Luận văn nghiên cứu bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh vào đường dây trung áp

Chuyên khảo phân tích Luận vănnghiên cứu bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh trực tiếp vào đường dây trung, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Nguyễn Trung Lục
• Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng & Nhà máy điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Bảo Vệ Quá Áp Cho Đường Nguồn Hạ Áp Khi Sét Đánh Vào Đường Dây Trung Áp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT LUẬN VĂN (ABSTRACT)
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Sự cần thiết của đề tài
• 1.2. Nhiệm vụ của luận văn
• 1.3. Điểm mới của luận văn
• 1.4. Giá trị thực tiễn của luận văn
• 1.5. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SÉT
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT TIÊU CHUẨN
• 3.1. Xung sét qui định theo tiêu chuẩn
• 3.2. Phương trình mô tả xung sét chuẩn
• 3.3. Tính toán các thông số của xung sét chuẩn
• 3.3.1. Tính tỷ số b/a
• 3.3.2. Tính tỷ số at1
• 3.3.3. Tính tỷ số I1/I
• 3.4. Xây dựng mô hình nguồn phát xung trên MATLAB
• 3.5. Mô phỏng nguồn phát xung dòng
• 3.6. Nhận xét
• 4. CHƯƠNG 4: CẤU TẠO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH MOV
• 4.1. Xây dựng mô hình MOV hạ thế
• 4.1.1. Đặt vấn đề
• 4.1.2. Cấu tạo và nguyên lý mô hình MOV hạ thế
• 4.1.3. Mô hình điện trở phi tuyến V=f(I) của MOV
• 4.1.4. Kiểm tra đáp ứng MOV hạ thế với xung dòng chuẩn
• 4.2. Xây dựng mô hình MOV trung thế
• 4.2.1. Đặt vấn đề
• 4.2.2. Sơ đồ nguyên lý và mô hình MOV trung thế
• 4.2.3. Kết quả mô phỏng và so sánh
• 4.2.4. Nhận xét
• 5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU BẢO VỆ QUÁ ÁP TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP KHI SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP TỚI ĐƯỜNG DÂY TRUNG ÁP
• 5.1. Khảo sát hệ thống bảo vệ quá áp khi không có van chống sét hạ áp
• 5.2. Quá điện áp do sét lan truyền qua mạng hạ áp
• 5.3. Khảo sát hệ thống bảo vệ quá áp khi có lắp đặt LV-MOV
• 5.4. Điều chỉnh vị trí lắp đặt LV-MOV
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về bảo vệ quá áp cho đường nguồn hạ áp khi sét đánh vào đường dây trung áp là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực hệ thống điện. Quá điện áp do sét có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho các thiết bị điện, dẫn đến gián đoạn trong cung cấp điện năng. Luận văn này nhằm mục đích xây dựng mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các biện pháp bảo vệ quá áp, đặc biệt là việc sử dụng thiết bị bảo vệ điện như MOV (Metal Oxide Varistor).

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Quá điện áp là nguyên nhân chính gây ra sự cố trong lưới điện, ảnh hưởng đến độ tin cậy và an toàn của hệ thống. Việc nghiên cứu và phát triển các biện pháp bảo vệ điện là cần thiết để giảm thiểu thiệt hại do sét đánh. Hệ thống bảo vệ quá áp không chỉ bảo vệ thiết bị mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp bảo vệ và ứng dụng thực tiễn của chúng trong hệ thống điện.

II. Tổng quan về sét

Sét là hiện tượng tự nhiên gây ra các xung điện mạnh, có thể gây ra quá áp điện trong hệ thống điện. Khi sét đánh vào đường dây trung áp, nó có thể lan truyền qua các thiết bị và gây ra hư hỏng. Nghiên cứu này sẽ phân tích các đặc điểm của sét và cách mà nó ảnh hưởng đến hệ thống điện. Các phương pháp bảo vệ hiện có sẽ được xem xét để đánh giá hiệu quả của chúng trong việc giảm thiểu thiệt hại do quá áp điện.

2.1. Đặc điểm của sét

Sét có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau, mỗi loại có đặc điểm riêng về cường độ và thời gian. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng sét đánh có thể tạo ra các xung điện với cường độ lên đến hàng trăm kA, gây ra quá áp lớn trong hệ thống điện. Việc hiểu rõ về đặc điểm của sét là rất quan trọng để phát triển các biện pháp bảo vệ hiệu quả.

