Chống sét (CSSurge Arrester) được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện để bảo vệ cho các thiết bị khác tránh các nguy hiểm từ các hiện tượng quá điện áp xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau (quá điện áp khí quyển do xung sét và quá điện áp nội bộ do các thao tác đóng cắt trên lưới điện), ở các cấp điện áp từ hạ thế đến trung, cao thế
KỸ THUẬT CHỐNG SÉT OXID KIM LOẠI KHÔNG KHE HỞ TS NGUYỄN HỮU PHÚC Trường Đại học.Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP HCM MỞ ĐẦU: Chống sét (CS-Surge Arrester) sử dụng rộng rãi hệ thống điện để bảo vệ cho thiết bị khác tránh nguy hiểm từ tượng điện áp xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác (quá điện áp khí - xung sét điện áp nội - thao tác đóng cắt lưới điện), cấp điện áp từ hạ đến trung, cao Để thực tốt chức bảo vệ này, CS phải có khả năng: – Làm việc lâu dài với điện áp định mức pha hệ thống – Dễ dàng tạo đường xuống đất cho xung dịng điện có điện áp – Phục hồi hoàn toàn khơng cịn dịng xung – Đảm bảo thực điều suốt thời gian làm việc CS lưới điện Như báovề “Thuật Ngữ Chống Sét Van” KS Võ Thanh Đồng (Bản Tin Hội Điện Lực Miền Nam, Số 17 (12- 2016), trang 26-28) có nhận định “… Trong hệ thống điện miền Nam, chống sét MOV đưa vào sử dụng 25 năm, loại phổ biến vỏ bọc Polymer (từ lưới điện 22 kV đến 110 kV) với tính ưu việt như: gọn nhẹ, dễ dàng tháo lắp, dòng rò thấp tuổi thọ cao…”, phạm vi báo tập trung vào các thuật ngữ thường dùng tài liệu kĩ thuật, cấu tạo chế làm việc, phân loại CS oxid kim loại không khe hở (Gapless Metal Oxide Varistor (MOV) Surge Arrester) Trong báo trình bày khía cạnh kĩ thuật phối hợp cách điện bước cần theo lựa chọn CS lưới điện phân phối hay truyền tải C62.11-2005, hayIEC (International Electrotechnical Commission) 100099-4 CS MOV không khe hở Các thuật ngữ chung: Cách điện tự phục hồi (Self- restoring Insulation): chất khơng khí sứ, có thuộc tính cách điện phục hồi hồn tồn sau bị phóng điện Cách điện khơng tự phục hồi (Nonself- restoring Insulation): chất dầu cách điện giấy cách điện Kraft bị hư hỏng khả cách điện sau bị phóng điện Phóng điện bề mặt (Flashover): tượng phóng điện men quanh phía bề mặt sứ cách điện (từ hay bị nhầm lẫn với từ “phóng điện tia lửa- sparkover” tượng phóng điện điện cực CS có khe phóng điện (Gapped Surge Arresters) Mức độ dông sét (Isokeraunic Level-IKL): giá trị dùng để xác định mức độ xảy dông sét, xác định số ngày nghe tiếng sấm năm (hay tháng) khu vực định Sóng truyền (Traveling Wave): thay đổi đột ngột điện áp/dịng điện khơng thể lan truyền tức thời đến điểm đường dây không hay cáp ngầm, mà cần khoảng thời gian để xung (sóng truyền) lan đường dây Sóng truyền sinh sét đánh, đóng cắt thiết bị mạch điện, ngắn mạch hay đứt dây dẫn Điện áp chịu đựng/Mức chịu đựng (Withstand Voltage/Withstand Level): giá trị lớn điện áp đặt lên thiết bị mà khơng gây tượng phóng điện bề mặt MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ ĐỊNH NGHĨA ÁP DỤNG CHO CS OXID KIM LOẠI KHƠNG Dạng sóng xung (Surge-Wave DescripKHE HỞ tion): dạng sóng xung (khác hình chữ nhật) Sau số thuật ngữ (chưa đầy đủ tạm dịch) định nghĩa thường gặp tài liệu kĩ thuật tiêu chuẩn quốc tế ANSI (American National Standards Institute)/IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) C62.22- 2009 4 BẢN TIN HỘI MIỀN NAM - THÁNG / 2017 dòng điện hay điện áp danh số Số thứ số mặt sóng (wave front), thời gian thực tế dốc đầu sóng tính micrơgiây (µs) Số thứ hai số sóng (wave tail) thời gian tính µs, kể từ điểm thực tế (xem đây) đến thời điểm đạt đến 1/2 giá trị đỉnh sóng Ví dụ sóng 1.2 x 50 x 20 Dạng sóng xung dịng điện hay điện áp hình chữ nhật xác định số Số thứ giá trị tối thiểu dòng điện hay điện áp trì khoảng thời gian µs,mà xác định số thứ hai Ví dụ sóng 75A x 1000 Điểm thực tế (của xung) (Virtual Zero- Point of an Impulse): giao điểm với trục ngang đường thẳng kẻ qua điểm nằm dốc mặt sóng điện áp, 30% 90% giá trị đỉnh (Hình 1), kẻ qua điểm nằm dốc mặt sóng dịng điện, 10% 90% giá trị đỉnh (Hình 2) Các sóng xung điện áp 1.2x 50/dịng cấp từ máy phát xung (Hình 3) – Đối với sóng điện áp có thời gian dốc mặt sóng 30µs, sóng ngun hình hay bị cắt phía trước, đỉnh, đi: 1.67 lần thời gian để điện áp tăng từ 30% đến 90% giá trị đỉnh – Đối với sóng điện áp có thời gian dốc mặt sóng 30 µs hơn: thời gian cần thiết để điện áp tăng từ điểm thực tế đến giá trị đỉnh tối đa – Đối với sóng dịng điện: 1.25 lần thời gian để xung dòng điện tăng từ 10% đến 90% giá trị đỉnh Mức cách điện xung BIL (Basic Insulation Level): Hình Dạng sóng xung điện áp tiêu chuẩn 1.2x 50 cấp độ chịu xung chuẩn nguyên sóng thể dạng điện áp đỉnh dạng sóng chuẩn 1.2 x 50 µs Đây tiêu chuẩn đặc trưng cho khả chịu xung thiết bị phân phối, truyền tải Để bảo vệ điện áp hiệu quả, cần phải phối hợp bảo vệ mức cách điện BIL thiết bị với đặc tính kỹ thuật CS bảo vệ Các loại thí nghiệm chịu đựng điện áp sử dụng cho cách điện: Ba thí nghiệm đầu thí nghiệm điện áp xung áp dụng cho cách điện đường dây thiết bị Thí nghiệm cịn lại đặc trưng cho khả chịu đựng điện áp tần số công nghiệp 50, 60 Hz Hình Dạng sóng xung dịng điện tiêu chuẩn8x 20 Hình Máy phát xung điện áp 1.2x50 xung dòng 8x20 theo IEC 61000-4-5 Thời Gian Thực Tế Mặt Sóng (Virtual Duration of Wave Front): Giá trị thực tế khoảng thời gian dốc mặt sóng sau: Khả chịu đựng nguyên sóng (Full- Wave Withstand): dạng sóng chuẩn điện áp thử (hay xung sét) loại cách điện 1.2 x 50 µs với sóng suy giảm liên tục Giá trị đỉnh thường gọi BIL Khả chịu đựng sóng cắt (Chopped- Wave Withstand): điện áp thử bắt đầu sóng chuẩn 1.2x 50 µs bị “cắt cụt” (cho giảm nhanh) phóng điện tia lửa đánh thủng cách điện khe hở khơng khí song song đỉnh sau đỉnh Các giá trị khoảng 115% sóng BẢN TIN HỘI MIỀN NAM - THÁNG / 2017 nguyên Máy biến áp phân phối, truyền tải có