(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu qui đổi biên độ xung với các dạng sóng khác nhau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH THỊ THU THUỶ NGHIÊN CỨU QUI ĐỔI BIÊN ĐỘ XUNG VỚI CÁC DẠNG SÓNG KHÁC NHAU NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN SKC008011 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH THỊ THU THUỶ NGHIÊN CỨU QUI ĐỔI BIÊN ĐỘ XUNG VỚI CÁC DẠNG SÓNG KHÁC NHAU NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 8520201 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2023 i ii iii iv v vi vii LÝ LỊCH KHOA HỌC (Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học) I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Đinh Thị Thu Thủy Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 23/10/1988 Nơi sinh: TPHCM Quê quán: Long Cang, Cần Đước, Long An Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước học tập, nghiên cứu: Trưởng ca – Trung tâm chăm sóc khách hàng Điện lực miền Nam Chỗ riêng địa liên lạc: 12 Thi Sách phường Bến Nghé, Q1, TPHCM Số CCCD/CMND: 079188010070, Ngày cấp: 10/07/2021 Nơi cấp CCCD: Cục Trưởng cục Cảnh sát QLHC trật tự xã hội Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: E-mail: dinhthuy1023@gmail.com Fax: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Khơng quy Thời gian đào tạo từ 2006 đến 2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Bách Khoa TPHCM Ngành học: Hệ thống điện Tên đồ án, luận án mơn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu khắc phục tình trạng thiếu điện Quận Quận TPHCM Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 2011 - Trường Đại học Bách Khoa TPHCM Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Bội Khuê Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2020 đến 2022 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM Ngành học: Kỹ thuật điện Tên luận văn: Nghiên cứu qui đổi biên độ xung với dạng sóng khác Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 05/03/2023 - Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Toefl iBT viii Hướng nghiên cứu phát triển Nghiên cứu qui đổi biên độ xung từ dạng sóng 8/20µs sang dạng sóng 1/5µs, 30/60µs, 45/90µs, … Nghiên cứu biện pháp bảo vệ áp sét lan truyền vào trạm với dạng xung khác 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] L T N Chi, “Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dài đường dây đến hiệu bảo vệ áp mạng phân phối hạ áp,” LV ThS Ngành Kỹ thuật điện, ĐH SPKT Tp HCM, 2019 [2] N H Giang, “Nghiên cứu tính tốn thiết bị chống sét lan truyền cấp sở tổ hợp MOV,” LV ThS Ngành Kỹ thuật điện, ĐH SPKT Tp HCM, 2019 [3] V T Tân, “Nghiên cứu hiệu bảo vệ áp MOV cao áp,” LV ThS Ngành Kỹ thuật điện, ĐH SPKT Tp HCM, 2020 [4] P T Vũ, “Nghiên cứu ảnh hưởng sét đánh trực tiếp đến lựa chọn SPD hạ áp,” LV ThS Ngành Kỹ thuật điện, ĐH SPKT Tp HCM, 2020 [5] L H C Quyền Huy Ánh, “Mơ hình xung sét cải tiến q áp sét đánh trực tiếp vào đường dây phân phối,” Tạp chí phát triển KH&CN, vol 3, no 10, 2007 [6] N H Kiên, “Nghiên cứu