III. Xây dựng mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn

Mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn được xây dựng nhằm mục đích mô phỏng các điều kiện thực tế khi sét đánh. Mô hình này sử dụng các thông số chuẩn để tạo ra các xung điện tương tự như xung sét thực tế. Việc mô phỏng này giúp đánh giá hiệu quả của các thiết bị bảo vệ quá áp trong các tình huống khác nhau. Sử dụng phần mềm Matlab, mô hình sẽ được kiểm tra và điều chỉnh để đảm bảo tính chính xác.

3.1. Phương pháp mô phỏng

Phương pháp mô phỏng sử dụng các thông số chuẩn của xung sét để tạo ra mô hình điện. Các thông số như giá trị đỉnh, thời gian đạt đỉnh và thời gian đạt ½ đỉnh sẽ được xác định và sử dụng trong mô hình. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với các dữ liệu thực tế để đánh giá độ chính xác của mô hình. Điều này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của bảo vệ quá áp trong hệ thống điện.

IV. Nghiên cứu bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp

Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của các thiết bị bảo vệ quá áp như MOV trong việc bảo vệ đường nguồn hạ áp khi có sét đánh vào đường dây trung áp. Các mô hình sẽ được xây dựng để mô phỏng các tình huống khác nhau và đánh giá hiệu quả của các biện pháp bảo vệ. Kết quả sẽ cung cấp thông tin quý giá cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong việc thiết kế và cải thiện hệ thống bảo vệ.

4.1. Hiệu quả của MOV trong bảo vệ quá áp

MOV là một trong những thiết bị phổ biến nhất được sử dụng để bảo vệ quá áp. Nghiên cứu cho thấy rằng việc lắp đặt MOV có thể giảm thiểu đáng kể mức độ quá áp do sét đánh. Các mô phỏng cho thấy rằng khi có MOV, điện áp dư trên các thiết bị điện giảm xuống dưới mức cho phép, đảm bảo an toàn cho hệ thống. Điều này chứng tỏ rằng MOV là một giải pháp hiệu quả trong việc bảo vệ hệ thống điện khỏi thiệt hại do sét.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển

Nghiên cứu này đã chỉ ra tầm quan trọng của việc bảo vệ quá áp trong hệ thống điện, đặc biệt là khi có sét đánh. Các mô hình và phương pháp mô phỏng đã được phát triển để đánh giá hiệu quả của các thiết bị bảo vệ như MOV. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng MOV có thể giảm thiểu thiệt hại do quá áp. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện các mô hình và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực bảo vệ điện.

5.1. Đề xuất cho nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu tương lai nên tập trung vào việc phát triển các thiết bị bảo vệ mới với hiệu suất cao hơn. Cần có thêm các nghiên cứu thực nghiệm để xác định hiệu quả của các thiết bị trong các điều kiện thực tế. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện và bảo vệ an toàn cho người sử dụng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thống kê thực tế trong ngành điện lực chỉ ra rằng hơn 70% đến 80% các sự cố hư hỏng thiết bị điện và điện tử bắt nguồn từ hiện tượng sét lan truyền hoặc cảm ứng quá điện áp qua đường dây cấp nguồn và đường truyền tín hiệu. Tại Việt Nam, một quốc gia thuộc khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa có mật độ dông sét hàng năm rất cao, việc bảo đảm an toàn cho hệ thống lưới điện phân phối là bài toán cấp thiết. Tuy nhiên, việc đánh giá đáp ứng của các thiết bị chống sét phi tuyến theo phương pháp giải tích truyền thống gặp nhiều trở ngại toán học phức tạp, trong khi năng lực thử nghiệm xung cao áp tại các phòng thí nghiệm trong nước còn nhiều hạn chế về trang thiết bị.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán mô hình hóa quá điện áp và tối ưu hóa hệ thống bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp khi xuất hiện xung sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp trên không. Mục tiêu cụ thể là xây dựng nguồn phát xung sét tiêu chuẩn trên phần mềm Matlab/Simulink, phát triển hai mô hình chống sét van biến trở oxide kim loại (Metal-Oxide Varistor - MOV) cho cấp trung thế và hạ thế với thuật toán đơn giản, và khảo sát cơ chế lan truyền xung sét qua máy biến áp phân phối 15/0,4kV.

