Xây dựng mô hình chống sét van

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 130 NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRONG MATLAB-SIMULINK ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP CHO THIẾT BỊ ĐIỆN THE STUDY AND BUILD OF THE SURGE ARRESTER SIMULATION MODEL IN MATLAB-SIMULINK ON PROTECTION THE ELECTRICAL EQUIPMENT SVTH. Nguyễn Hồ Sĩ Hùng, Trần Ngọc Thẩm Lớp 05 DHT - Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa GVHD. TS. Đoàn Anh Tuấn Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Quá điện áp xảy ra trong hệ thống điện gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bị, đặc biệt là các thiết bị quan trọng. Bài báo cáo trình bày tác dụng của chống sét van (CSV) trong việc bảo vệ thiết bị điện khi xảy ra quá điện áp. Các mô phỏng dùng phương pháp mô hình hóa trong công cụ Simulink để thể hiện rõ quá trình hoạt động, các đặc tính và khả năng bảo vệ của CSV trong việc hạn chế quá điện áp trên tụ bù dọc, kháng bù ngang và các cuộn dây của máy điện. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự cần thiết phải trang bị CSV cho các thiết bị quan trọng, từ đó nghiên cứu việc tính toán lựa chọn loại CSV cũng như số lượng CSV cần lắp đặt để đảm bảo sự làm việc độ tin cậy của CSV trong việc bảo vệ thiết bị điện. ABSTRACT Overvoltage in power system is harmful for insulator of electrical equipments, especially for important equipments.The report presents the effect of surge arrester on protecting electrical equipment during overvoltage.The simulations that used the modeling method in Simulink tool present clearly the operation, characteristics and protective capability of the surge arrester in limiting the overvoltage on the the series capacitor,the impedance compensator and the windings of a electrical machine.The results of this research show the need for setting surge arrester with important equipments, the research is also useful for calculating to select the class and the number of surge arresters to ensure the reliability of the electrical equipment protection. 1. Đặt vấn đề Quá điện áp khí quyển do sét lan truyền trên các đường dây trên không và quá điện áp do các sự cố trong hệ thống điện có thể lớn hơn điện áp thí nghiệm xung của cách điện của các thiết bị điện, dẫn đến gây chọc thủng cách điện, phá hoại thiết bị quan trọng như tụ bù dọc, kháng bù ngang và máy biến áp. Thiết bị CSV được sử dụng để bảo vệ các thiết bị nói trên với mục đích là luôn giới hạn điện áp trên các đầu cực thiết bị được bảo vệ ở dưới mức điện áp an toàn của thiết bị. Đề tài này đề xuất việc sử dụng mô hình CSV trong Matlab-Simulink để nghiên cứu sự làm việc của CSV bảo vệ cho các thiết bị điện, đồng thời đề xuất việc lựa chọn các thông số, số lượng của CSV cần đặt nhằm bảo vệ cho các thiết bị điện và cả CSV. Đồng thời đề tài cũng đề xuất việc mô hình hóa thiết bị CSV để phục vụ nghiên cứu bảo vệ máy điện khi có quá điện áp khí quyển. 2. Sử dụng mô hình CSV trong Simulink mô phỏng quá trình bảo vệ quá điện áp cho tụ bù dọc và kháng bù ngang Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 131 2.1. Mô hình mô phỏng Xét hệ thống đường dây cung cấp điện cho phụ tải dài 200km có cấp điện áp 500kV. Sự cố chạm đất trong mô phỏng xảy ra ở cuối đường dây và được loại trừ khi máy cắt tải cắt. Đường dây được bù với hệ số bù 40%. Kháng bù ngang được đặt tại cuối đường dây có công suất 110Mvar. Đặt CSV MOV1 bảo vệ cho tụ bù dọc, dựa vào mức cách điện dọc của tụ, điện áp phóng điện yêu cầu của CSV là 2,5 lần điện áp định mức của tụ. Từ đó ta xác định được điện áp bảo vệ tương ứng cài đặt cho mô