Luận văn thạc sĩ nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện phú tân tỉnh cà mau

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

• Tác giả: Mai Nguyễn Trưởng
• Người hướng dẫn: Pgs.Ts Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối Huyện Phú Tân, Tỉnh Cà Mau
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Cà Mau

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
• 1. CHƯƠNG MỞ ĐẦU
• 1.1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
• 1.4. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH
• 1.5. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
• 1.6. TÍNH THỰC TIỄN
• 1.7. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
• 1.8. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 1: CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP DẠNG MOV (MVLA)
• 2.1. CẤU TẠO BIẾN TRỞ OXYT KIM LOẠI
• 2.2. ĐẶC TÍNH V-I
• 2.3. THỜI GIAN ĐÁP ỨNG
• 3. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH MVLA
• 3.1. CÁC MÔ HÌNH MVLA
• 3.2. Mô hình MVLA trong SimPowerSystems của Matlab
• 3.3. Mô hình MVLA theo đề xuất của P-K
• 4. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT XUNG VÀ MÔ HÌNH MVLA TRONG MATLAB
• 5. CHƯƠNG 4: BIỆN PHÁP BẢO VỆ QUÁ ÁP DO SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP PHÂN PHỐI, HUYỆN PHÚ TÂN, TỈNH CÀ MAU
• 6. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét

Nghiên cứu về biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối tại Cà Mau là một vấn đề cấp thiết. Với khí hậu nhiệt đới ẩm, Cà Mau thường xuyên phải đối mặt với các hiện tượng thời tiết cực đoan, trong đó có sét. Sét không chỉ gây ra thiệt hại cho thiết bị điện mà còn ảnh hưởng đến an toàn của hệ thống điện. Việc nghiên cứu và áp dụng các biện pháp bảo vệ hiệu quả là cần thiết để đảm bảo an toàn cho lưới điện và thiết bị điện trong khu vực.

1.1. Tình hình sét và ảnh hưởng đến lưới điện tại Cà Mau

Cà Mau là một trong những tỉnh có số ngày dông sét cao nhất tại Việt Nam. Theo thống kê, hàng năm có hàng ngàn sự cố xảy ra, trong đó hơn 60% là do sét. Những sự cố này không chỉ gây thiệt hại về kinh tế mà còn ảnh hưởng đến an toàn điện cho người dân.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng mô hình bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối tại Cà Mau. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích cho các công ty điện lực và các học viên trong ngành kỹ thuật điện.

II. Vấn đề và thách thức trong bảo vệ quá áp do sét

Bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối gặp nhiều thách thức. Các thiết bị điện thường xuyên phải chịu áp lực từ các xung điện lớn do sét gây ra. Điều này dẫn đến việc hư hỏng thiết bị và gián đoạn cung cấp điện. Việc lựa chọn và lắp đặt các thiết bị bảo vệ như chống sét van là rất quan trọng.

2.1. Nguyên nhân gây ra quá áp do sét

Quá áp do sét có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm sét đánh trực tiếp vào lưới điện hoặc các xung điện lan truyền từ các thiết bị khác. Những nguyên nhân này đều có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho thiết bị điện.

2.2. Hệ thống điện Cà Mau và các vấn đề hiện tại

Hệ thống điện tại Cà Mau hiện đang đối mặt với nhiều vấn đề, bao gồm sự lão hóa của thiết bị và thiếu hụt trong việc bảo trì. Điều này làm tăng nguy cơ xảy ra sự cố do quá áp do sét.

III. Phương pháp nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng để đánh giá hiệu quả của các biện pháp bảo vệ quá áp do sét. Mô hình chống sét van trung áp (MVLA) sẽ được xây dựng và thử nghiệm trong môi trường Matlab.

3.1. Xây dựng mô hình MVLA trong Matlab

Mô hình MVLA sẽ được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất. Việc mô phỏng sẽ giúp đánh giá độ chính xác và hiệu quả của mô hình trong việc bảo vệ lưới điện.

3.2. Đánh giá hiệu quả của mô hình

Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với các giá trị thực tế để đánh giá độ chính xác của mô hình. Điều này sẽ giúp xác định vị trí lắp đặt hợp lý cho MVLA trong lưới điện.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp các giải pháp cụ thể cho việc bảo vệ quá áp do sét cho trạm biến áp phân phối tại Cà Mau. Việc áp dụng các biện pháp này sẽ giúp giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

4.1. Đề xuất vị trí lắp đặt MVLA

Nghiên cứu sẽ đề xuất các vị trí lắp đặt MVLA hợp lý trong lưới điện phân phối. Việc lắp đặt đúng vị trí sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ.

