(Luận văn thạc sĩ hcmute) bảo vệ quá áp lan truyền trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh trực tiếp vào đường dây phân phối trung áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỖ ANH DUY BẢO VỆ QUÁ ÁP LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP KHI SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI TRUNG ÁP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ……………… LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỖ ANH DUY BẢO VỆ QUÁ ÁP LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP KHI SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI TRUNG ÁP NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ……………… LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỖ ANH DUY BẢO VỆ QUÁ ÁP LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP KHI SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI TRUNG ÁP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: PGS, TS QUYỀN HUY ÁNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014 Luan van MỤC LỤC Tóm tắt đề tài i ABSTRACT ii Danh mục bảng iii Danh mục hình iv Chương 1: Mở đầu 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu n hiệm vụ luận văn 1.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Điểm luận văn 1.6 Giá trị thực tiễn luận văn 1.7 Nội dung luận văn Chương 2: Tổng quan sét 2.1.Sự hình thành mây dơng sét 2.2.Các giai đoạn phát triển phóng điện sét 2.3 Các thông số chủ yếu sét 12 2.4 Biên độ dòng sét xác suất xuất 13 2.5 Cường độ hoạt động sét 17 2.6 Cực tính sét 17 2.7 Tác hại dòng điện sét 18 2.8 Phân loại cơng trình cần bảo vệ 19 Chương 3: Mơ hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn 17 3.1.Các dạng xung không chu kỳ chuẩn 25 3.2.Xây dựng mối liên hệ thơng số mơ hình 26 3.3 Xây dựng sơ đồ khối 27 3.4 Thực mô 30 3.5 Nhận xét 32 Chương 4: Mơ hình chống sét van trung áp hạ áp 31 Luan van 4.1 Cấu tạo MOV 44 4.2.Nguyên lý hoạt động MOV 48 4.3.Đánh giá mô hình MOV MATLAB 48 4.4.Xây dựng mơ hình MOV hạ 49 4.5.Xây dựng mô hình MOV trung 56 Chương 5: Biện pháp bảo vệ áp phía trung áp hạ áp sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp 71 5.1 Mô hệ thống bảo vệ áp sét đánh trực tiếp đường dây trung áp 49 5.2 Mô hệ thống bảo vệ q áp khơng có chống sét van hạ áp 65 5.3 Mô hệ thống bảo vệ áp có chống sét van hạ áp 65 5.4 Nhận xét 65 Chương 6: Kết luận hướng nghiên cứu phát triển 87 Tài liệu tham khảo 89 Luan van Luận văn Thạc sỹ Chương MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Việt Nam nước nằm khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hậu Việt Nam thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển dơng sét Số ngày có dơng Việt Nam thuộc loại lớn (trung bình khoảng 100 ngày dơng/năm) Q điện áp q trình độ sét mạng điện nguyên nhân chủ yếu gây cố lưới điện làm hư hỏng thiết bị lắp đặt lưới Nên việc đề giải pháp chống sét, lựa chọn, phối hợp thiết bị bảo vệ phù hợp nghiên cứu chế tạo thiết bị chống sét đóng vai trò quan trọng việc hạn chế rủi ro thiệt hại sét gây Hiện chống sét trực tiếp quan tâm nhiều với giải pháp từ cổ điển đến đại Tuy nhiên, số liệu thống kê 70% hư hỏng sét gây lại sét đánh lan truyền hay cảm ứng theo đường cấp nguồn đường truyền tín hiệu Thực tế, mạng hạ áp khơng truyền tải công suất lớn lại trải diện rộng cung cấp điện trực tiếp cho hộ tiêu thụ nên lại nguyên nhân dẫn sét vào cơng trình, gây ngừng dịch vụ, hư hỏng thiết bị Thống kê cho