Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính của các chuyên gia, trên toàn cầu mỗi giây có khoảng 100 lần sét đánh xuống mặt đất, gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho con người và tài sản như công trình xây dựng, hệ thống cung cấp năng lượng, thiết bị điện tử và các hệ thống thông tin liên lạc. Ở Việt Nam, nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, số ngày dông sét cao, với cực đại lên đến 113,7 ngày tại Đồng Phú và 433,18 giờ tại Mộc Hóa. Cường độ dòng sét đo được có thể lên đến 90,67 kA. Hàng năm, ngành điện Việt Nam ghi nhận vài ngàn sự cố, trong đó 50% do sét gây ra, điển hình như sự cố sét đánh nổ máy cắt 220 kV tại Nhà máy Thủy điện Hòa Bình năm 2001, gây tan rã mạch lưới điện miền Bắc.

Quá điện áp tạm thời do sét là nguyên nhân nguy hiểm nhất, dễ gây phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị. Do đó, việc nghiên cứu và xây dựng các mô hình chống sét van trung áp dạng Metal Oxide Varistor (MOV) nhằm bảo vệ lưới điện là rất cần thiết. Mục tiêu của luận văn là phát triển các mô hình chống sét van MOV trung áp dựa trên thông số kỹ thuật từ catalogue nhà sản xuất, mô phỏng bằng phần mềm Matlab để đánh giá độ chính xác và cung cấp công cụ hỗ trợ nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện an toàn, hiệu quả.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mô hình chống sét van MOV trung áp, sử dụng dữ liệu kỹ thuật từ các nhà sản xuất khác nhau, mô phỏng các cấp điện áp và dòng xung sét phổ biến. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện, giảm thiểu sự cố do sét, đồng thời hỗ trợ đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực điện lực.

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:

  • Lý thuyết biến trở oxit kim loại (MOV): MOV là thiết bị phi tuyến, hoạt động dựa trên đặc tính điện trở phụ thuộc điện áp của vật liệu oxit kẽm (ZnO) và các oxit kim loại phụ gia. Cấu trúc vi mô gồm các hạt ZnO tạo thành các tiếp giáp bán dẫn, cho phép dòng điện phóng qua khi điện áp vượt ngưỡng, bảo vệ thiết bị khỏi quá áp.

  • Mô hình điện trở phi tuyến phụ thuộc tần số: Mô hình IEEE và các mô hình cải tiến (Pinceti, P-K) mô tả đặc tính động của MOV bằng các phần tử điện trở phi tuyến kết hợp với bộ lọc R-L, phản ánh đáp ứng của thiết bị với các dạng sóng xung sét có biên độ và thời gian đạt đỉnh khác nhau.

  • Khái niệm phối hợp cách điện: Bao gồm thiết kế lưới điện và sử dụng thiết bị bảo vệ để giới hạn quá áp, đảm bảo thiết bị điện chịu được điện áp tần số nguồn và quá áp tạm thời do sét hoặc thao tác đóng cắt.

Các khái niệm chính gồm: điện áp dư (voltage residual), dòng xung sét (impulse current), đặc tính V-I phi tuyến của MOV, thời gian đáp ứng thiết bị, và các thông số kỹ thuật như điện dung, điện trở, điện cảm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu kỹ thuật, catalogue của các nhà sản xuất chống sét van MOV, các bài báo khoa học, tiêu chuẩn kỹ thuật và dữ liệu thực nghiệm từ Viện Nghiên cứu Sét Gia Sàng Thái Nguyên.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Matlab và Simulink để xây dựng mô hình mô phỏng các đặc tính điện và đáp ứng động của chống sét van MOV. Các mô hình được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật như điện áp định mức, điện dung, điện trở phi tuyến, số cột MOV song song, chiều cao thiết bị.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được kiểm thử với các thông số kỹ thuật của nhiều nhà sản xuất khác nhau (ví dụ: Ohio Brass, Cooper) và các cấp điện áp trung áp phổ biến (15 kV, 18 kV). Các dòng xung sét mô phỏng gồm 3 kA, 5 kA, 10 kA và 20 kA với dạng sóng 8/20 µs.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu tài liệu và xây dựng mô hình trong 6 tháng đầu, mô phỏng và hiệu chỉnh mô hình trong 3 tháng tiếp theo, đánh giá kết quả và hoàn thiện luận văn trong 3 tháng cuối.

  • Phương pháp tổng hợp và chuyên gia: Tham khảo ý kiến chuyên gia trong lĩnh vực chống sét và điện lực để hiệu chỉnh mô hình và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xây dựng thành công các mô hình chống sét van MOV trung áp trên Matlab: Các mô hình IEEE, Pinceti và P-K được lập trình và mô phỏng với các thông số kỹ thuật từ catalogue nhà sản xuất. Mô hình thể hiện đặc tính V-I phi tuyến và đáp ứng động phù hợp với thực tế.

  2. Độ chính xác mô phỏng cao: So sánh điện áp dư mô phỏng với giá trị catalogue cho thấy sai số dưới 6% đối với các dòng xung 8/20 µs từ 3 kA đến 20 kA, ở điện áp định mức 15 kV và 18 kV. Ví dụ, mô hình của hãng Ohio Brass có sai số điện áp dư dưới 5% ở dòng 10 kA.

  3. Ảnh hưởng của thông số mô hình: Điện cảm L1 trong bộ lọc R-L có ảnh hưởng lớn nhất đến đáp ứng mô hình, trong khi các thông số khác như R0, L0, C có ảnh hưởng nhỏ hơn. Việc hiệu chỉnh L1 giúp mô hình khớp tốt với dữ liệu thực nghiệm.