tiêu chuẩn khả chịu đựng nguyên sóng sóng cắt Khả chịu đựng mặt sóng (Front-of-Wave Withstand): điện áp thử có tốc độ gia tăng điện áp cho trước (và tương đối dốc), bị cắt cụt thời gian xác định trước đạt đến đỉnh sóng bình thường, thơng thường trước 0.5 µs Tiêu chuẩn máy biến áp lực có quy định thêm mức chịu đựng dốc mặt sóng, ngồi mức chịu đựng nguyên sóng sóng cắt Khả chịu điện áp tần số thấp (Low - Fequency Voltage Withstand): thí nghiệm điện áp xung nêu trên, theo tiêu chuẩn cơng nghiệp cách điện thiết bị phải thí nghiệm chịu điện áp tần số thấp (50, 60 Hz) lớn điện áp làm việc định mức tối đa Thí nghiệm đặt điện áp nâng cao với tần số 50, 60 Hz lên thiết bị thời gian phút với điều kiện khô ráo, hay điện áp nâng cao với tần số 50, 60 Hz lên thiết bị thời gian 10 giây với điều kiện ẩm ướt Dòng qui chuẩn (Reference Current): giá trị đỉnh thành phần điện trở dòng tần số 50, 60 Hz dùng để xác định điện áp qui chuẩn CS Tùy theo dịng phóng điện định mức cấp xả lượng (line discharge class) CS, dòng qui chuẩn có giá trị từ 0.05 mA đến 1.0 mA cho cm tiết diện đĩa MOV Điện áp qui chuẩn (Reference Voltage Uref): giá trị hiệu dụng đặt lên CS để có dịng qui chuẩn CS MOV không khe hở: Điện Áp Định Mức (Rated Voltage) hay Ur theo IEC: khả chịu đựng điện áp tần số 50 Hz, 60 Hz CS phải trải qua thử nghiệm dòng xung chu kì làm việc (Duty Cycle) theo tiêu chuẩn 6 BẢN TIN HỘI MIỀN NAM - THÁNG / 2017 Điện Áp Làm Việc Liên Tục Cực Đại (Maximum Continuous Operating Voltage- MCOV) hay Uc theo IEC: giá trị hiệu dụng lớn điện áp tần số 50 Hz, 60 Hz đặt lâu dài lên đầu cực CS Quá Điện Áp Tạm Thời (TOV): điện áp với tần số từ vài Hz đến vài trăm Hz, thời gian kéo dài từ vài ms đến hàng giờ, tùy thuộc vào thời gian loại trừ cố lưới Các nguyên nhân gây điện áp tạm thời chạm đất pha (thường xảy nhất), tượng cộng hưởng sắt từ, sa thải phụ tải,… Hệ Số Quá Điện Áp Tạm Thời (Temporary Overvoltage Strength Factor): tỉ số điện áp tạm thời điện áp định mức CS Điện Áp Phóng Điện (Discharge Voltage theo ANSI/IEEE, Residual Voltage- Ures theo IEC): giá trị đỉnh điện áp xuất đầu cực CS có dịng xung định mức phóng qua Điện áp phụ thuộc vào giá trị đỉnh, dạng sóng dịng xung Điện Áp Phóng Điện Mặt Sóng Tương Đương (Equivalent Front of Wave Protective Level): giá trị điện áp tăng đến giá trị đỉnh 0.5 µs ứng với dịng xung 10 kA qua CS Điện Áp Phóng Điện Bề Mặt Cách Điện CS (Arrester Insulation Withstand Voltages): giá trị hiệu dụng lớn điện áp tần số 50, 60 Hz giá trị đỉnh lớn điện áp xung đặt lên CS mà khơng gây tượng phóng điện bề mặt CẤU TẠO VÀ CƠ CHẾ LÀM VIỆC CỦA CS MOV KHƠNG KHE HỞ CS MOV khơng khe hở (Hình 4) gồm nhiều đĩa điện trở phi tuyến (Metal Oxide Varistor- MOV) vật liệu oxid kim loại, thường oxid kẽm ZnO, ghép nối tiếp Các đĩa MOV ZnO thực chất vật liệu bán dẫn, có đặc tính volt- ampere (V-I) nhạy cảm với điện áp Ở điện áp làm việc bình thường lưới điện, điã