lựa chọn thông số, cấu hình mạch thử thử nghiệm xung sét cho máy biến áp lực pha 500kV sản xuất Việt Nam,” Phịng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Điện cao áp, 2010 [7] “Tiêu chuẩn thiết bị chống sét đường điện hạ áp (SPD) cung cấp cho thiết bị điện tử, viễn thông,” 2015 Tiếng Anh: [8] IEC-60099-4, “Surge Arrester-Part 4, Edition 3,” June, 2014 [9] I S G.P Fotis, I.F Gonos, “Simulation and experiment for surge immunity according to en 6100-4-5,” 2004 [10] “IEC 61000-4-5 standard overview,” 2013 48 [11] A.-M Silaghi, A De Sabata, A Graur, and R Fechet, “Simulation of Surge Pulse Generator and Applications in Automotive Immunity Testing,” in 2020 International Conference on Development and Application Systems (DAS), May 2020, pp 117–120 doi: 10.1109/DAS49615.2020.9108951 [12] “Voltage to current waveform conversion, example of the 10/700 µs,” 1995 [13] Furse – The information provided in these introductory pages follows the requirements for transient overvoltage (surge) protection provided by both BS EN/IEC 62305 and the latest amendment of the IET Wiring Regulations, 17th Editi BS 7671:2008 (+A1:2001) [14] K Samaras, C Sandberg, C J Salmas, and A Koulaxouzidis, “Electrical Surge-Protection Devices for Industrial Facilities—A Tutorial Review,” IEEE Trans Ind Appl., vol 43, no 1, pp 150–161, 2007, doi: 10.1109/TIA.2006.886994 [15] B G & D Neri, “A call to standardize the waveforms used to test SPDs,” ICLP, 2004 [16] “TDK – SIOV metal oxide varistors,” Gen Tech Inf  EPCOS AG, 2018 [17] Littelfuse, “Littelfuse Varistors – Basic Properties,” Terminol Theory, 1999 [18] VISHAY, “Varistors Introduction,” 2013 [19] S James, N Kularatna, A Steyn‐Ross, and R Künnemeyer, “Estimation of transient surge energy transferred with associated time delays for individual components of surge protector circuits,” IET Power Electron., vol 8, no 5, pp 685–692, May 2015, doi: 10.1049/iet-pel.2014.0212 [20] K E Merrill and G T Heydt, “The Calculation of Energy Dissipation in Metal Oxide Varistors for Power Distribution Applications,” IEEE Trans Power Syst., vol 34, no 5, pp 10.1109/TPWRS.2019.2918957 49 3967–3969, Sep 2019, doi: [21] D T Khanmiri, R Ball, C Mckenzie, and B Lehman, “Energy absorption capability of low voltage Metal Oxide Varistors in AC and impulse currents,” in 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Mar 2016, pp 3038–3042 doi: 10.1109/APEC.2016.7468296 [22] “Tiêu chuẩn Vật tư Thiết bị Lưới điện Tổng Công ty Điện lực Miền Trung,” Tổng Công ty Điện lực Miền Trung, 2020 [23] Simulink, “Simulation and Model-Based Design,” Version 6, 2004 50 PHỤ LỤC Phụ lục Thông số kỹ thuật MVLA AZG2 Cooper 51 Phụ lục Thông số kỹ thuật MVSA 3EK7 180 4AE4 (Siemens) 52 BÀI BÁO KHOA HỌC QUI ĐỔI BIÊN ĐỘ CÁC DẠNG XUNG TRÊN CƠ SỞ TƯƠNG ĐƯƠNGVỀ NĂNG LƯỢNG CONVERT THE AMPLITUDES OF DIFFERENT SURGE WAVES, BASED ON EQUIVALENT ENERGY Nguyễn Hoàng Minh Vũ1, Đinh Thị Thu Thủy2, Trường đại học Kiến Trúc TP.HCM Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TĨM