Phạm vi nghiên cứu bao quát các dạng xung sét tiêu chuẩn quốc tế với biên độ dòng điện từ 1,5kA đến 40kA tác động lên tuyến đường dây trung thế 15kV tại các khoảng cách từ 10m đến 9000m so với trạm biến áp. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa then chốt khi cung cấp công cụ mô phỏng số học đạt độ chính xác cao với sai số dưới 5,0%, hỗ trợ kiểm soát điện áp dư phía hạ thế dưới 1200V, bảo đảm an toàn vận hành liên tục cho các hệ thống phụ tải công nghiệp và dân dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết quá độ điện từ và mô hình động học của biến trở oxide kim loại (MOV). Khung lý thuyết cốt lõi kết hợp giữa mô hình chống sét van tiêu chuẩn của Hội đồng Kỹ sư Điện và Điện tử Quốc tế (IEEE) và mô hình cải tiến của Manfred Holzer và Willi Zapsky. Biến trở oxide kim loại hoạt động dựa trên đặc tính phi tuyến tính dòng - áp (V-I) của gốm bán dẫn Kẽm Oxide (ZnO), cho phép chuyển đổi trạng thái từ điện trở cực cao ở điện áp định mức sang trạng thái dẫn điện mạnh khi xuất hiện xung quá áp đột biến.

Khái niệm dạng sóng xung sét không chu kỳ chuẩn được mô tả bằng hàm toán học hai thành phần mũ với phương trình dòng điện $i(t) = I \cdot (e^{-at} - e^{-bt})$. Ba dạng sóng xung chuẩn được áp dụng bao gồm xung dòng phóng điện 8/20µs (dòng đỉnh trong 8µs, suy giảm một nửa trong 20µs), xung đầu sóng dốc nhanh 1/5µs và xung sét đánh thẳng 10/350µs. Đối với cấp trung áp, mức cách điện cơ bản (Basic Impulse Level - BIL) của máy biến áp phân phối 15kV được xác định ở ngưỡng 178kV. Mô hình MOV trung thế (MV_MOV) gồm hai nhánh điện trở phi tuyến A0 và A1 phân tách bởi bộ lọc R-L để mô phỏng đáp ứng tần số cao, trong khi mô hình MOV hạ thế (LV_MOV) tích hợp điện trở phi tuyến song song với điện dung tiếp giáp Cp, điện trở rò Rp, nối tiếp cùng điện cảm nội Ls và điện trở tiếp xúc Rs.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật từ catalogue và kết quả thí nghiệm xuất xưởng của 6 nhà sản xuất thiết bị chống sét hàng đầu thế giới gồm AVX, Littelfuse, Siemens, Cooper, ELPRO và General Electric (GE). Cỡ mẫu khảo sát gồm 12 dòng sản phẩm MOV hạ thế (như VE13M02750K, VE17M02750K, V275LA40A, B32K275, B40K275, B60K275, B80K275) và các dòng chống sét van trung thế 15kV chịu dòng xung sét từ 1,5kA đến 40kA.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm lựa chọn các thiết bị MOV có dải điện áp làm việc định mức từ 275V (hạ thế) đến 15kV (trung thế), đại diện cho các chủng loại thiết bị đang vận hành phổ biến nhất trên lưới điện phân phối Việt Nam. Phương pháp phân tích số liệu kết hợp công cụ Curve Fitting Toolbox trong Matlab để hồi quy toán học các tỷ số b/a, at1 và I1/I, từ đó trích xuất chính xác tham số mạch tương đương mà không đòi hỏi các quy trình lặp phức tạp. Toàn bộ quá trình thu thập thông số, thiết lập thuật toán mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình số được thực hiện có hệ thống, bảo đảm tính khách quan và khả năng tái lập trong thực tế kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn xây dựng trên Matlab/Simulink tái tạo chính xác các dạng sóng 8/20µs (5kA), 1/5µs (10kA) và 10/350µs (10kA) với sai số tham số thời gian đầu sóng và đuôi sóng đều nhỏ hơn 5,0% so với quy chuẩn quốc tế.

Mô hình MOV hạ thế và trung thế đạt độ chuẩn xác vượt trội khi so sánh với thông số xuất xưởng của nhà sản xuất. Đối với thiết bị MOV hạ thế hãng Siemens (dòng B32K275, B40K275, B60K275, B80K275), sai số điện áp dư mô phỏng ở các mức dòng 5kA, 10kA và 20kA dao động từ 0,00% đến 1,87%. Dòng sản phẩm AVX (VE13M, VE17M) và Littelfuse (V275LA40A) ghi nhận sai số cực đại chỉ 5,0% ở dòng xung 2kA và 4,5% ở dòng 3kA. Đối với MOV trung thế, mô hình phản ánh sát thực nghiệm của hãng Cooper với sai số 0,06% ở mức dòng 20kA (điện áp dư 59,36kV so với 59,4kV của nhà sản xuất) và đạt sai số 0,01% ở xung dốc 1/5µs - 10kA (90,0kV so với 90,1kV). Các dòng chống sét của ELPRO và GE đều ghi nhận sai số kiểm chứng dưới 3,73%.