4.2. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tiễn

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình MVLA có khả năng bảo vệ hiệu quả trước các xung điện do sét. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc bảo vệ lưới điện tại Cà Mau.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển

Nghiên cứu về biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối tại Cà Mau đã chỉ ra tầm quan trọng của việc áp dụng các công nghệ hiện đại trong bảo vệ hệ thống điện. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải tiến mô hình và mở rộng ứng dụng cho các khu vực khác.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa đối với Cà Mau mà còn có thể áp dụng cho các tỉnh khác có điều kiện tương tự. Việc bảo vệ lưới điện khỏi quá áp do sét là một vấn đề toàn cầu.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến mô hình bảo vệ để đáp ứng tốt hơn với các yêu cầu thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, là môi trường đặc biệt thuận lợi cho sự hình thành và phát triển của các hiện tượng dông sét cường độ mạnh. Theo thống kê thực tế từ ngành điện lực, hàng năm hệ thống điện ghi nhận hàng ngàn vụ sự cố, trong đó hơn 60% trường hợp bắt nguồn từ tác động trực tiếp hoặc lan truyền của dông sét. Sự cố nghiêm trọng xảy ra vào lúc 19h41 ngày 30 tháng 05 năm 2016 là một minh chứng điển hình, khi sét đánh làm bật đồng thời hai đường dây 500kV Hà Tĩnh – Đà Nẵng và Vũng Áng – Đà Nẵng, gây mất liên kết lưới điện quốc gia và làm gián đoạn cung cấp điện diện rộng tại khu vực miền Trung và miền Nam trong khoảng 50 phút.

Trên lưới điện phân phối, quá điện áp do xung sét lan truyền là mối đe dọa nguy hiểm hàng đầu đối với cách điện của máy biến áp và các thiết bị đóng cắt đắt tiền. Việc đo đạc, thử nghiệm thực địa phản ứng của thiết bị chống sét van trung áp dưới tác động của xung sét thực tế gặp nhiều rào cản lớn về kỹ thuật an toàn và chi phí vận hành. Nhằm giải quyết triệt để thách thức này, nghiên cứu tập trung xây dựng mô hình chống sét van oxit kim loại trung áp (MVLA) dựa trên cấu trúc P-K (Pinceti - Giannettoni) trong môi trường Matlab/Simulink và đề xuất phương án bố trí bảo vệ tối ưu cho trạm biến áp phân phối 22kV tại Huyện Phú Tân, Tỉnh Cà Mau vào tháng 03 năm 2018. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cung cấp công cụ mô phỏng có độ chính xác cao với sai số điện áp dư dưới 5,1%, giúp các công ty điện lực tối ưu hóa chi phí đầu tư bảo vệ và nâng cao chỉ số độ tin cậy cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp của lý thuyết vi cấu trúc gốm bán dẫn oxit kim loại (ZnO MOV) và lý thuyết sóng quá độ lan truyền trong hệ thống điện. Bản chất của biến trở ZnO gồm ma trận các hạt oxit kẽm dẫn điện tốt với đường kính từ 15 đến 100 micromet, bao quanh bởi lớp biên oxit kim loại có điện trở cao. Mỗi điểm tiếp giáp hạt tạo thành một vi biến trở với điện áp rào khoảng 2,0V đến 3,5V. Khi điện áp lưới ở mức bình thường, thiết bị có trở kháng rất cao gần như hở mạch với dòng rò chỉ từ 0 đến 2A; khi xuất hiện sóng sét đột biến, trở kháng giảm tức thì về mức rất thấp để xả dòng xung xuống đất.

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào 4 khái niệm và mô hình kỹ thuật trọng tâm:

1. Mức chịu đựng xung cơ bản (BIL) của thiết bị phân phối nhằm xác định ngưỡng phối hợp cách điện an toàn.
2. Mô hình sóng xung sét tiêu chuẩn dạng 8/20 micro giây với phương trình phân rã hàm mũ kép.
3. Mô hình chống sét van phụ thuộc tần số của IEEE và mô hình giản lược P-K.
4. Điện áp dư danh định ứng với các mức biên độ dòng phóng 5kA, 10kA và 20kA.