TẮT Bài báo trình bày phương pháp qui đổi biên độ dạng xung khác sở tương đương lượng nhằm hổ trợ cho người thiết kế, người sử dụng đánh giá lựa chọn thiết bị triệt xung thích hợp, có hiệu bảo vệ cao trường hợp Bài tốn giải thơng qua phương pháp mơ hình hóa mơ với trợ giúp công cụ Simulink-Matlab Kết nghiên cứu cung cấp hệ số qui đổi biên độ xung dạng sóng 8/20 sang biên độ xung dạng sóng 10/350 s biên độ xung dạng sóng 4/10s với sai số phạm vi cho phép tiêu chuẩn hành Từ khóa: Qui đổi biên độ xung; Các dạng xung; Mơ hình hóa-Mơ phỏng; Năng lượng tương đương ABSTRACT This paper presents a method to convert the amplitudes of different surge waves on the basis of equivalent energy in order to assist designers and users to evaluate and select suitable transient suppression devices which have the highest protection performance in each case The problem is solved through modeling and simulation methods with the help of Simulink-Matlab tool The research results provide the conversion coefficients of 8/20s surge waveform amplitude to 10/350s surge waveform amplitude and 4/10s surge waveform amplitude with errors within the allowable range of the current standards Keywords: Convert the amplitudes; Surge waves; Modeling and Simulation 53 ĐẶT VẤN ĐỀ I(pu) Hiện nay, lưới điện thường xuất hiện tượng áp sét đánh thẳng vào đường dây (dạng xung dịng 10/350µs), sét cảm ứng vào đường dây (dạng xung dịng 8/20µs), đóng cắt đường dây (dạng xung dịng 4/10µs) [1] t(us) Hình Dạng xung dòng tiêu chuẩn Để bảo vệ cách điện máy biến áp, thiết bị phân phối trạm thường sử dụng thiết bị triệt xung (SPD) trang bị phía cao áp phía hạ áp Các SPD phải có khả tản nhanh lượng dòng xung xuống đất cho điện áp dư tương đối thấp so với mức chịu cách điện xung cho phép Phương trình tốn mơ tả dạng xung có dạng [xx]: i (t )  I k1.k2  e  at  e  bt  (1) Ở đây: I biên độ hàm mũ xung dòng; k1 hệ số hiệu chỉnh biên độ; k2 hệ số hiệu chỉnh dạng xung; a b hệ số xác định phương pháp đồ thị Hiện nay, phần lớn catalogue SPD thường cho mức tản lượng dòng xung cho phép ứng với dòng xung dạng 8/20µs Điều gây khơng khó khăn cho người sử dụng quan tâm đến khả tản lượng với dạng dòng xung khác 2.2 Mơ hình máy phát xung dịng Matlab Hình trình bày mơ hình xung dịng Matlab Vì vậy, cần tiến hành nghiên cứu nhằm đề xuất phương pháp qui đổi biên độ xung với dạng sóng khác sở tương đương lượng hấp thu cho phép công bố nhà sản xuất Tuy nhiên để giải toán nêu theo phương pháp mơ hình hóa mơ cần xây dựng mơ hình máy phát xung tiêu chuẩn, mơ hình SPD với sai số nằm phạm vi cho phép tiêu chuẩn hành Hình Mơ hình xung dịng Matlab Chức khối Hình sau: ̶ Khối Time t1 khối Time t2: nhập thời gian đầu sóng thời gian sóng; ̶ Khối Gain 4: nhập hệ số k2; MƠ HÌNH MÁY PHÁT XUNG TIÊU CHUẨN ̶ Khối nhân chia: tạo tỉ số t2/t1 sau hiệu chỉnh giá trị t2; 2.1 Phương trình tốn dạng xung dòng ̶ Khối Fcn b/a: xác định giá trị b/a từ tỉ số t2/t1; Tiêu chuẩn IEC 61000-4-5 quy định dạng xung dịng tiêu chuẩn trình bày Hình [2] 