  4. Ưu điểm của mô hình MOV so với SiC: MOV không có dòng điện duy trì tần số công nghiệp, cho phép chịu được quá áp tạm thời tốt hơn, ổn định hơn khi chịu các dòng xung lớn và có thời gian đáp ứng nhanh trong nano giây.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy các mô hình MOV phụ thuộc tần số có thể mô phỏng chính xác đặc tính động của thiết bị chống sét van trung áp. Sai số dưới 6% là mức chấp nhận được trong kỹ thuật điện, đảm bảo mô hình có thể ứng dụng trong thiết kế và phân tích hệ thống điện.

So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã cải tiến thuật toán xác định thông số mô hình, đặc biệt là việc hiệu chỉnh điện cảm L1, giúp mô hình phù hợp với nhiều nhà sản xuất và cấp điện áp khác nhau. Điều này khắc phục hạn chế của các mô hình chỉ áp dụng cho thiết bị của một nhà sản xuất duy nhất.

Việc sử dụng Matlab làm công cụ mô phỏng phổ biến giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu dễ dàng tiếp cận và áp dụng mô hình trong thực tế, đặc biệt trong điều kiện không thể đo thử thực tế các xung sét lan truyền.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sai số điện áp dư theo dòng xung và điện áp định mức, bảng so sánh thông số kỹ thuật và kết quả mô phỏng của các mô hình, giúp trực quan hóa hiệu quả mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình MOV trong thiết kế hệ thống bảo vệ quá áp: Các kỹ sư nên sử dụng mô hình MOV đã xây dựng để tính toán và lựa chọn thiết bị chống sét phù hợp, nhằm giảm thiểu sự cố do sét gây ra trên lưới trung áp trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp: Đề xuất xây dựng giao diện người dùng thân thiện trên Matlab hoặc phần mềm chuyên dụng để hỗ trợ kỹ sư vận hành và nghiên cứu, hoàn thiện trong 12 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư điện lực và sinh viên ngành điện về mô hình hóa và mô phỏng chống sét van MOV, nâng cao năng lực trong 6 tháng, do các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành đảm nhiệm.

  4. Nghiên cứu mở rộng mô hình cho các cấp điện áp cao hơn: Tiếp tục nghiên cứu và hiệu chỉnh mô hình cho các thiết bị chống sét van cấp cao áp và trạm biến áp, nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng trong 2-3 năm tới, do các viện nghiên cứu điện lực chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện: Giúp lựa chọn và kiểm tra thiết bị chống sét van phù hợp, giảm thiểu sự cố do quá áp sét, nâng cao độ tin cậy lưới điện.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành điện: Cung cấp công cụ mô phỏng chính xác, hỗ trợ nghiên cứu về đặc tính động của thiết bị chống sét và phối hợp cách điện.

  3. Sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo học tập, thực hành mô phỏng thiết bị điện phi tuyến, nâng cao kiến thức chuyên môn và kỹ năng ứng dụng Matlab.

  4. Các công ty sản xuất và cung cấp thiết bị chống sét: Tham khảo để phát triển sản phẩm mới, cải tiến mô hình thiết bị, nâng cao chất lượng và độ tin cậy sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình chống sét van MOV có thể áp dụng cho các cấp điện áp nào?
    Mô hình được xây dựng chủ yếu cho lưới trung áp với điện áp định mức từ 15 kV đến 18 kV, tuy nhiên có thể mở rộng cho các cấp điện áp khác với hiệu chỉnh thông số phù hợp.

  2. Sai số mô phỏng của các mô hình chống sét van là bao nhiêu?
    Sai số điện áp dư so với dữ liệu catalogue thường dưới 6%, đảm bảo độ chính xác cao cho các ứng dụng kỹ thuật.

  3. Tại sao cần mô hình phụ thuộc tần số cho chống sét van MOV?
    Vì đặc tính động của MOV thay đổi theo dạng sóng xung và thời gian đạt đỉnh dòng điện, mô hình phụ thuộc tần số giúp mô phỏng chính xác đáp ứng thực tế của thiết bị.

  4. Phần mềm Matlab có ưu điểm gì trong mô phỏng chống sét van?
    Matlab phổ biến, dễ sử dụng, hỗ trợ mô phỏng hệ thống điện phức tạp và cho phép xây dựng mô hình chi tiết với khả năng tùy chỉnh cao.

  5. Làm thế nào để xác định các thông số mô hình từ catalogue nhà sản xuất?
    Thông số như chiều cao thiết bị, số cột MOV song song, điện áp định mức, điện dung được lấy từ catalogue; các thông số điện cảm và điện trở được tính toán và hiệu chỉnh dựa trên thuật toán đề xuất trong luận văn.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công các mô hình chống sét van MOV trung áp dựa trên dữ liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất, mô phỏng bằng Matlab với độ chính xác cao (sai số dưới 6%).
  • Mô hình phụ thuộc tần số giúp mô phỏng chính xác đặc tính động của thiết bị dưới các dạng sóng xung sét khác nhau.
  • Thuật toán xác định và hiệu chỉnh thông số mô hình được đề xuất giúp mô hình phù hợp với nhiều nhà sản xuất và cấp điện áp khác nhau.
  • Công cụ mô phỏng này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong thiết kế, vận hành hệ thống điện và đào tạo kỹ thuật viên, sinh viên ngành điện.
  • Đề xuất các bước tiếp theo gồm phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp, đào tạo chuyên sâu và mở rộng nghiên cứu cho các cấp điện áp cao hơn.

Hành động tiếp theo: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu nên áp dụng mô hình này trong thiết kế và phân tích hệ thống điện để nâng cao độ tin cậy và an toàn, đồng thời phối hợp với các đơn vị đào tạo để phổ biến kiến thức và công nghệ mới.