Mô hình P-K đơn giản hóa cấu trúc IEEE bằng cách sử dụng hai điện trở phi tuyến A0, A1 ngăn cách bởi một cuộn cảm L1. Giá trị của L1 được tính toán trực tiếp từ điện áp định mức và tỷ số điện áp dư ở các dạng sóng xung khác nhau mà không cần bóc tách các thông số vật lý phức tạp bên trong thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của luận văn được thu thập từ catalogue kỹ thuật chính hãng của hai dòng chống sét van trung áp 18kV phổ biến trên thị trường: loại AZG2 do Hãng Cooper Power Systems sản xuất và loại EVP do Hãng Ohio Brass sản xuất. Đồng thời, đề tài thu thập số liệu vận hành thực tế về sơ đồ mặt bằng và cấu hình đấu nối của các trạm biến áp phân phối đại diện tại Huyện Phú Tân, Tỉnh Cà Mau.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số trên nền tảng Matlab/Simulink. Tác giả sử dụng công cụ Curve Fitting Toolbox để tìm hàm xấp xỉ các thông số phi tuyến của bộ phát xung dòng điện và lập trình giao diện đóng gói Mask Subsystem để tự động hóa tính toán thông số mô hình.

Nghiên cứu lựa chọn cỡ mẫu gồm 2 thiết bị chống sét van từ 2 nhà sản xuất uy tín toàn cầu và tiến hành kiểm tra trên 3 cấp biên độ dòng sét thử nghiệm tiêu chuẩn là 5kA, 10kA và 20kA, cùng với 2 mô hình trạm biến áp (trạm 1 máy biến áp và trạm 2 máy biến áp). Phương pháp mô phỏng số được lựa chọn vì đây là giải pháp khả thi duy nhất cho phép tái hiện chính xác các quá trình quá độ diễn ra trong thời gian micro giây mà không làm gián đoạn hoạt động của lưới điện thực. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu, xây dựng thuật toán và kiểm chứng mô hình được hoàn thành trong giai đoạn từ cuối năm 2017 đến tháng 03 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích định lượng đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

1. Bộ nguồn phát xung dòng sét dạng 8/20 micro giây được thiết lập thành công trên Matlab, đáp ứng chính xác dạng sóng hàm mũ kép tiêu chuẩn ở mọi cấp dòng điện thử nghiệm từ 5kA, 10kA đến 20kA với thời gian đạt đỉnh 8 micro giây và thời gian suy giảm một nửa giá trị đỉnh là 20 micro giây.
2. Mô hình P-K đạt độ chính xác cao vượt trội so với mô hình mặc định trong thư viện SimPowerSystems của Matlab. Đối với chống sét van AZG2 của Hãng Cooper ở điện áp định mức 18kV, mô hình P-K ghi nhận sai số điện áp dư chỉ từ 2,3% đến 5,1%, trong khi mô hình mặc định của Matlab có sai số dao động từ 4,5% đến 8,3%.
3. Đối với chống sét van EVP của Hãng Ohio Brass, mô hình P-K thể hiện khả năng thích ứng xuất sắc khi sai số điện áp dư ở xung dòng 10kA đạt mức ấn tượng chỉ 0,2%, so với mức sai số 6,8% của mô hình Matlab. Tính chung trên toàn dải đo 5kA đến 20kA, sai số của mô hình P-K luôn duy trì trong khoảng 0,2% đến 7,3%, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật chuẩn với sai số dưới 10%.
4. Khoảng cách lắp đặt chống sét van có ảnh hưởng mang tính quyết định đến mức quá điện áp tác động lên đầu cực máy biến áp. Khi chống sét van được lắp trực tiếp tại đầu cực máy biến áp (khoảng cách 0 mét), điện áp xung được ghìm ở mức an toàn nhất. Khi tăng chiều dài dây nối lên 4 mét và 12 mét trong cấu hình trạm cấp điện cho nhiều máy biến áp, biên độ điện áp tại đầu cực máy biến áp tăng vọt đáng kể do ảnh hưởng của điện cảm trên đường dây đấu nối.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp mô hình P-K đạt độ chính xác vượt bậc nằm ở cấu trúc mạch tương đương phụ thuộc tần số. Bằng việc phân tách thành hai phần tử phi tuyến A0 (đặc trưng cho quá trình quá độ xung dốc) và A1 (đặc trưng cho xung sét thông thường) liên kết qua độ tự cảm L1, mô hình P-K đã tái lập chuẩn xác hiện tượng trễ pha và cảm kháng ký sinh của gốm oxit kim loại khi dòng điện có độ dốc biến thiên lớn. Ngược lại, mô hình mặc định trong SimPowerSystems của Matlab chỉ sử dụng phương trình hàm mũ 3 đoạn thuần túy không xét đến đáp ứng tần số cao, dẫn đến độ lệch lớn khi dòng xung tăng nhanh.