hình CSV MOV1 là U prot = 154,15kV. Kháng bù ngang được bảo vệ bởi khối chống sét MOV2 có điện áp phóng điện gấp 1,5 lần điện áp pha. Điện áp bảo vệ tương ứng cài đặt cho MOV2 là U prot = 612,238kV. Hình 1. Mô hình được sử dụng cho mô phỏng 2.2. Quá trình mô phỏng Tại thời điểm sự cố chạm đất xảy ra (thời điểm t= 0,02s), điện áp đặt lên tụ bù tăng lên. Khi đạt tới điện áp bảo vệ tương ứng V prot của MOV1 thì MOV1 bắt đầu phóng điện. Dòng phóng điện qua MOV1 đạt đến 8kA sau 0,026s kể từ thời điểm sự cố, điện áp đặt lên MOV1 là 150,3kV. Giá trị này thấp hơn điện áp chịu đựng của cách điện của tụ. Do đó CSV MOV1 đã thực hiện chức năng bảo vệ chống quá điện áp cho tụ bù khi có ngắn mạch cuối đường dây. Hình 2. Điện áp và dòng trên chống sét van MOV1 Tại thời điểm sự cố được loại trừ (lúc máy cắt tải Load CB cắt vào thời điểm t= 0,1s) thì tại thanh góp B2 xuất hiện quá điện áp và CSV MOV2 có nhiệm vụ bảo vệ quá điện áp cho kháng bù ngang phía cuối đường dây. Xung dòng qua MOV2 có độ lớn 1300A ứng với điện áp đặt lên MOV2 là 620kV. Hình 3. Điện áp và dòng trên chống sét van MOV2 2.3. Đánh giá vai trò của CSV trong quá trình bảo vệ quá điện áp Từ kết quả mô phỏng sự làm việc của các CSV để bảo vệ cho tụ bù dọc và kháng Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 132 bù ngang, đưa ra các đặc tính so sánh quá điện áp đặt vào các thiết bị cần bảo vệ khi có đặt CSV và khi không có đặt CSV. Hình 4. Điện áp trên bộ tụ trong trường hợp không lắp đặt CSV và trường hợp có lắp đặt CSV Hình 5. Điện áp trên kháng bù ngang trong trường hợp không lắp đặt CSV và có lắp đặt CSV 1 5.2987 2.4641 0 1 2 3 4 5 6 pu 1 Điện áp lớn nhất trên tụ bù dọc trong các trường hợp Điện áp làm việc bình thường lớn nhất của tụ bù(cột bên trái) Quá điện áp trên tụ bù khi không đặt CSV(cột ở giữa) Quá điện áp trên tụ bù khi có lắp đặt CSV(cột bên phải) 1 2.3595 1.7729 0 0.5 1 1.5 2 2.5 pu 1 Điện áp lớn nhất trên kháng bù ngang trong các trường hợp Điện áp làm việc bình thường lớn nhất của kháng bù ngang(cột bên trái) Quá điện áp trên kháng bù ngang khi không đặt CSV(cột ở giữa) Quá điện áp trên kháng bù ngang khi có lắp đặt CSV(cột bên phải) Hình 6. Điện áp lớn nhất trên tụ bù dọc và kháng bù ngang trong 3 trường hợp 2.4. Năng lượng hấp thụ của các CSV trong thời gian phóng điện Năng lượng hấp thụ là một thông số quan trọng của chống sét van. Nếu mức năng lượng vượt quá khả năng hấp thụ của chống sét có thể dẫn tới việc phá hủy tức thời đối với chống sét và làm hư hỏng chống sét. Mô phỏng đã tính được mức năng lượng hấp thụ đó theo thời gian phóng điện của chống sét. a) Chống sét van MOV1 b) Chống sét van MOV2 Hình 7. Năng lượng hấp thụ bởi CSV của tụ bù dọc và kháng bù ngang trong thời gian phóng điện Kết quả cho thấy mức năng lượng được chống sét van MOV1 hấp thụ là 9MJ trong thời gian phóng điện của nó,còn đối với MOV2 là 0,62MJ. Mức năng lượng hấp thụ bởi CSV bảo vệ cho tụ bù dọc là rất cao, do đó cần phải tính toán lựa chọn các CSV có khả năng hấp thụ các mức năng lượng cần thiết để mắc song song các CSV với nhau nhằm đảm bảo cho các CSV làm việc an toàn. Trong trường hợp này, nếu ta chọn loại CSV có điện áp định mức 60kV, mức năng lượng hấp thụ là 12kJ/kV(U R ), với thời gian ngắn mạch là 0,1s thì số lượng CSV cần nối song song ít nhất là 12 CSV. . chống sét. Mô phỏng đã tính được mức năng lượng hấp thụ đó theo thời gian phóng điện của chống sét. a) Chống sét van MOV1 b) Chống sét van MOV2 Hình. của chống sét van. Nếu mức năng lượng vượt quá khả năng hấp thụ của chống sét có thể dẫn tới việc phá hủy tức thời đối với chống sét và làm hư hỏng chống