MOV có điện trở lớn, gần vơ cực có khả cách điện tốt dòng rò (leakage current) nhỏ, chừng vài µA Khi có q điện áp xảy ra, đặc tính phi tuyến điện trở đĩa MOV trở nên vơ nhỏ giúp dịng điện xung giá trị lớn thoát qua CS xuống đất dễ dàng Khi điện áp cực CS điện áp phóng điện -discharge voltage (IEEE), hay điện áp dư - residual voltage (IEC), có giá trị xác định Giá trị điện áp phóng điện cần phải thấp giá trị BIL thiết bị cần bảo vệ, nhờ bảo đảm thiết bị tránh điện áp nguy hiểm Khi phóng đại lên 5000 lần kính hiển vi điện tử (Hình5), thấy hạt ZnO chất phụ gia (dopant), thường vật liệu bismuth antimoine cobalt, nickel, bạc, thiếc, nhôm Một đĩa MOV đường kính 35 mm, chiều cao 35mm chứa vào khoảng 28 tỉ hạt ZnO Các hạt ZnO mối nối (junctions) cơng tắc điện tử trở nên dẫn điện (đóng kín mạch) điện áp khoảng V Trên Hình cho thấy đường chấm đỏ vơ số đường dẫn dịng phóng hạt ZnO qua mối nối với chất phụ gia Giả sử có 1000 mối nối từ mặt đến mặt đĩa MOV, điện áp rơi đĩa 3000 V Như vậy, xem đĩa MOV tập hợp hàng tỉ tỉ công tắc điện tử vô nhỏ tác động vô nhanh thời gian µs, đóng vai trị hở mạch điện áp vận hành bình thường kín mạch dẫn dịng xung xuống đất có q điện áp Hình Mặt cắt CS phân phối MOV không khe hở Hình Đường dẫn dịng phóng qua mối nối hạt ZnO Hình Cấu tạo đĩa MOV với hạt ZnO Hình Đặc tuyến V-I CS MOV BẢN TIN HỘI MIỀN NAM - THÁNG / 2017 Đặc tuyến phi tuyến V-I CS MOV Hình cho thấy khu vực làm việc khác nhau: khu vực tiền phóng điện (Pre-Breakdown Region), khu vực phóng điện (Breakdown Region) khu vực dòng cao (High Current Region) -Trong khu vực tiền phóng điện điện áp đặt lên CS hay nhỏ giá trị đỉnh điện áp làm việc liên tục lớn (Maximum Continuous Operating Voltage-MCOV), đĩa MOV trạng thái khơng dẫn điện, dịng rị qua CS µA, điện trở CS lớn nhiệt lượng tổn hao CS vô thấp CS làm việc lâu dài lưới điện Trong vùng đĩa MOV nhạy cảm với nhiệt độ nhiệt độ tăng, điện trở CS giảm mạnh Trên Hình7cho thấy nhiệt độ đĩa MOV tăng lên đến 2000C, đường đặc tính dời qua phải (màu đỏ), với dòng rò tăng lên đáng kể điện áp làm việc - Đầu khu vực phóng điện khu vực cánh chỏ (knee region), đặc tính V-I thay đổi đột ngột, thường gọi điện áp qui chuẩn Vref (reference voltage) hayV1mA - tương ứng với dòng qui chuẩn (reference current) - xem thêm định nghĩa trên, phần thuật ngữ Ở mức dòng qui chuẩn này, điện trở MOV bắt đầu giảm nhanh trở nên dẫn điện Từ điểm trở đặc tuyến phi tuyến xấp xỉ gần phương trình I= kV∂ Hệ số alpha α thay đổi khoảng từ 10 - 50, tùy vào cấu trúc, thành phần ZnO dãi dòng điện quan tâm Trong khu vực này, điện áp tăng dòng tăng nhanh làm điện trở MOV trở nên nhỏ bé khiến dòng qua điã MOV lại tăng Thơng thường, α có giá trị nhỏ dịng có giá trị lớn dãi dịng rộng Ví dụ, hệ số α có giá trị 50 dịng thay đổi dãi từ đến 600 A, 26 dãi dòng thay đổi từ A đến 10.000A Điện áp qui chuẩn Vref giá trị quan trọng xác định đặc tính làm việc CS