So với các mô hình kinh điển từ Đại học Kỹ thuật Quốc gia Athens hay Đại học Queensland, mô hình P-K trong luận văn thể hiện ưu thế vượt trội về tính ứng dụng kỹ thuật thực tế. Các mô hình quốc tế trước đây đòi hỏi nhiều thông số vật lý hình học bên trong đĩa MOV như chiều cao cột, tiết diện tiếp giáp và điện dung nội tại – những thông số vốn thuộc bí mật công nghệ của nhà sản xuất và không bao giờ xuất hiện trong tài liệu thương mại. Mô hình P-K chỉ yêu cầu 3 thông số cơ bản có sẵn trong catalogue: điện áp định mức, điện áp dư ở xung 8/20 micro giây 10kA và điện áp dư ở xung dốc 10kA.

Trong thực tế tính toán kỹ thuật, toàn bộ kết quả này có thể được biểu diễn trực quan thông qua các biểu đồ đáp ứng thời gian – điện áp dạng sóng kép và bảng tổng hợp sai số phần trăm định lượng. Nhờ đó, kỹ sư vận hành có thể nhanh chóng so sánh biên độ điện áp dư cực đại với mức chịu đựng xung sét của máy biến áp để ra quyết định lắp đặt bảo vệ chính xác.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả chống sét cho hệ thống phân phối điện thực tế, luận văn đưa ra 4 giải pháp trọng tâm:

1. Ứng dụng ngay công cụ mô phỏng chống sét van P-K trên Matlab/Simulink vào công tác tính toán quá điện áp định kỳ, đặt mục tiêu duy trì sai số mô phỏng thiết kế dưới 5,0% trong toàn bộ các dự án cải tạo lưới điện trung áp bắt đầu từ quý 3 năm 2018. Chủ thể thực hiện là Phòng Kỹ thuật và Ban Quản lý Dự án thuộc Công ty Điện lực Cà Mau.
2. Thi công rút ngắn chiều dài dây dẫn kết nối từ chống sét van đến đầu cực máy biến áp phân phối về khoảng cách dưới 1,0 mét (lý tưởng nhất là gá lắp trực tiếp 0 mét tại cọc sứ máy biến áp), nhằm giảm điện áp quá độ tác động lên cách điện máy biến áp từ 15% đến 25% trong vòng 6 tháng triển khai. Chủ thể thực hiện là Đội Quản lý Vận hành Lưới điện Huyện Phú Tân.
3. Chuẩn hóa quy trình nghiệm thu vật tư thiết bị chống sét van trung áp 18kV và 24kV, bắt buộc nhà thầu cung cấp đầy đủ thông số điện áp dư ở cả hai chế độ xung 8/20 micro giây và xung dốc 10kA trong hồ sơ kỹ thuật trước quý 4 năm 2018. Chủ thể thực hiện là Phòng Vật tư và Ban Đấu thầu Tổng công ty Điện lực miền Nam.
4. Tổ chức các khóa đào tạo chuyển giao công nghệ mô phỏng lưới điện trên phần mềm Matlab cho 100% kỹ sư điều độ và kỹ thuật viên lưới điện phân phối trong kế hoạch đào tạo chuyên môn năm 2019. Chủ thể thực hiện là Trung tâm Đào tạo ngành điện phối hợp cùng các chuyên gia thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị tham khảo chuyên môn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

