Chương 1: Cấu tạo, nguyên lý làm việc và tính năng kỹ thuật của chống sét van MOV Chương 2: Công cụ Matlab-Simulink trong mô phỏng hệ thống điện Chương 3: Mô phỏng quá trình hoạt động của CSV bảo vệ quá điện áp cho tụ bù dọc và kháng bù ngang. Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng chống sét van MOV và áp dụng mô hình mô phỏng CSV bảo vệ trạm biến áp SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn CHƢƠNG 1 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV 1. Cấu tạo CSV dạng MOV là thiết bị có điện trở phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp đặt vào mà hành vi về điện giống như 2 diode đấu ngược lại (back-to-back).
Với đặc tính đối xứng, đặc tính vùng đánh thủng 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 thụ 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 ôxit 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. SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của 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 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. Hoạt động của thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của ceramic, kích thước hạt và phân bổ kích thước hạt đóng vai trò chính trong hành vi về điện. Vi cấu trúc của MOV Hỗn hợp rắn ôxit kẽm với ôxyt 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 ôxyt kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt khoảng 15- 100 m), trong khi các ôxyt kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao. Chỉ tại các điểm ôxyt 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.
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 tăng cao. MOV được chế tạo từ việc hình thành và tạo hạt ZnO dạng bột vào trong 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 dược hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài (hình 2.
SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn Hình 1.3 Vi cấu trúc của MOV Điện áp của MOV được xác định bởi bề dày của MOV và kích thước cả 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, khoảng từ (2-3,5V). Mối liên hệ này được xác định như sau: Điện áp biến trở: VN = 3,5.1) Bề dày của biến trở: D (n 1)d VN d (1.2) 3,5 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 chuyển hoàn toàn từ vùng dòng rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên vùng đặc tính V-I với dòng điện 1mA.
Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp. Chúng gồm 3 vùng cấu trúc (hình 2.4): Vùng I: Biên có độ dày khoảng (100-1000 nm) và đây là lớp giàu bột Bi2O3. Vùng II: Biên có độ mỏng khoảng (1-200 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. SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 1. Tính năng hoạt động của biến trở ZnO Biến trở ZnO là rất phức tạp, nhiều thành phần, hành vi về điện các ôxyt ceramic đa tinh thể tùy vào vi cấu trúc của thiết bị này và chi tiết quá trình xảy ra tại các biên tiếp hạt ZnO.
Thành phần chính của biến trở là ZnO chiếm 90% hoặc hơn nữa, còn lại là các ôxyt kim loại khác. Một hỗn hợp tiêu biểu như sau: 97mol-%ZnO, 1mol-%Sb2O3, 0,5mol-% mỗi Bi2O3, Cô, MnO, 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 loaị 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 được 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 2. SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn Giá trị tiêu biểu kích thước biến trở ôxyt kim loại được cho bảng 2.1: Điện áp biến trở (V rms) D( µm ) N (hạt) Điện trường Bề dày của V/mm tại 1mA MOV(mm) 150 20 75 150 1,5 25 80 12 39 1,0 Bảng 2. Kích thước biến trở Đường kính đĩa danh định bảng 2.
Đường kính đĩa danh định -mm 3 5 7 10 14 20 32 34 40 62 Bảng 2. Đường kính danh định Lưu đồ chế tạo MOV hình 2.Lưu đồ chế tạo biến trở ZnO Cấu trúc biến trở oxyt kim loại là đa tinh thể tự nhiên nên hoạt động vật lý 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 tiếp giáp của các hạt ôxyt kẽm, một vài lý thuyết ban đầu đã giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng xuyên hầm. Tuy nhiên, có thể diễn tả bằng sự sắp xếp các diode bán dẫn nối tiếp-song song (hình 2.
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 hóa học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO có điện trở suất rất cao ( =1010 -1012cm ), bên trong các hạt tính dẫn điện rất cao( =0. Điện trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt khoảng 50- 100nm, vùng này được biết như là vùng hẹp. SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.
Đoàn Anh Tuấn 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, trong hạt ôxyt 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 lớp tiếp giáp theo biểu thức : 1 2(Vb V ) q S N (1.3) C2 Vb: điện thế rào V: điện áp đặt vào q: điện tích điện tử : hằng số điện môi của chất bán dẫn N: mật độ hạt dẫn được xác định khoảng 2x1017/cm3 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 250C.6, 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, 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, R tăng dẫn đến điện thế rào thấp hơn và sự dẫn điện được gia tăng. SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.
Đoàn Anh Tuấn 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.
Ở vùng dẫn cao, giá trị điện trở tùy thuộc vào tính dẫn điện của các hạt bán dẫn ZnO, ở vùng dẫn này mật độ hạt dẫn khoảng từ 1017 -1018cm3. Điện trở suất của ZnO có giá trị dưới 0,3 cm.Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn 1.3 Đặc tính V-I Đặc tính V-I của MOV như hình 2.8, đặc tính V-I được biểu diễn bằng phương trình hàm mũ: I = K.