Trong điều kiện làm việc bình thường CS, điện áp đỉnh lưới điện không phép lớn điện áp qui chuẩn này, khơng CS phát nóng q mức khả chịu điện áp tạm thời giảm thấp Giá trị đỉnh điện áp làm việc thông thường 15-25% thấp giá trị Vref, Hình -Trong khu vực dịng cao CS đóng vai trò hạn xung điện áp, với khả dẫn dòng lớn cm2 đĩa MOV, thời gian ngắn khoảng vài µs Thời gian dẫn dịng ngắn giá trị dịng phóng điện lớn Cuối khu vực dòng cao tương ứng với có xung điện áp đóng cắt hay xung sét, khu vực mà qui cách kĩ thuật CS cho số liệu điện áp phóng điện/điện áp dư (Discharge Voltage (IEEE)/Residual Voltage (IEC)) Lưu ý điện áp phóng điện CS giá trị dịng phóng điện tỉ lệ thuận với chiều cao đĩa MOV nối tiếp, điện áp phóng điện thường tỉ lệ với điện áp định mức CS Ngồi điện áp phóng điện thay đổi theo tốc độ tăng xung dịng, thường điện áp phóng điện tăng/giảm theo tốc độ tăng/ giảm xung dòng Ở giá trị xung dịng phóng, điện áp dư từ 8- 12% lớn dòng đạt đến giá trị đỉnh µs, so với điện áp dư trường hợp dịng phóng tiêu chuẩn 8x 20 µs Ngược lại, điện áp dư từ 2- 4% nhỏ hơn, dòng đạt đến giá trị đỉnh chậm 45 µs tới 60 µs, so với điện áp dư trường hợp dịng phóng tiêu chuẩn 8x20 µs Ngồi ra, giá trị MCOV CS thường có giá trị khoảng 75-85% giá trị điện áp định mức (xem Bảng 1, theo IEEEStd C62.11-2005) Ở điện áp MCOV, dòng rò qua CS vào khoảng vài mA, thường nhỏ 10 mA Trong khu vực dịng cao CS khơng nhạy cảm với nhiệt độ Bảng Quan hệ điện áp định mức/ MCOV theo IEEEStd C62.11-2005 Điện áp định mức CS (kV rms) MCOV (kV rms) Điện áp định mức CS (kV rms) MCOV (kV rms) 2.55 144 115 5.1 168 131 7.65 172 140 10 8.4 180 144 12 10.2 192 152 Sai biệt Vref MCOV đỉnh đặc trưng cho biên hạn chịu điện áp tạm thời (Temporary OverVoltage Margin) khả chịu điện áp tạm thời CS 15 12.7 228 180 18 15.3 240 190 21 17 258 209 Trong phần cịn lại khu vực phóng điện, dòng qua CS thay đổi từ mA vài trăm A Đây khu vực mà đường đặc tính trở nên phi tuyến nhất, có điện áp tạm thời CS dẫn dịng phát nóng, dẫn đến hư hỏng Do đó, CS bị giới hạn khả chịu điệnáp tạm thời TOV, mà bước lựa chọn CS cần phải lưu ý đến 24 19.5 264 212 27 22 276 220 30 24.4 288 230 36 29 294 235 39 31.5 312 245 8 BẢN TIN HỘI MIỀN NAM - THÁNG / 2017 45 36.5 396 318 48 39 420 335 54 42 444 353 60 48 468 372 72 57 492 392 90 70 540 428 96 76 564 448 108 84 576 462 120 98 588 470 132 106 612 485 PHÂN LOẠI CHỐNG SÉT phóng điện thấp hơn) so với CS cấp phân phối, (điện áp phóng điện cao hơn) giá trị dịng xung, so với CS cấp trạm Tính an tồn xả áp lực cần thiết, CS cấp trung gian đặc biệt dùng để bảo vệ hệ thống cáp ngầm khơng cần phải có tính CS cấp trạm có điện áp phóng điện nhỏ (điện áp phóng điện thấp đặt thiết bị có q điện áp) giá trị dịng xung , dùng trạm bảo vệ tốt cho trang thiết bị Theo tiêu chuẩn ANSI / IEEE C62.11 cấp CS có định mức khoảng đến 684 KV phải có khả xả an toàn áp lực Bảng Phân loại CS theo dòng