1. Kỹ sư thiết kế và quy hoạch lưới điện tại các công ty điện lực: Nắm vững công cụ mô phỏng để tính toán tọa độ lắp đặt và khoảng cách bảo vệ an toàn của chống sét van, áp dụng trực tiếp cho các dự án xây dựng mới hoặc nâng cấp trạm biến áp phân phối 22kV.
2. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện: Sử dụng làm tài liệu học tập và nghiên cứu chuyên khảo về mô hình hóa quá điện áp khí quyển, kỹ thuật phân tích phần tử phi tuyến và phương pháp ứng dụng Matlab/Simulink trong hệ thống điện.
3. Đơn vị sản xuất và cung ứng thiết bị chống sét oxit kim loại: Hiểu rõ yêu cầu về dữ liệu đầu vào của các mô hình tính toán hiện đại để chuẩn hóa và công bố các thông số catalogue phù hợp với nhu cầu thiết kế thực tế của khách hàng.
4. Đơn vị tư vấn và kiểm định an toàn điện: Vận dụng mô hình P-K để đánh giá mức độ suy giảm chất lượng và dự báo rủi ro phóng điện chọc thủng cách điện của các trạm biến áp đang vận hành tại các khu vực có mật độ sét cao.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao mô hình P-K lại có độ chính xác cao hơn mô hình mặc định trong Matlab SimPowerSystems?
Mô hình P-K tích hợp cấu trúc mạch tương đương phụ thuộc tần số gồm hai nhánh phi tuyến A0 và A1 liên kết qua điện cảm L1. Cấu trúc này phản ánh chính xác đặc tính cảm kháng ký sinh của gốm oxit kẽm khi chịu xung dòng điện có tốc độ tăng cực nhanh, điều mà mô hình hàm mũ tĩnh của Matlab không thể mô phỏng được.

Dạng sóng xung sét 8/20 micro giây mang ý nghĩa kỹ thuật gì trong nghiên cứu?
Dạng sóng 8/20 micro giây là chuẩn quy ước quốc tế mô phỏng dòng sét cảm ứng lan truyền trên đường dây trung áp, với thời gian tăng trưởng điện áp từ 0 lên đỉnh trong 8 micro giây và thời gian suy giảm xuống 50% biên độ đỉnh trong 20 micro giây, đại diện cho tác động sét phổ biến nhất trên lưới điện phân phối.

Khoảng cách lắp đặt giữa chống sét van và máy biến áp có tác động thực tế như thế nào?
Khi khoảng cách dây dẫn từ chống sét van đến máy biến áp tăng từ 0 mét lên 4 mét hoặc 12 mét, độ sụt áp trên cảm kháng đường dây phụ thuộc vào độ dốc dòng điện ($L \cdot di/dt$) sẽ cộng thêm vào điện áp dư của van, làm tăng đáng kể nguy cơ đánh thủng cách điện máy biến áp.

Kỹ sư vận hành cần thu thập những thông số nào để thiết lập mô hình chống sét van P-K?
Người dùng chỉ cần trích xuất 3 thông số định mức từ catalogue của nhà sản xuất: điện áp danh định của chống sét van (kV), điện áp dư tại dòng sét 10kA sóng 8/20 micro giây (kV), và điện áp dư tại dòng sét xung dốc 10kA (kV) mà không cần can thiệp vào cấu trúc bên trong.

Mô hình nghiên cứu tại Huyện Phú Tân có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
Mô hình có tính tổng quát hóa cao và hoàn toàn có thể áp dụng cho mọi lưới điện phân phối trung áp trên cả nước, chỉ cần thay đổi các thông số đường dây và thông số thiết bị chống sét van tương ứng với điều kiện vận hành tại địa phương đó.

Kết luận

• Xây dựng thành công công cụ phát xung sét tiêu chuẩn 8/20 micro giây và mô hình chống sét van trung áp P-K trên nền tảng Matlab/Simulink với độ tin cậy vượt bậc.
• Khẳng định mô hình P-K đạt độ chính xác cao với sai số điện áp dư chỉ từ 0,2% đến 5,1%, thấp hơn đáng kể so với mô hình mặc định của Matlab (sai số lên đến 8,5%).
• Đơn giản hóa toàn diện quy trình mô phỏng khi chỉ sử dụng 3 tham số kỹ thuật sẵn có trong catalogue nhà sản xuất, giải quyết triệt để rào cản thông số vật lý ẩn.
• Chứng minh bằng số liệu định lượng về việc lắp đặt chống sét van trực tiếp tại đầu cực máy biến áp là giải pháp kỹ thuật tối ưu nhất để triệt tiêu quá áp lan truyền.
• Định hướng giai đoạn tiếp theo cần mở rộng mô phỏng cho các dạng xung sét phức tạp và các trạm biến áp thông minh; các đơn vị quản lý vận hành điện lực nên chủ động tích hợp công cụ này vào quy trình kiểm tra an toàn lưới điện ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 8/20s.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 (02) A so với dòng điện duy trì của chống sét SiC (100500) 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.