thấy, hậu không mong muốn áp sét lan truyền mạng phân phối hạ áp gây thiệt hại lớn nhiều lúc đánh giá cụ thể Vấn đề đề cập cách cấp bách năm gần trang thiết bị điện tử trở thành thiết bị sử dụng ngày nhiều phổ biến tòa nhà, cơng trình lĩnh vực bưu viễn thơng, phát thanh, truyền hình, cơng nghiệp… Các thiết bị vốn nhạy cảm với điện áp cao cách điện dự trữ chúng mong manh cần phải tính tốn lựa chọn, phối hợp kiểm tra thiết bị bảo vệ chống sét cách hiệu quả, xác để tránh xảy hư hỏng cho thiết bị Do thiết bị chống sét thiết bị phi tuyến việc đánh giá đáp ứng ngõ ứng với sóng sét lan truyền với mức xác cao theo phương pháp HVTH: Đỗ Anh Duy -1- Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ giải tích truyền thống gặp nhiều khó khăn Bên cạnh đó, nước ta bị hạn chế trang thiết bị thí nghiệm cao áp, số lượng phịng thí nghiệm cao áp cịn khiêm tốn nên khó khăn cho công tác thiết kế, nghiên cứu bảo vệ chống sét lan truyền Việt Nam Hiện nay, nhà nghiên cứu số nhà sản xuất thiết bị chống sét lan truyền đường nguồn hạ áp số phần mềm mô hỗ trợ đề số mơ hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết quan điểm xây dựng mơ hình khác Tuy nhiên, đặc điểm phương pháp mơ hình hóa, mơ u cầu mức độ xác, mức tương đồng cao mơ hình ngun mẫu, phương pháp xây dựng mơ hình mơ thiết bị chống sét lan truyền nhiều tranh cãi tiếp tục nghiên cứu phát triển Vì vậy, đề tài tập trung xây dựng mơ hình chống sét van trung áp, chống sét van hạ áp, máy phát xung sét tiêu chuẩn tạo sở cho việc mơ hình hóa mô giải pháp chống sét cho thiết bị trung áp hạ áp sét đánh vào đường dây trung áp 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ luận văn  Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động chống sét van (Metal Oxide Varistor - MOV)  Xây dựng mơ hình chống sét van (MOV) trung áp hạ áp  Xây dựng mơ hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn  Xây dựng mô hình mơ đánh giá hiệu bảo vệ hệ thống chống sét lan truyền đường nguồn hạ áp sét đánh vào đường dây trung áp 1.3 Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu chức hướng dẫn sử dụng phần mềm Matlab, đặc biệt công cụ Simulink hộp công cụ Sim Power Blokset  Nghiên cứu, xây dựng mơ hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn dạng sóng 8/20µs, 10/350µs 1/5µs  Nghiên cứu lập mơ hình chống sét van (MOV) trung áp hạ áp  Mô đánh giá hiệu bảo vệ hệ thống chống sét lan truyền HVTH: Đỗ Anh Duy -2- Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ đường nguồn hạ áp sét đánh vào đường dây trung áp 1.4 Phương pháp nghiên cứu  Tham khảo tài liệu;  Phân tích tổng hợp;  Mơ hình hóa mơ 1.5 Điểm luận văn  Xây dựng mơ hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn phù hợp với xung sét thực tế;  Xây dựng mơ hình chống sét van (MOV) có độ xác cao phù hợp với kết thử nghiệm thông số kỹ thuật nhà sản xuất;  Đánh giá đề xuất phương pháp bảo vệ hiệu hệ thống chống sét lan truyền đường nguồn hạ áp có sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp lan truyền qua máy biến áp 1.6 Giá trị thực tiễn luận văn  Cung cấp mơ hình xung sét tiêu chuẩn mơ hình chống sét van (MOV) trung áp hạ áp phục vụ công tác nghiên cứu đáp ứng thiết bị chống sét tác động xung sét lan truyền đánh giá hiệu bảo vệ hệ thống chống sét lan truyền đường nguồn hạ áp;  Kết nghiên cứu tài liệu tham khảo có giá trị cho quan tâm tới việc nghiên cứu, lựa chọn, phối hợp kiểm tra hiệu thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền đường nguồn hạ áp điều kiện thiếu phịng thí nghiệm HVTH: Đỗ Anh Duy -3- Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ 1.7 Nội dung luận văn Nội dung luận văn gồm chương: Chương 1: Mở đầu Chương 2: Tổng quan sét Chương 3: Mơ hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn Chương 4: Mơ hình chống sét van trung áp hạ áp Chương 5: Biện pháp bảo vệ áp phía trung áp hạ áp sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp Chương 6: Kết luận hướng nghiên cứu phát triển Tài liệu tham khảo HVTH: Đỗ Anh Duy -4- Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SÉT 2.1 Sự hình thành mây dơng sét Dông tượng xảy chủ yếu mùa hạ liên quan đến phát triển mạnh mẽ đối lưu nhiệt nhiễu động khí Dông đặc trưng xuất đám mây dơng hay mây tích vũ (Cumnulonimbus) có độ dày từ 10  16 km, tích trữ số lượng nước tạo chênh lệch điện cực mạnh Về chất, dơng tượng khí phức hợp bao gồm phóng điện đám mây (thường gọi chớp) hay phóng điện đám mây mặt đất (thường gọi sét) kèm theo gió mạnh mưa lớn Thực tế hình thành dông gắn liền với xuất luồng khơng khí khổng lồ từ mặt đất bốc lên Các luồng khơng khí tạo thành đốt nóng mặt đất ánh sáng mặt trời, đặc biệt vùng cao (dông nhiệt), gặp luồng khơng khí nóng ẩm với khơng khí lạnh (dơng Front) Sau đạt độ cao định (khoảng vài km trở lên - vùng nhiệt độ âm- Hình 2.1) luồng khơng khí ẩm bị lạnh đi, nước ngưng tụ thành giọt nhỏ li ti - hay tinh thể băng chúng tạo thành đám mây dông Từ lâu, người ta khẳng định nguồn tạo điện trường mây dông mặt đất điện tích tích tụ hạt nước li ti tinh thể băng đám mây dơng Nhưng đâu có nhiễm điện hạt nước tinh thể băng có nhiều giả thuyết khác chưa hồn tồn trí Các giả thuyết chưa giải thích cách triệt để nguồn điện tích đám mây dơng, khiến người ta nghĩ thực tế có nhiều nguyên nhân đồng thời tác động phức tạp Nhưng có điều chắn suốt dơng, điện tích dương điện tích âm bị luồng khơng khí mãnh liệt làm tách rời gắn liền với phân bố tinh thể băng tuyết HVTH: Đỗ Anh Duy -5- Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ Hình 5.5: Điện áp pha A – khơng/có trang bị CSV, điện áp pha B C phía sơ cấp máy biến áp có trang bị CVS Nhận xét:  Khi có sét đánh trực tiếp 10kA 10/350us vào đường dây trung áp, dòng điện sét lan truyền dọc theo đường dây dẫn vào cuộn sơ cấp máy biến áp MV/LV, trường hợp khơng có trang bị chống sét van phía trung áp, điện áp pha A đạt đến 180kV phá hỏng cách điện MBA (170kV)  Trường hợp có trang bị chống sét van, lúc van chống sét trung áp hoạt động dẫn dòng sét xuống đất Chống sét van trung áp (MV MOV) kẹp HVTH: Đỗ Anh Duy - 77 - Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ điện áp độ xung sét đánh trực tiếp xuống 120kV nhỏ mức cách điện thiết bị (máy biến áp) bảo vệ 5.2.3 Đánh giá điện áp phía mạng hạ áp sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp Để đánh giá điện áp mạng hạ áp sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp, tiến hành mô sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp vị trí khác (5.000m, 2.000m, 1.000m, 500m, 250m,100m) quan sát điện áp tủ phân phối hạ áp Kết mơ trình bày hình 5.6 đến hình 5.11 Hình 5.6: Điện áp tủ phân phối trang bị CSV hạ áp (Khoảng cách từ điểm sét đánh tới máy biến áp 5.000m) HVTH: Đỗ Anh Duy - 78 - Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ Hình 5.7: Điện áp tủ phân phối trang bị CSV hạ áp (Khoảng cách từ điểm sét đánh tới máy biến áp 