xung sét theo IEEE C62.11 Theo tiêu chuẩn ANSI / IEEE C62.11 phân loại CS theo định mức đỉnh dịng xung theo chu kì làm việc (Duty Cycle Rating): kA, 10 kA 20 kA (Bảng 2) IEC 100099-4 phân loại CS theo định mức đỉnh dòng xung 1.0 kA, 2.5 kA, kA, 10 kA, 20 kA (Bảng 3) Phân loại CS (điện áp hệ thống lớn nhất) Dòng xung đỉnh (kA) Cấp trạm (800 kV) 20 Cấp trạm (550 kV) 15 Cấp trạm (< 550 kV) 10 Theo tiêu chuẩn ANSI, CS phân thành cấp bản: cấp phân phối (distribution class), cấp trung gian (intermediate class) cấp trạm (station class) (Hình8 a/, b/, c/) Sự khác cấp xác định điện áp định mức, đặc tính bảo vệ, khả xả áp lực hay khả chịu đựng dòng ngắn mạch Cấp trung gian Cấp phân phối dòng sét cao (heavy duty-HD) 10 Cấp phân phối dịng sét trung bình (normal dutyND) Cấp phân phối dòng sét thấp (light duty-LD) 4.1 CS cấp phân phối sử dụng phổ biến nhất, có định mức từ đến 30 kV So với cấp khác, CS cấp phân phối có điện áp phóng điện cao (điều có nghĩa điện áp cao đặt thiết bị cần bảo vệ) giá trị dịng xung Cấp CS khơng có yêu cầu khả xả áp lực (pressure relief) 4.2 CS cấp trung gian có điện áp định mức từ đến 120 kV CS cấp có đặc tính bảo vệ (protective characteristics) tốt (điện áp Bảng liệt kê yêu cầu thí nghiệm theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE C62.11 thực cho cấp CS IEC 100099-4 phân loại CS theo điện áp định mức mức xung dịng phóng điện Bảng Bảng 3.Phân loại CS theo giá trị dòng xung sét theo IEC 100099-4 Dịng định mức phóng tiêu chuẩn* Điện áp định mức Ur (kVrms) 20 000 A 10 000 A 000 A 2500 A 1000 A 360 kV) (3)IEEEStdC62.22™-2009-IEEEGuidefortheApplicationOfMetal-OxideSurgeArrestersForAlternating-Current Systems (4) IEEE Std C62.82.1™-2010- IEEE Standard for Insulation Coordination - Definitions, Principles, and Rules (5) IEC 60099-4, Surge Arresters – Part 4: Metal-Oxide Surge Arresters Without Gaps for AC Systems, Edition 2.2 2009-05 (6) Electrical Distribution System Protection; Cooper Power Systems; Edition 2005 (7) Eaton- Cooper Power Systems Surge Arresters Catalog Data CA235029 EN; Ultrasil Polymer-Housed Varistar Surge Arresters kA and 10 kA Class IEC 60099-4 for MV Systems to 36 KV (8) Siemens High-Voltage Surge Arresters Product Guide (9) ABB High Voltage Surge Arresters Buyer´S Guide. 10 BẢN TIN HỘI MIỀN NAM - THÁNG / 2017 ... (IEC)) Lưu ý điện áp phóng điện CS giá trị dịng phóng điện tỉ lệ thuận với chiều cao đĩa MOV nối tiếp, điện áp phóng điện thường tỉ lệ với điện áp định mức CS Ngoài điện áp phóng điện cịn thay... Cấp trung gian Cấp phân phối dòng sét cao (heavy duty-HD) 10 Cấp phân phối dòng sét trung bình (normal dutyND) Cấp phân phối dịng sét thấp (light duty-LD) 4.1 CS cấp phân phối sử dụng phổ biến... cấp phân phối có điện áp phóng điện cao (điều có nghĩa điện áp cao đặt thiết bị cần bảo vệ) giá trị dòng xung Cấp CS khơng có u cầu khả xả áp lực (pressure relief) 4.2 CS cấp trung gian có điện