54 ̶ Khối Fcn at1: xác định giá trị at1 từ tỉ số b/a; ̶ Khối Fcn u1/u: xác định giá trị I1/1 từ tỉ số b/a; ̶ Khối nhân a: xác định giá trị a từ giá trị at1; ̶ Khối nhân b: xác định giá trị b từ tỉ số b/a; Hình Giao diện máy phát xung dòng ̶ Khối Clock khối tạo biến thời gian: t; Mạch mơ xung dịng với biên độ ̶ Khối nhân bt: xác định giá trị bt từ giá trị b giá trị t; 5kA, 10kA, 20kA với dạng xung khác trình bày Hình ̶ Khối nhân at: xác định giá trị at từ giá trị a giá trị t; ̶ Khối Gain, Gain 1, Gain khối đảo dấu; ̶ Các khối hàm mũ eu gán hàm mũ cho biến -at -bt; ̶ Khối Add: khối cộng biến e-at -ebt; Hình Mạch mơ xung dòng ̶ Khối I: khối nhập giá trị biên độ cực đại I1 xung dòng; Kết mơ dạng xung dịng 4/10s, 8/20s và10/350s trình bày Hình 5, Hình Hình ̶ Khối Fcn: khối đổi giá trị kA thành A; ̶ Khối nhân biên độ áp: khối xác định biên độ cực đại hàm mũ xung dòng I; ̶ Khối Gain 3: nhập hệ số hiệu chỉnh k1; ̶ Khối Controlled Voltage Source: khối tạo tín hiệu điện áp; ̶ Khối r1: điện trở hạn dịng, có tác dụng biến tín hiệu điện áp thành tín hiệu dịng điện nối tắt ngõ Hình Mơ xung dịng 4/10s với biên độ 5kA, 10kA 20kA Giao diện máy phát xung dịng trình bày Hình Phân tích kết mơ dạng sóng 4/10µs nhận thấy: ̶ Sai số biên độ từ 0÷0,6%, khơng đáng kể; 55 ̶ Sai số đầu sóng 7,5% < 20%, đạt yêu cầu; ̶ Sai số đầu sóng 0% < 20%, đạt yêu cầu; ̶ Sai số sóng từ 1,25÷1,31% < 20%, đạt u cầu ̶ Sai số sóng từ 1÷2% < 20%, đạt u cầu MƠ HÌNH SPD CỦA PICENTI 3.1 Mơ hình tốn SPD Mơ hình SPD dạng MOV Pinceti mơ hình phát triển dựa mơ hình phụ thuộc tần số đề xuất IEEE với sơ đồ khối phần tử trình bày Hình [3] Hình Mơ xung dòng 8/20s với biên độ 5kA, 10kA 20kA Phân tích kết mơ dạng sóng 8/20µs nhận thấy: Hình Mơ hình SPD Pinceti ̶ Sai số biên độ từ 0÷0,2%, khơng đáng kể; Trong mơ hình này, hai khối điện trở phi tuyến A0 A1 xây dựng dựa vào đặc tuyến V-I đề nghị IEEE ̶ Sai số đầu sóng 6,25÷7,5% < 20%, đạt yêu cầu; R0=1M ̶ Sai số sóng từ 0,5÷2% < 20%, đạt u cầu Các giá trị L0 L1 mơ hình SPD dạng MOV Pinceti tính từ biểu thức (2) (3): L0  Vr1/T  Vr 8/20  Vn 12 Vr 8/ 20 L1  Vr1/T  Vr 8/ 20  Vn Vr 8/20 (2) (3) Ở đây: Vn điện áp định mức SPD dạng MOV; Vr1/T2 điện áp dư cho dòng sét nhanh 10kA (1/T2); Vr8/20 điện áp dư cho dịng sét 10kA với dạng sóng 8/20µs Hình Mơ xung dịng 8/20s với biên độ 5kA, 10kA 20kA Phân tích kết mơ dạng sóng 10/350µs nhận thấy 3.2 Mơ hình SPD Matlab ̶ Sai số biên độ từ 0,5÷0,6%, khơng đáng kể; 56 Sử dụng Simulink Matlab xây dựng mơ hình SPD hồn chỉnh Hình 9, với lưu ý hai điện trở R0=R1=1MΩ thêm vào để tránh việc xung dịng nối tiếp với thành phần điện cảm mơ Matlab: với giá trị điện áp dư cung cấp catalogue nhà sản xuất Hình 11 Mạch mô SPD Ở thử nghiệm với MVSA 3EK7 180 4AE4 Hãng Siemens [4] AZG2 Hãng Copper [5] Hình Mơ hỉnh SPD theo Picenti Matlab Giao diện mơ hình SPD theo Picenti Matlab trình bày Hình 10 Dạng sóng mơ điện áp dư MVSA 3EK7 180 4AE4 Hãng Siemens ứng với xung dịng 5kA 8/20µs, 10kA 8/20µs 20kA 8/20µs trình bày Hình 12 Hình 10 Giao diện