Khảo sát hệ thống khi không lắp đặt van chống sét hạ áp cho thấy xung sét 10kA đánh trực tiếp vào dây pha trung thế cách trạm từ 10m đến 9000m gây ra hiện tượng quá áp lan truyền nghiêm trọng sang phía hạ thế. Tại tủ phân phối hạ áp, điện áp cực đại trên pha A đạt 2305V ở khoảng cách sét 9000m và duy trì mức 2000V ở khoảng cách 10m. Điện áp pha B đạt đỉnh 1000V và pha C đạt đỉnh 1397V, vượt xa khả năng chịu đựng cách điện của các thiết bị điện tử dân dụng và công nghiệp (thường chỉ chịu được dưới 1500V).

Khi tích hợp thiết bị chống sét van hạ áp LV_MOV (điện áp làm việc cực đại 275V, dòng phóng định mức 40kA), điện áp dư trên toàn bộ các pha tại tủ điện hạ áp được kẹp xuống dưới ngưỡng an toàn 1200V, triệt tiêu hoàn toàn các sóng quá áp đột biến lan truyền qua máy biến áp.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng quá áp xuất hiện ở phía hạ áp dù phía sơ cấp đã có van chống sét trung thế được giải thích bởi cơ chế ghép nối điện dung và điện cảm ký sinh giữa các cuộn dây của máy biến áp 15/0,4kV. Van chống sét trung áp MV_MOV hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ kẹp điện áp pha sơ cấp xuống dưới 130kV (thấp hơn nhiều so với mức cách điện cơ bản BIL 178kV của máy biến áp), nhưng năng lượng cao tần của đuôi sóng sét vẫn cảm ứng và truyền qua cuộn thứ cấp.

Dữ liệu mô phỏng được cấu trúc và trình bày trực quan thông qua các bảng so sánh sai số điện áp dư (Urcat so với Ursim) và hệ thống đồ thị dạng sóng quá độ theo trục thời gian micro giây (µs). Kết quả chứng minh rằng việc lắp đặt van chống sét trung thế là điều kiện cần để bảo vệ máy biến áp, nhưng việc bổ sung van chống sét hạ áp ngay tại đầu cực thứ cấp là điều kiện đủ để bảo vệ an toàn cho phụ tải tiêu thụ. Mô hình cải tiến đã khắc phục được nhược điểm của khối MOV mặc định trong Matlab vốn bỏ qua hiệu ứng động học khi đáp ứng với các xung sét có độ dốc đầu sóng cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Thiết kế và lắp đặt hệ thống bảo vệ chống sét lan truyền đa tầng tại 100% các trạm biến áp phân phối 15/0,4kV và 22/0,4kV. Đơn vị thiết kế và các công ty điện lực cần bố trí van chống sét hạ áp LV_MOV ngay tại đầu ra cuộn thứ cấp máy biến áp phối hợp với tủ phân phối chính, đặt mục tiêu kẹp biên độ điện áp quá độ dưới mức 1200V. Tiến độ triển khai hoàn thành khảo sát và lắp đặt đồng bộ trong vòng 6 đến 12 tháng cho các trạm biến áp trọng điểm.

Quy chuẩn hóa giá trị điện trở nối đất cho hệ thống tiếp địa trạm biến áp và công trình phụ tải. Đội ngũ kỹ thuật vận hành cần thực hiện đo kiểm định kỳ hàng quý, bảo đảm điện trở nối đất trạm biến áp luôn đạt trị số dưới 4 Ohm và hệ thống tiếp địa tủ hạ áp công trình đạt dưới 10 Ohm để tiêu tán nhanh chóng dòng sét lên tới 40kA xuống đất mà không gây hiện tượng nâng điện thế đất ngược (back-flashover).

Tích hợp bộ công cụ mô hình hóa nguồn xung sét và MOV trên nền tảng Matlab/Simulink vào quy trình giảng dạy đại học, sau đại học và công tác nghiên cứu tại các viện thiết kế điện. Các trường đại học kỹ thuật và viện nghiên cứu cần ứng dụng mô hình này trong giai đoạn từ 3 đến 6 tháng tới để phục vụ phân tích quá độ điện từ thay thế cho các thử nghiệm xung cao áp tốn kém trong điều kiện phòng thí nghiệm còn hạn chế.

Cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về thử nghiệm và nghiệm thu thiết bị chống sét hạ áp. Các cơ quan quản lý tiêu chuẩn và kiểm định chất lượng cần ban hành quy định bắt buộc kiểm tra đáp ứng động học của van chống sét với cả ba dạng xung sóng 8/20µs, 1/5µs và 10/350µs, áp dụng lộ trình triển khai trong thời gian 12 đến 24 tháng đối với các nhà sản xuất và nhập khẩu thiết bị chống sét tại Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế hệ thống điện và cơ điện công trình (M&E): Nắm bắt phương pháp tính toán, lựa chọn thông số và bố trí vị trí lắp đặt tối ưu cho thiết bị chống sét van trung - hạ áp, hạn chế tối đa nguy cơ quá áp làm hỏng thiết bị nhạy cảm trong các tòa nhà cao tầng và khu công nghiệp.

Cán bộ quản lý vận hành lưới điện phân phối: Sử dụng tài liệu để đánh giá rủi ro lan truyền sét qua máy biến áp, xây dựng phương án bảo trì định kỳ và cải tạo lưới điện phân phối 15kV/22kV nhằm nâng cao chỉ số độ tin cậy cung cấp điện.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Tiếp cận mô hình toán học giải tích kết hợp công cụ Curve Fitting Toolbox trên Matlab/Simulink để phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về phối hợp cách điện và quá độ điện áp.

Nhà sản xuất và đơn vị kiểm định thiết bị chống sét (SPD): Sử dụng kết quả so sánh sai số thực nghiệm của các thương hiệu quốc tế (Siemens, ABB, GE, Cooper, AVX) làm cơ sở tham chiếu để cải tiến chất lượng phiến gốm ZnO và hiệu chỉnh bảng thông số catalogue sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao trạm biến áp đã lắp chống sét van trung thế nhưng thiết bị hạ áp phía sau vẫn bị cháy hỏng khi có sét? Van chống sét trung thế chỉ có nhiệm vụ kẹp điện áp phía sơ cấp dưới mức cách điện cơ bản 178kV của máy biến áp. Một phần năng lượng sóng sét vẫn truyền sang phía hạ áp qua điện dung và điện cảm giữa các cuộn dây, tạo ra mức quá điện áp từ 787V đến 2305V, vượt quá độ bền cách điện của thiết bị điện tử hạ thế.

Mô hình MOV đề xuất trong luận văn có điểm gì ưu việt hơn khối MOV có sẵn trong Matlab? Khối MOV mặc định trong Matlab chỉ mang tính tĩnh học gần đúng, dễ gây sai số lớn khi dòng xung có đầu sóng dốc đứng. Mô hình cải tiến kết hợp cấu trúc động học của Manfred Holzer, Willi Zapsky và IEEE, tích hợp khối xử lý dấu điện áp và bộ lọc R-L, giúp kiểm soát sai số điện áp dư dưới 5,0% trong mọi điều kiện phóng điện.

Những dạng sóng xung sét tiêu chuẩn nào được kiểm chứng trong mô hình mô phỏng? Nghiên cứu mô phỏng ba dạng sóng xung dòng chuẩn quốc tế gồm xung thử nghiệm thiết bị phân phối 8/20µs, xung đầu sóng dốc nhanh 1/5µs và xung dòng sét đánh trực tiếp năng lượng cao 10/350µs, với dải biên độ khảo sát toàn diện từ 1,5kA đến 40kA.

Vị trí lắp đặt van chống sét hạ áp LV_MOV ở đâu mang lại hiệu quả bảo vệ cao nhất? Vị trí lắp đặt quan trọng và tối ưu nhất là ngay tại đầu cực thứ cấp của máy biến áp phân phối và tại thanh cái của tủ phân phối chính hạ áp. Cấu hình này giúp dập tắt sóng quá áp ngay tại nguồn, kẹp điện áp dư tức thời xuống dưới 1200V trước khi truyền sâu vào mạng điện công trình.