2.000m) Hình 5.8: Điện áp tủ phân phối trang bị CSV hạ áp (Khoảng cách từ điểm sét đánh tới máy biến áp 1.000m) HVTH: Đỗ Anh Duy - 79 - Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ Hình 5.9: Điện áp tủ phân phối trang bị CSV hạ áp (Khoảng cách từ điểm sét đánh tới máy biến áp 500m) Hình 5.10: Điện áp tủ phân phối trang bị CSV hạ áp (Khoảng cách từ điểm sét đánh tới máy biến áp 250m) HVTH: Đỗ Anh Duy - 80 - Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ Hình 5.11: Điện áp tủ phân phối trang bị CSV hạ áp (Khoảng cách từ điểm sét đánh tới máy biến áp 100m) Từ kết mô nêu trên, nhận thấy lắp đặt van chống sét phía trung áp dẫn vào trạm biến áp xảy điện áp phía hạ áp Khi sét đánh tới đường dây trung áp khơng vị trí khác gây q điện áp bên phía hạ áp, xung điện áp với biên độ lớn tốc độ tăng nhanh gây đánh thủng cách điện thiết bị điện, thiết bị điện tử nhạy cảm Biên độ điện áp cực đại pha phía hạ áp tương ứng với khoảng cách từ vị trí sét đánh tới trạm trình bày bảng 5.2 HVTH: Đỗ Anh Duy - 81 - Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ Bảng 5.2: Quá điện áp tủ hạ áp sét đánh vào đường dây trung áp (trường hợp không trang bị chống sét van hạ áp) Khoảng cách từ điểm sét đánh tới trạm biến áp (m) 5000 2000 1000 500 250 100 Điện áp cực đại pha tủ phân phối hạ áp Pha A (V) Pha B (V) Pha C (V) 1541 1736 1777 1794 1838 1853 520 620 710 750 780 785 980 1050 1100 1150 1250 1270 Việc lắp đặt chống sét van trung áp phía sơ cấp máy biến áp bảo vệ an tồn cho trạm biến áp khơng bị hư hỏng có sét đánh trực tiếp vào đường dây dẫn vào trạm Tuy nhiên, để bảo vệ áp cho thiết bị hạ áp cần phải lắp đặt thiết bị bảo vệ áp mạng hạ áp 5.3 Mơ hệ thống bảo vệ q áp có chống sét van hạ áp 5.3.1 Thơng số mơ hình: Dưới trình bày mơ hình mơ hệ thống bảo vệ áp có lắp đặt chống sét van hạ áp tủ phân phối hạ áp Sơ đồ bố trí thiết bị bảo vệ áp trình bày hình 5.12 Sơ đồ mạch tương đương hệ thống bảo vệ áp cơng trình hình 5.13 Các thơng số mạch điện mô cho bảng 5.1 Chống sét van hạ áp (LV MOV) có điện áp làm việc cực đại 275V, dòng điện chịu đựng cực đại xung dịng 8/20µs 40 kA, mức bảo vệ áp < 1500V HVTH: Đỗ Anh Duy - 82 - Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ Hình 5.12: Sơ đồ hệ thống bảo vệ q áp cơng trình có lắp LV MOV Hình 5.13: Sơ đồ mạch tương đương hệ thống có lắp LV_MOV HVTH: Đỗ Anh Duy - 83 - Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ Hình 5.14: Sơ đồ mạch mơ hệ thống có lắp LV_MOV 5.3.2 Đánh giá hiệu bảo vệ chống áp LV-MOV Chạy mơ mơ hình với thơng số trên, với khoảng cách từ vị trí sét đánh tới trạm biến áp 100m (nguy hiểm trường hợp khảo sát) Dòng điện qua LV MOV điện áp tải hạ áp trình bày hình 5.15 hình 5.16 Hình 5.15: Dịng điện qua van chống sét hạ áp LV MOV HVTH: Đỗ Anh Duy - 84 - Luan van GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luận văn Thạc sỹ Hình 5.16: Điện áp dư van chống sét hạ áp LV MOV Khi có dịng xung sét lan truyền sang phía hạ áp máy biến áp gây điện áp hệ thống hạ áp, chống sét van hạ áp (LV MOV) hoạt động dẫn xung dòng điện pha vào hệ thống nối đất hạ áp Trên hình 5.16, chống sét van hạ áp kẹp điện áp xung sét lan truyền xuống 800V nhỏ mức điện áp cách điện thiết bị điện phía sau hệ thống bảo vệ đảm bảo an toàn cho thiết bị điện hệ thống hạ áp 5.4 Nhận xét Mơ hình chống sét van trung áp (MV MOV) chống sét van hạ áp (LV MOV) xây dựng có mức tương đồng cao so với nguyên mẫu (sai số mô nhỏ