mơ hình SPD theo Picenti Matlab Hình 12 Dạng sóng mơ điện áp dư SPD 3EK7 180 4AE4-Hãng Siemens 3.3 Mô hoạt động SPD Mạch mơ hoạt động mơ hình SPD Pinceti trình bày Hình 11 Dạng sóng mơ điện áp dư MVSA AZG2 – Hãng Cooper ứng với xung dịng 5kA 8/20µs, 10kA 8/20µs 20kA 8/20µs trình bày Hình 13 Để đánh giá độ xác mơ hình SPD Pinceti nêu trên, tiến hành mơ điện áp dư mơ hình ứng với xung dịng chuẩn 5kA 8/20µs, 10kA 8/20µs 20kA 8/20µs Giá trị điện áp dư so sánh 57 SPD bị hư hỏng nhiều nguyên nhân, nguyên nhân chủ yếu lượng hấp thụ vượt mức cho phép SPD ứng với dạng xung dòng tiêu chuẩn qui định nhà sản xuất Năng lượng hấp thu SPD xác định đồ thị với độ xác chấp nhận cách sử dụng phương pháp quy đổi hình chữ nhật Tuy nhiên, sử dụng phương pháp mơ hình hóa mô phỏng, lượng hấp thu SPD xác định theo biểu thức [6]: Hình 13 Dạng sóng mô điện áp dư SPD AZG2 – Hãng Cooper Bảng trình bày giá trị điện áp dư thông qua mô (Vsim), giá trị điện áp dư cung cấp nhà sản xuất (Vcat) sai số mơ hình Err W = ∫ v(t)i(t)dt Bảng Tổng hợp giá trị điện áp dư SPD Mã sản phẩm 3EK7 180 4AE4 AZG2 Điện áp dư ứng với xung dòng 8/20us Rated Voltage 5kA 10kA (kV) Vcat Vsim Er Vcat Vsim Er (kV) (kV) (%) (kV) (kV) (%) 20kA Vcat Vsim Err (kV) (kV) (%) 18 44.5 46.36 4.18 47.8 49.7 55 59.01 7.29 18 46.9 48.57 3.56 50.7 51.79 2.15 56.3 60.75 7.9 3.97 Ghi chú: Err (%) = ((|Vcat – Vsim|)/Vcat)100% Phân tích kết mơ điện áp dư mơ hình Pinceti ứng với xung dòng 5kA, 10kA, 20kA với giá trị điện áp dư cung cấp nhà sản xuất (Siemens Cooper) nhận thấy: (4) Phương pháp có ưu điểm độ xác cao, khơng cần thiết bị chun dùng có nhược điểm phải có mơ hình máy phát chống sét mơ hình SPD tương thích với nguyên mẫu Để qui đổi biên độ xung với dạng sóng khác nhau, trình bày phương pháp tương đương lượng hấp thụ thông qua mơ hình hóa mơ Mạch mơ để xác định lượng hấp thu SPD trình bày Hình 14 ̶ Mơ hình Pinceti MVSA thuận tiện cho người sử dụng thơng số đầu vào tra từ catalogue nhà sản xuất; ̶ Sai số điện áp dư mô hình Pinceti MVSA có giá trị thấp 2,15% cao 7.9% thấp sai số điện áp dư cho phép 10% Hình 14 Mạch mơ lượng hấp thu SPD Kết mô lượng hấp thu biên độ dòng xung SPD 3EK7 180 4AE4 (Siemens) với dạng xung khác trình bày Bảng QUI ĐỔI BIÊN ĐỘ VỚI CÁC DẠNG XUNG KHÁC NHAU 4.1 Năng lượng hấp thu 58 Bảng Kết mô lượng hấp thu biên độ dòng xung SPD 3EK7 180 4AE4 Thơng số Biên độ dịng (kA) Năng lượng hấp thu (J) Thơng số Biên độ dịng (kA) Năng lượng hấp thu (J) Hệ số qui đổi Thơng số Biên độ dịng (kA) Năng lượng hấp thu (J) Hệ số qui đổi 2612 0,868 2663 0,173 8,57 2675 1,71 Dạng sóng 8/20µs 10 6865 Dạng sóng 10/350µs 1,564 6862 0,156 Dạng sóng 4/10µs 17,23 6883 1,72 10/350µs lấy giá trị gần 0,15; ̶ 20 18450 KẾT LUẬN 2,792 18490 0,140 Bài báo sâu vào nghiên cứu giải vấn đề sau: 34,72 18450 1,73 ̶ Nghiên cứu xây dựng máy phát xung tiêu chuẩn cho dạng xung khác môi trường Matlab, đặc biệt dạng xung 10/350µs 4/10µs với sai số biên độ không đáng kể (< 0,6%), sai số thời gian đầu sóng (< 7,5%) sai số thời gian cuối sóng (