Độ chính xác của mô hình MOV khi đối chiếu với số liệu xuất xưởng của các nhà sản xuất là bao nhiêu? Mô hình đạt độ tin cậy rất cao với sai số lớn nhất chỉ 5,0% đối với MOV hạ thế của AVX và 3,73% đối với MOV trung thế của ELPRO. Các dòng sản phẩm của Siemens và Cooper ghi nhận sai số cực thấp, lần lượt ở mức 0,00% và 0,01%.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn (8/20µs, 1/5µs, 10/350µs) trên Matlab/Simulink với sai số toán học dưới 5,0%.
• Phát triển hoàn chỉnh hai mô hình chống sét van biến trở oxide kim loại (LV_MOV và MV_MOV) với thuật toán xác định tham số đơn giản trực tiếp từ catalogue, đạt sai số kiểm chứng thực tế từ 0,00% đến 5,0%.
• Làm sáng tỏ cơ chế quá áp lan truyền qua máy biến áp phân phối 15/0,4kV khi có sét đánh trực tiếp trên đường dây trung thế, ghi nhận mức điện áp đột biến trên tải hạ áp lên tới 2305V.
• Khẳng định tính tất yếu của giải pháp lắp đặt van chống sét hạ áp LV_MOV tại đầu cực thứ cấp máy biến áp để triệt giảm điện áp quá độ xuống dưới 1200V, bảo đảm an toàn tuyệt đối cho hệ thống điện phụ tải.
• Đóng góp cho ngành kỹ thuật điện một bộ công cụ mô phỏng số học tiện ích, tin cậy, giải quyết triệt để rào cản thiếu thốn trang thiết bị thử nghiệm cao áp thực tế tại Việt Nam.

Trong giai đoạn tiếp theo từ 12 đến 24 tháng tới, hướng nghiên cứu cần được mở rộng sang việc mô hình hóa chống sét van cho trạm biến áp trung gian 110kV/22kV và khảo sát sự phối hợp đồng bộ đa cấp giữa các thiết bị cắt - lọc sét trên toàn tuyến lưới phân phối. Các kỹ sư và nhà quản lý năng lượng hãy ứng dụng ngay công cụ mô hình hóa này vào công tác tính toán thiết kế để nâng cao độ an toàn và chất lượng điện năng cho công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề  Mô hình MOV đã xây dựng trước đây được áp dụng cho cấp hạ áp.  Khi dùng mô hình này để mô phỏng cho MOV trung thế sẽ sinh ra sai số rất lớn.  Khó khăn cho việc mô phỏng nghiên cứu phối hợp các thiết bị bảo vệ quá áp, cũng như nghiên cứu tính năng bảo vệ của MOV trên mạng cao áp. Đề nghị một mô hình MOV trung thế với mục đích nhằm phần nào giải quyết được vấn đề này.

XÂY XÂYDỰNG DỰNG MÔ MÔ HÌNH HÌNH MOV MOV TRUNG TRUNG THẾ THẾ Mô hình được xây dựng dựa trên mô hình IEEE, tụ điện C được loại bỏ do ảnh hưởng của nó đến mô hình không đáng kể. Mô hình gồm hai điện trở phi tuyến A0 và A1. Giữa các phần tử Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình MOV phi tuyến A0 và A1 là các trung thế. bộ lọc R-L, điện trở Rp là L1 = Vn * (Vs -Vl)/(4 * Vl * 10^6) điện trở của MOV trong L0 = Vn * (Vs -Vl)/(12 * Vl * 10^6) vùng dòng điện rò.

XÂY XÂYDDỰNG ỰNG MÔ MÔ HÌNH HÌNH MOV MOV TRUNG TRUNG THẾ THẾ Hình 4.2: Hộp thoại của MV_MOV Hình 4.3: Biểu tượng mô hình MOV trung thế 4. XÂY XÂYDỰNG DỰNG MÔ MÔ HÌNH HÌNHMOV MOV TRUNG TRUNG THẾ THẾ Kết quả mô phỏng Hình 4.4: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV trung thế đề nghị 17 - 4. XÂY XÂYDỰNG DỰNG MÔ MÔ HÌNH HÌNHMOV MOV TRUNG TRUNG THẾ THẾ Kết quả mô phỏng Hình 4.5: Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MV-MOV khi mô phỏng MOV hãng COOPER với xung 5kA – 8/20µs. XÂY XÂYDỰNG DỰNG MÔ MÔ HÌNH HÌNHMOV MOV TRUNG TRUNG THẾ THẾ Kết quả mô phỏng Hình 4.6: Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MV-MOV khi mô phỏng MOV hãng COOPER với xung 10kA – 8/20µs.

