOV (VRMS) V/mm tại 1mA (mm) 150 20 75 150 1,5 25 80 12 39 1,0 8 Luan van Đường kính đĩa danh định: Đường kính đĩa danh định -mm 3 5 7 10 14 20 32 34 40 62 9 Luan van Lưu đồ chế tạo chống sét van MOV Hình 1.5 Lưu đồ chế tạo biến trở ZnO 10 Luan van Hình 1.6 Chống sét van trung thế của Cooper Hình 1.7 Mặt cắt cấu tạo của chống sét van Vì cấu trúc biến trở ôxýt kim loại đa tinh thể tự nhiên nên hoạt động vật lý của biến trở là phức tạp hơn chất bán dẫn thông thường.

Giải thích nguyên lý hoạt động của biến trở ZnO dựa trên sự hiểu biết về hiện tượng điện xảy ra ở vùng biên 11 Luan van tiếp giáp của các hạt ôxýt kẽm, một vài lý thuyết ban đầu đã giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng xuyên hầm. Tuy nhiên, tốt hơn là có thể diễn tả bằng sự sắp xếp các diode bán dẫn nối nối tiếp –song song (hình 1. Cấu trúc cơ bản của khối biến trở ZnO là kết quả tạo hạt ZnO. Trong suốt quá trình xử lý, sự biến đổi các thành phần hoá học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO có điện trở suất rất cao ( = 1010-1012 cm) và bên trong hạt tính dẫn điện rất cao (=0,1-10cm).

Điện trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt với khoảng cách khoảng 50 đến 100nm, vùng này được biết như là vùng hẹp. Vì vậy, tại một biên hạt có sự tồn tại vùng hẹp cả hai phía đến các hạt kế cận. Hoạt động của biến trở chính là do sự có mặt của vùng hẹp này. Bởi vì vùng này thiếu hụt các điện tử tự do, cho nên hình thành vùng hẹp (vùng nghèo) điện tích không gian trong hạt ôxít kẽm tại miền gần các biên tiếp giáp của các hạt.

Điều này giống như ở tiếp giáp p-n của diode bán dẫn và điện dung của lớp tiếp giáp này phụ thuộc vào điện áp đặt vào tiếp giáp theo biểu thức: 1 2 (V b  V ) 2  (1.3) C q  sN Trong đó: Vb: điện thế rào V: điện áp đặt vào q: điện tích điện tử s: hằng số điện môi của chất bán dẫn N: mật độ hạt dẫn. Từ mối liên hệ này, mật độ hạt dẫn của ZnO, N được xác định khoảng 2x1017/cm3. Ở các vùng hẹp các hạt dẫn trôi tự do và đây là nguyên nhân gây ra dòng điện rò. Dòng rò được gây ra do các hạt dẫn trôi tự do qua điện trường rào thấp và được kích hoạt bởi nhiệt độ ít nhất là trên 25oC.8 chỉ ra sơ đồ năng lượng của ZnO-biên tiếp giáp-ZnO.

Điện áp phân cực thuận VL phía bên trái của hạt, điện áp phân cực ngược VR phía bên phải của hạt. Độ rộng vùng nghèo là XL và XR, với độ lớn điện thế rào tương ứng là L và R. Điện thế phân cực tại gốc là o. Khi điện áp phân cực gia tăng, L giảm và R tăng, dẫn đến điện thế rào thấp hơn và sự dẫn điện gia tăng.

12 Luan van Hình 1. Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO Độ lớn điện thế rào L của biến trở là một hàm theo điện áp (hình 1. Sự giảm nhanh của điện thế rào ở điện áp cao tương ứng với lúc bắt đầu vùng dẫn phi tuyến. Cơ chế vận chuyển của vùng phi tuyến là rất phức tạp và vẫn còn tiếp tục nghiên cứu.

Ở vùng dẫn cao, giá trị điện trở giới hạn tùy thuộc vào tính dẫn điện của các hạt bán dẫn ZnO, ở vùng dẫn này mật độ hạt dẫn khoảng từ 1017-1018/cm3. Điện trở suất của ZnO có giá trị dưới 0,3cm.9 Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào 1.3 Đặc tính V-I Đặc tính V-I của MOV như hình 1.10, đặc tính V-I được biểu diễn bằng phương trình dạng hàm mũ (1.4) Trong đó: I là dòng qua biến trở V điện áp đặt lên biến trở 13 Luan van K 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: 1 1-  R = V/I = V/ KV = V (1.5) suy ra: LogI = logK + logV (1.6) 1 LogR = log( ) + (1-)logV (1.7) K Theo đề nghị của Manfred Holzer và Willi Zapsky, xấp xỉ hoá đặc tính V/I của biến trở được quan hệ giữa điện áp và dòng điện theo phương trình: log V = B1 + B2 log( I) + B3· e -log ( I) + B4 e log ( I) với I>0 (1.10 Đặc tính V-I của MOV 1.4 Thời gian đáp ứng Hoạt động của biến trở tùy thuộc vào cơ chế dẫn điện giống như các thiết bị bán dẫn khác. Sự dẫn điện xảy ra rất nhanh với thời gian trễ tính bằng nano giây.