Chương 1 CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP DẠNG MOV (MVLA) 1. CẤU TẠO BIẾN TRỞ OXYT KIM LOẠI 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. 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. 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.1: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I. 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 HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 5 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 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 2. 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 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 2.
Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp. Chúng gồm 3 vùng cấu trúc (Hình 1.2): 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. HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 6 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 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.2: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 1. ĐẶC TÍNH V-I Đặc tính V-I của MOV như Hình 1.3, đặc tính V-I được biểu diễn bằng phương trình dạng hàm mũ (2.3) Ở đây: I là dòng qua biến trở; V là điện áp đặt lên biến trở; K là 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 (1.4) suy ra: LogI = logK + logV (1.5) HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 7 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1 LogR = log( ) + (1-)logV (1.6) 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 (1.3: Đặc tính V-I của MOV. 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.4 đường cong (1) phía trên là trường hợp không có biến trở, đường cong (2) phía dưới là trường hợp có biến trở và không đồng bộ với đường (1) và cho thấy ảnh hưởng điện áp kẹp xảy rất nhanh.
Tuy nhiên thời gian đáp ứng của MOV bị thay đổi do một số lý do: ✓ Điện áp cảm ứng đầu dây nối góp phần gia tăng đáng kể điện áp ngang qua đầu cực của biến trở ở xung dòng cao và độ dốc sườn trước lớn. ✓ Điện dung ký sinh của chính bản thân MOV. ✓ Trở kháng ngoài của mạch. HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 8 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Đáp ứng và điện áp kẹp của biến trở bị ảnh hưởng bởi dạng sóng dòng điện và độ vọt lố điện áp cực đại xuất hiện tại đầu cực của biến trở trong suốt quá trình tăng dòng điện như Hình 1.5: 500ps/DIV Hình 1.4: Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao.
Đặc tính V-I của biến trở ZnO khi b. Điện áp kẹp thay đổi tương ứng với thay đổi thời gian tăng xung dòng thay đổi đỉnh dòng xung 8/20s.5: Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng. MVLA MVLA là các loại chống sét dùng khá phổ biến hiện nay trên lưới phân phối điện Việt Nam. MVLA được sử dụng để ngăn ngừa không cho điện áp tăng lên quá cao ở các thiết bị được bảo vệ, đương nhiên đặc tính kỹ thuật phải phối hợp với mức chịu đựng xung cơ bản BIL (Basic Impulse Level) của thiết bị đó.
Nghĩa là quy trình chọn MVLA phải tính đến khả năng chịu quá áp của thiết bị, và đảm bảo cho MVLA hoạt động tốt trong giới hạn cách điện của thiết bị. HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 9 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 1.6: Chức năng phối hợp cách điện của chống sét van Hoạt động của MVLA bao gồm: 1. Chế độ xác lập Ở chế độ xác lập, điện áp đặt trên hai cực của chống sét là điện áp pha – đất. Trong chế độ này, điện áp hoàn toàn phân bố đều lên các đĩa MOV.
Chế độ hoạt động khi có quá áp tạm thời Do không có khe hở nên MVLA có khả năng chịu được quá áp tạm thời tốt hơn chống sét van SiC rất nhiều. Chế độ hoạt động ở dòng xung Khi có quá áp xung, các khe hở bắt đầu phóng điện. Các đĩa trong chống sét MOV bắt đầu hấp thu năng lượng của dòng xung trở nên nóng hơn, do vậy dòng xung chạy qua các đĩa MOV dễ dàng. Ngay khi dòng xung không còn, phần lớn điện áp rơi trên vòng điện trở (do ít phi tuyến hơn MOV) sẽ làm giảm điện áp đặt trên các đĩa MOV, như vậy năng lượng tiêu tán trên các đĩa MOV giảm.
Do vậy, các đĩa MOV phục hồi nhanh và tạo cho chống sét MOV có khả năng chịu đựng các dòng xung có biên độ lớn thời gian ngắn hay dòng thấp thời gian dài tốt hơn chống sét SiC. HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 10 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1. Tính ổn định đối với hoạt động phóng điện Đối với chống sét MOV, dòng điện theo sau tần số công nghiệp rất bé (khoảng (02) A so với dòng điện duy trì của chống sét SiC (100500) A. Ngoài ra, các đĩa MOV không cho dòng theo sau tần số công nghiệp chạy qua một khi điện áp lưới xuống dưới mức ngưỡng của đặc tính V-I, do vậy chống sét MOV có tính ổn định cao đối với hiện tượng phóng điện khe hở so với chống sét SiC.
Khảo sát các đặc tính làm việc ở các chế độ nêu trên, nhận thấy MVLA có các ưu điểm sau: ✓ Cải thiện đặc tính bảo vệ xung sét tốt hơn cho các thiết bị phân phối, đặc biệt là đối với các hệ thống có cách điện rắn như cáp ngầm và máy biến áp phân phối. Điện áp phóng thấp không những cải thiện biên hạn bảo vệ giữa chống sét và điện áp xung mà còn làm giảm sự hư hỏng cách điện và tuổi thọ thiết bị được kéo dài. ✓ Khả năng chịu quá áp tạm thời tốt hơn sẽ đưa đến độ tin cậy được cải thiện trong các trường hợp quá áp bất thường xảy ra. HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 11 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương 2 MÔ HÌNH MVLA 2.
ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, trong điều kiện không thể thử nghiệm hiệu quả bảo vệ của MVLA trên hệ thống phân phối thực thì phương pháp mô hình hóa mô phỏng được ưu tiên áp dụng. Phần mềm Matlab cũng đề xuất mô hình chống sét van cao áp trong thư viện của SymPowerSystems. Tuy nhiên, mô hình này cũng có nhiều hạn chế như: mô hình đơn giản, yêu cầu các thông số đầu vào không dễ tìm thấy trong catalogue của nhà sản xuất. Vì vậy, việc nghiên cứu và đề xuất mô hình MVLA có độ chính xác cao so với nguyên mẫu nhưng không đòi hỏi các thông số đầu vào phức tạp là yêu cầu bức thiết.
CÁC MÔ HÌNH MVLA 2. Mô hình MVLA trong SimPowerSystems của Matlab Mô hình MVLA trong Matlab thực chất là một điện trở phi tuyến. Đặc tuyến phi tuyến V-I của mô hình được thành lập bởi ba đoạn khác nhau của phương trình hàm mũ: 1/ i V I ki (2.1) Vref I ref Các giá trị ki và i được khai báo trên hộp thoại. Với mỗi đoạn khác nhau của phương trình hàm mũ, giá trị k và sẽ khác nhau và như thế quan hệ dòng áp của mô hình sẽ như Hình 2.1: HVTH: Mai Nguyễn Trưởng Trang 12 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 2.