XÂY XÂYDỰNG DỰNG MÔ MÔ HÌNH HÌNH MOV MOV TRUNG TRUNG THẾ THẾ Kết quả mô phỏng Hình 4.7: Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MV-MOV khi mô phỏng MOV hãng COOPER với xung 20kA – 8/20µs. XÂY XÂYDỰNG DỰNG MÔ MÔ HÌNH HÌNHMOV MOV TRUNG TRUNG THẾ THẾ Kết quả mô phỏng Bảng 4.1: Kết quả so sánh khi mô phỏng MOV trung thế của hãng COOPER Dạng sóng dòng phóng điện 8/20µs Biên độ dòng điện (kA) 5 10 20 Điện áp dư của nhà sản xuất Urman (kV) 50,2 53,8 59,4 Điện áp dư mô phỏng 51,14 54,42 59,36 Ursim (kV) Sai số % (εr) 1,87 1,28 0,06 19 - 4. XÂY XÂYDỰNG DỰNG MÔ MÔ HÌNH HÌNH MOV MOV TRUNG TRUNG THẾ THẾ Kết quả mô phỏng Bảng 4.2: Kết quả so sánh khi mô phỏng MOV trung thế của hãng ELPRO Dạng sóng dòng phóng điện 8/20µs Biên độ dòng điện (kA) 5 10 20 Điện áp dư của nhà sản xuất Urman (kV) 75,0 79,0 87,0 Điện áp dư mô phỏng Ursim (kV) 72,2 77,63 84,76 Sai số % (εr) 3,73 1,73 2,57 Bảng 4.3: Kết quả so sánh khi mô phỏng MOV trung thế của hãng GE Dạng sóng dòng phóng điện 8/20µs Biên độ dòng điện (kA) 3 5 10 20 Điện áp dư của nhà sản xuất Urman 64,90 67,9 73,1 80,9 (kV) Điện áp dư mô phỏng U (kV) 66,01 67,62 72,08 78,17 rsim Sai số % (εr) 1,71 0,41 1,39 3,37 4. XÂY XÂYDỰNG DỰNG MÔ MÔ HÌNH HÌNH MOV MOV TRUNG TRUNG THẾ THẾ Bảng 4.4: Kết quả so sánh khi mô phỏng MOV trung thế của hãng COOPER Dạng sóng dòng phóng điện 8/20µs Biên độ dòng điện (kA) 3 5 10 Điện áp dư của nhà sản xuất 69,4 72,0 77,1 Urman (kV) Điện áp dư mô phỏng 69,05 70,8 76,06 Ursim (kV) Sai số % (εr) 0,5 1,67 1,35 Dạng sóng dòng phóng điện 8/20µs 1/5µs Biên độ dòng điện (kA) 20 10 Điện áp dư của nhà sản xuất 85,0 90,1 Urman (kV) Điện áp dư mô phỏng 83,3 90,0 Ursim (kV) Sai số % (εr) 2,0 0,01 20 - 4.

XÂY XÂYDỰNG DỰNG MÔ MÔ HÌNH HÌNHMOV MOV TRUNG TRUNG THẾ THẾ *Nhận xét:  Kết quả mô phỏng MOV được so sánh với kết quả thí nghiệm của nhà sản xuất, chứng tỏ mô hình khá chính xác với sai số lớn nhất là 4,5% cho LV_MOV và 3,73 % cho MV_MOV.  Điện áp dư trên chống sét van sẽ tăng lên khi thời gian đạt đỉnh của dòng phóng điện giảm.  Đối với mô hình chống sét van trong MATLAB khi mô phỏng với xung dầu sóng tăng nhanh, các đặc tính động không được thể hiện nên sao số của mô hình là rất lớn. KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP Theo thống kê, 80% hư hỏng do sét gây ra là bởi sét đánh lan truyền theo đường cấp nguồn và đường tín hiệu Đường Đường Tủ Cáp dây cáp cung Bảng thông điện cấp tin vàđiện cấp bị hư nguồn thông cáptin bị hư bị hỏng ngầm hư bịhưhưhỏng hỏng hỏng do dodo sét hỏng đánh dosét sét do sétđánh đánh đánh sét đánh Công trình bị hư hỏng do sét đánh 21 - 5.

KH ẢO SSÁT KHẢO Ệ TH ÁT HHỆ ỐNG BBẢO THỐNG ẢO VVỆ Ệ QU QUÁÁ ÁÁP P Khảo sát hệ thống bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh trực tiếp tới đường dây trung áp 5. KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống bảo vệ quá áp khi không có van chống sét hạ áp 22 - 5. KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP Hình 5.2: Sơ đồ mạch tương đương hệ thống bảo vệ quá áp 5. KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP Hình 5.3: Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống bảo vệ quá áp 23 - 5.

KH ẢO SSÁT KHẢO Ệ TH ÁT HHỆ ỐNG BBẢO THỐNG ẢO VVỆ Ệ QU QUÁÁ ÁÁP P Điện áp trên các pha phía sơ cấp máy biến áp Hình 5.4: Điện áp trên pha A phía sơ cấp máy biến áp Hình 5.5: Điện áp trên pha B phía sơ cấp máy biến áp Hình 5.6: Điện áp trên pha C phía sơ cấp máy biến áp Hình 5.7: Điện áp trên các pha khi không có chống sét van MV_MOV 5. KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP Nhận xét: Khi mô phỏng với dòng xung sét _10kA Khi có sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp van chống sét trung áp kẹp điện áp quá độ do xung sét đánh trực tiếp xuống dưới 130kV, nhỏ hơn mức cách điện cơ bản của thiết bị (MBA) được bảo vệ (178kV), như vậy thiết bị được bảo vệ an toàn. Khi không lắp đặt van chống sét MV_MOV điện áp tại các pha phía sơ cấp Máy biến áp lớn hơn mức cách điện cơ bản của MBA có thể phá hỏng MBA. KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP * Qúa điện áp do sét lan truyền qua mạng hạ áp Tiến hành mô phỏng khi lần lượt thay đổi các vị trí khác nhau mà tại đó sét đánh trực tiếp tới đường dây trung áp dẫn vào trạm biến áp phân phối.

Điện áp tại tủ phân phối hạ áp thu được, trình bày trong bảng 5.1: Quá điện áp Khoảng cách từ Điện áp cực đại của các pha tại tủ phân phối hạ áp điểm sét đánh tới trên tải khi khoảng trạm biến áp (m) Pha A (V) Pha B (V) Pha C (V) cách từ vị trí sét đánh 9000 2305 969 1397 tới trạm biến áp thay 8000 2225 1000 1377 đổi 7000 2190 949 1351 6000 2114 942,8 1336 5000 2126 922 1342 4000 2077 922,3 1296 3000 2027 906 1307 2000 2095 888,7 1321 1000 2188 887,8 1303 500 2205 882 1292 50 2000 793 1192 10 2000 787 1193 5. KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP Hình 5.8: Sơ đồ hệ thống bảo vệ quá áp khi có LV-MOV 25 - 5. KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP Hình 5.9: Sơ đồ mạch tương đương hệ thống khi có lắp LV_MOV 5. KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP Hình 5.10: Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống khi có lắp LV_MOV 26 - 5.

KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP Đánh giá hiệu quả bảo vệ của LV-MOV Khi Khicó códòng dòngxung xungsét sétlan lantruyền truyền gây gây ra quá điện áp trong ra quá điện áp trong hệ hệ thống hạ áp thống hạ áp LV_MOV LV_MOV dẫn dẫn xung xung dòng dòng điện điện sét sét vào hệ thống nối đất hạ áp vào hệ thống nối đất hạ áp đảm bảo an toàn cho các đảm bảo an toàn cho các thiết thiết bị bị điện điện–– điện điệntửtử trong tronghệ hệ thống thống hạ áp.11: Điện áp dư trên các van chống sét hạ áp LV_MOV 5. KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP Điều chỉnh vị trí lắp đặt LV-MOV Việc Việc lắp lắp đặt đặt van van chống chống GIảm GIảmquáquáđiện điệnáp ápngay ngaytạitạicuộn cuộn sét dây dây thứ thứ cấp cấp của của máy máy biến biến áp áp sét hạ hạ ápáp có có thể thể bảo bảo vệvệ bằng cách lắp đặt van chống quá áp cho các thiết bị bằng cách lắp đặt van chống quá áp cho các thiết bị sét sét hạ hạ áp áp ngay ngay tại tại đầu đầu hạ hạ áp áp điện.Tuy nhiên nhiên vẫnvẫn xuất xuất của máy biến áp. hiện hiện các các dao dao động động điện điện do các thành phần do các thành phần cảm cảm kháng kháng và và dung dung kháng kháng trên hệ thống điện, những trên hệ thống điện, những dao dao động động này này vẫn vẫn có có thể thể gây gây nguy nguy hiểm hiểm chocho các các thiết bị điện tử nhạy cảm. thiết bị điện tử nhạy cảm.12: Điện áp dư trên các van chống sét hạ áp khi lắp đặt LV_MOV ngay tại đầu của Máy biến áp.

KH ẢO SSÁT KHẢO ÁT HỆ TH HỆ ỐNG B THỐNG ẢO VVỆ BẢO Ệ QU QUÁÁÁP ÁP Kết luận  Khi có quá điện áp sét truyền theo đường dây, van chống sét trung áp sẽ làm việc, hạn chế trị số của quá điện áp sét xuống dưới một trị số cho phép bảo đảm an toàn cho các thiết bị trong trạm.  Mặc dù đã có gắn van chống sét trung áp, quá độ điện áp vẫn xảy ra bên phía hạ áp do sự lan truyền dòng điện sét qua máy biến áp gây ra những dao động điện áp trên hệ thống hạ áp.  Để bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp, việc lắp đặt van chống sét hạ áp là cần thiết.